Nghiên cứu nội dung kiến thức trong sách giáo khoa vật lý phổ thông chất rắn và chất lỏng sự chuyển thể

Nghiên cứu nội dung kiến thức trong sách giáo khoa vật lý phổ thông chất rắn và chất lỏng sự chuyển thể

TIỂU LUẬN MÔN HỌC NGHIÊN CỨU CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ PHỔ THÔNG 1

Đề tài

NGHIÊN CỨU NỘI DUNG KIẾN THỨC

TRONG SÁCH GIÁO KHOA VẬT LÝ PHỔ THÔNG

CHẤT RẮN VÀ CHẤT LỎNG SỰ CHUYỂN THỂ

Giảng viên hướng dẫn Học viên thực hiện

PGS TS Lê Công Triêm

Huế, năm 2010

MỤC LỤC

A MỞ ĐẦU 3

B NỘI DUNG 4

II CHUẨN KIẾN THỨC, KĨ NĂNG CỦA CHƯƠNG TRÌNH 4

II PHÂN TÍCH KIẾN THỨC 6

2.3 Hiện tượng căng mặt ngoài 15

2.4 Hiện tượng dính ướt và không dính ướt 16

2.5 Hiện tượng mao dẫn 17

3 Sự chuyển thể của các chất 18

3.1 Biến đổi pha 18

3.1.1 Biến đổi pha loại 1 18

3.1.2 Biến đổi pha loại 2 18

3.2 Sự nóng chảy và sự đông đặc 18

3.2.1 Nhiệt độ nóng chảy 18

3.2.2 Nhiệt nóng chảy riêng 19

3.2.3 Sự biến đổi thể tích riêng khi chuyển thể 19

3.2.4 Sự đông đặc 19

3.2.5 Ứng dụng 19

3.3 Sự hóa hơi và sự ngưng tụ 20

3.3.1 Sự hóa hơi 20

3.3.2 Nhiệt hóa hơi 20

3.3.3 Hơi bão hòa 20

A MỞ ĐẦU

Nghiên cứu chương trình môn Vật lí THPT là môn học không thể thiếu đối vớihọc viên cao học và sinh viên ngành sư phạm Vật lí Qua môn học, các học viên vàsinh viên nắm được cấu trúc nội dung kiến thức chương trình, cơ sở và cách hìnhthành các đơn vị kiến thức đó Từ đó, trong giảng dạy sẽ tìm được phương pháp dạyhọc đem lại hiệu quả cao nhất, học sinh hứng thú học tập và yêu thích môn Vật lí hơn.Chương trình môn Vật lý 10 nâng cao gồm hai phần : Cơ học và Nhiệt học Phần

cơ học nghiên cứu các chuyển động cơ, các định luật cơ bản của chuyển động cơ Phầnnhiệt học nghiên cứu các trạng thái của các vật thể cấu tạo bởi các phân tử, nghiên cứu

sự trao đổi năng lượng giữa các vật thể trong quá trình biến đổi

Trong khuôn khổ tiểu luận môn học “Nghiên cứu chương trình 1 - Vật líTHPT” dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Lê Công Triêm, chúng tôi chọn “Phân tích

kiến thức chương Chất rắn và chất lỏng.Sự chuyển thể, Vật lí 10 nâng cao”

Đây cũng là dịp để bản thân tôi có điều kiện tìm hiểu sâu hơn về kiến thức cũngnhư làm cơ sở cho việc giảng dạy vật lý ở trường phổ thông sau này

B NỘI DUNG

I MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG

-Khảo sát đặc tính, cấu trúc, chuyển động nhiệt, một số tính chất vi mô và vĩ môcủa chất rắn và chất lỏng

-Sự chuyển thể của các chất

-Độ ẩm của không khí và tác động của độ ẩm không khí với cuộc sống và sức khỏe của con người

II CHUẨN KIẾN THỨC, KĨ NĂNG CỦA CHƯƠNG TRÌNH

Nhìn chung, mục tiêu chung về kiến thức và kỹ năng của chương tập trung chủ yếu vào các vấn đề sau:

- Tìm hiểu nội dung của các thuyết động học phân tử chất khí.

- Tìm hiểu các định nghĩa về chất rắn lỏng, khí, sự chuyển pha, sự biến dạng, độ ẩm tuyệt đối, độ ẩm tỉ đối…

- Nghiên cứu và giải thích các hiện tượng bề mặt của chất lỏng, sự dính ướt và không dính ướt, hiện tượng mao dẫn…

- Phát biểu được nội dung, viết được biểu thức của định luật Húc và vận dụng để giải thích một số hiện tượng và giải một số bài toán liên quan.

Cụ thể, chuẩn kiến thức kĩ năng của chương là:

Viết được các công thức nở dài và nở khối

Nêu được ý nghĩa của sự nở dài, sự nở khối của vật rắn trong đời sống và kĩ thuật

Mô tả được thí nghiệm về hiện tượng căng bề mặt

Mô tả được thí nghiệm về hiện tượng dính ướt

và không dính ướt

Mô tả được hình dạng mặt thoáng của chất lỏng ở sát thành bình trong trường hợp chất lỏng dính ướt và không dính ướt

Mô tả được thí nghiệm về hiện tượng mao dẫn

Kể được một số ứng dụng về hiện tượng mao dẫn trong đời sống và kĩ thuật

Viết được công thức tính nhiệt nóng chảy của vật rắn Q = m

Phân biệt được hơi khô và hơi bão hoà

Viết được công thức tính nhiệt hoá hơi Q =

 là nhiệt nóng chảy riêng

L là nhiệt hoá hơi riêng

Giải thích được quá trình bay hơi và ngưng tụ dựa trên chuyển động nhiệt của phân tử.

Giải thích được trạng thái hơi bão hoà dựa trên

sự cân bằng động giữa bay hơi và ngưng tụ

Xác định được hệ số căng bề mặt bằng thí nghiệm

II PHÂN TÍCH KIẾN THỨC

Xét về cấu trúc, chất rắn được chia làm hai loại : chất rắn kết tinh (tinh thể) vàchất rắn vô định hình

Ngoài ra, chất rắn được chia theo tính dẫn điện có: chất dẫn điện, chất bán dẫn,chất cách điện (điện môi)

Chất rắnChất rắn kết tinh Chất rắn vô định hình

Xét về cấu trúc bên trong thì các hạt được phân bố theo một trật tự, tuần hoàntrong toàn bộ không gian tinh thể gọi là mạng tinh thể.

Nếu không xét đến dao động nhiệt của các hạt thì ta coi như các hạt nằm ở cácnút mạng Các nút liên kết với nhau thành đường thẳng gọi là hàng mạng Các nútmạng nằm trên một mặt phẳng tạo thành một mặt mạng Các mặt mạng cắt nhau tạothành các hình hộp đồng nhất gọi là ô mạng Ô mạng nhỏ nhất phản ánh được cấu trúccủa tinh thể gọi là ô cơ sở Ô cơ sở được xác định bởi ba vectơ a, b, c ứng với bacạnh hình hộp và các góc giữa các vectơ Các đại lượng đó gọi là các hằng số mạng

1.2.2 Phân loại mạng tinh thể

Cuối thế kỷ XIX, nhà tinh thể học người Pháp Bravais (1811-1863) đã tìm cáchphân loại tinh thể và chứng minh được về cơ bản có 14 loại mạng tương ứng 14 loại ô

cơ sở Căn cứ vào tính chất đối xứng của các loại mạng không gian ông chia chúngthành 7 hệ : tam tà, đơn tà, thoi, tứ giác, tam giác, lục giác và lập phương

Lực liên kết trong tinh thể được xem là lực tương tác tĩnh điện giữa electron,ion âm và hạt nhân nguyên tử Trong mỗi trường hợp khác nhau, lực này có thể là lựcVanđevanxơ, lực liên kết cộng hóa trị, lực liên kết ion, lực liên kết kim loại…

Tam tà Đơn tà đơn giản Đơn tà tâm đáy

Thoi đơn giản Thoi tâm đáy Thoi tâm khối Thoi tâm mặt

Căn cứ vào dạng liên kết, chất rắn được phân thành : tinh thể ion, tinh thể cộnghóa trị, tinh thể kim loại, tinh thể, phân tử, tinh thể liên kết hiđro…

Tinh thể ion được hình thành từ các ion dương và ion âm Bản chất lực liên kết

là lực tương tác tĩnh điện giữa các ion mang điện trái dấu Ví dụ, tinh thể muối ănNaCl có dạng khối lập phương Các tinh thể ion dẫn điện kém ở nhiệt độ thấp và dẫnđiện tốt ở nhiệt độ cao Chúng hấp thụ mạnh các bức xạ trong dải hồng ngoại

Ví dụ: tinh thể muối ăn NaCl

Ví dụ: tinh thể phèn chua có dạng khối 8 mặt

Tinh thể cộng hóa trị được tạo thành từ các cặp electron có spin đối song Tinh

thể kim cương là tinh thể có liên kết cộng hóa trị Lực liên kết trong tinh thể loại là lựctương tác trao đổi Tinh thể loại này có độ cứng cao và dẫn điện kém ở nhiệt độ thấp

Tinh thể kim loại chứa các electron không định xứ ở các nguyên tử mà phân bố

trong tinh thể gọi là các electron tự do, chúng tạo thành các đám mây electron trongtinh thể Chính tương tác giữa đám mây electron mang điện âm với các ion mang điệndương được sắp xếp đều đặn tạo nên lực liên kết giữa các nguyên tử Các tinh thể nàydẫn điện, dẫn nhiệt tốt và có độ dẻo cao

Tinh thể khí trơ và tinh thể phân tử

Lục giác Tam giác Tứ giác Tứ giác tâm khối

Lập phương Lập phương tâm khối Lập phương tâm mặt

Tinh thể khí trơ được cấu tạo từ các nguyên tử khí trơ Các nguyên tử này cólớp electron ngoài cùng hoàn toàn đầy Ở nguyên tử tự do, phân bố electron có dạngđối xứng cầu Lực liên kết của trong tinh thể là lực Van-đe-vanxơ (đó là lực tương tácgiữa các nguyên tử trung hòa có tác dụng ở khoảng cách lớn) Lực Van-đe-vanxơ cũng

là lực chủ yếu trong các tinh thể phân tử (tinh thể mà ở các nút mạng có các phân tửtrung hòa) Ví dụ như H, Cl, CO2… khi hóa rắn tạo thành tinh thể phân tử Tinh thểkhí trơ và tinh thể phân tử có nhiệt độ nóng chảy thấp và dễ bị nén

Tinh thể có liên kết hiđro

Nguyên tử hiđro trung hòa có một electron Trong một số trường hợp, nguyên

tử hiđro có thể liên kết bằng một lực hút đáng kể với hai nguyên tử khác tạo thành liênkết hiđro giữa chúng Nó liên kết được vì electron của nguyên tử hiđro liên kết với mộtnguyên tử còn proton thì liên kết với nguyên tử thứ hai nên kết quả là hiđro liên kếtvới hai nguyên tử Liên kết này tồn tại trong các hợp chất có chứa hiđro cùng với cácnguyên tố á kim như F, O, N tạo nên sự kết hợp phân tử, sự polime hóa…

1.2.3 Các đặc điểm của tinh thể

1.2.3.1 Tính dị hướng

Các tính chất vật lý của tinh thể như tính cơ học, tính dẫn nhiệt, dẫn điện, sựkhúc xạ ánh sáng… theo các phương khác nhau ở vật đó là không giống nhau, ta nóitinh thể có tính tính dị hướng Ví dụ như tinh thể than chì (graphit)

1.2.3.2 Chất đơn tinh thể và đa tinh thể

Vật rắn được cấu tạo từ một loại tinh thể gọi là vật rắn đơn tinh thể Ví dụ nhưmuối, thạch anh…

Các chất đơn tinh thể có nhiều ứng dụng trong đời sống và khoa học công nghệ.Kim cương là chất rắn đơn tinh thể rắn nhất hiện nay nên được dùng làm mũi khoanđịa chất, đá mài dao điện làm bằng hợp kim rất cứng v.v… Các chất đơn tinh khiếtgemani và silic dùng cho chế tạo linh kiện bán dẫn có vai trò cực kỳ quan trọng trongviệc chế tạo linh kiện điện điện tử

Vật rắn gồm nhiều tinh thể liên kết hỗn độn với nhau gọi là vật rắn đa tinh thể

Ví dụ như các kim loại…

1.2.3.3 Chuyển động nhiệt trong tinh thể

Các nút mạng dao động quanh vị trí cân bằng của chúng, ta gọi dao động đó làdao động nhiệt Giữa các hạt có lực liên kết nên tinh thể là một hệ các dao động tử liênkết Do có những sai hỏng mạng nên trong tinh thể có những nút trống do đó khi daođộng các hạt có thể dời chỗ

số hạt gần nhau thì chúng cũng phân bố theo một

trật tự nào đó, song trật tự này không lan rộng ra

cho thể tích lớn hay toàn vật Ví dụ như: thủy tinh,

nhựa thông, hắc ín,…

Các vật rắn vô định hình có tính đẳng

hướng, tức là tính chất vật lý của chúng giống

nhau theo mọi phương Căn cứ vào cấu trúc bên

trong người ta coi vật rắn vô định hình như khối lỏng có độ nhớt lớn đến mức mất khảnăng chảy và có thể giữ nguyên hình dạng hoặc coi chúng là một khối lỏng quá lạnh bịđông cứng Vật rắn vô định hình không có nhiệt độ nóng chảy xác định

Một số chất như lưu huỳnh, thạch anh, đường có thể tồn tại ở cả dạng tinh thểvừa ở dạng vô định hình Dạng vô định hình của chất rắn kém bền hơn dạng tinh thểbởi vì ở dạng vô định hình thế năng tương tác giữa các hạt lớn hơn ở dạng tinh thể Vìvậy khi để lâu, một số chất vô định hình có thể tự chuyển sang dạng tinh thể

1.4 Biến dạng của vật rắn

Khi các yếu tố bên ngoài tác dụng vào vật rắn làm cho kích thước và hình dạngcủa nó thay đổi, ta nói vật rắn bị biến dạng Sự biến dạng của vật rắn được phân thànhhai loại là: biến dạng cơ và biến dạng nhiệt

1.4.1 Biến dạng cơ

Biến dạng cơ của vật rắn là biến dạng khi vật chịu tác dụng của ngoại lực, làmkhoảng cách giữa các phần tử của nó thay đổi Hệ lực liên kết nội tại của các phần tửcũng thay đổi theo, có xu hướng chống lại biến dạng do ngoại lực gây ra

1.4.1.1 Biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo

Xét vật rắn bị biến dạng dưới tác dụng của ngoại lực

Mô hình chất rắn vô định hình

- Nếu thôi tác dụng lực mà vật lấy lại được hình dạng và kích thước ban đầu thìbiến dạng đó được gọi là biến dạng đàn hồi

- Nếu thôi tác dụng lực mà vật không lấy lại được hình dạng và kích thước ban đầuthì biến dạng đó được gọi là biến dạng dẻo

Những vật đàn hồi bị biến dạng quá mức, vượt quá một giới hạn nào đó, thì biếndạng không còn là đàn hồi mà trở thành biến dạng dẻo

Trong biến dạng đàn hồi có thể phân làm nhiều loại biến dạng: kéo, nén, lệch (cắt), xoắn, uốn,…

1.4.1.2 Biến dạng kéo và biến dạng nén

Nhà vật lý người Anh là Robert Hooke (1635-1703) bằng thực nghiệm đã thiếtlập định luật về biến dạng đàn hồi, gọi là định luật Húc

Chọn một thanh thép có tiết diện S và chiều dài ban đầu l0 Giữ cố định một đầuthanh thép và kéo (hoặc nén) dầu kia một lực F làm thanh dài ra một đoạn

Trong giới hạn những biến dạng nhỏ (đoạn OA) độ dãn

là hệ số đàn hồi hay độ cứng của thanh

* Giải thích cơ chế vi mô của biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo như sau:

Bình thường trong mạng tinh thể vật rắn, những lực hút F h và l đựcẩy F đ giữacác hạt cân bằng nhau Khi mạng tinh thể ion bị bị nén chẳng hạn thì khoảng cách giữacác ion giảm Khi đó lực đẩy giữa các ion lớn hơn lực hút nên lực tổng hợp F là lựcđẩy và có tác dụng chống lại ngoại lực F n tác dụng lên ion

gây nên biến dạng Các ion sẽ nằm ở vị trí cân bằng mới

dưới tác dụng của lực tổng hợp Biến dạng càng mạnh, các

ion bị lệch khỏi vị trí cân bằng ban đầu càng nhiều và lực

tổng hợp càng lớn Trong giới hạn đàn hồi, sự thay đổi

khoảng cách giữa các ion trong mạng tinh thể chưa đủ để

phá hủy sự cân bằng giữa ngoại lực tổng hợp của các ion

với ngoại lực Vì vậy các ion vẫn dao động quanh vị trí cân bằng mới Khi ngoại lựcngừng tác dụng, lực tổng hợp đẩy các ion về vị trí cân bằng cũ nên mạng tinh thể phụchồi lại như ban đầu Nếu mạng tinh thể bị nén mạnh, các ion mạng của nó bị thay đổihình dạng đến mức phá vỡ sự liên kết cân bằng giữa các ion Khi đó, các ô mạng bịdịch chuyển những khoảng bằng bội số nguyên lần của hằng số mạng và tới trùngkhớp với ô mạng khác nên chúng không trở lại vị trí ban đầu được nữa Khi đó biếndạng của vật trở thành biến dạng dẻo

1.4.1.3 Biến dạng lệch (hay biến dạng truợt)

Biến dạng lệch là biến dạng mà ở đó có sự lệch đi giữa các lớp vật rắn đối vớinhau Biến dạng lệch còn được gọi là biến dạng trượt hay biến dạng cắt

Trong trường hợp biến dạng lệch thì lực F tác dụng song song trên toàn mặt S,khi đó ứng suất pháp tuyến thay bằng ứng suất tiếp tuyến t

F S

  và độ biến dạng tỉđối được xác định : AA' tan

OA   , với góc  bé thì tan  , được gọi là góc lệch

Áp dụng định luật Húc cho biến dạng lệch: Trong biến dạng đàn hồi lệch, góc

lệch tỉ lệ với ứng suất tiếp tuyến Do đó 1 t

G

   hay t G , ở đây G là hệ số tỉ lệ

và được gọi là môđun lệch

1.4.1.4 Biến dạng xoắn và uốn

Các biến dạng khác như biến dạng xoắn, biến dạng uốn đều có thể quy về hailoại biến dạng kéo (nén) và biến dạng lệch Ví dụ, biến dạng uốn của một tấm kimloại, được chia nhiều lớp song song, có thể quy về biến dạng kéo của các lớp dưới vàbiến dạng nén của các lớp trên Biến dạng xoắn có thể quy về biến dạng lệch của cáctiết diện của vật bị xoắn

1.4.1.5 Giới hạn bền

Giá trị ứng suất lớn nhất n tại điểm A gọi là giới hạn tỉ lệ Khi ngoại lực tácdụng lên vật rắn tăng tức ứng suất  tăng lớn hơn giá trị n thì định lật Húc không cònđúng nữa, nhưng biến dạng vẫn có tính đàn hồi (đoạn AB) Tới giá trị > đn biếndạng bắt đầu tăng nhanh và mất tính đàn hồi, nó chuyển sang biến dạng không đàn hồinên đn gọi là giới hạn đàn hồi Trong đoạn CD, biến dạng tăng mà không cần tăngứng suất : đó là quá trình biến dạng “chảy” của thanh thép Sau đó, độ dãn tỉ đối tiếptục tăng theo ứng suất  cho đến điểm H, tâị đó  = b Vượt quá giới hạn b thanhthép bị đứt nên giá trị b gọi là giới hạn bền của thanh thép

tác giữa các hạt cấu tạo nên vật rắn Nếu các hạt không

dao động thì khoảng cách giữa chúng là r0 ứng với cực

tiểu của thế năng tương tác Khi các hạt dao động thì

năng lượng toàn phần E1 của chúng được biểu diễn bởi

đoạn thẳng cắt đường cong thế năng tại A và B Do tính

chất không đối xứng của đường cong thế năng Et nên

khoảng cách trung bình giữa các hạt không trùng với r0

mà dịch chuyển sang phải ứng vơi vị trí r1 Khi bị nung

nóng, các hạt dao động mạnh hơn và năng lượng toàn phần của chúng tăng tới giá trị

E2 > E1 biểu diễn bằng đoạn thẳng cắt đường cong thế năng tại C và D Do tính chấtkhông đối xứng của đường cong thế năng mà khoảng cách trung bình giữa các hạt bâygiờ dịch chuyển sang phải ứng với vị trí r2 Như vậy, khoảng cách trung bình giữa cáchạt trong mạng tăng theo nhiệt độ khi vật rắn bị nung nóng Sự dãn nở vì nhiệt đượcphân thành dãn nở dài và dãn nở khối

E

t

OA