PHƯƠNG PHÁP GIẢI một số bài TOÁN bồi DƯỠNG học SINH GIỎI CHƯƠNG CHẤT KHÍ vật lí 10

Thay đổi này có nhiều điểm tích cực đó là học sinh có nhiều thời gian tập trung ôn thi THPT quốc gia, các học sinh thuộc đội tuyểnHSG ngay từ khi mới vào lớp 10 đã bồi dưỡng những kiến t

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ

TRƯỜNG THPT DÂN TỘC NỘI TRÚ NGỌC LẶC

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

PHƯƠNG PHÁP GIẢI MỘT SỐ BÀI TOÁN

BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI CHƯƠNG CHẤT KHÍ

VẬT LÍ 10

Người thực hiện: Hà Như Hiền Chức vụ: TPCM

SKKN thuộc lĩnh vực (môn): Vật lí

THANH HOÁ NĂM 2018

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ

TRƯỜNG THPT DÂN TỘC NỘI TRÚ NGỌC LẶC

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

PHƯƠNG PHÁP GIẢI MỘT SỐ BÀI TOÁN

BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI CHƯƠNG CHẤT KHÍ

MỤC LỤC

A Mở đầu……… 1

I Lí do chọn đề tài……… 1

II Mục đích nghiên cứu……… 1

III Đối tượng nghiên cứu……… 1

B Nội dung sáng kiến kinh nghiệm……… 1

I Cơ sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm……… 1

II Thực trạng của đề tài trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm………

3 1 Thực trạng giải bài tập vật lí chủ đề: “Chất khí” vật lí 10… 3 2 Nguyên nhân……… 3

III Giải pháp thực hiện……… 4

III.1 Phân loại các bài tập thường gặp ở chương chất khí……… 4

III.2 Các dạng bài tập……… 4

III.2.1 Dạng 1: Bài toán liên quan đến quá trình đẳng nhiệt, đẳng tích và đẳng áp………

4 III.2.2 Dạng 2: Bài toán liên quan đến phương trình trạng thái, phương trình Claperon-Mendeleep………

9 III.2.2.1 Bài toán 1 Áp dụng phương trình trạng thái, phương trình Claperon-Mendeleep ………

10 III.2.2.2 Bài toán 2 Các bài toán về hỗn hợp khí Định luật Đanton… 11 III.2.2.3 Bài toán3 Phương trình trạng thái kết hợp với định luật Acsimet………

12 III.2.2.4 Bài toán 4 Bài toán hỗn hợp cơ – nhiệt……… 13

III.2.3 Dạng 3 Bài toán đồ thị……… 17

IV Hiệu quả của sáng kiến kinh nghiệm ……… 20

C Kết luận và kiến nghị……… 20

1 Kết luận……… 20

2 Kiến nghị……… 20

DANH MỤC VIẾT TẮT

Trung học phổ thông: THPT Học sinh: HS Học sinh giỏi: HSG

A MỞ ĐẦU.

I Lí do chọn đề tài:

Trong xu thế đổi mới của ngành giáo dục về phương pháp giảng dạy cũngnhư phương pháp kiểm tra đánh giá kết quả giảng dạy và thi tuyển Năm học2017–2018 Sở GD& ĐT Thanh Hóa đã có 1 thay đổi lớn trong kì thi HSGTHPT đó là quyết định thay đổi đối tượng dự thi là học sinh lớp 11 thay vì HSlớp 12 như trước đây Cấu trúc đề thi HSG THPT môn Vật lí trước đây chỉ tậptrung vào chương trình lớp 12 thì nay được trãi dài từ đầu chương trình lớp 10đến thời điểm diễn ra kì thi Thay đổi này có nhiều điểm tích cực đó là học sinh

có nhiều thời gian tập trung ôn thi THPT quốc gia, các học sinh thuộc đội tuyểnHSG ngay từ khi mới vào lớp 10 đã bồi dưỡng những kiến thức vật lí nâng cao

từ đó giúp phát triển năng lực tư duy của học sinh, giúp cho học sinh ôn tập, đàosâu, mở rộng kiến thức, rèn luyện kỷ năng, kỷ xảo, ứng dụng vật lý vào thựctiển, phát triển tư duy sáng tạo.…

Trong chương trình vật lí lớp 10 gồm có hai phần đó là cơ học và nhiệt họcđây là những nội dung kiến thức tương đối rộng và khó Trong quá trình dạy họctôi nhận thấy chương chất khí là chương có nội dung rất độc lập so với các kiếnthức trong chương trình vật lí THPT, là nội dung trọng tâm của phần nhiệt họctrong chương trình vật lí lớp 10 Tuy nhiên HS thường rất ngại học phần này vìvậy chỉ nắm được những kiến thức cơ bản, làm được những bài tập đơn giản.Đối với giáo viên khi dạy bồi dưỡng HSG phần nhiệt học gặp rất nhiều khó khăn

vì nội dung thi theo chương trình nâng cao mà hiện nay chưa có một tài liệu

chuẩn nào trong việc bồi dưỡng HSG, chính vì vậy tôi chọn đề tài “Phương

pháp giải một số bài toán bồi dưỡng học sinh giỏi chương chất khí vật lí 10”

để có một tài liệu phù hợp bồi dưỡng HSG lớp 10 trường THPT dân tộc nội trúNgọc lặc

II Mục đích nghiên cứu:

Hệ thống kiến thức, phân loại và phương pháp giải các bài toán chương chấtkhí, giúp học sinh có kỹ năng giải quyết tốt các bài tập, hiểu được ý nghĩa vật lícủa từng bài đã giải, rèn luyện thói quen làm việc độc lập, sáng tạo, phát triểnkhả năng tư duy,

III Đối tượng nghiên cứu:

- Kiến thức và bài tập chương chất khí vật lí 10

- Đề tài được áp dụng với đội tuyển HSG Trường THPT DTNT Ngọc lặc

IV Phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp nghiên cứu lí luận

- Tìm hiểu, phân tích, tổng hợp

- Phương pháp tổng kết rút kinh nghiệm

B NỘI DUNG CỦA SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM.

I CƠ SỞ LÍ LUẬN CỦA SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM.

Một số kiến thức chương chất khí vật lí 10.

1 Áp suất: 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: p F

S

=

Trong đó: F là lực tác dụng của các phân tử khí lên đơn vị diện tích.

2 Áp suất thủy tĩnh ở độ sâu h bằng: p p= o + ρgh

Với: po là áp suất khí quyển tại mặt thoáng của chất lỏng; ρ là khối lượng riêng của chất lỏng.

3 Quá trình đẳng nhiệt.

- Định luật Bôilơ - Mariôt: Trong quá trình đẳng nhiệt của một lượng khí nhất

định, áp suất tỉ lệ nghịch với thể tích p V 1 1 = p V 2 2 hay pV = h»n g sè

- Đường đẳng nhiệt: Đường biểu diễn sự biến thiên của áp suất theo thể tích

khi nhiệt độ không đổi gọi là đường đẳng nhiệt.

- Dạng đường đẳng nhiệt:Trong hệ toạ độ p, V đường đẳng nhiệt là đường

hypebol

Đường đẳng nhiệt ở trên ứng với nhiệt độ cao hơn

4 Quá trình đẳng tích.

- Định luật Sác-lơ: Trong quá trình đẳng tích của một lượng khí nhất định, áp

suất tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối 1 2

1 2

T = T hay p= h»n

Hoặc : Với một lượng khí có thể tích không đổi thì áp suất p phụ thuộc vào nhiệt

độ t của khí như sau: p = p 1 0( + γ t) (trong đó γ có giá trị như nhau đối với

mọi chất khí, mọi nhiệt độ và bằng

273

1

độ-1)

- Đường đẳng tích: Đường biểu diễn sự biến thiên của áp suất của một lượng

khí theo nhiệt độ khi thể tích không đổi gọi là đường đẳng tích.

- Dạng đường đẳng tích:Trong hệ toạ độ OpT đường đẳng tích là đường thẳng

kéo dài đi qua gốc toạ độ

Trong hệ toạ độ Opt:

Đường ở trên ứng với

thể tích nhỏ hơn

5 Quá trình đẳng áp.

- Định luật Gayluysac: Trong quá trình đẳng áp của một lượng khí nhất định,

thể tích tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối 1 2

p

T 0

V

T 0

p

V

T1 T2

T2 > T1

- Đường đẳng áp Đường biểu diễn sự biến thiên của thể tích theo nhiệt độ

khái áp suất không đổi gọi là đường đẳng áp.

- Dạng đường đẳng áp: Trong hệ toạ độ OVT đường đẳng tích là đường thẳng

kéo dài đi qua góc toạ độ

Đường ở trên có áp suất nhỏ hơn

6 Phương trình trạng thái của khí lí tưởng (Phương trình Clapeyron)

Một lượng khí nhất định, biến đổi từ trạng thái (1) có các thông số (p1, V1,

T1) sang trạng thái (2) có các thông số (p2, V2, T2)

Độ lớn của hằng số này phụ thuộc vào khối lượng khí

8 Định luật Đantơn cho một hỗn hợp khí (không có tương tác hóa học với

nhau) p p= +1 p2 + Với p1, p2… là áp suất riêng phần của từng khí trong

hỗn hợp( mỗi khí đều có thể tích bằng thể tích của cả hỗn hợp).[1]

II THỰC TRẠNG CỦA ĐỀ TÀI.

1 Thực trạng giải bài tập vật lí chủ đề: “Chất khí” vật lí 10

Qua thực tế giảng dạy tại trường THPT dân tộc nội trú Ngọc Lặc và qua traođổi với các giáo viên giảng dạy vật lí ở các trường bạn trong địa bàn Tôi nhậnthấy đối với học sinh các trường THPT miền núi nói chung và trường THPTDTNT Ngọc Lặc nói riêng thì:

- Số học sinh thích, ham học và chọn môn vật lí trong các kì thi THPT Quốcgia, học sinh giỏi là rất ít

- Đa số học sinh khi gặp các bài toán nhiệt học thường chỉ giải được các bàitoán cơ bản thông thường, không giải được đối với những bài toán cần phải hiểubản chất, hiện tượng vật lí hoặc phải áp dụng các kiến thức khác có liên quan

2 Nguyên nhân.

Từ thực tế trực tiếp giảng dạy học sinh ở trên lớp, sư trao đổi của các đồngnghiệp qua các năm gần đây tôi nhận thấy đại bộ phận học sinh đều coi bài toánchất khí là bài tập khó, khi vận dụng thì lúng túng, không có phương pháp chủđạo để giải, thậm chí giải sai Sở dĩ có thực trạng đó theo tôi là do một số

nguyên nhân cơ bản sau:

- Trường THPT DTNT Ngọc Lặc là trường mới thành lập nên chưa có các tàiliệu phục vụ cho việc giảng dạy và học tập phần chất khí vật lí lớp 10

- Do phân phối của chương trình, chuẩn kiến thức kỹ năng có giới hạn so với

chương trình vật lí 10 nâng cao nên khi dạy trên lớp các giáo viên không thi đisâu vào phân tích một cách chi tiết các bài tập về chất khí để học sinh có hướng

tự nghiên cứu Vì vậy đại bộ phận học sinh không thể hệ thống hóa được đầy đủcác dạng bài tập về chất khí

- Trong các tài liệu tham khảo hiện nay về chất khí chưa có nhiều tài liệutrình bày một cách có hệ thống, có tài liệu thì khó quá, có tài liệu thì dễ quá Vìvậy đại bộ phận học sinh sẽ không thể tự phân tích, tổng hợp để hình thànhphương pháp chủ đạo khi giải các bài toán về chất khí

III GIẢI PHÁP THỰC HIỆN

Để khắc phục được thực trạng trên qua việc nghiên cứu SGK, mạng Internet,tham khảo ở các tài liệu và bằng kinh nghiệm của mình tôi tôi đã tổng hợp lại đểxây dưng một hệ thống các bài tập, phương pháp chủ đạo khi giải các bài tập vềchất khí vật lí 10

III.1 Phân loại các bài tập thường gặp ở chương chất khí.

Từ cơ sở kiến thức cơ bản, từ các tài liệu tham khảo theo quan điểm của tốibài tập về chương chất khi có thể chia thành các dạng sau:

Dạng 1 Bài toán liên quan đến quá trình đẳng nhiệt, đẳng tích và đẳng áp.

Dạng 2 Bài toán liên quan đến phương trình trạng thái, phương trình

+ Nếu m = const, T = const thì Áp dụng định luật Bôilơ – Mariot: p1V1 = p2V2

+ Nếu m = const, V = const thì Áp dụng định luật Sac – lơ: 1 2

1 N/m2 = 1 Pa; 1 at = 9,81.104 Pa; 1 atm = 1,031.105 Pa; 1 mmHg = 133 Pa

ρ với ρ, h(mm) là khối lượng riêng và độ cao của cột chất lỏng; ρHg

là khối lượng riêng của Hg.

- Biểu thức của định luật Saclơ có thể viết dưới dạng: p = poαT với 1

273

α =

BÀI TẬP VÍ DỤ:

Ví dụ 1 Người ta dùng bơm để nén khí trong một bánh xe đạp 30 lần bơm diện

tích tiếp xúc với mặt đất phẳng là 60 cm3 Vậy sau 20 lần bơm nữa thì diện tích tiếp xúc sẽ là bao nhiêu? Cho rằng thể tích săm xe không đổi, lượng khí mỗi lần

bơm là như nhau Cho rằng nhiệt độ không đổi

lg V

Ví dụ 3 Một bơm nén khí có pittong được nối bằng vòi bơm đến bình B Thể

tích tối đa của thân bơm là V, của vòi bơm là v và

của bình là VB Trên pittong có van chỉ cho khí qua

được khí áp suất trong thân bơm nhỏ hơn áp suất

khí quyển Bình B cũng có van chỉ cho khí đi qua

từ vòi bơm vào bình khi áp suất khí trong bình nhỏ hơn trong vòi bơm Bơm chậm để nhiệt độ không đổi

a Tìm liên hệ giữa các áp suất trong bình B sau n lần bơm và (n + 1)lần bơm

b Tính áp suất tối đa có thể đạt được trong bình B Cho biết áp suất ban đầutrong B bằng áp suất khí quyển po? [2]

Ví dụ 4 Một cột không khí chứa trong một ống

nhỏ, dài, tiết diện đều Cột không khí được ngăn

cách với khí quyển bên ngoài bởi cột thuỷ ngân

có chiều dài d = 150 mm Áp suất khí quyển là

p0 = 750 mmHg Chiều dài của cột không khí

khi ống nằm ngang là l0 = 144 mm Hãy tìm chiều dài của cột không khí khi ống:

Coi nhiệt độ của khí là không đổi và bỏ qua mọi ma sát [6]

HDG:

a - Ban đầu khi ống nằm ngang.

Áp suất và thể tích của khối khí bị nhốt trong ống lần lượt là:

p1 = po = 750 mmHg; V1 = lo.S với S là tiết diện của ống

- Khi ống dựng thẳng đứng và miệng ống ở trên.

Áp suất của khối khí được tính dựa vào áp suất ở đáy cột thủy ngân:

lượng thủy ngân vào ống thì đoạn ống chứa không khí bị giảm

dài lo = 30 cm và hai mực thủy ngân ở hai nhánh chênh nhau ho =

11 cm (HV) Đổ thêm thủy ngân thì đoạn chứa không khí dài l=

29 cm Hỏi đã đổ bao nhiêu cm3Hg? Biết áp suất khí quyển là 76

cmHg Nhiệt độ không đổi [2]

Mực bên trái cột Hg lên cao 1 cm, mực bên phải lên

cao x +1 – ho = 10 cm so với lúc trước

Vậy ta đã đổ thêm 1 + x – 10 = 5 cm

Ví dụ 6 Hai bình giống nhau được nối bằng ống nằm ngang

có tiết diện 20 mm2(HV) ở 0 oC giữa ống có một giọt Hg

ngăn không khí ở hai bên Thể tích mỗi bình là Vo = 200

cm3 Nếu nhiệt độ một bình là t oC, bình kia là -t oC thì giọt Hg dịch chuyển 10

cm Tính t [2]

HDG: Gọi V1 là thể tích của bình có nhiệt độ T1 = 273 + t; V2 là thể tích của bình có nhiệt độ T2 = 273 – t Giọt thuỷ ngân khi đứng yên, thì áp suất ở hai bìnhbằng nhau Hai bình chứa cùng một khối lượng khí, vậy áp dụng định

- Liệt kê 2 trạng thái của khối khí:

+ Trạng thái 1: V1 = 15 cm3 T1 = 177 + 273 = 450 K

+ Trạng thái 2:

-Thể tích thủy ngân chảy vào bình: V = m.ρ

-Thể tích khối khí trong bình còn lại là: V2 = V1 - V = V1 - mρ

- Ta thấy, áp suất của khối khí trong bình trước và sau khi thủy ngân chảy vào làbằng nhau và bằng với áp suất khí quyển, áp dụng định luật Gayluysac:

BL: Trong bài này khi thủy ngân chảy vào bình thì áp suất của lượng khí thay

đổi, tuy nhiên đến khi Hg không chảy vào nữa thì áp suất cuối bằng áp suất lúc đầu.=> HS nhầm coi áp suất thay đổi.

BÀI TẬP ĐỀ NGHỊ.

Bài 1 Ớ chính giữa một ống thuỷ tinh nằm ngang, tiết diện nhỏ, chiều dài L =

100 cm, hai đầu bịt kín có một cột thuỷ ngân dài h = 20 cm Trong ống có khôngkhí Khi đặt ống thẳng đứng, cột thuỷ ngân dịch chuyển xuống dưới một

đoạn l = 10 cm Tìm áp suất của không khí trong ống khi ống nằm ngang Coi

nhiệt độ của không khí trong ống không đổi và khối lượng riêng của thuỷ ngân

là ρ = 1,36.104 kg/m3 ĐS: p1 = 5.104 Pa

Bài 2 Một ống dài tiết diện nhỏ có một đầu kín một đầu hở và chứa thủy ngân

chiếm một đoạn dài h = 12,5 cm Nếu dựng ống thẳng đứng đầu hở lên trên, thì

đáy cột thủy nhân cách đáy ống một khoảng l1= 5 cm; nếu đầu hở xuống dưới thì

khoảng cách ấy là l2 = 7 cm Trong khoảng ấy có không khí

a Tính ra cmHg áp suất của khí quyển po

b Nếu đặt ống nằm ngang thì khoảng cách ấy là bao nhiêu? Coi nhiệt độ khíquyển không đổi [2] ĐS: a 75 cm Hg; b 5,8 cm Bài 3 Một ống thuỷ tinh nhỏ, tiết diện đều, một đầu kín, một đầu hở, chứa một

khối khí lí tưởng được ngăn cách với không khí bên ngoài bằng cột thuỷ ngân cóchiều cao h =119 mm Khi ống thẳng đứng miệng ống ở dưới, cột không khí có

chiều dài l1 =163 mm Khi ống thẳng đứng miệng ống ở trên, cột không khí có

chiều dài l2 =118 mm Coi nhiệt độ khí không đổi Tính áp suất Po của khí quyển

và độ dài lo của cột không khí trong ống khi ống nằm ngang [6]

ĐS: Po = 743 mmHg; lo = 137 mm

Bài 4 Một ống thủy tinh chiều dài L = 50 cm, hai đầu kín, giữa có một đoạn

thủy ngân dài l= 10 cm, hai bên là không khí có cùng một khối lượng Khi đặtống nằm ngang thì đoạn thủy ngân đúng giữa ống Dựng ống thẳng đứng thìthủy ngân tụt xuống 6 cm

a Tính áp suất không khí khi ống nằm ngang

b Ống nằm ngang, nếu mở một đầu ống thì thủy ngân dịch chuyển bao nhiêu

và sang bên nào?

c Ống thẳng đứng, hai đầu kín Nếu mở 1 đầu thì thủy ngân tụt hay lên caobao nhiêu trong hai trường hợp – mở đầu dưới – mở đầu trên? Áp suất khí quyểnbằng 76 cm Hg Coi nhiệt độ không đổi [2]

ĐS: a 15,2 cmHg; b 16 cm sang trái; c Lên 21,4 cm; xuống 10,5 cm Bài 5 Ta dùng bơm có diện tích pít tông 8 cm2, khoảng chạy 25 cm để bơm mộtbánh xe đạp sao cho khi áp lực của bánh xe lên đường là 350 N thì diện tích tiếpxúc là 50 cm2 Ban đầu bánh chứa không khí ở áp suất khí quyển po = 105 Pa và

có thể tích Vo = 1500 cm3 Giải thiết khi áp suất bánh xe trượt 1,5po thì thể tíchcủa bánh xe là 2000 cm3

a Tính số lần phải đẩy bơm

b Nếu do bơm hở thực tế mỗi lần đẩy bơm chỉ đưa được 100 cm3 vào bánh

xe thì cần bao nhiêu lần? [2] ĐS: a 10 lần; b 19 lần.

Bài 6 Một ống hình chữ U tiết diện không đổi có một đầu kín chứa

không khí ; đoạn ống chứa không khí dài ho = 30 cm Không khí bị

giam bởi thuỷ ngân mà hai mặt thoáng chênh nhau do = 14cm (Hình

vẽ) Người ta đổ thêm vào ống một lượng thuỷ ngân có chiều dài a =

6 cm Tính chiều dài mới h của cột không khí Áp suất khí quyển

bằng po = 76 cmHg Nhiệt độ không đổi [2]

ĐS : h = 28,8 cm ; d = 17,6 cm.

Bài 7 Một bình tiết diện hình trụ S =10 cm2, thể tích V= 500

cm3 có lỗ thoát ở đáy Đậy nút lỗ thoát K và đổ nước chiếm 3/5

thể tích bình, đậy miệng bình bằng nút N Nút này rất kín nhưng

có một ống thủy tinh xuyên qua, miệng dưới của ống cách đáy

bình d = 10 cm Thể tích không khí bình ban đầu là 200 cm3

Người ta mở nút K cho nước chảy ra Chứng minh rằng áp suất

p trong bình giảm, nhưng khi bề dày x của lớp nước giảm đến

1

x thì p lại tăng Tính x1 và áp suất p1 tương ứng? Áp suất khí

quyển po=10 m nước Nhiệt độ không đổi [2] ĐS : x1 = 29,6 cm; p1 =980,4 cmH2O

Bài 8 Hai bình chứa cùng chất khí được nối với nhau bởi một ống nằm ngang

có đường kính 5 mm Trong ống có một giọt thuỷ ngân có thể dịch chuyển được.Lúc đầu khí trong hai bình cùng ở nhiệt độ 27 oC, giọt thuỷ ngân nằm yên ở một

vị trí nào đó và thể tích của khí trong mỗi bình (kể cả phần ống nằm ngang) đều

bằng 0,2 l Tính khoảng dịch chuyển của giọt thuỷ ngân nếu nhiệt độ khí trong

một bình tăng thêm 2 0C còn nhiệt độ khí trong bình kia giảm bớt 2 oC Sự giãn

nở của bình không đáng kể ĐS : ≈ 6,8 cm.

K d

N

x

ho

do