Phương pháp giải bài toán nhiệt học có sự chuyển thể của các chất để bồi dưỡng học sinh giỏi vật lí 9

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HỐ PHỊNG GD&ĐT THÀNH PHỐ THANH HÓA SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TỐN NHIỆT HỌC CĨ SỰ CHUYỂN THỂ CỦA CÁC CHẤT ĐỂ BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI VẬT LÍ Người thực hiện: Nguyễn Thị Hằng Chức vụ: Giáo viên Đơn vị công tác: Trường THCS Trần Mai Ninh SKKN thuộc mơn: Vật lí THANH HĨA NĂM 2020 MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU trang I Lí chọn đề tài II Mục đích nghiên cứu III Đối tượng nghiên cứu .2 IV Phương pháp nghiên cứu V Những điểm SKKN PHẦN NỘI DUNG I Cơ sở lí luận II Thực trạng II.1 Đối với học sinh II.2 Đối với giáo viên III Giải pháp tổ chức thực III.1 Các giải pháp III.2 Tổ chức thực III.2.1 Biện pháp III.2.2 Một số dạng tập cụ thể III.2.2.1 Dạng tập xác định nhiệt độ cân III.2.2.2 Dạng tập liên quan đến học III.2.2.3 Dạng tập liên quan đến điện học .10 III.2.2.4 Dạng tập liên quan đến cực trị 11 III.2.2.5 Dạng tập tìm đại lượng vật lí biết nhiệt độ cân 13 III.2.2.6 Dạng tập đồ thị 13 III.2.2.7 Dạng tập thực hành .14 IV Kiểm nghiệm 16 IV.1 Bài học kinh nghiệm 16 IV.2 Kết đạt 16 PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 18 TÀI LIỆU THAM KHẢO 20 DANH MỤC CÁC ĐỀ TÀI SKKN ĐÃ ĐƯỢC XẾP LOẠI 21 PHẦN 1: MỞ ĐẦU I Lí chọn đề tài Nhiệt học lớp mơn học khó học sinh Từ lớp em làm quen với nhiệt học, cách làm quen tiếp cận khái niệm đơn giản Ở phần nhiệt học lớp khác hẳn, em phải dùng lập luận có cứ, kết hợp với tư logic Vì người giáo viên cần giúp học sinh nắm vững kiến thức vật lí, biết khai thác, vận dụng kiến thức để giải vấn đề thực tiễn học tập môn nhiệm vụ quan trọng thường xun q trình giảng dạy nói chung mơn học khác nói riêng Từ kiến thức học, cần giúp học sinh nắm vững quy luật tự nhiên thực tiễn khách quan, có cách nhìn cách khoa học để nhận biết vật, tượng cách lơgic, có hệ thống Để đạt mục đích trên, q trình giảng dạy cần ý giúp học sinh phương pháp tự nghiên cứu, tự học để học sinh biết vận dụng kiến thức học trường hợp cụ thể mà áp dụng cho trường hợp khác tương tự Trong công tác bồi dưỡng học sinh giỏi vật lí THCS thường gặp mảng kiến thức gây khó khăn cho giáo viên học sinh trình dạy học Điều quan trọng, giáo viên phải định hướng cho học sinh nhận biết dạng tập vật lí để có phương pháp, kĩ giải hướng Một mảng kiến thức tập chuyển thể chất Ở cấp THCS, học sinh không học khái niệm nhiệt nóng chảy, nhiệt hóa mà học khái niệm nóng chảy, bay Trong dạng tập năm có đề thi học sinh giỏi, thi vào chuyên Lam Sơn Từ khó khăn vướng mắc tơi tìm tịi, nghiên cứu tìm ngun nhân tìm biện pháp giúp học sinh giải tốt kiến thức dạng tập Để có cách giải dạng tập hiệu nhất, giúp học sinh dễ hiểu, giải vấn đề nhanh, xác, đầy đủ gọn gàng hơn, đồng thời rèn luyện khả tư độc lập trình học tập cho học sinh tơi chọn đề tài: “Phương pháp giải tốn nhiệt học có chuyển thể chất để bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lí 9” từ giúp em có kinh nghiệm việc giải tập dạng II Mục đích nghiên cứu Với việc nghiên cứu thành công đề tài, sáng kiến kinh nghiệm giúp giáo viên học sinh có phương pháp tổng quát để phân biệt tượng vật lí, xem có chuyển từ thể sang thể chất Đây công việc học sinh gặp tập chuyển thể chất III Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu hoạt động dạy học giáo viên học sinh trình giải tập chuyển thể chất IV Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lí luận: Nghiên cứu tài liệu, thu thập xử lí tài liệu sưu tầm - Phương pháp điều tra: Giáo viên tiến hành dạy thử nghiệm theo phương pháp nghiên cứu đề tài - Phương pháp trao đổi, thảo luận: Từ kết nghiên cứu, giáo viên tiến hành trao đổi, thảo luận với đồng nghiệp, rút kinh nghiệm trình giảng dạy V Những điểm SKKN - SKKN bổ sung thêm dạng tập liên quan đến điện học, dạng tập HS dễ nhầm lẫn làm bài, từ giúp em có kiến thức vững vàng đạt kết cao học tập - SKKN đổi tên đề tài từ “Kinh nghiệm rèn kĩ giải tốn nhiệt học có chuyển thể chất để bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lí 9” thành đề tài: “Phương pháp giải toán nhiệt học có chuyển thể chất để bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lí 9” PHẦN 2: NỘI DUNG I Cơ sở lí luận Mơn vật lí đưa vào chương trình THCS từ lớp Nội dung kiến thức mơn vật lí xây dựng theo chương trình đồng tâm, lượng kiến thức đưa vào chương trình THCS nhìn qua tưởng ít, đơn giản thực tế lại rộng sâu nhiều Vì vậy, trình giảng dạy, giáo viên phải sử dụng dạng tập hợp lí để truyền tải cho học sinh lượng kiến thức cho phù hợp với tư duy, nhận thức học sinh phù hợp với nội dung chương trình Trong thực tế, dạng tập “về chuyển thể chất” dạng tập rộng, truyền tải kiến thức tốt, dạng tập yêu cầu học sinh phải hiểu tượng chất vật lí Từ rèn luyện cho học sinh kĩ phán đoán tượng, kĩ thực hành, đồng thời gây hứng thú cho học sinh trình giải tập II Thực trạng II.1 Đối với học sinh Đối tượng học sinh khá, giỏi tham gia bồi dưỡng thi học sinh giỏi thi tuyển sinh vào lớp 10 THPT chuyên Lam Sơn nên kiến thức em nắm tương đối vững, có trí tuệ định Trong hệ thống tập vật lí, dạng tập “về chuyển thể chất” dễ nhầm lẫn, nhiệt độ cân 00C 1000C học sinh khơng hiểu rõ chất vật lí dẫn đến xác định sai trình chuyển thể chất Ở cấp THCS, học sinh lại không học khái niệm nhiệt nóng chảy, nhiệt hóa hơi, cơng thức xác định nhiệt lượng q trình nóng chảy q trình hóa lại chưa có, u cầu giáo viên phải đưa khái niệm nhiệt nóng chảy, nhiệt hóa Do em thường bỏ qua tập để tập trung thời gian giải tập khác nhiều em khơng có hứng thú gặp toán II.2 Đối với giáo viên - Thuận lợi: Hầu hết thầy có trình độ, đào tạo bản, tâm huyết với nghề ln cầu tiến - Khó khăn: Kiến thức khó lại rộng lớn bao trùm Do để dành nhiều thời gian vào nghiên cứu, tìm tịi để có kiến thức vững sâu hạn chế, nhiều người cịn tư tưởng cần hồn thành nhiệm vụ cịn nghiên cứu tìm tịi có nhà khoa học Đối với dạng tập “về chuyển thể chất” dễ nhầm lẫn Địi hỏi người giáo viên phải có biện pháp xây dựng công thức để học sinh nhận thức tốn có chuyển từ thể sang thể chất học sinh hiểu sâu chất, tư logic, từ đưa cách giải hướng Do địi hỏi người giáo viên phải có thời gian, có tâm huyết tinh thần học hỏi cao, đáp ứng chun mơn, cơng việc giảng dạy III Giải pháp tổ chức thực III.1 Các giải pháp: Giải pháp 1: Cung cấp lý thuyết nhiệt nóng chảy, nhiệt hóa để xác định q trình chuyển thể chất Giải pháp 2: Xây dựng, phân loại, định hướng nguyên tắc, phương pháp giải dạng tập “về chuyển thể chất” Giải pháp 3: Bồi dưỡng kĩ giải dạng tập “về chuyển thể chất” Giải pháp 4: Kiểm tra, đánh giá, sửa chữa rút kinh nghiệm III.2 Tổ chức thực hiện: Phối hợp giải pháp để tổ chức thực với nội dung cụ thể sau: III.2.1 Biện pháp - Đối với tốn có liên quan đến nước nước đá, nhìn vào đề ta chưa biết nước đơng đặc hay nước đá nóng chảy 00C - Đối với tốn có liên quan đến nước 100 0C , nhìn vào đề ta chưa biết nước có ngưng tụ hồn tồn hay khơng *) Trước tiên giáo viên phải đưa khái niệm: - Nhiệt nóng chảy: nhiệt lượng cần cung cấp cho 1kg chất rắn nóng chảy hồn tồn nhiệt độ nóng chảy - Công thức xác định nhiệt lượng vật cần thu vào để nóng chảy hồn tồn nhiệt độ nóng chảy: Q = m.λ Trong đó: m khối lượng chất nóng chảy(kg) λ nhiệt nóng chảy(J/kg) - Nhiệt lượng vật tỏa để đơng đặc hồn tồn nhiệt độ đơng đặc tính theo cơng thức - Nhiệt hóa hơi: nhiệt lượng cần cung cấp cho 1kg chất lỏng để hóa hồn tồn nhiệt độ sơi - Nhiệt lượng chất lỏng thu vào để hóa hồn tồn nhiệt độ sơi: Q = m.L Trong đó: m khối lượng chất hóa (kg) L nhiệt hóa ( J/kg ) - Nhiệt lượng vật tỏa để ngưng tụ hồn tồn nhiệt độ sơi tính theo công thức - Năng suất tỏa nhiệt nhiên liệu nhiệt lượng tỏa đốt cháy hồn tồn 1kg nhiên liệu, kí hiệu q - Nhiệt lượng tỏa nhiên liệu bị đốt cháy: Q = q.m Trong đó: Q nhiệt lượng tỏa (J) q suất tỏa nhiệt nhiên liệu (J/kg) m khối lượng nhiên liệu bị đốt cháy (kg) III.2.2 Một số dạng tập cụ thể III.2.2.1 Dạng tập xác định nhiệt độ cân Nhận xét: Dạng tập phổ biến, truyền tải kiến thức tốt, trình chuyển thể chất Để xác định nhiệt độ cân ta dựa vào dấu hiệu sau: Nếu hỗn hợp có nước đá xét xem nhiệt độ cân có 0C khơng? Ví dụ 1: Đổ m1= 2kg nước t1= 100oC vào bình đồng khối lượng m2 = 0,6kg có chứa m3 = 3kg nước đá t2= - 10oC Tính nhiệt độ chung khối lượng nước có bình cân nhiệt xảy Biết nhiệt dung riêng nước c1=4200J/kg.K, đồng c2=380J/kg.K, nước đá c3=2100J/kg.K, nhiệt nóng chảy nước đá λ=3,4.105J/kg cơng thức tính nhiệt lượng vật thu vào nóng chảy Q=λ.m Hướng dẫn giải thơng qua bước: Bước 1: Tính nhiệt lượng thu vào bình nước đá chúng tăng nhiệt độ tới 0oC: Qthu1 =(m2c2+m3c3)(0-t2)= (0,6.380+3.2100)(0+10)=65280(J) Bước 2: Tính nhiệt lượng tỏa 2kg nước sôi giảm nhiệt độ xuống o C: Qtỏa=m1c1(t1-0)=2.4200(100-0)=840000(J) Bước 3: So sánh: Qthu1 < Qtỏa nên bình nước đá tăng nhiệt độ tới oC nước đá bắt đầu nóng chảy Bước 4: Giả sử nước đá nóng chảy hết cần cung cấp nhiệt lượng : Qthu2 =λ.m3=3,4.105.3=1020000(J) So sánh: Qtỏa < Qthu1 +Qthu2 nên nước đá nóng chảy phần nhiệt độ có cân nhiệt 0oC Bước 5: Tính khối lượng nước đá nóng chảy m’ Theo phương trình cân nhiệt: Qtỏa ra=Qthu vào ta có: m1c1(t1-0)=(m2c2+m3c3)(0-t2)+λ.m’ m c (t -0)-(m 2c + m3c3 )(0-t ) 840000 − 65280 ⇒ m' = 1 = ≈ 2,279(kg) λ 3,4.105 Vậy khối lượng nước có bình cân nhiệt xảy : m = m1 + m’ ≈ + 2,279 = 4,279(kg) Ví dụ 2: Trong bình có chứa m1 = 2kg nước 250C Thả vào bình m2 kg nước đá - 200C Hãy tính nhiệt độ, khối lượng nước khối lượng nước đá có bình cân nhiệt Với: a) m2 = 0,2kg b) m2 = 6kg Biết nhiệt dung riêng nước, nước đá 4200J/kg.K; 2100J/kg.K, nhiệt nóng chảy nước đá: λ =3,4 105J/kg Đáp số: a) 14,50C; mn = 2,2kg; mnđ =0 kg b) 00C; mnđ =6,12kg; mn =1,88kg Nếu hỗn hợp có nước xét xem nhiệt độ cân có 1000C khơng? Ví dụ 3: Dẫn m1 = 250g nước nhiệt độ t = 1000C từ nồi vào bình chứa cục nước đá m2=0,8kg t0= 00C Hỏi có cân nhiệt , khối lượng nhiệt độ nước bình ? Cho biết nhiệt dung riêng nước c = 4200J/kg.K; nhiệt hoá nước L= 2,3.106J/kg nhiệt nóng chảy nước đá λ = 3,4.105 J/kg (Bỏ qua hấp thụ nhiệt bình chứa) Hướng dẫn giải thông qua bước: Bước 1: Xét xem nước đá có nóng chảy hồn tồn khơng? Giả sử m1 = 250g = 0,25(kg) nước ngưng tụ hết thành 100 0C toả nhiệt lượng là: Q1= m1 L = 0,25 2,3.106 = 575000 (J) Nhiệt lượng m2 = 0,8(kg) nước đá nóng chảy hết là: Q1’ = m2 λ = 0,8 3,4.105 = 272000 (J) Do Q1 > Q1’ chứng tỏ m2 = 0,8(kg) nước đá nóng chảy hết Bước 2: Xét xem nước có tiếp tục nóng lên đến 1000C không? Nhiệt lượng nước đá thu vào để tăng nhiệt độ từ 00C đến 1000C là: Q’= m2C ( t1-t0) = 0,8 4200 (100-0) = 336000 (J) ⇒ Q1’ + Q’ = 272000 +336000 = 608000 (J) Do Q1 < Q1’ + Q’ chứng tỏ nước dẫn vào ngưng tụ hết hỗn hợp nước bình có cân nhiệt có nhiệt độ < 1000C Bước 3: Tìm nhiệt độ nước bình có cân nhiệt t - Từ phương trình cân nhiệt: Qtỏa = Qthu => 575000 +m1.c( 100 – t) = 272000 + m2.c.t => m2.c.t + m1.c.t = 575000 +100m1.c – 272000 ⇒ t= 303000 + 100m1c ≈ 92,50C (m1 + m2 ).c Vậy có cân nhiệt, khối lượng nước bình : 0,8 + 0,25 = 1,05 (kg) nhiệt độ bình 92,50C *) Chú ý: Dạng tập cần xét xem có tượng nước hóa nhiệt độ sơi khơng? Ví dụ 4: Một miếng thép có khối lượng m = kg nung nóng đến 6000C đặt cốc cách nhiệt Rót M = 200g nước nhiệt độ 20 0C lên miếng thép Tính nhiệt độ sau nước sau rót vào cốc trường hợp: a, Nước rót nhanh vào cốc b, Nước rót chậm lên miếng thép Cho nhiệt dung riêng nước cn = 4200J/kg.K, thép ct = 460 J/kg.K, nhiệt hóa nước L = 2,3.10 J/kg Coi cân nhiệt xảy tức thời có trao đổi nhiệt giữ miếng thép với nước Hướng dẫn giải : *) Chú ý: Dạng học sinh dễ nhầm lẫn hai tượng rót nước nhanh vào cốc rót nước chậm lên miếng thép a) - Nhận xét: Khi rót nước nhanh vào cốc 200g nước tăng nhiệt độ tức thời Bước 1: Xét xem nước có tăng nhiệt độ đến 1000C hóa khơng? - Nhiệt lượng thép tỏa để hạ nhiệt độ từ 6000C xuống 1000C : Q1 = m.ct ∆t1 = 1.460.(600 – 100) = 230000 (J) - Nhiệt lượng cung cấp cho nước tăng từ 200C lên 1000C là: Q2 = M.cn ∆t2 = 0,2.4200.(100 – 20) = 67200 (J) Vì Q2 < Q1 nên toàn nước chuyển lên 1000C, xảy hóa Bước 2: Xét xem nước có hóa hồn tồn khơng ? Giả sử nước hóa hồn tồn Nhiệt lượng cần cung cấp để nước hóa hồn tồn 1000C là: Q3 = m.L = 0,2 2,3.106 = 460000 (J) Vì Q1 < Q2 + Q3 nên nước khơng hóa hồn tồn Vậy nhiệt độ cân 1000C b) - Nhận xét: Khi rót nước chậm vào cốc lượng nước rót chậm tiếp xúc với thép tăng nhanh nhiệt độ, hóa ngay, q trình hóa dừng lại thép hạ nhiệt độ xuống đến 1000C Gọi m’ khối lượng nước hóa suốt q trình rót (giả sử m' < M) Nhiệt lượng cung cấp để lượng nước m ’ tăng từ 200C đến 1000C hóa : Qthu = m’ c ∆t + m’ L Nhiệt lượng tỏa thép từ 6000C xuống 1000C : Qtỏa = m.ct ( 600 – 100 ) = 230000 (J) Từ phương trình cân nhiệt => Qtỏa = Qthu => m’= 115/ 1318 (kg) < M => Điều giả sử => Khối lượng nước khơng hóa : M1 = M – m’ - Sau thép 1000C trao đổi với lượng nước cịn lại M1 có nhiệt độ sau nước thép t0 Từ phương trình cân nhiệt => Qtỏa = Qthu => m.ct ( 100 – t0 ) = M1 cn (t0 - 20 ) => t0 ≈ 59,420C Vậy nhiệt độ sau nước 59,420C III.2.2.2 Dạng tập liên quan đến học Nhận xét: Từ dấu hiệu nhận biết tốn có nước đá liên quan đến tượng thay đổi mực nước xét xem nước đá nóng chảy hay nước đơng đặc? Ví dụ 1: (Trích từ đề thi HSG Tỉnh Thanh Hóa – Năm học: 2011 - 2012) Hai bình nhiệt lượng kế hình trụ giống cách nhiệt có độ cao 25cm, bình A chứa nước nhiệt độ t = 500C, bình B chứa nước đá tạo thành làm lạnh nước đổ vào bình từ trước Cột nước nước đá chứa bình có độ cao h = 10cm Đổ tất nước bình A vào bình B Khi cân nhiệt mực nước bình B giảm Δh=0,6cm so với vừa đổ nước từ bình A vào Cho khối lượng riêng nước D = 1g/cm3, nước đá D = 0,9g/cm3, nhiệt dung riêng nước đá c = 2,1J/(g.độ), nhiệt dung riêng nước c2 = 4,2J/(g.độ), nhiệt nóng chảy nước đá λ=335J/g Tìm nhiệt độ nước đá ban đầu bình B Hướng dẫn giải thông qua bước: Bước 1: Xác định xem nước đơng đặc hay nước đá nóng chảy: So sánh với vừa đổ nước từ bình A vào bình B cân nhiệt, mực nước bình B giảm đi, chứng tỏ nước đá bình B tan phần Bước 2: Xác định xem nước đá có tan hồn tồn khơng? Nước tan chưa tan hết, tan hết mực nước phải giảm là: ∆h ' = h − h.D = 1cm D0 - Như vậy, trạng thái cuối hệ gồm nước nước đá, tức nhiệt độ cân 00C Bước 3: Xác định chiều cao phần nước đá tan h1 Chiều cao phần nước đá tan tạo cột nước có chiều cao: h2 = h1.D/D0 10 - Theo đề bài: ∆h = h1 − h2 = h1 D0 − D D0 ⇒ h1 = ∆h = 6(cm) D0 D0 − D - Phương trình cân nhiệt: (h.S.D0).C2.(t0- 0) = (h.S.D).C1.(0 - tx) + h1.S.D λ Trong đó: S diện tích đáy bình nhiệt lượng kế; t x nhiệt độ nước đá ban đầu bình B ∆h λ D0 D C − t0 ; −15, 40 C Vậy: t x = h C1 D0 − D D C1 *) Chú ý: Ở dạng tập tốn cho mực nước bình B giảm so với vừa đổ nước từ bình A vào, chứng tỏ nước đá bình B tan phần Nếu toán lại cho mực nước bình B dâng lên so với vừa đổ nước từ bình A vào chứng tỏ nước bình B đơng đặc phần (như VD sau đây) khơng phải nước đá nóng chảy VD Đây tượng HS cần phân biệt để không bị nhầm lẫn *) Bài tập liên quan đến vật chìm nước hay vật mặt nước Ví dụ 2: (Trích từ đề thi THPT Chuyên SPHN Năm 2014) Một cục nước đá đóng băng có chứa mẩu chì nhỏ bên Phần nước đóng băng có khối lượng M = 0,1 kg, mẩu chì khối lượng m =5g Cục nước đá đóng băng thả mặt nước bình đậy kín Nhiệt độ nước bình cục nước đá giữ khơng đổi 0C Phải cung cấp nhiệt lượng cho cục nước đá để bắt đầu chìm xuống nước ? Cho biết khối lượng riêng chì, nước đá nước 11,3 g/cm3 ; 0,9 g/cm3 g/cm3; nhiệt nóng chảy nước đá 3,3.10 J/ kg Hướng dẫn giải : - Để cho cục chì bắt đầu chìm, khơng cần phải tồn cục nước đá tan hết Chỉ cần khối lượng riêng trung bình nước đá cục chì khối lượng riêng nước đủ - Nếu kí hiệu khối lượng cịn lại cục nước đá M điều kiện để cục chì bắt đầu chìm : M1 + m = Dn (với Dn khối lượng riêng nước) V Nhưng thể tích V nước đá cục chì tổng thể tích chúng V= M M1 m m  + ⇒ M + m = Dn  + ÷⇒ M = 8, 2.m = 41( g ) Dd Dchi  Dd Dchi  - Khối lượng nước đá phải tan là: ∆ M = M - M1 = 100 - 41 = 59(g) - Lượng nhiệt cần thiết bằng: Q = λ.∆M = 3,3 105 0,059 = 19,5.103 (J) Vậy phải cung cấp nhiệt lượng 19 500 J cho cục nước đá để 11 bắt đầu chìm xuống nước III.2.2.3 Dạng tập liên quan đến điện học Ví dụ 1: (Trích từ đề thi HSG Tỉnh Vĩnh Phúc – Năm học: 2014 - 2015) Một mạng điện tiêu thụ gia đình nối với nguồn nhờ dây dẫn đồng có tiết diện mm2 Để đảm bảo an tồn nhiệt độ dây dẫn không tăng 100C Vậy nên dùng cầu chì có tiết diện sợi dây chì bao nhiêu? Biết nhiệt độ môi trường thay đổi từ 0C đến 370C theo mùa, nhiệt độ nóng chảy chì 3270C Cho biết điện trở suất, nhiệt dung riêng, khối lượng riêng: + Của đồng: ρ1 = 1, 6.10−8 Ωm ; c1 = 400 J / kg.K ; D1 = 8500kg / m3 + Của chì: ρ2 = 20.10−8 Ωm ; c2 = 130 J / kg.K ; D2 = 11300kg / m3 , nhiệt nóng chảy chì là: λPb = 25.103 J / kg Hướng dẫn giải: Gọi chiều dài, tiết diện, điện trở, dây đồng : l1 , S1 , R1 Chiều dài, tiết diện, điện trở, dây chì : l2 , S , R2 Dây dẫn đồng mắc nối tiếp với dây chì nên nhiệt lượng tỏa dây tỉ lệ với điện trở : Q1 R1 ρ1l1S = = Q2 R2 ρ2l2 S1 (1) Nhiệt lượng cần để dây đồng tăng thêm ∆t1 là: Q1 = c1m1∆t1 = c1l1S1 D1∆t1 (2) Nhiệt lượng cần để dây chì tăng từ nhiệt độ mơi trường đến nhiệt độ nóng Q2 = c2 m2 ∆t2 = c2l2 S2 D2 ∆t2 chảy : (3) Thay (2) (3) vào (1) ta có : S2 = S1 c1 D1∆t1 ρ c2 D2 ∆t2 ρ1 (4) Nhận thấy ∆t2 lớn S nhỏ, dây chì dễ nóng chảy Vậy để đảm bảo an tồn ta chọn : ∆t2 = 327 − = 3200 C Thay giá trị ∆t1 ∆t2 vào (4) ta : S = 4,75.10-6 (m2) Vậy để an toàn ta nên dùng dây chì có tiết diện : S2 ≤ 4,75.10-6 m2 = 4,75 mm2 *) Chú ý: Dạng tập học sinh cần ý để đảm bảo an toàn điện dây chì bắt đầu nóng chảy 237 0C nên nhiệt lượng tỏa dây chì ta chưa xét đến q trình nóng chảy dây chì Đây tượng HS cần phân biệt để khơng bị nhầm lẫn Ví dụ 2: (Trích từ đề thi THPT Chuyên ĐHQG Hà Nội Năm 2005) Trong bình đồng có đựng lượng nước đá có nhiệt độ ban đầu t1 = -50C Hệ cung cấp nhiệt lượng bếp điện Xem nhiệt lượng mà bình chứa lượng chất bình nhận tỷ lệ với thời gian đốt 12 nóng (hệ số tỷ lệ khơng đổi) Người ta thấy 60s nhiệt độ hệ tăng từ t1 = -50C đến t2 = 00C, sau nhiệt độ không đổi 1280s tiếp theo, cuối nhiệt độ tăng từ t2 = 0C đến t3 = 100C 200s Biết nhiệt dung riêng nước đá c1 = 2100 J/(kg.độ), nước 4200J/(kg.độ) Tìm nhiệt lượng cần thiết để 1kg nước đá tan hồn tồn 00C Hướng dẫn giải : - Bình đồng phải trao đổi nhiệt nên gọi mb khối lượng bình, cb nhiệt dung riêng bình Gọi k hệ số tỷ lệ λ nhiệt lượng cần thiết để kg nước đá nóng chảy hồn tồn nhiệt độ nóng chảy, m1 khối lượng nước đá - Trong T1 = 60s đầu tiên, bình nước tăng nhiệt độ từ t = -50C đến t2 = 00C => kT1 = (m1c1 + mbcb) (t2 - t1) (1) - Trong T2 = 1280s nước đá tan nóng chảy => kT2 = m1 λ (2) - Trong T3 = 200s cuối cùng, bình nước tăng nhiệt độ từ t = 00C đến t3 = 100C => kT3 = (m1c1 + mbcb) (t3 - t2) (3) kT Từ (1) (3) ta có: m1c1 + mb cb = t − t m1c2 + mb cb = (4) kT3 t3 − t2 (5) kT kT Lấy vế (5) trừ (4) ta được: m1 (c2 − c1 ) = t − t − t − t 2 (6) Chia vế hai phương trình (2) (6): λ kT2 T2 T2 (c2 − c1 ) = = ⇒λ = = 3,36.105 ( J / kg ) kT T T kT T T c2 − c1 3 − − − t3 − t2 t2 − t1 t3 − t2 t2 − t1 t3 − t t − t1 *) Chú ý: Đối với tập này, HS cần ý trình nước đá nóng chảy nhiệt độ nước đá khơng đổi 0C nên q trình bình đồng không thu nhiệt, tượng HS dễ nhầm lẫn III.2.2.4 Dạng tập liên quan đến cực trị Nhận xét: Đối với toán cực trị, HS thường khơng làm tổng qt mà tính tốn để đến kết dễ dẫn tới sai số nhiều thời gian, có khơng đến kết cuối Ví dụ 1: Trong cốc mỏng có chứa m = 400g nước nhiệt độ t = 200C có viên nước đá có khối lượng m = 20g nhiệt độ t2 = -50C Cho biết nhiệt dung cốc (nhiệt lượng cần thiết để cốc nóng thêm 0C) q = 250J/độ Nhiệt dung riêng nước nước đá c1 = 4200J/kg.K ; c2 = 1800J/kg.K Nhiệt nóng chảy nước đá λ = 3, 4.105 ( J / kg ) Bỏ qua nhiệt tỏa vào môi trường Hỏi: 13 a) Nếu thả hai viên nước đá vào cốc nhiệt độ cuối nước cốc bao nhiêu? b) Phải thả tiếp thêm vào cốc viên nước đá để cuối cốc có hỗn hợp nước nước đá? Hướng dẫn giải : a) Ở câu a) HS nhầm lẫn tính nhiệt độ cân t ≈ 11, 70 C b) Ở câu b) toán giải tổng quát theo bước sau: Bước 1: Nhận xét: Khi có hỗn hợp nước nước đá nhiệt độ cuối hỗn hợp phải 00C Bước 2: Tính M khối lượng nước đá phải thêm vào để có hỗn hợp nước nước đá - Nhiệt lượng cần thiết phải tỏa để cốc giảm từ t = 11,70C xuống 00C là: Qtỏa = [q + (m1 + 2m2) c1] (t - 0) - Khối lượng nước đá cần thiết để thu nhiệt lượng tan là: Qthu = M [ c2 (0 − t2 ) + λ ] = M ( λ - c2t2 ) - Từ phương trình cân nhiệt Qtỏa = Qthu suy ra: [q + (m1 + 2m2) c1] (t - 0) = M( λ - c2t2 ) ⇒ M ≈ 70,8 g = 3,54.m2 Suy số viên nước đá cần thêm vào viên Ví dụ 2: (Trích từ đề thi tuyển sinh vào lớp 10 THPT chuyên KHTN – Năm 2013) Cho bình cách nhiệt chứa đầy nước nhiệt độ t = 900C Thả viên nước đá có khối lượng m = 250 g nhiệt độ 00C vào bình có khối lượng nước m trào khỏi bình Sau cân nhiệt nhiệt độ nước bình t1 = 560C Cho nhiệt dung riêng nước c = 4200 J/(kg.K), nhiệt lượng mà kg nước đá cần thu vào để tan chảy hoàn toàn 0C 336000 J Coi nước đá trao đổi nhiệt với phần nước cịn lại bình a) Tìm khối lượng nước ban đầu bình b) Lần lượt thả tiếp viên nước đá vào bình, viên thả sau nước bình cân nhiệt Tìm biểu thức nhiệt độ cân bình sau thả vào bình viên nước đá thứ n mà bị tan hết c) Hỏi từ viên thứ khơng tan hết? Hướng dẫn giải : a) Phương trình cân nhiệt: Qthu = Qtỏa ⇒ mλ + mc ( t1 − t ) = ( M − m ) c ( t0 − t1 ) ⇒ M = λ + c ( t0 − t ) m = 1, 25 ( kg ) c ( t0 − t1 ) b) Gọi nhiệt độ sau thả viên đá thứ n tn Ta có: m.λ + mc ( tn − t ) = ( M − m ) c ( tn −1 − tn ) ⇒ m.λ + mc ( tn −1 − t ) = Mc ( tn −1 − tn ) 14 ⇒ tn = M −m mλ − mct tn −1 − M Mc n  M −m 1−  n ÷ mλ − mct  M − m  mλ − mct M   M −m  M −m  = ÷ tn − − 1 + ÷ = =  ÷ t0 − Mc  M  Mc  M −m  M   M  1−  ÷  M  ⇒ tn = 0,8n.t0 − 16 − 0,8n 0, c) Viên đá không tan hết tn = 170.0,8n − 80 < ⇒ 0,8n < ⇒n≥4 17 III.2.2.5 Dạng tập tìm đại lượng vật lí biết nhiệt độ cân Ví dụ : (Trích từ đề thi tuyển sinh vào lớp 10 THPT chuyên Lam Sơn – Năm học 2015 – 2016) Một cốc hình trụ khối lượng m chứa lượng nước có khối lượng m Cả hệ nhiệt độ t = 100C Người ta thả vào cốc cục nước đá khối lượng M nhiệt độ 00C cục nước đá tan phần ba khối lượng ln tan Rót thêm lượng nước có nhiệt độ t2 = 400C vào cốc Khi cân nhiệt nhiệt độ hệ lại 10 0C, cịn mực nước cốc có độ cao gấp đôi mực nước sau thả cục nước đá Hãy xác định nhiệt dung riêng chất làm cốc Bỏ qua trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh giãn nở nhiệt cốc nước Biết nhiệt dung riêng nước c= 4200 J/kg.K nhiệt lượng cần cung cấp cho kg nước đá nóng chảy hồn tồn 00C 336.103 J Hướng dẫn giải : - Thả cục nước đá vào cốc nước, cân nhiệt cục nước đá tan 1/3 khối lượng nên nhiệt độ cân 00C - Ta có PTCB nhiệt: (M/3)λ = m(c + cx) ∆ t1 = m(c + cx).10 (1) Trong λ = 336.103 J/kg, cx nhiệt dung riêng chất làm cốc - Sau rót thêm lượng nước, CB nhiệt mực nước cốc có độ cao gấp đơi mực nước sau thả cục nước đá nên khối lượng nước vừa đổ (m + M) - Ta có phương trình cân nhiệt: (2/3)Mλ + (Mc + mc + mc x ).Δt = (m + M).c.Δt Hay: (2λ/3 - 20c).M = m(2c - c x ) Chia (2) cho (1) ta được: cx = (2) t (0C) 20c = 1400 J/kg.K λ - 20c III.2.2.6 Dạng tập đồ thị Ví dụ : Q trình ngưng tụ lượng nước thể đồ 100 A B C 2,76 D 3,434 Q (.106J) 15 thị Trong A điểm ban đầu, D điểm cuối Xác định khối lượng nước đá, nước, nước điểm D Bỏ qua nước nhiệt, biết λ = 3, 4.105 J / kg , L = 2,3.106 J/kg ; cnước = 4200J/kg.K Hướng dẫn giải : - Quá trình đoạn AB: Nhiệt độ không thay đổi 1000C => Hơi nước ngưng tụ Nhiệt lượng nước tỏa để ngưng tụ là: Qtỏa = Mh.L = 2300000 Mh = 2760000 (J) => Mh = 1,2 (kg) - Quá trình 2: Đoạn BC + CD Nước hạ nhiệt độ xuống 00C đông đặc Nhiệt lượng nước tỏa để xuống 00C ngưng tụ Qtỏa = Mh cn (100 - 0) + M1 λ = 1,2 4200 100 + M1 3,4 105 => M1 = 0,5 (kg) => Khối lượng nước điểm D là: mn = Mh - M1 = 1,2 - 0,5 = 0,7 (kg) Vậy khối lượng nước đá, nước, nước điểm D : mnđ = 0,5kg; mn = 0,7 kg; mhơi = III.2.2.7 Dạng tập thực hành Ví dụ 1: Lập phương án xác định nhiệt nóng chảy ( λ ) nước đá dụng cụ: nhiệt lượng kế ( biết nhiệt dung riêng c K ), nhiệt kế, cân, cân , nước đá tan 00C, ( biết nhiệt dung riêng cn ) Bỏ qua mát nhiệt môi trường bên Hướng dẫn giải: *) Lý thuyết: Thả m2 gam nước đá tan t2 = 00C vào NLK (khối lượng m k, nhiệt độ dung riêng ck) chứa lượng nước m1 t1 Nhiệt độ cân nhiệt t Ta có phương trình cân nhiệt: ( ckmk + cnml ) (t1 - t) = λ m2 + cn m2 ( t - t2 ) Từ đó: λ = ( ck mk + cn ml ) m2 ( t1 − t ) − c n ( t − t2 ) *) Cách làm: - Cân nhiệt lượng kế có khối lượng: mk - Rót lượng nước nguội vào NLK xác định khối lượng M, từ suy khối lượng nước rót vào: m1 = M - mk - Dùng nhiệt kế xác định nhiệt độ ban đầu t1 NLK nước - Lấy miếng nước đá tan thả vào NLK Xác định nhiệt độ có cân nhiệt t 16 - Cân lại NLK nước có có khối lượng: M' Từ tính khối lượng nước đá: m2 = M' - M - Tính λ từ kiện vừa có Ví dụ 2: Lập phương án xác định nhiệt hóa nước dụng cụ: nhiệt lượng kế ( biết nhiệt dung riêng c K ), cân, cân , bếp, nhiệt kế, đồng hồ bấm giây, nước cần xác định nhiệt hóa (L) Nhiệt dung riêng nước c biết Bỏ qua mát nhiệt mơi trường bên ngồi coi bếp tỏa nhiệt đặn Hướng dẫn giải: Ta thực hành thông qua bước: - Bước 1: Cân nhiệt lượng kế có khối lượng: mk Rót lượng nước vào nhiệt lượng kế xác định khối lượng M, từ suy khối lượng nước rót vào: m1 = M - mk Dùng nhiệt kế đo nhiệt độ ban đầu nhiệt lượng kế chứa nước t1 - Bước 2: Đun nhiệt lượng kế chứa nước bếp sôi Dùng nhiệt kế ta xác định nhiệt độ sôi t Nhờ đồng hồ bấm giây ta xác định thời gian kể từ lúc đun sôi T1 - Bước 3: Tiếp tục đun, ta xác định thời gian T2 kể từ lúc nước sôi đến hóa hồn tồn *) Tính tốn: Nhiệt lượng tỏa bếp thời gian T1 là: Q1 = k T1 = ( ckmk + cml ) (t2 – t1) (1) (Với k hệ số tỉ lệ) Nhiệt lượng tỏa bếp thời gian T2 là: Q1 = k T2 = cl L (2) Từ (1) (2) ⇒ L = ( ck mk + cml ) ( t2 – t1 ) T2 T1 17 IV Kiểm nghiệm I.V.1 Bài học kinh nghiệm Trong năm học 2016 – 2017; 2017 – 2018; 2018 – 2019 2019 2020 đưa đề tài vào áp dụng việc dạy đội tuyển học sinh giỏi trường THCS Trần Mai Ninh tham gia dự thi học sinh giỏi cấp Thành phố cấp Tỉnh, lớp đối chứng đội tuyển học sinh giỏi trường THCS Trần Mai Ninh tham gia dự thi học sinh giỏi cấp Thành phố năm học 2015 - 2016 Tôi rút số kinh nghiệm thực sau: - Học sinh có phản ứng tích cực, hứng thú, hiểu sâu nhớ lâu - Học sinh nắm rõ chất chuyển thể chất - Học sinh biết khai thác đề hợp lí, vận dụng tương đối linh hoạt phương pháp giải để có hướng giải tập đúng, phù hợp với dạng tập - Giáo viên phải chuẩn bị thật kĩ nội dung cho dạng tập cần bồi dưỡng cho học sinh Xây dựng nguyên tắc phương pháp giải dạng tập - Tiến trình bồi dưỡng kĩ thực theo hướng đảm bảo tính kế thừa phát triển vững Thông thường, tập mẫu, hướng dẫn học sinh phân tích đề thật cặn kẽ để học sinh xác định hướng giải, từ học sinh rút phương pháp chung để giải tốn loại Sau cho tập tương tự tập mẫu xây dựng tập tổng hợp - Mỗi dạng tập đưa dấu hiệu nhận xét chung nhằm giúp học sinh dễ nhận dạng loại tập dễ vận dụng kiến thức, kĩ cách xác, hạn chế nhầm lẫn xảy cách nghĩ cách làm học sinh - Sau dạng trọng đến việc kiểm tra, đánh giá kết quả, sửa chữa rút kinh nghiệm nhấn mạnh sai sót mà học sinh thường mắc phải IV.2 Kết đạt Trung Yếu Lớp Sĩ số Giỏi Khá bình Kém Thực nghiệm HS 10 HS HS 23 0% (Năm học 2015 – 2016) 34,8% 43,5% 21,7% Đối chứng 14 HS HS HS 20 0% (Năm học 2016 – 2017) 70% 25% 5% Đối chứng 16 HS HS HS 22 0% (Năm học 2017 – 2018) 72,3% 22,3% 5,4% 18 Đối chứng (Năm học 2018 – 2019) Đối chứng (Năm học 2019 – 2020) 20 16 14 HS 70% 12 HS 75% HS 25% HS 18,75% HS 5% HS 6,25% 0% 0% Như vậy, từ áp dụng đề tài vào việc giảng dạy thu kết định: Khi kiểm tra học sinh dạng tập này, số học sinh đạt giỏi lớp thực nghiệm cao hẳn so với lớp đối chứng 19 PHẦN 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Việc phân dạng toán chuyển thể chất nêu đề tài nhằm mục đích bồi dưỡng phát triển kĩ cho học sinh cách bền vững sâu sắc Học sinh có khả tự tìm kiến thức, tự tham gia hoạt động để củng cố vững kiến thức, rèn luyện kĩ Đề tài tác động lớn đến việc phát triển tiềm lực trí tuệ, nâng cao lực tư độc lập khả tìm tịi, sáng tạo cho học sinh giỏi Tuy nhiên cần biết vận dụng kĩ cách hợp lí biết kết hợp kiến thức vật lí, tốn học cho tập cụ thể đạt kết cao Bài viết nêu lên phương pháp giải tổng quát dễ hiểu, dễ vận dụng học sinh bậc trung học sở Trên sở phân tích dạng tốn cụ thể, đề tài thống kê số dạng tập thường gặp, nêu bước giải hướng áp dụng cho tập tương tự Từ giúp học sinh hiểu cách phân tích giải tập có hiệu Kết áp dụng vào thực tiễn cho thấy giáo viên giảng dạy cho học sinh phần thu nhận kết khả quan, gây hứng thú cho học sinh học tập nhận phản ứng tích cực học sinh Như vậy, với đề tài “Phương pháp giải toán nhiệt học có chuyển thể chất để bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lí 9” giúp học sinh cách giải loại tập cách đơn giản hiệu nhất, giúp học sinh dễ hiểu, giải vấn đề nhanh, xác, đầy đủ đồng thời rèn luyện khả tư độc lập q trình học tập hồn thành nhiệm vụ đề Qua q trình giảng dạy, nghiên cứu tơi xin có số ý kiến đề xuất sau: - Đối với giáo viên, phải nhiệt tình tâm huyết với nghề, phải ln có ý thức tự nghiên cứu, học hỏi tìm tịi nâng cao kiến thức, nghiệp vụ trình độ chun mơn, phải có nghiên cứu kiến thức bao qt chương trình khơng dừng nội dung kiến thức chương trình THCS - Về phía lãnh đạo cấp trên: Cần tạo điều kiện cho giáo viên có hội giao lưu, học hỏi rút kinh nghiệm qua hội thảo chuyên đề 20 - Tăng cường việc đầu tư sở vật chất, phòng học chức cho nhà trường Bổ sung đầy đủ thiết bị, dụng cụ đảm bảo mặt kĩ thuật để thí nghiệm thành cơng đảm bảo an tồn làm thí nghiệm cho giáo viên học sinh Trên số suy nghĩ, tìm tịi tơi giảng dạy cho học sinh phần Rất mong quan tâm, góp ý chân tình bạn để tơi có phương pháp giảng dạy đạt hiệu cao XÁC NHẬN CỦA THỦ TRƯỞNG ĐƠN VỊ Thanh Hóa, ngày 08 tháng năm 2020 CAM KẾT KHÔNG COPY Người viết NGUYỄN THỊ HẰNG 21 TÀI LIỆU THAM KHẢO Bộ Giáo dục Đào tạo, SGK Vật lí 6, NXBGD, 2015 Bộ Giáo dục Đào tạo, SGK Vật lí 8, NXBGD, 2015 Bộ Giáo dục Đào tạo, Tài liệu tập huấn mơn Vật lí, Hà Nội 2014 Giselle O Martin – Kniep, Tám đổi để trở thành người giáo viên giỏi, NXBGD Việt Nam, 2011 Vũ Thị Phát Minh, Châu Văn Tạo, Nguyễn Duy Khánh, Trần Vĩnh Sơn, 500 BTVL chuyên THCS, NXBĐHQG TP Hồ Chí Minh, 2013 ThS Phan Hoàng Vân, 500 BTVL THCS, NXBĐHQG TP Hồ Chí Minh, 2012 ThS Lê Thị Thu Hà, Hướng dẫn giải dạng tập từ đề thi tuyển sinh vào lớp 10 mơn Vật lí, NXBĐHQG Hà Nội, 2012 Nguyễn Đức Tài, Tuyển chọn đề thi HSG THCS mơn Vật lí, NXB Đại học Sư phạm, 2012 Nguyễn Đức Tài, Tuyển chọn đề thi vào lớp 10 chun mơn Vật lí, NXB Đại học Sư phạm, 2012 10 Nguyễn Quang Hậu, Tuyển chọn đề thi vào lớp 10 chun mơn Vật lí, NXB Hà Nội, 2014 22 DANH MỤC CÁC ĐỀ TÀI SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM ĐÃ ĐƯỢC HỘI ĐỒNG ĐÁNH GIÁ XẾP LOẠI CẤP PHÒNG GD&ĐT, CẤP SỞ GD&ĐT VÀ CÁC CẤP CAO HƠN XẾP LOẠI TỪ C TRỞ LÊN Họ tên tác giả: Nguyễn Thị Hằng Chức vụ đơn vị công tác: Giáo viên - Trường THCS Trần Mai Ninh TT Tên đề tài SKKN Cấp đánh giá xếp loại (Phòng, Sở, Tỉnh ) Kinh nghiệm rèn kĩ giải toán điện chiều phương pháp chập điểm có điện nhằm bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lí Phịng GD&ĐT Kinh nghiệm rèn kĩ giải toán điện chiều phương pháp chập điểm có điện nhằm bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lí Kinh nghiệm rèn kĩ giải tốn nhiệt học có chuyển thể chất để bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lí Kinh nghiệm rèn kĩ giải tốn nhiệt học có chuyển thể chất để bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lí Sở GD&ĐT Kết đánh giá xếp loại (A, B, C) A Năm học đánh giá xếp loại 2015-2016 B 2015-2016 Phòng GD&ĐT A 2016-2017 Sở GD&ĐT B 2016 - 2017 23 ... sinh giỏi Vật lí Kinh nghiệm rèn kĩ giải toán nhiệt học có chuyển thể chất để bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lí Kinh nghiệm rèn kĩ giải tốn nhiệt học có chuyển thể chất để bồi dưỡng học sinh giỏi Vật. .. bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lí 9? ?? thành đề tài: ? ?Phương pháp giải tốn nhiệt học có chuyển thể chất để bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lí 9? ?? PHẦN 2: NỘI DUNG I Cơ sở lí luận Mơn vật lí đưa vào chương... kĩ giải toán điện chiều phương pháp chập điểm có điện nhằm bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lí Phịng GD&ĐT Kinh nghiệm rèn kĩ giải toán điện chiều phương pháp chập điểm có điện nhằm bồi dưỡng học sinh