Vật lý 8 các em bắt đầu làm quen với những bài toán định lượng nên nhiều học sinh chưa định hướng được yêu cầu của bài toán, chưa nhận dạng được bài toán, không vận dụng được lí thuyết v
Trang 1A PHẦN MỞ ĐẦU
I Lý do chọn đề tài:
Chương trình Vật lý cấp THCS trang bị cho học sinh bốn phần kiến thức cơ bản đó là: cơ học, nhiệt học, điện học và quang học Ngay từ khi lớp 6,7 học sinh đã được trang bị bốn phần kiến thức trên nhưng ở giai đoạn này chỉ cung cấp cho các
em những kiến thức vật lý dưới dạng định tính, những khái niệm chưa đầy đủ, một số
ít bài tập vận dụng công thức một cách thuần túy Vật lý 8 các em bắt đầu làm quen với những bài toán định lượng nên nhiều học sinh chưa định hướng được yêu cầu của bài toán, chưa nhận dạng được bài toán, không vận dụng được lí thuyết vào giải các bài tập, hay khi giải các bài tập thì thường áp dụng một cách máy móc các công thức mà không hiểu được ý nghĩa vật lý của chúng nhất là bài tập phần nhiệt học Đây là loại bài tập thường chiếm một phần trong cấu trúc của các đề thi học sinh giỏi cấp huyện, cấp tỉnh cũng như đề thi vào khối chuyên Vật lý ở các trường chuyên THPT
Bên cạnh đó, thời lượng học Vật lý lớp 8 được bố trí rất ít chỉ có 1 tiết/tuần và tiết bài tập rất ít Chính vì vậy, nhiều học sinh không thể tự mình giải quyết được các bài tập nhiệt học đặc biệt là bài tập áp dụng phương trình cân bằng nhiệt do chưa biết cách phân loại và chưa tìm được phương pháp giải phù hợp Do đó, việc tiếp thu kiến thức của các em gặp rất nhiều khó khăn, ảnh hưởng nhiều đến chất lượng dạy học và bồi dưỡng học sinh giỏi
Qua quá trình giảng dạy, hướng dẫn học sinh giải các bài tập áp dụng phương trình cân bằng nhiệt Tôi nhận thấy nhiều bài có chung một dạng Nếu chúng ta hướng dẫn học sinh biết phân loại các dạng bài toán thì việc giải chúng sẽ đơn giản hơn rất nhiều và chắc chắn sẽ gây được hứng thú cho học sinh Xuất phát từ những lý
do trên, sau nhiều năm nghiên cứu, áp dụng trong thực tiễn giảng dạy và bồi dưỡng
HSG tôi đã tích lũy được: “Một vài suy nghĩ khi giải các bài toán áp dụng phương
trình cân bằng nhiệt”.
II Đối tượng nghiên cứu:
1. Đối tượng nghiên cứu:
- Vấn đề: phần Nhiệt học trong Vật lý 8
Trang 2Bài 24: Công thức tính nhiệt lượng.
Bài 25: Phương trình cân bằng nhiệt
Bài đọc thêm: Động cơ nhiệt
- Các tài liệu tham khảo khác
2 Phạm vi nghiên cứu:
- Sách giáo khoa, Sách bài tập, Sách 121 bài tập vật lý 8, Sách 400 bài tập vật
lý 8 và một số tài liệu tham khảo khác phần nhiệt học môn Vật lý 8
- Học sinh lớp 8A, B, C, D
III Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu:
1 Mục đích nghiên cứu:
- Giúp học sinh biết phân tích bài toán, phân dạng bài toán, tìm được phương pháp giải thích hợp và bài toán được giải dễ dàng hơn
- Gây được niềm hứng thú, say mê học tập môn Vật lý
- Giúp giáo viên có thêm phương pháp dạy học môn Vật lý phần nhiệt học
2 Nhiệm vụ nghiên cứu:
- Đề tài trình bày một số phương pháp khi giải các bài toán áp dụng phương trình cân bằng nhiệt
- Cấu trúc các dạng bài tập: Phương pháp giải và bài tập áp dụng
IV Giả thiết khoa học:
lý lớp 8, 9 khi nghiên cứu và áp dụng đề tài; giúp giáo viên dạy có hiệu quả hơn; học sinh say mê, yêu thích môn học
V Phương pháp nghiên cứu:
- Xây dựng kế hoạch ngay từ đầu năm học
- Nghiên kĩ lý thuyết và bài tập sách giáo khoa, sách bài tập và một số tài liệu tham khảo khác
- Phân loại và khái quát hóa các dạng bài toán đưa ra cách giải phù hợp
- Áp dụng dạy ở tất cả đối tượng học sinh
- Khảo sát và rút kinh nghiệm
VI Đóng góp về mặt khoa học:
Đề tài có thể sử dụng vào các tiết học, ôn tập chương môn vật lý 8, bồi dưỡng học sinh giỏi môn vật lý 8, 9 để học sinh có khả năng định hướng, vận dụng một cách
Trang 3có mục đích, sáng tạo các kiến thức của mình trong việc đi tìm lời giải hợp lý nhất cho một bài tập
B NỘI DUNG
I Cơ sở khoa học:
1 Cơ sở lý luận:
Đối với bộ môn khoa học thực nghiệm như Vật lý, có thể nói: “Trăm nghe không bằng một thấy; trăm thấy không bằng một làm” Nếu không có sự trải nghiệm nhất định trong thực tế thì sự lĩnh hội kiến thức không thể sâu sắc và bền chặt được Hơn nữa sự hiểu biết thế giới Vật lý không thể đạt được đơn thuần bằng suy diễn lô gic mà còn phải thông qua việc giải các bài tập Vật lý
Bài tập vật lý là một câu hỏi hoặc một vấn đề học tập được đặt ra cho học sinh tìm câu trả lời hoặc lời giải, trên cơ sở vận dụng các kiến thức, kỹ năng vật lý, tiến hành các suy luận lô gic hoặc toán học
Phương pháp giải bài tập Vật lý là khả năng định hướng, vận dụng một cách có mục đích, sáng tạo các kiến thức của mình trong việc đi tìm lời giải hợp lý nhất cho một bài tập Học sinh có phương pháp tốt sẽ biết cách phân tích đề bài và các hiện tượng xảy ra từ đó sẽ phân loại được bài tập, xác định được hướng giải quyết đúng và trình bày lời giải một cách logic, chính xác trong một thời gian xác định đối với các bài tập Vật lý nói chung và bài tập Nhiệt học nói riêng Nắm chắc được phương pháp giải một số dạng bài tập Nhiệt học: Giúp học sinh vận dụng được kiến thức vào thực
tế đời sống, giải quyết được những thắc mắc hoặc vấn đề mà thực tế đời sống đòi hỏi; giúp học sinh tự tin hơn khi tiếp cận với các bài tập nâng cao, các hiện tượng nhiệt học phức tạp
2 Cơ sở thực tiễn:
2.1 Một số khái niệm
a Nhiệt năng:
- Nhiệt năng là tổng động năng của các phân tử cấu tạo nên vật
Trang 4- Nhiệt lượng là phần nhiệt năng mà vật nhận thêm được hay mất bớt đi trong quá trình truyền nhiệt
b Nguyên lý truyền nhiệt:
Nếu chỉ có hai vật trao đổi nhiệt thì:
- Nhiệt tự truyền từ vật có nhiệt độ cao hơn sang vật có nhiệt độ thấp hơn
- Sự truyền nhiệt xảy ra đến khi nhiệt độ của hai vật bằng nhau thì dừng lại
- Nhiệt lượng của vật này tỏa ra bằng nhiệt lượng của vật kia thu vào
2.2 Các công thức
a Công thức nhiệt lượng: Q = mc∆t
+ Q: Nhiệt lượng vật thu vào hay tỏa ra (J) + m: Khối lượng của vật (kg)
+ c: Nhiệt dung riêng của chất làm vật (J/kg.K) + ∆t: Độ tăng (giảm) nhiệt độ của vât
- Vật thu nhiệt vào để nóng lên: ∆t = t2 - t1
- Vật tỏa nhiệt ra để nguội đi: ∆t = t1 - t2
(Trong đó t1 là nhiệt độ ban đầu, t2 là nhiệt độ cuối)
- Nhiệt dung riêng của một chất là nhiệt lượng cần thiết để làm cho 1kg chất đó nóng lên thêm 10C
b Phương trình cân bằng nhiệt: Qtỏa ra = Qthu vào
- Qtỏa ra: Nhiệt lượng vật tỏa ra trong quá trình truyền nhiệt
- Qthu vào: Nhiệt lượng vật thu vào trong quá trình truyền nhiệt
Trang 5II Thực trạng của việc dạy và học giải bài toán cân bằng nhiệt tại nhà trường.
Qua thực tế giảng dạy ở nhà trường tôi nhận thấy :
- Một số giáo viên khi giảng dạy và bồi dưỡng HSG phần Nhiệt học chưa chú trọng tới việc xây dựng phương pháp và phân loại cụ thể các dạng bài tập cho học sinh
- Học sinh chưa biết cách phân tích, xử lý các hiện tượng như: chưa xác định được quá trình trao đổi nhiệt, chưa xác định đúng đối tượng trao đổi nhiệt; chưa biết cách
xử lý công thức cho phù hợp nên chưa có được bài giải hợp lý; dễ nhầm lẫn bản chất của các hiện tượng trong các quá trình trao đổi nhiệt hoặc không hiểu rõ bản chất một
số hiện tượng ít gặp
- Học sinh lúng túng trong việc vận dụng, liên hệ giữa các đại lượng kiến thức; kĩ năng biến đổi bài tập từ đơn giản đến phức tạp và kĩ năng giải toán còn rất nhiều hạn chế
- Học sinh vận dụng các kiến thức Toán học về giải phương trình bậc nhất, giải phương trình bậc hai, giải hệ phương trình, biện luận phương trình để tìm nghiệm phù hợp trong các bài tập nhiệt học còn hay nhầm lẫn
- Nhiều học sinh không thích học và làm các bài tập áp dụng phương trình cân bằng nhiệt đặc biệt là bài tập nâng cao
- Một số học sinh tỏ ra có tiếp thu bài nhưng thực tế khi kiểm tra lại không làm được bài hoặc làm bài một cách máy móc mà không hiểu rõ bản chất Thể hiện cụ thể ở kết quả khảo sát trước khi áp dụng đề tài:
Điểm thi
Lớp(Tổng số
HS)
III Các biện pháp đã tiến hành để giải quyết vấn đề.
Trang 6Từ thực trạng trên, để giúp học sinh khắc phục được những khó khăn, nâng cao chất lượng, hiệu quả học tập phần Nhiệt học , Tôi đã tiến hành nghiên cứu các dạng bài tập áp dụng phương trình cân bằng nhiệt, đưa ra phương pháp chung để giải một bài tập cân bằng nhiệt, khái quát phương pháp có thể áp dụng để giải quyết dạng bài tập đó, đưa ra bài tập mẫu và các bài tập để học sinh vận dụng Cụ thể như sau:
1 Phương pháp chung để giải bài tập áp dụng phương trình cân bằng nhiệt Bước 1: Tìm hiểu đề bài
- Đọc kỹ đề bài, tóm tắt bài toán và đổi đơn vị (nếu cần)
- Vẽ hình của bài toán (nếu cần)
Bước 2: Phân tích hiện tượng Vật lý
- Xác định xem kiến thức trong đề bài liên quan đến những khái niệm nào, định luật nào?
- Đối với những hiện tượng vật lý phức tạp cần phải phân tích thành những hiện tượng đơn giản
- Tìm xem hiện tượng vật lý diễn biến qua những giai đoạn nào? Mỗi giai đoạn tuân theo những quy tắc nào?
Bước 3: Xây dựng lập luận cho việc giải bài tập.
- Trình bày hệ thống chặt chẽ lập luận, lôgíc để tìm mối liên hệ giữa những đại lượng
đã cho và đại lượng cần tìm
- Lập các công thức có liên quan giữa các đại lượng đã biết và đại lượng cần tìm, rồi thực hiện các phép biến đổi toán học để đưa ra một công thức chỉ chứa các đại lượng
đã biết và cần tìm
- Thay số để tìm giá trị đại lượng cần tìm
Bước 4: Biện luận kết quả
Trang 7Sau khi tìm được kết quả, cần rút ra nhận xét về giá trị thực của kết quả.
2 Phương pháp giải một số dạng bài tập nhiệt học cụ thể:
a) Bài tập bỏ qua sự trao đổi nhiệt với môi trường
Dạng 1: Sự trao đổi nhiệt giữa hai vật hoặc hai chất (1 lần)
Phương pháp giải:
- Xác định vật tỏa nhiệt khi hạ nhiệt độ từ t10C đến t0C
Vật thu nhiệt khi tăng nhiệt độ từ t20C đến t0C
- Áp dụng phương trình cân bằng nhiệt trong một lần trao đổi nhiệt
- Giải bài toán
Bài tập áp dụng:
Bài 1: Một nhiệt lượng kế chứa 2 lít nước ở nhiệt độ 150C Hơi nước nóng lên bao nhiêu độ nếu bỏ vào nhiệt lượng kế một quả cân bằng đồng thau khối lượng 500g được nung nóng tới 1000C
Lấy nhiệt dung riêng của đồng thau là 368J/kg.K; của nước 4186J/kg.K
Bỏ qua nhiệt lượng truyền cho nhiệt lượng kế và môi trường bên ngoài
Hướng dẫn giải:
Nhiệt lượng của quả cân tỏa ra:
Q1 = m1c1(t1 – t) = 0,5 4186(100 – t)
Nhiệt lượng thu vào của nước:
Q2 = m2c2(t – t2) = 2 4186(t – 15)
Vì nhiệt lượng tỏa ra bằng nhiệt lượng thu vào nên: Q1 = Q2
Thay số vào ta có:
0,5 4186(100 – t) = 2 4186(t – 15)
Giải ra ta được : t = 16,820C
Bài 2: Để có 100 lít nước ở nhiệt độ 350 người ta trộn một lượng nước đang sôi với một lượng nước ở 150C Tính khối lượng nước của mỗi loại?
Phương pháp giải:
- Xác định vật tỏa nhiệt: lượng nước đang sôi, khi hạ nhiệt độ từ 1000C đến
350C
Vật thu nhiệt: lượng nước ở 150C, khi tăng nhiệt độ từ 150C đến 350C
- Áp dụng phương trình cân bằng nhiệt trong một lần trao đổi nhiệt
Trang 8- Giải bài toán
Hướng dẫn giải:
Gọi x là khối lượng nước ở 150C và y là khối lượng nước đang sôi
Ta có: x + y = 100 (kg) (1)
Nhiệt lượng y(kg) nước đang sôi tỏa ra:
Q1 = y(100 – 35)
Nhiệt lượng x(kg) nước ở 150C thu vào để nóng lên 350C:
Q2 = x(35 – 15)
Vì nhiệt lượng thu vào bằng nhiệt lượng tỏa ra nên:
y(100 – 35) = x(35 – 15) (2)
Giải hệ phương trình (1) và (2) ta được:
x = 76,5 (kg)
y = 23,5 (kg) Vậy để có 100 lít nước ở 350C cần phải đổ 23,5 lít nước đang sôi vào 76,5 lít nước ở 150C
Bài 3: Thả 300g chì ở 1000C vào 250g nước ở 58,50C làm cho nước nóng lên tới
600C Cho nhiệt dung riêng của nước là 4 190J/kg.K
a Hỏi nhiệt độ của chì ngay khi có cân bằng nhiệt ?
b Tính nhiệt lượng nước thu vào
c Tính nhiệt dung riêng của chì
Hướng dẫn giải:
a Nhiệt độ của chì ngay khi có cân bằng nhiệt cũng là nhiệt độ cuối của nước ( khi nước đã nóng lên), nghĩa là bằng 600C => t = 600C
b Nhiệt lượng nước thu vào:
Qthu vào = m2c2( t - t2) = 0,25 4 190 (60 - 58,5) = 1 571,25 (J)
c Nhiệt lượng chì toả ra là:
Qtoả ra = m1c1( t1- t) = 0,3.c1.(100 - 60) = 12c1(J)
Trang 9Áp dụng phương trình cân bằng nhiệt ta có:
Qtoả ra = Qthu vào
Hay 12c1= 1571,25
c1 = 130,94 (J/kg.K)
Vậy nhiệt dung riêng của chì là : 130,94 J/kg.K
Dạng 2: Sự trao đổi nhiệt giữa hai vật (chất) nhiều lần.
Phương pháp giải :
- Viết phương trình cân bằng nhiệt sau khi nhiệt độ cân bằng ở lần trao đổi nhiệt thứ nhất
- Viết phương trình cân bằng nhiệt sau khi nhiệt độ cân bằng ở lần trao đổi nhiệt thứ hai
- Viết phương trình cân bằng nhiệt sau khi nhiệt độ cân bằng ở lần trao đổi nhiệt cuối cùng
- Từ các phương trình trên lập luận giải bài toán
Lưu ý : Sau khi các vật trao đổi nhiệt từ lần thứ hai trở đi thì khối lượng của các vật (chất) ở tham gia thay đổi.
Bài tập áp dụng :
Bài 1: Có 2 bình cách nhiệt Bình 1 chứa m1 = 4kg nước ở nhiệt độ t1 = 200C, bình 2 chứa m2 = 8kg nước ở nhiệt độ t2 = 400C Người ta trút một lượng nước m từ bình 2 sang bình 1 Sau khi nhiệt
độ ổn định ở bình 1 người ta lại trút lượng nước m từ bình 1 sang bình 2 Nhiệt độ ở bình 2 khi cân bằng nhiệt là t” = 380C Hãy tính lượng nước m đã trút trong mỗi lần
và nhiệt độ ổn định t1’ ở bình 1?
Hướng dẫn giải:
Lần trút thứ nhất từ bình 2 sang bình 1 Nhiệt độ cân bằng ở bình 1 là t1’
Nhiệt lượng thu vào của bình 1 để nhiệt độ tăng từ t1 đến t1’ là:
Q1 = m1c(t1’ - t1)
Nhiệt lượng mà m tỏa ra khi nhiệt độ giảm từ t2 đến t1’ là:
Q1’ = mc(t2 - t1’)
Phương trình cân bằng nhiệt ở bình 1: Q1 = Q1’
Trang 10 m1c(t1’ - t1) = mc(t2 - t1’) (1)
Lần trút thứ 2 từ bình 1 sang bình 2 Nhiệt độ cân bằng ở bình 2 là t2’
Phương trình cân bằng nhiệt ở bình 2:
mc(t2’ - t1’) = (m2 – m)c(t2 - t2’) (2)
Thay số vào (1) và (2) rồi giải ra ta được:
m = 0,5 (kg)
t1’ = 240C
Bài 2: Có hai bình cách nhiệt Bình 1 chứa m1 = 2kg nước ở nhiệt độ t1 = 200C, bình
2 chứa m2 = 4kg ở nhiệt độ t2 = 600C Người ta rót một lượng nước m từ bình 1 sang bình 2 Sau khi cân bằng nhiệt, người ta lại rót một lượng nước m như thế từ bình 2 sang bình 1, nhiệt độ cân bằng ở bình 1 lúc này là t1’ = 21,950C
a) Tính lượng nước m trong mỗi lần rót và nhiệt độ cân bằng t2’ ở bình 2? b) Nếu tiếp tục thực hiện lần rót thứ 2, tìm nhiệt độ trung bình ở mỗi bình?
Hướng dẫn giải:
a) Sau khi rót lượng nước m từ bình 1 sang bình 2 Nhiệt độ cân bằng ở bình 2 là t2’
Ta có: mc(t2’ - t1) = m2c(t2 - t2’)
m(t2’ - t1) = m2(t2 - t2’) (1)
Tương tự cho lần rót tiếp theo, nhiệt độ cân bằng của bình 1 là t1’ Lúc này lượng nước trong bình chỉ còn: (m1 – m)
Do đó: m(t2’ - t1’) = (m1 – m) (t1’ - t1)
m(t2’ - t1) = m1(t1’ - t1) (2)
Từ (1) và (2) ta suy ra: m2(t2 - t2’) = m1(t1’ - t1)
2
1 1 1 2 2 2
) ' ( '
m
t t m t m
Thay (3) vào (2), ta rút ra:
) ' ( ) (
) ' (
1 1 1 1 2 2
1 1 2 1
t t m t t m
t t m m m
Thay số vào phương trình (3) và (4), giải ra ta được:
t2’= 59,0250C 590C
m = 0,1kg = 100g
b) Bây giờ bình 1 có nhiệt độ t1’ = 21,950C, bình 2 có nhiệt độ t2’ 590C, nên sau lần rót từ bình 1 sang bình 2, ta có phương trình cân bằng nhiệt:
m(t2” – t1’) = m2(t2’ – t2”)
t2”(m + m2) = mt1’ + m2t2’
Trang 11 t2” = ( ' )'
2
2 2 1
m m
t m mt
Thay số vào ta tính được: t2’ = 58,150C
Lần rót thứ 2 từ bình 2 sang bình 1, sau khi cân bằng nhiệt:
m(t2” – t1”) = (m1 – m)(t1” – t1’)
t1”m1 = mt2” + (m1 – m)t1’
1
1 1
2 1
) (
"
m
t m
m mt
Ta tính được t1 = 23,760C
Dạng 3: Sự trao đổi nhiệt giữa nhiều vật(chất).
Khi gặp hệ có từ 3 vật trở lên trao đổi nhiệt với nhau thì bài toán sẽ trở thành
phức tạp hơn khi giải, bởi ta không thể biết nhiệt độ ban đầu của vật thứ 3 lớn hơn
hay nhỏ hơn nhiệt độ cuối cùng của hệ khi xảy ra cân bằng nhiệt Do vậy bài toán sẽ
trở nên rắc rối
Bài tập áp dụng:
Bài 1: Cho 3 vật đồng , nước, nhôm có khối lượng lần lượt là mđ = 6kg; mnước = 1kg;
mnhôm = 3kg trao đổi nhiệt với nhau Biết nhiệt độ ban đầu của 3 vật lần lượt là t1đ=
200C; t1n = 1000C; t1nh = 400C Bỏ qua mọi sự mất nhiệt khác.Tính nhiệt độ cuối
cùng của hệ Cho Cđ = 380 J/kg.K; Cn= 4200J/kg.K; Cnh= 80J/kg.K
Để giải bài toán trên theo cách thông thường, trước hết ta phải cho đồng và
nước trao đổi nhiệt với nhau (hoặc đồng với nhôm hoặc nước với nhôm) Sau đó cho
khối đồng - nước trao đổi nhiệt với nhôm
Bài giải sẽ rất phức tạp! Bởi phải qua 2 lần cân bằng nhiệt
Để giải quyết vấn đề trên, chúng ta quy ước như sau:
- Vẫn gọi t1 : nhiệt độ ban đầu; t2: nhiệt độ cuối cùng của vật
Nhiệt lượng vật tham gia khi trao đổi nhiệt là: Q = mC(t2 – t1 )
- Phương trình cân bằng nhiệt được viết lại như sau: Qtỏa ra = - Qthu vào
hay Qtỏa ra + Qthu vào = 0
- Sau khi giải xong, nếu (t2 – t1 ) > 0 tức là t1< t2 : vật thu nhiệt
còn nếu (t2 – t1 ) < 0 tức là t1 > t2 : vật tỏa nhiệt
Bây giờ chúng ta thử giải bài toán trên bằng 2 cách, sau đó hãy so sánh