PP giải bài tập vật lý cơ bản và nâng cao phần nhiệt học

Sáng kiến kinh nghiệm - Trờng THCS Cộng Hiền - Năm học 2008 - 2009Sáng kiến kinh nghiệm Phơng pháp giảI một số dạng bài tập vật lí cơ bản và nâng cao phần nhiệt học Phần I- Đặt vấn đề I-

Sáng kiến kinh nghiệm - Trờng THCS Cộng Hiền - Năm học 2008 - 2009

Sáng kiến kinh nghiệm

Phơng pháp giảI một số dạng bài tập vật lí cơ bản và nâng

cao phần nhiệt học

Phần I- Đặt vấn đề

I-Lí do chọn đề tài

Bồi dỡng học sinh giỏi là nhiệm vụ then chốt trong mỗi nhà trờng, bởi vì kết quả học sinh giỏi hàng năm là một trong những tiêu chuẩn để xét thi đua cho nhà tròng và nó cũng là một trong những tiêu chuẩn để tạo danh tiếng cho trờng, là thành quả để tạo lòng tin với phụ huynh và là cơ sở tốt để xã hội hoá giáo dục

Nghị quyết trung ơng II khoá VIII đã nêu rõ mục tiêu giáo dục là “Nâng cao chất lợng giáo dục , đổi mới nội dung và phơng pháp , rèn luyện thành nếp t duy sáng tạo của ngời học” Để đạt đợc mục tiêu đó thì ngời thầy phải không ngừng học tập bồi dỡng chuyên môn nghiệp vụ, nâng cao tay nghề và phải tiếp cận với các phơng pháp dạy học hiện đại, phải kết hợp tốt các phơng pháp dạy học nhằn thu hút các em học sinh vào bài giảng, tổ chức điều khiển đẻ các em tích cực chủ

động tự giác học tập tiếp thu kiến thức Từ đó xây dựng lòng yêu thích say mê môn học, bồi dỡng năng lực tự học cho ngời học

Vật lý là môn khoa học thực nghiệm, các sự vật hiện tợng vật lý rất quen thuộc gần gũi với các em Song việc tạo lòng say mê yêu thích và hứng thú tìm tòi kiến thức lại phụ thuộc rất nhiều vào nghiệp vụ s phạm của ngời thầy Qua giảng dạy và tìm hiểu tôi nhận thấy phần lớn các em cha có thói quen vận dụng những kiến thức đã học vào giải bài tập vật lý một cách có hiệu quả

Nhiệt học là một trong bốn phần kiến thức vật lí cơ bản đợc trang bị cho học sinh trung học cơ sở Lợng kiến thức của phần này không nhiều so với các phần khác, bài tập của phần này cũng không quá khó nhng lại gặp thờng xuyên trong các kì thi học sinh giỏi các cấp Song vì các em ít đợc tiếp xúc với bài tập định l-ợng, số giờ bài tập ở lớp 8 lại không có nên việc định hớng giải bài tập nhiệt học rất khó khăn với các em và các em cha có phơng pháp giải

II- Mục đích nghiên cứu đúc rút kinh nghiệm

Xuất phát từ những lý do trên tôi đã suy nghĩ, tìm tòi và đa ra sang kiến:

“Ph-ơng pháp giải một số dạng bài tập vật lí cơ bản và nâng cao phần nhiệt học” với

mong muốn phần nào khắc phục đợc nhợc điểm tìm cách giải bài tập vật lí nhiệt học của học sinh khối 8 và rèn luyện tính tự học cho học sinh khối 9 góp phần hoàn thành mục tiêu giáo dục

III - Kết quả cần đạt

+ Đối với học sinh đại trà khối 8: Biết cách giải các dạng bài tập vật lí nhiệt học cơ bản

+ Đối với học sinh giỏi khối 8: Biết cách giải các dạng bài tập vật lí nhiệt học cơ bản

và nâng cao

+ Đối với học sinh giỏi khối 9: Tự học và giải đợc các dạng bài tập vật lí nhiệt học cơ bản và nâng cao

IV - Đối tợng và phạm vi nghiên cứu

+ Học sinh đại trà khối 8 năm học 2007 - 2008 trờng THCS cộng Hiền

+ Học sinh giỏi khối 8 năm học 2007 - 2008 trờng THCS cộng Hiền

+ Học sinh giỏi khối 9 năm học 2008 - 2009 trờng THCS cộng Hiền

Phần II - Nội dung

I- Cơ sở lí luận của vấn đề nghiên cứu

Bồi dỡng học sinh giỏi và nâng cao chất lợng đại trà là việc làm đợc sự chỉ

đạo từ ban giám hiệu đến việc phân công giao trọng trách và chỉ tiêu cho từng

đồng chí giáo viên đứng lớp Nên kế hoạch bồi dỡng học sinh giỏi cho từng giáo viên, kiểm tra đôn đốc giáo viên qua việc dự giờ thăm lớp rút kinh nghiệm cho từng đồng chí Trong đó chỉ đạo đổi mới phơng pháp nhằm phát huy tính tích cực, chủ động của ngời học là nhiệm vụ cấp bách

Bồi dỡng học sinh giỏi là việc làm thờng xuyên, liên tục và lâu dài Nó đòi hỏi ngời giáo viên không phải chỉ có năng lực, kinh nghiệm mà phải có cả tâm huyết với nghề, yêu nghề, yêu trò, phát hiện và bồi dỡng tạo điều kiện để cho những em

có năng lực tự bộc lộ khả năng một cách tối đa Theo ý kiến của nhièu học giả

đều cho rằng mỗi học sinh đều có mặt mạnh riêng, vì vậy trong dạy học giáo viên cần chú ý đến điểm này thì xẽ nâng cao đợc chất lợng toàn diện

Bồi dỡng học sinh giỏi là công tác đã có nền tảng từ rất lâu Ngày xa ta có tớc

vị trạng nguyên, ngày nay ta có các kì thi học sinh giỏi các cấp, thi học sinh giỏi Olimpic và nớc ta luôn có thành tích cao đáng để các nớc bạn mến phục Tuy nhiên ta phải xác định bồi dỡng học sinh giỏi không phải là học tủ, học lệch Vì vậy công tác bồi dỡng học sinh giỏi phải đợc biến thành quá trình tự học, tự bồi dỡng của ngời học thì mới đạt đợc kết quả cao

Đến nay ta phải khẳng định rằng nâng cao chất lợng toàn diện, bồi dỡng học sinh giỏi là việc làm tích cực, đúng dắn, phù hợp với yêu cầu của sự phát triển của

đất nớc, của thời đại

II- Thực trạng của vấn đề cần nghiên cứu

Qua giảng dạy và bồi dỡng học sinh giỏi môn vật lí phần nhiệt học tôi nhận thấy việc định hớng giải bài tập định lợng của các em còn yếu ở các mặt sau:

+ Các em cha xác định đợc các quá trình trao đổi nhiệt

+ Các em cha xác đinh đợc đúng đối tợng trao đổi nhiệt

+ C ác em cha xác đinh đợc các bớc giải bài tập

Kết quả khảo sát cụ thể:

- Đề khảo sát chất lợng đầu năm học 2007- 2008 môn vật lí 9 do PGD Huyện Vĩnh Bảo ra có bài tập 1 (3đ)nh sau:

Một ấm nhôm nặng 400g chứa 2lít nớc ở 200c

a, Tính nhiệt lợng cung cấp để đun sôi nớc (nớc sôi ở 1000c)

b, Nếu dùng bếp dầu có hiệu suất 40% để đun sôi ấm nớc đó thì cần bao nhiêu gam dầu? Biết nhiệt dung riêng của nớc là c= 4200J/kg.K, nhiệt dung riêng của nhôm là c2 = 880J/kg.K , năng suất toả nhiệt của dầu là q = 14.106J/kg

Kết quả có 123 em học sinh khối 9 tham gia khảo sát thì 43 em không làm bài này, 80 em làm bài này trong đó có 27 em giải đúng câu a, là:

Nhiệt lợng cần để đun 2lít nớc ở 200c đến sôi là

Q1 = m1.c1.t = 2.4200.80 = 672000J

Nhiệt lợng cần để đun 0,4 kg nhôm từ 200 đến 1000 là:

Q2 = m2.c2.t = 0,4.880.80 =28160J

Nhiệt lợng cần để đun sôi ấm nớc là

Qi = Q1 + Q2 = 672000 + 28160 = 700160J

Còn lại là làm sai

Trong 27 em làm đợc câu a, chỉ có 3 em làm đúng câu b, là:

Nhiệt lợng toàn phần của bếp cung cấp là:

QTP = Qi /H = 700160: 0,4 = 1750400J

Số lợng dầu cần để đun sôi ấm nớc là:

QTP = m.q m = QTP / q = 1750400: 14.106 = 0,125(kg) = 125(g)

Còn lại là làm sai hoặc không làm

Sáng kiến kinh nghiệm - Trờng THCS Cộng Hiền - Năm học 2008 - 2009

- Cuối năm học 2007-2008 nhà trờng có khảo sát chất lợng môn Vật Lí 8 để

đánh giá thi đua Trong đề có bài tập 1:

Một ấm nhôm khối lợng 0,5kg đụng 2lít nớc ở 200c

a, tính nhiệt lợng cần thiết để đun sôi ấm nớc đó(nớc sôi ở 1000)

b, Nếu dùng bếp dầu có hiệu suất 40% để đun sôi ấm nớc đó thì cần bao nhiêu gam dầu? Biết nhiệt dung riêng của nớc là c= 4200J/kg.K, nhiệt dung riêng của nhôm là c2 = 880J/kg.K , năng suất toả nhiệt của dầu là q = 44.106J/kg

Kết quả thống kê nh sau:

Có 122 em học sinh khối 8 chỉ có 57 em giải đúng đợc câu a, còn lại là lời giải sai hoặch không làm bài này

Trong 57 em giải đợc câu a, chỉ có 18 em giải đợc câu b, còn lại là giải sai hoặc không làm đợc bài

- Đề khảo sát chất lợng học sinh giỏi tháng 10 năm học 2008-2009 do PGD huyện ra đề có bài tập 2 là:

Muốn có 12 lít nớc ở t0 = 300c ta cần lấy bao nhiêu lít nớc ở nhiệt độ t1 = 800c pha với bao nhiêu lít nớc lạnh ở nhiệt độ t2 = 200c

Đội tuyển Lí 9 của tôi có 2 em đều có lời giải sai là:

Nhiệt lợng toả ra của 12 lít nớc nóng ở 800c là

Q1 = 12.4200.(80-30) = 2520000J

Nhiệt lợng thu vào của m kg nớc ở 200c là:

Q2 = m 4200.(30-20) = 42000.m

Theo phơng trình cân bằng nhiệt ta có:

Q1 = Q2  2520000 = 42000.m  m = 2520000: 42000 = 60 (kg) = 60 lít

Vậy nguyên nhân nào làm cho các em không có định hớng giải bài tập nh thế?

Theo tôi có nhiều nguyên nhân trong đó có cả nguyên nhân khách quan và nguyên nhân chủ quan

Trớc hết phải kể đến sự hạn chế về phơng pháp truyền đạt kiến thức của ngời thầy đến với học sinh cha đạt hiệu quả cao

Thứ hai là bản thân học sinh còn chủ quan nơ là, cha tập chung nghe giảng nên

tiếp thu kiến thức cha đầy đủ do vậy việc định hớng giải bài tập cha tốt

Thứ ba phải kể đến cách biên soạn chơng trình sách giáo khoa Vật Lý 8 Đó là toàn bộ các tiết dạy đều là lý thuyết, không có tiết bài tập nên giáo viên cha rèn

đ-ợc kỹ năng cho học sinh Trong khi ở lớp 6 lớp 7 các em ít đđ-ợc làm quen với dạng bài tập định lợng thì lên lớp 8 các em cố rất nhiều bài tập định lợng nhất là phần nhiệt học Vì vậy đói với các em học sinh mà nói bài tập vật lí nhiệt học là khó song lại không đợc rèn luyện thờng xuyên dẫn đến việc định hớng giải bài tập nhiệt học của các em là rất kém

Để giúp các em khắc phục phần nào hạn chế đó, tôi đã tìm tòi, suy nghĩ và đa

ra “ Phơng pháp giải một số dang bài tập vật lí cơ bản và nâng cao phần nhiệt học” Qua đây sẽ góp phần vào việc rèn luyện t duy tích cực và phơng pháp tự học của ngời học Từ đó các em thêm yêu thích môn học , phát triển đợc năng lực tìm tòi học tập của các em

III- Mô tả hệ giải pháp

1- Các kiến thức cần thiết

+ Công thức tính nhiệt lợng toả ra, thu vào: Q = m.c.t (t = t  t )

Q: nhiệt lợng thu vào(toả ra)của chất(J)

m: khối lợng của chất thu(toả) nhiệt(kg)

c: nhiệt dung riêng của chất thu(toả) nhiệt(J/kg.K)

t: độ tăng(giảm) nhiệt độ của các chất(0c)

+ Phơng trình cân bằng nhiệt: Qtoả = Qthu

+ Nhiệt lợng toả ra của nhiên liệu:

Q = m.q m: khối lợng của nhiên liệu bị đốt cháy hoàn toàn(kg)

q: năng suất toả nhiệt của nhiên liệu(J/kg)

+ nhiệt lợng cần thiết để một chất nóng chảy hay đông đặc hoàn toàn:

Q = m. m: khối lợng của chất bị nóng chảy(đông đặc) hoàn toàn(kg)

: nhiệt nóng chảy của chất(J/kg)

+ Công thức tính hiệu suất là:

H = Qi / QTP Qi: nhiệt lợng có ích(J)

QTP: nhiệt lợng toàn phần(J)

2, Phơng pháp giải các dang bài tập cơ bản và nâng cao phần nhiệt học

A- Các dạng bài tập cơ bản

Dạng 1: Bài tập chỉ có một quá trình thu nhiệt của các chất

Bài tập: Tính nhiệt lợng cần thiết để đun sôi 2000cm3 nớc đựng trong ấm nhôm

có khối lợng 500g ở nhiệt độ 200c(nớc sôi ở 1000c) biết nhiệt dung riêng của nớc

và của nhôm lần lợt là c1 = 4200J/kg.K , c2 = 880J/kg

Phân tích bài: Đọc bài toán ta thấy có hai đối tợng tham gia thu nhiệt là:

2000cm3 nớc ở 200c và 500g nhôm ở 200c

Vậy nhiệt lợng để đun sôi ấm nớc bằng nhiệt lợng cung cấp cho nớc dể nó tăng từ

200c đến 1000c cộng với nhiệt lợng cung cấp cho ấm nhôm để nó tăng từ 200c

đến 1000c

Từ sự phân tích đó ta có lời giải sau:

Tóm tắt

m1 = 2kg

m2 = 0,5kg

c1 = 4200J/kg.K

c2 = 880J/kg.K

Tính: Q = ?

giải

Nhiệt lợng cần để đun 2000cm3 nớc từ 200c đến 1000c là:

Q1 = m1.c1 t = 2.4200.(100-20) = 672000(J) Nhiệt lợng cần để đun 500g nhôm từ 200c đến 1000c là: Q2 = m2.c2 t = 0,5.880.(100-20) = 35200(J)

Nhiệt lợng cần để đun sôi ấm nớc jà:

Q = Q1+ Q2 = 672000 + 35200 = 707200(J)

Chú ý: ta phải đổi đơn vị 2000cm3 = 2 dm3 = 2lít

500g = 0,5 kg

Cách giải: Bớc 1: Phân tích tìm các đối tợng thu nhiệt

Bớc 2: dùng công thức Q= m.c.t để tính nhiệt lợng theo yêu cầu của bài Chú ý phải đổi đơn vị (nếu cần)

Bài tập tự giải: Một ấm nhôm khối lợng 250g chứa 1lít nớc ở 200c Tính nhiệt l-ợng cần để đun sôi ll-ợng nớc nói trên; biết nhiệt dung riêng của nớc và của nhôm lần lợt là c1 = 4200J/kg.K , c2 = 880J/kg.K

Dạng 2: Bài tập có cả quá trình thu nhiệt và quá trình toả nhiệt

Bài tập: Thả một quả cầu nhôm khối lợng 0,15kg đợc nung nóng tới 1000c vào một cốc nớc ở 200c Sau một thời gian nhiệt độ của hệ thống là 250c Tính lợng

n-ớc ở trong cốc coi nh chỉ có quả cầu và nn-ớc truyền nhiệt cho nhau, lấy nhiệt dung rieng của nớc bằng 4200J/kg.k , nhiệt dung rieng của nhôm bằng 880J/kg.k

Phân tích: Bài này có hai đối tợng tham gia vào quá trình nhiệt là

+ 0,15kg đồng ở 1000c  đồng toả nhiệt

+ Nớc ở 200c  nớc thu nhiệt

Sáng kiến kinh nghiệm - Trờng THCS Cộng Hiền - Năm học 2008 - 2009

đồng toả nhiệt để hạ nhiệt độ từ 1000c xuống 250c, nớc thu nhiệt để tang nhiệt độ

từ 200c lên 250c(250c là nhiệt độ cân bằng của hệ thống)

Từ sự phân tích đó ta có lời giải sau:

Tóm tắt

m1 = 0,15kg

c1 = 880J/kg.K

c2 = 4200J/kg.K

t1 = 1000c

t2 = 200c

t3 = 250c

Tính: m = ?

giải

Nhiệt lợng của quả cầu nhôm toả ra khi nhiệt độ hạ từ

1000c xuống 250c là:

Q1 = m1.c1 t = 0,15.880.(100-25) = 0,15.880.75 = 9900J

Nhiệt lợng của nớc thu vào khi tăng nhiệt độ từ 200c lên 250c là :

Q2 = m2.c2 t = m2.4200.(25-20) = m2.4200.5 = m2.21000J

Theo phơng trình cân bằng nhiệt ta có:

Q1 = Q2 9900 = 21000.m2  m2 = 9900 : 21000 

m2 = 0,47kg

Chú ý: Bài tập này có thể yêu cầu tính nhiệt độ cân bằng của hệ thống,hoặc tính

nhiệt dung riêng của kim loại hay của chất lỏng thì ta cũng giải tơng tự

Cách giải: Bớc 1: Phân tích đề bài tìm đối tợng toả nhiệt, đối tợng thu nhiệt

Bớc 2: Dùng công thức tính nhiệt lợng để tính nhiệt lợng toả ra, nhiệt lợng thu vào

Bớc 3: Dùng phơng trình cân bằng nhiệt Qtoả = Qthu để tính đại lợng cha biết theo đề bài yêu cầu( Qtoả = tổng các nhiệt lợng toả ra, Qthu = tổng các nhiệt l-ợng thu vào)

Bài tập tự giải: 1,Thả miếng đồng khối lơng 500g đã đợc nung nóng ở 2000c vào cái chậu chứa 2lít nớc ở 200c Tính nhiệt độ của hệ thống khi có cân bằng nhiệt Cho rằng chỉ có nớc và đồng truyền nhiệt cho nhau Biết nhiệt dung riêng của nớc bằng 4200J/kg.k , nhiệt dung riêng của đồng bằng 380J/kg.k

2, Để xác định nhiệt dung riêng cảu kim loại ngời ta bỏ vào nhiệt lợng kế chứa 500g nớc ở 130c một miếng kim loại có khối lợng 400g đợc nung nóng tới 1000c Nhiệt độ khi có cân bằng nhiệt là 200c Tính nhiệt dung riêng của kim loại Bỏ qua nhiệt lợng làm nóng nhiệt lợng kế và không khí, lấy nhiệt dung riêng của nớc bằng 4200J/kg.k

Dạng 3: Bài tập có liên quan đến hiệu suất

Bài tập: Ngời ta dùng bếp than để đun sôi một ấm nhôm khối lợng 500g đựng

2lít nớc ở 200c Tính lợng than cấn thiết để đun sôi ấm nớc trên biết hiệu suất của bếp là 40% Biết nhiệt dung riêng của nớc bằng 4200J/kg.k , nhiệt dung riêng của nhôm bằng 880J/kg.k

Phân tích bài : Bài tập này có: + Hai đối tợng thu nhiệt là nớc và ấm nhôm

+ Một đối tợng toả nhiệt là bếp than

- Nhiệt có ích là nhiệt làm nóng bếp và nớc

- Nhiệt toàn phần do than bị đốt cháy toả ra

Hiệu suất của bếp bằng 40% có nghĩa là 40% nhiệt của bếp cung cấp biến thành nhiệt có ích Để tính đợc khối lợng than thì phải tính đợc nhiệt toà phần của bếp

Từ đó ta có lời giải:

Tóm tắt

m1 = 0,5kg

m2 = 2kg

c1 = 880J/kg.K

c2 = 4200J/kg.K

giải

Nhiệt lợng cần thiết để đun nóng ấm từ 200c đến 1000c là: Q1 = m1.c1 t = 0,5.880.80 = 35200J

Nhiệt lợng cần thiết để đun nóng nớc từ 200c đến 1000c là:

Q2 = m2.c2 t = 2.4200.80 = 672000J Nhiệt lợng cần thiết để đun sôi ấm nớc là:

t1 = 200c

t2 = 1000c

Tính: m = ?

Qi = Q1 + Q2 = 35200 + 672000 = 707200J Nhiệt lợng toà phần của bếp là:

QTP = Qi : H = 707200:40% = 1768000J Lợng than cần thiết để đun sôi ấm nớc là:

QTP = m.q  m = QTP : q = 1768000:14.106 = 0,126kg = 126g

Chú ý: bài tập này có thể yêu cầu tính hiệu suất, hoặc tính nhiệt độ của bếp ta

cũng làm tơng tự

Cách giải: Bớc 1: Phân tích đề bài xác định xem nhiệt lợng có ích dùng để làm

gì, xác định xem nhiệt lợng toà phần lấy ra từ đâu

Bớc 2: Dùng mối quan hệ H = Qi : QTP suy luận tìm các đại lợng liên quan

Bài tập tự giải: Một thau nhôm khối lợng 0,5 kg đựng 2lít nớc ở 200c

a, Thả vào thau nớc một thỏi đồng có khối lợng 200g lấy từ lò ra Nớc nóng đến 21,20c Tìm nhiệt độ của bếp lò? Biết nhiệt dung rieng của nớc, nhôm, đồng lần

l-ợt là: c1= 4200J/kg.K,c2=880J/kg.K, c3 = 380J/kg.K Bỏ qua sự toả nhiệt ra môi trờng

b, Thực ra trong trờng hợp này nhiệt lợng toả ra môi trờng là 10% nhiệt lợng cung cấp cho thau nớc Tìm nhiệt độ thực của bếp lò?

B- các dạng bài tập nâng cao

nh

ng ở nhiều thể

Bài tập: Tính nhiệt lợng cần thiết để cung cấp cho 0,5kg nớc đá ở -150c hoá thành hơi hoàn toàn Biết nhiệt dung riêng cảu nớc đá và nớc là c1= 1800J/kg.K, c2=4200J/kg.K, nhiệt nóng chảy của nớc đá là = 3,4.105J/kg, nhiệt hoá hơi của nớc là L = 2,3.106J/kgc1

Phân tích bài: Trong bài tập nớc đá trải qua các giai đoạn sau:

+ nớc đá từ -150c nên 00c

+ nớc đá nóng chảy thành nớc ở 00c

+ nớc từ 00c nên 1000c

+ nớc hoá thành hơi hoàn toàn ở 1000c

Từ sự phân tích trên ta có lời giải sau:

Nhiệt lợng cần thiết cung cấp cho 0,5kg nớc đá ở -150c tăng nên 00c là:

Q1 = m c1 t = 0,5.1800.15 = 13500J =0,135.105J

Nhiệt lợng cần thiết cung cấp cho 0,5kg nớc đá ở 00c nóng chảy hoàn toàn là:

Q2 = m = 0,5.3,4.105 = 1,7.105J

Nhiệt lợng cần thiết để cung cấp cho 0,5kg nớc ở 00c tăng lên 1000c là:

Q3 = m.c2 t = 0,5.4200.100 = 2,1.105J

Nhiệt lợng cần thiết để cung cấp cho 0,5kg nớc ở 1000c hoá thành hơi hoàn toàn là:

Q4 = m.L = 0,5.2,3.106 = 11,5.105J

Nhiệt lợng cần thiết để cung cấp cho 0,5kg nớc ở -150c hoà thành hơi hoàn toàn là:

Q = Q1 + Q2 +Q3 +Q4 = 0,135.105J + 1,7.105J + 2,1.105J + 11,5.105J = 15,435.105J

Cách giải: Bớc 1: Phân tích đề bài tìm các giai đoạn thu nhiệt hoặc toả nhiệt của

đối tợng

Bớc 2: Tính nhiệt lợng của từng giai đoạn tơng ứng

Bài tập tự giải: Một thỏi nớc đá có khối lợng 200g ở -100c Tính nhiệt lợng cần thiết để thỏi nớc đá hoá thành hoi hoàn toàn ở 1000c Biết nhiệt dung riêng cảu

n-Sáng kiến kinh nghiệm - Trờng THCS Cộng Hiền - Năm học 2008 - 2009

ớc đá và nớc là c1= 1800J/kg.K, c2=4200J/kg.K, nhiệt nóng chảy của nớc đá là 

= 3,4.105J/kg, nhiệt hoá hơi của nớc là L = 2,3.106J/kg

ở nhiều thể.

Đây là dạng bài tập rất phong phú và có thể chia thành hai loại sau:

Loại 1: Bài tập đã biết rõ thể

Bài tập: Thả cục nớc đá ở nhiệt độ t1= -500c vào một lợng nớc ở nhiệt độ t2 = 600c ngời ta thu đợc 25kg nớc ở nhiệt độ 250c Tính khối lợng nớc đá và nớc? Biết

nhiệt dung riêng cảu nớc đá và nớc là c1= 1800J/kg.K, c2=4200J/kg.K, nhiệt nóng chảy của nớc đá là = 3,4.105J/kg

Phân tích bài : Bài tập này có hai đối tợng tham gia vào quá trình nhiệt là:

+ Cục nớc đá ở -500c

+ nớc ở 600c

vì đề bài cho ta thu đợc 25kg nớc ở nhiệt độ 250c nên ta suy luận đợc:

Cục nớc đá trải qua các giai đoạn là: - Từ -500c nên 00c

- nóng chảy hoàn toàn ở 00c

- từ 00c nên250c

nớc chỉ có một giai đoạn là hạ nhiệt độ từ 600c xuống 250c

cục nớc đá thu nhiệt, nớc toả nhiệt

Từ sự phân tích trên ta có lời giải là:

Gọi khối lợng của cục nớc đá ở -500c và nớc ở 600c lần lợt là m1, m2

Vì ta thu đợc 25kg nớc ở 250c nên ta có: m1 + m2 = 25 (1)

Nhiệt lợng cần thiết để cục nớc đá từ -500c tăng nên 00c là:

Q1 = m1.c1 t = m1.1800.50 = 90000.m1

Nhiệt lợng cần thiết để cục nớc đá ở 00c nóng chảy hoàn toàn là:

Q2 = m1  = m1.3,4.105 = 340000.m1

Nhiệt lợng cần thiết để m1kg nớc ở 00c tăng nên 250c là:

Q3 = m1.c2 t = m1.4200.25 = 105000.m1

Nhiệt lợng thu vào của cục nớc đá là:

Qthu = Q1 + Q2 + Q3 = 90000.m1 + 340000.m1 + 105000.m1 = 535000.m1

Nhiệt lợng toả ra của m2 kg nớc từ 600c hạ xuống 250c là:

Qtoả = m2.c2 t = m2.4200.35 = 147000.m2

Theo phơng trình cân bằng nhiệt ta đợc: Qtoả = Qthu

147000.m2 = 535000.m1  147.m2 = 535.m1 (2)

Từ (1)  m1 = 25 - m2 thay vào (2) ta đợc 147.m2 = 535.(25-m2)

 147.m2 = 13375 - 535.m2

 682.m2 = 13375

 m2 = 19,6kg

 m1 = 25 - 19,6 = 5,4kg

Vậy khối lợng cục nớc đá là: 5,4kg

khối lợng nớc là: 19,6kg

Cách giải: Bớc 1: - Xác định các đối tợng tham gia vào quá trình nhiệt

- Xác định xem từng đối tợng trải qua mấy quá trình

- Xác định đối tợng toả nhiệt, đối tựng thu nhiệt

Bớc 2: - Dùng công thức tính nhiệt lợng cho các quá trình

- Tính Qtoả, Qthu

- Dùng phơng trình cân bằng nhiệt Qtoả = Qthu để tính đại lợng cần tìm

Chú ý: ở bài tập trên có thể yêu cầu tính nhiệt độ ban đầu của nớc đá hoặc nớc.

ví dụ: Thả 400g nớc đá vào 1kg nớc ở 50c Khi có cân bằng nhiệt thì thấy khối l-ợng nớc đá tăng thêm 10g Xác định nhiệt độ ban đầu của nớc đá Biết nhiệt dung

riêng cảu nớc đá và nớc là c1= 1800J/kg.K, c2=4200J/kg.K, nhiệt nóng chảy của nớc đá là = 3,4.105J/kg

Minh hoạ cách giải:

B

ớc 1 : Bài toán có hai đối tợng tham gia vào quá trình nhiệt là:

- Nớc đá ở t0c

- Nớc ở 50c

Vì khi có cân bằng nhiệt thì thấy khối lợng nớc đá tăng thêm 10g nên:

Nớc ở 50c trải qua các quá trình là:

+ hạ nhiệt độ từ 50c xuống 00c

+ một phần nớc ở 00c đông đặc thành nớc đá(phần này có khối lợng bằng 10g)

Nớc đá ở t0c chỉ có một quá trình là tăng nhiệt độ từ t0c đến 00c

Vậy nớc ở 50c toả nhiệt, nớc đá ở t0c thu nhiệt

B

ớc 2 : Nhiệt lợng cần để 1kg nớc hạ nhiệt độ từ 50c xuống 00c là:

Q1 = m2.c2.t = 1 4200 5 = 21000J

Nhiệt lợng cần để 10g nớc ở 00c đông đặc hoàn toàn là:

Q2 = m. = 0,01.3,4.105= 3400J

Nhiệt lợng toả ra của nớc ở 50c là:

Qtoả = Q1 + Q2 = 21000 + 3400 = 24400J

Nhiệt lợng thu vào của nớc đá tăng từ t0c nên 00c là:

Qthu = m1.c1 t = 0,4.1800.(-t) = - 720.t

Theo phơng trình cân bằng nhiệt ta có: Qtoả = Qthu  24400 = -720.t

 t = 24400:(-720) = - 340c

Vậy nhiệt độ ban đầu của nớc đá là -340c

Bài tập tự giải: Thả một quả cầu bằng thép có khối lợng m1 = 2kg đợc nung

nóng tới nhiệt độ 6000c vào hỗn hợp nớc và nớc đá ở 00c Hỗn hợp có khối lợng là m2 = 2kg Tính khối lợng nớc đá có trong hỗn hợp Biết nhiệt độ cuối cùng của hỗn hợp là 500c, nhiệt dung riêng của thép, của nớc là c1 = 460J/kg.K, c2 = 4200J/ kg.K, nhiệt nóng chảy của nớc đá là = 3,4.105J/kg

Loại 2: Bài tập ch a biết rõ thể

Bài tập: Trong một bình bằng đồng khối lợng 0,6kg có chứa 4kg nớc đá ở -150c Ngời ta cho dẫn vào 1kg nớc ở 1000c Xác định nhiệt độ chung và khối lợng nớc

có trong bình khi có cân bằng nhiệt Biết nhiệt dung riêng của đồng, của nớc đá, của nớc là c1 = 380J/kg.K, c2 = 1800J/kg.K, c3 = 4200J/kg.K, nhiệt nóng chảy của nớc đá là = 3,4.105J/kg

Phân tích bài : Bài tập cha cho biết nhiệt độ cuối cùng khi có cân bằng nhiệt vì

vậy ta cha thể xác định đợc các đối tợng trải qua những giai đoạn nhiệt nào Do

đó với loại bài tập này trớc tiên ta cần xác định trạng thái của các đối tợng bằng cách:

+ Ta xét xem bình và nớc đá có tăng đợc nhiệt độ nên 00c hay không?

Nhiệt lợng cần thiết để bình đồng tăng nhiệt độ từ -150c nên 00c là:

Q1= m1.c1.t = 0,6.380.15 = 3420J

Nhiệt lợng cần thiết để nớc đá tăng nhiệt độ từ -150c nên 00c là:

Q2 = m2.c2 t = 4.1800.15 = 108000J

Nhiệt lợng cần thiết để bình đồng và nớc đá tăng nhiệt độ từ -150c nên 00c là:

Q3 = Q1 +Q2 = 3420+ 108000 = 111420J

Nhiệt lợng cần thiết để 1kg nớc hạ nhiệt độ từ 1000c xuống 00c là:

Q4 = m3.c3 t = 1.4200.100 = 420000J

Vì Q4> Q3 nên cả bình đồng và nớc đá đều tăng nhiệt độ nên 00c

+ Ta xét tiếp xem nớc đá ở 00c có nóng chảy hoàn toàn đợc không?

Nhiệt lợng cần thiết để nớc đá ở 00c nóng chảy hoàn toàn là:

Q5 = m2  = 4.3,4.105 = 1360000J

Ta thấy Q5 > Q4 nên chỉ có một phần nớc đá ở 00c nóng chảy

+ ta tính khối lợng nớc đá bị nóng chảy:

Gọi khối lợng nớc đá bị nóng chảy ở 00c là m(kg)

Sáng kiến kinh nghiệm - Trờng THCS Cộng Hiền - Năm học 2008 - 2009

Nhiệt lợng cần thiết để m(kg) nớc đá ở 00c nóng chảy hoàn toàn là:

Q6 = m  = m.3,4.105 = 340000.m

Nhng nhiệt lợng đẻ m(kg) nớc đá ở 00c nóng chảy đợc tính là:

Q7 = Q4 - Q3 = 420000 - 111420 = 308580J

Ta có: 340000.m = 308580  m = 308580:340000 = 0.9(kg)

Vậy nhiệt độ chung của hệ thống khi có cân bằng nhiệt là 00c(vì nớc đá cha nóng chảy hết) và khối lợng nớc trong bình là 1kg + 0,9kg = 1,9kg

Cách giải: Bớc 1: xác định đối tợng thu nhiệt, đối tợng toả nhiệt

Bớc 2: tính nhiệt lợng của các đối tợng và so sánh để xác định thể của

đối tợng

Bớc 3: lập phơng trình cân bằng nhiệt để suy luận tính các đại lợng có liên quan

Bài tập tự giải: Trong một nhiệt lợng kế có chứa 1kg nớc và 1kg nớc đá ở cùng

nhiệt độ 00c, ngời ta rót thêm vào đó 2kg nớc ở 500c Tính nhiệt độ cân bằng cuối cùng

kia

Bài tập: Trong bình có cục nớc đá khối lợng 60g và 150g nớc đang ở trạng thái

cân bằng nhiệt Bình hai có 450g nớc ở 800c Rót một lợng nớc từ bình một sang bình hai, sau khi bình hai cân bằng nhiệt lại rót nớc từ bình hai sang bình một đến khi bình hai đạt mức ban đầu của nó Nhiệt độ của nớc ở bình một là 200c Hỏi l-ợng nớc đã rót cho rằng nớc ở bình không trao đổi nhiệt với môi trờng và với bình Biết nhiệt dung riêng của nớc là 4200J/kg.K, nhiệt nóng chảy của nớc đá là



=3,36.105J/kg

(Đề khảo sát học sinh giỏi tháng 11 lớp 9 năm 2003 - 2004)

Phân tích bài: + Rót lợng nớc m từ bình một sang bình hai:

- Nớc từ bình một thu nhiệt

- Nớc ở bình hai toả nhiệt

+ Rót lợng nớc m từ bình hai trở lại bình một(vì đề bài cho là bình hai đạt mức ban đầu):

- Nớc từ bình hai toả nhiệt

- Nớc và nớc đá ở bình một thu nhiệt

Từ sự phân tích đó ta có lời giải sau:

Gọi lợng nớc rót từ bình một sang bình hai là m

+ Khi rót nớc từ bình một sang bình hai thì nớc từ bình một thu nhiệt, nớc ở bình hai toả nhiệt Gọi nhiệt độ của bình hai khi có cân bằng nhiệt là t2

Nhiệt lợng cần thiết để m(kg) nớc từ 00c tăng nên t2 là:

Q1 = m.c.t = m.4200.t2

Nhiệt lợng cần thiết để450g nớc ở bình hai hạ nhiệt độ từ 800c xuống t2 là:

Q2 = 0.45.4200.(80 - t2) = 1890.(80 - t2)

Theo phơng trình cân bằng nhiệt ta có:

Q1 = Q2  4200m.t2 = 0,45.4200.(80 - t2)  m.t2 = 0,45.(80 - t2) (1)

+ Khi rót m(kg) nớc từ bình hai trở lại bình một thì nớc từ bình hai toả nhiệt, lợng nhiệt này cung cấp ch bình một để nớc đá nóng chảy hoàn toàn thành nớc ở 00c và làm cho toàn bộ nớc ở o0c trong bình một tăng nhiệt độ nên đến 200c

Vậy ta có nhiệt lợng cần thiết để m(kg) nớc toả nhiệt từ t2 xuống 200c là:

Q3 = m.c t = m.4200.(t2 - 20)

Nhiệt lợng cần để 60g nớc đá ở 00c nóng chảy hoàn toàn là:

Q4 = 0,06.3,36.105 = 20160J

Nhiệt lợng cần thiết để toàn bộ nớc có trong bình một tăng từ 00c nên 200c là:

Q5 = M.c t = (0,15 - m + 0,06).4200.20 J

Theo phơng trình cân bằng nhiệt ta có:

Q3 = Q4 + Q5  4200.m.(t2 - 20) = 20160 + (0,15 - m + 0,06).4200.20 (2)

 m.(t2 - 20) = (0,15 - m + 0,06).20 + 4,8

 m.t2 = 0,21.20 + 4,8

 m.t2 = 9 (2)

Thay (1) vào (2) ta đợc 0,45.(80 - t2) = 9

 80 - t2 = 20  t2 = 60(0c)

 m = 9:t2 = 9:60 = 0,15(kg) = 150g

Vậy lợng nớc đă rót là: 150g

Cách giải: Bớc 1: Rót chất lỏng từ bình một sang bình hai:

+ xác định nhiệt độ cân bằng của bình một + xác định chất lỏng toả nhiệt, chất lỏng thu nhiệt + tính nhiệt lợng toả ra, nhiệt lợng thu vào

+ lập phơng trình cân bằng nhiệt Bớc 2: Rót chất lỏng từ bình hai trở lại bình một:

+ xác định nhiệt độ cân bằng của bình một + xác định chất lỏng toả nhiệt, chất lỏng thu nhiệt + tính nhiệt lợng toả ra, nhiệt lợng thu vào

+ lập phơng trình cân bằng nhiệt Bớc 3: Từ các phơng trình cân bằng nhiệt lập đợc ta biến đổi để tìm các

đại lợng liên quan theo yêu cầu của bài toán

Chú ý: ở bài toán trên có thể yêu cầu tính nhiệt độ cân bằng của bình hai, hoặc

yêu cầu tính cả khối lợng nớc đã rót và nhiệt độ cân bằng của bình hai ta cũng giải tơng tự

Bài tập tự giải: Có hai bình cách nhiệt, bình một chứa m1 = 2kg nớcở nhiệt độ t1

= 250c, bình hai chứa m2 = 4kg nớc ở 700c Ngời ta rót một lợng mkg nớc từ bình một sang bình hai sau khi cân bằng nhiệt ngời ta lại rót một lợng nớc mkg nh thế

từ bình hai trở lại bình một thì nhiệt độ cân bằng của bình một là t1/ = 220c

a, Tính lợng nớc m và nhiệt độ cân bằng t2/ của bình hai

b, Nếu tiếp tục thực hiện rót lần hai nh thế thì nhiệt độ cân bằng của mỗi bình là bao nhiêu?

IV-Kết quả thực hiện

Đối với đội tuyển vậy lý 9 Tôi đã biên soạn thành tài liệu tham khảo với nhan đề “Phơng pháp giải một số dạng bài tập vật lí cơ bản và nâng cao phần nhiệt học” và trang bị cho các em để các em tự học Kết quả thu đợc thật đáng mừng

Cụ thể: + Đề khảo sát học sinh giỏi tháng 11 môn vật lí 9 ( PGD Huyện Vĩnh

Bảo) năm học 2008 - 2009 có bài tập 3(2,5đ)có nội dung là:

Trong bình một có cục nớc đá khối lợng 60g và 150g nớc ở trạng thái cân bằng nhiệt Bình hai chứa 450g nớc ở nhiệt độ 800c Rót một lợng nớc từ bình 1 sang bình 2, sau khi nớc ở bình 2 đạt cân bằng nhiệt, lại rót nớc từ bình 2 trở lại bình 1 cho đến khi nớc ở bình hai đạt mức ban đầu của nó Nhiệt độ cuối cùng của nớc trong bình một là 200c Hỏi lợng nớc đã rót từ bình nọ sang bình kia Cho rằng

n-ớc ở bình không trao đổi nhiệt với môi trờng và với bình Biết nhiệt dung riêng của nớc là 4200J/kg.K, nhiệt nóng chảy của nớc đá là=336000J/kg

Các em đã có lời giải là:

Gọi lợng nớc rót từ bình một sang bình hai là m

+ Khi rót nớc từ bình một sang bình hai thì nớc từ bình một thu nhiệt, nớc ở bình hai toả nhiệt Gọi nhiệt độ của bình hai khi có cân bằng nhiệt là t2

Nhiệt lợng cần thiết để m(kg) nớc từ 00c tăng nên t2 là:

Q1 = m.c.t = m.4200.t2

Nhiệt lợng cần thiết để450g nớc ở bình hai hạ nhiệt độ từ 800c xuống t2 là:

Q2 = 0.45.4200.(80 - t2) = 1890.(80 - t2)

Theo phơng trình cân bằng nhiệt ta có: