SKKN Sử dụng bài tập đồ thị nâng cao kết quả học tập chương chất khí cho học sinh lớp 10 nâng cao

Do đó,việc lĩnh hội kiến thức của chương đối với học sinh là không dễ dàng, đặc biệt làcác bài tập về biểu diễn quá trình biến đổi của chất khí trong các hệ tọa độ khácnhau.. Học sinh kh

I Đặt vấn đề.

Chương chất khí là một trong những nội dung quan trọng của phần nhiệthọc chương trình lớp 10 nâng cao Ở đây, các quy luật biến đổi của chất khíkhông tuân theo các định luật cơ học Niutơn mà học sinh thường gặp Do đó,việc lĩnh hội kiến thức của chương đối với học sinh là không dễ dàng, đặc biệt làcác bài tập về biểu diễn quá trình biến đổi của chất khí trong các hệ tọa độ khácnhau Học sinh khi giải bài tập loại này còn rất lúng túng gặp nhiều khó khăntrong việc phân biệt dạng các đồ thị, cách chuyển đồ thị sang hệ tọa độ khác vàgọi tên các quá trình biến đổi của chất khí trên đồ thị Từ sự khó khăn này màkhi dạy bài 59 :”Áp dụng nguyên lý I nhiệt động lực học cho khí lí tưởng” -sáchgiáo khoa vật lí 10 nâng cao -nhiều em học sinh lại gặp khó khăn hơn

Để giúp cho học sinh dễ dàng nắm được kiến thức và vận dụng tốt cácphương pháp cơ bản giải các bài toán trong các đề thi thuộc chương chất khí

nên tôi đã chọn và thực hiện đề tài: “Sử dụng bài tập đồ thị nâng cao kết quả

học tập chương chất khí cho học sinh lớp 10 nâng cao”

II Giải quyết vấn đề.

1 Cơ sở lý luận của vấn đề.

Qua giảng dạy nhiều khóa học sinh, tôi nhận thấy vấn đề các em học sinhhay mắc phải là học từng bài thì có hiểu, nhưng để nhớ các kiến thức đó đượclâu và hiểu rõ sự logic liên quan giữa các bài học thì các em chưa làm tốt.Chương chất khí có các phương trình diễn tả sự biến đổi chất khí nên tôi đã chútrọng sử dụng bài tập đồ thị chất khí để diễn tả các quá trình biến đổi chất khí

Việc sử dụng phương pháp này hướng tới nhiều mục đích: rèn luyện kỹnăng vẽ và đọc đồ thị, kỹ năng tư duy logic hiểu được diễn biến của các quá

trình, và điều quan trọng hơn là kỹ năng ghi nhớ kiến thức phương trình rôn -Men-de-lê-ép, phương trình trạng thái khí lí tưởng, các phương trình diễn tảcác định luật chất khí.

cla-pê-Trong đề tài, tôi đưa ra cách ghi nhớ kiến thức giúp các em học sinh hiểusâu và nhớ được lâu Tiếp đó, tôi đưa ra phương pháp vẽ đồ thị dựa vào phươngtrình hàm số, các dạng bài tập cơ bản và phương pháp giải tương ứng, bài tậpvận dụng các phương pháp đó và cuối cùng là các bài tập tự luyện nhằm giúpcác em có kĩ năng giải bài tập

Việc sử dụng bài tập đồ thị sẽ tạo ra hiệu quả cao và tiết kiệm được thờigian hơn trong quá trình làm bài tập chương chất khí Từ đó nâng cao chất lượngcủa các bài kiểm tra, tạo hứng thú học tập cho học sinh

2 Thực trạng của vấn đề.

Khi giảng dạy chương chất khí lớp 10 tôi nhận thấy hầu hết các em họcsinh đều rất lúng túng khi làm các bài tập về chất khí bởi đây là phần có nhiềudạng bài tập, có nhiều công thức cần nhớ và việc áp dụng các công thức toánhọc tương đối phức tạp, dễ nhầm lẫn Trong đó, khó khăn lớn nhất của các em làviệc xác định bài toán thuộc dạng nào để ra đưa phương pháp giải phù hợp choviệc giải bài toán đó

Trong quá trình giảng dạy, tôi nhận thấy học sinh thường chỉ biết làmnhững bài tập đơn giản, còn những bài tập yêu cầu phải có khả năng phân tích

đề hoặc tư duy, nhớ lâu và chính xác kiến thức để vận dụng thì còn nhiều hạn chế

Các bài tập về đồ thị chất khí đã được viết không nhiều Tuy vậy, một sốcác tài liệu đó chủ yếu viết cho học sinh khá và giỏi tự đọc và có thể hiểu ngayvấn đề và áp dụng vào các bài tập khác, còn đối với đa số học sinh thì việc tựnghiên cứu các tài liệu để nắm kiến thức là vô cùng khó khăn chính, hay nhầmlẫn kiến thức, chưa hiểu rõ mối liên hệ giữa các công thức và đặc biệt là họcsinh rất khó nhớ

 Nếu biểu diễn trong hệ (P,T) hoặc (V,T)  dùng dạng 1 (hình 1a,b).

0 hçnh 1

* Quá trình đẳng tích:

+ Dạng 1: V = const

+ Dạng 2: p

T = const

 Nếu biểu diễn trong hệ (V,T) hoặc (P,V)  dùng dạng 1 (hình 2a,b)

 Nếu biểu diễn trong hệ (P,T)  dùng dạng 2 (hình 2c)

* Quá trình đẳng áp:

+ Dạng 1: P = const

+ Dạng 2: V

T = const

 Nếu biểu diễn trong hệ (P,T) hoặc (P,V)  dùng dạng 1 (hình 3a,b)

 Nếu biểu diễn trong hệ (V,T)  dùng dạng 2 (hình 3c)

* Ghi nhớ kiến thức:

1/ Mỗi đẳng quá trình ta nêu cả 2 dạng phương trình thì mới diễn tả đầy

đủ sự thay đổi 3 thông số trạng thái p, V, T

hçnh 2

P V

T

Vẽ đồ thị biểu diễn chu trình sau trong hệ tọa độ (P,V):

- Giãn đẳng áp từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 ( V2 = 2V1 )

- Giãn đẳng nhiệt từ trạng thái 2 sang trạng thái 3 ( V3 = 2V2 )

- Nén đẳng áp từ trạng thái 3 sang trạng thái 4 sao cho V4 = V2

- Nén đẳng nhiệt từ trạng thái 4 về trạng thái

Hướng dẫn

Ta có sơ đồ mô tả các quá trình biến đổi trạng thái của lượng khí:

Quá trình dãn đẳng áp 1-2 :

onst1 onst2 V tang T tang

* Bài toán ví dụ 2: biểu diễn đẳng quá trình sang một hệ khác.

Hình bên là đồ thị biểu diễn các quá trình biến đổi trạng thái của một lượng khí trong hệ (P,T) Hãy:

a, Mô tả quá trình biến đổi trạng

thái của lượng khí trên

b, Biểu diễn các quá trình biến đổi

2 1

V1 V2=V4 V3

P1 = P2

P3 = P4

* quá trình 1-2: V = const : đẳng tích

T tăng : nung nóng * quá trình 2-3: T = const : đẳng nhiệt

V tăng : giãn nở * quá trình 3-1: P = const : đẳng áp

Quá trình 2-3:

+ Dạng 1: T = const+ Dạng 2: pV = const (p tỉ lệ nghịch với V)(p giảm, V tăng)

*Quá trình 3-1:

+ Dạng 1: P = const+ Dạng 2: V = const.T (V tỉ lệ thuận với T)(T giảmT, V giảm)

3

- Ta có thể mở rộng cho quá trình bất kỳ qua việc thực hiện các bước sau:

+ Bước 1: Xác định quy luật biến đổi của chất khí bằng phương trình toán

học (từ đồ thị suy ra hoặc dựa vào các dữ kiện đề bài): f( P,V,T) = C1

+ Bước 2: Thành lập hệ phương trình

f (P,V,T) = C1

g (P,V,T) = pV

T = C2 (phương trình trạng thái)Khử 1 trong 3 thông số từ hệ trên ta được một phương trình liên hệ giữa hai thông số còn lại: h( y, x ) = C3 hay y = f(x)

+ Bước 3: Khảo sát hàm số y = f(x) ta vẽ được đồ thị trong hệ (y,x)

x{ P,V,T}

y{ P,V,T}, x  y

 Nếu biểu diễn trong hệ (P,T) thì ta khử thông số V

 Nếu biểu diễn trong hệ (P,V) thì ta khử thông số T

 Nếu biểu diễn trong hệ (V,T) thì ta khử thông số P

3.2.2 Áp dụng giải các dạng toán

0

2

*Bài toán ví dụ 1:

Cho biết một lượng khí biến đổi theo

một quá trình như đồ thị bên

Hãy biểu diễn quá trình biến đổi của

chất khí trong các hệ (T,P) và (T,V)

Hướng dẫn

- Nhận xét: Quá trình 1-2 không phải là các đẳng quá trình

 không thể sử dụng được các phương pháp thông thường

- Từ đồ thị, ta có quy luật biến đổi của chất khí:

T là hàm bậc hai của P nên đồ thị là một phần của parabol (hình vẽ)

b Biểu diễn trong hệ (T, V)  khử thông số P

từ (1) và (2), ta có: T = (

onst

a

c ).V2 T = C2.V2

T là hàm bậc hai của V nên đồ thị là một phần của parabol (hình vẽ)

*Ghi nhớ kiến thức : Hệ số C 1  C 2 nên độ cong đồ thị là khác nhau.

0

1

2

V T

1

2

3 P

Cho biết một lượng khí biến đổi theo một

quá trình như đồ thị trên Hãy biểu diễn quá trình biến

đổi của chất khí trong các hệ (T, P) và (T,V)

Hướng dẫn

* Quá trình 1-2:

+ Dạng 1: V = const + Dạng 2: P = const.T (T tăng, P tăng)

* Quá trình 1-2:

+ Dạng 1: T = const + Dạng 2: PV = const (P giảmP, V tăng)

* Quá trình 3-1:P = a.V

(3) T = C1.P2 , (P giảm, V giảm)(4) T = C2.V2

* Bài toán ví dụ 3:

(Tuyển tập đề thi Olympic 30 - 4 vật lý 11 lần thứ VIII)

Người ta chứa 20 gam heli trong một xi

lanh có píttông kín rồi cho lượng khí heli đó

biến đổi chậm chạp từ trạng thái có thể tích

V1 = 32 lit , P1 = 4, 1atm sang trạng thái có

thể tích V2= 9lit , P2 = 15, 5atm Hỏi nhiệt độ lớn nhất mà khí đạt được là bao nhiêu? cho biết quá trình biến đổi của chất khí như hình vẽ

2 3

2 P

2

P1

V1

V2

P1 = aV1 + b 4,1 = a.32 + b a = -0,5

P2 = aV2 + b  15,5 = a.9 + b  b = 20Mặt khác, ta có:

là một đoạn parabol đi qua gốc

tọa độ, bề lõm quay xuống dưới

Khi đạt nhiệt độ lớn nhất nó chiếm:

Thể tích: Vmax =

2a

b

 = 20l

áp suất: Pmax = aVmax + b = 10atmVậy Tmax = Pmax Vmax

P =

1

onst V

c

.T = b1.T+ Quá trình đẳng tích V2:

P =

2

onst V

c

.T = b2.TNếu V2 > V1  b2 < b1  đồ thị V2 ở dưới V1(hình vẽ)

c

.T = c1.T+ Quá trình đẳng áp P2:

V =

2

onst p

c

.T = c2.TNếu P2 > P1  c2 < c1  đồ thị P2 ở dưới P1(hình vẽ)

* Bài toán ví dụ 1:

Hình bên biểu diễn các đường đẳng

nhiệt của một lượng khí ứng với các

nhiệt độ khác nhau T1, T2 CMR T1 < T2

Hướng dẫn Cách 1: Sử dụng dạng phương trình toán học

+ Đường đẳng tích V1: P =

1

onst V

c

>

2

onst V

Đồ thị hình bên mô tả một chu trình của khí lí

tưởng Hãy chỉ ra trên chu trình:

- Các điểm của đồ thị ứng với áp suất lớn nhất, nhỏ nhất

- Các đoạn của đồ thị ứng với áp suất tăng, giảm hoặc

- Từ phương trình trạng thái của khí lí tưởng,

c

=

M

onst tan

+ trên cung AM1B, chiều biến đổi của quá trình là A M1B:

 giảm  P tăng \ từ (*)+ trên cung BM2A, chiều biến đổi của quá trình là B M2A:

 tăng  P giảm \ từ (*)

* Bài toán ví dụ 4:

Hai xy lanh chứa hai loại khí có khối lượng mol  1,

2

 khác nhau nhưng cùng khối lượng m, áp suất của

chúng bằng nhau Quá trình biến đổi đẳng áp được

biểu diễn bởi đồ thị như hình vẽ

So sánh các khối lượng mol  1và 2

Hướng dẫn

Từ T1 vẽ đường thẳng song song OV, cắt O 1, O 2lần lượt tại A và B

Áp dụng phương trình cla-pê-rôn -Men-đê-lê-ép tại vị trí A và B:



* Bài toán ví dụ 5 :

Một xy lanh chứa khí bị hở nên khí có thể ra hoặc

vào xy lanh chậm Khi áp suất p không đổi, thể tích

V biến thiên theo T như đồ thị hình vẽ Hỏi lượng

khí trong xy lanh tăng hay giảm

tại A, cắt O2 tại B như hình vẽ

3.4 Giải pháp 4: Sử dụng đồ thị so sánh công và nhiệt chất khí trao đổi

trong các quá trình biến đổi trạng thái

3.4.2 Ạp dụng giải các dạng tốn.

* Bài tốn ví dụ 1: Một lượng khí được dãn từ thể tích V1 đến thể tích V2 (V2 >

V1) So sánh cơng khí thực hiện trong các quá trình:

Vận dụng kiến thức A Diện tích MNV2V1, ta có: Aa > Ac > Ad > Ab

* Bài toán ví dụ 2:

Một lượng khí lí tưởng không đổi ở trạng thái 1 có thể tích V1, áp suất p1,dãn đẳng nhiệt đến trạng thái 2 có thể tích V2 = 2V1 Sau đó dãn đẳng áp sangtrạng thái 3 có thể tích V3 = 3V1

a) Vẽ đồ thị biểu diễn các quá trình trên trong hệ p - V

b) Dùng đồ thị để so sánh công của khí trong các quá trình trên

c) Vận dụng nguyên lí I NĐLH phân tích sự thay đổi của nội năng vànhiệt lượng chất khí trao đổi với môi trường ngoài

V2 > V1  chất khí sinh công nên A = -A, < 0

V2 > V1  T2 > T1  U2 > U1  U  0 : nội năng chất khí tăng

* Bài toán ví dụ 3:

Có 1,4 mol chất khí lí tưởng ở nhiệt độ 300K

Đun nóng khí đẳng áp đến nhiệt độ 350K, nhiệt lượng

cung cấp cho khí trong quá trình náy là là 1000J Sau

đó khí được làm lạnh đẳng tích đến nhiệt độ bằng nhệt

độ ban đầu và cuối cùng khí được đưa trở về trạng thái

ban đầu bằng quá trình nén đẳng nhiệt

a) Vẽ đồ thị của chu trình trong hệ tọa độ p - V

b) Tính công A, mà khí thực hiện trong quá trình đẳng áp

c) Tính độ biến thiên nội năng của khí ở mỗi quá trình của chu trình

d) Tính nhiệt lượng mà khí nhận được trong quá trình đẳng têch

Áp dụng nguyên lý I NĐLH: U  A Q A Q,  (A = -A,)

* Độ biến thiên nội năng trong quá trình đẳng áp:

, 21

* Độ biến thiên nội năng trong quá trình đẳng nhiệt:

Đề tài đã được thử nghiệm ở trường phổ thông, xong việc áp dụng còn ởmột phạm vi hẹp Do vậy, để đề tài được kiểm nghiệm và mang lại hiệu quảthiết thực hơn cần được thử nghiệm trên một phạm vi rộng hơn

Việc sử dụng phương pháp đồ thị học sinh hiểu và áp dụng được phươngpháp giải các bài tập tương đối dễ dàng, chính xác Tuy nhiên, chắc chắn đề tàikhông tránh khỏi những thiếu sót trong cách phân dạng cũng như cách giải cácbài tập minh họa Rất mong nhận được những nhận xét, góp ý của các bạn đồngnghiệp để đề tài ngày càng hoàn chỉnh, đóng góp vào kho phương pháp giải bàitập vật lý hay và có hiệu quả

Xin trân trọng cảm ơn!

Thanh Hóa, ngày 16 tháng 05 năm 2013

Xác nhận của thủ trưởng đơn vị Người viết

Tôi xin cam đoan đây là SKKN

của mình viết, không sao chép nội dung của người khác

Nguyễn Văn Tường

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Vật Lí 10 Nâng cao - Nguyễn Thế Khôi, Phạm Quý Tư, Lê Trọng Tường,Lương Tất Đạt, Lê Chân Hùng, Nguyễn Ngọc Hưng, Phạm Đình Thiết, BùiTrọng Tuân - Sách giáo khoa Nhà xuất bản GD - 2006

2 Bài tập vật lí 10 Nâng cao - Lê Trọng Tường, Lương Tất Đạt, Lê Chân Hùng,Phạm Đình Thiết, Bùi Trọng Tuân - Nhà xuất bản GD - 2006

3 Giải toán Vật lí 10 - Tập 2- Bùi Quang Hân, Trần Văn Bồi, Phạm Ngọc Tiến,Nguyễn Thành Tương - Nhà xuất bản GD - 1999

4 Tuyển tập đề thi Olympic 30 - 4 vật lý 11 lần thứ VIII - 2002 - Sở GD -ĐTThành Phố HCM -Trường THPT chuyên Lê Hồng Phong - Nhà xuất bản GD -2012