Nâng cao kiến thức trong giảng dạy các quá trình nhiệt động lực học ở trường thpt vật lý 10 nâng cao

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC VŨ THỊ HƯƠNG NÂNG CAO KIẾN THỨC TRONG GIẢNG DẠY CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC Ở TRƯỜNG THPT VẬT LÝ 10 NÂNG CAO: KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH Đ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

VŨ THỊ HƯƠNG

NÂNG CAO KIẾN THỨC TRONG GIẢNG DẠY CÁC QUÁ TRÌNH

NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC Ở TRƯỜNG THPT (VẬT LÝ 10 NÂNG CAO): KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ

Hà Nội - 2018

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

NÂNG CAO KIẾN THỨC TRONG GIẢNG DẠY CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC Ở TRƯỜNG THPT

(VẬT LÝ 10 NÂNG CAO): KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Nguyễn Huy Sinh

Sinh viên thực hiện khóa luận: Vũ Thị Hương

Hà Nội - 2018

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Khoa Vật

Lý, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Khoa Sư phạm trường Đại học Giáo dục

đã dạy dỗ, trang bị cho em những kiến thức chuyên môn và kinh nghiệm cuộc sống

Em cũng được bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô giáo tại Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp đã tạo điều kiện và giúp đỡ cho em trong quá trình học tập và hoàn thành khóa luận

Em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS Nguyễn Huy Sinh – thầy giáo đã tận tình dạy dỗ giúp đỡ em rất nhiều trong việc học tập và quá trình thực hiện, hoàn thành khóa luận tốt nghiệp

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những người luôn ủng hộ và động viên em vượt qua những khó khăn để hoàn thành tốt khóa luận

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2018

Sinh viên

Vũ Thị Hương

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

NXB : Nhà xuất bản THCS: Trung học cơ sở THPT: Trung học phổ thông

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU VỊ TRÍ VÀ NỘI DUNG KIẾN THỨC KHOA HỌC PHẦN “ NHIỆT HỌC ” CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ 10 THPT NÂNG CAO 3 1.1 Tóm tắt các nội dung chính trong phần “ Nhiệt học ” 3

1.2 Tóm tắt các nội dung chính của chương “Chất khí ” 5

1.3 Một số nội dung chi tiết kiến thức cần giảng dạy của chương “Chất khí ” 7

1.3.1 Thuyết động học phân tử chất khí Cấu tạo chất 7

1.3.2 Định luật Bôi - lơ – Ma - ri - ốt 8

1.3.3 Định luật Sác-lơ Nhiệt độ tuyệt đối 9

1.3.4 Phương trình trạng thái của khí lí tưởng Định luật Gay Luy-xác 10

1.3.5 Phương trình Cla-pê-rôn – Men-đê-lê-ep 11

1.3.6 Một số bài tập vận dụng cho chương “Chất khí” 11

CHƯƠNG 2 MỘT SỐ KIẾN THỨC NÂNG CAO VỀ QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG TRONG PHẦN NHIỆT HỌC VẬT LÍ 10 THPT 17

2.1 Quá trình đoạn nhiệt 17

2.2 Quá trình đa biến 18

2.2.1 Thiết lập phương trình của quá trình đa biến 18

2.2.2 Nhận dạng các quá trình đặc biệt từ quá trình đa biến .21

2.3 Tính các đại lượng A, Q, ∆𝑼 của quá trình đa biến .23

KẾT LUẬN 25

TÀI LIỆU THAM KHẢO 26

MỞ ĐẦU

Trong những năm qua ngành giáo dục đã và đang thực hiện các giải pháp đồng bộ đổi mới chương trình, nội dung, phương pháp dạy và học, nhằm nâng cao chất lượng giáo dục, hướng tới sự phát triển toàn diện của người học

Vật lý là bộ môn khoa học tự nhiên mà học sinh được tiếp cận rất nhiều từ trung học cơ sở (THCS) đến trung học phổ thông (THPT) Vật lý có nhiều ứng dụng vô cùng quan trọng trong đời sống đồng thời có vai trò vô cùng qua trọng trong sự tìm hiểu và nghiên cứu các hiện tượng tự nhiên Giảng dạy vật lý là rèn luyện cho học sinh óc tư duy sáng tạo, khả năng trực quan nhanh nhạy để có thể giải thích các hiện tượng thiên nhiên và thực tế Hơn nữa vật lý còn là một trong những môn có tính tương tác cao, được ứng dụng hầu hết các lĩnh vực của đời sống

xã hội như sản xuất, kinh doanh, môi trường, y học Vì thế việc dạy và học môn vật lý ở trường trung học phổ thông cần phải đáp ứng xu thế của thời đại Trong phần “ Nhiệt học” vật lý 10 THPT nâng cao cung cấp cho học sinh những kiến thức cơ bản về nhiệt động lực học Chương “ Chất khí” là một phần rất quan trọng yêu cầu học sinh tiếp cận và làm quen với các định luật cơ bản của chất khí lý tưởng đó là những nội dung tương đối trừu tượng đòi hỏi phương pháp tư duy và nhận thức có tính sáng tạo cao Đặc biệt việc giải bài tập phần “ Nhiệt học ” khi tiến hành luyện thi học sinh giỏi được học sinh và giáo viên đánh giá là một trong những phần khó của chương trình Do đó, để mở rộng và nâng cao kiến thức trong quá trình dạy và học chương “ Chất khí ” với các quá trình nhiệt động như: đẳng nhiệt, đẳng tích, đẳng áp nhằm làm cho học học sinh hiểu biết sâu sắc và tổng quát hơn về các quá trình nhiệt động cơ bản Đặc biệt là trong việc bồi dưỡng học sinh

giỏi môn Vật lý Trên cơ sở đó chúng tôi chọn đề tài cho khóa luận là : “Nâng cao

kiến thức trong giảng dạy các quá trình nhiệt động lực học ở trường THPT (Vật

lý 10 nâng cao) : Khảo sát quá trình đa biến”

Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, khóa luận bao gồm các nội dung:

Chương 1 Tìm hiểu vị trí và nội dung kiến thức khoa học phần “ Nhiệt

học” chương trình Vật lý 10 nâng cao THPT

Chương 2 Một số kiến thức nâng cao về quá trình nhiệt động trong phần

Nhiệt học Vật lý 10 THPT

CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU VỊ TRÍ VÀ NỘI DUNG KIẾN THỨC KHOA HỌC PHẦN “ NHIỆT HỌC ” CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ 10 THPT NÂNG CAO 1.1 Tóm tắt các nội dung chính trong phần “ Nhiệt học ”

Trong phần Nhiệt học Vật lý lớp 10 nâng cao bao gồm 3 chương: Chương Chất khí, chương Chất rắn và Chất lỏng Sự chuyển thể và chương Cơ sở của nhiệt động lực học

Hình 1.1 là sơ đồ cấu trúc chương trình phần “ Nhiệt học”

- Biến dạng cơ của vật rắn

- Sự nở vì nhiệt của vật rắn

- Chất lỏng Các hiện tượng căng bề mặt của chất lỏng, dính ướt, mao dẫn

- Sự chuyển thể, nóng chảy, đông đặc, hóa hơi, ngưng tụ

Bảng 1.2 Phân bố chương trình và nội dung kiến thức phần “ Nhiệt học ”

Vật lý 10 nâng cao

1 Bài 44 1 Thuyết động học phân tử Cấu tạo chất

2 Bài 45 1 Định luật Bôi - lơ – Ma – ri - ốt

3 Bài 46 1 Định luật Sác-lơ Nhiệt độ tuyệt đối

4 Bài 47 1

Phương trình trạng thái của khí lý tưởng

Định luật Gay Luy-xác

6 Bài 48 1 Phương trình Cla-pê-rôn – Men-đê-lê-ép

9 Bài 51 1 Biến dạng cơ của vật rắn

10 Bài 52 1 Sự nở vì nhiệt của vật rắn

11 Bài 53 1 Chất lỏng Các hiện tượng căng bề mặt của chất lỏng

12 Bài 54 1 Hiện tượng dính ướt và không dính ướt Hiện tượng

mao dẫn

13 Bài 55 1 Sự chuyển thể Sự nóng chảy và đông đặc

14 Bài 56 2 Sự hóa hơi và sự ngưng tụ

15 1 Bài tập

16 Bài 57 2 Thực hành xác định hệ số căng bề mặt của chất lỏng

17 Bài 58 1 Nguyên lí I nhiệt động lực học

18 Bài 59 2 Áp dụng nguyên lí I nhiệt động lực học cho khí lý

tưởng

19 Bài 60 2 Nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt và máy lạnh

Nguyên lí II nhiệt động lực học

Theo chương trình hiện hành của Bộ giáo dục và đào tạo, phần "Nhiệt học" Vật

lý 10 nâng cao gồm 3 chương ( chương VI, VII,VII), 17 bài (từ bài 44 đến bài 60) dạy trong 25 tiết (từ tiết 62 đến tiết 86, trong đó 22 tiết lí thuyết, 04 tiết bài tập và

02 tiết thực hành) Số tiết bài tập chiếm tỉ lệ 16%

1.2 Tóm tắt các nội dung chính của chương “Chất khí ”

Chất khí là chương mở đầu cho phần nhiệt học Các kiến thức khoa học cần nghiên cứu về quá trình nhiệt động lực học nằm trong chương này Kiến thức có liên qua tiếp theo là chương “ Cơ sở của nhiệt động học”, chương này nghiên cứu

về nguyên lí thứ nhất và thứ hai của nhiệt động lực học Nội dung cơ bản của chương “ Chất khí ” bao gồm thuyết động học phân tử các chất khí, đặc điểm của khí lý tưởng, quá trình đẳng nhiệt, đẳng tích, đẳng áp đối với khí lý tưởng, các định luật thực nghiệm tương ứng và phương trình trạng thái khí lý tưởng Giới hạn của chương trình THPT lớp 10 nâng cao chỉ đưa ra câu hỏi, yêu cầu giải thích định tính những định luật về chất khí bằng thuyết động học phân tử Những tính chất của chất khí lý tưởng được khảo sát bằng thực nghiệm đó là các định luật về chất khí: Bôi – lơ – Ma – ri - ốt, Gay – Luy - xac, Sác - lơ Đối với học sinh có thể chỉ cần

biết hai trong ba định luật là có thể suy ra định luật thứ ba Cho nên khi nghiên cứu, học sinh có thể vận dụng khả năng suy luận để tìm ra quy luật mới Khi giảng dạy, giáo viên cần làm cho học sinh thấy rõ cơ sở thực nghiệm của phương trình trạng thái cũng như phương trình Cla – pê - rôn - Men – đê – le - ep, tạo cho học sinh hình thành kỹ năng tính toán và vẽ đồ thị khi vận dụng các phương trình ở chương này

Cấu trúc nội dung khoa học chương chất khí được tóm tắt theo sơ đồ sau:

Quá trình đẳng áp V/T = const

Phương trình trạng thái pV/T = const

Phương trình Cla – pê – rôn - Men – đê – lê - ep

CHẤT KHÍ

1.3 Một số nội dung chi tiết kiến thức cần giảng dạy của chương “Chất

2 Nội dung cơ bản của thuyết động học phân tử chất khí

a) Chất khí bao gồm các phân tử Kích thước của phân tử là rất nhỏ,

có thể coi mỗi phân tử như một chất điểm

b) Các phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng đó là chuyển động nhiệt Nhiệt độ càng cao thì vận tốc chuyển động hỗn loạn càng lớn Vận tốc chuyển động trung bình của các phân tử tỉ lệ với nhiệt độ

c) Ở nhiệt độ không đổi động năng chuyển động trung bình của các phân tử là như nhau và bằng: Eđ = 𝟏

𝟐𝒎𝒗𝟐 = 𝟑

𝟐𝒌𝑩𝑻 = 𝒄𝒐𝒔𝒏𝒕

d) Khi chuyển động, mỗi phân tử va chạm với các phân tử khác và va chạm với thành bình tạo ra áp suất của chất khí lên thành bình

3 Cấu tạo phân tử của chất

+ Vật chất được cấu tạo từ những phân tử (hoặc nguyên tử) các phân tử

và nguyên tử tham gia chuyển động nhiệt

+ Ở thể khí, các phân tử ở xa nhau, lực tương tác giữa các phân tử yếu nên chúng chuyển động về mọi phía nên một lượng khí không có thể tích và hình dạng xác định

+ Ở thể lỏng thì các vị trí cân bằng có thể di chuyển nên khối chất lỏng không có hình dạng xác định mà có thể chảy

+ Ở thể rắn, các vị trí cân bằng của phân tử là cố định nên vật rắn có hình dạng xác định

1.3.2 Định luật Bôi - lơ – Ma - ri - ốt

1 Trạng thái của một lượng khí được xác định bởi ba đại lượng p, V, T

gọi là các thông số trạng thái

2 Quá trình đẳng nhiệt Định luật Bôi - lơ – Ma – ri - ốt

- Quá trình đẳng nhiệt là quá trình biến đổi trạng thái trong đó nhiệt độ

không đổi

- Định luật Bôi - lơ – Ma – ri - ốt: Ở nhiệt độ không đổi, tích của thể

tích V và áp suất p của một lượng khí xác định là một hằng số

3 Đường đẳng nhiệt trong hệ toạ độ (p, V)

- Đường biểu diễn sự biến thiên của áp suất theo thể tích khi nhiệt

độ không đổi gọi là đường đẳng nhiệt.(Hình 1.3)

Hình 1.3 Các đường đẳng nhiệt trong hệ tọa độ (p,V)

1.3.3 Định luật Sác-lơ Nhiệt độ tuyệt đối

1 Quá trình đẳng tích Định luật Sác-lơ

• Quá trình đẳng tích là quá trình biến đổi trạng thái trong đó thể tích không đổi

• Định luật Sác - lơ: Với một lượng khí có thể tích không đổi, thì áp suất p phụ thuộc vào nhiệt độ t theo biểu thức :

𝑝 = 𝑝0(1 + 𝛾𝑡) (1.1) Trong đó, p0 là áp suất của khối khí ở 0oC, p là áp suất của khối khí

ở nhiệt độ t;  là hệ số tăng áp đẳng tích, có giá trị như nhau đối với mọi

chất khí, mọi nhiệt độ và bằng 1

273 độ-1

2 Đường đẳng tích trong hệ toạ độ (p, T)

- Đường biểu diễn sự biến thiên của áp suất theo nhiệt độ khi thể tích không đổi gọi là đường đẳng tích

Trong hệ toạ độ (p, V), đường này là một phần đường thẳng song song với trục Op

3 Nhiệt độ tuyệt đối

Nếu gọi T là số đo nhiệt độ trong nhiệt giai Ken-vin, t là số đo nhiệt

độ trong nhiệt giai Xen-xi-út thì

𝑇(𝐾) = 𝑡0𝐶 + 273,15 (1.2) Nhiệt độ đo trong nhiệt giai Ken-vin được gọi là nhiệt độ tuyệt đối Ứng với nhiệt độ không tuyệt đối T = 0.K thì nhiệt độ Xen – xi - út là t = - 273,150 C

1.3.4 Phương trình trạng thái của khí lí tưởng Định luật Gay Luy-xác

1 Phương trình trạng thái của khí lí tưởng

𝐩𝐕

𝐓 = 𝐡ằ𝐧𝐠 𝐬ố = 𝐂 (𝟏 𝟑) Trong đó, p là áp suất, V là thể tích, T là nhiệt độ trong nhiệt giai Ken-vin của một khối lượng khí xác định Giá trị của hằng số C phụ thuộc vào lượng khí mà ta xét

2 Quá trình đẳng áp Định luật Gay Luy - xac

• Quá trình đẳng áp là quá trình biến đổi trạng thái trong đó áp suất không đổi

• Định luật Gay Luy - xac : Thể tích V của một lượng khí có áp suất p không đổi thì tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối T của khí

𝑉

𝑇 =

𝐶

𝑝 = ℎằ𝑛𝑔 𝑠ố (1.4)

3 Đường đẳng áp trong hệ toạ độ (V,T)

Đường biểu diễn sự biến thiên của thể tích theo nhiệt độ khi áp suất

Hình 1.6 Các đường đẳng áp trong hệ tọa độ (P,V) và (V, T)

1.3.5 Phương trình Cla-pê-rôn – Men-đê-lê-ep

Phương trình Cla – pê - rôn – Men – đê – lê - ep:

𝑝𝑉 = nRT =𝑚𝜇 𝑅𝑇 (2.6)

trong đó, p là áp suất của khối khí đo bằng N/m2, V là thể tích của khối khí đo bằng m3, n là lượng chất của khối khí đo bằng mol, m là khối lượng của khối khí đo bằng gam (g),  là khối lượng mol của chất khí đo bằng gam trên mol (g/mol), R là hằng số của các khí, có giá trị R = 8,31 J/(mol.K), T là nhiệt độ của khối khí đo bằng K

1.3.6 Một số bài tập vận dụng cho chương “Chất khí”

Bài tập áp dụng định luật Bôi- lơ – Ma –ri- ốt cho quá trình đẳng

Áp dụng công thức định luật Bôi – lơ – Ma – ri - ốt:

Bài 2 Một quả bóng có dung tích 2,5 lít Người ta bơm không khí ở áp suất

105 Pa vào bóng Mỗi lần bơm được 125 cm3 không khí Tính áp suất của không khí trong quả bóng sau 45 lần bơm Coi quả bóng trước khi bơm không

có không khí và trong khi bơm nhiệt độ của không khí không thay đổi

Bài 1 Một bình chứa một lượng khí ở nhiệt độ 300 C và áp suất 2 bar (1 bar

= 105 Pa) Hỏi phải tăng nhiệt độ lên tới bao nhiêu độ để áp suất tăng gấp đôi?

Bài 1 Một bình bằng thép dung tích 50 lít chứa khí hidro ở áp suất 5 MPa và

nhiệt độ 370 C Dùng bình này bơm được bao nhiêu quả bóng bay, dung tích mỗi quả 10 lít, áp suất mỗi quả 1,05.105 Pa? Nhiệt độ khí trong bóng bay là 120 C

Số quả bóng bơm được là: (2189 – 50) : 10 = 214 quả

Bài 2 Một lượng khí biến đổi theo chu trình 1 – 2 – 4 - 1 được biểu diễn

như hình b Từ O kẻ đường thẳng đi qua trạng thái (1) cắt đường 2 - 4 ở trang thái (3) Biết p1 = p3, V1 = 1m2, V2 = 3m2, T1 = 100K, T4 = 300K Hãy tìm V3

Hình b

T3 = 100V3

Mà (3) thuộc đường 2 - 4 nên ta có: T3 = 2200 K và V3 = 2,2 m3

Bài tập về hỗn hợp khí

Bài 1 Hai bình cầu được nối với nhau bằng một ống có khóa chứa hai chất khí

không có tác dụng hóa học với nhau, ở cùng nhiệt độ Áp suất khí trong hai bình là

p1 = 2.105 N/m và p2 = 106 N/m Mở nhẹ khóa để hai bình thông nhau sao cho nhiệt độ không đổi Khi cân bằng xảy ra áp suất chung của khối khí là p = 4.105

N/m Tính tỉ số thể tích ở hai bình cầu

Lời giải

Gọi V1 và V2, p1 và p2, m1 và m2, μ1 và μ2 là thể tích, áp suất, khối lượng,

khối lượng mol của khí ở mỗi bình cầu khi chưa mở khóa

Theo định luật Cla - pê – rôn – Men - đê - lê –ep, ta có:

𝑝2𝑉2

𝑚2

𝜇2 𝑅Khi mở khóa K chất khí ở mỗi bình cầu ban đầu tràn sang và phân bố trong toàn bộ thể tích của cả hai bình cầu

Áp suất riêng phần do mỗi chất khí tạo nên là:

𝑉2 = 3.