Định dạng và phương pháp giải bài tập nhiệt học trong chương trình Vật Lý Phổ Thông

Định dạng và phương pháp giải bài tập nhiệt học trong chương trình Vật Lý Phổ Thông.

Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 1 A – MỞ ĐẦU 1. Lý do của việc chọn đề tài: Việc học tập môn vật lý muốn đạt kết quả tốt thì trong quá trình nhận thức cần phải biết đối chiếu những khái niệm, định luật, mô hình vật lý – những sản phẩm do trí tuệ con người sáng tạo – với thực tiễn khách quan để nắm vững được bản chất của chúng; biết chúng được sử dụng để phản ánh, miêu tả, biểu đạt đặc tính gì, quan hệ nào của hiện thực khách quan cũng như giới hạn phản ánh đến đâu. Đối với học sinh trung học phổ thông, bài tập vật lý là một phương tiện quan trọng giúp học sinh rèn luyện kỹ năng, kỹ xảo vận dụng lý thuyết đã học vào thực tiễn. Việc giải bài tập vật lý giúp các em ôn tập, cũng cố, đào sâu, mở rộng kiến thức, rèn luyện thói quen vận dụng kiến thức khái quát để giải quyết các vấn đề của thực tiễn. Ngoài ra, nó còn giúp các em làm việc độc lập, sáng tạo, phát triển khả năng tư duy cũng như giúp các em tự kiểm tra mức độ nắm kiến thức của bản thân. Tuy nhiên, các em còn gặp nhiều khó khăn trong việc giải bài tập vật lý như: không tìm được hướng giải quyết vấn đề, không vận dụng được lý thuyết vào việc giải bài tập, không tổng hợp được kiến thức thuộc nhiều phần của chương trình đã học để giải quyết một vấn đề chung, .hay khi giải các bài tập thì thường áp dụng một cách máy móc các công thức mà không hiểu rỏ ý nghĩa vật lý của chúng. Ngoài ra, đề tài này có nội dung gần và thiết thực với nội dung kiến tập, thực tập cũng như công việc giảng dạy về sau của sinh viên. Do đó, em đã chọn đề tài này. Nếu nghiên cứu đề tài thàng công sẽ góp phần giúp việc học tâp môn vật lý của học sinh tốt hơn, đồng thời cũng giúp cho việc học tập và việc giảng dạy về sau của sinh viên. 3. Mục đích nghiên cứu: Việc nghiên cứu đề tài này nhằm tìm cách để giải bài tập một cách dể hiểu, cơ bản, từ thấp đến cao, giúp học sinh có kỹ năng giải quyết tốt các bài tập, hiểu được ý nghĩa vật lý của từng bài đã giải, rèn luyện thói quen làm việc độc lập, sáng tạo, phát triển khả năng tư duy, .giúp các em học tập môn Vật lý tốt hơn. Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 2 3. Đối tượng nghiên cứu: Các bài tập Vật lý phân tử và Nhiệt học lớp 10,11. 4. Nhiệm vụ nghiên cứu: Phân loại được các bài tập Vật lý phân tử và nhiệt học trong chương trình Vật lý lớp 10,11. Đề ra phương pháp giải bài tập Vật lý nói chung, phương pháp giải các loại bài tập vật lý theo phân loại, phương pháp giải từng dạng bài tập cụ thể của Vật lý phân tử và nhiệt học lớp 10,11(các bài tập cơ bản, phổ biến mà học sinh lớp 10,11 thường gặp ). 5. Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng kết hợp nhiều phương pháp: so sánh, đối chiếu, phân tích, tổng hợp, . 6. Đóng góp của đề tài: Đề tài có thể hỗ trợ cho việc học tập và giảng dạy môn vật lý lớp 10, lớp11, làm tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành sư phạm vật lý. Qua quá trình nghiên cứu đề tài giúp cho bản thân tôi nâng cao nhận thức về phân loại và giải các bài tập vật lý phân tử và nhiệt học. Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 3 B- NỘI DUNG PHẦN I TÓM TẮT LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ VẬT LÝ PHÂN TỬ VÀ NHIỆT HỌC Chương I CHẤT KHÍ I. Những cơ sở của thuyết động học phân tử: 1.1 Thuyết động học phân tử: Nội dung: a. Các chất có cấu tạo gián đoạn và gồm một số rất lớn các phân tử. Các phân tử lại được cấu tạo từ các nguyên tử. b. Các phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng. Cường độ chuyển động biểu hiện nhiệt độ của hệ. c. Kích thước phân tử rất nhỏ ( khoảng 10-10cm ) so với khoảng cách giữa chúng. Số phân tử trong một thể tích nhất định là rất lớn. Trong nhiều trường hợp có thể bỏ qua kích thước của các phân tử và coi mỗi phân tử như một chất điểm. d. Các phân tử không tương tác với nhau trừ lúc va chạm. Sự va chạm giữa các phân tử và giữa phân tử với thành bình tuân theo những định luật về va chạm đàn hồi của cơ học Newton. Các giả thuyết a, b đúng với mọi chất khí còn các giả thuyết c, d chỉ đúng với chất khí lý tưởng. 1.2 Áp suất và nhiệt độ chất khí theo quan điểm của thuyết động học phân tử: 1.2.1 Áp suất: - Định nghĩa: Lực của các phân tử chất khí tác dụng vuông góc lên một đơn vị điện tích trên thành bình chính là áp suất của chất khí: SFp∆= Trong đó: F là lực tác dụng của các phân tử khí lên đơn vị diện tích. - Công thức: wnp32= Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 4 Trong đó: p : Áp suất chất khí n : Mật độ phân tử khí : Động năng trung bình chuyển động vì nhiệt của các phân tử. w- Đơn vị: Trong hệ SI, đơn vị áp suất là Newton/met vuông, ký hiệu là N/m2 hay Pascal, ký hiệu là Pa: 1N/m2 = 1Pa Ngoài ra, áp suất còn được đo bằng: Atmôtphe kỹ thuật, ký hiệu là at: 1at = 9,81.104 N/m2 = 736 mmHg Atmôtphe vật lý, ký hiệu là atm: 1atm = 10,13.104 N/m2 = 760 mmHg = 1,033 at 1.2.2 Nhiệt độ: Nhiệt độ theo quan điểm động học phân tử là đại lượng đặc trưng cho tính chất vĩ mô của vật, thể hiện mức độ nhanh hay chậm của chuyển động hỗn loạn của các phân tử cấu tạo nên vật đó: w32=θ Thang nhiệt độ: - Mối liên hệ giữa nhiệt độ tính theo các nhiệt giai khác nhau: + Nhiệt độ T tính theo nhiệt giai Kelvin và nhiệt độ t tính theo nhiệt giai Celcius: T = 273,15o + t + Nhiệt độ TF tính theo nhiệt giai Fahrenheit và nhiệt độ t tính theo nhiệt giai Celcius: oFtT3259+= - Công thức về mối liên hệ giữa nhiệt độ đo bằng năng lượng với nhiệt độ đo bằng đơn vị độ: KTw ==32θ Suy ra: Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 5 KTw23= Trong đó, K = 1,38.10-28 J/K. T = 0K được gọi là độ không tuyệt đối và nhiệt giai Kelvin được gọi là nhiệt giai tuyệt đối. Vì ý nghĩa vật lý của nhiệt độ gắn liền với động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến của phân tử nên nhiệt độ có tính chất thống kê. Không thể nói nhiệt độ của một phân tử hay của một số ít phân tử cũng như không thể nói phân tử “nóng” hay phân tử “lạnh”. Ở những nơi có một số rất ít phân tử khí thì cũng không thể đặt vấn đề đo nhiệt độ của khí ở những nơi đó được. 1.3 Các định luật thực nghiệm và phương trình trạng thái của khí lý tưởng: 1.3.1 Mẫu khí lý tưởng có các đặc điểm sau: - Khí lý tưởng gồm một số rất lớn các phân tử có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách trung bình giữa chúng; các phân tử chuyển động nhiệt hỗn loạn không ngừng. - Lực tương tác của các phân tử là không đáng kể trừ lúc va chạm. - Sự va chạm giữa các phân tử và giữa phân tử với thành bình là va chạm hoàn toàn đàn hồi. 1.3.2 Thông số trạng thái và phương trình trạng thái: - Mỗi tính chất vật lý của hệ được đặc trưng bởi một đại lượng vật lý được gọi là thông số trạng thái của hệ như: áp suất p, nhiệt độ T, thể tích V, . - Phương trình nêu lên mối liên hệ giữa các thông số p,V,T của một khối lượng khí xác định được gọi là phương trình trạng thái; dạng tổng quát: p = f(V,T). 1.3.3 Định luật Boyle – Mariotte (Quá trình đẳng nhiệt) : a. Định luật: Với một khối lượng khí xác định, ở nhiệt độ không đổi (T=const), tích số giữa thể tích và áp suất là một hằng số. b. Hệ thức: p1V1 = p2V2 Hay pV = const c. Đường đẳng nhiệt: Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 6 Trong hệ tọa độ OpV, các đường đẳng nhiệt là các đường hyperbol biểu diễn mối liên hệ giữa p và V. Tập hợp các đường đẳng nhiệt được gọi là họ các đường đẳng nhiệt. T2T1 p V 1.3.4 Định luật Charles ( Quá trình đẳng tích ) : a. Định luật: Khi thể tích không đổi thì áp suất của một khối lượng khí cho trước biến thiên bậc nhất theo nhiệt độ. b. Hệ thức: constTp= Định luật Charles viết theo nhiệt giai Celcius: )1( tppotα+= Trong đó: pt : Áp suất ở toC po : Áp suất ở 0oC : Hệ số nhiệt biến đổi áp suất đẳng tích của khí. 2731=α c. Đường đẳng tích: - 273 pV1V2 toC Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 7 1.3.5 Định luật Gay – Lussac ( Quá trình đẳng áp): a. Định luật: Khi áp suất không đổi thì thể tích của một khối lượng khí cho trước biến thiên bậc nhất theo nhiệt độ. b. Hệ thức: constTV= Định luật Gay – Lussac viết theo nhiệt giai Celcius: Vt =Vo ( 1 + αt ) Trong đó: Vt : thể tích khí ở toC Vo : thể tích khí ở 0oC : hệ số nhiệt giãn đẳng áp của chất khí. c. Đường đẳng áp: 1.3.6 Định luật Dalton: a. Định luật: Áp suất của hỗn hợp khí bằng tổng các áp suất riêng phần của các khí thành phần tạo nên hỗn hợp. b. Hệ thức: p = p1 + p2 + . + pn 1.3.7 Phương trình trạng thái khí lý tưởng: Từ hai định luật Boyle – Mariotte và Charles ta xác định được phương trình trạng thái khí lý tưởng: constTpV= 273=α1p2p1V T Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Phương trình Claypeyron – Mendeleev: Từ hai hệ thức đã biết: wnp32= TKw23= Suy ra: (n là mật độ phân tử khí). TKnp = Gọi N là số phân tử khí trong thể tích V, ta được: KTVNp = (1) Trong một kmol khí bất kì chứa một số phân tử là NA = 6,23.1026 kmol-1. Nếu gọi µ là khối lượng một kmol khí, m là khối lượng của khối khí ta sẽ có: ANNm=µ Suy ra: ANmNµ= Thay vào (1), ta được: KTNmpVAµ= (2) Đặt : R = NAK gọi là hằng số khí lý tưởng. R = 8,31.103 J/kmol.K Thay R vào (2), ta được: RTmpVµ= Phương trình khí lý tưởng viết như trên được gọi là phương trình Claypeyron – Mendeleev. 1.4 Phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử: 1.4.1 Các vận tốc đặt trưng của phân tử khí (theo Maxwell): a. Vận tốc có xác suất cực đại: µRTmKTvm22== Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 8 Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 9 b. Vận tốc căn trung bình số học: µππRTmKTv88== c. Vận tốc căn trung bình bình phương (vận tốc căn quân phương) : µRTmKTv33== Chú ý: vvvm<< 1.4.2 Sự phân bố mật độ phân tử khí trong trường lực đều (Phân bố Bolzmann): a. Công thức khí áp: RTzgoeppµ−= b. Công thức về sự phân bố mật độ phân tử theo độ cao: RTzgoennµ−= 1.4.3 Phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử chất khi: wnp32= II. Sự va chạm của các phân tử và các hiện tượng truyền trong chất khí: 2.1 Quãng đường tự do trung bình: Khoảng cách trung bình mà một phân tử chuyển động hoàn toàn tự do giữa hai va chạm kế tiếp nhau được gọi là quãng đường tự do trung bình của các phân tử, ký hiệu là: λ Biểu thức: 221dnπλ= Trong đó: d : Đường kính của phân tử v : Vận tốc chuyển động của phân tử n : Mật độ phân tử. 2.2 Các hiện tượng truyền trong chất khí: Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 10 Các phân tử khí chuyển động nhiệt hỗn loạn, đồng thời chuyển từ vùng nọ sang vùng kia tạo nên các hiện tượng truyền trong chất khí. 2.2.1 Hiện tượng khuếch tán: Tại miền không gian chứa một chất khí mà khối lượng riêng của chất khí đó chưa đồng nhất thì sẽ xảy ra hiện tượng khuếch tán tức là có sự truyền khối lượng khí từ chổ có khối lượng riêng lớn đến chổ có khối lượng riêng nhỏ. Khi khối lượng riêng của chất khí đồng nhất tại mọi điểm trong không gian thì hiện tượng khuếch tán dừng lại. Bản chất của hiện tượng khuếch tán là sự vận chuyển các phân tử. Biểu thức tính hệ số khuếch tán D: PdTKTRvD2283131πµπλ== Đơn vị của D trong hệ SI là m2/s. D tỉ lệ nghịch với P và tỉ lệ thuận với T, nghĩa là áp suất càng thấp thì hệ số khuếch tán càng cao và nhiệt độ càng cao thì hệ số khuếch tán càng lớn. Ngoài ra, hệ số khuếch tán còn phụ thuộc vào bản chất của chất khí. 2.2.2 Hiện tượng truyền nhiệt: Trong một môi trường (rắn, lỏng, khí) có sự phân bố nhiệt không đều thì sẽ tồn tại một dòng nhiệt hướng từ những miền có nhiệt độ cao của môi trường sang miền có nhiệt độ thấp hơn. Trong chất khí, hiện tượng truyền nhiệt là do các phân tử khí chuyển động nhiệt hỗn loạn va chạm với nhau nên động năng truyền từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp hơn. Bản chất của hiện tượng truyền nhiệt là sự truyền năng lượng. Cần lưu ý nhiệt lượng là sự trao đổi năng lượng chứ không phải là năng lượng. Biểu thức xác định hệ số dẫn nhiệt: Knviλχ6= Trong đó: i là bậc tự do: Phân tử có 1 nguyên tử: i = 3 [...]... ……………………………………………………………… PHẦN II PHÂN LOẠI VÀ PHƯƠNG PHÁP CHUNG ĐỂ GIẢI BÀI TẬP VẬT LÝ Chương I PHÂN LOẠI BÀI TẬP VẬT LÝ Có nhiều cách phân loại bài tập vật lý, ở đây ta phân loại bài tập vật lý theo phương tiện giải và mức độ khó khăn của bài tập đối với học sinh I Dựa vào phương tiện giải có thể chia bài tập vật lý thành các dạng: 1.1 Bài tập định tính: Bài tập định tính là những bài tập mà khi giải chỉ cần làm những... tạp trong thực tế thành những phần đơn giản theo một định luật vật lý xác định Loại bài tập này cũng nhằm mục đích giúp học sinh hiểu rỏ nội dung vật lý của các định luật, quy tắc biểu hiện dưới dạng công thức Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học …………………………Trang 24 Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Chương II PHƯƠNG PHÁP CHUNG CHO VIỆC GIẢI BÀI TẬP VẬT LÝ Dàn bài. .. III PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC DẠNG BÀI TẬP CỤ THỂ Chương I BÀI TẬP ĐỊNH TÍNH A Phương pháp : Để giải bài tập vật lý định tính trước hết cần hiểu rõ bản chất của các khái niệm, các định luật vật lý; nhận biết được biểu hiện của chúng trong các trường hợp cụ thể Dựa trên cơ sở các định luật vật lý để xây dựng những suy luận logic từng bước một và đi đến kết luận cuối cùng Bài tập định tính thường có hai dạng: ... trong bài tập bằng đồ thị II Dựa vào mức độ khó khăn của bài tập đối với học sinh có thể chia bài tập vật lý thành các dạng: 2.1 Bài tập cơ bản, áp dụng: Là những bài tập cơ bản, đơn giản đề cập đến một hiện tượng, một định luật vật lý hay sử dụng vài phép tính đơn giản giúp học sinh cũng cố kiến thức vừa học, hiểu ý nghĩa các định luật và nắm vững các công thức, các đơn vị vật lý để giải các bài tập. .. đi trong quá trình truyền nhiệt được gọi là nhiệt lượng và được tính bằng công thức: Q = mc(t2 – t1) = mc∆t Trong đó: c: Nhiệt dung riêng của chất cấu tạo nên vật (J/kg.K) m: Khối lượng của vật (kg) ∆t: Độ biến thiên nhiệt độ Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học …………………………Trang 12 Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Q: Nhiệt lượng vật thu vào hay tỏa ra Phương trình. .. 2.2 Bài tập tổng hợp và nâng cao: Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học …………………………Trang 23 Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Là những bài tập khi giải cần phải vận dụng nhiều kiến thức, định luật, sử dụng kết hợp nhiều công thức Loại bài tập này có tác dụng giúp cho học sinh đào sâu, mở rộng kiến thức, thấy được mối liên hệ giữa các phần của chương trình vật lý và. .. thể tính nhẩm, yêu cầu giải thích hoặc dự đoán một hiện tượng xảy ra trong những điều kiện xác định Bài tập định tính giúp hiểu rõ bản chất của các hiện tượng vật lý và những quy luật của chúng, áp dụng được tri thức lý thuyết vào thực tiễn 1.2 Bài tập định lượng: Bài tập định lượng là những bài tập mà khi giải phải thực hiện một loạt các phép tính và kết quả thu được một đáp số định lượng, tìm được... lượng vật lý 1.3 Bài tập thí nghiệm (không nghiên cứu): Bài tâp thí nghiệm là những bài tập đòi hỏi phải làm thí nghiệm để kiểm chứng lời giải lý thuyết hay tìm những số liệu cần thiết cho việc giải bài tập 1.4 Bài tập đồ thị: Bài tập đồ thị là những bài tập mà trong đó các số liệu được sử dụng làm dữ kiện để giải phải tìm trong các đồ thị cho trước hoặc ngược lại, yêu cầu phải biểu diễn quá trình. .. lại toàn bộ quá trình giải bài tập và nêu kết quả cuối cùng B Các bài tập cụ thể: I CHẤT KHÍ: 1.1 Thuyết động học phân tử về chất khí: Bài tập mẫu 1 Dùng thuyết động học phân tử giải thích định luật Boyle - Mariotte Hướng dẫn giải: Đề bài yêu cầu giải thích định luật B - M một cách định tính dựa trên cơ sở của thuyết động học phân tử Vì định luật B - M được thành lập trên cơ sở tính toán định lượng theo... khi nhấc một tấm thủy tinh lên khỏi mặt thủy ngân lại phải dùng Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học …………………………Trang 35 Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… một lực lớn hơn so với khi nhấc tấm thủy tinh đó lên khỏi mặt nước Hãy giải thích hiện tượng trên Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học …………………………Trang 36 . phương pháp giải bài tập Vật lý nói chung, phương pháp giải các loại bài tập vật lý theo phân loại, phương pháp giải từng dạng bài tập cụ thể của Vật lý. bài tập Vật lý phân tử và Nhiệt học lớp 10,11. 4. Nhiệm vụ nghiên cứu: Phân loại được các bài tập Vật lý phân tử và nhiệt học trong chương trình Vật lý