Kỹ năng áp dụng nguyên lý i nhiệt động lực học giải bài toán tích hợp cơ nhiệt trong bồi dưỡng học sinh giỏi cấp THPT đạt hiệu quả

---ššššš---SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM KỸ NĂNG ÁP DỤNG NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC GIẢI BÀI TOÁN TÍCH HỢP CƠ - NHIỆT TRONG BỒI DƯỠNG HSG CẤP THPT ĐẠT HIỆU QUẢ Người thực hiện: Nguyễn Tố Hữ

-ššššš -SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

KỸ NĂNG ÁP DỤNG NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC GIẢI BÀI TOÁN TÍCH HỢP CƠ - NHIỆT TRONG BỒI DƯỠNG HSG CẤP THPT ĐẠT HIỆU QUẢ

Người thực hiện: Nguyễn Tố Hữu

Chức vụ: Tổ phó chuyên môn

SKKN thuộc môn: Vật lý

THANH HÓA, NĂM 2018

Mục Nội dung Trang

I Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng SKKN 4

PHẦN 1: TRÌNH BÀY CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VẤN

A MỞ ĐẦU

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Đảng ta quan niệm “ Hiền tài là nguyên khí của quốc gia” và rất coi trọngviệc bồi dưỡng nhân tài cho đất nước Bộ giáo dục và đào tạo cũng có những chủtrương mới về công tác bồi dưỡng học sinh giỏi Đó là tiếp tục chú trọng xâydựng hệ thống các trường chuyên một cách hoàn thiện hơn, khuyến khích và tônvinh các học sinh xuất sắc đạt thành tích cao Vận dụng cách dạy học phân hoávào bồi dưỡng học sinh giỏi: Các trường chuyên có thể xây dựng phân phốichương trình riêng phù hợp với khả năng tiếp thu của học sinh Các em học sinh

có năng khiếu có thể được học với chương trình có tốc độ cao hơn học sinh bìnhthường…

Trong quá trình giảng dạy và bồi dưỡng bộ môn vật lý cho học sinh giỏi,mục tiêu chính của người dạy là giúp việc học tập những kiến thức về lý thuyết,hiểu và vận dụng được các lý thuyết chung của vật lý vào những lĩnh vực cụ thể,một trong những lĩnh vực đó là việc giải bài tập vật lý

Bài tập vật lý có vai trò đặc biệt quan trọng trong quá trình nhận thức và pháttriển năng lực tư duy của học sinh, giúp cho học sinh ôn tập, đào sâu, mở rộngkiến thức, rèn luyện kỷ năng, kỷ xảo, ứng dụng vật lý vào thực tiển, phát triển tưduy sáng tạo.

Đối với việc bồi dưỡng học sinh giỏi môn vật lý THPT tỉnh Thanh Hóa tronggiai đoạn hiện nay thì phần Nhiệt học luôn có mặt trong các đề thi HSG từ cấptrường, cấp tỉnh trở lên Đây cũng là một mảng kiến thức quan trọng trongchương trình vật lý phổ thông

Với mục đích giúp các em học sinh trong đội tuyển ôn thi học sinh giỏi cấpTHPT có thể hiểu sâu sắc và giải tốt hơn bài tập phần Nhiệt học để có thể tham

gia tốt các kỳ thi học sinh giỏi từ cấp tỉnh, tôi mạnh dạn chọn đề tài: “Kỹ năng áp dụng nguyên lý I Nhiệt động lực học giải bài toán tích hợp Cơ - Nhiệt trong bồi dưỡng học sinh giỏi cấp THPT đạt hiệu quả”.

II MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu phương pháp dạy học, kiểm tra, đánh giá theo định hướng phát triểnnăng lực

- Nghiên cứu các năng lực chuyên biệt đặc thù của bộ môn Vật lý cần phát triển ởhọc sinh nói chung và đối tượng học sinh giỏi nói riêng

- Xây dựng một hệ thống bài tập được biên soạn theo tinh thần phát triển năng lựcchuyên biệt cho đối tượng học sinh giỏi để làm tài liệu giảng dạy bồi dưỡng học sinhgiỏi hoặc làm đề thi chọn học sinh giỏi trong mỗi kỳ thi cấp trường, cấp tỉnh

III ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

- Học sinh giỏi lớp 10, 11, 12 cấp trường, cấp tỉnh, cấp Quốc gia

- Đề thi chọn học sinh giỏi cấp trường, cấp tỉnh, cấp Quốc gia

- Sách giáo khoa, sách bài tập, tài liệu tham khảo môn Vật lý THPT

IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Phương pháp Lý thuyết: + Nghiên cứu cơ sở lý luận, hệ thống lý thuyết của

phương pháp dạy học và kiểm tra đánh giá theo định hướng phát triển năng lựcngười học theo yêu cầu của Bộ GD&ĐT trong giai đoạn hiện nay

+ Nghiên cứu chương trình các kỳ thi học sinh giỏi, chương trình sách giáo khoa,sách bài tập, tài liệu tham khảo, cơ sở thực tiễn của phương pháp

- Phương pháp điều tra: Khảo sát các đề thi học sinh giỏi các trường, các tỉnh để tìm

hiểu mức độ phù hợp với yêu cầu dạy học và kiểm tra đánh giá theo hướng pháttriển năng lực của học sinh trong giai đoạn hiện nay

- Phương pháp chuyên gia: Tham khảo ý kiến các đồng nghiệp, chuyên viên và các

chuyên gia giàu kinh nghiệm

B NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

I THỰC TRẠNG VẤN ĐỀ TRƯỚC KHI ÁP DỤNG SKKN

Môn vật lý trong trường phổ thông là một trong những môn học khó, nếukhông có những bài giảng và phương pháp hợp lý phù hợp với thế hệ học trò dễ làmcho học sinh thụ động trong việc tiếp thu, cảm nhận Đã có hiện tượng một số bộphận học sinh không muốn học vật lí, ngày càng lạnh nhạt với giá trị thực tiễn củavật lí

Nhiều giáo viên chưa quan tâm đúng mức đối tượng giáo dục: Chưa đặt racho mình nhiệm vụ và trách nhiệm nghiên cứu, hiện tượng dùng đồng loạt cùng mộtcách dạy, một bài giảng cho nhiều lớp, nhiều thế hệ học trò là không ít Do phươngpháp ít có tiến bộ mà người giáo viên đã trở thành người cảm nhận, truyền thụ trithức một chiều Giáo viên nên là người hướng dẫn học sinh chủ động trong quá trìnhlĩnh hội tri thức vật lí

Hiện tại chưa có một hệ thống bài tập nào được biên soạn để sử dụng phổ biếnnhằm phát triển năng lực chuyên biệt cho người học ở các bộ môn nói chung và mônVật lý nói riêng

Hệ quả của thực trạng trên.

Hầu hết, học sinh đều chưa có được một phương pháp giải rõ ràng khi giải quyếtloại bài tập về tích hợp Cơ - Nhiệt Hoặc có làm được thì cũng làm một cách máymóc mà chưa nắm được bản chất của vấn đề Khi biến đổi một vài dữ kiện của bàitoán để chuyển thành bài toán khác thì học sinh lại gặp phải nhiều lúng túng

Trong thực tế giảng dạy, người giáo viên đều biết phần bài tập về Nhiệt chưađược chú trọng nhiều, nó không phải là loại bài tập khó nhưng rất có thể học sinhvẫn bị lúng túng và thiếu kỹ năng giải

Tất cả các luận cứ và luận điểm trên cho thấy sự cần thiết của người giáo viên khigiảng dạy là: phải soạn riêng một hệ thống bài tập với sự phân dạng cụ thể kèm theophương pháp giải cho mỗi loại bài tập khác nhau Có như thế mới có thể giúp họcsinh nắm vững được kiến thức vật lý cũng như mới có thể tự lực giải quyết đượcnhiệm vụ của người học sinh

II CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA SKKN

1 Sự cần thiết của đề tài:

Từ năm học 2016-2017 Sở GD&ĐT Thanh Hóa đã có một sự thay đổi lớn về

- Chương trình nội dung thi thuộc kiến thức lớp 11 và lớp 10

- Phần Nhiệt học là một nội dung kiến thức có trong đề thi bộ môn Vật lý.Với lý do đó, bài tập Vật lý cần phải được biên soạn theo yêu cầu này để phục

vụ cho công tác giảng dạy của người giáo viên và nhiệm vụ học tập của người họcsinh

Trong thời gian qua, Sở GD&ĐT đã tổ chức tập huấn cho giáo viên THPTtrong toàn tỉnh về chuyên đề Bồi dưỡng HSG Đề tài này ra đời vừa để thực hiện

việc kết hợp được các chuyên đề đã được tập huấn, vừa để thực thi yêu cầu đổi mớicủa sự nghiệp giáo dục nước nhà trong giai đoạn hiện nay

III NỘI DUNG SKKN

PHẦN 1: TRÌNH BÀY CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU [7]

2 Nguyên lí thứ nhất nhiệt động lực học (nguyên lý I)

* Công thức của nguyên lí I: U QA

U

 U 2 U1: Độ biến thiên nội năng của hệ

(U >0: nội năng tăng; U <0: nội năng giảm)

+ Nếu Q > 0 thì vật nhận nhiệt lượng; Q < 0 thì vật truyền nhiệt lượng

+ Nếu A > 0 thì vật nhận công; A < 0 thì vật thực hiện công

* Công:

Công A’ mà hệ sinh ra trong quá trình đẳng áp:A' p(V2  V1)

Công A’ mà hệ sinh ra trong một quá trình cân bằng bất kì: 

2

1 '

V

V pdV A

Có thể xác định A’ bằng đồ thị  Công mà hệ nhận được: A  A'

* Nhiệt lượng:

+ Nếu truyền nhiệt lượng Qcho hệ làm nhiệt độ của hệ tăng lên dT thì tỉ số

dT

Q

C được gọi là nhiệt dung của hệ

+ C  C1mol; C1mol: nhiệt dung mol

+ C  mc; c: nhiệt dung riêng

+ Nhiệt dung phụ thuộc quá trình biến đổi của hệ, do đó nhiệt dung mol đẳng áp Cp

khác với nhiệt dung mol đẳng tích CV

* Một số kỹ năng hiểu cần bồi dưỡng cho học sinh:

- Bản chất của Nguyên lí thứ nhất nhiệt động lực học chính là định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng áp dụng cho hiện tượng nhiệt.

- Nội năng: năng lượng nội tại của khối khí Bao gồm động năng của chuyển động hỗn độn của các phân tử khí và thế năng tương tác giữa chúng Với khí lý tưởng thì

bỏ qua thế năng tương tác.

- Nhiệt lượng: Lượng nhiệt năng = năng lượng dưới dạng nhiệt

- Công: Do lực cơ học thực hiện quá trình dịch chuyển, liên quan đến sự thay đổi tăng, giảm thể tích khối khí Có quan hệ với năng lượng cơ học.

- Trong vấn đề nghiên cứu tích hợp Cơ - Nhiệt có thể thấy: Nhiệt lượng Q đặc trưng cho phạm trù Nhiệt học; Công A đặc trưng cho phạm trù Cơ học.

2 2

= 0 nên

2 1

   

2 2 1 1 1

P V PV A









- Áp suất toàn phần do nhiều chất khí gây ra : P P P 1  2  P n

- Động năng trung bình của phân tử trong khối khí : d

+ i: là bậc tự do của nguyên tử (khí đơn nguyên tử i = 3,

khí hai nguyên tử i = 5 và khí ba nguyên tử trở lên i = 6)

Q c dT c T T

3 Áp dụng nguyên lí I cho chu trình:

* Chu trình là một quá trình mà trạng thái cuối trùng với trạng thái đầu Chu trìnhcân bằng có thể biểu diễn trên đồ thị bằng một đường cong khép kín Lượng khí biếnđổi theo chu trình gọi là tác nhân

* Theo nguyên lí I: U QAQ A' mà chu trình thì U  0  Q  A':

Tổng đại số nhiệt lượng nhận được Q = tổng đại số công sinh ra A’

Công A’ mà tác nhân sinh ra có độ lớn bằng diện tích bao quanh bởi đường biểudiễn chu trình trong hệ (p,V), có dấu (+) nếu chu trình diễn biến theo chiều kimđồng hồ trên đường biểu diễn và ngược lại

PHẦN 2: HƯỚNG DẪN HỌC SINH KỸ NĂNG GIẢI BÀI TẬP

Bài 1: [6]

Một quả bóng đá khối lượng 800g , đường kính 22cm được bơm căng đến ápsuất 2atm Tính nhiệt độ của khí trong bóng lúc tiếp đất sau khi bóng rơi thẳngđứng từ độ cao 25m Cho rằng vỏ bóng hoàn toàn mềm và cách nhiệt Nhiệt độ banđầu của quả bóng là 27 0C Bỏ qua sức cản của không khí Nhiệt dung mol đẳng tíchcủa không khí C V  2 , 5R R 8 , 31J/mol.K ; g 10m/s2 ; 1atm 10 5Pa

* Định hướng kỹ năng tư duy: Khi bóng tiếp đất bị bẹp, khí trong bóng bị nén

đẳng tích và đoạn nhiệt

* Hướng dẫn giải:

Số mol khí trong quả bóng:

mol RT

d p

RT

pV

447 , 0 2

3

4

3 3

mgh  v  21 , 5 (K)

C

mgh T

K đóng Trong xi lanh 1, dưới pit-tông khối lượng M,

chứa một lượng khí lý tưởng đơn nguyên tử có khối

lượng mol µ, nhiệt độ T0 Trong xi lanh 2 có pit-tông

khối lượng m = M/2 và không chứa khí Phần trên của

pit-tông trong hai xi lanh là chân không Sau đó van K

được mở để khí từ xilanh 1 tràn qua xi lanh 2 Xác định nhiệt độ của khí sau khi khí

đã cân bằng, biết rằng khi đó phần trên của pit-tông trong xi lanh 2 vẫn còn khoảngtrống Cho νµ/M = 0,1, với ν là số mol khí; ma sát giữa pit-tông và xi lanh là rấtnhỏ

Hướng dẫn giải:

K

Khi K mở, toàn bộ lượng khí chuyển qua xi lanh 2

Kí hiệu: H0 – độ cao cột khí trong bình 1 khi K chưa mở;

H và T – độ cao và nhiệt độ cột khí trong xi lanh 2 khi K mở và khí

1 5

Một xi lanh cách nhiệt nằm ngang được chia thành hai

phần nhờ một pit-tông mỏng dẫn nhiệt Pit-tông được nối

với một thành ở đầu xi lanh bằng một lò xo nhẹ Ở hai bên

của pit-tông đều có ν mol khí lí tưởng đơn nguyên tử Xi lanh có chiều dài 2ℓ, chiềudài của lò xo lúc chưa dãn là ℓ/2 Ở trạng thái ban đầu lò xo bị dãn một đoạn là X vànhiệt độ của khí trong hai phần của xi lanh là T Sau đó, người ta đục một lỗ nhỏ quathành của pit-tông Xác định độ biến thiên nhiệt độ của khí trong xi lanh ΔT sau khiT sau khikhí trong xi lanh đã cân bằng Bỏ qua nhiệt lượng hấp thụ bởi xilanh, pit-tông, lò xo

và ma sát giữa pit-tông và xi lanh

Hướng dẫn giải:

Ở trạng thái đầu, lực đàn hồi của lò so cân bằng với lực tác động lên pit-tônggây ra bởi độ chênh lệch về áp suất ở hai bên của pit-tông

Cho biết xi lanh cách nhiệt với môi trường ngoài; nhiệt dung của xi lanh,pittông và lò xo là nhỏ, có thể bỏ qua Hãy tính áp suất p2và nhiệt độ T2.

2

2

2 



2   RT 

T T

Trong một xilanh cách nhiệt khá dài nằm ngang có

nhốt 1 mol khí lí tưởng đơn nguyên tử có khối lượng

m nhờ hai pittông cách nhiệt có khối lượng bằng nhau

và bằng M có thể chuyển động không ma sát trong xilanh Lúc đầu hai pittông đứngyên, nhiệt độ của khí trong xilanh là To Truyền cho hai pittông các vận tốc v1, v2

cùng chiều (v1=3vo, v2=vo) Tìm nhiệt độ cực đại mà khí trong xilanh đạt được, biếtbên ngoài là chân không

Hướng dẫn giải:

- Đối với pittông (1): lực tác dụng vào pittông theo phương ngang là lực đẩy F1

ngược chiều v1 nên pittông (1) chuyển động chậm dần đều

- Đối với pittông (2): tương tự, lực đẩy F2 cùng chiều v2 nên pittông (2) chuyển độngnhanh dần đều

- Trong quá trình hai pittông chuyển động, khối khí nhốt trong xi lanh chuyển độngtheo

- Chọn hệ quy chiếu gắn với pittông (2), vận tốc

của pittông (1) đối với pittông (2) là:

2

1

12 v v

v    pittông (1) chuyển động về phía

pittông (2) chậm dần rồi dừng lại lúc to, sau đó

t>to thì pittông (1) chuyển động xa dần với pittông (2) và khí lại giãn nở

- Gọi G là khối tâm của khối khí trong xi lanh lúc t<to: khí bị nén, G chuyển động vềphía pittông (2)

- Lúc t>to: khí bị giãn, G chuyển động ra xa dần pittông (2) Vậy ở nhiệt độ to thì

vG=0  cả hai pittông cùng khối khí chuyển động cùng vận tốc v

- Định luật bảo toàn động lượng ta có:

2

1

o Mv v

 Độ biến thiên động năng: W=Wđ2-Wđ1=

m M

m M

Mv o



 2

) 5 2 (

3 2

m M Mv R T

2 2

Bài 6: [7]

Một xi lanh kín hình trụ đặt thẳng đứng, bên trong có

mộtpit tông nặng, có thể trượt không ma sát Pittông này

và đáy xi lanh nối với nhau bởi một lò xo, và trong khoảng

đó có chứa n 2mol khí lí tưởng đơn nguyên tử ở thể tích

1

V , nhiệt độ T 0C

1  27 Phía trên là chân không Ban đầu

lò xo ở trạng thái không biến dạng Sau đó, truyền cho khí

một nhiệt lượng Q và thể tích khí lúc này là 3 1

4

V , nhiệt

độ T 0C

2  147 Cho rằng thành xi lanh cách nhiệt, mất mát

nhiệt là không đáng kể R 8 , 31 (J /mol.K), C V R

2

3

 Tìmnhiệt lượng Q đã truyền cho khí

Hướng dẫn giải:

Gọi m, S, k là khối lượng, tiết diện pit tông, độ cứng lò xo

Các trạng thái khí lúc đầu và lúc sau là (p1, V1, T1) và (p2, V2, T2)

V V S

1 6

1 ( )

( 6

1 3

1 2

2

3

1

2 T T

13 (

A

Q      

Bài 7: [9]

Trong một xi lanh thẳng đứng, thành cách nhiệt, có hai

pittông: pittông A nhẹ (trọng lượng có thể bỏ qua) và

dẫn nhiệt, pittông B nặng và cách nhiệt

Hai pittông và đáy của xilanh tạo thành hai ngăn, mỗi

ngăn chứa 1 mol khí lí tưởng lưỡng nguyên tử và có

chiều cao là h 0 , 5m Ban đầu, hệ ở trạng thái cân bằng

nhiệt Làm cho khí nóng lên thật chậm bằng cách cho

khí (qua đáy dưới) một nhiệt lượng Q 100J Pittông A

có ma sát với thành bình và không chuyển động,

pittông B chuyển động không ma sát với thành bình

Tính lực ma sát tác dụng lên pittông A

Hướng dẫn giải:

Gọi nhiệt độ ban đầu của hệ là T0, nhiệt độ sau cùng là T1

A B

Áp suất ban đầu của khí trong hai ngăn bằng nhau và bằng p0.

Khí trong ngăn trên nóng đẳng áp từ nhiệt độ T0 đến nhiệt độ T1, thể tích tăng từ

V0 đến

0

1 0

T

T V

V  , công A mà khí sinh ra là

) (

) 1 ( )

0

1 0 0 0 1

T

T V p V

V T

T p S p

p

F ( ) 1 0 ( 1 0)1

0

1 0 0

Một xi lanh nằm ngang, bên trong có một pittông

ngăn xi lanh làm hai phần: Phần bên trái chứa khí

lí tưởng đơn nguyên tử, phần bên phải là chân

không Hai lò xo k1, k2 gắn vào pittông và đáy xi

lanh như hình vẽ Lúc đầu, pittông được giữ ở vị

trí mà cả hai lò xo chưa bị biến dạng, trạng thái khí

lúc đó là (P1,V1,T1) Giải phóng pittông thì khi

pittông ở vị trí cân bằng, trạng thái khí là

V k k S

x k k

1 1 2

2

3T

p V T

V p T

2 3

p

p T

2 2 1

) (

2 2

) (

2

1 ) (

2

1

S

V k k S

V k k x

k k

1 2 2 1

2

3 ) (

2

3 ) (

2

3

V p p V

p V p T

2

3 )

(

2

V p p S

V k

( 2

2 1 2

1 2

S

V k k

3

p p

11

3 1

2



p p

(2) 

11

9 1

2



T T