Skkn Hệ thống lý thuyết và phương pháp giải các bài toán cơ học chất lỏng bồi dưỡng học sinh giỏi Quốc gia, Quốc tế

Sáng kiến kinh nghiệm PHẦN THỨ NHẤT THÔNG TIN CHUNG VỀ SÁNG KIẾN Tên sáng kiến: “HỆ THỐNG LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC BÀI TOÁN CƠ HỌC CHẤT LỎNG BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI QUỐC GIA, QUỐC TẾ ” Lĩnh vực áp dụng sáng kiến: Đào tạo học sinh: - Có phương tiện thu nhận tri thức - Có phương tiện kiểm tra tính đắn tri thức - Vận dụng tri thức vào thực tiễn Đối tượng áp dụng: Các học sinh phổ thông trung học Thời gian áp dụng sáng kiến: Từ năm 2000 đến năm 2017 Tác giả: Họ tên: Năm sinh: 1978 Nơi thường trú: Trình độ chun mơn: Thạc sĩ vật lý Chức vụ công tác: Giáo Viên Nơi làm việc: Trường THPT Nam Định Địa liên hệ: Trường THPT Nam Định- 370 đường Vị Xuyên- Phường Vị Hoàng- TP Nam Định Điện thoại: Email: Đơn vị áp dụng sáng kiến: Tên đơn vị: Trường THPT Nam Định Trang Sáng kiến kinh nghiệm I Điều kiện hoàn cảnh tạo sáng kiến: “Phương pháp giáo dục phổ thơng phải phát huy tính tích cực, tự giác, chủ động, sáng tạo học sinh; phù hợp với đặc điểm lớp học, môn học; bồi dưỡng phương pháp tự học, khả làm việc theo nhóm; rèn luyện kỹ vận dụng kiến thức vào thực tiễn; tác động đến tình cảm, đem lại niềm vui, hứng thú cho học sinh” Trong định hướng việc phát huy tính tích cực sáng tạo học sinh bản, làm sở để thực định hướng Đó mục tiêu việc đổi phương pháp dạy học nước ta Hòa chung với xu việc đổi phương pháp dạy học mơn học trường phổ thơng phương pháp dạy học vật lý có đổi đáng kể Trong dạy học vật lý trường phổ thông, tập vật lý (BTVL) từ trước đến ln giữ vị trí đặc biệt quan trọng việc thực nhiệm vụ dạy học vật lý tác dụng tích cực quan trọng - BTVL phương tiện để ơn tập, cố kiến thức lí thuyết học cách sinh động có hiệu - BTVL phương tiện tốt để rèn luyện tư duy, bồi dưỡng phương pháp nghiên cứu khoa học cho học sinh - BTVL phương tiện rèn luyện cho học sinh khả vận dụng kiến thức vào thực tiễn, đời sống - Thơng qua hoạt động giải BTVL rèn luyện cho học sinh đức tính tốt tinh thần tự lập, tính cẩn thận, tính kiên trì, tinh thần vượt khó - BTVL phương tiện để kiểm tra đánh giá kiến thức, kỹ học sinh - BTVL sử dụng phương tiện nghiên cứu tài liệu giai đoạn hình thành kiến thức cho học sinh giúp cho học sinh lĩnh hội kiến thức cách sâu sắc vững Vì vậy, để trình dạy học vật lý trường phổ thơng đạt hiệu cao, phát huy tính tích cực sáng tạo học sinh nhằm góp phần nâng cao chất Trang Sáng kiến kinh nghiệm lượng dạy học việc giảng dạy BTVL trường phổ thơng phải có thay đổi, cách thức tổ chức, giao nhiệm vụ (BTVL) cho học sinh làm việc Trong xã hội giáo dục nay, em học sinh tiếp cận với nguồn tư liệu tham khảo vô phong phú sách in, báo chí, trang mạng internet… nhiên khơng có định hướng, dẫn phương pháp người giáo viên việc tiếp thu kiến thức khó khăn khơng có hệ thống, em học trước lại quên sau Vả lại, từ có loại tập trắc nghiệm, thi theo hình thức trắc nghiệm HS say mê với loại tập khơng phải tư nhiều, viết mà cần nhớ cách máy móc cơng thức đạt điểm cao Chính mà tư mơn học học sinh không rèn luyện phát triển làm tập tự luận Với ưu điểm vượt trội tập tự luận việc rèn luyện kĩ tư duy, sáng tạo cho học sinh, thân tác giả trọng tới việc biên soạn, sưu tầm, hệ thống hóa tập tự luận trình giảng dạy Vì lý trên, chọn đề tài “HỆ THỐNG LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC BÀI TOÁN CƠ HỌC CHẤT LỎNG BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI QUỐC GIA, QUỐC TẾ” Trang Sáng kiến kinh nghiệm II Mô tả giải pháp Mô tả giải pháp trước tạo sáng kiến “Cơ học chất lưu” phần kiến thức hay chương trình Vật lý 10 Chất lưu bao gồm chất lỏng chất khí, có vai trò trung tâm sống ngày Ta hít, thở uống chúng, chí, có chất lưu chảy thể người Trong xe ơtơ, chất lưu có lốp, bình khí, buồng đốt động cơ, ống xả, acquy, hệ điều hòa khơng khí, hệ bơi trơn hệ thuỷ lực (thủy lực có nghĩa hoạt động thơng qua chất lỏng) Hơn sử dụng động chất lưu chuyển động cối xay gió,và chất lưu nhà máy thuỷ điện Chất lưu gần gũi quen thuộc sống Vậy, Vật lý học nói cho biết điều chất lưu? Chúng ta nên tìm hiểu để biết thêm nhiều điều thú vị Trang Sáng kiến kinh nghiệm Mô tả giải pháp sau có sáng kiến CƠ SỞ CỦA CHẤT LỎNG CHƯƠNG I SƠ LƯỢC VỀ CHẤT LỎNG 2.1.1 ĐỊNH NGHĨA CHẤT LỎNG Định nghĩa: Chất lỏng chất chảy 2.1.2 TÍNH CHẤT CỦA CHẤT LỎNG 2.1.2.1 Tính chất chất lỏng Chất lỏng có tính chất trung gian chất rắn chất khí, là: - Chất lỏng chuyển sang trạng thái khí nhiệt độ cao, sang trạng thái rắn nhiệt độ thấp - Chất lỏng có hình dạng bình chứa chất khí, khơng chiếm tồn thể tích chất khí mà tích xác định chất rắn - Khoảng cách trung bình phân tử chất lỏng lớn chất rắn nhỏ chất khí - Các phân tử chất lỏng khơng chuyển động tự phân tử chất khí khơng cố định vị trí cân phân tử chất rắn mà có vị trí cân thay đổi 2.1.2.2 Tính chất nước Nước chất lỏng phổ biến nhất, chiếm 3/4 diện tích bề mặt trái đất Nước tinh khiết có khối lượng riêng 1000 kg/ m Nước tồn ba thể: rắn, lỏng, khí: - Nước thể rắn nhiệt độ nhỏ 0 C Đặc biệt người ta tạo "nước đá nóng" có nhiệt độ 76 C áp suất cao 20600 at Người ta gọi loại "băng thứ năm" Chúng ta khơng có cách tiếp xúc với nó, vì, băng thứ năm hình thành bình dày làm thép tốt nhất, áp suất máy ép cực mạnh Cho nên khơng thể nhìn thấy sờ vào Trang Sáng kiến kinh nghiệm Chúng ta biết tính chất loại "băng nóng" phương pháp gián tiếp "Nước đá nóng" đặc nước đá thường, chí đặc nước nữa: tỉ khối 1,05 Nó chìm nước khơng nước nước đá thường - Nước thể lỏng, có tất tính chất chất lỏng Đặc biệt C có khối lượng riêng lớn nhất, nên đáy hồ sâu, biển có nhiệt độ - Nước thể khí: thực chất tồn thể 2.1.3 CẤU TẠO VÀ CHUYỂN ĐỘNG PHÂN TỬ CỦA CHẤT LỎNG Vì lượng chuyển động nhiệt phân tử chất lỏng vào cỡ độ sâu hố Nên lượng ứng với bậc tự kT bé độ sâu hố Như phân tử chất lỏng chuyển động tự mà chúng thực dao động quanh vị trí cân Mặt khác giá trị lượng không nhỏ hố nhiều qúa Nhưng thăng giáng mà phân tử có động đủ lớn (vì nhận thêm lượng) phân tử vượt qua hố để di chuyển đến vị trí cân Thời gian dao động quanh vị trí cân phân tử chất lỏng phụ thuộc vào nhiệt độ Ở gần nhiệt độ đơng đặc thời gian lớn, tăng nhiệt độ thời gian lại giảm Để tính thời gian dao động trung bình  phân tử quanh vị trí cân bằng, ta tính theo công thức : w  =  e kT Cơng thức Frenken thiết lập Trong  chu kì dao động phân tử quanh vị trí cân bằng, w lượng hoạt động phân tử, k = 1,38.10 -23 J/K số Bonzman, T nhiệt độ tuyệt đối Với nước nhiệt độ thường  =10-11 giây,  =10-13 giây Như dao động khoảng 100 chu kỳ phân tử nước lại dịch chuyển chỗ khác Trang Sáng kiến kinh nghiệm CHƯƠNG II CHẤT LỎNG YÊN TĨNH 2.2.1 ÁP SUẤT 2.2.1.1 Định nghĩa * Định nghĩa: Áp suất điểm mặt bị ép (nén) độ lớn áp lực vng góc lên diện tích mặt P F S Với P áp suất điểm đó, F độ lớn áp lực vng góc tác dụng lên diện tích có độ lớn S * Đơn vị đo áp suất: Trong hệ SI, đơn vị đo áp suất Niutơn mét vng, gọi pascal (Pa) Pa = N/m2 Ngoài dùng đơn vị khác như: - Átmốtphe kỹ thuật (hay átmốtphe) kí hiệu at 1at = 9,81.104 N m2 - Átmốtphe Vật lý: kí hiệu atm 1atm = 1,013.105 N =1,033 at m2 Tor hay milimét thuỷ ngân: kí hiệu Tor hay mmHg 1Tor = 1mmHg = 133,322 N/m2  F1 Vậy: 1atm = 760 mmHg = 1,013.105N/m2 = 1,033 at 2.2.1.2 Áp suÊt thuû tÜnh Ở điều kiện trái đất chất lỏng có trọng lượng Mà áp suất có lực tác dụng, nên hai diện tích nằm độ sâu khác  P  F2 mặt thoáng chất lỏng chịu áp suất khác Độ khác gì? Trang Sáng kiến kinh nghiệm Ta tách tưởng tượng lòng chất lỏng hình trụ thẳng đứng với đáy nằm ngang Chất lỏng hình trụ nén nước xung quanh Lực tồn phần ép trọng lượng mg chất lỏng bên hình trụ Nhưng lực tác dụng lên phía đối diện mặt bên độ lớn ngược chiều Do tất lực tác dụng lên mặt bên không Nghĩa trọng lượng mg hiệu lực F1, F2 F2 - F1 = mg Mà m =  V =  Sh, với S diện tích đáy hình trụ,  khối lượng riêng chất lỏng, nên : F2-F1 =  shg  F2 F1    gh S S  P2 - P1 =  gh Ta thấy áp suất chất lỏng phụ thuộc vào độ sâu: “Hiệu áp suất hai điểm chất lỏng cân có giá trị trọng lượng cột chất lỏng có tiết diện đơn vị diện tích có độ cao hiệu hai độ cao hai điểm ấy” Áp suất chất lỏng trọng lượng gây gọi áp suất thuỷ tĩnh Vậy điểm nằm cách mặt thống chất lỏng đoạn h, có áp suất thuỷ tĩnh là: P =  gh Ở điều kiện trái đất, khơng khí thường nén lên bề mặt chất lỏng, áp suất khơng khí gọi áp suất khí Áp suất độ sâu lòng chất lỏng áp suất khí cộng với áp suất thuỷ tĩnh Từ biểu thức ta thấy, áp suất điểm nằm sâu lòng chất lỏng, có áp suất lớn Hiện tượng thể rõ: Những khúc gỗ đưa xuống độ sâu km bị áp suất khổng lồ (5.10 N/cm ) nước nén chặt lại tới mức mà sau chúng chìm thùng nước viên gạch Trên thực tế tàu ngầm xuống đến độ sâu chừng 100 - 200 m Những điểm nằm Trang Sáng kiến kinh nghiệm mức ngang áp suất nhau, người ta ứng dụng tượng bình thơng 2.2.2 ĐỊNH LUẬT PASCAL Xét thí nghiệm: Hai pittơng có tiết diện, chuyển động bình kín chứa nước Đặt cân lên pittông, kết qủa hạ sâu xuống đẩy pittơng lên Muốn giữ cho hai pittông trạng thái cân phải đặt cân đầu pittơng Khi thay pittơng có tiết diện gấp 100 lần diện tích pittơng Kết cho thấy: Nếu đặt cân lên pittông bé phải đặt 100 cân lên pittơng lớn giữ chỗ cũ Ta thấy rằng, thực chất việc đặt cân nên pittông gây áp suất lên khối chất lỏng pittông, phần chất lỏng đựng bình kín ta gây áp suất áp suất truyền khơng giảm bớt tới phần mặt bên bình Do phát biểu định luật Pascal sau: "Khi chất lỏng bị giam kín bình khơng biến dạng chịu tăng áp từ bên ngồi lực tác dụng truyền đến điểm chất lỏng độ tăng áp suất nhau" Định luật Pascal vận dụng làm máy ép thuỷ tĩnh, áp kế, phanh thuỷ lực 2.2.3 ĐỊNH LUẬT ACSIMET Tưởng tượng tách phần tử chất lỏng thể tích v chứa mặt kín s Phần tử chịu tác dụng hai lực: Lùc mặt lực phân tử xung quanh tác dụng, lực vuông góc với mặt s, FA phần mặt s sâu chịu tác dụng lớn tổng lực mặt FA hng lờn  Pg Trang Hình Sáng kiến kinh nghiệm Lực khối tỷ lệ với khối lượng m phần tử chất lỏng, xét trường trọng lực, nên trọng lực khối chất lỏng ( P g m g   gv ) đặt tâm G Phần tử chất lỏng cân tổng hợp lực tổng mơmen lực tác dụng lên khơng Do lực đẩy lên ( FA ) phải có điểm đặt trọng tâm G trực lực khối Pg Nếu thay phần tử chất lỏng vật cụ thể có hình dạng thể tích phần tử chất lỏng xuất lực FA đẩy vật lên Ta suy : “ Bất vật rắn nằm chất lỏng chịu lực đẩy từ lên Lực có điểm đặt trọng tâm phần tử chất lỏng bị chiếm chỗ có trị số trọng lượng phần tử chất lỏng bị vật chiếm chỗ” Đây định luật Acsimét, lực FA hướng lên gọi lực đẩy Acsimét độ lớn: FA = Pg =  gv Do đặc điểm lực Acsimét, nên vật chìm chất lỏng trọng lượng chúng bị giảm giá trị trọng lượng phần chất lỏng bị chiếm chỗ Lực đẩy Acsimét xuất khơng khí, song khí có khối ượng riêng nhỏ nên lực đẩy tác dụng lên vật không đáng kể Nhưng phép đo xác ta phải tính đến lực đẩy Định luật Acsimét ứng dụng rộng rãi kỹ thuật đóng tàu, cầu phao, cách trục tàu đắm, phù kế, bóng thám khơng CHƯƠNG III Trang 10 Sáng kiến kinh nghiệm Khi ống mao dẫn bình khơng chuyển động thì:  p = Dgh0; từ đó: p h0 = Dg (2) Từ (1) (2) ta có: h g = = h0 g  a (vì a = g) Lập luận tương tự, ống bình hạ xuống với gia tốc a , = g thì: h g = =2 h0 g  a, 3.2.3.10 Ta nhúng vào chậu nước ống mao dẫn chưa có nước, gấp khúc hình vẽ, có bán kính r Hỏi khoảng nhiệt độ tồn nước bình chảy hết ngồi? Cho biết r = 0,1 mm; h = 14,1 cm; H = 15cm, biết hệ số căng mặt nước biến thiên theo nhiệt độ:  =  -  t, với  = 7,6.10-2 N/m;  = 1,5.10-4N/m.độ Trả lời: h Muốn cho nước bình chảy hết qua ống mao dẫn cần thoả mãn hai điều kiện: - Nước phải dâng lên đến hết đoạn ống nằm ngang, nghĩa là: H 4 2 h< Dgd  Dgr  Dghr  (1) - Nước phải chảy khỏi miệng ống bên trái; muốn áp suất thuỷ tĩnh phần nước ống bên trái có độ cao H phải thắng áp suất phụ màng cong, nghĩa là: Trang 68 Sáng kiến kinh nghiệm 1 Dgh P , (với P  ( R  R ) , R1 r , R2  ) Dgh  2 r    DgHr (2) Phối hợp (1), (2) ta được: 1 Dghr   DgHr 2 Từ ta tìm được:   Dghr = 70,5.10-3 N/m  max  DgHr = 75.10-3 N/m Thay vào công thức:  =  -  t 70,5 = 76 - 0,15 tmax  tmax  36,70C 75 = 76 - 0,15 tmin  tmin  6,70C Vậy nước chảy khỏi bình nếu: 6,70C t  36,70C 3.2.3.11 Một ống thuỷ tinh gồm hai phần có bán kính R1 = mm R2 = 1,5 mm hàn đồng trục với Trong ống có  đoạn nước có khối lượng M = 0,1 kg Để ống nằm ngang nước rút tồn vào phần ống nhỏ; để thẳng đứng nước chảy hết Nếu để ống nghiêng góc  so với phương thẳng đứng nước có phần ống lớn, phần ống nhỏ Hãy tính giá trị cực tiểu góc  để nước ống Lời giải Khi đoạn nước nằm cân ống, ống phải có đầu nhỏ trên, đầu to hình vẽ để hiệu áp suất phụ gây hai mặt cong cân với áp suất thuỷ tĩnh cột nước: 2 2  = Dgl cos  R1 R2 Trang 69 Sáng kiến kinh nghiệm (với l chiều dài đoạn nước)  2 1 cos  = Dgl ( R  R ) Góc  (cos  )max  lmin , nước nằm gần tồn ống to, đó: D.Vmin M  D  R22lmin M  lmin  R D Từ  M 2.  R2 R2 (  1)  0,334 Mg R1 (cos  )max    69,870 3.2.3.12 Một dòng nước chảy thẳng đứng xuống Trên đoạn dòng nước dài h = cm người ta thấy đường kính dòng giảm từ mm đến mm Hỏi sau nước chảy hết cốc có dung tích V = 400 cm Cho hệ số căng mặt nước  = 0,067 N/m Lấy g = 10 m/s2 Lời giải Sự giảm đường kính thiết diện dòng nước (ống dòng) lực căng mặt ngồi Do áp suất tĩnh phương trình Becnuli trường hợp phải kể thêm áp suất phụ gây thêm mặt cong thống ống dòng Ở áp suất phụ tính theo cơng thức: P =  ( 1 + ) R1 R2 S2 S1 h với R1 bán kính thiết diện ống dòng, R2 bán kính khúc đường sinh Vì R2 có giá trị lớn lên ta bỏ qua R , tức là: P =  R Trang 70 Sáng kiến kinh nghiệm Áp dụng phương trình Becnuli tiết diện S S2 (có bán kính R1 = 3/2 mm R2 = 2/2 mm)   Dv12 Dv 21 + Dgh + = + Dgh + R1 R2 2 (1) Với: h1 - h2 = cm Mặt khác ta có: S1.v1 = S2.v2  S1 R1 2 v2 = v1 S = v1( R )2 (2) Từ (1) (2) rút ra: D.g h.R1 R2   ( R1  R2 ) 2.R23 v1= R1 D.( R14  R24 ) V V Thời gian cần tìm là:  t = Q = S v  150 (s) 3.2.3.13 Nhỏ 1g Hg lên kính thuỷ tinh nằm ngang Đặt lên thuỷ tinh thuỷ tinh khác Đặt lên thuỷ tinh nặng có khối lượng M = 80kg Hai thuỷ tinh song song nén Hg thành vết tròn có bán kính R = cm, coi Hg khơng làm ướt thuỷ tinh Tính : a Hệ số căng mặt thuỷ ngân b Phải đặt nặng có khối lượng bán kính vết tròn tăng thêm cm, cho DHg = 13,6.103 kg/m3, g = 9,8 m/s2 Lời giải a Có thể cho mép vết thuỷ ngân có dạng màng tiết diện nửa đường tròn, bán kính r Ở trạng thái cân áp suất phụ mép thuỷ ngân (P) cân với áp suất trọng lượng (Pg) nặng tác dụng lên vết thuỷ ngân : P = P M + Áp suất phụ tính theo công thức : 2r Trang 71 R Sáng kiến kinh nghiệm 1 P = (  ) r R + Áp suất trọng lượng, tính: F Mg  S R P=   1  Mg      r R  R   (1) Mg R ( R  r ) + Tính r : Ta coi thể tích vết thuỷ ngân : m V =  R 2r  m 10   r = = 4,68.10-6 (m) 2.R 2. 13,6.10 (5.10  ) 80.9,8.4,68.10   0,467 (N/m)  5.10  (5.10   4.68.10  ) Vậy b Khối lượng M' Do bán kính tăng thêm 1cm, nên R' = R + = (cm) m 10   3,25.10  (m) r' = 2 2 D.R' 2 13,6.10 (6.10 )  Từ (1) suy ra: M' = =   ( R'r ' ).R' r'  0,467(6.10   3,25.10  ).6.10  3,25.10  1624 (kg) Trang 72 Sáng kiến kinh nghiệm 3.2.3.14 Coi kim hình trụ có đường kính d Nếu bơi mỡ lên kim kim mặt nước, d < d max Hãy tính dmax, biết khối lượng riêng thép D = 7,8.103 kg/m3; hệ số căng mặt nước  = 0,0073 N/m Lời giải Kim bôi mỡ nước khơng làm dính ướt kim mặt thống lõm xuống thành mặt trụ, có P xuất áp suất phụ P P =  2  , áp suất hướng lên R d Để kim mặt nước, áp suất phụ gây mặt cong chất lỏng phải lớn áp suất (P) gây trọng lượng kim lên mặt nước P = mg  mg  S D( ld d l ).g  D.d g  l Do đó: P  P Vậy dmax = 8 = Dg 8.7,3.10  4,88.10  (m 7,8.10  10 3.2.3.15 Tính áp suất khơng khí (theo mmHg) bong bóng nước đường kính d = 0,01mm độ sâu h = 20mm mặt nước Áp suất bên ngồi (áp suất khí quyển) tác dụng lên mặt nước H = 765mmHg Suất căng mặt nước 20oC 0,073 N/m Lời giải Áp suất khơng khí bong bóng tính theo công thức: P = H + gh + 2 r Trang 73 Sáng kiến kinh nghiệm Trong đó: H - áp suất bên gh - áp suất thuỷ tĩnh 2 - áp suất phụ r Ta có: H = 765mmHg ; gh = 1970N/m2 = 14,7 mmHg; 2 = 2,92.104 N/m = 219 mmHg r Vậy áp suất khơng khí bong bóng P = 998,7 (mmHg) 3.2.3.16 Một thùng kín có chiều cao h = m chứa đầy nước Ở đáy thùng có hai bọt khí thể tích Áp suất bọt khí đáy thùng Po = 150 kPa a) Nếu hai bọt khí lên sát nắp áp suất P2 đáy thùng ? b) Nếu có bọt khí lên sát nắp, bọt khí sát đáy, áp suất P đáy thùng ? Lời giải Gọi V thể tích bọt khí sát đáy thùng Giả sử vỏ thùng không biến dạng thùng kín nên dung tích bình khơng đổi, thể tích nước khơng đổi hay thể tích hai bọt khí ln 2V a) Nếu hai bọt khí lên sát nắp thể tích bọt khơng đổi, áp suất khí bọt khí khơng đổi giữ giá trị P0 Áp suất P2 đáy thùng tính sau : P2 = P0 + gh = 150 + 9.81.3 = 197,5 (kPa) b) Kí hiệu V’ thể tích bọt khí sát nắp, V” thể tích bọt khí đáy, ta ln có : V’+V” = 2V (1) Trang 74 Sáng kiến kinh nghiệm Áp dụng định luật Bôi-Mariốt cho bọt đáy : P0 V = P1V” (2) Áp dụng định luật Bôi-Mariốt cho bọt từ đáy lên nắp thùng : P0 V = (P1- gh )V’ (3) Từ (1), (2), (3) có phương trình cho P1 (với gh = P) sau: P12 - (P0 + P) P1 + P0P = Giải phương trình ta có: P1 = (P0 + P  Po  P ) Ta chọn nghiệm cho P1 > P0 Vậy P1 =   150  29,5  150  29,5 = 166 (kPa) 3.2.4 BIẾN ĐỔI TRẠNG THÁI CHẤT LỎNG 3.2.4.1 Để xác định nhiệt dung riêng chất A người ta lấy m = 0,15 kg chất t1 = 1000C thả vào nhiệt lượng kế đồng thau có khối lượng m = 0,12 kg chứa m2 = 0,2 kg nước t1 = 160C Nhiệt độ chung hệ có cân nhiệt t = 220C Hãy xác định nhiệt dung riêng c chất A theo kết thí nghiệm Cho biết nhiệt dung riêng dồng thau c1 = 0,4.103 J/kg.K nước c2 = 4,2.103 J/kg.K Bỏ qua trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh Lời giải Ở có trao đổi nhiệt ba vật: Vật làm chất A, nhiệt lượng kế nước nhiệt lượng kế Nhiệt lượng vật toả ra: Q1 = cm(t1 – t) Nhiệt lượng nhiệt lượng kế nước thu vào: Q2 = c1m1(t – t2) + c2m2(t – t2) Nếu không kể đến nhiệt mơi trường xung quanh ta có phương trình cân nhiệt: Trang 75 Sáng kiến kinh nghiệm Q1 = Q2  cm(t1 – t) = c1m1(t – t2) + c2m2(t – t2) Suy c= (c1 m2  c m2 )(t  t )  0,46.103 (J/kg.K) m(t1  t ) 3.2.4.2 Khi đun nước ấm điện có cơng suất P = 500w sau phút nhiệt độ nước tăng từ t1 = 85oC đến t2 = 90oC Sau ngắt điện phút nhiệt độ nước giảm 1oC Hỏi lượng nước có ấm ? biết nhiệt dung riêng nước C = 4,19.103 J/kg.K Bỏ qua nhiệt dung riêng ấm so với nước Lời giải Gọi 1 thời gian làm nóng nước (1 = 2ph) Theo định luật bảo toàn lượng: P 1 = cm(t2 - t1) + Q1 (1) Với m khối lượng nước, Q nhiệt lượng truyền vào không gian xung quanh Q1 tỉ lệ với 1 với độ chênh lệch nhiệt độ với môi trường xung quanh Khi nước nguội (khi ngắt điện) lượng toả môi trường xung quanh là: Q2 = mct Ở t = 1oC độ biến đổi nước thời gian 2 =1ph Vì độ chênh lệch nhiệt độ nước với môi trường thời gian biến đổi khơng đáng kể, 2 = 0,51 nên Q2 = 0,5 Q1 nên : Q1 = Q2 = mc t (2) Từ (1) (2) ta có : P1 - mc(t2 -t1) = 2mct  P 500.2.60 m = C (t  t  2t ) = 4,19.10 (90  85  2.1)  2,04 (kg) Trang 76 Sáng kiến kinh nghiệm 3.2.4.3 Có hai bình cách nhiệt, bình thứ chứa lít nước nhiệt độ t = 600C, bình thứ hai chứa lít nước nhiệt độ t = 200C Đầu tiên rót phần nước bình thứ sang bình thứ hai Sau bình thứ hai đạt cân nhiệt người ta rót trở lại bình thứ hai sang bình thứ lượng nước dung tích nước hai bình lại dung tích ban đầu Sau thao tác nhiệt độ nước bình thứ hạ xuống t = 590C Hỏi rót nước từ bình thứ sang bình thứ hai ngược lại? Bỏ qua nhiệt dung bình Lời giải Theo đề khối lượng nước  m từ bình chuyển sang bình khối lượng nước chuyển ngược lại từ bình sang bình Đối với bình 1, sau q trình nhiệt độ giảm lượng  t1 = 10C nước bình nhiệt lượng: Q1 = cm1  t1 Theo định luật bảo toàn lượng, nhiệt lượng truyền cho nước bình Do đó: cm2  t2 = Q1 = cm1  t1 Trong  t2 độ biến thiên nhiệt độ nước bình   t2 = m1  t1 =5 (0C) m2 Như sau chuyển khối lượng nước  m từ bình (có nhiệt độ t = 600C) sang bình 2, nhiệt độ nước bình trở thành t = t2 + = 250C Áp dụng phương trình cân nhiệt:  m.c( t1-t4 ) = m2c(t4-t2)   m = 1/7 (kg) Trang 77 Sáng kiến kinh nghiệm 3.2.4.4 Nếu nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ khối lượng m nước từ 60 0F tới 780F cách biến đổi thành động chuyển động tịnh tiến nước tốc độ nước bao nhiêu? Lời giải: Theo ra:  t = 780F - 680F = 100F Nhiệt lượng cần thiết để đun nóng nước là: Q = mc  t Động tịnh tiến khối nước là: K= mv2 Theo đề : K=Q   mv2 = mc  t v = 2.c.t = 2.4,186.10 3.5,56 = 216 (m/s) 3.2.4.5 Một vật khối lượng kg rơi từ độ cao 50m nhờ liên kết học làm quay bánh xe có cánh khuấy 0,6 kg nước Nước ban đầu 15 0C Nhiệt độ cao mà nước lên tới bao nhiêu? Lời giải: Công A vật sinh sôi là: A = Ph = Mgh Nhiệt lượng cần cung cấp cho m = 0,6 kg nước là: Q = mc(t2 - t1)  t2 = 6.9,8.50 M g h + t1 = 0,6.4,186.10 + 15 = 16,2 0C mc Trang 78 Sáng kiến kinh nghiệm 3.2.4.6 Một bát đồng nặng 150g đựng 220g nước nhiệt độ 20 0C Một miếng đồng hình trụ khối lượng 300g nhiệt độ cao rơi vào bát nước làm nước xôi biến 500g nước thành Nhiệt độ cuối hệ 1000C Hỏi: a Bao nhiêu nhiệt lượng truyền cho nước? b Bao nhiêu nhiệt lượng truyền cho bát? c Nhiệt độ ban đầu hình trụ bao nhiêu? Lời giải: a Nhiệt lượng truyền cho nước là: Q1 = m1c(100 -20) + mL = 20,29 (cal) b Nhiệt lượng truyền cho bát là: Q2 = m2c(100 - 20) = 0,15.386.80 = 4632 (J) = 1107 (cal) c Nhiệt lượng mà hình trụ nhả là: Q3 = m3c1(T3 - 100) Theo định luật bảo toàn lượng: Q Q Q1 + Q2 = Q3  T3 = m c + 100 Thay số ta có: 84,95.10  4,63.10 T3 = + 100 = 873,6 0C 0,3.386 Vậy nhiệt độ ban đầu hình trụ là: T3 = 837,6 0C 3.3.4.7 Một người muốn đun nước cách lắc nước phích Giả thiết rằng, dùng 500 cm3 nước vòi nhiệt độ 590F nước rơi sau lần lắc độ cao ft Lắc Trang 79 Sáng kiến kinh nghiệm 30 lần/phút Bỏ qua mát nhiệt phích, hỏi thời gian để người làm sơi nước Lời giải: t = 590F = Ta có: 59  32 = 150C 1,8 Lượng nhiệt Q cần để làm sôi khối lượng nước là: m =  V = 103.500.10-6 = 0,5 (kg)  Q = mc  T = 0,5.4,186.103(100 - 15) = 1,78.105 (J) Mỗi lần lắc người sinh cơng A: A = mgh = 0,5.9,8.0,3048 = 1,494 (J) Trong phút người sinh cơng: A1 = nA = 30.1,494 = 44,8 (J) Thời gian t cần để lắc cho nước sôi là: Q 1,778.10 t = A = = 3971 (phút) = ngày 18 11 phút 44,8 Trang 80 Sáng kiến kinh nghiệm III Hiệu sáng kiến đem lại: Hiệu kinh tế Việc trang bị cho HS phương pháp giải tập quan trọng, không tập mơn Vật lí mà với mơn khoa học nói chung Trên tác giả mạnh dạn chia sẻ kinh nghiệm nghiên cứu vận dụng chuyên đề “HỆ THỐNG LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC BÀI TOÁN CƠ HỌC CHẤT LỎNG” vào giảng dạy thực tế mơn vật lí trường THPT chun Qua nhiều năm thực kết đạt được, tác giả nhận thấy đề tài với chuyên đề khác mang lại hiệu cao, Áp dụng cho HS luyện thi đại học mà áp dụng hiệu cho luyện thi HSG cấp Hiệu mặt xã hội Chuyên đề góp phần vào q trình đạo tạo thành cơng nhiều hệ học sinh đạt giải quốc gia, quốc tế khu vực, tạo hiệu ứng tốt cho xã hội Tuy nhiên cách nghiên cứu áp dụng mang tính chủ quan cá nhân tác giả, thiếu sót Tác giả mong muốn nhận phản hồi, góp ý đồng nghiệp, em học sinh để đề tài hoàn thiện, vận dụng hiệu giảng dạy, áp dụng rộng rãi điều kiện chung giáo dục Cũng để góp phần nhỏ bé làm phong phú thêm phương pháp dạy học nhằm nâng cao chất lượng dạy học trường phổ thông, đặc biệt trường chuyên IV Cam kết không chép vi phạm quyền Trang 81 Sáng kiến kinh nghiệm Chúng cam kết không chép vi phạm quyền tác giả khác CƠ QUAN ĐƠN VỊ ÁP DỤNG SÁNG KIẾN (xác nhận) TÁC GIẢ SÁNG KIẾN TÀI LIỆU THAM KHẢO Chuyên đề bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lý trung học phổ thông – Nhà xuất giáo dục Việt nam : Cơ học 1; học 2 Chuyên đề bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lý trung học phổ thông – Nhà xuất giáo dục Việt nam : Tập : học chất lưu Chuyên đề học chất lưu - Đại học khoa học tự nhiên Chuyên đề học chất lưu - Đại học Vinh Trang 82 ... sưu tầm, hệ thống hóa tập tự luận trình giảng dạy Vì lý trên, chọn đề tài “HỆ THỐNG LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC BÀI TOÁN CƠ HỌC CHẤT LỎNG BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI QUỐC GIA, QUỐC TẾ” Trang... tả giải pháp sau có sáng kiến CƠ SỞ CỦA CHẤT LỎNG CHƯƠNG I SƠ LƯỢC VỀ CHẤT LỎNG 2.1.1 ĐỊNH NGHĨA CHẤT LỎNG Định nghĩa: Chất lỏng chất chảy 2.1.2 TÍNH CHẤT CỦA CHẤT LỎNG 2.1.2.1 Tính chất chất lỏng. .. đổi phương pháp dạy học nước ta Hòa chung với xu việc đổi phương pháp dạy học mơn học trường phổ thơng phương pháp dạy học vật lý có đổi đáng kể Trong dạy học vật lý trường phổ thông, tập vật lý