SKKN Một vài kinh nghiệm giải các dạng bài tập nâng cao phần nhiệt học trong bộ môn Vật lý 8 ở trường THCS

Nội dung text: SKKN Một vài kinh nghiệm giải các dạng bài tập nâng cao phần nhiệt học trong bộ môn Vật lý 8 ở trường THCS

1. 2.2. Các bước chung để giải bài tập nhiệt học Bước 1: Đọc kĩ đề bài, tóm tắt Giáo viên cho học sinh đọc kĩ đề bài, bài toán cho biết những đại lượng nào, phải tìm đại lượng nào. Sau đó tóm tắt bằng các kí hiệu vật lý, đổi đơn vị nếu cần. Bước 2: Xây dựng lập luận: Tìm mối quan hệ giữa ẩn số phải tìm và các dữ kiện đã cho trực tiếp thông qua các công thức hoặc gián tiếp qua các phép biến đổi. Bước 3: Giải toán Lưu ý: cho học sinh giải phương trình chữ trước, sau đó thu gọn phương trình chữ rồi mới thay các số liệu đã cho để đi đến kết quả. Bước 4: Kiểm tra, biện luận Sau khi giải xong, ta tiến hành kiểm tra xem cách giải trên có đúng không? Đã phù hợp với thực tế chưa? Đơn vị đã đúng chưa? Có cùng thứ nguyên không? 2.3 Phương pháp giải các dạng bài tập nhiệt học nâng cao 2.3.1 Dạng toán tính nhiệt lượng và các đại lượng liên quan *Phương pháp giải: Áp dụng công thức tính nhiệt lượng + Nhiệt lượng một vật thu vào để nóng lên: Qthu m.c. t m.c.(t2 t1 ) Với (t2 t1 ) + Nhiệt lượng một tỏa ra để lạnh đi: Qtoa m.c. t m.c.(t1 t2 ) Với (t1 t2 ) *Ví dụ 1: Tính nhiệt lượng cần thiết để đun sôi 2000cm 3 nước đựng trong ấm nhôm có khối lượng 500g ở nhiệt độ 20 0C (nước sôi ở 100 0C) biết nhiệt dung riêng của nước và của nhôm lần lượt là c1 = 4200J/kg.K , c2 = 880J/kg.K Phân tích bài: Đọc bài toán ta thấy có hai đối tượng tham gia thu nhiệt là: 2000cm3 nước ở 200c và 500g nhôm ở 200c. Vậy nhiệt lượng để đun sôi ấm nước bằng nhiệt lượng cung cấp cho nước để nó tăng từ 200C đến 1000C cộng với nhiệt lượng cung cấp cho ấm nhôm để nó tăng từ 200C đến 1000C Từ sự phân tích đó ta có lời giải sau: Tóm tắt Giải 3 0 0 m1 = 2kg Nhiệt lượng cần để đun 2000cm nước từ 20 C đến 100 C là: m2 = 0,5kg Q1 = m1.c1. t = 2.4200.(100-20) = 672000(J) 0 0 c1 = 4200J/kg.K Nhiệt lượng cần để đun 500g nhôm từ 20 C đến 100 C là: c2 = 880J/kg.K Q2 = m2.c2. t = 0,5.880.(100-20) = 35200(J) Tính: Q = ? Nhiệt lượng cần để đun sôi ấm nước là: Q = Q1+ Q2 = 672000 + 35200 = 707200(J) *Ví dụ 2: Một bếp dầu đun sôi 1,25kg nước đựng trong ấm bằng nhôm khối lượng 0,4kg thì sau thời gian t1 12 phút nước sôi. Nếu dùng bếp trên để đun 2,5 kg nước trong cùng điều kiện thì sau bao lâu nước sôi? Cho nhiệt dung riêng của nước và của nhôm lần lượt là c1 4200J / kg.K;c2 880J / kg.K . Biết nhiệt do bếp dầu cung cấp một cách đều đặn. Hướng dẫn: Gọi Q1 ,Q2 là nhiệt lượng cần cung cấp cho nước và ấm nhôm trong hai lần đun; 6
2. (m c m c )(t t ) m c t t = 1 1 2 2 2 1 3 3 2 m3c3 Thay số vào ta được t = 160,780C *Chú ý: Dạng bài tập này có thể yêu cầu tính khối lượng của vật tham gia vào quá trình trao đổi nhiệt, nhiệt dung riêng của vật tỏa nhiệt hoặc thu nhiệt thì ta cũng giải tương tự. C¸ch gi¶i: B­íc 1: Ph©n tÝch ®Ò bµi t×m ®èi t­îng to¶ nhiÖt, ®èi t­îng thu nhiÖt B­íc 2: Dïng c«ng thøc tÝnh nhiÖt l­îng ®Ó tÝnh nhiÖt l­îng to¶ ra, nhiÖt l­îng thu vµo B­íc 3: Dïng ph­¬ng tr×nh c©n b»ng nhiÖt Qto¶ = Qthu ®Ó tÝnh ®¹i l­îng ch­a biÕt theo ®Ò bµi yªu cÇu (Qto¶ = tæng c¸c nhiÖt l­îng to¶ ra, Qthu = tæng c¸c nhiÖt l­îng thu vµo) *Ví dụ 2: Thả một quả cầu nhôm khối lượng 0,15kg được nung nóng tới 100 oC vào một cốc nước ở 20 oC. Sau một thời gian nhiệt độ của hệ thống là 25 oC. Tính lượng nước ở trong cốc coi như chỉ có quả cầu và nước truyền nhiệt cho nhau, lấy nhiệt dung riêng của nước bằng 4200J/kg.k, nhiệt dung riêng của nhôm bằng 880J/kg.K Tóm tắt Giải m1 = 0,15kg Nhiệt lượng của quả cầu nhôm toả ra khi nhiệt độ hạ từ o o c1 = 880J/kg.K 100 C xuống 25 C là: c2 = 4200J/kg.K Q1 = m1.c1 t = 0,15.880.(100-25) = 0,15.880.75 = 9900J o o t1 = 100 C Nhiệt lượng của nước thu vào khi tăng nhiệt độ từ 20 C lên o o t2 = 20 C 25 C là : o t3 = 25 C Q2 = m2.c2. t = m2.4200.(25-20) = m2.4200.5 = m2.21000J Tính: m = ? Theo phương trình cân bằng nhiệt ta có: Q1 = Q2 9900 = 21000.m2 m2 = 9900 : 21000 m2 = 0,47kg *Bài tập vận dụng Bài 1: Thả miếng đồng khối lương 500g đã được nung nóng ở 200 oC vào cái chậu chứa 2lít nước ở 20 oC. Tính nhiệt độ của hệ thống khi có cân bằng nhiệt. Cho rằng chỉ có nước và đồng truyền nhiệt cho nhau. Biết nhiệt dung riêng của nước bằng 4200J/kg.k , nhiệt dung riêng của đồng bằng 380J/kg.K Bài 2: Để xác định nhiệt dung riêng cảu kim loại người ta bỏ vào nhiệt lượng kế chứa 500g nước ở 13oC một miếng kim loại có khối lượng 400g được nung nóng tới 100oC. Nhiệt độ khi có cân bằng nhiệt là 20 oC. Tính nhiệt dung riêng của kim loại. Bỏ qua nhiệt lượng làm nóng nhiệt lượng kế và không khí, lấy nhiệt dung riêng của nước bằng 4200J/kg.K Loại 2: Trao đổi nhiệt có sự chuyển thể của các chất *Phương pháp giải: Bước 1: - Xác định các đối tượng tham gia vào quá trình nhiệt - Xác định xem từng đối tượng trải qua mấy quá trình - Xác định đối tượng toả nhiệt, đối tựng thu nhiệt Bước 2: - Dùng công thức tính nhiệt lượng cho các quá trình 8
3. Vậy nước ở 50C toả nhiệt, nước đá ở t0C thu nhiệt Bước 2: Nhiệt lượng cần để 1kg nước hạ nhiệt độ từ 50C xuống 00C là: Q1 = m2.c2. t = 1. 4200 5 = 21000J Nhiệt lượng cần để 10g nước ở 00c đông đặc hoàn toàn là: 5 Q2 = m. = 0,01.3,4.10 = 3400J Nhiệt lượng toả ra của nước ở 50C là: Qtoả = Q1 + Q2 = 21000 + 3400 = 24400J Nhiệt lượng thu vào của nước đá tăng từ t0C nên 00C là: Qthu = m1.c1. t = 0,4.1800.(-t) = - 720.t Theo phương trình cân bằng nhiệt ta có: Qtoả = Qthu 24400 = -720.t t = 24400:(-720) = - 340C Vậy nhiệt độ ban đầu của nước đá là -340C *Bài tập vận dụng: Thả một quả cầu bằng thép có khối lượng m 1 = 2kg được nung nóng tới nhiệt độ 600 0C vào hỗn hợp nước và nước đá ở 0 0C. Hỗn hợp có khối lượng là m2 = 2kg. Tính khối lượng nước đá có trong hỗn hợp. Biết nhiệt độ 0 cuối cùng của hỗn hợp là 50 C, nhiệt dung riêng của thép, của nước là c1 = 5 460J/kg.K, c2 = 4200J/kg.K, nhiệt nóng chảy của nước đá là  = 3,4.10 J/kg Loại 3: Trao đổi nhiệt qua thanh và các vách ngăn *Kiến thức - Khi nhiệt được trao đổi qua thanh sẽ có một phần nhiệt lượng hao phí trên thanh dẫn nhiệt. Nhiệt lượng này tỉ lệ với diện tích tiếp xúc của thanh với môi trường, tỷ lệ với độ chênh lệch nhiệt độ của thanh dẫn với nhiệt độ môi trường và phụ thuộc vào chất liệu làm thanh dẫn. - Khi hai thanh dẫn khác nhau được mắc nối tiếp thì năng lượng có ích truyền trên hai thanh là như nhau. Khi hai thanh dẫn khác nhau mắc song song thì tổng nhiệt lượng có ích truyền trên hai thanh đúng bằng nhiệt lượng có ích của hệ thống. - Khi truyền nhiệt qua các vách ngăn. Nhiệt lượng trao đổi giữa các chất qua vách ngăn tỷ lệ với diện tích các chất tiếp xúc với các vách ngăn và tỷ lệ với độ chênh lệch nhiệt độ giữa hai bên vách ngăn. *Ví dụ: Trong một bình cách nhiệt chứa hỗn hợp nước và nước đá ở 0 oC. Qua thành bên của bình, người ta đưa vào một thanh đồng có một lớp cách nhiệt bao quanh. Một đầu của thanh tiếp xúc với nước đá, đầu kia được nhúng trong nước sôi ở áp suất khí quyển. Sau thời gian 12 phút thì nước đá ở trong bình tan hết. Nếu thay thanh đồng bằng thanh thép có cùng tiết diện và cùng chiều dài thì nước đá tan hết sau 38,4 phút. Cho rằng nhiệt lượng truyền qua mỗi thanh phụ thuộc vào thời gian T, vào vật liệu làm thanh và hiệu nhiệt độ giữa hai đầu thanh theo công thức Q= k. t.T (với k là hệ số truyền nhiệt, t là độ lớn độ chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu thanh, T là thời gian truyền nhiệt) a. Tìm tỉ số hệ số truyền nhiệt của thanh đồng so với thanh thép. b. Cho hai thanh đó nối tiếp với nhau rồi cho đầu thanh đồng tiếp xúc với nước sôi thì nhiệt độ t tại điểm tiếp xúc giữa hai thanh là bao nhiêu? Hướng dẫn: a. Nhiệt lượng truyền qua thanh đồng và thanh thép lần lượt là: 10
4. Gọi t0C là nhiệt độ củ bếp lò, cũng là nhiệt độ ban đầu của thỏi đồng 0 0 Nhiệt lượng thau nhôm nhận được để tăng từ t1 20 C đến t2 21,2 C Q1 m1c1.(t2 t1 ) ( m1 là khối lượng thau nhôm) 0 0 Nhiệt lượng nước nhận được để tăng từ t1 20 C đến t2 21,2 C Q2 m2c2 (t2 t1 ) ( m2 là khối lượng nước) 0 0 Nhiệt lượng đồng toả ra để hạ từ t C đến t2 21,2 C Q3 m3c3 (t t2 ) ( m3 khối lượng thỏi đồng) Thực tế do có sự toả nhiệt ra môi trường nên phương trình cân bằng nhiệt được viết lại : Q 10%(Q Q ) (Q Q ) 3 1 2 1 2 Q3 110%(Q1 Q2 ) 1,1(Q1 Q2 ) Hay m3c3 (t' t2 ) 1,1(m1c1 m2c2 )(t2 t1 ) ((m1c1 m2c2 )(t2 t1 ) m3c3t2 t' = + t 2 m3c3 t’ = 174,740C *Bài tập vận dụng: o Một ấm điện bằng nhôm có khối lượng 0,5kg chứa 2kg nước ở t1 =25 C. Muốn đun sôi lượng nước đó trong 20 phút thì ấm phải có công suất là bao nhiêu. Biết nhiệt dung riêng của nước, nhôm lần lượt là c=4200J/kg.K, c1 =880J/ kg.K và 30% nhiệt lượng tỏa ra môi trường xung quanh. 2.3.4 Bài toán về năng suất tỏa nhiệt của nhiên liệu. Hiệu suất động cơ nhiệt *Kiến thức: + Nhiệt lượng toả ra của nhiên liệu: Q = m.q m: khối lượng của nhiên liệu bị đốt cháy hoàn toàn (kg) q: năng suất toả nhiệt của nhiên liệu(J/kg) + Động cơ nhiệt là động cơ trong đó một phần năng lượng của nhiên liệu bị đốt cháy được chuyển hóa thành cơ năng. Q A + Hiệu suất của động cơ nhiệt: H 1 Qtp Qtp Trong đó: Qtp là nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu Qtp =A là phần nhiệt có ích chuyển thành công có ích (J) H là hiệu suất động cơ. *Ví dụ 1: Người ta dùng bếp dầu hoả để đun sôi 2 lít nước từ 20°C đựng trong một ấm nhôm có khối lượng 0,5kg. Tính lượng dầu hoả cần thiết, biết chỉ có 30% nhiệt lượng do dầu hoả toả ra làm nóng nước và ấm. Lấy nhiệt dung riêng của nước là 4200J/kg.K, của nhôm là 880J/kg.K, năng suất toả nhiệt của dầu hoả là 46.106J/kg. *Hướng dẫn: ? Bài toán trên có mấy đối tượng tham gia vào quá trình truyền nhiệt. ? Những đối tượng nào thu nhiệt, toả nhiệt. ? Nhiệt lượng nào là nhiệt lượng có ích. ? Nhiệt lượng nào là nhiệt lượng toàn phần. 12
5. Cách giải : Bước 1: Tính công mà động cơ thực hiện hoặc nhiệt lượng do nhiên liệu bị đốt cháy toả ra. Bước 2: Dựa vào công thức H = A suy luận để tìm các đại lượng liên quan. Q *Bài tập vận dụng:Một bếp dầu hỏa có hiệu suất 30%. a) Tính nhiệt lượng toàn phần mà bếp dầu tỏa ra khi đốt cháy hoàn toàn 50g dầu hỏa? b) Với lượng dầu hỏa nói trên có thể đun sôi được bao nhiêu lít nước ở o 6 t1=30 C. Biết năng suất tỏa nhiệt của dầu hỏa là 44.10 J/kg, nhiệt dung riêng của nước là 4200J/kg.K. 2.3.5 Bài toán liên quan đến đồ thị nhiệt *Phương pháp giải: + Căn cứ vào đồ thị suy ra các số liệu ứng với các đại lượng tương ứng. + Từ các đại lượng đã tìm được liên hệ với công thức thích hợp có chứa đại lượng đã tìm được từ đó suy ra đại lượng khác. *Ví dụ 1: Sự biến thiên nhiệt độ của khối nước đá đựng trong ca nhôm theo nhiệt lượng cung cấp được cho trên đồ thị. Tìm khối lượng nước đá và khối lượng ca 5 nhôm. Biết QB=204 kJ, QC=220,12 kJ, nhiệt nóng chảy của nước đá là λ = 3,4.10 J/kg, nhiệt dung riêng của nước c1 = 4200J/kg.K, nhiệt dung riêng của nhôm c2 = 880J/kg.K *Hướng dẫn: Gọi khối lượng nước đá là m1, ca nhôm là m2. o Từ đồ thị ta thấy nước đá có nhiệt độ ban đầu là t 1=0 C, nhiệt lượng thu vào để làm nước đá nóng chảy là Q1=204 kJ. Ta có: Q 204.103 Q m  m 1 0,6kg 1 1 1  34.10 4 o Tổng nhiệt lượng thu vào của ca nhôm và nước đá để chuyển từ nước đá ở t 1=0 C o o đến t2=5 C là Q=220,12 kJ. t( C) Ta có: Q Q1 (m1c1 m2 c2 )(t 2 t1 ) Thay số, giải PT ta được m2=0,8kg 5 C 0 B Q(kJ) 14
6. III. KẾT LUẬN 1. Ý nghĩa của sáng kiến Áp dụng đề tài này vào dạy học đại trà và bồi dưỡng học sinh giỏi môn Vật lý 8 đã mang lại hiệu quả đáng kể. Đề tài đã trang bị cho các em các kiến thức cơ bản và mở rộng phần nhiệt học cũng như phương pháp giải các dạng bài tập phần nhiệt, qua đó bồi dưỡng năng lực tự học, tự nghiên cứu cho các em. Sáng kiến này được bổ sung đầy đủ phần lý thuyết và các dạng bài tập một cách lôgic nên đối với giáo viên có thể sử dụng sáng kiến này làm tài liệu tham khảo trong quá trình giảng dạy của mình. 2. Kiến nghị, đề xuất Trên đây là một số kinh nghiệm mà bản thân tôi đã rút ra được từ thực tế quá trình giảng dạy bộ môn Vật lý ở trường THCS. Để sáng kiến có điều kiện áp dụng có hiệu quả tôi có một số đề xuất như sau : Về sách giáo khoa Vật lý lớp 8: Nên có những tiết bài tập ở trên lớp để giáo viên có thêm thời gian củng cố, khắc sâu kiến thức cho các em, hướng dẫn các em giải bài tập đặc biệt là phần nhiệt học. Về nhà trường : Nên tổ chức học phụ đạo môn Vật lý cho học sinh lớp 8,9. Về phương pháp: Giáo viên giảng dạy bộ môn nên phân rõ dạng bài tập và định hướng cách giải để các em có thể xác định được hướng giải các bài tập Vật lý. 16