Phương pháp giải bài toán nhiệt học có sự chuyển thể của các chất để bồi dưỡng học sinh giỏi vật lí 9

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ PHÒNG GD&ĐT THÀNH PHỐ THANH HÓA SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN NHIỆT HỌC CÓ SỰ CHUYỂN THỂ CỦA CÁC CHẤT ĐỂ BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI VẬT L

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ

PHÒNG GD&ĐT THÀNH PHỐ THANH HÓA

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN NHIỆT HỌC

CÓ SỰ CHUYỂN THỂ CỦA CÁC CHẤT ĐỂ BỒI

DƯỠNG HỌC SINH GIỎI VẬT LÍ 9

Người thực hiện: Nguyễn Thị Hằng Chức vụ: Giáo viên

Đơn vị công tác: Trường THCS Trần Mai Ninh SKKN thuộc môn: Vật lí

THANH HÓA NĂM 2020

MỤC LỤC PHẦN 1 MỞ ĐẦU trang 1

I Lí do chọn đề tài 1

II Mục đích nghiên cứu 1

III Đối tượng nghiên cứu 2

IV Phương pháp nghiên cứu 2

V Những điểm mới của SKKN 2

PHẦN 2 NỘI DUNG 3

I Cơ sở lí luận 3

II Thực trạng 3

II.1 Đối với học sinh 3

II.2 Đối với giáo viên 3

III Giải pháp và tổ chức thực hiện 4

III.1 Các giải pháp 4

III.2 Tổ chức thực hiện 4

III.2.1 Biện pháp 4

III.2.2 Một số dạng bài tập cụ thể 5

III.2.2.1 Dạng bài tập xác định nhiệt độ cân bằng 5

III.2.2.2 Dạng bài tập liên quan đến cơ học 8

III.2.2.3 Dạng bài tập liên quan đến điện học 10

III.2.2.4 Dạng bài tập liên quan đến cực trị 11

III.2.2.5 Dạng bài tập tìm các đại lượng vật lí khi đã biết nhiệt độ cân bằng 13

III.2.2.6 Dạng bài tập về đồ thị 13

III.2.2.7 Dạng bài tập về thực hành 14

IV Kiểm nghiệm 16

IV.1 Bài học kinh nghiệm 16

IV.2 Kết quả đạt được 16

PHẦN 3 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 18

TÀI LIỆU THAM KHẢO 20

DANH MỤC CÁC ĐỀ TÀI SKKN ĐÃ ĐƯỢC XẾP LOẠI 21

Để đạt được mục đích trên, trong quá trình giảng dạy cần chú ý giúp họcsinh phương pháp tự nghiên cứu, tự học để học sinh biết vận dụng kiến thức đãhọc trong những trường hợp cụ thể mà áp dụng cho những trường hợp kháctương tự Trong công tác bồi dưỡng học sinh giỏi vật lí THCS thường gặp cácmảng kiến thức có thể gây khó khăn cho giáo viên và học sinh trong quá trìnhdạy và học Điều quan trọng, giáo viên phải định hướng được cho học sinh nhậnbiết được dạng bài tập vật lí để có phương pháp, kĩ năng giải đúng hướng Mộttrong những mảng kiến thức đó là bài tập về sự chuyển thể của các chất Ở cấpTHCS, học sinh không được học về khái niệm nhiệt nóng chảy, nhiệt hóa hơi

mà mới học về khái niệm sự nóng chảy, sự bay hơi Trong khi dạng bài tập nàyhầu như năm nào cũng có trong các đề thi học sinh giỏi, thi vào chuyên LamSơn Từ những khó khăn và vướng mắc tôi đã tìm tòi, nghiên cứu tìm ra nguyênnhân và tìm ra được các biện pháp giúp học sinh giải quyết tốt được kiến thức vềdạng bài tập này

Để có cách giải dạng bài tập trên hiệu quả nhất, giúp học sinh dễ hiểu, giảiquyết vấn đề nhanh, chính xác, đầy đủ và gọn gàng hơn, đồng thời rèn luyện khảnăng tư duy độc lập trong quá trình học tập cho học sinh tôi đã chọn đề tài:

“Phương pháp giải bài toán nhiệt học có sự chuyển thể của các chất để bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lí 9” từ đó giúp các em có kinh nghiệm trong việc giải

các bài tập dạng này

II Mục đích nghiên cứu

Với việc nghiên cứu thành công đề tài, sáng kiến kinh nghiệm sẽ giúp giáoviên và học sinh có một phương pháp tổng quát để phân biệt các hiện tượng vật

lí, xem có sự chuyển từ thể nào sang thể nào của chất Đây là công việc đầu tiên khi học sinh gặp các bài tập về sự chuyển thể của các chất

III Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là hoạt động dạy và học của giáo viên và học sinhtrong quá trình giải bài tập về sự chuyển thể của các chất

IV Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lí luận: Nghiên cứu tài liệu, thu thập và xử lí tàiliệu sưu tầm được

- Phương pháp điều tra: Giáo viên tiến hành dạy thử nghiệm theo phươngpháp đã nghiên cứu trong đề tài

- Phương pháp trao đổi, thảo luận: Từ kết quả nghiên cứu, giáo viên đã tiếnhành trao đổi, thảo luận với đồng nghiệp, rút kinh nghiệm trong quá trình giảngdạy

V Những điểm mới của SKKN.

- SKKN đã bổ sung thêm dạng bài tập liên quan đến điện học, đây là dạngbài tập HS rất dễ nhầm lẫn trong khi làm bài, từ đó giúp các em có kiến thứcvững vàng và đạt kết quả cao hơn trong học tập

- SKKN đã đổi tên đề tài từ “Kinh nghiệm rèn kĩ năng giải bài toán nhiệt

học có sự chuyển thể của các chất để bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lí 9” thành đề tài: “Phương pháp giải bài toán nhiệt học có sự chuyển thể của các chất để

bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lí 9”

PHẦN 2: NỘI DUNG

I Cơ sở lí luận

Môn vật lí được đưa vào chương trình THCS từ lớp 6 Nội dung kiến thứcmôn vật lí được xây dựng theo chương trình đồng tâm, vì vậy lượng kiến thứcđưa vào chương trình THCS mới nhìn qua tưởng rất ít, rất đơn giản nhưng thực

tế lại rộng và sâu hơn nhiều Vì vậy, trong quá trình giảng dạy, giáo viên phải sửdụng các dạng bài tập hợp lí để truyền tải cho học sinh lượng kiến thức đó chophù hợp với tư duy, nhận thức của học sinh và phù hợp với nội dung chươngtrình Trong thực tế, dạng bài tập “về sự chuyển thể của các chất” là dạng bài tậprất rộng, có thể truyền tải kiến thức rất tốt, dạng bài tập này yêu cầu học sinhphải hiểu hiện tượng và bản chất vật lí Từ đó rèn luyện cho học sinh kĩ năngphán đoán hiện tượng, kĩ năng thực hành, đồng thời gây hứng thú cho học sinhtrong quá trình giải bài tập

II Thực trạng

II.1 Đối với học sinh

Đối tượng là học sinh khá, giỏi tham gia bồi dưỡng thi học sinh giỏi và thituyển sinh vào lớp 10 THPT chuyên Lam Sơn nên kiến thức cơ bản các em nắmtương đối vững, có trí tuệ nhất định Trong hệ thống các bài tập vật lí, dạng bàitập “về sự chuyển thể của các chất” rất dễ nhầm lẫn, nhất là khi nhiệt độ cân

xác định sai quá trình chuyển thể của các chất Ở cấp THCS, học sinh lại khôngđược học về khái niệm nhiệt nóng chảy, nhiệt hóa hơi, công thức xác định nhiệtlượng của quá trình nóng chảy và quá trình hóa hơi lại chưa có, yêu cầu giáoviên phải đưa ra khái niệm nhiệt nóng chảy, nhiệt hóa hơi

Do vậy các em thường bỏ qua bài tập này để tập trung thời gian giải bài tậpkhác và nhiều em không có hứng thú khi gặp bài toán này

II.2 Đối với giáo viên

- Thuận lợi: Hầu hết các thầy cô có trình độ, được đào tạo cơ bản, tâmhuyết với nghề và luôn cầu tiến bộ

- Khó khăn:

Kiến thức đã khó lại rộng lớn và bao trùm Do đó để dành nhiều thời gian vàonghiên cứu, tìm tòi để có kiến thức vững và sâu thì rất hạn chế, nhiều người còn tưtưởng chỉ cần hoàn thành nhiệm vụ là được còn nghiên cứu tìm tòi đã có các nhàkhoa học

Đối với dạng bài tập “về sự chuyển thể của các chất” rất dễ nhầm lẫn Đòihỏi người giáo viên phải có biện pháp xây dựng công thức để học sinh nhận thứcđược trong bài toán có sự chuyển từ thể nào sang thể nào của chất thì học sinh

mới hiểu sâu bản chất, tư duy logic, từ đó đưa ra cách giải đúng hướng Do đóđòi hỏi người giáo viên phải có thời gian, có tâm huyết và tinh thần học hỏi cao,thì mới đáp ứng được chuyên môn, công việc giảng dạy của mình.

III Giải pháp và tổ chức thực hiện.

III.1 Các giải pháp:

Giải pháp 1: Cung cấp lý thuyết về nhiệt nóng chảy, nhiệt hóa hơi để xác

định đúng quá trình chuyển thể của các chất

Giải pháp 2: Xây dựng, phân loại, định hướng nguyên tắc, phương pháp

giải các dạng bài tập về “về sự chuyển thể của các chất”

Giải pháp 3: Bồi dưỡng kĩ năng giải các dạng bài tập về “về sự chuyển thể

- Đối với bài toán có liên quan đến nước và nước đá, mới nhìn vào đề bài ta

ta chưa biết được hơi nước có ngưng tụ hoàn toàn hay không

*) Trước tiên giáo viên phải đưa ra các khái niệm:

- Nhiệt nóng chảy: là nhiệt lượng cần cung cấp cho 1kg chất rắn khinóng chảy hoàn toàn ở nhiệt độ nóng chảy

- Công thức xác định nhiệt lượng vật cần thu vào để nóng chảy hoàn toàn ởnhiệt độ nóng chảy: Q m 

Trong đó: m là khối lượng chất nóng chảy(kg)

- Nhiệt lượng chất lỏng thu vào để hóa hơi hoàn toàn ở nhiệt độ sôi:Q m L

Trong đó: m là khối lượng chất hóa hơi (kg)

L là nhiệt hóa hơi ( J/kg )

- Nhiệt lượng vật tỏa ra để ngưng tụ hoàn toàn ở nhiệt độ sôi cũng đượctính theo công thức trên

- Năng suất tỏa nhiệt của nhiên liệu là nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy hoàn

toàn 1kg nhiên liệu, kí hiệu bằng q.

- Nhiệt lượng tỏa ra khi nhiên liệu bị đốt cháy: Q = q.m

Trong đó: Q là nhiệt lượng tỏa ra (J)

q là năng suất tỏa nhiệt của nhiên liệu (J/kg)

m là khối lượng nhiên liệu bị đốt cháy (kg)

III.2.2 Một số dạng bài tập cụ thể.

III.2.2.1 Dạng bài tập xác định nhiệt độ cân bằng.

Nhận xét: Dạng bài tập này khá phổ biến, có thể truyền tải kiến thức rất tốt,

là căn bản về quá trình chuyển thể của chất Để xác định nhiệt độ cân bằng tadựa vào những dấu hiệu sau:

1 Nếu hỗn hợp có nước đá thì xét xem nhiệt độ cân bằng có ở 0 0 C không?

Ví dụ 1: Đổ m1= 2kg nước ở t1= 100oC vào một bình bằng đồng khốilượng m2 = 0,6kg có chứa m3 = 3kg nước đá ở t2= - 10oC Tính nhiệt độ chung vàkhối lượng nước có trong bình khi cân bằng nhiệt xảy ra Biết nhiệt dung riêngcủa nước là c1=4200J/kg.K, của đồng là c2=380J/kg.K, của nước đá là c3=2100J/

lượng vật thu vào khi nóng chảy là Q=.m

Hướng dẫn giải thông qua các bước:

Bước 1: Tính nhiệt lượng thu vào của bình và nước đá nếu chúng tăng

nhiệt độ tới 0oC: Qthu1 =(m2c2+m3c3)(0-t2)= (0,6.380+3.2100)(0+10)=65280(J)

Bước 2: Tính nhiệt lượng tỏa ra nếu 2kg nước sôi giảm nhiệt độ xuống

Bước 5: Tính khối lượng nước đá đã nóng chảy là m’

Theo phương trình cân bằng nhiệt: Qtỏa ra=Qthu vào ta có:

kg nước đá ở - 200C Hãy tính nhiệt độ, khối lượng nước và khối lượng nước đá

có trong bình khi cân bằng nhiệt Với:

Hướng dẫn giải thông qua các bước:

Bước 1: Xét xem nước đá có nóng chảy hoàn toàn không?

nó toả ra một nhiệt lượng là: Q1= m1 L = 0,25 2,3.106 = 575000 (J)

Q1’ = m2. = 0,8 3,4.105 = 272000 (J)

Do Q1 > Q1’ chứng tỏ m2 = 0,8(kg) nước đá nóng chảy hết

Bước 2: Xét xem nước có tiếp tục nóng lên đến 1000C không?

Nhiệt lượng nước đá thu vào để tăng nhiệt độ từ 00C đến 1000C là:

Q’= m2C ( t1-t0) = 0,8 4200 (100-0) = 336000 (J)

nước trong bình khi có cân bằng nhiệt có nhiệt độ < 1000C

Bước 3: Tìm nhiệt độ của nước trong bình khi có cân bằng nhiệt là t.

- Từ phương trình cân bằng nhiệt: Qtỏa = Qthu

*) Chú ý: Dạng bài tập này cần xét xem có hiện tượng nước hóa hơi ở

nhiệt độ sôi không?

Ví dụ 4: Một miếng thép có khối lượng m = 1 kg được nung nóng đến

miếng thép Tính nhiệt độ sau cùng của nước sau khi rót hết nước vào cốc trongmỗi trường hợp:

a, Nước được rót rất nhanh vào cốc

b, Nước rót rất chậm lên miếng thép

nhiệt hóa hơi của nước là L = 2,3.106 J/kg Coi sự cân bằng nhiệt xảy ra tức thời

và chỉ có sự trao đổi nhiệt giữ miếng thép với nước

Hướng dẫn giải :

*) Chú ý: Dạng bài này học sinh dễ nhầm lẫn giữa hai hiện tượng là rót

nước rất nhanh vào cốc và rót nước rất chậm lên miếng thép

a) - Nhận xét: Khi rót nước rất nhanh vào cốc thì cả 200g nước tăng nhiệt

độ tức thời

Bước 1: Xét xem nước có tăng nhiệt độ đến 1000C và hóa hơi không?

- Nhiệt lượng do thép tỏa ra để hạ nhiệt độ từ 6000C xuống 1000C :

Q1 = m.ct.t1= 1.460.(600 – 100) = 230000 (J)

- Nhiệt lượng cung cấp cho nước tăng từ 200C lên 1000C là:

Q2 = M.cn .t2= 0,2.4200.(100 – 20) = 67200 (J)

Vì Q2 < Q1 nên toàn bộ nước đều chuyển lên 1000C, xảy ra hóa hơi

Bước 2: Xét xem nước có hóa hơi hoàn toàn không ?

Giả sử nước hóa hơi hoàn toàn

Q3 = m.L = 0,2 2,3.106 = 460000 (J)

Vì Q1 < Q2 + Q3 nên nước không hóa hơi hoàn toàn

b) - Nhận xét: Khi rót nước rất chậm vào cốc thì từng ít một lượng nước

rót chậm đó tiếp xúc với thép tăng nhanh nhiệt độ, hóa hơi ngay, quá trình hóahơi này sẽ dừng lại khi thép hạ nhiệt độ xuống đến 1000C

Gọi m’ là khối lượng nước hóa hơi trong suốt quá trình rót (giả sử m' < M)

Nhiệt lượng cung cấp để lượng nước m’ tăng từ 200C đến 1000C và hóa hơi

=> m’= 115/ 1318 (kg) < M => Điều giả sử đúng

=> Khối lượng nước không hóa hơi là : M1 = M – m’

- Sau đó thép ở 1000C sẽ trao đổi với lượng nước còn lại là M1 và có nhiệt

độ sau cùng của nước và thép là t0.

Từ phương trình cân bằng nhiệt => Qtỏa = Qthu

=> m.ct ( 100 – t0 ) = M1 cn (t0 - 20 ) => t0  59,420C

III.2.2.2 Dạng bài tập liên quan đến cơ học

Nhận xét: Từ dấu hiệu nhận biết nếu bài toán có nước đá và liên quan đến

hiện tượng sự thay đổi mực nước thì xét xem nước đá nóng chảy hay nước đôngđặc?

Ví dụ 1: (Trích từ đề thi HSG Tỉnh Thanh Hóa – Năm học: 2011 - 2012)

Hai bình nhiệt lượng kế hình trụ giống nhau cách nhiệt có cùng độ cao là

làm lạnh nước đã đổ vào bình từ trước Cột nước và nước đá chứa trong mỗibình đều có độ cao là h = 10cm Đổ tất cả nước ở bình A vào bình B Khi cânbằng nhiệt thì mực nước trong bình B giảm đi Δh=0,6cmh=0,6cm so với khi vừa mới đổ

Tìm nhiệt độ nước đá ban đầu ở bình B

Hướng dẫn giải thông qua các bước:

Bước 1: Xác định xem nước đông đặc hay nước đá nóng chảy:

So sánh với khi vừa đổ nước từ bình A vào bình B thì khi cân bằng nhiệt,mực nước trong bình B giảm đi, chứng tỏ rằng nước đá trong bình B đã tan mộtphần

Bước 2: Xác định xem nước đá có tan hoàn toàn không?

Nước tan nhưng chưa tan hết, bởi nếu tan hết thì mực nước phải giảm là:

0

' h D 1

Bước 3: Xác định chiều cao của phần nước đá đã tan là h1

Chiều cao của phần nước đá đã tan nó tạo ra cột nước có chiều cao:

- Phương trình cân bằng nhiệt:

*) Chú ý: Ở dạng bài tập trên bài toán cho mực nước trong bình B giảm đi

so với khi vừa mới đổ nước từ bình A vào, chứng tỏ rằng nước đá trong bình B

đã tan một phần Nếu bài toán lại cho mực nước bình B dâng lên so với khi vừamới đổ nước từ bình A vào thì chứng tỏ nước trong bình B đã đông đặc mộtphần (như ở VD 2 sau đây) chứ không phải nước đá nóng chảy như ở VD 1 Đâycũng chính là hiện tượng HS cần phân biệt để không bị nhầm lẫn

*) Bài tập liên quan đến vật chìm trong nước hay vật nổi trên mặt nước

Ví dụ 2: (Trích từ đề thi THPT Chuyên SPHN Năm 2014)

Một cục nước đá đóng băng có chứa một mẩu chì nhỏ bên trong Phần

nước đóng băng có khối lượng M = 0,1 kg, mẩu chì khối lượng m =5g Cụcnước đá đóng băng này được thả nổi trên mặt nước trong một bình đậy kín

cung cấp một nhiệt lượng bằng bao nhiêu cho cục nước đá để nó bắt đầu chìmxuống nước ? Cho biết khối lượng riêng của chì, của nước đá và của nước lầnlượt là 11,3 g/cm3 ; 0,9 g/cm3 và 1 g/cm3; nhiệt nóng chảy của nước đá là 3,3.105J/ kg

Hướng dẫn giải :

- Để cho cục chì bắt đầu chìm, không cần phải toàn bộ cục nước đá tan hết.Chỉ cần khối lượng riêng trung bình của nước đá và cục chì bằng khối lượngriêng của nước là đủ

n

D V



Nhưng thể tích V của nước đá và cục chì bằng tổng các thể tích của chúng

- Khối lượng nước đá phải tan là: M = M - M1 = 100 - 41 = 59(g)

- Lượng nhiệt cần thiết bằng: Q =  M = 3,3 105 0,059 = 19,5.103 (J).Vậy phải cung cấp một nhiệt lượng bằng 19 500 J cho cục nước đá để nó bắt đầu chìm xuống nước

III.2.2.3 Dạng bài tập liên quan đến điện học

Ví dụ 1: (Trích từ đề thi HSG Tỉnh Vĩnh Phúc – Năm học: 2014 - 2015)

Một mạng điện tiêu thụ gia đình được nối với nguồn nhờ dây dẫn bằng

khối lượng riêng:

Gọi chiều dài, tiết diện, điện trở, dây đồng là : l1, S1, R1

Chiều dài, tiết diện, điện trở, dây chì là : l2, S2, R2

Dây dẫn đồng mắc nối tiếp với dây chì nên nhiệt lượng tỏa ra trên mỗi dây

2 327 7 320

    Thay các giá trị t1 và t2 vào (4) ta được : S2 = 4,75.10-6 (m2)

Vậy để an toàn ta nên dùng dây chì có tiết diện : S2 4,75.10-6 m2 = 4,75 mm2

*) Chú ý: Dạng bài tập này học sinh cần chú ý để đảm bảo an toàn về

chưa xét đến quá trình nóng chảy của dây chì Đây cũng chính là hiện tượng HScần phân biệt để không bị nhầm lẫn

Ví dụ 2: (Trích từ đề thi THPT Chuyên ĐHQG Hà Nội Năm 2005)

Trong một bình bằng đồng có đựng một lượng nước đá có nhiệt độ ban đầu

lượng mà bình chứa và lượng chất trong bình nhận được tỷ lệ với thời gian đốtnóng (hệ số tỷ lệ không đổi) Người ta thấy rằng trong 60s đầu tiên nhiệt độ của

hệ tăng từ t = -50C đến t = 00C, sau đó nhiệt độ không đổi trong 1280s tiếp