Đang tải... (xem toàn văn)
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
