Chuyên đề bài tập nhiệt

1.Sỏch giỏo khoa vật lớ 6,8 khụng đề cập đến “cụng thức tớnh nhiệt lượng dành cho quỏ trỡnh chuyển thể vật chất “ 2.Cỏc hiện tượng nhiệt trong thực tế là rất phổ biến song khi làm thớ n

CHUYÊN ĐỀ :

Hướng dẫn học sinh giỏi lớp 9

giải bài tập nhiệt học

Nội dung :

I Cơ sở thực hiện :

II Mục đích : III Một số giải pháp thực hiện

IV Ý kiến thảo luận đóng góp cho

chuyên đề

1.Sỏch giỏo khoa vật lớ 6,8 khụng đề cập đến “cụng thức tớnh nhiệt lượng

dành cho quỏ trỡnh chuyển thể vật chất “

2.Cỏc hiện tượng nhiệt trong thực tế là rất phổ biến

(song khi làm thớ nghiệm hoặc quan sỏt trong thực tế thỡ cỏc em chỉ quan sỏt được một phần rất nhỏ trong số cỏc hiện tượng nhiệt diễn ra trong bản thõn vật mà khụng thể

dựng tay để kiểm tra sự thay đổi nhiệt độ của cỏc vật )

3.Bài toỏn v nhiệt lượng trong thực tế thường gắn liền với các quá ề trình chuyển hóa từ nhiệt năng sang cơ năng, từ điện năng sang nhiệt năng …

(Đây là các bài toán hay song đòi hỏi các em phải có đầu óc tổng hợp tốt , khái quát khá cao mới không bị lung tỳng trước những bài tập lạ (ít gặp trong các bài toán mẫu)

I.Cơ sở thực hiện :

( Trong khi cỏc bài thi học sinh giỏi vật lớ lớp 9 thỡ cỏc kiến thức này vẫn cú và chiếm

một khoảng kiến thức nhất định trong bài thi cũng như kiến thức cần cú ở cỏc em )

II.Mục đích:

Từ các kiến thức bổ sung, các bài tập cơ bản và nâng cao, cùng một số kinh nghiệm giảng dạy thực tế nhằm giúp các em HS:

1.Tiếp thu kiến thức nhiệt học một cách hoàn chỉnh hơn.

2.Hiểu rõ, liên hệ và giải thích các hiên tượng nhiệt học trong thực tế chính xác,chủ động hơn.

3.Tiếp cận các quá trình biến đổi nhiệt học trong thực tế một cách chủ động hơn, dễ dàng hơn qua việc áp dụng kiến thức vật lí ,giải các bài tập cơ bản và nâng cao từ đó các em có được hành trang tốt nhất về kiến

thức vật lí đáp ứng nhu cầu hiện nay của ngành giáo dục cung như của toàn xã hội

Từ sự nở vì nhiệt của các chất (môn vật lí 6):Các chất nóng lên thì nở ra, lạnh đi thì co lại, tôi giúp các em liên hệ đến các bài toán về sự thay đổi khối lượng riêng (bao gồm cả các chất có sự nở đặc biệt giúp các em giải được nhiều bài toán có nội dung thực tế).

a)Ví dụ 1

*Mức độ 1:

Một miếng nước đá sẽ nổi hay chìm khi được thả vào một cốc nước ở thể lỏng ? Tại sao ?

Học sinh dễ dàng trả lời là nước đá sẽ nổi, song để giải thích được tại sao thì có lẽ không phải em nào cũng có khả năng lập luận chính xác

H ỏi: Nước là chất có sự nở vì nhiệt như thế nào ?

Em có dự đoán gì về khối lượng riêng của nước đá so với nước ở thể lỏng?

III Một số giải pháp

1.Từ các kiến thức cũ có liên quan, gây hứng thú có tình huống giúp các em chú ý để bắc cầu cho việc tiếp nhận kiến thức mới

* M ức độ 2(sự nở vì nhiệt dạng định lượng)

Một bình hình trụ códiện tích đáy là 10cm 2 chứa 150cm 3 nước ở thể lỏng ở 20 0 C,

nếu thả vào bình một miếng nước đá có dạng hộp lập phương thể tích 8cm3

thì thấy nước trong bình dâng lên một độ cao h nào đó so với ban đầu

Hỏi : a)Tìm chiều cao mực nước dâng thêm khi đó?

b) Khi miếng nước đá tan hết thì mực nước trong bình thay đổi như thế nào ?

(Cho Dnước đá = 900kg/m 3 ; Dnước = 1000kg/m 3 )

* Ki ến thức

a) +Nước là chất nở đặc biệt (từ 0 đến 40C nước co lại,dưới 00 C nước nở ra nên khối

lượng riêng giảm )

+Khi thả nước đá vào nước trong cốc thì nước đá không chìm hoàn toàn

mà có một phần nhô lên khỏi mặt nước trong cốc, V được tính theo công thức lực đẩy ác si mét FA = dnước V phần chìm ( FA = P n ư ớc đá )

* Định hướng : Khi miếng nước đá nằm cân bằng trên mặt thoáng thì có những lực nào tác dụng lên nó theo phương thẳng đứng ?

Quan hệ độ lớn của hai lực đó ?

Chiều cao phần nước dâng lên (chính bằng thể tích phần chìm của miếng nước đá chia cho diện tích S của đáy bình

H dâng = Vphần chìm : S đáy

Phát triển bài toán 1

b) Khi nước đá tan hết thì mực nước trong bình không hề dâng lên thêm do khi đó nước đá bị giảm thể tích do tăng khối lượng riêng để co lại

( Giáo viên có thể yêu cầu HS tính toán cụ thể trọng lượng miểng nước đá từ đó so sánh thể tích của miếng nươc đá với cùng trọng lượng nước ở thể lỏng tương ứng ) giúp các em thấy rõ tại sao lại như vậy

Giảm đi bao nhiêu so với ban đầu ? T ại sao ?

b)Ví dụ 2: Bài toán về sự chuyển thể của các chất

lớp 6:

Mức độ 1: ( Củng cố đặc điểm sự chuyển thể qua đồ

thị , đi đến công thức định lượng )

Cho đồ thị (h.vẽ)Nêu tên các quá trình chuyển thể

của chất ?

Nêu đặc điểm về sự chuyển thể của các chất ?

Tại sao vẫn tiếp tục cung cấp nhiệt mà nhiệt độ của

vật không thay đổi ? Vậy nhiệt lượng đó để làm gì ?

( Khi chuyển thể, các chất chỉ thu hoặc toả nhiệt để

chuyển thể nhưng nhiệt độ không hề thay đổi )

Mức độ 2: (Dành cho học sinh lớp 8,9)

Làm thế nào tính được nhiệt lượng cần cung cấp

cho qúa trình chuyển thể của vật ?

GVcung cấp thêm công thức về sự chuyển thể cho HS và lưu ý các em:

Trong công thức tính nhiệt lượng cho sự chuy ển thể không có mặt nhiệt độ do lúc chuyển thể thì nhiệt

độ của vật không thay đổi )

Mức độ 3: (Kết hợp các bài toàn đã học ở cả lớp 6 v à 8 để liên kết kiến thức với mức độ cao

Q tỏa = Q thu

2 Phân dạng bài toán: Giúp học sinh nắm vững cách giải các loại bài

từ đó có kỹ năng nhận dạng bài toán và các mẹo vặt để giải nhanh mỗi bài toán đó

a)Dạng 1:(Bài toán đơn thuần chỉ gồm các quá trình nhiệt )

*Mức độ 1 : Bài toán về công thức tính nhiệt lượng cần cho vật thay đổi nhiệt độ

và phương trình cân bằng nhiệt.

Ban đầu việc phân tích đầu bài, vẽ, sử dụng sơ đồ nhiệt của các em còn yếu nên tôi thường hướng dẫn các

em làm quen với các bài toán đơn giản như:

“Tính nhiệt lượng cần cung cấp cho một ấm nhôm nặng 0,5kg chứa 2kg nước từ 20 0 C đến khi

sôi”

(Biết Cnhôm = 880J/KgK; Cnc = 4.200 J/KgK)

Để giải được bài này, các em cần vẽ được sơ đồ nhiệt (giáo viên cần lưu ý hướng dẫn các em viết

công thức tính nhiệt lượng thu vào (tỏa ra của từng vật) bằng cách cho chỉ số riêng với từng vật tránh nhầm lẫn từ vật này sang vật kia bằng sơ đồ truyền nhiệt

Ấm nhôm Mnhôm = 0,5kgCnh«m = 880 J/KgK

Qthu 1Qthu 2

t01 = 200Ct2 = 1000 CVật thu nhiệt

Nước: M nước = 2kgCnước = 4200J/kgK

Như vậy, khi nhìn sơ đồ không thể nhầm lẫn hoặc quên đại lượng nào trong công thức:

Từ sơ đồ, học sinh đã biết được:

Qthunc cần để tăng t0 từ 20 -> 1000C là: Qthu nc = mnc Cnc ( t02 - t01)

Qthu ấm cần để tăng t0 từ 20 -> 1000C là: Qthu¸m = mnc Cnh.Cnh ( t02 - t01)

Tổng nhiệt lượng cần cung cấp là: Qthu = Qấm + Qnc

Có thể phát triển từ bài toán trên thành bài tổng hợp, kết hợp công thức năng suất tỏa nhiệt

của nhiên liệu :

Nước: Mu’c = 2kgCnh«m = 4.200J/KgK

t0 = 200C

Ấm nhôm Mnhôm = 0,5kgCnh«m = 880 J/KgK

Q thu1

Mdầu = ?

Từ sơ đồ, học sinh đã biết được:

Q thunc cần để tăng t0 từ 20 -> 1000C là: Q thu nc = m nc C nc ( t02 - t01)

Q thu ấm cần để tăng t0 từ 20 -> 1000C là: Q thu¸m = m nh C nh ( t02 - t01)

Tổng nhiệt lượng cần cung cấp là: Q thu = Q ấm + Q nc

Từ bài toán trên tôi có thể phát triển thành bài tổng hợp kết hợp công thức năng suất tỏa nhiệt của nhiên liệu

Để thấy mối liên kết giữa vật tỏa và thu nhiệt giáo viên chỉ cần hỏi nếu bỏ qua mất mát nhiệt thì nhiệt lượng do dầu tỏa ra liên hệ như thế nào với nhiệt lượng nước và ấm thu vào.

Từ đó học sinh sẽ sử dụng được phương trình cân bằng nhiệt

Qd àu tỏa = Q thu nc + Q thu ấm

+Nhiệt lượng do dầu tỏa ra là Q tp do vật thu vào (nước và ấm và Q có ích)

Từ đó, dùng công thức hiệu suất H = Qi / Q toàn phần = Q thu / Qtỏa

Qua các bài toán đơn giản trên, các em phần nào đã có kỹ năng vẽ sơ đồ

nhiệt nên giáo viên có thể cho các em luyện thêm các bài có nhiều vật tham gia trao đổi nhiệt Từ đó, giáo viên hướng dẫn các em kỹ năng giải

ngắn gọn, giáo viên dễ kiểm tra các em một cách nhanh chóng hơn

400g nước ở 100C thả vào nhiệt lượng kế của một miếng hợp kim nhôm thiếc nặng 200g ở 1200C

Nhiệt độ cân bằng của hệ là 140C

Tìm khối lượng nhôm, thiếc có trong hợp kim trên?

(Biết Cnh = 880; Cđồng = 380; Cthiếc = 230J/KgK)

Giáo viên:

B1: Hướng dẫn các em xác định số lượng tên vật thu (tỏa)nhiệt

B2: Sau đó vẽ sơ đồ nhiệt (lưu ý t0 đầu, cuối của mỗi vật)

B3: Viết phương trình cân bằng nhiệt cho hệ

Vật thu nhiệt

mnc = 400g = 0,4kgCnc = 4.200 J/KgK

Từ sơ đồ, ta có phương trình cân bằng nhiệt:

Qnc thu + Qđồng thu = Qnhôm tỏa + Qthiếc tỏa

Hướng dẫn các em cách đặt nhân tử chung, rút ngắn thời gian làm toán, rút gọn biểu thức toán

(Cncmnc + Cđgmdg).(thệ - t1nc dg) = (Cnhmnh + Cthiếc(0,2 - mnh).(tnh – t0hệ)

=> Tìm mnhôm, mthiếc

b)Dạng 2 :

Khi học sinh đã có những kỹ năng cơ bản về phân tích, vẽ sơ đồ nhiệt giáo viên giới thiệu thêm dạng 2 của bài toán cân bằng nhiệt có gắn sự chuyển thể của vật chất qua đồ thị biểu diễn quá trình nóng chảy, đông đặc, sôi của chất … mà các em

đã học ở lớp 6.

Qua đồ thị (hình vẽ)

Giáo viên dùng cách liên hệ kiến thức lớp 6+8 qua một số câu hỏi liên kết giúp các em nâng cao kiến thức cũ và mới

công thức trong mỗi quá trình, cần yêu cầu các em:

Bước1: Mô tả các quá trình vật lý xảy ra với vật, qua đồ thị (hình vẽ) Bước 2: Hãy viết công thức tính nhiệt lượng trong mỗi quá trình đó.

Bước 3 : Vẽ sơ đồ nhiệt

+ Củng cố : “Khi nào công thức trên là tỏa (thu nhiệt) ?”

+ Khắc sâu :

Thu nhiệt : Nhiệt độ đầu nhỏ hơn nhiệt độ cuối

Tỏa nhiệt : Nhiệt độ đầu cao hơn nhiệt độ cuối

Sau đó hướng dẫn các em cách làm các bài toán đã cân nhắc mức độ

Mức độ 2: ( Bài toán ngược )

Tính nhiệt lượng tỏa ra do 2kg lượng nước ở 100 0C được làm lạnh tới

Q thu đá1Cđá 00 C

Q thu2Mđá λ 00 C Q thu3 t2 =1000C

Tính nhiệt lượng cần thiết để 1,5kg nước đá từ -10 0 C đến khi hóa hơi hoàn toàn ở 100 0 C

Tìm lượng dầu cần thiết (biết Hbếp = 25%)

Vật toả nhiệt : Dầu : q d = 4,4.10 6 J/ kg m dầu = ?

Lưu ý HS : Q thu = 25% qdầu mdầu

Q thu đá1

0 Cm.L

Mức độ 1:( bài to á n về sự chuyển thể )

Tính nhiệt lượng cần thiết để 1,5kg nước đá từ -10 0 C đến khi hóa hơi hoàn toàn ở 100 0 C

Tìm lượng dầu cần thiết (biết Hbếp = 25%)

Vật toả nhiệt : Dầu : q d = 4,4.10 6 J/ kg m dầu = ?

Lưu ý HS : Q thu = 25% qdầu mdầu

Q thu đá1Cđá 00 C

.

Mức độ 3: (sự chuyển thể không hoàn toàn)

Thả một cục nước đá lạnh có khối lượng m1 = 900g vào m2 = 1,5kg nước

ở nhiệt độ t2 = 60C Khi có cân bằng nhiệt, lượng nước

chỉ còn lại 1,47kg Xác định nhiệt độ ban đầu của cục đá

(Nhiệt dung riêng của nước đá là: C1 = 2.100J/KgK, của nước C2 = 4.200 J/KgK

Nhiệt nóng chảy của nước đá λ = 3,4 105 J/Kg.)

Gọi t 1 là nhiệt độ ban đầu của cục đá.

Khi cân bằng nhiệt: m1 c 1 (0 – t1) = m 2c2 (t2 – 0) + λ m

=> t1 = ( λ m + m2C 2 t2) : m1.C1 = - 25,4 0 C

Mức độ 4: Sự chuyển thể không hoàn toàn có lien quan đến sự thay đổi cơ học của thể tích chất lỏng )

“Một ống nghiệm hình trụ đựng nước cao H1 = 40cm Một ống khác cùng tiết diện đựng nước ở 40 0C,Cao H2 = 10cm Rót hết nước ở ống 2 vào ống 1, khi cân bằng nhiệt mực nước ở ống 1 dâng cao thêm 0,2 cm so với lúc vừa rót xong tìm nhiệt độ ban đầu của nước đá (biết Dnc,Cnc, Dđ, λ (bỏ qua mất mát

nhiệt).

*Kiến thức cần dùng:

- Sự nở vì nhiệtcủa chất (nước nở đặc biệt :dưới O0C lạnh nở ra)

-V= S.h

-D = M / V Để tính được Mđ, Mnc, Mnđ đông thêm

* Kĩ năng :-Viết được phương trình cân bằng nhiệt (lưu ý HS dự đoán trước

nhiệt độ cuối của hệ từ

(Sau khi tính xong Mđ, Mnc cần để các em so sánh Mđ, Mnc)

Hướng dẫn giải :

+Nêu tên các quá trình vật lý xảy ra với mỗi vật

+ Viêt phương trình cân bằng nhiệt

Vật thu nhiệt Vật tỏa nhiệt

(Nước đá ở bình 1) (Nước đá ở bình 2)

Như vậy, phương trình cân bằng nhiệt là:

Qthu = Qtỏa 1 + Qtỏa 2

=> Cđá (O0 - t) = Cnc mnc (t2 – 00) + mđá λ

=> t1 nước đá

t1

QthuCđá m đá

Mức độ 5: (Bài toán về sự ngưng tự bên ngoài bình kèm theo sự chuyển thể bên trong bình)

Một bình nhôm có khối lượng m1 = 0,5kg chứa m2 = 1kg nước đặt trong phòng có nhiệt độ t1 = 300C Thả vào bình một cục nước đá có khối lượng m3 = 200g ở nhiệt độ t2 = -100C Khi đá tan hết thì nước trong bình có nhiệt độ là t3 và mặt ngoài của bình có m4 = 10gam nước bám vào Hãy giai thích nước

đó ở đâu và tính nhiệt độ t3 của nước trong bình.

Cho biết nhiệt dung riêng của nước là C1 = 4.200J/KgK độ của nước đá là C2 2.100J/Kg độ, của nhôm

là C3 = 880J/kg độ, nhiệt nóng chảy của nước đá là λ= 330000J/kg; để 1 lít nước biến hoàn toàn thành hơi ở nhiệt độ phòng thì cần một nhiệt lượng là 2.430kJ.

*Định hướng

+ Viết đúng sơ đồ nhiệt cho từng vật :

*Trong bình : -Nước trong bình và bình chứa nước

*Ngoài bình - Hơi nước ngưng tụ ở mặt ngoài bình

- Nước ở mặt ngoài bình sau khi ngưng tụ

*Lưu ý :

Những giọt nước bám ở ngoài thành cốc do đâu mà có?

Để ngưng tụ được thì hơi nước ở mặt ngoài cốc sẽ phải trải qua những quá trình nào?

+Tỏa nhiệt để ngưng tụ tại nhiệt độ phòng ở300 C)

Lúc đó phương trình cân bằng nhiệt là

Qtỏa = QthuTương đương

Qt nhôm + Qtoả nước + Qt hnc + Qtoảncm4 = Qthu nđ(-10 -> 0) + Qn chảy + Qrthu tăng (0 -> t3)

Nước đá:

00C

Qthu2Mđá λ.

00C Qthu3

Cnc.mnc(t3 -00C)

t3

Bình nhôm

T1 =300CQtoả nhôm

Cnh.mnh

(t1-t3)

Cnc.mnc(t2-t3)

Hơi nước T4=30 0 C

Qtoả hơi nc

m4.L

300CCnc m4

3 Bài toán tổng hợp từ các bài toán nhiệt, cơ, điện cho học sinh lớp 9

Dạng 1: Bài toán kết hợp cơ- nhiệt

Ví dụ1: Trong một bình đậy kín có cục nước đá khối lượng M = 0,1kg nổi trên mặt nước trong nó có

một viên chì khối lượng m = 5g Hỏi phải tốn một lượng nhiệt bằng bao nhiêu, để miếng chì – đá bắt đầu chìm xuống nước

Dchì là 11,3g/cm3, Dnước là 0,9g/ cm3, nước đá λ = 3,4.105J/Kg Nhiệt độ nước trong bình là 00C.

Định hướng:

Để hỗn hợp đá chì bắt đầu chìm thì điều kiện cần có là gì (Dđc ≥ Dnc)

.Gọi M1 là k/lượngcòn lại của cục nước đá khi bắt đầu chìm,

+Điều kiện để chìm là:

Trong đó V: Thể tích cục nước đá và chì

Dn:Khối lượng riêng của nước

Chú ý : Dd là khối lượng riêng của nước đá

Dc: khối lượng riêng của chì

Ví dụ 2:

Thả một 1kg nước đá ở -30 0 C vào một bình chứa 20 kg nước ở 48 0 C

a)Xác định nhiệt độ khi có cân bằng nhiệt

b) Sau đó, thả vào bình thêm một miếng nước đá khác ở 0 0 C( gồm một mẩu chì 10 g ở giữa, 200g nước

đá ở ngoài) Cần bao nhiêu nước ở 10 0 C vào bình để mẩu đá- chì bắt đầu chìm ?

*Lưu ý:

Nhiệt độ cuối của hệ cần tỡm chưa thể chắc chắn là nước đỏ cú tan hết hay khụng nờn cần lưu ý học sinh

dự đoỏn cỏc tỡnh huống cú thể xảy ra

Liệu nước đỏ cú tan hết khụng?,

* Định hướng : Hướng dấn cỏc em đề xuất cỏc tỡnh huống.

-Trường hợp 1: Nếu nước đỏ khụng tan hết thỡ mỗi loại nước trong hệ sẽ phải trải qua quỏ

trỡnh vật lý nào? Khi đú nhiệt độ cuối của hệ là ? ( O 0 C)

-Trường hợp 2: Nếu nước đỏ tan hết rồi tăng đến t0 thỡ cỏc quỏ trỡnh vật lý diễn ra thế nào

với từng vật?

-Hướng dẫn học sinh gọi phần nhiệt lượng tỏa hoặc thu ở quỏ trỡnh vật lý chưa biết cú xảy ra hay khụng là X

+Nếu X >0 thỡ quỏ trỡnh xảy ra đỳng như dự đoỏn và ngược lại

Từ đú hướng dấn cỏc em vẽ sơ đồ nhiệt và phương trỡnh cõn bằng

Ví dụ 3: (bài tập thực tế kết hợp cả sự chuyển thể và sự cân bằng của vật trong chất lỏng)

Trong một bình có một viên nước đá nổi ,ban đầu hệ ở 00 C(hình 1)

Khi khối nước đá tan hết,mực nước trong bình thay đổi thế nào?

b) Ban đầu khối nước được giữ bằng một sợi dây nhẹ không giãn(Hình 2) Sau khi khối nước tan

hết ,mực nước trong bình hạ xuống 5cm.

Tính sức căng cúa sợi dây lúc ban đầu ?

( Biết diện tích mặt thoáng trong bình là 100cm2 Khối lượng riêng của nước là 1000Kg/m3 )

*Định hướng :

+Sự thay đổi mực nước trong bình là do đâu ?(Do sự thay đổi khối lượng riêng của nư

ớc đá và cả sự chênh lệch khối lượng riêngcủa hai loại nước )

+ Hóy lập tỉ số giữa hai khối lượng riêng với khối lượng nước như nhau Dđá / Dnước = :

= Vd/Vn

+ Khi nước đá tan hết thỡ Dda = ? Dnc ( Dđátan / Dnươc = 1)

⇒ : Khi nước đá nổi thì phần chìm của nó đứng bằng thể tích của nó khi tan hết

⇒ Nên mực nước trong bình sẽ không dâng thêm (khi tan hết )

b)Để học sinh thấy dược mấu chốt của vấn đề cần hỏi :