SKKN TÀI LIỆU BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI CASIO LÝ PHẦN 2 NHIỆT HỌC PHÂN TỬ

Các bài toán có yêu cầu về cách giải và kĩ thuật tính toán có sự hỗ trợ của máy tính cầm tay.. * Hướng dẫn cách làm bài và tính điểm Để giải một bài toán Vật lí, thí sinh phải ghi tương

HỘI ĐỒNG KHOA HỌC TRƯỜNG THPT VÕ VĂN KIỆT

SÁNG KIẾN KINH NGHIÊM:

TÀI LIỆU BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI

CASIO LÝ PHẦN 2: NHIỆT HỌC PHÂN TỬ

Môn : Vật lý

Lĩnh vực : Bồi dưỡng nâng cao năng lực chuyên môn

Phước long ,ngày 20 tháng 3 năm 2015

A ĐẶT VẤN ĐỀ

Kì thi “Giải các bài toán Vật lí trên máy tính cầm tay” là nội dung mới trong các kì thi vòng tỉnh và khu vực Nội dung thi có nhiều điểm mới:

* Cấu trúc bản đề thi

Bản đề thi gồm có 6 bài toán nằm trong giới hạn nội dung thi trong chương trình môn học, cấp học Các bài toán có yêu cầu về cách giải và kĩ thuật tính toán có sự hỗ trợ của máy tính cầm tay

Phân bố 6 bài toán trong các phần kiến thức kĩ năng là: Cơ học (2 bài), Nhiệt học (1 bài), Điện học (2 bài), Quang học (1 bài)

Mỗi bài trong đề thi gồm 3 phần: Phần đầu bài toán, phần ghi cách giải

và phần ghi kết quả (Phần đầu bài là một bài toán tự luận của bộ môn được

in sẵn trong đề thi Phần ghi cách giải: yêu cầu thí sinh lược ghi tóm tắt cách giải bằng chữ và biểu thức cần tính toán kết quả Phần kết quả: ghi đáp số của bài toán)

* Hướng dẫn cách làm bài và tính điểm

Để giải một bài toán Vật lí, thí sinh phải ghi tương ứng tóm tắt cách giải

và đáp số vào phần “Cách giải” và phần “Kết quả” có sẵn trong đề thi

Mỗi bài toán được chấm điểm theo thang điểm 5 Phân bố điểm như sau: Phần cách giải 2,5 điểm và phần tính toán ra kết quả chính xác tới 4 chữ

số thập phân 2,5 điểm Điểm của một bài toán bằng tổng điểm của 2 phần trên

Điểm của bài thi là tổng điểm thí sinh làm được (không vi phạm qui chế thi) của 6 bài toán trong bài thi

Trong quá trình giảng dạy học sinh dự thi các kỳ thi “Giải các bài toán Vật lí trên máy tính cầm tay”, tôi đã hệ thống được một số nội dung giúp cho việc dạy của thầy và học của học sinh có cách nhìn tổng quát về môn học này

Do đề tài được biên soạn trong thời gian ngắn nên tôi chỉ trình bày nội dung của phần 2 : “Nhiệt hoc” trong chương trình vật lý phổ thông Rất mong được sự góp ý của quí thầy cô và các bạn đồng nghiệp để đề tài được hoàn thiện hơn

B NỘI DUNG

I Cơ sở lí luận:

Do nhu cầu đổi mới phương pháp dạy học, đổi mới cách ra đề thi về Máy tính cầm tay casio, do đó tài liệu cho các em ôn tập, luyện các đề thi là rất cần thiết

II.Cơ sở thực tế:

Thực tế giảng dạy trường THPT Võ Văn Kiệt có nhiều đối tượng nên việc hướng dẫn các em vận dụng kiến thức vật lí vào máy tính cầm tay cũng tùy vào từng đối tượng, ở những mức độ khác nhau…Ở chuyên đề này, người viết chỉ tập trung đối tượng HSG vận dụng kiến thức vật lí khi làm bài thi học sinh giỏi

III Nội dung đề tài:

1 Những chú ý khi vận dụng giải các bài toán Vật lí trên máy tính cầm tay.

- Ghi vắn tắt cách giải bài toán và kết quả tính bằng chữ trong phần

“Cách giải”

- Trong quá trình tính toán, khi cần lấy kết quả cho phép tính tiếp theo thì làm tròn đến 4 chữ số thập phân

- Sử dụng các hằng số vật lí được cài đặt sẵn trong máy tính để tính toán

- Ghi kết quả của bài toán làm tròn đến 4 chữ số thập phân cả đơn vị vào phần “Kết quả”

2 Nguyên tắc làm tròn số ở kết quả bài toán hoặc lấy kết quả cho phép tính sau.

- Làm tròn sau dấu phảy 4 số

- Từ 0,5 trở lên thì làm tròn lên 1 Còn < 0,5 thì làm tròn xuống 0

Ví dụ:

* Nếu tính được vận tốc là 15,44565…m/s thì KQ: 15,4457m/

s

* Nếu tính được vận tốc là 15,445645…m/s thì KQ:

15,4456m/s

3 Một số thao tác ấn phím.

Đối với máy tính FX 570MS:

* Gọi hằng số vật lý

1 Gia tốc trọng trường(gia tốc rơi tự do)g: CONST 35

2 Hằng số hấp dẫn G: CONST 39

3 Hằng số π: Shift + EXP

* Đổi từ đơn vị này sang đơn vị khác

1 Đổi từ km/h sang m/s: Shift + CONST 19

2 Đổi từ km sang dặm(mile): Shift + CONST 08

3 Đổi từ dặm(mile) sang km : Shift + CONST 07

* Các biến nhớ: các biến nhớ (từ A đến F, M, X và Y) dùng để gán

dữ liệu, hằng số, kết quả và các giá trị khác

Ví dụ: gán số 50,123456 vào biến A

Bấm Shift Mode 3 = AC 50.123456 Shift STO A

4 Các ví dụ minh họa cách giải và ghi vào bản đề thi.

4.1 Phương trình trạng thái khí lý tưởng

1 Định luật Bôilơ- Mariốt

Nếu T=const thì P.V=const

2 Định luật Charles

3 Phương trình trạng thái khí lý tưởng:

Từ hai định luật nói trên ta suy ra Phương trình trạng thái khí lý tưởng:

.

PV

T =const

4 Định nghĩa khí lý tưởng: khí lý tưởng là chất khí mà các thông số P,V,T tuân theo đúng phương trình trạng thái Nói cách khác khí lý tưởng là khí đúng cả hai định luật Bôilơ-Mariôt và Charles

5 Định luật Đantôn:

Áp suất của một hổn hợp khí bằng tổng các áp suất riêng từng phần của từng chất khí có trong hổn hợp:

P = P 1 + P 2 +… + P n

6 Phương trình Menđêleep-Claperon

T =const vế phải đối với

một mol khí ký hiệu là R gọi là hằng số của chất khí Ta có ở

một mol khí có V=22,4l Trong hệ đơn vị SI ta có:

R = P P

V = 1, 013.10 22, 4.105 3

273



=8310J/mol.K=8,31J/Kmol.K

 ).RT

m

 =

A

N

A

R

N T Đặt N

V = n là số phân tử trong một đơn vị thể tích ta có P=n.KT với K=

A

R

Áp suất phụ: Càng lên cao áp suất càng giảm, càng xuống thấp áp suất càng tăng.Trên hình vẽ ta có:

P A = P 0 – Dgh A và P B = P 0 + Dgh B

thì ta dùng công thức trên

cao đo bằng mm

P B = P 0 - h

d và P B = P 0 + h

d Trong đó d là khối lượng riêng của

thuỷ ngân

PA

PB

lượng chất khí không đổi, không có sự biến đổi hoá học

lượng được bảo toàn, đại lượng biến đổi từ đó người làm bài tập

sẽ xác định được cần áp dụng định luật nào, công thức nào

lý tưởng thì ta dựa vào đồ thị áp dụng các định luật thực nghiệm

để xác định các thông số: P,V,T Từ đó ta vẽ được đồ thị biểu diễn các quá trình trên trục toạ độ khác

1at Dùng một cái bơm không khí có áp suất 1at đưa vào quả bóng mỗi

áp

suất bên trong quả bóng là bao nhiêu? Cho rằng lúc bơm nhiệt độ không đổi

trước và sau khi bơm quả bóng

Do nhiệt độ không đổi nên ta áp dụng định luật

Bôilơ-Mariốt

P 1 V 1 =P 2 V 2

P 2 = 1 1

2

PV

V

một bánh xe đạp sao cho khi áp lực của bánh xe lên đường là 350N thì

nhiệt độ không đổi

a Tính số lần phải bơm

xe thì cần bao nhiêu lần.

Ta xét áp suất của bánh xe sau khi bơm

P 2 =P 0 +P ’

Trong đó áp suất do áp lực của bánh xe lên

đường

P ’ = F

S =0,7.10 5 Pa  P 2 =1,7.10 5 Pa>P 0

Do đó thể tích bánh xe sau khi bơm là

a n=10 lần

b n=19 lần.

Gợi ý cách giải Kết quả

P1.V1=P2.V2

Thay số vào ta có n=10 lần

thì lập luận tương tự ta được n=19 lần

BÀI 3 Một pitông có trọng lượng không đáng kể ở vị trí cân bằng trong một bình hình trụ kín Phía trên và phía dưới pitông có khí,

khối lượng và nhiệt độ ở trên và ở dưới như nhau Ở nhiệt độ T thể tích ở phần trên gấp 3 lần thể tích ở phần dưới Nếu tăng nhiệt độ lên 2T thì tỷ

số hai thể tích ấy là bao nhiêu?

trọng lực của pitông

Vì khối lượng khí ở trên pitông và ở dưới

pitông là như nhau nên ta có phương trình





pitông, P là áp suất ở nhiệt độ 2T khi đó áp

Phương trình trạng thái cho khí ở trên pitông

0 3 0 6 0 0

.

2

T

T

PV

V

T  T   P

Phương trình trạng thái cho khí ở pitông

0

D

D

P P V P V P V

V





Chú ý rằng thể tích của xy lanh là không đổi

ngăn dưới vào ta có phương trình bậc hai

P 2 -P 0 P+3P 0 2 =0 giải phương trình bậc hai ta

có nghiệm:

P= 0 13 0

2

P  P

P= 0 13 0

2

P  P

loại bỏ nghiệm âm

0

2 1,87

T D

P P V



Gợi ý cách giải Kết quả

Thay vào tỷ số 2 thể tích 2 ngăn ta được

0

2 1,87

T

D

P P V



ngăn không khí ở hai bên ống Nếu nhiệt độ một bình là tC, bình kia là -tC thì giọt thuỷ ngân dịch chuyển 10cm Tính nhiệt độ tC

0

36 29

P

P 

BÀI 6 Một bình kín hình trụ đặt thẳng đứng được chia thành hai phần bằng một pitông nặng cách nhiệt ngăn dưới chứa 1mol, ngăn trên chứa 3mol của cùng một chất khí Nếu nhiệt độ hai ngăn bằng

nhau?

BÀI 7 Hình dưới là sơ đồ nén không khí vào bình có thể tích V bằng bơm

có thể tích v Khi pitông đi sang bên phải thì van A đóng không cho không khí thoát ra khỏi bình đồng thời van B mở

V 2 1

B B

Cho không khí đi vào xi lanh Khi pitông đi sang bên trái thì van B đóng, van A mở pitông nén không khí đi vào bình

b Bố trí lại van như hình b thì có thể hút không khí trong bình Ban

c

P P r

.

C K

P P V n

P v



trong bình và áp suất cuối cùng

b

n

V v r

V



V(l)

10

3

BÀI 9 Một thùng kín cao 3m chứa đầy nước Ở đáy thùng có hai bọt khí

a.Áp suất này có giá trị bao nhiêu nếu cả hai bọt khí đi lên sát mặt thoáng b.Nếu một bọt khí đi lên sát nắp còn bọt kia vẫn ở lại đáy bình Lấy g=10m/

s2

Áp dụng định luật Bôimariốt cho hai bọt khí rút ra phương trình bậc hai

2

1 0 2

P  P Dgh P P  lấy nghiệm dương P1=16,6Kpa

4.2 Nguyên lý của nhiệt động lực học áp dụng vào các quá trình:

1 Công và nhiệt lượng :

V là độ biến thi thể tích

V > 0 chất khí nhận công

+ Nhiệt lượng : Q là nhiệt lượng vật thu vào hay mất đi được tính bằng Jun hoặc calo

- Phương trình cân bằng nhiệt

- Nhiệt hoá hơi Q = Lm ( L nhiệt lượng hoá hơi )

- Nhiệt đốt cháy Q = mq ( q năng suất toả nhiệt )

2 Nội năng :

- Nội năng của một vật là dạng năng lượng bao gồm động năng của chuyển động hỗn độn các phân tử tạo nên vật và thế năng tương tác giữa chúng

Kí hiệu U , U phụ thuộc vào( V & T)

- Có hai cách biến đổi nội năng , đó là : Thực hiện công & Truyền nhiệt

3 Nguyên lý thứ nhất NĐLH :

giảm

Q > 0 vật nhận nhiệt lượng

 ÁP DỤNG CHO CÁC QÚA TRÌNH BIẾN ĐỔI TRẠNG THÁI :

dung mol đẳng tích )

b./ Qúa trình đẳng áp : là quá trình có á p suất không đổi P = const , A =

2

i

R ( i là số bậc tự do )

P2

P1

1

V

có độ lớn bằng diện tích phần gạch chéo trên hình

d./ Quá trình đoạn nhiệt : hệ không trao đổi nhiệt từ bên ngoài Q = 0 công

v

C C

e./ Chu trình : là một quá trình thực hiện các trạng thaí khép kín có nội

trình

4 Động cơ nhiệt : Động cơ nhiệt hoạt động nhờ lặp đi lặp lại chu trình giản và nén khí :

- Nguyên tắc hoạt động : tác nhân nhận nguồn nóng nhiệt lượng Q1 truyền

Q Q A



2 1

A Q Q

+ Nguyên tắc nâng cao hiệu suất : hiệu suất cực đại của động cơ nhiệt

1

T T

T



trình

i Phương pháp giải các bài tập

+ Khi làm bài toán có liên quan đến sự thu và toả nhiệt ta cần xác định vào vật nào thu nhiệt vật nào toả nhiệt ( căn cứ vào nhiệt độ ) áp dụng phương trình cân bằng nhiệt cần lưu ý nhiệt lượng mất mát

+ Khi làm bài toán về độ biến thiên nội năng và nguyên lý thứ nhất cần xác định rỏ dấu của các đại lượng A , Q đặc biệt là dấu của A Khi hệ

Với A là công khí thực hiện , Q là nhiệt lượng truyền cho khí trong một

công A là diện tích giới hạn

+ Khi làm bài toán về động cơ nhiệt , máy làm lạnh cần áp dụng định nghĩa hiệu suất ( Ta chỉ xét hiệu suất lý tưởng )

BÀI TẬP VÍ DỤ :

Bài 10 : Một hòn bi khối lượng 100g rơi từ độ cao 50m xuống va chạm mềm với mặt đất Tính độ tăng động năng và độ tăng nhiệt độ của hòn

bi khi chạm đất , nếu 50% độ tăng nội năng biến thành nhiệt làm nóng

Ta xét hệ gồm viên bi đất và không khí Theo

=0

Khi vật rơi từ một độ cao h xuống mặt đất thì

tăng

năng biến thành nhiệt nên U.50% = m.c.t ,với t

độ tăng nhiệt độ của viên bi khi chạm đất

t =1,9 C

Gợi ý cách giải Kết quả

1,9 130

gh

C

Hảy tính :

a./ Công do khí thực hiện

b./ Nhiệt lượng truyền cho khối khí

c./ Độ biến thiên nội năng của khí

a./ Công do khí thực hiện được :

Theo phương trình Menđêleep-Clapêrơng ta có:

 RT1 = 2,6.8,31.800

b./ Nhiệt lượng truyền cho khối khí :

tính T từ định luật Gay-luytxắc

V T  V      

c./ Độ biến thiên nội năng của khí : Áp dụng

a,A= 3241J

b,Q= 11154 J

U=7913 j

Bài 12 : Một động cơ lý tưởng nhận nhiệt từ nguồn nóng một nhiệt

100 C Tính hiệu suất cực đại của động cơ và nhiệt lượng toả ra cho nguồn lạnh.

Đối với động cơ nhiệt lý tưởng thì hiệu suất l :

1

T T

T



Q= 28,7 kJ

Gợi ý cách giải Kết quả





%

Nhiệt lượng toả ra cho nguồn lạnh :

1

Q Q Q



Bài 13 : Một mol khí lý tưởng đơn nguyên tử thực hiện chu trình kín

Biết rằng 1-2 đẳng áp , 2-3 đẳng tích , 3-1 áp suất phụ thuộc tuyến tính

1

5 2

V

nhận được trong từng phần của chu trình mà nhiệt độ tăng Tính hiệu suất chu trình 1-2-3

Nhiệt độ của khí tăng trong quá trình 1-3 , và một

phần trong quá trình 3-1 Ta tính nhiệt lượng

trên từng phần của các qúa trình

1 1

,

T V

2

2-1)T1=15

4 RT1

+ Qúa trình 3-1 : Phương trình đường thẳng

trong (P,V) nên đi qua điểm 3,1 ta có

P

1

P

P

3

1

2

3

V V

2

0

4

V

1

Gợi ý cách giải Kết quả

3 1 3 3 1 1 3 1

P P P P PV PV

P P

V V V V V V V V



5P1, V3=V2=5

2V1

1

1 1

P

V



R



Thay vào P

1 1

P

V R R



khảo sát sự biến đổi của T theo V ( toạ độ

đỉnh

2

b

a



,

4a

 

) Ta tính được V 4 =7

4V 1 , T 4 =49

40

T 1 Vì vậy nhiệt lượng mà khí nhận được là

2( P3 + P4 )( V4 –V3

80



40



nhả nhiệt trong qu trình 3-4 nhưng nhiệt độ vẫn

tăng Vậy trong cả chu trình thì khí chỉ nhận

nhiệt lượng từ quá trình 1-2 Hiệu suất chu

trình ç =

12

A

Q ,

20



trình l

 = 3

ii Bài tập tương tự

lần khi áp suất không thay đổi Hảy tìm :

a./ Công mà khí đã thực hiện

b./ Nhiệt lượng đã truyền cho khí

c./ Độ biến thiên nội năng của khí

ĐS : A=32,4 KJ , Q=111,54 KJ , U = 79,14 KJ

Bi 15 : Một bình kín chứa 2 g khí H2 ở p suất P1 = 1at v nhiệt độ t1=270C

mặt khác U = Q = 66420KJ

Bài 16 : Một động cơ nhiệt lý tưởng hoạt động giữa hai nguồn nhiệt có

a./ Tính hiệu suất của động cơ , nhiệt lượng mà nó nhận được từ nguồn

nóng và nhiệt lượng nó truyền cho nguồn lạnh

b./ Phải tăng nhiệt độ của nguồn nóng lên bao nhiêu để hiệu suất của động

cơ đạt 25%

HD : Hiệu suất :

Bi 17 : Một chất khí lý tưởng đơn nguyên tử diễn ra trên một chu trình kín

Tìm hiệu suất chu trình

HD : Làm giống Bài 21 có ĐS : 16,5%

Bài 18 : Một máy làm đá hoạt động theo chu trình cacnơ ngược , người ta dùng động cơ nhiệt để chạy máy , và khi ấy máy hút nhiệt ở nguồn lạnh

80 % Nhiệt nóng chảy của nước đá là 344J/g

1 2 0 1

' ' ' 1 2 0

' 1

1

20

25

1

T T H

T A

Q Q Q A KJ H

T T H

T T

H







P

B

P

P

A

B

C

V V

C

0

A

V

B

HD : Hiệu suất chu trình cacnơ thuận H

W = 120,7KJ

C KẾT LUẬN

I Hiệu quả đề tài :

Qua thực tế giảng dạy của ba năm học tôi nhận thấy có kết quả rát đáng khích lệ :

+ Đạt 6 giải HSG vòng tỉnh , 1 giải khuyến kích vòng quốc gia

II Kết luận:

Trong quá trình giải bài toán vật lý trên máy tính cầm tay – phần Nhiệt học – khi ghi vắn tắt cách giải bài toán muốn kết quả chính xác cần:

+ Điều chỉnh cách viết biểu thức số mà ta cần tính toán cho phù hợp với tính năng của máy tính, nghĩa là đòi hỏi một quá trình suy nghĩ cân nhắc thận trọng cách viết, về thứ tự ưu tiên của các phép tính và về vai trò của dấu ngoặc

+ Các kết quả của phép toán cần được gán vào các phím nhớ Nếu phép tính cuối cùng của bài toán có sử dụng kết quả của các phép toán trước đó thì gọi các phím nhớ vào phép tính toán

+ Khi giải phương trình bậc hai thì kết quả được ghi nhận làm tròn đến bốn chữ số thập phân theo đơn vị bài toán Kết quả này được sử dụng cho các phép tính tiếp theo của bài toán

+ Khi giải hệ phương trình hai ẩn thì kết quả phải được ghi nhận dưới dạng phân số để sử dụng cho phần tính toán tiếp theo

Tôi hi vọng với những trang đề tài trên có thể giúp cho các bạn đồng nghiệp và học sinh trong việc làm quen với cách giải toán vật lý trên máy tính cầm tay trong các vòng thi cấp tỉnh và khu vực

Trong quá trình thực hiện chuyên đề, tuy có nhiều cố gắng trong việc chỉnh sửa nhưng chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong được

sự đóng góp của quí thầy cô và các bạn đồng nghiệp để đề tài được hoàn thành hoàn thiện hơn