Sáng kiến kinh nghiệm môn vật lý THCS

PHÒNG GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG PTDTNT THCS - - SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM Tên đề tài: MỘT SỐ BIỆN PHÁP HƯỚNG DẪN HỌC SINH GIẢI CÁC BÀI TỐN ÁP DỤNG PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NHIỆT Họ tên: Đơn vị: Trường PTDTNT THCS Nhiệm vụ giao: Năm học 2020-2021: dạy Vật lý khối 6, Năm học 2021-2022: dạy Vật lý khối 7, Số điện thoại: Lĩnh vực (môn): Vật lý , tháng năm 2022 MỤC LỤC I ĐẶT VẤN ĐỀ Nhiệt học phần kiến thức chương trình vật lí với số tiết lí thuyết tập chương trình đủ kiến thức Song thật ỏi với khối lượng tập phong phú đa dạng đặc biệt tập có liên quan đến phương trình cân nhiệt Việc sử dụng kiến thức phương trình cân nhiệt vào dạng địi hỏi tư linh hoạt, sáng tạo, kĩ vận dụng khéo léo hợp lí, hiệu khơng phải học sinh đáp ứng Khi học sinh gặp phải dạng phương trình cân nhiệt bỡ ngỡ lúng túng chương trình vật lí đề cập chưa nhiều cách giải Nhiều học sinh chưa có phương pháp giải dạng này, mà dạng thấy đề thi học kì, thi học sinh giỏi cấp huyện, cấp tỉnh, đề thi tuyển sinh vào trường chuyên… Vì q trình dạy học khố, phụ đạo, bồi dưỡng học sinh giỏi… Chúng ta cần trang bị cho học sinh nắm vững số phương pháp giải thường gặp dạng Để từ học sinh tự giải dạng cách chủ động sáng tạo Chính mà sáng kiến "Một số biện pháp hướng dẫn học sinh giải toán áp dụng phương trình cân nhiệt” tơi cố gắng hệ thống, phân loại dạng tập cách hợp lí phương pháp giải dạng Mong muốn giúp em vận dụng kiến thức phương trình cân nhiệt linh hoạt hiệu cao Từ bồi dưỡng lịng say mê học tập mơn vật lí, hy vọng góp phần giải phần khó khăn cho học sinh giải tập có trao đổi nhiệt sử dụng phương trình cân nhiệt II NỘI DUNG Cơ sở lý luận 1.1 Vai trò tập vật lí học sinh Bài tập vật lí nói chung, tập vật lí phần nhiệt học nói riêng có tác dụng lớn mặt: Giáo dục, giáo dưỡng giáo dục kỹ thuật tổng hợp Tác dụng tích cực qúa trình dạy học có lựa chọn cẩn thận hệ thống tập chặt chẽ nội dung, thích hợp phương pháp bám sát mục đích dạy học trường THCS Hệ thống tập lựa chọn phải đảm bảo tính mục đích học sinh khắc sâu kiến thức, đảm bảo tính thực tiễn phù hợp với nhu cầu tâm lý, tính cách học sinh Là phương pháp dạy học giữ ví trị đặc biệt việc hồn thành nhiệm vụ dạy học vật lí phổ thơng Việc giải hệ thống tập vật lí giúp cho học sinh phát triển tư duy, óc sáng tạo từ phát triển trí tuệ thể chất, thẩm mỹ Giải tập vật lí giúp cho học sinh khắc sâu lý thuyết, kiểm chứng lý thuyết cách xác ứng dụng lý thuyết vào thực tế sống cách linh hoạt Bài tập vật lí giúp cho học sinh hiểu sâu quy luật, tượng từ biết phân tích ứng dụng vào sống Nó phương tiện tốt để phát triển tư duy, giới quan khoa học Tính độc lập suy nghĩ tính kiên trì tìm hiểu khoa học Bài tập vật lí cịn hình thức cố ơn tập hệ thống hố toàn kiến thức cho học sinh 1.2 Tầm quan trọng tập vật lí Dựa vào tập vật lí giải giúp cho học sinh có thêm kiến thức có thêm phương pháp giải tập tương đối hoàn hảo, giúp học sinh củng cố lại kiến thức học lớp Là sở để học tốt học chương trình vật lí củng cố tốt kĩ tốn học 1.3 Lựa chọn tập vật lí Hệ thống tập vật lí lựa chọn phải đảm bảo yêu cầu - Yêu cầu trước hết phải từ dễ đến khó, từ đơn giản đến phức tạp mối quan hệ đại lượng khái niệm, đặc trưng trình tượng cho dần bước học sinh hiểu kiến thức Nắm vững kiến thức vận dung linh hoạt - Mỗi tập lựa chọn phải mắt xích hệ thống tập, đóng góp phần việc hồn chỉnh kiến thức học sinh Giúp học sinh hiểu mối liên hệ cụ thể hoá khái niệm - Hệ thống tập lựa chọn phải giúp cho học sinh nắm vững phương pháp giải loại tập cụ thể Thực trạng vấn đề 2.1 Thực trạng Trong qua trình dạy học (chính khố, phụ đạo, thi vào trường THPT, bồi dưỡng HSG ) phần kiến thức nhiệt học vô quan trọng Tuy nhiên SGK thời lượng tiết lí thuyết tiết tập khơng thể đáp ứng việc nắm kiến thức vận dụng kiến thức vào giải dạng tập cho học sinh Bên cạnh sách tham khảo đề cập cách chung chung khó cho việc lĩnh hội kiến thức học sinh Dẫn đến kết kiểm tra khảo sát thấp 2.2 Nguyên nhân Do tư học sinh hạn chế nên khả tiếp thu cịn chậm, lúng túng khơng nắm kiến thức bản, chưa có kĩ vận dụng định lí, định luật Do chưa phân tích vật toả nhiệt, vật thu nhiệt, trình trao đổi nhiệt, xác định nhiệt độ cân tốn, chua biết lập phương trình cân nhiệt cho q trình tốn nhiệt Nhiều em chưa có định hướng phương pháp giải dạng tập vật lí phương trình cân nhiệt Kiến thức tốn học cịn hạn chế đặc biệt kĩ giải hệ phương trình nhiều ẩn hệ phương trình có số ẩn nhiều số phương trình nên khơng thể giải Do nhiều thiết bị thực hành cịn thiếu xác, làm thí nghiệm nhiều thời gian nên kĩ vận dụng kiến thức để giải dạng phương trình cân nhiệt cịn q dẫn đến khả tiếp thu kiến thức mờ nhạt 2.3 Nhược điểm học sinh trình giải dạng phương trình cân nhiệt Đọc đề cịn qua loa, kĩ phân tích tổng hợp cịn yếu Khơng phân tích q trình trao đổi nhiệt, q trình chuyển thể chất trao đổi nhiệt Chưa có kĩ định hướng giải dạng tốn phương trình cân nhiệt Chưa có kĩ phân loại dạng phương pháp giải đặc trưng dạng phương trình cân nhiệt Các giải pháp, biện pháp cụ thể 3.1 Những lý thuyết cần nắm vững 3.1.1 Cơ chế truyền nhiệt + Khi có hai vật nhiệt độ không cân nhau, tiếp xúc với xảy truyền nhiệt từ vật có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp + Sự truyền nhiệt ngừng lại hai vật có nhiệt độ + Vật có nhiệt độ cao toả nhiệt (nhiệt độ vật giảm) + Vật có nhiệt độ thấp thu nhiệt (nhiệt độ vật tăng) 3.1.2 Các cơng thức tính nhiệt lượng + Với học sinh đại trà Khi vật thay đổi nhiệt độ: Q = m.c t ∆ Trong đó: c nhiệt dung riêng chất làm vật, đo đơn vị J/kg.K m: khối lượng vật, đo đơn vị kg ∆ t: độ biến thiên nhiệt độ Q: nhiệt lượng thu toả, đo đơn vị J + Với đối tượng học sinh giỏi cần nắm thêm số công thức sau: - Cơng thức tính nhiệt lượng vật toả (thu vào) vật đơng đặc (nóng chảy): Q = m λ Trong đó: λ : nhiệt nóng chảy, đo đơn vị J/kg m: khối lượng vật, đo đơn vị kg - Công thức tính nhiệt lượng vật toả (thu vào) chất lỏng ngưng tụ (bay hơi): Q = L.m Trong đó: L: nhiệt hố đo đơn vị J/kg m: khối lượng đo đơn vị J 3.1.3 Phương trình cân nhiệt Với hệ lập: Tổng nhiệt lượng vật toả tổng nhiệt lượng mà vật thu vào Hệ thức: Qtoả = Q thu 3.2 Phương pháp chung để giải tốn áp dụng phương trình cân nhiệt 3.2.1 Hình thành cho học sinh phương pháp giải Qua tốn SGK vật lí 8- trang 89, tơi hình thành cho học sinh phương pháp giải tốn có trao đổi nhiệt sử dụng phương trình cân nhiệt sau: Bài tốn Thả cầu nhơm khối lượng 0,15 kg đun nóng tới 100oC vào cốc nước 20oC Sau thời gian, nhiệt độ cầu nước 25oC Tính khối lượng nước, coi có nước cầu truyền nhiệt cho Hướng dẫn * Giáo viên yêu cầu: + Học sinh đọc kỹ đề + Xác định tốn có vật toả nhiệt vật thu nhiệt, biến đổi nhiệt độ vật + Viết công thức tính nhiệt lượng toả ra, thu vào vật sau viết phương trình cân nhiệt giải tìm ẩn Chú ý 1: Nhấn mạnh dấu hiệu nhận biết sau (với vật biết nhiệt độ đầu cuối): + Nếu nhiệt độ vật tăng vật thu nhiệt + Nếu nhiệt độ vật giảm vật toả nhiệt Để hình thành phương pháp tơi dùng hệ thống câu hỏi sau: ?1 Căn dấu hiệu biết xác định vật thu nhiệt vật toả nhiệt Hs: Quả cầu nhôm toả nhiệt, nước thu nhiệt ?2 Hãy xác định nhiệt độ đầu nhiệt độ cuối vật Trên sở thông tin thu thập từ hai câu hỏi giáo viên hướng dẫn học sinh cách ghi tóm tắt toán cho dễ hiểu Chú ý + Thống ký hiệu phần tóm tắt với lời giải + Dùng ký hiệu phân biệt vật trao đổi nhiệt (thu nhiệt, toả nhiệt) Tóm tắt: Vật 1: Quả cầu (toả) Vật 2: Nước (thu) m1 = 0,15 kg; m2 = ? c1 = 880J/ kg.K; c2 = 4200J/ kg.K; t1 = 100oC; t2 = 20oC; t = 25oC Sau tóm tắt xong yêu cầu học sinh xác định nhiệt lượng vật toả, thu? + Nhiệt lượng cầu toả hạ nhiệt độ từ 100oC xuống 25oC là: Qtoả = m1c1(t1- t) + Nhiệt lượng nước thu vào tăng nhiệt độ từ 20oC lên 25oC là: Q thu = m2c2(t - t2) ? Nhiệt lượng cầu toả có nhiệt lượng nước thu vào khơng? Vì sao? HS : Do có hai vật truyền nhiệt cho nên nhiệt lượng cầu toả nhiệt lượng nước thu vào Ta có phương trình cân nhiệt: Qtoả = Qthu Hay m1c1(t1- t) = m2c2(t - t2) (1) ? Trong phương trình (1) cịn đại lượng chưa biết? Đã đủ điều kiện tìm đại lượng chưa? Hãy suy khối lượng m2 từ (1) m2 = Đến giáo viên yêu cầu học sinh thay số tính tốn m2 = = 0,47( kg) Chú ý 3: + Trong tóm tắt cần lưu ý học sinh xem đơn vị đề cho chuẩn chưa, chưa chuẩn phải đổi Với toán đơn vị đề cho chuẩn ta cần thay số phép tính ghi đơn vị kết cuối có đóng mở ngoặc đơn vị + Sau giải xong giáo viên cho học sinh tổng kết muốn giải toán cần phải qua bước nào? Qua hình thành cho học sinh bước giải sau đây: + Bước 1: Đọc kỹ đề bài, tóm tắt, đổi đơn vị cho phù hợp (dùng hệ thống ký hiệu thích hợp) + Bước 2: Xác định nhiệt độ đầu, nhiệt độ cuối vật tham gia trình trao đổi nhiệt Xác định vật thu nhiệt, vật toả nhiệt (Với bước giáo viên nhấn mạnh dấu hiệu nhận dạng vật thu nhiệt hay toả nhiệt trình bày trên, để từ áp dụng cơng thức cho phù hợp, điều SGK không nêu rõ việc trang bị giáo viên cho học sinh vô quan trọng học sinh đại trà) + Bước 3: Viết cơng thức tính nhiệt lượng toả ra, thu vào vật + Bước 4: Viết phương trình cân nhiệt viết thêm phương trình phụ cần để tìm ẩn + Bước 5: Giải phương trình vừa tìm theo yêu câu đề kết luận đáp số Chú ý 4: Giáo viên cần nhấn mạnh: "Tổng nhiệt lượng vật toả tổng nhiệt lượng mà vật thu vào" Điều có nghĩa khơng phải lúc có vật thu nhiệt vật toả nhiệt tập VD: Có vật thu nhiệt vật toả nhiệt thì: Tổng nhiệt lượng thu = Tổng nhiệt lượng toả Hay Qthu1 + Qthu + Qthu = Qtoả Khi hình thành cho em bước giải em dễ dàng giải tập sách tập, tập khó (những tập vật thu nhiệt, toả nhiệt biến đổi từ thể rắn - lỏng - ngược lại) Sau số ví dụ mà học sinh không nắm phương pháp giải khó khăn để tìm kết 3.2.2 Các ví dụ áp dụng 3.2.2.1 Dạng 1: Dạng tốn tìm nhiệt độ cân Bài 1: Đổ lít nước 80oC vào lít nước 20oC Thì nhiệt độ hỗn hợp bao nhiêu? (Bỏ qua nhiệt lượng mát bình đựng môi trường) Hướng dẫn: Với tập học sinh cần đọc kỹ đầu bài, tóm tắt đổi đơn vị cho phù hợp (thực bước 1) Tóm tắt: Vật 1: Toả nhiệt Vật 2: Thu nhiệt V1 = 1l = 1dm3 = 10-3 m3 V2 = 2l = 2dm3 = 2.10-3 m3 t1 = 80oC t2 = 20oC Dn = 1000kg/m3; c = 4200J/kg.K tcb = tx = ? - Sau tóm tắt đề bài, giáo viên hướng dẫn học sinh tìm hướng giải ? Dựa vào phần tóm tắt xác định nước thu nhiệt, nước toả nhiệt Xác định nhiệt độ đầu nhiệt độ cuối loại + Nước 80oC toả nhiệt, nước 20oC thu nhiệt, nhiệt độ cân hỗn hợp tcb = tx - Sau thống giáo viên phần tóm tắt ? Xác định nhiệt lượng toả thu vào vật + Nhiệt lượng nước 80oC toả hạ nhiệt độ từ 80oC đến tx là: Qtoả = m1c(t1 - tx) + Nhiệt lượng nước 20oC thu vào tăng nhiệt độ từ 20oC đến tx là: Qthu = m2c(tx - t2) ? Nhiệt lượng toả có nhiệt lượng thu vào không? + Do bỏ qua nhiệt lượng mát nên ta có phương trình cân nhiệt Qtoả = Qthu hay m1c(t1 - tx) = m2c(tx - t2) (1) ? Trong phương trình (1) ta cịn chưa biết đại lượng nào? Có tính đại lượng khơng? + Khối lượng vật 1: m1 = DnV1 = 1kg + Khối lượng vật 2: m2 = DnV2 = 2kg Khi ta thấy phương trình (1) ẩn tx, giản ước, khai triển, chuyển vế ta tính tx: tx = (m1t1 + m2t2) : (m1+ m2) Chú ý: Giáo viên yêu cầu học sinh giải công thức kết cuối thay số để đỡ bị nhầm lẫn - Yêu cầu học sinh tự thay số, tính kết Nhận xét: Khi nắm vững bước giải tốn trao đổi nhiệt việc giải toán thuộc dạng trở nên đơn giản dễ dàng nhiều Nếu khơng, học sinh khó xác định vật thu nhiệt, vật toả nhiệt vật từ khơng thể xác định xác cơng thức tính nhiệt lượng phù hợp Sau tập tương tự mở rộng cho vật có nhiệt độ ban đầu khác Bài 2: Thả vào 0,2 kg nước 20oC cục sắt có khối lượng 0,3 kg 10oC miếng đồng có khối lượng 400g 25oC Tính nhiệt độ hỗn hợp cân nêu rõ trình trao đổi nhiệt thành phần hỗn hợp Hướng dẫn: - Với tập giáo viên yêu cầu học sinh đọc kỹ đề bài, tóm tắt, đổi đơn vị cho phù hợp Tóm tắt: Vật 1: Nước Vật 2: Sắt Vật 3: Đồng m1 = 0,2kg m2 = 0,3kg m3 = 400g = 0,4kg c1 = 4200J/kg.K c2 = 460J/kg.K c3 = 400J/kg.K t1 = 20oC t2 = 10oC t3 = 25oC tcb = tx = ? Sau hướng dẫn học sinh thực xong bước 1, giáo viên yêu cầu học sinh xác định vật thu nhiệt, toả nhiệt Tuy nhiên với tốn ta xác định xác sắt thu nhiệt, đồng toả nhiệt, nước chưa rõ toả nhiệt hay thu nhiệt (đây điểm mấu chốt toán - dành cho học sinh giỏi) Ta giả sử nước toả nhiệt thu nhiệt Sau tính tốn ta trả lời nước toả nhiệt hay thu nhiệt * Giáo viên yêu cầu nhóm học sinh giải theo giả sử khác cuối kết Giả sử nước toả nhiệt: Qtoả =Qthu Hay m1c1(t1 -tx ) + m2c2(t2 - tx) = m3c3(tx -t2) Giải phương trình ta được: tx =(m1c1t1 + m2c2t2 + m3c3t3) : (m1c1 + m2c2 + m3c3) Thay số ta tx =19,5oC < t1 = 20oC Vậy nước toả nhiệt - đồng toả nhiệt - sắt thu nhiệt Chú ý: + Nếu ta giả sử nước thu nhiệt ta thu cơng thức tính tốn Vì hệ lập (bỏ qua trao đổi nhiệt với mơi trường ngồi hệ) tổng trị số nhiệt lượng vật toả ra, thu vào (điều học sinh thường để ý tới hướng dẫn giáo viên cần đặc biệt nhấn mạnh cho học sinh) + Với đối tượng học sinh giỏi mở rộng tốn cho hệ gồm n vật, có nhiệt độ ban đầu khác t1, t2, , tn Nhiệt dung riêng tương ứng c1, c2,…, cn; khối lượng vật m1, m2,, mn 10 Dn = 1000 kg/ m3 Lưu ý: - Vì chương trình, học sinh không nhắc lại kiến thức liên quan đến chuyển thể lớp em học: Quá trình chuyển từ thể rắn sang lỏng gọi q trình nóng chảy Ngược lại, q trình chuyển từ thể lỏng sang rắn gọi q trình đơng đặc - Các em chưa nắm trình vật thu nhiệt, trình vật toả nhiệt Do ngồi việc trang bị cơng thức trình bày phần giáo viên cần trang bị cho học sinh: + Q trình nóng chảy q trình bay vật thu nhiệt + Q trình đơng đặc trình ngưng tụ vật toả nhiệt Giáo viên hướng dẫn học sinh phân tích q trình chuyển thể chất : ? Xác định vật thu nhiệt, toả nhiệt? - Nước 20oC vật toả nhiệt - Nước đá 00C vật thu nhiệt ? Hỗn hợp sau cân có nhiệt độ 50C chứng tỏ điều gì? - Chứng tỏ đá tan hết tăng nhiệt độ đến 50C ? Từ viết cơng thức tính nhiệt lượng vật toả ra, thu vào ? - Nhiệt lượng nước toả hạ nhiệt độ từ 20oC đến 50C là: Qtoả = C1 m1 (t1 - t) - Nhiệt lượng mà nước đá thu để nóng chảy 00C sau tăng nhiệt độ lên đến 50C là: Qthu = m2 + C2 m2(t - t2 ) λ Ta có phương trình cân nhiệt: Qtoả = Qthu hay C1 m1 (t1 - t) = λ m2 + C2 m2(t - t2 ) (1) Phương trình (1) có ẩn m1 m2 ta cần viết thêm phương trình thể mối quan hệ m1 m2 Theo đề thể tích hỗn hợp V = 210-3m3 nên khối lượng hỗn hợp m = Dn V = 2(kg) Vậy m1 + m2 = (2) Giải hệ phương trình (1), (2) ta m1 = 1,7kg; m2 = 0,3kg Nhận xét: + Để làm tập này, giáo viên cần trang bị cho học sinh cách giải hệ phương trình bậc hai ẩn phương pháp thường dùng phương pháp 12 + Trong trình hướng dẫn, giáo viên cần ý cách phân tích chuyển thể chất hỗn hợp, từ viết phương trình cân nhiệt cho xác + Một điều quan trọng học sinh phải xác định xác vật thu nhiệt, vật toả nhiệt Nếu khơng học sinh khó viết xác phương trình cân nhiệt Như vậy, việc nắm vững bước giải tốn trao đổi nhiệt đóng vai trò định Bài 2: Một nhiệt lượng kế đựng 0,32kg nước 200C Người ta thả vào 0,2 kg nước đá 0oC Sau có cân nhiệt, người ta nhận thấy nhiệt lượng kế có 0,4kg nước 0,02kg nước đá a) Xác định nhiệt độ hỗn hợp? b) Tính nhiệt nóng chảy nước đá? Biết Dnước = 1000kg/m3; Dnước đá = 900kg/m3; Cn = 4200J/kg.K (Bỏ qua trao đổi nhiệt với môi trường) Hướng dẫn: ? Yêu cầu học sinh đọc kĩ đề tóm tắt kí hiệu phù hợp Tóm tắt Nước Nước đá m1= 0,32kg m2= 0,2kg t1 = 200C t2 = 00C m3= 0,4kg m4= 0,02kg Dnước = 1000kg/m3 Dnước đá = 900kg/m3 λ =? Cn = 4200J/kg.K tcb = ? ? Hãy xác định vật thu nhiệt, toả nhiệt - Nước 200C toả nhiệt - Nước đá thu nhiệt ? Nước đá có nóng chảy hết khơng? Tại sao? - Nước đá khơng nóng chảy hết theo hỗn hợp sau có cân nhiệt cịn 0,02kg nước đá ? Vậy nhiệt độ hỗn hợp (đạt cân nhiệt) bao nhiêu? - Nhiệt độ cân hỗn hợp 0oC Từ học sinh viết phương trình cân nhiệt m1c1 (t1 - 0) = (m2 - m4) λ 13 Nhận xét: ⇒λ = m1c1t1 : (m2 –m4) = 3,4105 (J/kg) Như với tập việc nắm vững bước giải nêu trên, giáo viên cần hướng dẫn học sinh cách lập luận để tìm nhiệt độ cân hỗn hợp Bài 3: Đổ vào nhiệt lượng kế lượng nước có khối lượng m1 = 2kg, nhiệt độ t1 = 50C Rồi thả vào miếng nước đá có khối lượng m2 = 5kg nhiệt độ t2 = -400C Xác định nhiệt độ khối lượng thành phần có nhiệt lượng kế cân Bỏ qua trao đổi nhiệt với môi trường Cho biết nhiệt dung riêng nước nước đá cn = 4200J/kg.K cnđ = 2100J/kg.K, nhiệt nóng chảy nước đá = 3,4105 J/kg λ Hướng dẫn: Giáo viên hướng dẫn học sinh phân tích tượng: Trong hệ vật có biến đổi trạng thái chưa thể khẳng định trạng thái cân có nhiệt độ t 0cb =? Có thể t0cb > 00C; t0cb= 00C; t0cb < 00C Do để khẳng định xác ta cần so sánh Q toả Qthu, từ suy nhiệt lượng cân sau ta viết cơng thức tính nhiệt lượng thu, toả viết phương trình cân nhiệt ? Yêu cầu học sinh đọc tóm tắt đề Tóm tắt Nước (toả nhiệt) Nước đá (thu nhiệt) m1 = 2kg m2 = 5kg t1 = 50 C t2 = - 400C c1 = 4200J/kg.K c2 = 2100J/kg.K λ = 3,4105 ( J/kg) m3 =? m4 =? tcb =? - Giáo viên hướng dẫn học sinh tính tốn xem nước đá có tan hết khơng ? Hãy tính nhiệt lượng 2kg nước 50C toả nhiệt độ giảm 00C nhiệt lượng mà 5kg nước đá -400C thu vào tăng nhiệt độ đến 00C - Qtoả1 = m1c1(t1 - 0) = 420025 = 42000 (J) = 42 (kJ) - Qthu1 = m2c2(0 - t2) = 420000 (J) = 420 (kJ) ? Hãy so sánh Qtoả1 Qthu1 - Nhận thấy Qthu1 > Qtoả1 ? Chứng tỏ 2kg nước có đơng đặc khơng? Tại sao? 14 - Chứng tỏ 2kg nước sau giảm nhiệt độ đến 00C tiếp tục đông đặc - Nhiệt lượng mà 2kg nước toả đơng đặc hồn tồn - Qtoả = m1 = 3,41052 = 6,8105 = 680 (kJ) λ Vì Qtoả1 + Qtoả2 = 680 +42 = 722 (kJ) > 420 (kJ) = Q thu1 Do 2kg nước 00C khơng đơng đặc hồn tồn mà đơng đặc phần Q = Qthu1 - Qtoả1 = 420 - 42 = 378( kJ) ∆ Gọi m’là khối lượng nước 00C đơng đặc hồn tồn Q = m’ m’ = Q : = 378000 : 3,4105 = 1,1(kg) λ λ ⇒ ∆ ∆ Vậy có 1,1kg nước 0oC đơng đặc, cịn 0,9kg nước (ở 0oC) tồn thể lỏng Do đó: + Nhiệt độ hỗn hợp có cân 0oC + Thành phần hỗn hợp gồm: m3 = 0,9kg m4 = + 1,1 = 6,1kg Nhận xét: Nhìn chung đa số học sinh gặp phải toán này, lần đầu cảm thấy khó khăn việc tìm định hướng giải Việc nắm vững bước giải giúp xác định vật toả nhiệt, thu nhiệt đơn giải yêu cầu đề giáo viên cần hướng dẫn học sinh phân tích rõ ràng, xác q trình chuyển thể thông qua việc so sánh tương quan Q toả Qthu để từ có kết luận t0cb, thành phần hỗn hợp cân Tiểu kết 2: Với tập thuộc dạng (dạng khó) ngồi việc nắm bước giải tốn trao đổi nhiệt nói chung, giáo viên cần hình thành cho học sinh kĩ phân tích qua trình chuyển thể chất, trình vật toả nhiệt? Thu nhiệt? Tương quan nhiệt lượng toả, nhiệt lượng thu nào? Trên sở học sinh bước giải yêu cầu mà toán đặt 3.2.2.3 Dạng 3: Dạng toán trao đổi nhiệt đạt nhiều lần cân nhiệt Chú ý: - Áp dụng cho đối tượng học sinh giỏi - Ở dạng toán làm đầy đủ bước phải viết nhiều phương trình cân nhiệt Mỗi trạng thái cân viết phương trình cân nhiệt Bài 1: Có bình cách nhiệt, bình chứa m = 3kg nước nhiệt độ t1 = 300C, bình có chứa m2 = 5kg nước nhiệt độ t2 = 700C Người ta rót lượng nước m 15 từ bình sang bình 2, sau có cân nhiệt người ta lại rót từ bình sang bình lượng nước m Nhiệt độ cân bình lúc t’ = 31,95oC Tính khối lượng nước m, nhiệt độ cân t’ bình sau rót nước từ bình sang? Hướng dẫn: ? Yêu cầu học sinh xác định nhiệt lượng toả, nhiệt lượng thu lần trút * Lần 1: Bình 1: Bình 2: m1 = 3kg m2 = 5kg t1 = 300C t2 = 700C ? Hãy xác định vật toả nhiệt, vật thu nhiệt lần trút thứ - m kg nước 300C thu nhiệt - m2 kg nước 700C toả nhiệt ? Nhiệt lượng toả ra, thu vào tương ứng? Qthu = mc( t’2 - t1 ) Qtoả = m2c( t2 -t’2 ) Ta có phương trình cân nhiệt: mc( t’2 - t1 ) = m2c( t2 -t’2 ) ⇒ m = m2(t2 – t’2 ) : (t’2 – t1) (1) * Lần 2: Bình Bình (m1 - m)kg (m2 + m)kg t'1 = 31,950 C t'2 + Lượng nước m trút từ bình sang bình toả nhiệt t cb = t’1 > t1 chứng tỏ nước bình thu nhiệt bình lúc cịn (3 - m) kg? Qtoả = mc(t’2 – t’1) Qthu = (3 - m) c (t’1 - t1) + Ta có phương trình cân nhiệt mc(t’2 - t,1) = (3 - m) c (t’1 - t1) (2) Thế (1) vào (2), ta có: t’2 = 68,830C t’2 = 300C (loại ) - Giáo viên cần giải thích rõ loại giá trị = 300 C Thay t’2 vào (1) ta tính m 16 Bài 2: Có hai bình cách nhiệt đựng chất lỏng Một học sinh múc ca chất lỏng bình trút vào bình ghi nhiệt độ lại cân nhiệt bình sau lần trút: 10 0C; 17,5 0C; bỏ xót lần khơng ghi; 250C Hãy tính nhiệt độ cân lần bỏ sót khơng ghi nhiệt độ chất lỏng bình Coi nhiệt độ khối lượng ca chất lỏng lấy từ bình Bỏ qua trao đổi nhiệt với môi trường Hướng dẫn: ? Yêu cầu học sinh xác định vật toả nhiệt, vật thu nhiệt: Học sinh thấy nhiệt độ bình tăng dần chứng tỏ nước bình thu nhiệt, nước bình toả nhiệt ? Yêu cầu học sinh viết phương trình cân cho lần trút Ở toán theo thói quen học sinh đa phần lập phương trình cân nhiệt cho lần trút, toán trở lên nhiều ẩn, giáo viên nên định hướng cho cho sinh lập phương trình cân nhiệt sau trút ca chất lỏng thứ - Xét trình sau trút ca chất lỏng thứ (khi nhiệt độ ban đầu bình 100C, nhiệt độ cân 17,50 C): + Nhiệt lượng toả thu vào tương ứng: Q toả = q1(t1 – 17,5) (q1 = mc nhiệt dung ca chất lỏng múc bình có nhiệt độ ban đầu t1) Qthu = q2(17,5 – 10) (q2 nhiệt dung tổng cộng chất lỏng bình sau lần trút thứ nhất) + Phương trình cân nhiệt: q1(t1 – 17,5) = q2(17,5 – 10) (1) - Tương tự ta có phương trình cân nhiệt sau trút chất lỏng thứ (khi nhiệt độ ban đầu bình 17,50 C, nhiệt độ cân t0C lúc bình có thêm ca chất lỏng) q1 (t1- t) = (q2 +q1) (t- 17,5) (2) - Phương trình cân nhiệt sau trút ca chất lỏng thứ (khi nhiệt độ ban đầu bình t0 C, nhiệt độ cân 25 0C lúc bình có thêm ca chất lỏng) q1(t1 – 25) = (q2+2q1) (25 – t) (3) Đến ta thấy toán ta lập phương trình có ẩn, lưu ý tốn u cầu tìm ẩn t t nên cần tìm cách triêt tiêu ẩn q q1 phép biến đổi toán học (2) q1(t1 – 2t + 17,5) = q2(t – 17,5) (3) q1 (t1 +2t – 75) = q2(25 – t) (4) (5) 17 Lấy (4) : (1) theo vế ta được: (6) t1 − 2t + 17,5 t − 17,5 = t1 − 17,5 7,5 Lấy (5) : (1) theo vế ta được: (7) t1 + 2t − 75 25 − t = t1 − 17,5 7,5 Lấy (6) +(7) theo vế ta được: t1 = 400C 2t1 + 57,5 =1 t1 − 17,5 - Thay t1 = 400C vào (6) ta tìm t = 220 C Nhận xét: Để học sinh giải tập thuộc dạng này, giáo viên cần hướng dẫn học sinh: + Xác định vật thu nhiệt, toả nhiệt trình trao đổi nhiệt, trình viết phương trình cân nhiệt + Nắm cách giải hệ phương trình phương pháp + Linh hoạt cách giải hệ phương trình mà số ẩn nhiều số phương trình Tiểu kết 3: Với dạng tốn học sinh thường lúng túng việc xác định: Khối lượng, nhiệt độ đầu, nhiệt độ cuối vật q trình trao đổi nhiệt Do hướng dẫn học sinh, giáo viên nên định hướng cho em tự lực phân tích tốn sơ đồ kết hợp tóm tắt cách hợp lí giúp em xác định xác yếu tố nói Khi việc giải tốn trở nên dễ dàng 3.2.2.4 Dạng 4: Bài tốn thí nghiệm Chú ý: Ở dạng toán em phải áp dụng đầy đủ bước quan trọng em phải nắm chất vật lí mối quan hệ kiến thức học, nhiệt học Bài 1: Trong tay em có nước (có nhiệt dung riêng c n), nhiệt lượng kế (có nhiệt dung riêng ck), nhiệt kế, cân, cân, bình đun, dây buộc bếp Em thiết lập phương án để xác định nhiệt dung riêng vật rắn nguyên chất Hướng dẫn: ? Em xác định vật tham gia trao đổi nhiệt - Học sinh dự đoán: Các vật tham gia trao đổi nhiệt: Nhiệt lượng kế, nước, vật rắn ? Hãy xác định khối lượng chất Dùng cân cân xác định: 18 - Khối lượng nhiệt lượng kế: mk - Đổ nước vào nhiệt lượng kế => đem cân khối lượng nhiệt lượng kế nước là: m => Khối lượng nước nhiệt lượng kế: m1 = (m- mk) - Khối lượng vật rắn: m2 ? Hãy xác đinh nhiệt độ ban đầu chất Dùng nhiệt kế tiến hành đo: - Đo nhiệt độ nước nhiệt lượng kế: t => nhiệt độ ban đầu nhiệt lượng kế là: t1 - Đo nhiệt độ nước có vật bình đun bếp: t => nhiệt độ ban đầu vật rắn là: t2 ? Làm tạo trao đổi nhiệt - Lấy vật rắn thả nhanh vào nhiệt lượng kế, đo nhiệt độ cân bằng: t ? Nhiệt lượng vật toả ra, thu vào tương ứng: Qtoả = m2c2 (t2 –t) Qthu= (mkck + m1cn) (t-t1) Lập phương trình cân nhiệt: m2c2(t2 –t) = (mkck + m1cn) (t-t1) Giáo viên ý: Lập lại thí nghiệm nhiều lần giá trị c là trị trung bình lần đo Tiểu kết 4: Đối với dạng toán Gv cần hướng dẫn học sinh tạo trao đổi nhiệt vật có liên quan Sau dựa vào phương trình cân nhiệt để rút đại lượng cần xác định Các bước cụ thể: - Bước 1: Với dụng cụ cho tìm cách xác định khối lượng nhiệt độ ban đầu vật tham gia vào trình trao đổi nhiệt Cần ý phương án xác định khối lượng nhiệt độ ban đầu cho khả thi kết đo xác hạn chế sai số phép đo - Bước 2: Tạo chênh lệch nhiệt độ vật tham gia vào trình trao đổi nhiệt (lưu ý chọn vật nung nóng cho phù hợp) - Bước 3: Cho cácvật tiếp xúc trao đổi nhiệt với Xác định vật toả nhiệt, vật thu nhiệt - Bước 4: Lập phương trình cân nhiệt sau rút đại lượng cần tìm Trên tơi trình bày kinh nghiệm hướng dẫn học sinh giải toán trao đổi nhiệt số ví dụ minh hoạ 19 3.2.3 Các tập đề nghị Bài 1: Tính nhiệt độ cân nước pha lít nước 80 C vào lít nước 200 C trường hợp sau: a) Bỏ qua hao phí q trình truyền nhiệt b) Hiệu suất trao đổi nhiệt 20% Biết nhiệt dung riêng nước 4200 J/kg.K, khối lượng riêng nước 1000kg/ m3 Bài 2: Người ta thả miếng sắt khối lượng 400g nung nóng nhiệt độ 70 C vào bình đựng 500g nước 200C Xác định nhiệt độ cuối nước có cân nhiệt độ (bỏ qua nhiệt lượng mát) Biết c sắt = 460J/kg.K; cnước = 4200 J/kg.K Bài 3: Thả cầu sắt nung nóng tới 600 0C vào bình cách nhiệt chứa lít nước nhiệt độ 20 0C Thấy xung quanh cầu có nước sơi hố Nước bình nóng lên đến 240C trạng thái cân Hãy tính khối lượng nước hoá hơi, biết khối lượng cầu m = 1kg; c nước = 4200 J/kg.K; csắt = 460 J/kg.K; L=2,3106 J/kg Bài 4: Trong bình cách nhiệt chứa m1 = 2kg nước 250C, người ta thả vào bình cục nước đá m = 1kg, t2 = -200C Xác định t0cb = ? thành phần hỗn hợp đạt cân nhiệt Biết cnước = 4200 J/kg.K; cnước đá = 2100 J/kg.K; λ = 3,4105 J/kg Bài 5: Một nhiệt lượng kế nhôm có khối lượng m = 100g chứa m2 = 400g nước nhiệt độ t1 = 400C Người ta thả vào nhiệt lượng kế thỏi hợp kim nhôm, thiếc có khối lượng m = 200g nung nóng đến nhiệt độ t = 1200C Nhiệt độ cân hệ 14 0C Tính khối lượng nhơm, thiếc có hợp kim? cnước = 4200 J/kg.K; cnhơm = 900 J/kg.K; cthiếc = 2300 J/kg.K Bài 6: Có hai bình cách nhiệt Bình chứa m 1= kg nước t1= 400C Bình chứa m2= kg nước t2= 200C Người ta trút lượng nước m' từ bình sang bình Sau bình nhiệt độ ổn định, lại trút nước m' từ bình sang bình Nhiệt độ cân bình lúc t' = 38 oC Tính khối lượng nước m' trút lần nhiệt độ cân t2' bình 2? Bài 7: Có hai bình, bình đựng chất lỏng Một học sinh múc ca chất lỏng bình hai trút vào bình ghi lại nhiệt độ cân bình sau lần trút: 20 oC, 35oC, bỏ sót lần khơng ghi, 50oC Hãy tính nhiệt độ có cân nhiệt lần bị bỏ sót khơng ghi nhiệt độ ca chất lỏng lấy từ bình hai trút vào Coi nhiệt độ khối lượng ca chất lỏng lấy từ bình hai Bỏ qua trao đổi nhiệt với môi trường Bài 8: Dùng ca múc nước thùng chứa nước A có nhiệt độ t =800 C thùng chứa nước B có nhiệt độ t2 = 200C đổ vào thùng chứa nước C Biết 20 trước đổ, thùng chứa nước C có sẵn lượng nước nhiệt độ t = 400C tổng số ca nước vừa đổ thêm vào Tính số ca nước phải múc thùng A B để có nhiệt độ nước thùng C t = 500C Bỏ qua trao đổi nhiệt với mơi trường, với bình chứa ca múc Bài 9: Người ta thả chai sữa trẻ em vào phích nước đựng nước nhiệt độ t = 400C Sau thời gian lâu, chai sữa nóng tới nhiệt độ t = 360 C, người ta lấy chai sữa tiếp tuc thả vào phích chai sữa khác giống chai sữa Hỏi chai sữa làm nóng tới nhiệt độ nào? Biết trước thả vào phích chai sữa có nhiệt độ t = 180C Bỏ qua sư mát nhiệt ngồi mơi trường Bài 10: Xác định nhiệt dung riêng dầu hoả dung cụ sau: Cân (khơng có cân), nhiệt kế, nhiệt lượng kế (biết nhiệt dung riêng c k), nước (biết nhiệt dung riêng cn), dầu hoả, bếp điện, hai cốc đun giống Kết đạt Tôi tiến hành khảo sát lớp học sinh có trình độ tương đương Ở lớp 8A sau giải xong ví dụ SGK nêu phần 3.2.1, không hệ thống bước giải, không nhấn mạnh khắc sâu cho học sinh; lớp 8B sau giải xong ví dụ tơi hệ thống cho em bước giải toán trao đổi nhiệt, khắc sâu kiến thức cho học sinh Rồi cho lớp làm tập thuộc dạng Bài tốn Tính nhiệt độ cân trộn khối lượng nước khác có nhiệt độ khác nhau: Đổ lít nước 80oC vào lít nước 20oC Thì nhiệt độ hỗn hợp bao nhiêu? (Bỏ qua nhiệt lượng mát bình đựng môi trường) Tôi thu kết sau: Sĩ số Lớp 8A: Sĩ số 24 học sinh Điểm 10 Tổn g Số lượng 0 24 Tỉ lệ % 17 33 17 13 0 100 Lớp 8B: Sĩ số 25 học sinh Điểm 10 Tổn g Sĩ số Số lượng 0 2 6 25 Tỉ lệ % 0 8 24 24 20 100 21 Nhận xét: + Ở lớp 8A, em lúng túng việc xác định nhiệt độ đầu, nhiệt độ cuối vật trao đổi nhiệt dẫn đến viết cơng thức tính nhiệt lượng toả, thu chưa xác Một số viết phương trình cân nhiệt kĩ giải phương trình cịn nhiều hạn chế dẫn đến kết tính sai + Ở lớp 8B: Hầu hết em xác định rõ vật toả nhiệt, thu nhiệt, nêu rõ biến đổi nhiệt độ vật từ đâu đến đâu Từ viết cơng thức tính nhiệt lượng phương trình cân nhiệt Do nhắc lại cách giải phương trình, cách tìm thêm phương trình phụ nên em làm tốt Đặc biệt em thực theo bước giải khó sai - Đối với em nhận thức tốt, em đội tuyển học sinh giỏi em giải hết dạng mà cịn giải nhiều mức độ nâng cao dạng toán số ẩn nhiều số phương trình, tốn có nhiều trình trao đổi chuyển thể chất, tốn thí nghiệm đặc biệt đạt kết tốt kì thi cấp huyện, cấp tỉnh Kết đội tuyển học sinh giỏi vật lý lớp năm học 2020-2021 có 2/2 học sinh cơng nhân học sinh giỏi cấp huyện, có 01 học sinh đạt giải nhì Hình ảnh chụp kết kiểm tra khảo sát học sinh giỏi lớp 6, 7, năm học 2020-2021 Phòng GD&ĐT gửi trường ngày 15/5/2021 22 Bài làm học sinh lớp 8B – Năm học 2020-2021 23 Điều kiện để sáng kiến nhân rộng phạm vi áp dụng Đối với giáo viên cần có lực chun mơn tốt, thường xuyên nghiên cứu tài liệu nâng cao để củng cố thêm hệ thống tập cho hoàn thiện Sáng kiến áp dụng cho học sinh đại trà, cho việc bồi dưỡng ôn thi vào THPT, bồi dưỡng học sinh giỏi Tuỳ theo đối tượng mà sử dụng sáng kiến mức độ khác III ĐỀ XUẤT KIẾN NGHỊ - KẾT LUẬN Đề xuất, kiến nghị Về phía giáo viên: - Khi dạy chuyên đề cần nghiên cứu kĩ lí thuyết phương pháp giải dạng cách trình bày tốt Có thể bổ sung thêm nhiều dạng khác phương pháp giải dạng đó, thêm thi tuyển sinh trường chuyên, thi HSG cấp tỉnh để đề tài phong phú Có thể mở rộng đề tài Về phía lãnh đạo nhà trường, Phòng Giáo dục: - Thường xuyên tổ chức chuyên đề, hội thảo, phổ biến sâu rộng kinh nghiệm giảng dạy có hiệu áp dụng cao… để nâng cao chất lượng dạy học - Tăng cường đầu tư xây dựng sở vật chất cho dạy học Đặc biệt xây dựng phòng học môn theo hướng chuẩn, đầu tư phương tiện giảng dạy tiên tiến, đại (phòng chức năng, máy chiếu loại…) - Tăng cường tổ chức hoạt động sinh hoạt cụm chuyên môn liên trường để giáo viên cớ thêm hội giao lưu, trao đổi học hỏi lần Kết luận Từ thực tế dạy phương trình cân nhiệt giáo viên thấy khối lượng kiến thức lí thuyết tập theo chương trình phần tập nhiều phong phú Hơn phần kiến thức bản, trọng tâm chương nhiệt học nên giáo viên học sinh quan tâm Các sách tham khảo nhiều khơng trình bày rõ nét lí thuyết tập, không phân loại rõ ràng dạng phương pháp giải dạng Gây nhiều khó khăn q trình dạy học, tư nghiên cứu Sáng kiến góp phần giải vấn đề Đồng thời tạo cho học sinh ý thức tìm tịi, học hỏi nghiên cức vấn đề cách có hệ thống, sâu sắc, chắn Hình thành tư tổng hợp, kĩ vận dụng thành thạo linh hoạt, sáng tạo kiến thức vào có nội dung phức tạp Do thời gian nghiên cứu cịn hạn hẹp, khn khổ viết đề cập đến bước giải tốn áp dụng phương trình cân nhiệt, áp dụng cho dạng thường gặp: dạng áp dụng cho học sinh đại trà; dạng 2,3,4 24 áp dụng cho đối tượng học sinh giỏi, phục vụ cho việc bồi dưỡng học sinh giỏi, thi vào lớp chuyên lí Việc phân loại dạng chưa hay, chưa phong phú Phương pháp giải dạng chưa tổng quát Phần hướng dẫn tư cho mục đích nghiên cứu, suy ngẫm qua dạng cịn làm Vì tơi mong góp ý chân thành cấp lãnh đạo bạn bè đồng nghiệp đề sáng kiến hồn chỉnh Tơi xin chân thành cảm ơn! 25 TÀI LIỆU THAM KHẢO 500 BÀI TẬP VẬT LÍ TRUNG HỌC CƠ SỞ PHAN HOÀNG VĂN – NXB ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TẠP CHÍ “VẬT LÍ VÀ TUỔI TRẺ” CHUYÊN ĐỀ BỒI DƯỠNG VẬT LÍ NGUYỄN ĐỨC HIỆP – NXB GIÁO DỤC BÀI TẬP CHỌN LỌC VẬT LÍ ĐỒN NGỌC CĂN & ĐẶNG THANH HẢI – NXB GIÁO DỤC 26 ... hai vật có nhiệt độ + Vật có nhiệt độ cao toả nhiệt (nhiệt độ vật giảm) + Vật có nhiệt độ thấp thu nhiệt (nhiệt độ vật tăng) 3.1.2 Các công thức tính nhiệt lượng + Với học sinh đại trà Khi vật. .. (với vật biết nhiệt độ đầu cuối): + Nếu nhiệt độ vật tăng vật thu nhiệt + Nếu nhiệt độ vật giảm vật toả nhiệt Để hình thành phương pháp dùng hệ thống câu hỏi sau: ?1 Căn dấu hiệu biết xác định vật. .. cần nhấn mạnh: "Tổng nhiệt lượng vật toả tổng nhiệt lượng mà vật thu vào" Điều có nghĩa khơng phải lúc có vật thu nhiệt vật toả nhiệt tập VD: Có vật thu nhiệt vật toả nhiệt thì: Tổng nhiệt lượng