Chuyên đề bồi dưỡng học sinh giỏi môn Vật lý Nhiệt học
Bạn đang xem nội dung Chuyên đề bồi dưỡng học sinh giỏi môn Vật lý Nhiệt học, để tải tài liệu về máy bạn hãy click vào nút TẢI VỀ
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc THUYẾT MINH, MÔ TẢ GIÁI PHÁP 1.Tên giải pháp: “Chuyên đề bồi dưỡng học sinh giỏi môn vật lý: Nhiệt học” 2. Ngày giải pháp được áp dụng thử - Giải pháp này được Tôi áp dụng vào ôn thi học sinh giỏi huyện lớp 8 năm 2019- 2020 tại trường THCS Đồng Vương-Yên Thế-Bắc Giang. 3. Các thông tin cần bảo mật: không. 4. Mô tả giải pháp cũ thường làm - Là một giáo viên được phân công dạy HSG cấp huyện tôi tự nhận thấy trong quá trình ôn luyện cho học sinh tôi chưa thực sự chú trọng cho học sinh phần nhiệt học mà thường tập chung nhiều ở phần cơ học - Khi ôn tập cho học sinh, tôi thường dạy qua, chưa kĩ, chỉ tập trung vào ôn 1 số bài tập đơn giản - Tôi chưa có nhiều thậm chí chưa dành nhiều thời gian để chữa và sửa bài cho các em 5. Sự cần thiết phải áp dụng giải pháp Vật lí là môn khoa học thực nghiệm, có vai trò quan trọng trong việc hình thành và phát triển nhân cách con người, thông qua dạy học vật lí giáo dục cho HS có hệ thống tri thức khoa học, về kiến thức kĩ thuật tổng hợp - hướng nghiệp, thế giới quan duy vật biện chứng, củng cố lòng tin vào khoa học, ở khả năng nhận biết ngày càng chính xác và đầy đủ các quy luật tự nhiên của con người. Góp phần GD lòng yêu nước, yêu chủ nghĩa xã hội, tinh thần hợp tác quốc tế, và thái độ với lao động. Bên cạnh đó bồi dưỡng cho HS có phẩm chất nhân cách người lao động có tri thức, có đạo đức cách mạng, có bản lĩnh vươn lên chiếm lĩnh đỉnh cao trí tuệ của nhân loại góp phần xây dựng thành công sự nghiệp công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước. Trong thực hiện mục tiêu giáo dục thì nhiệm vụ bồi dưỡng học sinh giỏi được coi là một trong những nhiệm vụ trọng tâm, nó đòi hỏi cả một quá trình hết sức công phu và gian khó tuy nhiên cũng rất vinh dự. Thành công ở mặt trận này góp phần quan trọng vào thực hiện mục tiêu 1 GD, đồng thời tạo môi trường, không khí và phong trào học tập sôi nổi, sâu rộng từ đó thúc đẩy mọi công tác khác trong nhà trường cùng phát triển. Học sinh giỏi khẳng định chất lượng mũi nhọn của mỗi đơn vị GD là thước đo về trí tuệ và danh dự của một nền giáo dục. Ngoài ra học sinh giỏi còn góp phần nâng lên uy tín, thương hiệu của giáo viên, của nhà trường đồng thời thực hiện tốt nhiệm vụ bồi dưỡng nhân tài, tạo nguồn cho các cấp học cao hơn và đóng góp cho Đất nước những hiền tài trong tương lai. Trong các kỳ thi học sinh giỏi các cấp tôi thấy rằng học sinh thường gặp rất nhiều khó khăn và lúng túng khi giải các bài tập định tính và định lượng về nhiệt học. Trong khi đó với nội dung thi HSG cấp huyện, cấp tỉnh hoặc đề thi vào các trường THPT chuyên trong toàn quốc thì tôi nhận thấy hầu như năm nào cũng ra bài tập về nhiệt học. Vì vậy tôi mạnh dạn chọn giải pháp xây dựng “Chuyên đề bồi dưỡng học sinh giỏi môn vật lý: Nhiệt học” để nhằm trao đổi với đồng nghiệp cũng như chia sẻ phần nào những khó khăn của các thầy cô giáo trong công tác bồi dưỡng học sinh giỏi đồng thời cung cấp đến quý thầy cô và các em học sinh hệ thống bài tập mà các em phải giải được sau khi học về phần nhiệt học. 6. Mục đích của giải pháp - Giúp học sinh hiểu, nắm bắt được và bước đầu biết vận dụng các phương pháp giải quết các bài toán về nhiệt học từ cơ bản đến nâng cao. - Mặt khác, chuyên đề này nhằm mục đích nâng cao trình độ chuyên môn và tích lũy thêm kinh nghiệm trong công tác bồi dưỡng HSG cho giáo viên. Mở rộng hiểu biết cho học sinh, giúp các em hiểu sâu sắc hơn và có diều kiện hoàn thiện về phương pháp giải bài tập Vật Lí. Qua đó rèn luyện các năng lực tư duy sáng tạo cho học sinh. 7. Nội dung 7.1. Thuyết minh giải pháp mới hoặc cải tiến 7.1.1.Thực trạng vấn đề - Nhiều năm được tham gia bồi dưỡng họ sinh giỏi cấp huyện tôi thấy: Nhiều học sinh có năng khiếu vật lý, dễ dàng phát hiện có sự vật hiện tượng vật lý. Bản chất vật lý . Tuy nhiên khi vận dụng các kiến thức vào giải bài toán thì thường bị vướng mắc nhất là phần nhiệt học , nhiều đề thi học sinh giỏi cấp huyện, cấp tỉnh, thi vào lớp 10 chuyên đều đề cập tới dạng bài tập nay nhưng kiến thức tranh bị cho học sinh trong sách giáo khoa đề cập đến một cách sơ lược cũng gây khó khăn cho học sinh trong việc giải bài tập 2 - Hiểu rõ tầm quan trọng của công tác bồi dưỡng học sinh giỏi, và lượng kiến thức quan trọng về nhiệt học của bộ môn vật lý, tôi đã viết chuyên đề này. 7.1.2.Các bước tiến hành thực hiện giải pháp: Phần A: XÂY DỰNG CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN SỬ DỤNG TRONG CHUYÊN ĐỀ 1. Công thức tính nhiệt lượng: Q = m.C. t (0C) Trong đó: Q: nhiệt lượng vật thu vào (hay toả ra) (J) m: khối lượng vật (kg) t: độ tăng (hay giảm) nhiệt độ - Nếu tính nhiệt lượng thu vào để tăng nhiệt độ: t = t2 – t1 - Nếu tính nhiệt lượng toả ra để giảm nhiệt độ: t = t1 – t2 Chú ý: Có nhiều bài toán ta không biết được vật tăng hay giảm nhiệt độ (vì bài toán o o chỉ cho ẩn số) ta tính: t = t cuối – t đầu Lúc này t có thể dương hay âm => Q có thể dương hay âm. Nếu Q > 0: vật thu nhiệt. Nếu Q < 0: vật toả nhiệt. 2. Phương trình cân bằng nhiệt: - Nếu biết rõ vật nào toả nhiệt, vật nào thu nhiệt, ta dùng phương trình: Qtoả = Qthu (1) - Nếu không biết rõ vật nào tỏa nhiệt và vật nào thu nhiệt, ta dùng phương trình định luật bảo toàn năng lượng: Q1 + Q2 + Q3 ... = 0 (2) Trong đó Q1; Q2; Q3 ... có thể dương hoặc âm (xem phần chú ý ở mục 1) - Phương trình (1) chỉ áp dụng cho trường hợp có 2 vật: một vật nóng và một vật lạnh hơn. - Phương trình (2) có thể áp dụng cho mọi trường hợp trao đổi nhiệt. 3. Sự chuyển thể của các chất: a. Sự nóng chảy và sự đông đặc: * Nhiệt nóng chảy: Nhiệt lượng cần thiết cho 1kg chất rắn chuyển từ thể rắn sang thể lỏng ở nhiệt độ nóng chảy gọi là nhiệt nóng chảy của chất đó. - Ký hiệu: . Đơn vị: J/kg - Ví dụ: Nói nhiệt nóng chảy của nước đá là = 3,4 105 J/kg 3 Nghĩa là: muốn cho 1kg nước đá ở 0oC hoá lỏng hết thì cần một nhiệt lượng là 3,4.105 J. - Công thức tính nhiệt lượng vật thu vào để nóng chảy hoàn toàn ở nhiệt độ nóng chảy: Q = m. Chú ý: Nhiệt lượng vật toả ra khi đông đặc đúng bằng nhiệt lượng vật đó thu vào khi nóng chảy. Như vậy công thức Q = m. vẫn dùng được khi vật đông đặc, lúc này được gọi là nhiệt đông đặc. b. Sự hoá hơi và sự ngưng tụ: * Nhiệt hoá hơi: Nhiệt lượng cần thiết cho 1kg chất chuyển từ thể lỏng sang thể hơi ở nhiệt độ sôi gọi là nhiệt hoá hơi của chất đó. Ký hiệu: L Đơn vị: J/kg 6 Ví dụ: Nói nhiệt hoá hơi của nước là L = 2,3 10 J/kg nghĩa là: Muốn cho 1kg nước ở 1000C hoá hơi hoàn toàn cần cung cấp một nhiệt lượng là 2,3 6 10 J * Công thức: Q = m.L Trong đó: Q: Nhiệt lượng cần thiết (J) m: khối lượng vật (kg) L: Nhiệt hoá hơi (J/kg) 4 Chú ý: Nhiệt lượng vật toả ra khi ngưng tụ đúng bằng nhiệt lượng vật đó thu vào khi hoá hơi. Như vậy công thức Q = m.L vẫn dùng được khi vật ngưng tụ, lúc này L được gọi là nhiệt ngưng tụ. 4. Năng suất toả nhiệt: a. Định nghĩa: Nhiệt lượng toả ra khi đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu gọi là năng suất toả nhiệt của nhiên liệu đó. Ký hiệu: q. Đơn vị: J/kg Ví dụ: Nói năng suất toả nhiệt của xăng là q = 4,6 107 J/kg nghĩa là: Đốt cháy hết 1kg xăng thì toả ra một nhiệt lượng là 4,6 107 J b. Công thức: Q = m.q Trong đó: m: khối lượng nhiên liệu (kg) q: năng suất toả nhiệt của nhiên liệu đó (J/kg) 5. Hiệu suất của động cơ nhiệt: Năng lượng (công) có ích H = 100% Năng lượng toàn phần do nhiên liệu toả ra 6. Công thức tính nhiệt lượng hao phí Nếu nhiệt lượng toả ra môi trường tỷ lệ với độ chênh lệch nhiệt độ giữa vật (t) và môi trường (t0) thì ta có công thức: Q = k (t – t0) Với K là hằng số dương Nếu nhiệt toả ra môi trường tỷ lệ với hiệu nhiệt độ giữa nước và môi trường xung quanh, tỷ lệ với diện tích tiếp xúc giữa vật và môi trường, thì công suất hao phí tỏa ra môi trường là: Php = KS (t – t0 ) 2 Trong đó: S: là diện tích tiếp xúc giữa vật và môi trường (m ) `t : là nhiệt độ của môi trường (0C) 0 t: là nhiệt độ của vật (0C) K: là hằng số dương Php: Là công suất hao phí (W). 5 PHẦN B: PHÂN LOẠI VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC DẠNG BÀI TẬP I. Các bài toán về sự trao đổi nhiệt của hai chất và nhiều chất không có sự chuyển thể: Phương pháp giải: - Xác định các chất thu nhiệt, các chất tỏa nhiệt. - Áp dụng phương trình cân bằng nhiệt để thiết lập các phương trình cần thiết. Các ví dụ minh họa: Bài 1: Người ta thả vào 0,2kg nước ở nhiệt độ 200C một cục sắt có khối lượng 300g ở nhiệt độ 100C và một miếng đồng có khối lượng 400g ở 250C. Tính nhiệt độ cuối cùng của hỗn hợp và nêu rõ quá trình trao đổi nhiệt giữa các thành phần trong hỗn hợp đó. Cho c 1 = 4200 j/kg.k; c 2 = 460 j/kg.k ; c3 = 380 j/kg.k Giải : Gọi nhiệt độ khi cân bằng của hỗn hợp là t. Ta có phương trình cân bằng nhiệt của hỗn hợp như sau: m1.c1.(20 – t) + m3.c3.(25 – t) = m2.c2.(t – 10) Thay số vào ta có : t = 20,310C Nhận xét. Đối với bài tập này thì đa số học sinh giải được nhưng qua bài tập này thì giáo viên hướng dẫn học sinh làm đối với hỗn hợp 3 chất lỏng và tổng quát lên n chất lỏng. Bài 2. Một hỗn hợp gồm n chất lỏng có khối lương m1,m2, ..mn; có nhiệt dung riêng lần lượt là c1, c2, ..cn được trộn lẫn với nhau. Tính nhiệt độ của hỗn hợp khi cân bằng nhiệt. Hoàn toàn tương tự bài toán trên ta có nhiệt độ cân bằng của hỗn hợp khi cân bằng nhiệt là: m1c t1 + m2c2t2 + ....+ mncntn m c + m c + ....+ m c 1 1 2 2 n n Chú ý: - Với bài tập này ta không biết được vật tăng hay giảm nhiệt độ (vì bài toán chỉ cho 0 0 ẩn số) ta tính: t = t cuối – t đầu Lúc này t có thể dương hay âm => Q có thể dương hay âm. Nếu Q > 0: vật thu nhiệt. Nếu Q < 0: vật toả nhiệt - Nếu không biết rõ vật nào tỏa nhiệt và vật nào thu nhiệt, ta dùng phương trình định luật bảo toàn năng lượng: Q1 + Q2 + Q3 ... = 0 Bài 3: Một chiếc ca không có vạch chia được dùng để múc nước ở thùng chứa I và thùng chứa II rồi đổ vào thùng chứa III. Nhiệt độ của nước ở thùng chứa I là t1 = 20 0 0 C, ở thùng II là t2 = 80 C. Thùng chứa III đã có sẵn một lượng nước ở nhiệt độ t 3 = 40 0C và bằng tổng số ca nước vừa đổ thêm. Cho rằng không có sự mất mát nhiệt 6 lượng ra môi trường xung quanh. Hãy tính số ca nước cần múc ở thùng I và thùng II để nước ở thùng III có nhiệt độ bằng 50 0C ? Giải: - Gọi m là khối lượng của mỗi ca nước, n1 là số ca nước ở thùng I, n2 là số ca nước ở thùng II Vậy số ca nước ở thùng III là n1+ n2, nhiệt độ cân bằng của nước trong thùng III là 500C - Ta có: Nhiệt lượng thu vào của số nước từ thùng I là : Q1 = m1.c.(50-20) = n1.m.c.30 (1) - Nhiệt lượng tỏa ra của số nước từ thùng II là : Q2 = m2.c.(80-50) = n2.m.c.30 (2) - Nhiệt lượng thu vào của số nước từ thùng III là : Q3 =(n1+n2).m.c.(50 - 40) = (n1+n2).m.c.10 (3) - Do quá trình là cân bằng nên ta có : Q1 + Q3 = Q2 (4) Thay hệ thức (1), (2), (3) vào hệ thức (4) ta được: 2n1= n2 Như vậy nếu mức ở thùng II: n ca thì phải múc ở thùng I: 2n ca và số nước có sẵn trong thùng III là: 3n ca (n nguyên dương ) II. Các bài toán trao đổi nhiệt có sự chuyển thể của các chất. A - Dạng 1: Tìm nhiệt độ cân bằng của hỗn hợp trong bài toán chuyển thể. Dấu hiệu nhận biết loại bài tập này: Bài toán yêu cầu rõ tìm nhiệt độ cân bằng của hỗn hợp, có sử dụng đến nhiệt hóa hơi hoặc nhiệt nóng chảy hoặc cả hai, vì vậy rất dễ để nhận biết loại bài tập này. Phương pháp giải: Có các khả năng xảy ra: Khi có cân bằng nhiệt thì hỗn hợp là nước trên 00C, là đá dưới 00C, hoặc hỗn hợp đá và nước ở 00C. Mỗi khả năng ứng với một công thức tìm nhiệt độ cân bằng khác nhau. Vậy trước hết ta phải thử xem giả thiết bài toán rơi vào trường hợp nào? Xét các ví dụ dưới đây: o o Bài 1. Bỏ 100g nước đá ở t1 = 0 C vào 300g nước ở t2 = 20 C . Nước đá có tan hết không? Nếu không hãy tính khối lượng đá còn lại. Cho nhiệt độ nóng chảy của nước đá là = 3,4.105 j / kgk và nhiệt dung riêng của nước là: c = 4200J/kg.k Nhận xét. Đối với bài toán này thông thường khi giải học sinh sẽ giải một cách đơn giản vì khi tính chỉ việc so sánh nhiệt lượng thu vào của nước đá để nóng chảy hoàn toàn và nhiệt lượng tỏa ra của nước để giảm xuống 00C. 7 Giải. Gọi nhiệt lượng thu vào của nước đá để nóng chảy hoàn toàn là Qt và nhiệt lượng tỏa 0 ra của nước để giảm xuống 0 C là Q thu ta có: Q = m c .(20 − 0) = 0,3.4200.20 =25200J t 2 2 Q = m . = 0,1. 3,4.105 = 34000J thu 1 Ta thấy Q thu > Qtoả nên nước đá không tan hết. Lượng nước đá chưa tan hết là Q − Q 8800 m = thu t = = 0,026kg 3,4.105 0 Bài 2. Trong một bình có chứa m1 = 2kg nước ở t1 = 25 c . Người ta thả vào bình 0 m2 kg nước đá ở t2 = − 20 c . Hảy tính nhiệt độ chung của hỗn hợp khi có cân bằng nhiệt trong các trường hợp sau đây: a) m = 1kg 2 b) m = 0,2kg 2 c) m = 6kg 2 cho nhiệt dung riêng của nước, của nước đá và nhiệt nóng chảy của nước đá lần lượt là c = 4, 2kJ / kg .k ; c = 2,1kJ / kg .k , = 340kJ / kg 1 2 Nhận xét: Đối với bài toán này khi giải học sinh rất dể nhầm lẫn ở các trường hợp của nước đá. Do vậy khi giải giáo viên nên cụ thể hoá các trường hợp và phân tích để cho học sinh thấy rõ và tránh nhầm lẫn trong các bài toán khác. Giải Nếu nước hạ nhiệt độ tới 00c thì nó toả ra một nhiệt lượng Q1 = c1m1 (t1 − 0) = 4,2.2.(25 − 0) = 210kj a) m2 = 1kg o Nhiệt lượng cần cung cấp để nước đá tăng nhiệt độ tới o c Q = c m (o − t ) = 2,1.(o − (−20)) = 42kj 2 2 2 2 Q Q nước đá bị nóng chảy. 1 2 Nhiệt lượng để nước đá nóng chảy hoàn toàn: Q'2 = .m2 = 340.1 = 340kj Q1 Q2 + Q'2 nên nước đá chưa nóng chảy hoàn toàn. Vậy nhiệt độ cân bằng là 00C. Khối lượng nước đá đã đông đặc là m y c .m (t − 0) + .m = c m (0 − t ) m = 0,12kg 1 1 y 2 2 2 y Khối lượng nước đá đã nóng chảy m được xác định bởi: x c .m (t − 0) = c m (0 − t ) + .m m 0,5kg 1 1 2 2 2 x x 8 Khối lượng nước có trong bình: mn = m1 + mx 2,5kg Khối lượng nước đá còn lại md = m2 − mx = 0,5kg b) m2 = 0,2kg : tính tương tự như ở phần a . Q2 = c2 m2 (0 − t2 ) = 8400 j;Q'2 = .m2 = 68000 j o Q1 Q2 + Q'2 nước đá đã nóng chảy hết và nhiệt độ cân bằng cao hơn O c. Nhiệt độ cân bằng được xác định từ c2 m2 (0 − t2 ) + .m2 + c1m2 (t − 0) = c1m1 (t1 − t) Từ đó t 14,50 c Khối lượng nước trong bình: mn = m1 + m2 = 2,2kg Khối lượng nước đá md = O c) m2 = 6kg Q2 = c2 m2 (0 − t2 ) = 252kj o Q1 Q2 : nước hạ nhiệt độ tới O cvà bắt đầu đông đặc. Nếu nước đông đặc hoàn toàn thì nhiệt lượng toả ra là: Q'1 = m1 = 680kj o Q2 Q1 + Q'1 : nước chưa đông đặc hoàn toàn, nhiệt độ cân bằng là O c Khối lượng nước đá có trong bình khi đó: md = m2 + my = 6,12kg Khối lượng nước còn lại: mn = m1 − my =1,88kg. B - Dạng 2: Biết nhiệt độ cân bằng tìm đại lượng khác trong bài toán chuyển thể Dấu hiệu nhận biết loại bài tập này: Đề bài đã cho nhiệt độ cân bằng hoặc bằng lập luận khi cân bằng nhiệt thấy còn tồn tại hỗn hợp cả nước và nước đá chứng tỏ nhiệt độ cân bằng của hỗn hợp là 00C. Một số cụm từ mà đề bài hay sử dụng để suy luận nhiệt độ cân bằng của hỗn hợp là 00C là: Thấy còn sót lại m kg nước đá hoặc thấy chiều cao cột chất lỏng chứa hỗn hợp giảm đi hoặc tăng thêm h so với lúc vừa rót xong...... Phương pháp giải: Bước 1: Căn cứ vào điều kiện đề bài hoặc bằng lập luận theo dữ kiện của đề bài để chỉ ra nhiệt độ cân bằng của hỗn hợp. Bước 2: Thành lập phương trình cân bằng nhiệt theo ẩn số cần tìm. Bước 3: Giải phương trình cân bằng nhiệt vừa lập được và kết hợp với các điều kiện khác (nếu cần) để tìm ra ẩn số. 9 Các ví dụ minh họa: Ví dụ 1: Bỏ một cục nước đá đang tan vào một nhiệt lượng kế chứa 1,5kg nước ở 300C. Sau khi có cân bằng nhiệt người ta mang ra cân lại, khối lượng của nó chỉ còn lại 0,45kg. Xác định khối lượng cục nước đá ban đầu? 5 Biết Cnước= 4200J/kg.K; C nước đá= 3,4.10 J/kg. (bỏ qua sự mất mát nhiệt). Bài giải - Gọi m0 là khối lượng cục nước đá ban đầu. - Vì nước đá không tan hết nên nhiệt độ của hệ khi có cân bằng nhiệt là 00C. Nhiệt lượng phần nước đá tan thu vào là: Q= (m0 - m) λ = 340000(m0 - 0,45) (J) Nhiệt lượng nước toả ra là Q1= m1Cn( t1- 0)= 1,5.4200.30 = 189000 (J) - Áp dụng phương trình cân bằng nhiệt: Q=Q1 hay 340000(m0 - 0,45)= 189000 => m0= 1kg. Vậy khối lượng cục nước đá ban đầu là 1kg. III/ Các bài toán có sự trao đổi nhiệt với môi trường * Phương pháp giải: + Nếu không có hao phí nhiệt thì H=100% khi đó Q toả = Q thu + Nếu có hao phí nhiệt ra bên ngoài thì H<100% và khi đó Q thu = H.Q tỏa * Lưu ý: Sự trao đổi nhiệt với môi trường luôn tỷ lệ với độ chênh lệch nhiệt độ. Tỷ lệ với diện tích tiếp xúc với môi trường. Nên nhiệt lượng hao phí ra môi trường là k.S.(t2 - t1) với k là hệ số tỷ lệ. * Ví dụ minh họa: Bài 1. Người ta đổ nước sôi có nhiệt độ 1000c vào một chiếc cốc có khối lượng 120g đang ở nhiệt độ = 200C sau khoảng thời gian t = 5 phút, nhiệt độ của cốc nước bằng 400C. Xem rằng sự mất mát nhiệt xảy ra một cách đều đặn, hảy xác định nhiệt lượng toả ra môi trường xung quanh trong mỗi giây. Nhiệt dung riêng của thuỷ tinh là = 840J/kgk. Giải: - Nhiệt lượng do nước toả ra khi hạ nhiệt từ 1000C xuống 400C là: 10 Q1= 0,2.2400. (100-40) = 28800J - Nhiệt lượng do thuỷ tinh thu vào khi nóng đến 400C là: Q2 = 0,12.840.(40-20) = 2016 J - Do sự bảo toàn năng lượng, nên có thể xem rằng nhiệt lượng Q do cả cốc nước toả ra môi trường xung quanh trong khoảng thời gian 5 phút bằng hiệu hai nhiệt lượng trên. - Do đó nhiệt lượng toả ra: Q = 26784 J - Công suất toả nhiệt trung bình của cốc nước bằng N = 89,28J/s Bài 2: Một ấm điện bằng nhôm có khối lượng 0,5kg chứa 2kg nước ở 25oC. Muốn đun sôi lượng nước đó trong 20 phút thì ấm phải có công suất là bao nhiêu? Biết rằng nhiệt dung riêng của nước là C = 4200J/kg.K. Nhiệt dung riêng của nhôm là C1 = 880J/kg.K và 30% nhiệt lượng toả ra môi trường xung quanh Giải: + Nhiệt lượng cần để tăng nhiệt độ của ấm nhôm từ 25oC tới 100oC là: Q1 = m1c1 (t2 – t1) = 0,5.880.(100 – 25 ) = 33000 ( J ) o o + Nhiệt lượng cần để tăng nhiệt độ của nước từ 25 C tới 100 C là: Q2 = mc (t2 – t1) = 2.4200.( 100 – 25 ) = 630000 ( J ) + Nhiệt lượng tổng cộng cần thiết : Q = Q1 + Q2 = 663000 (J) (1) + Mặt khác nhiệt lượng có ích để đun nước do ấm điện cung cấp trong thời gian 20 phút : Q = H.P.t (2) (Trong đó H = 100% - 30% = 70%; P là công suất của ấm; t = 20 phút = 1200 giây) + Từ (1) và (2) : P = 789,3 (W) IV/ Các bài toán có liên quan đến công suất tỏa nhiệt của các vật tỏa nhiệt. * Lưu ý: Sự trao đổi nhiệt với môi trường luôn tỷ lệ với độ chênh lệch nhiệt độ. Tỷ lệ với diện tích tiếp xúc với môi trường. Nên nhiệt lượng hao phí ra môi trường là k.S.(t2 - t1) với k là hệ số tỷ lệ. Trong trường hợp nhiệt lượng cung cấp cho vật không đủ làm cho vật chuyển thể thì khi vật có nhiệt độ ổn định ta luôn có công suất tỏa nhiệt ra môi trường đúng bằng công suất của thiết bị đốt nóng cung cấp cho vật. 11 Ví dụ minh họa: Bài 1: Một lò sưởi giữ cho phòng ở nhiệt độ 200C khi nhiệt độ ngoài trời là 50C. Nếu nhiệt độ ngoài trời hạ xuống tới – 50C thì phải dùng thêm một lò sưởi nữa có công suất 0,8KW mới duy trì nhiệt độ phòng như trên. Tìm công suất lò sưởi được đặt trong phòng lúc đầu? Giải: - Gọi công suất lò sưởi trong phòng ban đầu là P, vì nhiệt toả ra môi trường tỷ lệ với độ chênh lệch nhiệt độ, nên gọi hệ số tỷ lệ là K. - Khi nhiệt độ trong phòng ổn định thì công suất của lò sưởi bằng công suất toả nhiệt ra môi trường của phòng. Ta có: P = K(20 – 5) = 15K ( 1) 0 - Khi nhiệt độ ngoài trời giảm tới -5 C thì:(P + 0,8) = K[20 – (-5)] = 25K (2) - Từ (1) và (2) ta tìm được P = 1,2 KW. V/ Các bài toán về sự trao đổi nhiệt qua thanh và qua các vách ngăn. Kiến thức: - Sự trao đổi nhiệt qua thanh sẽ có một phần nhiệt lượng hao phí trên thanh dẫn nhiệt. Nhiệt lượng này tỷ lệ với diện tích tiếp xúc của thanh với môi trường, tỷ lệ với độ chênh lệch nhiệt độ của thanh dẫn với nhiệt độ môi trường và phụ thuộc vào chất liệu làm thanh dẫn. - Khi hai thanh dẫn khác nhau được mắc nối tiếp thì năng lượng có ích truyền trên hai thanh là như nhau. - Khi hai thanh dẫn khác nhau mắc song song thì tổng nhiệt lượng có ích truyền trên hai thanh đúng bằng nhiệt lượng có ích của hệ thống. - Khi truyền nhiệt qua các vách ngăn. Nhiệt lượng trao đổi giữa các chất qua vách ngăn tỷ lệ với diện tích các chất tiếp xúc với các vách ngăn và tỷ lệ với độ chênh lệch nhiệt độ giữa hai bên vách ngăn. Ví dụ minh họa: Bài 1: Trong một bình cách nhiệt chứa hỗn hợp nước và nước đá ở 00c. Qua thành bên của bình người ta đưa vào một thanh đồng có một lớp cách nhiệt bao quanh. Một đầu của thanh tiếp xúc với nước đá, đầu kia được nhúng trong nước sôi ở áp suất khí quyển. Sau thời gian Td = 15 phút thì nước đá ở trong bình tan hết. Nếu thay thanh đồng bằng thanh thép có cùng tiết diện nhưng khác nhau về chiều dài với thanh đồng thì nước đá tan hết sau Tt = 48 phút. Cho hai thanh đó nối tiếp với nhau thì nhiệt độ t tại điểm tiếp xúc giữa hai thanh là bao nhiêu? Xét hai trường hợp: 1/ Đầu thanh đồng tiếp xúc với nước sôi 12 2/ Đầu thanh thép tiếp xúc với nước sôi. Khi hai thanh nối tiếp với nhau thì sau bao lâu nước đá trong bình tan hết? (giải cho từng trường hợp ở trên) Giải: - Với chiều dài và tiết diện của thanh là xác định thì nhiệt lượng truyền qua thanh dẫn nhiệt trong một đơn vị thời gian chỉ phụ thuộc vào vật liệu làm thanh và hiệu nhiệt độ giữa hai đầu thanh. Lượng nhiệt truyền từ nước sôi sang nước đá để nước đá tan hết qua thanh đồng và qua thanh thép là như nhau. Gọi hệ số tỷ lệ truyền nhiệt đối với các thanh đồng và thép tương ứng là Kd và Kt. - Ta có phương trình: Q = Kd(t2 - t1)Td = Kt(t2-t1)Tt k T Với t2 = 100 và t1 = 0 Nên: d = k = 3,2 k T t d - Khi mắc nối tiếp hai thanh thì nhiệt lượng truyền qua các thanh trong 1 s là như nhau. Gọi nhiệt độ ở điểm tiếp xúc giữa hai thanh là t 0 Trường hợp 1: Kd(t2-t) = Kt(t - t1) Giải phương trình này ta tìm được t = 76 c Trường hợp 2: Tương tự như trường hợp 1, ta tìm được t = 23,80c. - Gọi thời gian để nước đá tan hết khi mắc nối tiếp hai thanh là T Với trường hợp 1: Q = Kd(t2-t1)Td = Kd(t2-t)T = 63 phút. - Tương tự với trường hợp 2 ta cũng có kết quả như trên VI/ Các bài toán liên quan đến năng suất tỏa nhiệt của nhiên liệu, hiệu suất động cơ nhiệt: * Ví dụ 1: Người ta dùng bếp dầu hoả để đun sôi 2 lít nước từ 20°C đựng trong một ấm nhôm có khối lượng 0,5kg. Tính lượng dầu hoả cần thiết, biết chỉ có 30% nhiệt lượng do dầu hoả toả ra làm nóng nước và ấm. Lấy nhiệt dung riêng của nước là 4200J/kg.K, của nhôm là 880J/kg.K, năng suất toả nhiệt của dầu hoả là 46.10 6 J/kg. *Hướng dẫn: Khi gặp dạng bài tập này, yêu cầu HS xác định các yếu tố sau: ? Bài toán trên có mấy đối tượng tham gia vào quá trình truyền nhiệt. ? Những đối tượng nào thu nhiệt, toả nhiệt. ? Nhiệt lượng nào là nhiệt lượng có ích. ? Nhiệt lượng nào là nhiệt lượng toàn phần. ? Hiệu suất của bếp bằng bao nhiêu. 13 ? Để tính được khối lượng của dầu hoả thì phải tính được được đại lượng nào. Chú ý: Bài tập này có thể yêu cầu tính hiệu suất hoặc tính nhiệt độ của bếp ta cũng làm tương tự. Cách giải: - Bước 1: Phân tích đề bài xác định xem nhiệt lượng có ích dùng để làm gì, xác định xem nhiệt lượng toàn phần lấy ra từ đâu. Q - Bước 2: Dùng mối liên hệ H = i suy luận tìm các đại lượng liên quan. Q tp Ví dụ 2: Một bếp dầu hoả có hiệu suất 30%. a) Tính nhiệt lượng toàn phần mà bếp toả ra khi đốt cháy hoàn toàn 30g dầu hoả? b) Với lượng dầu hoả nói trên có thể đun được bao nhiêu lít nước từ 300C đến 1000C. Biết năng suất toả nhiệt của dầu hoả là 44.106J/kg, nhiệt dung riêng của nước là 4200J/kg.K. Giải: 6 a) QTP = mq = 0,03 .44 10 = 1320 000(J) b) + Gọi M là khối lượng nước cần đun, theo bài ra ta có: Qthu= cM t = 4200.M.(100 - 30) = 294 000.M(J) Q i Q = H.Q = 30 + Từ công thức : H = i TP .1320 000 = 396 000(J) Q 100 TP + Nhiệt lượng cần đun sôi lượng nước là Qi , theo phương trình cân bằng nhiệt ta có: 294 000.M = 396 000 M = 1,347 (kg) Vậy với lượng dầu trên đun bằng bếp ta có thể đun được 1,347 kg (1,347l) nước từ 300C đến 1000C. VII. Các bài toán thực nghiệm ứng dụng phương trình cân bằng nhiệt: * Phương pháp chung: Tạo ra sự trao đổi nhiệt giữa các vật có liên quan đã cho trong bài. Dựa vào phương trình cân bằng nhiệt để rút ra đại lượng cần xác định theo yêu cầu của đề bài. Các bước cụ thể: - Bước 1: Với các dụng cụ đã cho, tìm cách xác định khối lượng và nhiệt độ ban đầu của các vật có tham gia vào quá trình thực hiện trao đổi nhiệt. Cần lưu ý phương án xác định khối lượng và nhiệt độ ban đầu sao cho có tính khả thi và kết 14 quả đo thật chính xác nhằm hạn chế sai số của phép đo, ảnh hưởng đến kết quả cuối cùng của phép đo. - Bước 2: Tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ của các chất tham gia vào quá trình trao đổi nhiệt. Lưu ý lựa chọn vật để nung nóng cho phù hợp. - Bước 3: Cho các vật tiếp xúc và trao đổi nhiệt với nhau. Xác định vật toả nhiệt, vật thu nhiệt, viết công thức tính nhiệt lượng thu vào, tỏa ra của từng vật. - Bước 4: Lập phương trình cân bằng nhiệt (hoặc lập tỷ số) sau đó rút ra đại lượng cần tìm x1 - Bước 5: Lặp lại các bước thực hiện trên từ 3 đến 5 lần để có các giá trị tương ứng x , x ..., x rồi lấy giá trị trung bình cho chính xác. 1 2, 5 Chú ý: + Để kết quả đo cuối cùng được chính xác thì trong mỗi lần đo các số liệu cần thao tác sao cho có thể hạn chế tối đa sai số của phép đo. + Trong mỗi dạng bài toán, nếu thay đổi chất cần xác định thì cách giải hoàn toàn tương tự. Nếu thay đổi các dụng cụ thí nghiệm hoặc điều kiện thì cách giải có thể trở nên hoàn toàn khác ở một số bước. Ví dụ minh hoạ: Bài 1: Hãy nêu phương án xác định nhiệt dung riêng của chất lỏng không có phản ứng hóa học với các chất khi tiếp xúc. Dụng cụ gồm: 1 nhiệt lượng kế có nhiệt dung riêng là Ck, một nhiệt kế phù hợp, 1 chiếc cân không có bộ quả cân, hai chiếc cốc thủy tinh, nước có nhiệt dung riêng là Cn, bếp điện và bình đun. Hướng dẫn giải: - Bước 1: Dùng cân để lấy ra một lượng nước và một lượng chất lỏng có cùng khối lượng bằng khối lượng của nhiệt lượng kế, ta thực hiện như sau: Lần 1: Trên đĩa cân 1 đặt nhiệt lượng kế và một cốc rỗng 1. Trên đĩa cân 2 đặt cốc rỗng 2. Rót nước vào cốc 2 cho đến khi cân thăng bằng. Lần 2: bỏ nhiệt lượng kế ra khỏi đĩa cân 1. Rót chất lỏng vào cốc 1 cho đến khi cân thăng bằng. Ta có khối lượng chất lỏng bằng khối lượng của nhiệt lượng kế: ml = mk. Đổ chất lỏng từ cốc 1 vào bình nhiệt lượng kế. Lần 3: Rót nước vào cốc 1 cho đến khi cân thăng băng. Ta có khối lượng của nước bằng khối lượng nhiệt lượng kế: mn = mk. Đổ nước từ cốc 1 vào bình đun. 15 - Bước 2: Đo nhiệt độ t1 của chất lỏng ở nhiệt lượng kế. Đun nước tới nhiệt độ t2 rồi rót vào nhiệt lượng kế và khuấy đều. Đo nhiệt độ của hỗn hợp chất lỏng khi cân bằng nhiệt là t3. - Bước 3: Lập phương trình cân bằng nhiệt: mnCn(t2 - t3) = (mlCl + mkCk)(t3 - t1) từ đó xác định được Cl Trên đây là phân loại và phương pháp giải bài tập nhiệt học. Trong chuyên đề này, tôi mạnh dạn đưa ra một số kỹ năng mà tôi rút ra được trong quá trình giảng dạy, bồi dưỡng học sinh giỏi để giải các bài tập nhiệt học hy vọng giúp các em học sinh có được một số kỹ năng khi giải các bài tập nhiệt học. Bài 2: Nêu phương án xác định nhiệt nóng chảy của nước đá với các dụng cụ sau: một bình chia độ đã biết khối lượng và nhiệt dung riêng (m; c), một nhiệt kế, một cốc nước (đã biết nhiệt dung riêng c), một cục nước đá trong bình cách nhiệt có nước. Hướng dẫn giải: + Đổ một ít nước vào bình chia độ, xác định thể tích của nước mới đổ vào V1 suy ra khối lượng nước mới đổ vào m = D. V 1 1 + Dùng nhiệt kế đo nhiệt độ của nước trong bình chia độ (t1), đây cũng là nhiệt độ ban đầu của bình chia độ. + Đổ một ít nước đá vào bình chia độ (nước đá đang ở 00C). Khi nước đá tan hết xác định thể tích của nước trong bình chia độ V2 suy ra khối lượng nước đá m2 = D. V2 - m1 + Dùng nhiệt kế đo nhiệt độ của nước trong bình chia độ (t2), đây cũng là nhiệt độ của bình chia độ. (t2 < t1) + Ta có: Nhiệt lượng bình chia độ và nước trong bình chia độ tỏa ra là: Q tỏa = (m.c + m1. c1).(t1 – t2) + Nhiệt lượng do nước đá thu vào để nóng chảy và tăng nhiệt độ lên t2 là: Q thu = m2. + m2. c1. t2 + Theo phương trình cân bằng nhiệt Qtỏa = Qthu (m.c + m1. c1).( t1 - t2) = m2. + m2. c1. t2 (m.c + m1. c1)( t1 − t2 ) − m2 . c1. t2 = m2 => m2 + Lặp lại thí nghiệm từ 3 đến 5 lần để lấy giá trị trung bình cho chính xác. Lưu ý: Vì trong các dụng cụ đã cho không có cân nên việc xác định khối lượng của nước và nước đá phải thông qua khối lượng riêng và thể tích. 16 7.1.3. Kết quả thực hiện giải pháp - Qua việc giảng dạy chuyên đề này tôi thấy hs có khả năng giải các bài tập nhiệt học tốt hơn, biết nhận biết các dạng bài tập và khi tiếp xúc với các dạng bài tập có tính chất mở rộng và nâng cao thì học sinh có thể vận dụng một cách linh hoạt các cách giải từng dạng bài tập. Các học sinh giỏi đó tự tin hơn khi gặp một bài tập vật lý khó. - Nhìn chung tất cả các em cảm thấy thích thú hơn khi giải một bài tập vật lý phần nhiệt học. Trong các đề thi các em thường đạt điểm tối đa ở bài tập nhiệt học. 7.2. Thuyết minh về phạm vi áp dụng giải pháp - Đề tài này áp dụng cho Giáo viên bồi dưỡng học sinh vật lí tại trường THCS Đồng Vương nói riêng và có thể áp dụng cho các trường khác nói chung. 7.3. Thuyết minh về lợi ích kinh tế, xã hội của giải pháp - Áp dụng đề tài này vào dạy học đại trà và bồi dưỡng học sinh giỏi môn Vật lý 8 đã mang lại hiệu quả đáng kể. Đề tài đã trang bị cho các em các kiến thức cơ bản và mở rộng phần nhiệt học cũng như phương pháp giải các dạng bài tập phần nhiệt, qua đó bồi dưỡng năng lực tự học, tự nghiên cứu cho các em. - Chuyên đề này được bổ sung đầy đủ phần lý thuyết và các dạng bài tập một cách lôgic nên đối với giáo viên có thể sử dụng chuyên đề này làm tài liệu tham khảo trong quá trình giảng dạy của mình Cam kết: Chúng tôi cam đoan khai những điều trên đây là đúng sự thật và không sao chép hoặc vi phạm bản quyền. Đồng Vương, ngày 05 tháng 03 năm 2021 XÁC NHẬN CỦA NHÀ TRƯỞNG NGƯỜI THỰC HIỆN Thiệu Thị Hạnh 17
File đính kèm:
chuyen_de_boi_duong_hoc_sinh_gioi_mon_vat_ly_nhiet_hoc.pdf
