SKKN: Xây dựng hệ thống bài tập và câu hỏi thực tế sử dụng phối hợp phương trình trạng thái của khí lý tưởng và các lực cơ học góp phần nâng cao hiệu quả dạy học Vật lý lớp 10

Mục tiêu của đề tài là Hướng dẫn học sinh giải các dạng bài tập sử dụng phối hợp phương trình trạng thái của khí lý tưởng các lực cơ học trong chương trình vật lý lớp 10 THPT; hình thành cho học sinh kỹ năng quan sát, đặt câu hỏi tìm hiểu vấn đề liên quan đến các kiến thức, bài tập trong khi học Vật lý nói chung và phần Nhiệt học nói riêng; sử dụng trong giảng dạy góp phần nâng cao chất lượng dạy học Vật lí ở trường THPT.

CHỮ VIẾT TẮT TRONG  ĐỀ TÀI BTVL Bài tập vật lí BTĐT  Bài tập định tính CHTT               DHVL   ĐC ĐH ĐHQG ĐHSP GV    HS    KHGD KHTN LL NXB NXBGD NXBKHKT PGS PP SGV SGK THPT      Câu hỏi thực tế Dạy học vật lí Đối chứng Đại học Đại học quốc gia Đại học sư phạm Giáo viên Học sinh Khoa học giáo dục Khoa học kĩ thuật  Lí luận Nhà xuất bản Nhà xuất bản giáo dục Nhà xuất bản khoa học kĩ thuật  Phó giáo sư Phương pháp  Sách giáo viên Sách giáo khoa  Trung học phổ thơng MỤC LỤC      Trang CHỮ VIẾT TẮT TRONG  ĐỀ TÀI . 1 MỤC LỤC   2 MỞ ĐẦU    4 1. Lý do chọn đề tài   4 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu   5 3. Mục đích nghiên cứu   5 4. Giả thuyết khoa học   6 5. Nhiệm vụ nghiên cứu   6 6. Phương pháp nghiên cứu   6 7. Đóng góp của đề tài   6 NỘI DUNG  . 7 A. CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ CƠ SỞ THỰC TIỄN   7 I. Cơ sở lí luận   7 1. Bài tập vật lí   7 2. Tác dụng của bài tập vật lí   7 3. Phân loại bài tập vật lý   8  II. Cơ sở thực tiễn   8 B. CÁC DẠNG BÀI TẬP SỬ DỤNG PHỐI HỢP PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG  THÁI CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG VÀ CÁC LỰC CƠ  HỌC  TRONG CHƯƠNG  TRÌNH   VẬT   LÍ   LỚP   10   THPT  9 I. Chủ đề 1: Phương trình trạng thái của khí lý tưởng và các lực cơ học   9 1. Bài tốn 1: Có lực tác dụng làm thay đổi các thơng số trạng thái của khí   9 1. 1. Cách sử dụng phối hợp các lực cơ học vào bài tốn phương trình trạng  thái của khí lý tưởng  9 Dạng 1: Phương trình trạng thái và lực đàn hồi   9 Dạng 2: Phương trình trạng thái và trọng lực   9   Dạng 3: Phương trình trạng thái và lực Acsimet   9 Dạng 4: Phương trình trạng thái và lực ma sát  10   1.2. Phương pháp giải chung   10 1.3. Một số ví dụ  10 Dạng 1: Phương trình trạng thái và lực đàn hồi   10 Dạng 2: Phương trình trạng thái và trọng lực  10 Dạng 3: Phương trình trạng thái và lực Acsimet  11 Dạng 4: Phương trình trạng thái và lực ma sát  13 2. Bài tốn 2: Biến đổi nội năng làm thay đổi thơng số trạng thái của khí và  gây ra lực tác dụng   14 2.1. Cách làm biến đổi thơng số của khí để tạo ra lực tác dụng và sử dụng phối hợp  các lực cơ học vào bài tốn phương trình trạng thái của khí lý tưởng  14 2.2. Phương pháp giải chung   14 2.3. Một số ví dụ   15 Dạng 1: Phương trình trạng thái và lực đàn hồi  15 Dạng 2: Phương trình trạng thái và trọng lực  15 Dạng 3: Phương trình trạng thái và lực Acsimet   16 3. Các bài tập tổng hợp  16 3.1. Cách sử dụng phối hợp nhiều lực cơ học vào bài tốn phương trình trạng thái  của khí lý tưởng  16  3.2. Phương pháp giải chung  17 3.3 . Một số ví dụ   17 II. Chủ đề 2: Các bài tập định tính và câu hỏi thực tế về trạng thái khí lý tưởng và  các lực cơ học ứng dụng trong thực tiễn  19 Dạng 1: Các bài tập định tính và câu hỏi thực tế  19 Dạng 2: Ứng dụng của các dạng toán đã đề cập trong thực tiễn  20 Dạng 3: Một số mẫu chuyện vui  20 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ  23 PHỤ LỤC 1: BÀI TẬP TỰ NGHIÊN CỨU  24 PHỤ LỤC II: HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI  27  TÀI LIỆU THAM KHẢO  33 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Dạy học nói chung và dạy vật lý nói riêng ngồi việc cung cấp kiến thức, phải   làm sao phát triển được năng lực sáng tạo ở học sinh, hình thành năng lực làm việc   tự lực ở họ Mục tiêu giáo dục trong thời đại mới là khơng chỉ dừng lại  ở việc truyền thụ  những kiến thức, kỹ năng có sẵn cho học sinh mà điều đặc biệt quan trọng là phải  bồi dưỡng cho họ năng lực sáng tạo, năng lực giải quyết vấn đề, để  từ  đó có thể  tìm ra và chiếm lĩnh những tri thức mới, phương pháp mới, cách giải quyết vấn đề  mới, góp phần làm giàu thêm nền kiến thức của nhân loại Tạo hứng thú học tập cho học sinh ở các mơn học nói chung và mơn vật lí nói  riêng là hết sức quan trọng. Nếu làm được điều này trong q trình giảng dạy là  điều kiện thuận lợi nhất để học sinh tự lực chiếm lĩnh kiến thức, đó cũng chính là  đích mà phương pháp dạy học mới hướng đến.   Bài tập vật lý là một phương tiện có tầm quan trọng đặc biệt trong rèn luyện   tư duy, bồi dưỡng phương pháp nghiên cứu khoa học cho học sinh. Bởi vì, giải bài  tập vật lý là hình thức làm việc tự lực căn bản của học sinh, trong khi giải bài tập,   học sinh phải phân tích điều kiện đề bài, lập luận logic, thực hiện các phép tốn để  kiểm tra các kết luận của mình. Trong những điều kiện như  vậy tư  duy sáng tạo   của học sinh sẽ được phát triển, năng lực làm việc của học sinh sẽ được nâng cao.  Nhằm giúp cho học sinh có cách nhìn tổng qt về  các dạng  bài tập sử dụng  phối hợp phương trình trạng thái của khí lý tưởng và các lực cơ  học trong chương  trình vật lý lớp 10 THPT cũng như  có phương pháp lựa chọn, định hướng phương  pháp giải, các bước giải cụ  thể  phù hợp. Bài tập định tính và câu hỏi thực tế  góp  phần quan trọng trong việc hình thành cho học sinh kỹ  năng quan sát, đặt câu hỏi,  tìm tịi, sáng tạo để  tìm hiểu những vấn đề  trong thực tiễn liên quan đến các kiến   thức, đồng thời bài tập định tính và câu hỏi thực tế là định hướng tốt giúp học sinh   nhận dạng các bài tập trong khi học Vật lý nói chung và phần Nhiệt học nói riêng   Trong chương trình vật lí THPT hệ thống bài tập và câu hỏi thực tế sử dụng phối   hợp phương trình trạng thái của khí lý tưởng và các lực cơ  học trong chương trình  vật lý lớp 10 THPT  khá quan trọng được sử  dụng nhiều trong q trình dạy học  chương Chất khí thuộc phần Nhiệt học; nó xuất hiện nhiều trong các đề  thi học   sinh giỏi các cấp và có thể sẽ là một phần trong kỳ thi THPT Quốc gia những năm  tới. Loại bài tập này có rất nhiều bài tập khó, học sinh thường rất lúng túng khơng   có định hướng giải; các bài tập định tính và câu hỏi thực tế  khơng được đưa vào   nhiều trong hệ thống bài tập SGK cũng là một vấn đề khiến học sinh ít quan tâm và  chưa có đủ kinh nghiệm nhận diện vấn đề  tìm ra câu trả  lời. Vì những lí do đó tơi  đã thực hiện đề  tài:  “Xây dựng hệ  thống  bài tập và câu hỏi thực tế  sử  dụng   phối hợp phương trình trạng thái của khí lý tưởng và các lực cơ học góp phần   nâng cao hiệu quả dạy học vật lý lớp 10 THPT”.  2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a. Đối tượng nghiên cứu ­ Học sinh THPT, học sinh dự thi học sinh giỏi và học sinh ơn thi THPT Quốc   gia ­ Bài tập và câu hỏi thực tế sử dụng phối hợp phương trình trạng thái của khí  lý tưởng và các lực cơ học trong chương trình vật lý lớp 10 THPT”.  b. Phạm vi nghiên cứu ­ Đề tài là tài liệu cho học sinh các trường THPT, học sinh tham dự các kì thi   học sinh giỏi, học sinh ơn thi THPT Quốc gia tiếp cận với kiến thức về bài tập và  câu hỏi thực tế sử dụng phối hợp giữa phương trình trạng thái của khí lý tưởng và   các lực cơ học trong chương trình vật lý lớp 10 THPT.  3. Mục đích nghiên cứu ­ Hướng dẫn học sinh giải các dạng bài tập sử  dụng phối hợp phương trình  trạng thái của khí lý tưởng các lực cơ học trong chương trình vật lý lớp 10 THPT ;   hình thành cho học sinh kỹ năng quan sát, đặt câu hỏi tìm hiểu vấn đề liên quan đến   các kiến thức, bài tập trong khi học Vật lý nói chung và phần Nhiệt học nói riêng ;  sử  dụng trong giảng dạy góp phần nâng cao chất lượng dạy học Vật lí   trường   THPT ­ Kết quả nghiên cứu đề tài là tư liệu phục vụ cho q trình dạy học của bản  thân, là tài liệu tham khảo cho giáo viên, học sinh bậc trung học phổ thơng trong q  trình giảng dạy, học tập, nghiên cứu phần Nhiệt học thuộc chương trình vật lý 10   THPT, đồng thời cũng là tài liệu cần thiết cho việc dạy bồi dưỡng học sinh giỏi các  cấp và ơn thi THPT quốc gia 4. Giả thuyết khoa học ­ Nếu xây dựng được hệ  thống  bài tập về  sử  dụng phối hợp phương trình  trạng thái của khí lý tưởng trong chương trình vật lý lớp 10 THPT  và xây dựng  được phương pháp giải thì sẽ  nâng cao được kiến thức kỹ  năng, phát triển tư  duy   sáng tạo. Đồng thời nếu nhìn nhận, liên hệ  được các bài tập dạng này vào trong  thực tiễn đặc biệt sẽ giúp học sinh có kỹ  năng năng quan sát, đặt câu hỏi tìm hiểu  vấn đề  và giải các bài tập định tính cũng như  giải thích các hiện tượng Vật lý có   trong tự  nhiên. Những vấn đề  nghiên cứu này đều góp phần tạo động lực, khiến  các em u thích nghiên cứu về Vật lý học cũng như nâng tầm về kỹ năng sống.  5. Nhiệm vụ nghiên cứu ­ Hệ thống hố cơ sở lí luận về phương pháp dạy học Bài tập Vật lí ở trường   THPT ­ Hướng dẫn học sinh giải hệ  thống bài tập sử  dụng phối hợp phương trình  trạng thái của khí lý tưởng và các lực cơ  học trong chương trình vật lý lớp 10   THPT ­ Hướng dẫn học sinh giải quyết các bài tập định tính và câu hỏi thực tế liên  quan đến khí lý tưởng và các lực cơ học 6. Phương pháp nghiên cứu ­ Phương pháp nghiên cứu lí thuyết ­ Phương pháp dạy học bài tập Vật lí ­ Phương pháp thực nghiệm.  ­ Phương pháp tổng kết kinh nghiệm GD 7. Đóng góp của đề tài ­ Hệ thống bài tập và phương pháp giải các dạng bài tập "sử dụng phối hợp  phương trình trạng thái của khí lý tưởng và các lực cơ học trong chương trình vật lý  lớp 10 THPT" ­ Một số bài tập định tính và câu hỏi thực tế; một số mẫu chuyện vui liên hệ  vào thực tiễn của các dạng bài tập sử  dụng phối hợp phương trình trạng thái của  khí lý tưởng và các lực cơ học trong chương trình vật lý lớp 10 THPT NỘI DUNG A. CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ CƠ SỞ THỰC TIỄN I. Cơ sở lí luận 1. Bài tập vật lí Bài tập vật lí: Ta có thể xem định nghĩa bài tập vật lý  trong “lý luận dạy học  vật lý” của Phạm Hữu Tịng là bao qt: “Trong thực  tiễn dạy học, bài tập vật lý  được hiểu là một vấn đề  được đặt ra địi hỏi phải giải quyết nhờ  những suy nghĩ  logic, những phép tốn và những thí nghiệm dựa trên cơ sở các định luật và phương  pháp vật lý. Hiểu theo nghĩa rộng thì mỗi vấn đề  xuất hiện do nghiên cứu tài liệu  giáo khoa cũng chính là một bài tập đối với học sinh. Sự  tư  duy định hướng một   cách tích cực ln là việc giải bài tập vật lý” Bài tập vật lí có nội dung thực tế là các bài tập vật lí có nội dung  liên quan   đến các vấn đề thực tế trong đời sống, sản xuất, lao động và ứng dụng trong thực   tiễn.  2. Tác dụng của bài tập vật lí  Giải bài tập vật lý là một trong những hình thức luyện tập chủ yếu và được  tiến hành nhiều nhất trong hoạt động dạy học. Do vậy, bài tập vật lý có tác dụng   cực kì quan trọng trong việc hình thành, rèn luyện kỹ năng, kỹ xảo vận dụng và tìm  tịi kiến thức cho học sinh. Chúng được sử  dụng trong những tiết học với những   mục đích khác nhau: ­ Bài tập vật lý được sử dụng như là các phương tiện nghiên cứu tài liệu mới,  khi trang bị kiến thức mới cho học sinh nhằm đảm bảo cho học sinh lĩnh hội kiến  thức mới một cách sâu sắc và vững chắc ­ Bài tập vật lý là phương tiện rèn luyện cho học sinh kỹ  năng, kỹ  xảo vận   dụng kiến thức, liên hệ lý thuyết với thực tiễn, học tập với đời sống ­ Bài tập vật lý là một phương tiện có tầm quan trọng đặc biệt trong việc rèn   luyện tư  duy, bồi dưỡng phương pháp nghiên cứu khoa học cho học sinh. Bởi vì,  giải bài tập vật lý là hình thức làm việc tự lực căn bản của học sinh.  ­ Bài tập vật lý là phương tiện ơn tập và củng cố kiến thức đã  học một cách  sinh động và có hiệu quả ­ Thơng qua giải bài tập vật lý có thể rèn luyện được những đức tính tốt như:   tính độc lập, tính cẩn thận, kiên trì, vượt khó ­ Bài tập vật lý là phương tiện để kiểm tra đánh giá kiến thức, kỹ năng của  học sinh một cách chính xác.  Trong bài tập vật lí thì bài tập thực tế có nội dung sát với thực tiễn của học  sinh nên dễ dàng tập trung được sự chú ý của học sinh và gây ra hứng thú làm việc  ở họ 3. Phân loại bài tập vật lý.  Có nhiều cách phân loại bài tập vật lý, tuỳ  thuộc vào việc người phân loại  chọn tiêu chí nào. Nếu căn cứ vào nội dung kiến thức thì có bài tập:  cơ, nhiệt, điện,  quang ; Nếu căn cứ vào việc bài tập có u cầu xác định đại lượng vật lý nào đó   hay khơng mà ta có thể phân bài tập định tính và bài tập định lượng.  Bài tập định tính thường được giải bằng những suy luận logic dựa trên các   định luật vật lý bằng phương pháp đồ thị hoặc thực nghiệm. Ở đây khơng sử dụng  đến các phép tính tốn học.  Các câu hỏi và bài tập thực tế  thường có nội dung vật lý liên quan đến cuộc   sống thường ngày, các hoạt động thực tiễn của học sinh.  II. Cơ sở thực tiễn Bài tốn sử dụng phối hợp phương trình trạng thái của khí lý tưởng và các lực   cơ học trong chương trình vật lý lớp 10 THPT cần kết hợp nhiều kiến thức  Muốn  có một phương pháp giải nhanh gọn, dễ hiểu trước hết nên tìm hiểu hệ thống các   bài tập điển hình, định hướng chọn phương pháp, các bước giải nhanh nhất, hiệu   quả nhất.  Sau khi xây dựng được hệ thống bài tập  sử dụng phối hợp phương trình trạng  thái của khí lý tưởng và các lực cơ  học trong chương trình vật lý lớp 10 THPT thì   việc giải các bài tốn về loại này đối với học sinh trở nên dễ dàng hơn Trong những năm giảng dạy tại trường THPT tơi đã áp dụng tinh thần của đề  tài này trong q trình giảng dạy chính khóa, dạy bồi dưỡng học sinh giỏi cấp tỉnh   và kết quả là tốt hơn rất nhiều so với khi chưa nghiên cứu đề tài B  CÁC DẠNG BÀI TẬP  SỬ  DỤNG PHỐI HỢP PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG  THÁI CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG VÀ CÁC LỰC CƠ  HỌC  TRONG  CHƯƠNG  TRÌNH VẬT LÍ LỚP 10 THPT I. Chủ đề 1: Phương trình trạng thái của khí lý tưởng và các lực cơ học.  1. Bài tốn 1: Có lực tác dụng làm thay đổi các thơng số trạng thái của khí 1. 1. Cách sử dụng phối hợp các lực cơ học vào bài tốn phương trình trạng  thái của khí lý tưởng.  Dạng 1: Phương trình trạng thái và lực đàn hồi Lực đàn hồi thường được khai thác trong bài tốn pittơng đặt nằm ngang   hoặc nghiêng góc α  với mặt nằm ngang theo các cách: + Lực đàn hồi của lị xo, của dây nối với pittơng + Phản lực của mặt sàn lên xi lanh khi nó ở trạng thái cân bằng hay trượt   trên mặt sàn có ma sát Dạng 2: Phương trình trạng thái và trọng lực.  Trọng lực thường được khai thác trong bài tốn pittơng đặt thẳng đứng   hoặc nghiêng góc α  với mặt nằm ngang theo các cách: + Trọng lực của   pittơng khi pittơng   trạng thái cân bằng hay chuyển   động dọc theo xi lanh + Trọng lực của xi lanh khi xi lanh  ở trạng thái cân bằng hay trượt trên   mặt sàn + Trọng lực của vật nặng đặt thêm hay bỏ bớt  trên xi lanh Dạng 3: Phương trình trạng thái và lực Acsimet Lực Acsimet thường được khai thác trong các bài tốn vật hay xi lanh chứa  khí được đặt cân bằng, chuyển động trong chất lưu: + Khí cầu chuyển động trong khơng khí + Xi lanh chứa khí đặt cân bằng hay chuyển động trong chất lỏng Dạng 4: Phương trình trạng thái và lực ma sát Lực ma sát thường được khai thác giữa pittơng và xi lanh hay giữa xi lanh  và sàn + Pittơng chuyển động dọc theo xi lanh đặt thẳng đứng hay đặt nghiêng  góc α  với mặt nằm ngang + Xi lanh chuyển động trên mặt sàn 1.2. Phương pháp giải chung.  ­ Bước 1: Phân tích đủ các lực có mặt trong bài tốn. Viết phương trình  cân bằng lực hoặc phương trình cân bằng áp suất đối với pittơng ­ Bước 2: Dựa vào phương trình cân bằng áp suất đối với khí để xác định  áp suất khí sau khi có lực tác dụng ­ Bước 3: Viết phương trình trạng thái hoặc các đẳng q trình cho khí  trong xi lanh 10 1. Những chai đựng đầy nước giải khát có hịa tan khí cacbonic nếu để vào chỗ ấm  ta thấy nút chia bị bật ra? Vì sao vậy?  2. Tại sao chiếc ống giác được hơ nóng sẽ bám chặt vào da người ta 3. Tại sao một chiếc bình đựng khi nén khí nở  sẽ  nguy  hiểm cịn một chiếc  ống   đựng nước dưới áp suất lớn khi nổ khơng nguy hiểm? 4. Lực nâng  khí cầu phụ thuộc vào nhiệt độ như thế nào? 5. Bóng đèn điện chứa đầy khí nitơ ở nhiệt độ và áp suất thấp.Tại sao phải nạp khí  vào bóng đèn ở những điều kiện như vậy? 6. Tại sao ném một quả bóng đã bị thủng xuống sân thì nó khơng nảy lên được 7. Tại sao khi dùng chiếc bơm xe đạp chiếc bơm lại bị nóng lên  8. Người ta mang bình khơng khí nén lặn xuống nước để quan sát và tìm chỗ hỏng ở  đáy tàu. Vì sao người ấy chỉ có thể sửa chũa tối đa trong một thời gian xác định? 9. Thuốc súng khi cháy tại sao có thể  đẩy đạn ra khỏi nịng súng với vận tốc khá   lớn? 10. Bóng thám khơng chứa khí hiđrơ tại sao chỉ có thể bay tới một độ cao xác định? Dạng 2: Ứng dụng của các dạng tốn đã đề cập trong thực tiễn 1. Ứng dụng 1: Động cơ đốt trong  Hỗn   hợp   khơng   khí     nhiên   liệu   (thường     gọi  là hồ khí) được đốt trong xi lanh của động cơ đốt trong.  Khi đốt cháy nhiệt độ  tăng làm cho khí đốt giãn nở  tạo  nên áp suất tác dụng lên một pittơng đẩy pittơng này di  chuyển đi. Ứng dụng trong động cơ xe máy ơtơ 2. Ứng dụng 2: Van an tồn nồi áp suất Với nồi áp suất được trang bị 2 van xả gồm 1 van chính  và 1 van phụ thì van chính là van hạn chế áp suất, giữ  nhiệm vụ xả áp chính để cân bằng mức áp suất an tồn  trong nồi nấu. Khi van chính khơng hoạt động hay xả áp  khơng kịp, van phụ sẽ xả hơi ra ngồi đảm bảo phịng  tránh nguy cơ cháy nổ 20 Dạng 3: Một số mẫu chuyện vui 1. Tại sao ngọn lửa khơng tự tắt? Ngọn lửa trong mơi trường hấp dẫn bình thường Lẽ thường, q trình cháy tạo ra khí CO2 và hơi nước, đều là những chất khơng có  khả năng duy trì sự cháy. Những chất này sẽ bao bọc lấy ngọn lửa, ngăn khơng cho  nó tiếp xúc với khơng khí. Như  vậy, ngọn lửa   phải tắt ngay từ  lúc nó mới bắt đầu hình thành   chứ? Nhưng tại sao việc đó lại khơng xảy ra? Tại  sao khi dự  trữ  nhiên liệu chưa cháy hết thì q   trình   cháy     kéo   dài   không   ngừng?   Ngun  nhân duy nhất là, chất khí sau khi nóng lên thì sẽ  nở  ra và trở  nên nhẹ  hơn. Chính vì thế, các sản  phẩm nóng của sự cháy khơng   lại nơi chúng được hình thành (nơi trực tiếp gần  ngọn lửa), mà bị  khơng khí mới lạnh hơn và nặng hơn, đẩy lên phía trên một cách  nhanh chóng.             Ở  đây, nếu như  định luật Acsimet khơng được áp dụng cho chất khí (hoặc,   nếu như  khơng có trọng lực), thì bất kỳ  ngọn lửa nào cũng chỉ  cháy được trong  chốc lát rồi sẽ tự tắt ngay. Cịn trong mơi trường hấp dẫn yếu,  ngọn lửa sẽ có hình  thù rất kỳ quặc Chúng ta dễ dàng thấy rõ tác dụng tai hại của những sản phẩm cháy đối với  ngọn lửa. Chính bạn cũng thường vơ tình lợi dụng nó để  làm tắt ngọn lửa trong  đèn. Bạn thường thổi tắt ngọn đèn dầu hỏa như  thế  nào? Bạn thổi từ  phía trên  xuống, tức là đã dồn xuống dưới, về  phía ngọn lửa, những sản phẩm khơng cháy  được (do sự cháy sinh ra), và ngọn lửa tắt vì khơng có đủ khơng khí 2. Phép màu đã được tạo ra như thế nào ?  Nhà cơ học cổ hi lạp Hê rơng, người Alecxanddowri,  người phát minh ra vịi nước mang tên ơng, đã chỉ cho  chúng ta hai phương pháp kĩ xão mà các giáo sĩ Ai Cập  21 dùng để lừa bịp nhân dân, làm cho họ tin vào những phép màu. Trên hình, bạn nhìn  thấy một cái bàn thờ rỗng bằng kim loại; dưới bàn thờ này,  người ta đặt ngầm ở  dưới một hệ thống làm chuyển động cánh cửa bàn thờ. Bàn thờ thì đặt ở ngồi cửa.  Khi đốt lửa, khơng khí ở dưới bàn thờ nóng lên ép mạnh vào nước đặt trong một cái  bình đặt ngầm ở dưới nền gạch; nước trong bình từ một cái ống chảy vào một cái  thùng, thùng này nặng liền hạ xuống, làm cho chuyển động hệ thống mở tung cánh  cửa  Những người đứng xem chẳng ai ngờ rằng ngầm  ở dưới đất có một hệ thống bố trí đặc biệt, họ hết sức  ngạc nhiên về một phép màu; chỉ cần nhóm lửa trên  bàn thờ là của đền nghe theo lời khấn hứa của các  giáo sĩ mở ra Sau khi đốt lửa trên bàn thờ, khơng khí nở ra và  ép vào dầu trong cái thùng đặt ở dưới, làm cho dầu  này dồn vào trong ống ngầm đặt ở trong mình hai pho  tượng và thế là dầu tự động rót vào lửa  Nhưng chỉ cần viên giáo sĩ trơng coi bàn  thờ ấy mở cái nút đậy trên thùng dầu là dầu tự nhiên sẽ khơng chảy ra nữa (bởi vì  khơng khí thừa từ đó đi ra ngồi) các giáo sĩ thường dùng những thủ đoạn này khi  gặp các thiện nam tín nữ q keo kiệt Nhận xét:  ­ Trạng thái khí lý tưởng trong thực tế  có nhiều liên hệ  với lực cơ  học. Các   bài tập định tính và câu hỏi thực tế rất quan trọng giúp học sinh nhận dạng các bài   tốn đã đề cập trong đề tài và cũng nhờ đó mà khi gặp các bài tốn khó học sinh sẽ   nhanh chóng nhìn ra dạng và có định hướng giải ­ Việc nhìn nhận được sự  có mặt của các dạng tốn trong cuộc sống và kỹ   thuật sẽ giúp học sinh thích thú hơn khi chiếm lĩnh kiến thức mới và giảm tải áp lực   trong q trình nghiên cứu giải các bài tập khó ­ Các bài tập định lượng đưa ra trong đề tài cũng giúp sáng tỏ hơn các vấn đề   thực tiễn liên quan 22 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ        Hệ thống các bài tập và phương pháp giải các bài tốn và câu hỏi thực tế sử  dụng phối hợp phương trình trạng thái của khí lý tưởng và các lực cơ  học   tơi đã  đưa ra trên đây đã phần nào đem lại cho học sinh có cách nhìn tổng qt hơn về các   dạng bài tập và các phương pháp giải bài tốn sử dụng phối hợp phương trình trạng  thái của khí lý tưởng và các lực cơ  học. Bằng thực tế  giảng dạy, khi đưa các bàì  tập này cho học sinh rèn luyện đã thu được kết quả khả quan, hầu như các dạng bài  này học sinh đều biết vận dụng, giải thích.  Đề tài này đã được vận dụng thành cơng ở trường THPT nơi tơi cơng tác, có  thể  dùng làm tài liệu tham khảo cho các giáo viên vật lí cũng như  các em học sinh  23 tham gia bồi dưỡng học sinh giỏi cấp tỉnh và học sinh lớp 10 khi học phần nhiệt   học Với thời gian hạn chế, năng lực của bản thân có hạn hơn nữa đây la mơt vân ̀ ̣ ́  đê kho đơi v ̀ ́ ́ ơi hoc sinh THPT nên ch ́ ̣ ắc khơng tránh khỏi những thiếu sót, mong  được sự góp ý của các đồng nghiệp và các bạn đê đê tai hoan chinh h ̉ ̀ ̀ ̀ ̉ ơn PHỤ LỤC 1: BÀI TẬP TỰ NGHIÊN CỨU Bài 1. Một xilanh có pittơng nằm ngang như hình vẽ. pittơng tiết diện S=50xi lanh  chứa 500cm3 khối khơng khí.  a. Tìm áp suất khơng khí bên trong xilanh khi pittơng đứng n b. Kéo pittơng sang  phải một đoạn 2cm. Tìm lực cần thiết để giữ  pittơng ở  vị  trí này. Biết áp suất khí  quyển là   24 Bài 2. Một pittơng  nặng đứng cân bằng trong một xilanh. Khối khí ở trên và ở dưới  có nhiệt độ  bằng nhau. Thể tích khí ở  phần trên lớn gấp 3 lần thể tích khí ở  phần  dưới. Hỏi thể tích các khí này sẽ thay đổi như  thế nào nếu nhiệt độ  các phần tăng  lên hai lần Bài 3. Trong xilanh đặt thẳng đứng có chứa một lượng khí, đậy phía trên là một  pittơng khối lượng m=1kg, diện tích S=10cm2. Pittơng được giữ  bằng lị xo L nhẹ,  dài, độ cứng k=100N/m, đầu trên của lị xo có thể móc vào một trong những cái đinh   cố  định có độ  cao khác nhau như hình vẽ. Ban đầu, khí trong xilanh có thể  tích 0,5  lít và nhiệt độ 27. Lị xo móc vào điểm O, đang bị nén một đoạn 10 cm. Nung nóng  khí trong xilanh lên đến nhiệt độ 227 a. Để vị trí pittơng trong xilanh khơng đổi, cần móc đầu trên của lị xo vào điểm M  cách O một đoạn bao nhiêu? Về phía nào? b. Để  pittơng nằm ở  vị  trí phía trên và cách vị  trí ban đầu của nó một đoạn 50 cm,  phải móc đầu trên của lị xo vào điểm N cách O một đoạn bao nhiêu? Về phía nào?   Biết áp  suất khí quyển p0=105N/m2. Lấy g=10m/s2 Bài 4. Trong một ống được giữ chặt nằm ngang, có 2 pittơng gắn chặt với nhau  bằng một thanh cứng và có thể di chuyển khơng ma sát trong ống. Diện tích pittơng  lần lượt là S1=15cm2 và S2=30cm2. Pittơng nhỏ nối vào một điểm cố định O qua lị  xo nằm ngang, có độ cứng k = 200N/m. Ở giữa hai pittơng kín có chứa khí, ban đầu  nhiệt độ và áp suất của chất khí giữa hai pittơng và bên ngồi như nhau, đều bằng  270C và 105N/m2, lị xo chưa biến dạng. Sau đó, chất khí giữa các pittơng được nung  nóng thêm 600C. Hỏi phải di chuyển điểm O một đoạn bằng bao nhiêu theo chiều  nào để vị trí các pittơng trong ống khơng thay đổi? b.Bỡnhvtrớcõu(1).Nhitcakhụngkhớbngbaonhiờuthỡkhụngcũnchờnh lchnúitrờnna?psutkhớquynp0=9,4.104Pa,lyg=10m/s2 Bi5.MtkhớcucúthtớchV=336m3vkhilngvm=84kgcbm khụngkhớnúngnỏpsutbngỏpsutkhụngkhớbờnngoi.Hinhitca khụngkhớtrongkhớcuớtnhtphibngbaonhiờunúcúthbaylờnc? Khụngkhớbờnngoicúnhit270C,ỏpsutbng1at;àkhụngkhớ=29g/mol. 25 Bi6.Mtbỡnhhỡnhtrcaol0=20cmchakhụngkhớnhit.Ngitaln ngcbỡnhvnhỳngvochtlngcúkhilngriờngchoỏyngangvimt thoỏngchtlng.Khụngkhớbnộnchimẵbỡnh a. Nâng bình cao thêm một khoảng l1=12cm thì mực chất lỏng trong bình chênh lêch  bao nhiêu so với mặt thống ở ngồi? b. Bình ở vị trí câu (a). Nhiệt độ của khơng khí bằng bao nhiêu thì khơng cịn chênh  lệch nói trên nữa? Áp suất khí quyển  Bài 7. Một bình hình trụ  đặt nằm ngang được ngăn làm hai phần nhờ  một pittơng  cách nhiệt có độ  dày khơng đáng kể, có thể  chuyển động khơng ma sát trong bình    hình vẽ. Ngăn 1 chứa khí He   nhiệt độ  270C, ngăn 2 chứa khí H2. Biết khối  lượng khí ở hai ngăn bằng nhau. Chiều dài các ngăn chứa k hí tương ứng là  l1 = 10  cm; l2 = 24 cm. Tính nhiệt độ của khí H2 Bài 8. Một hình lập phương, cạnh a = 1m, chứa khơng khí với áp suất khí quyển  p0=105 N/m2 và được gắn đơi bằng một pittơng mỏng P. Qua vịi nước V ở nửa bên  trái, ta giữ pittơng và cho nước vào ngăn trái đến mực   Hỏi khi pittơng khơng bị giữ  thì nó dịch chuyển một đoạn bao nhiêu? Bỏ qua ma sát giữa pittơng và thành ở điều   kiện đẳng nhiệt. Biết g=10m/s2, khối lượng riêng của nước D=103kg/m3 Bài  9. Có một xi lanh (Hình vẽ), trong xilanh có một pittơng có thể  chuyển động  khơng ma sát đồng thời chia xilanh thành 2 phần bằng A và B. Phía dưới xilanh nối   với phần C thơng qua một  ống nhỏ  có khóa K điều khiển. Pittơng được nối với  thành trên của xilanh bằng một lị xo, khi pittơng nằm sát thành dưới của xilanh thì   lị xo khơng biến dạng. Lúc đầu khóa K đóng, trong B có chứa một lượng khí nhất  định, trong A và C là chân khơng, bề cao của phần B là l1=0,1 (m) thể tích của B và  C bằng nhau và lực của lị xo  tác dụng lên pittơng bằng trọng lượng của pittoong.  Sau đó mở khóa K và đồng thời lật ngược hệ lại. Tính chiều cao l 2 của phần B khi  pttong cân bằng Bài 10. Một pittơng chuyển động khơng ma sát trong một xilanh thẳng đứng. Phía   trên và phía dưới pittơng có hai khối lượng bằng nhau của cùng một mol khí lí  tưởng. Tồn thể xi lanh có nhiệt T. Khi đó, tỉ số các thể tích của hai khối khí là  Tính  26 tỉ số này khi nhiệt độ xilanh có giá trị nhiệt độT’>T. Bỏ qua sự giản nở vì nhiệt của  pittơng và xilanh Bài 11: Trong một bình kim loại trụ trịn có 2 pittơng có thể chuyển động khơng ma  sat dọc theo thành bình. Pittơng có khối lượng khơng đáng kể. Tiết diện của một  pittơng là S=10­3m2. Hai pittơng chia thành 2 ngăn A và B như hình vẽ.  Hai ngăn A, B chưa cùng một loại khí lí tưởng   cùng nhiệt độ.  Ở  trạng thái cân   bằng   độ  cao mỗi ngăn tương  ứng là ha=10cm, hb=20cm. Tác dụng lên pittơng a  một lực  làm nó chuyển động đi lên (hình vẽ). Khi pittơng a di chuyển được một  đoạn   thì hai pittơng a và b trở lại trạng thái cân bằng. Nhiệt độ khí trong các ngăn   A và B khơng đổi, áp suất khí quyển p0=105Pa Tìm độ lớn của lực  và độ dịch chuyển của pittơng b PHỤ LỤC II: HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI HỆ THỐNG BÀI TẬP SỬ DỤNG PHỐI HỢP PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG  THÁI, NGUN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC VÀ CÁC LỰC CƠ HỌC Phương pháp giải chung: ­  Theo trình tự các bước như các bài tốn đã nêu ra trong đề tài ­ Nếu thiếu phương trình so với ẩn số (đề bài cho khuyết 1 số đại lượng: Độ  cứng của lị xo; khối lượng, tiết diện pittơng ) và cho thêm cơng thức tính nội  năng (đối với khí đơn ngun tử, lưỡng ngun tử ),  thì cần viết thêm ngun  lý I NĐLH để giải bài tốn ­ Có thể phát triển đề tài cho học sinh lớp 12 bằng cách cho xi lanh hoặc pittơng   dao động điều hịa Bài tốn: Có lực tác dụng làm thay đổi các thơng số trạng thái của khí 27 Dạng 1: Phương trình trạng thái, ngun lý I nhiệt động lực học và lực đàn  hồi.  Ví dụ  1 :  Một xilanh nằm ngang, bên trong có một pittơng ngăn xilanh thành hai  phần: Phần bên trái chứa khí lí tưởng đơn ngun tử, phần bên phải là chân khơng   Hai lị xo k1, k2 gắn vào hai pittơng và đáy xilanh như hình vẽ. Lúc đầu pittơng được  giữ ở cả hai vị trí mà lị xo chưa biến dạng, trạng thái khí lúc đó là (p 1,V1, T1). Giải  phóng pittơng thì khi pittơng  ở vị trí cân bằng trạng thái khí(p2, V2, T2) với V2=3V1.  Bỏ qua các lực ma sát. Xilanh, pittơng, các lị xo đều cách nhiệt.  Giải: Khi pittơng ở vị trí cân bằng, độ biến dạng mỗi lị xo là x: Bài tập 1: Trong một xilanh đặt nằm ngang, phía trên trái của pittơng được giữ chặt   có chứa 1 mol khí lí tưởng lưỡng ngun tử  có áp suất p0 , nhiệt độ  T1. Phần bên  phải của xilanh là chân khơng, lị xo nằm giữa pittơng và thành xilanh thì   trạng   thái khơng biến dạng. Khi thả tự do pittơng, thể tích do chất khí chiếm tăng lên gấp   đơi. Tìm nhiệt độ  T2 và áp suất p2  của chất khí lúc này. Biết xilanh cách nhiệt với   mơi trường xung quanh. Xilanh, pittơng và lị xo có nhiệt dung nhỏ có thể bỏ qua Dạng 2: Phương trình trạng thái, ngun lý I nhiệt động lực học và trọng lực Ví dụ 2: Một xilanh thẳng đứng tiết diện 100cm2 chứa khí ở 27, đậy bởi pittơng  nhẹ cách đáy 60cm. Trên pittơng có đặt một vật khối lượng 100kg. Đốt khí thêm  50 .Tính cơng do khí thực hiện. Cho áp suất khí quyển 1,01.N/m2; g = 9, 8m/s2 28 Giải: Khí tác dụng lực  lên pitong làm pittơng dịch chuyển lên phía trên và khí thực hiên   cơng. Cho rằng pittơng lên chậm coi như  là thẳng đều. Áp lực   cân bằng bằng  (trọng lực của vật và áp lực khí quyển ), suy ra áp suất khí trong xilanh vẫn ln  khơng đổi vẫn là p1. Áp suất  này bằng tổng áp suất của p 0 của khí quyển và áp suất  p’do pittơng và vật gây ra cho khí. Q trình nung nóng khí trong khi lanh là đẳng áp Gọi: m là  khối lượng của vật; S là tiết diện của xilanh; p1,T1và V1 là áp suất nhiệt  độ  và thể tích ban đầu của khí trong xilanh; p 1,T2 và V2 là áp suất, nhiệt độ  và thể  tích ban cuối của khí trong xilanh; p0 là áp suất khí quyển Áp dụng định luật Gay –luytxac cho q trình đẳng áp: Cơng do khí thực hiện (đẳng áp) Mặ khác, ta có :    Bài tập 2: Một pittơng nặng có diện tích S khi thả xuống tự do đẩy khí từ một bình  hình trụ thể tích V qua một lỗ nhỏ  ở đáy vào một bình có cùng thể  tích. Các thơng   số  ban đầu của khí trong cả  hai bình đều như  nhau và đều bằng các giá trị  ở  điều   kiện tiêu chuẩn. Hỏi pittơng có khối lượng cực tiểu bằng bao nhiêu để  nó có thể  đẩy hết khí thốt ra khỏi bình thứ nhất Bài tốn 2: Thay đổi nội năng của khí (thay đổi các thơng số trạng thái của  khí) gây ra lực tác dụng Dạng 1: Phương trình trạng thái khí lí tưởng, ngun lý I NĐLH và lực đàn  hồi Ví dụ  3: Trong một xilanh hình trụ  dài đặt thẳng đứng có một pittơng khối lượng   m, pittơng được treo bằng một sợi chỉ mảnh và cách đáy xilanh một đoạn. Pittơng và  xilanh đều cách nhiệt. Phía dưới pittơng có 1 mol khí lí tưởng   áp suất suất khí   quyển p0 và nhiệt độ T0. Hỏi phải cung cấp cho khí một nhiệt lượng bao nhiêu để  29 nâng pittơng đến vị trí cách đáy ở khoảng 2h. Biết nội năng của một mol khí U = CT   (C là hằng số), gia tốc rơi tự do là g. Bỏ qua mọi ma sát Giải:    Bài tập 3: Một pittơng khối lượng m, giảm một mol khí lí tưởng trong xilanh như  hình vẽ. Pittơng và xy­lanh đều khơng giãn nở  vì nhiệt. Pittơng được treo bằng sợi  dây mảnh nhẹ. Ban đầu khoảng cách pittơng đến đáy là xilanh là h. Khí trong xilanh  ban đầu có áp suất bằng áp suất khí quyển p0, nhiệt độ  là T0.Tìm biểu thức của  nhiệt lượng cần phải cung cấp cho khí để nâng pittơng đi lên rất chậm tới vị trí đáy  một khoảng 2h. Cho biết nội năng của một mol khí là U = CT(C là hằng số), gia tốc  trọng trường là. Bỏ qua mọi ma sát Dạng 2: Phương trình trạng thái khí lí tưởng, ngun lý I NĐLH và lực ma sát  Ví dụ  4: Trong một hình trụ thẳng đứng thành xung quanh cách nhiệt có 2 pittơng:  A nhẹ và dẫn nhiệt; B nặng và cách nhiệt. Hai pittơng tạo thành hai ngăn như  hình   vẽ  mỗi ngăn có chiều cao h=0,5m chứa một mol khí lí tưởng. Ban đầu hệ    trạng  thái cân bằng nhiệt, làm cho khí trong bình nóng lên thật chậm bằng cách truyền cho  khí nhiệt lượng qua đáy dưới một nhiệt lượng 100J  Pittơng A ma sát với thành bình  và khơng chuyển động, pittơng  B chuyển động khơng ma sát với thành bình. Tính  lực ma sát lên pittơng A Giải  Ban đầu khí trong  ngăn có  Sau khi truyền nhiệt cho khí:   30 Lực ma sát tác dụng lên A: Bài tốn 3: Bài tốn tổng hợp Ví dụ 5: Một xi lanh cách nhiệt kín hai đầu đặt nằm ngang, bên trong có một  pittơng khối lượng M, diện tích S, bề dày khơng đáng kể. Bên trái pittơng chứa một  mol khí hydrơ, bên phải là chân khơng. Lị xo nhẹ một đầu gắn với pittơng, đầu kia   gắn vào thành của xi lanh Lúc đầu giữ pitơng để lị xo có chiều dài tự nhiên, khí  hydrơ có thể tích V1, áp suất p1, nhiệt độ T1. Thả cho pittơng chuyển động tự do và  sau một thời gian nó dừng lại, lúc này thể tích của  khí hyđrơ là V2 =2V1. Bỏ qua ma  sát giữa pittơng và thành xi lanh.    a. Xác định nhiệt độ T2 và áp suất p2 lúc này. Bỏ qua nhiệt dung riêng của xi lanh  và pittơng   b. Giả sử pittơng khơng dừng lại ngay mà dao động quanh vị trí cân bằng. Tính chu   kỳ dao động  nhỏ của pittơng Giải a. Trạng thái khí ban đầu khi pittơng bắt đầu CĐ: V1, p1,T1 Trạng thái khí khi pittơng dừng lại: V2 = 2V1, p2, T2   Do xi lanh cách nhiệt : Q = A+  ΔU = 0           (1)                                                           Trong đó                  (2)            VTCB, lị xo bị nén một đoạn X0 = h/2 . lực đàn hồi tác dụng lên pittơng:                     Áp lực của khí  trong xi lanh tác dụng lên pittơng:   F2 = p2 .S Phương trình trạng thái cho một mol khí hydrơ: p2V2 = R.T2      Với  V2 = 2V1 = 2S.X0  Suy ra                 Pittơng đứng n : F1= F2                        Cơng khí thực hiện lên pittơng bằng cơng của Fđh  (AFdh=A)          31     (3). Thay (2) ,(3) vào (1) được: T2 = T1                     Phương trình cho 2 trạng thái :  p1.V1 = R.T1  và  p2.V2 = p2.2V1 = RT2                  b. Tại vị trí cân bằng: p2 S = k.X0   và  V2 = Sh               (4)  Tại li độ  x