Tr ườ ng Đ H An Giang – Khoa S ư ph ạ m ……………………………………………………………… Đị nh d ạ ng và ph ươ ng pháp gi ả i các bài t ậ p nhi ệ t h ọ c…………………………… 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. Đị nh d ạ ng và ph ươ ng pháp gi ả i các bài t ậ p nhi ệ t h ọ c…………………………… Trang 2 Tr ườ ng Đ H An Giang – Khoa S ư ph ạ m ……………………………………………………………… 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. Đị nh d ạ ng và ph ươ ng pháp gi ả i các bài t ậ p nhi ệ t h ọ c…………………………… Trang 3 Tr ườ ng Đ H An Giang – Khoa S ư ph ạ m ……………………………………………………………… B- NỘI DUNG PH Ầ N I TÓM TẮT LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ VẬT LÝ PHÂN TỬ VÀ NHIỆT HỌC Chương I CHẤT KHÍ I. Những c ơ sở của th u y ết 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 -10 cm ) 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: p = F ∆S Trong đó: F là lực tác dụng của các phân tử khí lên đơn vị diện tích. - Công thức: p = 2 nw 3 Đị nh d ạ ng và ph ươ ng pháp gi ả i các bài t ậ p nhi ệ t h ọ c…………………………… Trang 4 Tr ườ ng Đ H An Giang – Khoa S ư ph ạ m ……………………………………………………………… Trong đó: p : Áp suất chất khí n : Mật độ phân tử khí w : Động năng trung bình chuyển động vì nhiệt của các phân tử. - Đơn vị: Trong hệ SI, đơn vị áp suất là Newton/met vuông, ký hiệu là N/m 2 hay Pascal, ký hiệu là Pa: 1N/m 2 = 1Pa Ngoài ra, áp suất còn được đo bằng: Atmôtphe kỹ thuật, ký hiệu là at: 1at = 9,81.10 4 N/m 2 = 736 mmHg Atmôtphe vật lý, ký hiệu là atm: 1atm = 10,13.10 4 N/m 2 = 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: θ = 2 w 3 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 = 273,15 o + t + Nhiệt độ T F tính theo nhiệt giai Fahrenheit và nhiệt độ t tính theo nhiệt giai Celcius: T F = 9 t + 32 o 5 - Công thức về mối liên hệ giữa nhiệt độ đo bằng năng lượng với nhiệt độ đo bằng đơn vị độ: Suy ra: θ = 2 w = KT 3 w = 3 KT 2 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: p 1 V 1 = p 2 V 2 Hay pV = const c. Đường đẳng nhiệt: 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. p T 2 T 1 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: p = const T Định luật Charles viết theo nhiệt giai Celcius: Trong đó: p t : Áp suất ở t o C p o : Áp suất ở 0 o C p t = p o (1 + α t) α = 1 273 : Hệ số nhiệt biến đổi áp suất đẳng tích của khí. c. Đường đẳng tích: p V 1 V 2 - 273 t o C 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: V = const T Định luật Gay – Lussac viết theo nhiệt giai Celcius: V t =V o ( 1 + αt ) Trong đó: V t : thể tích khí ở t o C V o : thể tích khí ở 0 o C α = c. Đường đẳng áp: 1 273 : hệ số nhiệt giãn đẳng áp của chất khí. V p 1 p 2 T 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 = p 1 + p 2 + . + p n 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: pV = const T Phương trình Claypeyron – Mendeleev: Từ hai hệ thức đã biết: p = 2 n w 3 w = 3 K T 2 Suy ra: p = n K T (n là mật độ phân tử khí). Gọi N là số phân tử khí trong thể tích V, ta được: p = N KT V (1) Trong một kmol khí bất kì chứa một số phân tử là N A = 6,23.10 26 kmol -1 . Nếu gọi µ là khối lượng một kmol khí, m là khối lượng của khối khí ta sẽ có: Suy ra: m = N µ N A N = m N µ A Thay vào (1), ta được: pV = m N KT (2) µ A Đặt : R = N A K gọi là hằng số khí lý tưởng. R = 8,31.10 3 J/kmol.K Thay R vào (2), ta được: pV = m RT µ 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: v m = 2KT = m 2RT µ b. Vận tốc căn trung bình số học: v = 8KT = π m 8RT π µ c. Vận tốc căn trung bình bình phương (vận tốc căn quân phương) : Chú ý: v = 3KT = m 3RT µ v m < v < v 1.4.2 Sự phân bố mật độ phân tử khí trong trường lực đều (Phân bố Bolzmann): a. Công thức khí áp: p = p o e − µ g z RT b. Công thức về sự phân bố mật độ phân tử theo độ cao: − µ g z n = n o e RT 1.4.3 Phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử chất khi: p = 2 nw 3 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: λ = 1 2 n π d 2 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: 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: D = 1 v λ = 1 8RT K T 3 3 π µ 2 π d 2 P Đơn vị của D trong hệ SI là m 2 /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: χ = Trong đó: i là bậc tự do: i v λ n K 6 Phân tử có 1 nguyên tử: i = 3