Nâng cao hiệu quả bồi dưỡng học sinh giỏi phần nhiệt học chất khí vật lý 10

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HÓA TRƯỜNG THPT HẬU LỘC I SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM TÊN ĐỀ TÀI NĂNG CAO HIỆU QUẢ BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI PHẦN NHIỆT HỌC CHẤT KHÍ VẬT LÝ 10 Người thực hiện: Bùi Văn Dương Chức vụ: tổ trưởng chuyên môn Trường THPT Hậu Lộc I – Thanh Hóa SKKN thuộc lĩnh vực: Mơn Vật Lý 10 THANH HĨA NĂM 2017 MỤC LỤC Trang I Mở đầu……………………………………………………………………………… …2 1.1 Lí chọn đề tài……………………………………………………….… 1.2 Mục đích nghiên cứu 1.3 Đối tượng nghiên cứu 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1.5 Những điểm SKKN II Nội dung sáng kiến kinh nghiệm 2.1 Cơ sở lí luận sáng kiến kinh nghiệm…………………………….……3 2.1.1 Thuyết động học phân tử chất khí – cấu tạo chất khí 2.1.2 Phương trình Clapeyron – Mendeleep 2.1.3 Phương trình trạng thái khí lý tưởng 2.1.4 Các định luật chất khí 2.2 Thực trạng vấn đề trước áp dụng sáng kiến kinh nghiệm 2.3 Các giải pháp sử dụng để giải 2.3.1 Bài tốn áp dụng phương trình Clapeyron – Mendeleev, phương trình trạng thái đẳng trình 2.3.2 Bài toán liên quan đến đồ thị đẳng trình 10 2.3.3 Bài tốn nhiệt chất khí 13 2.3.4 Bài tốn cơng, nội nguyên lý nhiệt động lực học 16 III Kết luận, kiến nghị, 19 Tài liệu tham khảo 20 I Mở đầu 1.1 Lí chọn đề tài Để đáp ứng với yêu cầu người học phải nắm thật vững kiến thức thật nhạy bén vấn đề vận dụng kiến thức môn học đồng thời người dạy phải có chuyên sâu kiến thức Xét chất lượng, hiệu giảng dạy hai hoạt động có vị trí, vai trị vơ quan trọng Xét phương diện hoạt động giáo viên, chất lượng dạy học nói chung mơn vật lý nói riêng phụ thuộc nhiều vào khả năng, trình độ hiểu biết, sức sáng tạo khả sư phạm người dạy Thực tế, chương trình vật lý lớp 10 có nội dung tương đối khó, nhiều học sinh nói chung, có nhiều dạng nhiều phương pháp giải khác Khi giảng dạy học sinh nhiều năm phần ‘‘ Nhiệt học chất khí ’’ tơi nhận thấy khả tiếp thu em chậm, học sinh thường cảm thấy không tự tin lúng túng việc tiếp thu kiến thức giải tập “ phần nhiệt học chất khí ’’ Đặc biệt học sinh cịn gặp phải khó khăn: - Về kiến thức: Học sinh chưa phân loại nội dung kiến thức, dạng toán trọng tâm - Về kỹ năng: Học sinh hạn chế phân tích tốn giải tốn - Trong đơn vị lớp có nhiều đối tượng học sinh với khả nhận thức, tư khác nên cho học sinh thảo luận để phát huy tối đa tính tích cực, chủ động học tập em nhằm phát triển tư cho em Với lí mà tơi nghiên cứu viết đề tài “ Nâng cao hiệu bồi dưỡng học sinh giỏi phần nhiệt học chất khí vật lý 10” Với biện pháp này, đề tài giúp học sinh có thái độ học tập tích cực hơn, tự vận dụng vấn đề cách sáng tạo hơn, từ học sinh cảm thấy say mê học mơn vật lí Có kết cao kỳ thi, thi học sinh giỏi 1.2 Mục đích nghiên cứu Thơng qua đề tài giúp giáo viên, học sinh nắm nội dung kiến thức chương, phân dạng toán định luật chất khí, giúp cho người học vận dụng củng cố kiến thức cách có hệ thống, bước phát triển tư từ dạng dễ đến khó Bên cạnh cố tự tin, bồi đắp hứng thú học tập phần nhiệt học, chất khí, nâng cao khả tự học, tự nghiên cứu học sinh Đề tài nghiên cứu nội dung sau đây: Cơ sở lí luận đề tài Thực trạng đề tài Giải pháp thực Kết đạt 1.3 Đối tượng nghiên cứu Học sinh THPT học chương trình Nâng cao Mục đích nội dung chương trình Nhiệt học – chất khí giới thiệu sách giáo khoa Vật Lý lớp 10 (Nâng Cao) Các tập, công thức giới thiệu chương trình THPT 1.4 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp quan sát sư phạm Phương pháp nêu vấn đề giảng dạy 1.5 Những điểm SKKN Nội dung kiến thức, công thức, tập, giới thiệu chương Nhiệt học – chất khí chương trình THPT Phân dạng tập theo trình phát triển tư duy, kỹ từ thấp đến cao Đề tài áp dụng cho học sinh, giáo viên nghiên cứu phần nhiệt học chất khí Đặc biệt việc học bồi dưỡng học sinh thi học sinh giỏi cấp tỉnh môn Vật Lý II Nội dung sáng kiến kinh nghiệm 2.1 Cơ sở lí luận sáng kiến kinh nghiệm1 2.1.1 Thuyết động học phân tử chất khí – cấu tạo chất khí 1.1.1 Tính chất chất khí - Bành trướng: chiếm tồn thể tích bình chứa Do tính chất mà hình dạng thể tích lượng khí hình dạng thể tích bình chứa - Dễ nén - Có khối lượng riêng nhỏ so với chất lỏng chất rắn 2.1.1.2 Cấu trúc chất khí Mỗi chất khí tạo thành từ phân tử giống hệt Mỗi phân tử bao gồm hay nhiều nguyên tử 2.1.1.3 Các khái niệm a) Mol: mol lượng chất có chứa số phân tử hay nguyên tử số nguyên tử chứa 12 gam Cacbon 12 b) Số Avogadro: Số nguyên tử hay phân tử chứa mol chất NA = 6,02.1023 mol-1 gọi số Avogadro NA c)Khối lượng mol: Khối lượng mol chất (ký hiệu µ) đo khối lượng mol chất d) Thể tích mol: Thể tích mol chất đo thể tích mol chất Ở điều kiện chuẩn (0oC, 1atm), thể tích mol chất khí 22,4 lít/mol hay 0,0224 m3/mol 2.1.1.4 Thuyết động học phân tử chất khí: - Chất khí gồm phân tử có kích thước nhỏ (có thể coi chất điểm) - Các phân tử chuyển động nhiệt hỗn loạn không ngừng Nhiệt độ cao vận tốc chuyển động nhiệt lờn - Khi chuyển động, phân tử va chạm với làm chúng bị thay đổi phương vận tốc chuyển động, va chạm với thành bình tạo nên áp suất chất khí lên thành bình 2.1.1.5 Khí lý tưởng Khí lý tưởng (theo quan điểm vĩ mơ) khí tn theo hai định luật BoyleMariotte Charles Ở áp suất thấp, coi khí thực khí lý tưởng 2.1 Phương trình Clapeyron – Mendelee: pVRT 2.1.3 Phương trình trạng thái khí lý tưởng: pV m RT const T 2.1 Các định luật chất khí a) ĐịnhluậtBoyle–Mariotte: Ở nhiệt độ khơng đổi, tích áp suất p thể tích p pV= số p V lượng khí xác định số p tỉ lệ nghịch với V V T T b) Định luật Charles: T p const p p V T V p tỉ lệ thuận với T0K p tỉ lệ với t0C c) T Định luật Gay Lussac: Trong trình đẳng áp (p = const) phương trình V trạng thái cho ta: T const V p p V tỉ lệ thuận với T K V tỉ lệ với t0C T V T 2.2 Thực trạng vấn đề trước áp dụng sáng kiến kinh nghiệm Khi giảng dạy học sinh nhiều năm phần ‘‘ Nhiệt học chất khí ’’ nhận thấy khả tiếp thu em cịn chậm, học sinh thường cảm thấy khơng tự tin lúng túng việc tiếp thu kiến thức giải tập “ phần nhiệt học chất khí ’’ Đặc biệt học sinh cịn gặp phải khó khăn: - Về kiến thức: Học sinh chưa phân loại nội dung kiến thức, dạng toán trọng tâm - Về kỹ năng: Học sinh hạn chế phân tích tốn giải tốn - Trong đơn vị lớp có nhiều đối tượng học sinh với khả nhận thức, tư khác nên cho học sinh thảo luận để phát huy tối đa tính tích cực, chủ động học tập em nhằm phát triển tư cho em Để cao trình bồi dưỡng học sinh “ phần nhiệt học chất khí ’’ đề tài khác sâu kiến thức trọng tâm phân loại dạng tập từ dế đến khó theo khả phát triển tư rèn luyện kỹ 2.3 Các giải pháp sử dụng để giải vấn đề Các tập theo thứ tự cụ thể, từ đến nâng cao Phân dạng nhằm phát triển tư kỹ người học 2.3.1 Bài toán áp dụng phương trình Clapeyron – Mendeleev, phương trình trạng thái đẳng trình Bài 1: Biết khối lượng mol nước 18.10 kg 1mol có NA 6, 02.1023 phân tử Xác định số phân tử có 200 cm3 nước Khối lượng riêng nước 1000 kg/m Hướng dẫn: Khối lượng nước mm V Khối lượng phân tử nước: NA Số phân tử nước phải tìm: n m m VN A 103.2.10 4.6,02.1023 6, 7.1024 18.10 phân tử Bài 2: Một lượng khí khối lượng 15kg chứa 5,64.1026phân tử Phân tử khí gồm nguyên tử hidro cacbon Hãy xác định khối lượng nguyên tử cacbon hidro khí Biết mol khí có NA 6, 02.1023 phân tử Hướng dẫn: Số mol khí : n N (N số phân tử khí) Mặt khác, n m N N A m NA Do đó: 15.6, 02.1023 5, 64.10 16, 01.10 kg/mol (1) 26 Trong khí có hiđrơ cácbon CH4 có: (12 4).10 kg/mol (2) Từ (2) (1) ta thấy phù hợp Vậy khí cho CH4 m Khối lượng phân tử hợp chất là: mCH4 = N m Khối lượng nguyên tử hidro là: m CH4 Khối lượng nguyên tử hiđrôlà: m H4 Khối lượng nguyên tử cacbon là: mC N m CH4 16 12 16 mCH4 m 6, 64.10 27 kg 16 N 12 m 16 N 2.10 26 kg Bài 3: Một vận động viên leo núi cần hít vào m = g khơng khí điều kiện chuẩn (273 K; 1,013.105 Pa) nhịp thở Hỏi núi cao có áp suất p = 79,8 kPa nhiệt độ T = -130 C nhịp thở vận động viên cần hít vào thể tích khơng khí lít ? Biết khối lượng riêng khơng khí điều kiện tiêu chuẩn D = 1,29 kg/m3 coi khối lượng khơng khí cần hít vào nhịp thở ln Hướng dẫn m + Khơng khí điều kiện tiêu chuẩn có khối lượng m ứng với thể tích V0 = D + Do khối lượng khí nhịp thở nên ta sử dụng phương trình trạng thái p V0 = pV p V T p0 m T T T T p TD p + Suy V = 0 Thay số kết quả: V = 1,013.105.2.10 273.1,29 260 79,8.10 ; V 1,8744 10-3 m3 Bài 4: Người ta bơm khí oxi điều kiện chuẩn vào bình tích 5000l sau bình chứa đầy khí nhiệt độ 240 C áp suất 765mmHg Xác định khối lượng khí bơm vào sau giây Coi trình bơm diễn cách điều đặn Hướng dẫn Lượng khí bơm vào giây: 3,3g Sau t giây khối lượng khí bình là: m Vt V Với khối lượng riêng khí V thể tích khí bơm vào sau giây V thể tích khí bơm vào sau t giây pV p0V0 T (1) với T V m V m 0 pT0 thay V V0 vào (1) ta được: p0T Lượng khí bơm vào sau giây là: x m t V t V pT0 t pT 5.765.273.1,29 0, 0033kg / s 3, g / s 1800.760.297 Bài 5: Một phịng có kích thước 8m x 5m x 4m Ban đầu khơng khí phịng điều kiện chuẩn, sau nhiệt độ khơng khí tăng lên tới 10oC, áp suất 78 cmHg Tính thể tích lượng khí khỏi phịng khối lượng khơng khí cịn lại phịng Hướng dẫn V 1,6m3 ; m’ = 204,84 kg Lượng khơng khí phịng trạng thái ban đầu (điều kiện chuẩn) p0 = 76 cmHg ; V0 = 5.8.4 = 160 m3 ; T0 = 273 K Lượng không khí phịng trạng thái 2: p2 = 78 cmHg ; V2 ; T2 = 283 K p0V0 T0 p2V2 T2 V p0V0T2 76.160.283 161, 60m3 T0 p2 273.78 Thể tích khơng khí khỏi phịng: V2 V0 161, 160 1, 6m3 V Thể tích khơng khí khỏi phịng tính điều kiện chuẩn là: p0 V0 p2 V T0 T2 V Vp2T0 T2 p0 1,6.78.273 1,58m3 283.76 Khối lượng khơng khí lại phòng: m m' m V0 ' m V0 0 V0 V0 204,84kg Bài 6: Một bình thép kín tích V nối với bơm hút khí Áp suất ban đầu khí bình 760 mmHg Dung tích tối đa lần bơm hút Vb = V 20 Hỏi phải bơm hút tối thiểu lần để áp suất khí bình thấp mmHg ? Coi nhiệt độ khơng đổi q trình bơm Sau lần bơm hút, thể tích khí bình dãn từ V đến V+Vb Hướng dẫn Do T không đổi => áp dụng ĐL Bôi lơ Mariôt cho lần bơm p (V V ) pV p Lần bơm hút thứ 1: b pV V Vb pV (V V)2 Lần bơm hút thứ 2: p2 (V Vb ) p1V p2 b Lần bơm hút thứ n: pn pV n (V Vb )n n (V Vb ) lg152 Thay số, lấy logarit ta được: n lg1,05 pV n (1 pn V b )n p V pn với n nguyên dương nên: n 103 Bài 7: Một phòng hình hộp chữ nhật có kích thước (7,8m x 5,0m x 5,4m) Ban đầu khơng khí phịng có nhiệt độ T0 = 00C áp suất p0 = 760 mmHg, sau nhiệt độ phịng nâng lên đến T1 = 13,50C áp suất tăng lên đến P = 780mmHg Biết khối lượng riêng khơng khí điều kiện tiêu chuẩn (00C 760mmHg) D0 = 1,293kg/m3 Hãy xác định khối lượng khơng khí khỏi phòng Hướng dẫn PV T V + Áp dụng phương trình trạng thái ta có Lượng khí khỏi TP 00 1 P0T1 phịng nhiệt độ T1 tích V=V1-V0= V0 TP 1 + Lượng khí đưa điều kiện tiêu chuẩn (cũng P0, T0) P1 V Tc P1.T0 V P1.T0 D0 V tích P1 V Pc Vc Vc => m = Vc.D0= T T T P P T P T c c 1 Thay số kết quả: P T V=V0 PT + 760.286,5 1 + m= P1 Tc D0 V P T 17,8.5, 0.5, 780.273 = 4,74725 m3 780.273 760.286,5 1, 293.4, 74725 = 6,00288kg c Bài : Một bình chứa 360 gam khí Helium Do bình hở sau thời gian khí Helium phần, nhiệt độ tuyệt đối khí giảm 20% , áp suất giảm 30% Tính khối lượng khí Helium khỏi bình số ngun tử khỏi bình Hướng dẫn Áp dụng phương trình Clapayron Mendeleev cho bình chứa m (g) khí lúc đầu lúc sau : p1 V = m RT1 (1) μ p V = m RT2 Từ (1) (2) suy : p m p μ T2 p2 - p1 p m T 1 (2) m2 T2 - m1T1 mT 1 m2 (T1 + T) - m1T1 mT 1 Độ giảm áp suất theo độ giảm nhiệt độ: p m2 - m1 (3) m T m1 T1 m1 20 ; p1 100 10 T1 100 m m1 m2 - m1 m2 10 m1 m1 T p1 p 30 Theo giả thiết: Suy : -3 (5) (6) Do khối lượng khí Helium khỏi bình: m m2 - m m1 360 45 gam (7) Số nguyên tử He thoát : ( với He = số Avogadro NA = 6,023.1023 ) N 45 6,023.1023 67,76.1023 nguyen tu chứa khí 02 nén áp suất P1 1,5 107 Pa m NA Bài 9: Một bình (8) nhiệt độ t1 370 C có khối lượng (bình khí) M1 50kg Dùng khí thời gian, áp kế P2 106 Pa nhiệt độ t2 70 C Khối lượng bình khí: M 49kg Hỏi cịn kg khí bình? Tính thể tích bình? (Cho O = 16, R = 8,31J/mol.K) Hướng dẫn * Gọi m khối lượng bình rỗng khối lượng khơng khí bình trước sau : m1 M1 m; m2 M m R P2 * Áp dụng phương trình trạng thái : PV = m R Ta có : P1 T * Biến đổi toán học từ biểu thức Kết : m2 Tm Tm 2 P2T1 (M1 V M2) P 1T P 2T * Khối lượng khơng khí trước dùng : m1 m2 (M1 M ) 0,585 1,585kg RT1m1 RT2 m2 * Thay số : V * Thể tích bình : P1 V P2 8,31 310 1,585 0,0085m3 1,5 107 0,032 Bài 10 Bơm pittông lần bơm chiếm thể tích khí xác định Khi hút khí khỏi bình thực lần bơm Ap suất ban đầu bình áp suất khí P0 Sau đó, bơm bắt đầu bơm khí từ khí vào bình thực lần bơm Khi đó, áp suất bình lớn gấp đơi áp suất khí Tìm hệ thức thể tích làm việc bơm thể tích bình Hướng dẫn Khi hút khí bình sau lần bơm áp suất bình trở thành P1 P Ta có: P0 V = P1 (V+V0) P V V V Với V thể tích bình, V0 thể tích làm việc bơm pittông P2 P V V P0 V V0 V V0 V Vậy sau lần bơm áp suất bình là: P' P0 V V0 Khi bơm khí vào bình sau lần bơm bình thiết lập áp suất P 0 4V P P' 4PV P0 V V V V V0 4V0 P0 V V Theo điều kiện toán: P = 2P0, đặt x V0 V Ta có phương trình: 1x 1 x x 4x Từ giao điểm hai đồ thị ta tìm x 0,44 2.3.2 Bài toán liên quan đến đồ thị đẳng trình Kiến thức cần lưu ý Cho đồ thị biểu diễn trình biến đổi trạng thái khối khí lý tưởng xác định Đọc tên đẳng trình vẽ lại đồ thị hệ trục (p,T) (V,T) Từ (1) sang (2): dãn đẳng nhiệt (V tăng, p giảm) Từ (2) sang (3): đẳng tích (p tăng T tăng) p(1) (3) Từ (3) sang (1): đẳng áp (V giảm T giảm) p (1) (3) V (2) (3) (2) V (2) (1) T  T Trong họ đường đẳng nhiệt, đường nằm có nhiệt độ cao đường nằm Từ đồ thị ta thấy: V1 = V2 p2 > p1 p Theo định luật Sac lơ: (T2 > T1) (2) (1) T tỉ lệ thuận với p Suy T2 > T1 T2 T V 10  Trong họ đường đẳng tích, đường nằm tích nhỏ đường nằm Từ đồ thị ta thấy: T1 = T p2 > p1 V2 p Theo định luật Bôilơ – Marriôt: (2) (V V1 Theo định luật Bôilơ – Marriôt: (2) (1) p1 V tỉ lệ nghịch với p T T2 = T1 Suy : p2 < p1 Bài 11: Xét lượng khí lí tưởng khơng đổi có đồ thị biểu diễn q trình biến đổi trạng thái hình vẽ Biết nhiệt độ trạng thái (1) T1 400(0K) a Nêu tên trình biến đổi trạng thái b Xác định nhiệt độ trạng thái (2) (3) c Hãy chuyển đồ thị biểu diễn biến đổi trạng thái sang đồ thị ( V- T), V trục tung, T trục hồnh Hướng dẫn a.Các q trình biến đổi trạng tháin(1) - (2) : Đẳng áp (2) - (3) : Đẳng tích b Áp dụng định luật  Đ/L GayLuy Sắc : V1 V2 T T T V2 T1 12000 K  Đ/L Sác lơ: V P T P2 T T P3.T2 6000 K P c Chuyển sang đồ thị ( V - T) Bài 12 Một lượng khí biến đổi theo chu trình biểu diễn đồ thị hình bên Biết : p1 = p3; V1 =1m3 , V2 = 4m3; T1 = 100K T4 = 300K 11 Tính V3 = ? Hướng dẫn Vì p1 = p3 nên ta có: V3 T3 T3 V1 T1 100V3 Đoạn 2- có dạng đoạn thẳng nên có dạng: V = a.T + b với a,b số + Khi V = V2, T =100 V2 = a.100 + b (2) + Khi V = V4, T = 300 : V4 = a.300 + b (3) + Từ (2) (3) ta có: a = - 3/200 b = 5,5 P 100.V3 5,5 + Khi T = T3 ; V = V3 V3 = 200 Vậy V3 = 2,2m P Bài 13: Một mol khí lí tưởng thực trình P0 /2 V giãn nở từ trạng thái (P0, V0) đến trạng thái (P0/2, 2V0) có đồ thị hệ toạ độ P-V hình vẽ Biểu diễn trình hệ toạ độ P-T xác định nhiệt độ cực đại khối khí q trình V0 2V0 - Vì đồ thị P-V đoạn thẳng nên ta có: P = αV + β (*); α β hệ số phải tìm - Khi V = V0 P = P0 nên: P0 = αV0 + β (1) - Khi V = 2V0 P = P0/2 nên: P0 /2 = 2αV0 +β (2) 3P0 P0 - Từ (1) (2) ta có: α = - P0 / 2V0 ; β = 3P0 / P= V (**) - Thay vào (*) ta có phương trình đoạn thẳng : 2V0 - Mặt khác, phương trình trạng thái mol khí : PV = RT 3V 2V (***) T= PP2 Từ (**) (***) ta có : R RP0 T hàm bậc P nên đồ thị T-P phần parabol P V + P = P0 P = P0/2 T = T1 =T2 = 0R ; + T = P = P = 3P0/2 00 T =0 3P ; - Ta có : T = 3V0 - 4V0 P - R RP P= (P) (P) P = 3P0 nhiệt độ chất khí T = Tmax = 9V0 P0 8R - Đồ thị biểu diễn q trình hệ toạ độ T-P hai đồ thị : T V P /8 0 V P R /R P P0 /2 3P0/4 P P0 / 12 2.3.3 Bài tốn nhiệt chất khí Bài 14 : Một ống hình trụ đường kính nhỏ, hai đầu kín, dài l = 105cm, đặt nằm ngang Trong ống có cột thủy ngân dài h = 21cm, hai phần lại ống chứa khí tích áp suất P0 = 72cmHg Tìm độ dịch chuyển thủy ngân ống đặt thẳng đứng Đơn vị tính: độ dịch chuyển (cm) Hướng dẫn - Khi ống nằm ngang, khơng khí ống hai bên cột thủy ngân giống nhau, tích V0 = S.l0, áp suất P0 - Khi ống thẳng đứng: + khơng khí phần trên: áp suất P1 ; thể tích V1= S(l0 + x ) + khơng khí phần dưới: áp suất P2 = P1 + h ; thể tích V2= S(l0 - x ).p Pl Pl h 0 0 - Áp dụng ĐL Bôilơ – Mariôt P0V0 = P1V1= P2V2 P (l0 x ) (l0 x) Thay số: x2 + 288x – 1764 = x = 6,0000cm Bài 15: Ở ống thủy tinh nằm ngang, tiết diện nhỏ, chiều dài L = 100cm, hai đầu bịt kín có cột thủy ngân dài h = 20cm Trong ống có khơng khí Khi đặt ống thẳng đứng cột thủy ngân dịch chuyển xuống đoạn l = 10cm Tìm áp suất khơng khí ống ống nằm ngang cmHg Pa Coi nhiệt độ khơng khí ống khơng đổi khối lượng riêng thủy ngân ρ = 1,36.104kg/m3 Hướng dẫn Trạng thái lượng khí hai bên cột thuỷ ngân (ống nằm ngang) Lh p; V S ; T 1121 Trạng thái (ống đứng thẳng) + Đối với lượng khí cột thuỷ ngân: + Đối với lượng khí cột thuỷ ngân: p ; V2 p' L h l S ; T2 T1 ' L h ;V l S;T' T 2 21 Áp suất khí phần áp suất khí phần cộng với áp suất cột thuỷ ngân gây Do khí phần dưới, ta có: p2' p h; V2' L 2h l S ; T2' T1 Áp dụng ĐL Bơilơ–Maríơt cho lượng khí Ta có: + Đối với khí trên: p L hS p L h 2l S p 2 L h p L h 2l (1) + Đối với khí dưới: p L hS p h Từ (1) & (2): L h 2l S p L h p h L h 2l 2 p2 (2) h L h 2l 4l Thay giá trị P2 vào (1) ta được: 13 h L h2 p 4l p 4l L h p1 20100 20 4.102 4.10 100 20 37.5cmHg 1,36.10 4.9,8.0, 375 5.104 Pa gH Bài 16: Một chai chứa khơng khí nút kín nút có trọng lượng khơng đáng kể, tiết diện 2,5cm2 Hỏi phải đun nóng khơng khí chai lên tới nhiệt độ tối thiêu để nút bật ? Biết lực ma sát nút chai có độ lớn 12 N, áp suất ban đầu khơng khí chai áp suất khí 9,8.104Pa, nhiệt độ ban đầu khơng khí chai -30C Hướng dẫn Trước nút bật ra, thể tích khí chai khơng đổi q trình đun nóng q trình đẳng tích Tại thời điểm nút bật ra, áp lực khơng khí chai tác dụng lên nút phải lớn áp lực khí lực ma sát: p2 S Fms Do đó: p2 F ms p1 S p1 S Vì q trình đẳng tích nên: p1 T T T T1 Fms T T p2 p2 p 21 2 p p S T 12 9,8.104 270 9,8.10 402K 2, 5.10 Phải đun nóng tới nhiệt độ T2 = 402 K t2 = 1290C Bài 17: Một ống nghiệm có chiều dài l = 20 cm chứa khơng khí áp suất p 76cmHg a) Ấn ống nghiệm xuống chậu thủy ngân theo phương thẳng đứng đáy ống nghiệm chạm mặt thoáng chậu thủy ngân Tính độ cao thủy ngân ống b) Giải toán nhúng ống vào chậu nước Cho khối lượng riêng nước 103 kg / m3 ; thủy 13,6.103 kg / m3 (Coi nhiệt độ phịng khơng đổi suốt trình thực hiện) Hướng dẫn ngân a) Khơng khí ống lúc đầu tích áp suất là: S.l ; V1 p1 p0 76cmHg Sau nhúng ống nghiệm vào chậu thủy ngân V2 S (l x) ; p2 p1 (l x) cmHg Áp dụng định luật Bôilơ - Mariốt p V p Sl p (l x) S(l x) pV 1 x2 116x 400 x 3,55cm Giải phương trình ta được: b) Khi thí nghiệm chậu nước Lúc đầu: V1 S.l ; p1 p0 76cmHg Sau nhúng ống nghiệm vào chậu nước: l y V2 S (l y) ; p2 ( p1 13,6 )cmHg Áp dụng định luật Bôilơ - Mariốt p1V1 p2V2 p1 Sl ( p1 l y 13,6 ).S (l y) 14 y 1073,6 y 400 Giải phương trình ta được: y 0,37cm Bài 18 Cho ống tiết diện S nằm ngang F ngăn với bên pittơng Pittơng thứ nối với lị xo hình H H vẽ Ban đầu lị xo khơng biến dạng, áp suất khí pittơng áp suất bên ngồi p0 Khoảng cách hai pittơng H chiều dài hình trụ Tác dụng lên pittơng thứ lực F để chuyển động từ từ sang bên phải Tính F pittơn thứ dừng lại biên phải ống trụ Hướng dẫn Điều kiện cân : Piston trái : p0S – pS – kx = (1) x độ dịch chuyển piston trái, p áp suất khí hai piston Piston phải : F + pS – p0S = Định luật Bôilơ : p0SH = p(2H –x)S Từ (3) p p0 H (4) (2) (3) 2H x Từ (1) (2) F = kx, thay vào (4): p F Phương trình có nghiệm là: F p0 S kH p0 kH Thay vào (2) 2kH F ( p0 S 2kH )F p0 SkH p02 S k H Bài 19 Xylanh kín, hình trụ, thẳng đứng, chiều dài L chia thành hai phần nhờ piston mỏng, cách nhiệt Phần chứa 0,01 mol khí, phần chứa n mol khí nhiệt độ T = 300K Lò xo có độ cứng k = 963N/m, đầu gắn vào xylanh, đầu gắn vào piston (hình 2) Khi cân bằng, piston cách đáy 0,6L, áp suất phần khí 104Pa lị xo khơng biến dạng Piston nặng m = 10 kg; tiết diện S = 100cm2 Cho: g = 10m/s2 số chất khí R = 8,31 J/mol.K Tính số mol khí phần xylanh piston Tăng nhiệt độ phần khí đến giá trị T2 giữ phần lại nhiệt độ ban đầu để piston cân xylanh Tính nhiệt độ T2 Hướng dẫn Trạng thái ban đầu khí hai phần là: p0 = atm; V0 = 50 S(cm3); T0 = 27+ 273 = 300 K Vì khí phần nung nóng nên pittơng dịch chuyển phía phần +Gọi T nhiệt độ khí phần (sau nung nóng) Trạng thái khí phần : p; V1 = ( 50 + 3)S = 53 S ; T +Trạng thái khí phần là: p; V2 = ( 50 - 3)S = 47 S ; T0 = 300 K +Áp dụng phương trình trạng thái cho khí phần phần 2: p0V0 = pV p0V0 = pV2 (1) (2) Từ (1) (2) : V = V T = V To 338,29790 K hay t = 65,2979oC T0 T T0 T0 V2 T0 T 15 Từ (1) ta có: p = p0V0 T T = 1,0638( atm) V1 2.3.4 Bài tốn cơng, nội nguyên lý nhiệt động lực học Bài 20: Hình vẽ bên đồ thị chu trình 1,4 mol khí lí tưởng mặt phẳng p tọa độ (pV) Biết p1 = 1,5atm, T1 = 350oK ,T2 = 6000K Tính cơng khối khí thực chu trình Đơn vị tính: cơng ( J ) p2 Hướng dẫn p1 12:A1 V VnR T1 ; p p p1T2 2 3:A nRT ln V3 T V1 V2 V p V 2 p3 V (l) p3 = p1 V3 Vậy A= A1+A2+A3 = 854,3707(J) V1 Bài 21: Một lượng khí thực chu trình biến đổi đồ thị bên T1 Biết T1 = 300 K ; V1 = l ; T3 = 400 K ; V3 = l Ởđiều kiện tiêu chuẩn, lượng khí tích V = 8,19 l Tính cơng khí thực sau chu trình biến đổi Lấy R = 8,31 J/mol.K ; thể tích mol Vm = 22,4 l Đơn vị tính : cơng (J) Hướng dẫn p Chuyển sang hệ toạ độ (p,V) Công A = (p3 –p1)(V3-V1) T p2=p3 T A nR V A Vm V R( V T V3 V với T2 =T3 V : A3 nR(T1 T3 ) T3 T (K) V3 V1 T1 )(V3 V1 ) p1=p4 V1 Kết : A = 20,2556 J O V =V V1=V2 Bài 22: Một lượng khí lí tưởng thực chu p trình biến đổi hình Biết trạng thái p2 V p1 t1 = 270C, p1 = 1,75atm, V1 = 1,5lít, trạng thái t3 = 13270C, V3 = 4lít Tính cơng lượng O khí thực sau chu trình biến đổi V1 V Đơn vị tính: cơng (J) V Hướng dẫn - Cơng mà khí thực sau chu trình biến đổi tính diện tích hình chữ nhật 16 p p1 V3 V2 (1) A - Quá trình đẳng áp – V2 V3 T2 600K (2) T2 p T3 - Q trình đẳng tích – p1 T1 p p2 T2 T1 p1 V3 V1 Kết T2 p1 p1 (3) - Thay (2) (3) vào (1), ta A p1 p2 p1 O p1 V3 V1 V A = 443,2968J Bài 23: Một mol khí lí tưởng thực chu trình hình vẽ Tính cơng mà khí thực chu V (dm3) 40 trình Đơn vị tính cơng tìm Jun (J) 10 200400T 0K Hướng dẫn Công mà lượng khí thực q trình biến đổi trạng thái đẳng áp từ (1) đến (2) : A12=P1(V2- V1) = nR(T2 – T1) (1) Công mà lượng khí thực q trình biến đổi trạng thái đẳng nhiệt từ V PdV (2) đến (3) : A23= V 3 = P2V2 V = nRT2 ln V V3 T1 dV V V = nRT2 V dV V V = nRT2 ln V 2 (2) V1T2 Cơng mà lượng khí thực trình biến đổi trạng thái đẳng áp từ (3) đến (4) : A34=P3(V4- V3) = nR(T4 – T3) = nR(T1 – T2) (3) Công mà lượng khí thực q trình biến đổi trạng thái đẳng nhiệt từ V1 PdV (4) đến (1) : A41= V1 = P4V4 dV V V4 V = nRT1 ln V V4 = nRT1 ln VT V T (4) Công mà lượng khí thực chu trình A= A12+ A23 + A34+ A41 A= nRT2 ln V3T1 + nRT1 ln V1T2 = nR(T2 VT V3T1 VT 1 V T + T1 ln V T ) ln VT Thay số ta : A= 1152,63057 J Bài 24 : Cho n = 1mol khí lí tưởng biến qua trạng thái biểu diễn đồ thị V hình vẽ T 2T1 T1 đổi T- 17 V - Quá trình đoạn thẳng có đường kéo dài qua gốc tọa độ - Quá trình trình đẳng tích - Q trình đoạn cong thuộc đường cong có phương trình T T1 (a bV)V (trong T1 nhiệt độ trạng thái 1, a, b số dương) Biết T1 300K , V1 = (lít) Các thơng số trạng thái P, V, T n (mol) liên hệ với công thức PV nRT , với R= 8,31 J mol.K Xác định P1, P2 , P3 Tính cơng chất khí q trình ; ; Hướng dẫn nRT - Ở trạng thái 1: P1V1 nRT; P1 24,93.10 (Pa) V - Q trình từ V1 V2 Ta có : T T 1 trình đẳng áp, ta có: P2 ; V P1 24,93.10 (Pa) 2V - Quá trình từ q trình đẳng tích, ta có: P T3.P2 P2 12, 465.10 (Pa) T3 T2 +) Quá trình trình đẳng áp, chất khí thực cơng: A12 P1 (V1 V2 ) P1V1 nRT1 2493(J) +) Quá trình trình đẳng tích, ta có: A23 = 0(J) +) Xét q trình 1, chất khí nhận cơng Ta có : T T1 a bV V PV nRT Suy : P nRa nRbV ;P P2 T2 Ta thấy P hàm bậc V với hệ số a < Đồ thị biểu diễn trục (P,V) hình vẽ A 31 A23 p1 p p2V2 ln J V2 V3 V2 V1 nRT1 p p1 p3 V O 7479 (J) 2.105.6,24.10 ln2 8,65.102 2.4 Hiệu sáng kiến kinh nghiệm hoạt động giáo dục, với thân, đồng nghiệp nhà trường Thơng qua tìm hiểu phân tích kết việc ứng dụng sáng kiến kinh nghiệm “ Nâng cao hiệu bồi dưỡng học sinh giỏi phần nhiệt học chất khí vật lý 10” số năm, đặc biệt phạm vi rộng hai năm học 2016-2017 tự nhận thấy 18 - Đối với giáo viên, sáng kiến kinh nghiệm tài liệu quan trọng công tác giảng dạy đội tuyển học sinh giỏi cấp phần nhiệt học chất khí góp phần giải triệt để câu hỏi chốt đề thi - Đối với học sinh khá, giỏi, sáng kiến kinh nghiệm giúp cho em kỹ tư duy, suy luận lơgíc để chủ động, tự tin vào thân việc giải tập hay tượng vật lý khác mà em gặp sống Từ kết nghiên cứu, thân rút học kinh nghiệm sau: - Đối với giáo viên, dạy lớp học sinh có lực phải khơng ngừng tìm tịi, sáng tạo để nâng cao trình độ chun mơn nghiệp vụ sư phạm cho thân, phải ý việc phát triển tư cho học sinh thông qua giảng lí thuyết, thơng qua giải tập từ đơn giản đến phức tạp Từ tập cho em cách phân tích, tổng hợp, xử lí thơng tin để hiểu sâu hơn, ham mê môn học ứng dụng môn học vào sống Tất nhiên cần lựa chọn đối tượng để áp dụng cho hợp lí, tránh ơm đồm - Đối với học sinh muốn trở thành học sinh giỏi thật ngồi khả thân cần phải ý giảng tưởng đơn giản Thầy Bởi cách giúp em nghe để làm, để phát triển, để học cách phân tích, xử lí tình khác, nghĩa học để làm mười III Kết luận, kiến nghị 3.1 Kết luận Qua đề tài “ Nâng cao hiệu bồi dưỡng học sinh giỏi phần nhiệt học chất khí vật lý 10” Với biện pháp này, đề tài giúp học sinh có thái độ học tập tích cực hơn, tự vận dụng vấn đề cách sáng tạo hơn, giúp em học sinh biết cách tư lơgíc, phân tích, tổng hợp, xử lí thơng tin Từ học sinh cảm thấy say mê học mơn vật lí Có kết cao kỳ thi, thi học sinh giỏi Đối với Thầy cô giáo tài liệu học tập nâng cao kinh nghiệm, tay nghề việc dạy học Trên số kinh nghiệm suy nghĩ thân tơi, khiếm khuyết Rất mong hội đồng khoa học, đồng nghiệp nghiên cứu, 19 bổ sung góp ý để đề tài hoàn thiện hơn, để kinh nghiệm tơi thực có ý nghĩa có tính khả thi 3.2 Kiến nghị Theo tơi, để nâng cao chất lượng dạy học hàng năm phòng trung học phổ thông thuộc Sở giáo dục đào tạo cần lựa chọn cung cấp cho trường phổ thơng số sáng kiến, viết có chất lượng, có khả vận dụng cao để Thầy có hội học hỏi thêm đồng nghiệp, có hội phát triển thêm sáng kiến để tự người tìm phương pháp giảng dạy phù hợp với mình, phù hợp với đối tượng học sinh Tôi xin chân thành cảm ơn! XAC NHẬN CỦA Thanh Hóa, 12 thang 06 năm 2017 THỦ TRƯƠNG ĐƠN VI Tôi xin cam đoan la SKKN cua minh viêt, không chep nôi dung cua khac Ngươi viêt sang kiên Bùi Văn Dương TÀI LIỆU THAM KHẢO Sách giáo khoa vật lý 10 nâng cao, chủ biên Nguyễn Thế Khôi, nhà xuất giáo dục Sách giải toán vật lý 10, chủ biên Bùi Quang Hân – Trần Văn Bồi, Nhà xuất giáo dục Đề thi học sinh giỏi vật lý tỉnh nước 20 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: Bùi Văn Dương - Giáo viên Vật lý Chức vụ đơn vị công tác: TT chuyên môn – Trường THPT Hậu Lộc I TT Tên đề tài SKKN Cấp đánh Kết giá xếp loại đánh giá Năm học đánh giá xếp 21 (Phòng, Sở, Tỉnh ) Chứng minh số công thức vật lý cách sử dụng tổng số tự nhiên Chuyển động ném SởGD& ĐT Thanh Hóa SởGD& ĐT Thanh Hóa Phương pháp giải tốn dịng SởGD& điện xoay chiều pha ĐT Thanh Hóa Phát triển tư học sinh SởGD& qua toán chuyển động lăn ĐT Thanh Hóa vật rắn xếp loại loại (A, B, C) C 2006 C 2008 B 2012 C 2015 22 ... cao hiệu bồi dưỡng học sinh giỏi phần nhiệt học chất khí vật lý 10? ?? Với biện pháp này, đề tài giúp học sinh có thái độ học tập tích cực hơn, tự vận dụng vấn đề cách sáng tạo hơn, từ học sinh. .. kiến nghị 3.1 Kết luận Qua đề tài “ Nâng cao hiệu bồi dưỡng học sinh giỏi phần nhiệt học chất khí vật lý 10? ?? Với biện pháp này, đề tài giúp học sinh có thái độ học tập tích cực hơn, tự vận dụng... học bồi dưỡng học sinh thi học sinh giỏi cấp tỉnh môn Vật Lý II Nội dung sáng kiến kinh nghiệm 2.1 Cơ sở lí luận sáng kiến kinh nghiệm1 2.1.1 Thuyết động học phân tử chất khí – cấu tạo chất khí