SKKN Vận dụng phương pháp đồ thị giải bài tập phần nhiệt ở lớp 8 THCS

Vật lí là một môn khoa học thực nghiệm rất gần gũi với đời sống con ngời,nó giúp con ng-ời lao động sáng tạo.Vật lí là một đòn bẩy thúc đẩy nhanh tốc độ phát triển nền kinh tế quốc dân đ

I- Đặt vấn đề A- Cơ sở khoa học

Vật lí lớp 8 là một mảng kiến thức trong hệ thống kiến thức vật lí THCS Chơng trình vật lí lớp 8 có vị trí đặc biệt ,đóng vai trò trung gian vì vậy nó có nhiệm vụ hoàn thiện đợc chơng trình vật lí THCS

Trên cơ sở các kiến thức, kĩ năng,ý thức thái độ đúng đắn Vật lí là một môn khoa học thực nghiệm rất gần gũi với đời sống con ngời,nó giúp con

ng-ời lao động sáng tạo.Vật lí là một đòn bẩy thúc đẩy nhanh tốc độ phát triển nền kinh tế quốc dân đồng thời góp phần quan trọng trong việc pháp triển các ngành khoa học khác nh trong các ngành khoa học kĩ thuật mà trong đó ngành vật lí đóng vai trò quan trọng.Nh vậy nó có tầm quan trọng trong sự phát triển văn minh nhân loại, nh ta đã biết trong môn vật lí có nhiều lĩnh vực nh: Cơ, nhiệt, điện, quang và trong đó có nhiệt học là một mảng quan trọng mà thuần tuý lý thuyết thì không thể có đợc thành quả cao trong việc dạy và học Vì vậy việc nghiên cứu giải các bài tập vật lý là một bộ phận không thể thiếu đợc trong bộ môn vật lý

Vật lý có vai trò to lớn trong nhà trờng phổ thông cũng nh trong đời sống, trong khoa học và thực tiễn, việc vận dụng các phơng pháp toán học vào giải các bài tập sẽ gặp nhiều thuận lợi hơn, nó là công cụ thiết yếu trong việc dạy và học môn vặt lý, phơng pháp đồ thị là một trong những phơng pháp tối u của việc giảng dạy và học tập phần nhiệt , học sinh mới chỉ tiếp cận với bộ môn vật lý nên cha có tầm nhận thức khái quát Để giúp cho học sinh nắm chắc hơn kiến thức, hiểu sâu hơn về bản chất và hiện tợng vật lý trong tự nhiên và trong phần nhiệt học thì giải bài tập vật lý phần nhiệt bằng phơng pháp đồ thị giúp học sinh phần nào hiểu sâu hơn và giải thích đợc các hiện tợng nhiệt học trong tự nhiên, ví dụ nh quá trình đun sôi nớc, hiện tợng bay hơi của một số chất lỏng Qua đó ta thấy tính u việt của phơng pháp này

là tăng thêm kỹ năng, kỹ xảo trong việc nhận thức các hiện tợng vật lý, kỹ năng tính toán và kỹ năng tìm tòi vận dụng lý thuyết, óc sáng tạo kỹ năng phân tích tổng hợp đồng thời tăng nhân sinh quan và thế giới quan cho học sinh về các hiện tợng nhiệt học

Là một giáo viên ở trờng THCS trực tiệp giảng dạy môn vật lý, trong

ơng trình vật lý nói chung và phần nhiệt học nói riêng Do đó tôi đã lựa chọn

đề tài nghiên cứu “ Sử dụng phơng pháp đồ thị trong giảng dạy và học tập phần nhiệt ở trờng THCS ”

B – Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu

a Mục đích nghiên cứu.

Giải bài tập vật lý bằng phơng pháp đồ thị về mối quan hệ giữa lý luận

và thực tiễn, với tầm quan trọng của phơng pháp nên trong chơng trình vật lý phổ thông cơ sở mang tính giới thiệu cho học sinh tiếp cận với khoa học và phần” Nhiệt học” ở chơng trình nội khoá Đây là một vấn đề mới đợc đa vào chơng trình mang tính chất giới thiệu chứ cha đi sâu do vậy có nhiều khó khăn cho cả ngời dạy lẫn ngời học.Vậy làm thế nào để các em có hứng thú với môn học vật lý và giải bài tập vật lý phần nhiệt học một cách thành thạo bằng đồ thị với các dạng khác nhau.Với ý tởng đó tôi đã mạnh dạn đa ra cách sử dụng đồ thị vào việc giải bài tập vật lý nhằm khắc phục khó khăn cho học sinh , góp phần nâng cao trình độ và chất lợng dạy học cho bản thân

và đồng nghiệp trong nhà trờng

b Nhiệm vụ nghiên cứu.

Đề tài này đã thực sự mang lại tác dụng tốt đối với việc dạy học Bản thân tôi luôn tự xác định cho mình một định hớng tìm tòi nghiên cứu các tài liệu khoa học có liên quan, thu thập xử lý một cách có sáng tạo các thông tin, tìm hiểu thực tế học sinh, học hỏi đồng nghiệp Tiếp thu các ý kiến xây dựng góp ý của đồng nghiệp, cán bộ trong ngành có bề dày công tác nhằm làm cho đề tài phong phú mang tính khoa học, đảm bảo độ chính xác cao

C- Đối tợng và phạm vi nghiên cứu.

Học sinh lớp 8 nói riêng và học sinh THCS nói chung

D – Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu Thời gian thực hiện

Từ tháng 9 năm 2007 đến tháng 4 năm 2008

II- Giải quyết vấn đề.

Phần I Cơ sở lý luận.

1 Vai trò cảu bài tập vật lý đối với học sinh.

Bài tập vật lý nói chung, bài tập vật lý của đồ thị phần nhiệt nói riêng

có tác dụng rất lớn cả 3 mặt: Giáo dục, giáo dỡng và giáo dục kỹ thuật tổng hợp Tác dụng của nó là càng tích cực nếu trong qúa trình dạy học có sự lựa

pháp và bám sát mục đích dạy học ở trờng THCS Hệ thống các bài tập lựa chọn phải đảm bảo đợc tính mục đích của học sinh và khắc sâu kiến thức,

đảm bảo tính thực tiễn phù hợp với nhu cầu tâm lý, tính cách của học sinh là một phơng pháp dạy học giữ ví trị đặc biệt trong việc hoàn thành nhiệm vụ dạy học vật lý ở phổ thông

Việc giải hệ thống các bài tập vật lý giúp cho học sinh phát triển đợc t duy, óc sáng tạo từ đó phát triển trí tuệ và thể chất, thẩm mỹ Giải bài tập vật

lý là giúp cho học sinh khắc sâu lý thuyết, kiểm chứng lý thuyết một cách chính xác và ứng dụng lý thuyết vào thực tế cuộc sống một cách linh hoạt

Bài tập vật lý giúp cho học sinh hiểu sâu hơn những quy luật, hiện t-ợng từ đó biết phân tích và ứng dụng vào cuộc sống Nó là phơng tiện tốt nhất để phát triển t duy, thế giới quan về khoa học ( Trực quan sinh động – Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu

T duy trìu tợng) Tính độc lập trong suy nghĩ và tính kiên trì trong tìm hiểu khoa học Bài tập vật lý còn là hình thức cũng cố ôn tập hệ thống hoá toàn bộ kiến thức cho học sinh

2 Tầm quan trọng của bài tập vật lý.

Dựa vào phơng pháp đồ thị, bài tập vật lý đợc giải giúp cho học sinh

có thêm kiến thức và có thêm một phơng pháp giải bài tập tơng đối hoàn hảo, học sinh cũng cố lại kiến thức đã học ở lớp là cơ sở để học tốt các bài học tiếp theo trong chơng trình vật lý

3 Lựa chọn bài tập vật lý.

Hệ thống các bài tập vật lý đợc lựa chọn phải đảm bảo yêu cầu

- Yêu cầu trớc hết là phải đi từ dễ đến khó, đi từ đơn giản đến phức tạp

về mối quan hệ giữa những đại lợng và khái niệm, đặc trng của quá trình và các hiện tợng sao cho dần từng bớc học sinh hiểu đợc kiến thức đó Nắm vững kiến thức và vận dung linh hoạt

- Mỗi bài tập lựa chọn phải là mắt xích trong các hệ thống bài tập,

đóng góp một phần nào đó trong việc hoàn chỉnh kiến thức của học sinh Giúp học sinh hiểu đợc mối liên hệ cụ thể hoá các khái niệm

- Hệ thống bài tập đợc lựa chọn phải giúp cho học sinh nắm vững

ph-ơng pháp giải từng loại bài tập cụ thể

Phần II Phân loại bài tập đồ thị và phơng pháp giải

1 Phân loại bài tập

Căn cứ vào hệ thống các bài tập dựa vào đồ thị để giải ở phần nhiệt của

ch-ơng trình phổ thông cơ sở.Dựa vào đặc thù của dạng bài tập Đó là những bài tập mà trong dữ kiện đã cho và trong tiến trình giải có sử dụng các đồ thị, loại bài tập này có tác dụng trớc hết giúp học sinh nắm đợc phơng pháp quan trọng biểu diễn mối quan hệ hàm số giữa các đại lợng vật lí ,tạo điều kiện làm sáng tỏ một cách sâu sắc bản chất vật lí của các quá trình và các hiện t-ợng

Nó là biện pháp tích cực hoá quá trình dạy và học của thầy và trò, tuỳ theo mục đích có thể phân ra các loại bài tập nh sau:

Loại 1: Đọc trên đồ thị và khai thác đồ thị

(Bài tập dạng định tính)

Đặc điểm của hai loại này là :Loại bài tập đã có đồ thị, chúng ta chỉ việc khai thác đồ thị, dữ liệu đã có trên đồ thị

Loại 2 : Giải bài tập bằng đồ thị

2 Phơng pháp giải

Phơng pháp giải chung

Trog quá trình dạy và học môn vật lí ở trờng THCS và vấn đề giải và chữa các bài tập thờng gặp nhiều khó khăn đối với học sinh cũng nh GV, nhất là những giáo viên cha có kinh nghiệm

Bên cạnh những nguyên nhân nh học sinh cha nắm vững kiến thức, cha có

kĩ năng khoa học giải các bài tập vật lí và giáo viên cha thực sự chú ý tới việc rèn luyện các kĩ năng cần thiết cho học sinh

Học sinh thờng giải các bài tập một cách mò mẫm, may rủi, thậm chí không thể giải đợc bài tập Quá trình giải có thể đợc chia thành các bớc sau:

Đọc kĩ đầu bài, tìm hiểu ý nghĩa của nhữg thuật ngữ mới quan trọng, nắm vững đầu bài , đâu là dữ kiện ,đâu là ẩn số cần tìm:

Đối với bớc này giúp h/s tìm ra phơng pháp giải quyết vấn đề song không phải mọi học sinh đều nhận thức rõ điều đó mà phải rèn luyện cho mình một thói quen nghiên cứu đề ra.Tuy nhiên có học sinh chỉ đọc lớt qua rồi bắt tay vào làm bài tập thờng dẫn đến những sai lầm hoặc nhận thức cha đúng vấn

đề

Phần III- Một số ví dụ minh hoạ.

1 Bài tập loại đọc trên đồ thị và khai thác đồ thị.

Bài toán 1 Căn cứ vào đồ thị bên biểu diễn sự sôi của nớc ta có thể biết đợc

sự thay đổi nhiệt độ của nớc khi sôi nh thế nào?

* Phân tích

Đây là đồ thị biến đổi trạng thái của nớc , biểu diễn sự biến thiên của chất lỏng theo thời gian

- Đoạn AB nhiệt độ và thời gian tỷ lệ thuận với nhau và tại đó nhiệt độ của nớc đang tăng dần ở thời điểm t, thì chất lỏng bắt đầu biến đổi trạng thái, nớc bắt đầu sôi

- Tại thời điểm t2 thì nhiệt độ vẫn bằng nhiệt độ tại thời điểm t1

- Khi ta cung cấp nhiệt độ cho nớc tới 1000C thì nớc sôi và đoạn BC nhiệt độ và thời gian không phụ thuộc vào nhau

* Bài giải.

Căn cứ vào đồ thị ta thấy trong suốt thời gian sôi nhiệt độ của nớc không thay đổi vẫn giữ nguyên 1000C

Bài toán 2 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ của nớc theo thời gian khi

đun và để nguội Mỗi đoạn đồ thị ứng với một quá trình nào?

20

A

t

t0C

100

* Phân tích.

Đây là đồ thị biểu diễn sự biến đổi của nớc theo thời gian

- Tại thời điểm ban đầu nớc đang ở 200C

- Tăng đến thời điểm t1 thì nhiệt độ của nớc tăng 1000C

- Tiếp tục tăng thời gian t3 ứng với đoạn CD nhng không cung cấp nhiệt theetjnhieetj độ nớc giảm xuống, vậy ở đoạn CD nhiệt độ và thời gian

tỷ lệ nghịch với nhau

* Bài giải.

- Đoạn AB biểu diễn quá trình đun nớc nóng từ 200C đên 1000C

- Đoạn BC biểu diển quá trình nớc đang sôi

- Đoạn CD biểu diễn quá trình để nớc nguội

Bài toán 3.Sự biến thiên nhiệt độ của khối nớc đá đựng trong ca nhôm theo

nhiệt lợng cung cấp đợc cho trên đồ thị Tìm khối lợng nớc đá và khối lợng

ca nhôm.Cho nhiệt dung riêng của nớc đá và nhôm là C1 = 4200 J/Kg.K;C2 = 880J/Kg.K ,nhiệt nóng chảy của nớc đá  = 3,4.105J/Kg(h.1)

* Phân tích.

Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của khối nớc đá theo nhiệt lợng cung cấp

- Nhìn vào đồ thị ta có thể biết đợc nhiệt lợng của nớc đá thu vào ở 00C

để nó nóng chảy hoàn toàn là 170KJ, từ đó ta có thể tính đợc khối lợng của nớc đá nh thế nào?

- Khi nhiệt độ tăng từ 00C đến 20C thì nhiệt độ thu vào của nớc và ca nhôm biến thiên từ 170KJ đến 175KJ , từ đó ta tính đợc khối lợng của

ca nhôm

20 100

D

A

t 0C

t

*Phơng án giải

Nhiệt lợng nớc đá thu vào để nóng chảy hoàn toàn ở 00C là 170KJ (lúc này

ca nhôm không thu nhiệt do nó không tăng nhiệt độ).Từ đó khối lợng nớc đá

là: m1 =



KJ

170

=

340

170

= 0,5Kg Nhiệt lợng nớc và ca nhôm thu để tăng từ 00C đến 20C là :

175 – Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu 170 = 5KJ = 5000J

Ta có : 5.000 = (m1C1 + m2 C2)( 2-0)

2500 = 0,5 4200 +m2.880

 m2 =

880

4200 5 , 0

2500 

 0 , 45Kg

Bài toán 4 Cho đồ thị biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ của khối chất lỏng theo

nhiệt lợng cung cấp có dạng trên Biết nhiệt dung riêng của chất lỏng đó C = 2500J/Kg.K

a)Xác định nhiệt hoá hơi của chất lỏng

b)Hãy nêu cách xác định nhiệt hoá hơi của chất lỏng bất kỳ bằng thực nghiệm với các dụng cụ: cốc,bếp đun,nhiệt kế,đồng hồ bấm dây.Nhiệt dung riêng của chất lỏng xem nh đã biết

*Phân tích:

Đây là đồ thị biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ của khối chất lỏng phụ thuộc vào

sự cung cấp nhiệt lợng theo thời gian:

t o C

A

B

2

- Đoạn AB thì đợc hiểu là ứng với quá trình nào? phụ thuộc trực tiếp vào yếu

tố nào?

- Đoạn BC thì đợc hiểu là ứng với quá trình nào? phụ thuộc trực tiếp vào yếu

tố nào? Từ đó ta định hớng đợc cách giải

- Nh vậy ta thấy muốn xác định đợc nhiệt hoá hơi ta cần xác định khối lợng

m và Q từ đó tìm phơng án cho thí nghiệm

*Phơng án giải

a)Nhìn trên đồ thị ta thấy:

- Đoạn AB : Chất lỏng nhận một nhiệt lợng Q1 = 1,8.105J để tăng từ 200C

đến 800C Gọi m là khối lợng chất lỏng ta có :

Q1 = mc(80-20) => m = Kg

c

Q

2 , 1 60 2500

10 8 , 1 60

5

- Đoạn BC : Chất lỏng hoá hơi.TRong giai đoạn này có nhận một nhiệt lợng

Q = Q2- Q1 = (12,6 – Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu 1,8 ).105 J = 10,8.105J

và nhiệt lợng này dùng để chất lỏng hoá hơi hoàn toàn nên :

0

20

80

12,6

t 0C

A

Q = Lm => L= 5 9 10 5

2 , 1

10 8 , 10







m

Q

J b) Dựa vào cách giải trên ta thấy để xác định đợc L ta phải xác định Q và

m Ta có thể thực hiện thí nghiệm nh sau:

- Lấy một cốc chất lỏng ,dùng nhiệt kế để đo nhiệt độ ban đầu t1 C

- Đun cốc chất lỏng trên bếp cho đến khi sôi, dùng nhiệt kế xác định

t2 C Nhờ đồng hồ bấm giây ta có thể xác định đợc thời gian kể từ lúc đun cho đến khi sôi làT1

- Tiếp tục đun, xác định đợc thời gian T2 kể từ chất lỏng sôi cho đến khi hoá hơi hoàn toàn

Bỏ qua sự thu nhiệt của cốc và xem bếp toả nhiệt môt cách đều đặn ,ta có :

Q1 = kT1 = mc = (t2 C – Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứut1 C ) (1)

Q2 = kT2 = Lm (2)

(k là hệ số tỷ lệ nào đó )

Từ (1) và (2) ta rút ra :

L=

1

2

0 1

0

2 ).

(

T

T c t

c

t

2 Loại giải bài tập bằng đồ thị.

Bài toán 5 Một chất lỏng có khối lợng m1 = 250g chứa trong một cái bình

có khối lợng m2 = 1kg , tất cả có nhiệt độ ban đầu t1 =200C Nhiệt dung riêng của chất lỏng là 4000 J/kg.độ, của bình là 500J/kg.độ Ngời ta bắt đầu

cấp nhiệt độ cho bình đó để nó nóng đến nhiệt độ t2 = 600C

Hãy vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc nhiệt độ của bình chất lỏng vào nhiệt l-ợng Q mà bình thu vào, với trục hoành biểu thị nhiệt ll-ợng, trục tung biểu thị nhiệt độ

* Phân tích

Khi nhận đợc nhiệt lợng thì nhiệt độ của võ bình và của lợng chất lỏng bên trong bình nh thế nào?

- Nhiệt độ cần cung cấp cho bình chất lỏng để nó đạt tới nhiệt độ

t2=600C là bao nhiêu?

- Ta có sự phụ thuộc nhiệt độ , thời gian vào nhiệt lợng nh thế nào ? Từ

đó ta có thể biểu diễn sự biến đổi trạng thái của hàm số Q vào t

* Bài giải.

Ta xem rằng khi nhận đợc nhiệt lợng thì nhiệt độ của võ bình và của chất lỏng trong bình luôn luôn bằng nhau

Nhiệt lợng cần cung cấp cho bình chất lỏng để nó đạt tới nhiệt độ t là :

Q = (m1c1+m2c2)(t-t1)

= (0,25 4 000 + 1 1 000)(t-t1)

= 2 000(t-t1)

Từ đó suy ra : t = t1 +

2000

Q

= 20 +

2000

Q

Thay các giá trị của Q bằng : 20 000J ;40 000J; 60 000J: hay ta có bảng biến thiên:

Ta có đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc nhiệt độ của bình chất lỏng vào nhiệt l-ợng Q mà bình thu vào nh sau:

Bài toán 6 Dùng một bếp điện để đun nóng một nồi đựng 2kg nớc đá ở – Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu

200C Sau 2phút thì nớc đá bắt đầu nóng chảy

a) Sau bao lâu thì nớc đá nóng chảy hết b) Sau bao lâu thì nớc đá bắt đầu sôi

c) Vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của nhiệt độ của nớc ((và nớc đá) vào thời gian đun

* Phân tích.

t0C

50 40 30 20

- Nhiệt lợng cung cấp để làm nóng 2kg nớc đá từ -200C đến 00C là bao nhiêu?

- Mỗi phút bếp cung cấp cho nớc đá một nhiệt lợng bằng bao nhiêu và đợc tính nh thế nào?

- Nhiệt lợng cần cung cấp để nớc đá nóng chảy hết thành nớc ở 00C là bao nhiêu?

- Nhiệt lợng cần có để 2kg nớc nóng lên từ 00C đến 1000C là bao nhiêu và thời gian đun đợc tính nh thế nào?

- Từ đó ta có thể vẽ đợc đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của nhiệt độ và thời gian đun

*Bài giải.

a) Nhiệt lợng cung cấp để làm nóng 2kg nớc đá từ -200C đến 00C là:

Q1= 2.2100 20 = 84 000J

Nhiệt lợng cần cung cấp để nớc đá nóng chảy hết thành nớc ở 00C là :

Q2= Lm = qt2 Suy ra t2 = Lm

q = 8 phút

Tổng thời gian để đun cho nớc đá nóng hết thành nớc 00C là :

t = t1+t2 = 10 phút

b) Nhiệt lợng cần cung cấp để 2kg nớc nóng lên từ 00C đến 1000C là:

Q3 = 2.4190.100 = 838 000J

Thời gian cần đun là : t3=Q3

q  20 phút

Tổng thời gian từ lúc đun đến lúc nớc bắt đầu sôi:

t4 = t + t3 =30 phút

c)Vẽ đồ thị hàm số Q biến t