intTypePromotion=1
ADSENSE

SKKN: Xây dựng hệ thống bài tập và câu hỏi thực tế sử dụng phối hợp phương trình trạng thái của khí lý tưởng và các lực cơ học góp phần nâng cao hiệu quả dạy học Vật lý lớp 10 THPT

Chia sẻ: Trần Thị Ta | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:34

68
lượt xem
6
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là Hướng dẫn học sinh giải các dạng bài tập sử dụng phối hợp phương trình trạng thái của khí lý tưởng các lực cơ học trong chương trình vật lý lớp 10 THPT; hình thành cho học sinh kỹ năng quan sát, đặt câu hỏi tìm hiểu vấn đề liên quan đến các kiến thức, bài tập trong khi học Vật lý nói chung và phần Nhiệt học nói riêng; sử dụng trong giảng dạy góp phần nâng cao chất lượng dạy học Vật lí ở trường THPT.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: SKKN: Xây dựng hệ thống bài tập và câu hỏi thực tế sử dụng phối hợp phương trình trạng thái của khí lý tưởng và các lực cơ học góp phần nâng cao hiệu quả dạy học Vật lý lớp 10 THPT

  1. CHỮ VIẾT TẮT TRONG  ĐỀ TÀI BTVL Bài tập vật lí BTĐT  Bài tập định tính CHTT               Câu hỏi thực tế DHVL   Dạy học vật lí ĐC Đối chứng ĐH Đại học ĐHQG Đại học quốc gia ĐHSP Đại học sư phạm GV    Giáo viên HS    Học sinh KHGD Khoa học giáo dục KHTN Khoa học kĩ thuật  LL Lí luận NXB Nhà xuất bản NXBGD Nhà xuất bản giáo dục NXBKHKT Nhà xuất bản khoa học kĩ thuật  PGS Phó giáo sư PP Phương pháp  SGV Sách giáo viên SGK Sách giáo khoa  THPT      Trung học phổ thông MỤC LỤC      Trang CHỮ VIẾT TẮT TRONG  ĐỀ TÀI....................................................................................... 1 MỤC LỤC .................................................................................................................................... 2 1
  2. MỞ ĐẦU  .................................................................................................................................... 4 1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................................ 4 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .........................................................................  5 3. Mục đích nghiên cứu .................................................................................................  5 4. Giả thuyết khoa học ..................................................................................................  6 5. Nhiệm vụ nghiên cứu ................................................................................................  6 6. Phương pháp nghiên cứu ..........................................................................................  6 7. Đóng góp của đề tài ....................................................................................................  6 NỘI DUNG ................................................................................................................................. 7 A. CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ CƠ SỞ THỰC TIỄN ........................................................ 7 I. Cơ sở lí luận ...........................................................................................................................  7 1. Bài tập vật lí .................................................................................................................  7 2. Tác dụng của bài tập vật lí ......................................................................................  7 3. Phân loại bài tập vật lý .............................................................................................  8  II. Cơ sở thực tiễn .....................................................................................................................  8 B. CÁC DẠNG BÀI TẬP SỬ DỤNG PHỐI HỢP PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG  THÁI CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG VÀ CÁC LỰC CƠ  HỌC  TRONG CHƯƠNG  TRÌNH   VẬT   LÍ   LỚP   10   THPT .....................................................................................................................................................  9 I. Chủ đề 1: Phương trình trạng thái của khí lý tưởng và các lực cơ học ................ 9 1. Bài toán 1: Có lực tác dụng làm thay đổi các thông số trạng thái của khí ............ 9 1. 1. Cách sử dụng phối hợp các lực cơ học vào bài toán phương trình trạng  thái của khí lý tưởng  9 Dạng 1: Phương trình trạng thái và lực đàn hồi .....................................................  9 Dạng 2: Phương trình trạng thái và trọng lực .........................................................  9   Dạng 3: Phương trình trạng thái và lực Acsimet ................................................... 9 Dạng 4: Phương trình trạng thái và lực ma sát ....................................................... 10   1.2. Phương pháp giải chung  ................................................................................................. 10 2
  3. 1.3. Một số ví dụ ........................................................................................................................ 10 Dạng 1: Phương trình trạng thái và lực đàn hồi  ...................................................10 Dạng 2: Phương trình trạng thái và trọng lực ......................................................... 10 Dạng 3: Phương trình trạng thái và lực Acsimet ...................................................11 Dạng 4: Phương trình trạng thái và lực ma sát ....................................................... 13 2. Bài toán 2: Biến đổi nội năng làm thay đổi thông số trạng thái của khí và  gây ra lực tác dụng   ....................................................................................................................................................... 14 2.1. Cách làm biến đổi thông số của khí để tạo ra lực tác dụng và sử dụng phối hợp  các lực cơ học vào bài toán phương trình trạng thái của khí lý tưởng ......................14 2.2. Phương pháp giải chung  ................................................................................................. 14 2.3. Một số ví dụ  ...................................................................................................................... 15 Dạng 1: Phương trình trạng thái và lực đàn hồi ..................................................... 15 Dạng 2: Phương trình trạng thái và trọng lực ......................................................... 15 Dạng 3: Phương trình trạng thái và lực Acsimet  .................................................. 16 3. Các bài tập tổng hợp ............................................................................................................ 16 3.1. Cách sử dụng phối hợp nhiều lực cơ học vào bài toán phương trình trạng thái  của khí lý tưởng ......................................................................................................................... 16  3.2. Phương pháp giải chung ...........................................................................................17 3.3 . Một số ví dụ  ..................................................................................................................... 17 II. Chủ đề 2: Các bài tập định tính và câu hỏi thực tế về trạng thái khí lý tưởng và  các lực cơ học ứng dụng trong thực tiễn ........................................................................... 19 Dạng 1: Các bài tập định tính và câu hỏi thực tế ...................................................19 Dạng 2: Ứng dụng của các dạng toán đã đề cập trong thực tiễn .....................20 Dạng 3: Một số mẫu chuyện vui ............................................................................... 20 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................................. 23 PHỤ LỤC 1: BÀI TẬP TỰ NGHIÊN CỨU ....................................................................... 24 PHỤ LỤC II: HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ............................................................... 27  TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 33 3
  4. MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Dạy học nói chung và dạy vật lý nói riêng ngoài việc cung cấp kiến thức, phải   làm sao phát triển được năng lực sáng tạo ở học sinh, hình thành năng lực làm việc   tự lực ở họ. Mục tiêu giáo dục trong thời đại mới là không chỉ dừng lại  ở việc truyền thụ  những kiến thức, kỹ năng có sẵn cho học sinh mà điều đặc biệt quan trọng là phải  bồi dưỡng cho họ năng lực sáng tạo, năng lực giải quyết vấn đề, để  từ  đó có thể  tìm ra và chiếm lĩnh những tri thức mới, phương pháp mới, cách giải quyết vấn đề  mới, góp phần làm giàu thêm nền kiến thức của nhân loại. Tạo hứng thú học tập cho học sinh ở các môn học nói chung và môn vật lí nói  riêng là hết sức quan trọng. Nếu làm được điều này trong quá trình giảng dạy là  điều kiện thuận lợi nhất để học sinh tự lực chiếm lĩnh kiến thức, đó cũng chính là  đích mà phương pháp dạy học mới hướng đến.   Bài tập vật lý là một phương tiện có tầm quan trọng đặc biệt trong rèn luyện   tư duy, bồi dưỡng phương pháp nghiên cứu khoa học cho học sinh. Bởi vì, giải bài  tập vật lý là hình thức làm việc tự lực căn bản của học sinh, trong khi giải bài tập,   học sinh phải phân tích điều kiện đề bài, lập luận logic, thực hiện các phép toán để  kiểm tra các kết luận của mình. Trong những điều kiện như  vậy tư  duy sáng tạo   của học sinh sẽ được phát triển, năng lực làm việc của học sinh sẽ được nâng cao.  Nhằm giúp cho học sinh có cách nhìn tổng quát về  các dạng  bài tập sử dụng  phối hợp phương trình trạng thái của khí lý tưởng và các lực cơ  học trong chương  trình vật lý lớp 10 THPT cũng như  có phương pháp lựa chọn, định hướng phương  pháp giải, các bước giải cụ  thể  phù hợp. Bài tập định tính và câu hỏi thực tế  góp  phần quan trọng trong việc hình thành cho học sinh kỹ  năng quan sát, đặt câu hỏi,  tìm tòi, sáng tạo để  tìm hiểu những vấn đề  trong thực tiễn liên quan đến các kiến   thức, đồng thời bài tập định tính và câu hỏi thực tế là định hướng tốt giúp học sinh   4
  5. nhận dạng các bài tập trong khi học Vật lý nói chung và phần Nhiệt học nói riêng.   Trong chương trình vật lí THPT hệ thống bài tập và câu hỏi thực tế sử dụng phối   hợp phương trình trạng thái của khí lý tưởng và các lực cơ  học trong chương trình  vật lý lớp 10 THPT  khá quan trọng được sử  dụng nhiều trong quá trình dạy học  chương Chất khí thuộc phần Nhiệt học; nó xuất hiện nhiều trong các đề  thi học   sinh giỏi các cấp và có thể sẽ là một phần trong kỳ thi THPT Quốc gia những năm  tới. Loại bài tập này có rất nhiều bài tập khó, học sinh thường rất lúng túng không   có định hướng giải; các bài tập định tính và câu hỏi thực tế  không được đưa vào   nhiều trong hệ thống bài tập SGK cũng là một vấn đề khiến học sinh ít quan tâm và  chưa có đủ kinh nghiệm nhận diện vấn đề  tìm ra câu trả  lời. Vì những lí do đó tôi  đã thực hiện đề  tài:  “Xây dựng hệ  thống  bài tập và câu hỏi thực tế  sử  dụng   phối hợp phương trình trạng thái của khí lý tưởng và các lực cơ học góp phần   nâng cao hiệu quả dạy học vật lý lớp 10 THPT”.  2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a. Đối tượng nghiên cứu ­ Học sinh THPT, học sinh dự thi học sinh giỏi và học sinh ôn thi THPT Quốc   gia. ­ Bài tập và câu hỏi thực tế sử dụng phối hợp phương trình trạng thái của khí  lý tưởng và các lực cơ học trong chương trình vật lý lớp 10 THPT”.  b. Phạm vi nghiên cứu ­ Đề tài là tài liệu cho học sinh các trường THPT, học sinh tham dự các kì thi   học sinh giỏi, học sinh ôn thi THPT Quốc gia tiếp cận với kiến thức về bài tập và  câu hỏi thực tế sử dụng phối hợp giữa phương trình trạng thái của khí lý tưởng và   các lực cơ học trong chương trình vật lý lớp 10 THPT.  3. Mục đích nghiên cứu ­ Hướng dẫn học sinh giải các dạng bài tập sử  dụng phối hợp phương trình  trạng thái của khí lý tưởng các lực cơ học trong chương trình vật lý lớp 10 THPT ;   hình thành cho học sinh kỹ năng quan sát, đặt câu hỏi tìm hiểu vấn đề liên quan đến   các kiến thức, bài tập trong khi học Vật lý nói chung và phần Nhiệt học nói riêng ;  5
  6. sử  dụng trong giảng dạy góp phần nâng cao chất lượng dạy học Vật lí  ở  trường   THPT. ­ Kết quả nghiên cứu đề tài là tư liệu phục vụ cho quá trình dạy học của bản  thân, là tài liệu tham khảo cho giáo viên, học sinh bậc trung học phổ thông trong quá  trình giảng dạy, học tập, nghiên cứu phần Nhiệt học thuộc chương trình vật lý 10   THPT, đồng thời cũng là tài liệu cần thiết cho việc dạy bồi dưỡng học sinh giỏi các  cấp và ôn thi THPT quốc gia. 4. Giả thuyết khoa học ­ Nếu xây dựng được hệ  thống  bài tập về  sử  dụng phối hợp phương trình  trạng thái của khí lý tưởng trong chương trình vật lý lớp 10 THPT  và xây dựng  được phương pháp giải thì sẽ  nâng cao được kiến thức kỹ  năng, phát triển tư  duy   sáng tạo. Đồng thời nếu nhìn nhận, liên hệ  được các bài tập dạng này vào trong  thực tiễn đặc biệt sẽ giúp học sinh có kỹ  năng năng quan sát, đặt câu hỏi tìm hiểu  vấn đề  và giải các bài tập định tính cũng như  giải thích các hiện tượng Vật lý có   trong tự  nhiên. Những vấn đề  nghiên cứu này đều góp phần tạo động lực, khiến  các em yêu thích nghiên cứu về Vật lý học cũng như nâng tầm về kỹ năng sống.  5. Nhiệm vụ nghiên cứu ­ Hệ thống hoá cơ sở lí luận về phương pháp dạy học Bài tập Vật lí ở trường   THPT. ­ Hướng dẫn học sinh giải hệ  thống bài tập sử  dụng phối hợp phương trình  trạng thái của khí lý tưởng và các lực cơ  học trong chương trình vật lý lớp 10   THPT. ­ Hướng dẫn học sinh giải quyết các bài tập định tính và câu hỏi thực tế liên  quan đến khí lý tưởng và các lực cơ học. 6. Phương pháp nghiên cứu ­ Phương pháp nghiên cứu lí thuyết. ­ Phương pháp dạy học bài tập Vật lí. ­ Phương pháp thực nghiệm.  6
  7. ­ Phương pháp tổng kết kinh nghiệm GD. 7. Đóng góp của đề tài ­ Hệ thống bài tập và phương pháp giải các dạng bài tập "sử dụng phối hợp  phương trình trạng thái của khí lý tưởng và các lực cơ học trong chương trình vật lý  lớp 10 THPT". ­ Một số bài tập định tính và câu hỏi thực tế; một số mẫu chuyện vui liên hệ  vào thực tiễn của các dạng bài tập sử  dụng phối hợp phương trình trạng thái của  khí lý tưởng và các lực cơ học trong chương trình vật lý lớp 10 THPT. NỘI DUNG A. CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ CƠ SỞ THỰC TIỄN I. Cơ sở lí luận. 1. Bài tập vật lí. Bài tập vật lí: Ta có thể xem định nghĩa bài tập vật lý  trong “lý luận dạy học  vật lý” của Phạm Hữu Tòng là bao quát: “Trong thực  tiễn dạy học, bài tập vật lý  được hiểu là một vấn đề  được đặt ra đòi hỏi phải giải quyết nhờ  những suy nghĩ  logic, những phép toán và những thí nghiệm dựa trên cơ sở các định luật và phương  pháp vật lý. Hiểu theo nghĩa rộng thì mỗi vấn đề  xuất hiện do nghiên cứu tài liệu  giáo khoa cũng chính là một bài tập đối với học sinh. Sự  tư  duy định hướng một   cách tích cực luôn là việc giải bài tập vật lý” Bài tập vật lí có nội dung thực tế là các bài tập vật lí có nội dung  liên quan   đến các vấn đề thực tế trong đời sống, sản xuất, lao động và ứng dụng trong thực   tiễn.  2. Tác dụng của bài tập vật lí.  Giải bài tập vật lý là một trong những hình thức luyện tập chủ yếu và được  tiến hành nhiều nhất trong hoạt động dạy học. Do vậy, bài tập vật lý có tác dụng   cực kì quan trọng trong việc hình thành, rèn luyện kỹ năng, kỹ xảo vận dụng và tìm  7
  8. tòi kiến thức cho học sinh. Chúng được sử  dụng trong những tiết học với những   mục đích khác nhau: ­ Bài tập vật lý được sử dụng như là các phương tiện nghiên cứu tài liệu mới,  khi trang bị kiến thức mới cho học sinh nhằm đảm bảo cho học sinh lĩnh hội kiến  thức mới một cách sâu sắc và vững chắc. ­ Bài tập vật lý là phương tiện rèn luyện cho học sinh kỹ  năng, kỹ  xảo vận   dụng kiến thức, liên hệ lý thuyết với thực tiễn, học tập với đời sống. ­ Bài tập vật lý là một phương tiện có tầm quan trọng đặc biệt trong việc rèn   luyện tư  duy, bồi dưỡng phương pháp nghiên cứu khoa học cho học sinh. Bởi vì,  giải bài tập vật lý là hình thức làm việc tự lực căn bản của học sinh.  ­ Bài tập vật lý là phương tiện ôn tập và củng cố kiến thức đã  học một cách  sinh động và có hiệu quả. ­ Thông qua giải bài tập vật lý có thể rèn luyện được những đức tính tốt như:   tính độc lập, tính cẩn thận, kiên trì, vượt khó... ­ Bài tập vật lý là phương tiện để kiểm tra đánh giá kiến thức, kỹ năng của  học sinh một cách chính xác.  Trong bài tập vật lí thì bài tập thực tế có nội dung sát với thực tiễn của học  sinh nên dễ dàng tập trung được sự chú ý của học sinh và gây ra hứng thú làm việc  ở họ. 3. Phân loại bài tập vật lý.  Có nhiều cách phân loại bài tập vật lý, tuỳ  thuộc vào việc người phân loại  chọn tiêu chí nào. Nếu căn cứ vào nội dung kiến thức thì có bài tập:  cơ, nhiệt, điện,  quang...; Nếu căn cứ vào việc bài tập có yêu cầu xác định đại lượng vật lý nào đó   hay không mà ta có thể phân bài tập định tính và bài tập định lượng.  Bài tập định tính thường được giải bằng những suy luận logic dựa trên các   định luật vật lý bằng phương pháp đồ thị hoặc thực nghiệm. Ở đây không sử dụng  đến các phép tính toán học.  Các câu hỏi và bài tập thực tế  thường có nội dung vật lý liên quan đến cuộc   sống thường ngày, các hoạt động thực tiễn của học sinh.  8
  9. II. Cơ sở thực tiễn. Bài toán sử dụng phối hợp phương trình trạng thái của khí lý tưởng và các lực   cơ học trong chương trình vật lý lớp 10 THPT cần kết hợp nhiều kiến thức . Muốn  có một phương pháp giải nhanh gọn, dễ hiểu trước hết nên tìm hiểu hệ thống các   bài tập điển hình, định hướng chọn phương pháp, các bước giải nhanh nhất, hiệu   quả nhất.  Sau khi xây dựng được hệ thống bài tập  sử dụng phối hợp phương trình trạng  thái của khí lý tưởng và các lực cơ  học trong chương trình vật lý lớp 10 THPT thì   việc giải các bài toán về loại này đối với học sinh trở nên dễ dàng hơn. Trong những năm giảng dạy tại trường THPT tôi đã áp dụng tinh thần của đề  tài này trong quá trình giảng dạy chính khóa, dạy bồi dưỡng học sinh giỏi cấp tỉnh   và kết quả là tốt hơn rất nhiều so với khi chưa nghiên cứu đề tài. B.  CÁC DẠNG BÀI TẬP  SỬ  DỤNG PHỐI HỢP PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG  THÁI CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG VÀ CÁC LỰC CƠ  HỌC  TRONG  CHƯƠNG  TRÌNH VẬT LÍ LỚP 10 THPT I. Chủ đề 1: Phương trình trạng thái của khí lý tưởng và các lực cơ học.  1. Bài toán 1: Có lực tác dụng làm thay đổi các thông số trạng thái của khí. 1. 1. Cách sử dụng phối hợp các lực cơ học vào bài toán phương trình trạng  thái của khí lý tưởng.  Dạng 1: Phương trình trạng thái và lực đàn hồi. Lực đàn hồi thường được khai thác trong bài toán pittông đặt nằm ngang   hoặc nghiêng góc α  với mặt nằm ngang theo các cách: + Lực đàn hồi của lò xo, của dây nối với pittông. 9
  10. + Phản lực của mặt sàn lên xi lanh khi nó ở trạng thái cân bằng hay trượt   trên mặt sàn có ma sát. Dạng 2: Phương trình trạng thái và trọng lực.  Trọng lực thường được khai thác trong bài toán pittông đặt thẳng đứng   hoặc nghiêng góc α  với mặt nằm ngang theo các cách: + Trọng lực của   pittông khi pittông  ở  trạng thái cân bằng hay chuyển   động dọc theo xi lanh. + Trọng lực của xi lanh khi xi lanh  ở trạng thái cân bằng hay trượt trên   mặt sàn. + Trọng lực của vật nặng đặt thêm hay bỏ bớt  trên xi lanh. Dạng 3: Phương trình trạng thái và lực Acsimet Lực Acsimet thường được khai thác trong các bài toán vật hay xi lanh chứa  khí được đặt cân bằng, chuyển động trong chất lưu: + Khí cầu chuyển động trong không khí. + Xi lanh chứa khí đặt cân bằng hay chuyển động trong chất lỏng. Dạng 4: Phương trình trạng thái và lực ma sát Lực ma sát thường được khai thác giữa pittông và xi lanh hay giữa xi lanh  và sàn. + Pittông chuyển động dọc theo xi lanh đặt thẳng đứng hay đặt nghiêng  góc α  với mặt nằm ngang. + Xi lanh chuyển động trên mặt sàn. 1.2. Phương pháp giải chung.  ­ Bước 1: Phân tích đủ các lực có mặt trong bài toán. Viết phương trình  cân bằng lực hoặc phương trình cân bằng áp suất đối với pittông. ­ Bước 2: Dựa vào phương trình cân bằng áp suất đối với khí để xác định  áp suất khí sau khi có lực tác dụng. ­ Bước 3: Viết phương trình trạng thái hoặc các đẳng quá trình cho khí  trong xi lanh 10
  11. ­ Bước 4: Dựa vào mối liên hệ của các thông số trạng thái khí ở phương  trình trạng thái và phương trình cân bằng lực để tìm ẩn của bài toán. 1.3. Một số ví dụ Dạng 1: Phương trình trạng thái và lực đàn hồi Ví dụ 1: Cho một ống tiết diện S nằm ngang được ngăn với bên ngoài bằng 2  pittông. Pittông thứ nhất được nối với lò xo (Hình 1). Ban đầu lò xo không biến  dạng, áp suất khí giữa 2 pittông bằng áp suất bên ngoài p0. Khoảng cách giữa hai  pittông là H và bằng  chiều dài hình trụ. Tác dụng lên pittông thứ 2 một lực F  để nó  chuyển động từ từ sang bên phải. Tính F khi pittông thứ 2 dừng lại ở biên phải của  ống trụ.  Hướng dẫn giải:  Điều kiện cân bằng pittông trái; phải: p0S – pS – kx = 0  (1); F + pS – p0S = 0(2) Định luật Bôilơ – Ma­ri­ốt:  p0SH = p(2H –x)S (3) Dạng 2: Phương trình trạng thái và trọng lực  Ví dụ 2: Trong một hình trụ kín hai đầu chiều dài L, đặt thẳng đứng có chứa môt  hỗn hợp khí và một pittông khối lượng m0. Pittông này không cho hai chất khí thấm  qua, khối lượng và khối lượng mol của hai khí này lần lượt là m1, M1 và m2, M2 (các  khí còn lại dễ dàng thấm hơn qua pittông). Lúc đầu pittông nằm sát đáy dưới. Lật  ngược bình hình trụ và đặt nghiêng góc α so với mặt phẳng ngang (Hình 2). Hỏi khi  cân bằng pittông dịch chuyển đoạn bao nhiêu? Nhiệt độ khí là T không đổi; lấy gia  tốc rơi tự do là g và bỏ qua ma sát giữa pittông và hình trụ.  Hướng dẫn giải:  Đối với chất khí thấm qua, khi lật ngược và ở trạng thái cân bằng, mật độ khí này  ở hai bên pittông là bằng nhau. Do đó áp suất do chúng tác dụng lên hai mặt pittông  là cân bằng nhau. Vậy sự cân bằng của pittông chỉ liên quan tới 2 chất khí không  thấm qua. Gọi p là áp suất của hai khí không thấm qua. Khi cân bằng: .    11
  12. Ví dụ  3:  Khí được chứa trong một xilanh có tiết diện S dưới một  pittông  khối  lượng m. Nhờ một sợi chỉ nhẹ vắt qua một ròng rọc nhẹ, pittông được nâng chậm  nên nhờ tác dụng lên sợi chỉ một lưc F dưới một góc α (Hình 3). Bỏ qua ma sát, hãy   tìm sự phụ thuộc của áp lực tác dụng lên trục ròng rọc vào chiều cao x mà  pittông  được nâng lên nếu áp suất khí quyển là p0. Khi x = h và F = 0 thì pittông nằm yên và  coi  nhiệt độ của khí không thay đổi.  Hướng dẫn giải:  Khi x = h, thể tích khí trong bình :  Gọi T là sức căng của chỉ. Khi nâng pittông lên tới độ cao x thể tích khí trong bình  là: Theo định luật Bôilơ ­ Mariôt:  Từ đó tính được sức căng của sợi chỉ:  Lực tác dụng lên trục ròng rọc được xác định:  Dạng 3: Phương trình trạng thái và lực Acsimet Ví dụ  4: Khí cầu thường mang theo phụ  tải(các túi cát). Một khí cầu khối lượng   tổng cộng m = 300kg đang lơ  lửng  ở  độ  cao khí quyển có áp suất p 1  = 84 kPa và  nhiệt độ  t1 = ­ 130C.  Phải ném xuống bao nhiêu kg phụ tải để khí cầu lên tới độ cao có nhiệt   độ  t2 = ­ 330C và áp suất p2  = 60 kPa. Khí cầu được bơm không khí có khối lượng  mol , R = . Giả thiết thể tích của khí cầu không đổi. Hướng dẫn giải:  Khí cầu lơ lửng trên không, lực đẩy Acsimet bằng trọng lượng: ( D1 là khối lượng  riêng của không khí ở áp suất p1; p2và nhiệt độ T1 = 260 K; T2 = 240 K) Thể tích của khí cầu là :   Ném phụ tải có khối lượng m’ thì khí cầu có khối lượng m ­ m’ và điều kiện lơ  lửng mới là: 12
  13.  Ví dụ 5: Một xilanh có thành mỏng, bên trong chứa một lượng khí xác định. Xilanh  được đậy bằng một pittông nhẹ, mỏng. Khi xilanh nổi tự do trên mặt nước (Hình 4)   thì khoảng cách từ pittông đến mặt nước là a = 4 cm, khoảng cách từ mặt nước đến   đáy xilanh là b = 20 cm. Nhấn chìm cả  hệ xilanh và pittông vào trong nước đến độ  sâu tối thiểu là bao nhiêu để hệ không thể tự nổi lên khi thả ra? (độ sâu được tính là  khoảng cách từ  mặt nước đến pittông). Biết nhiệt độ  khí trong xilanh không đổi,  khối lượng riêng của nước   = 1000 kg/m3, áp suất khí quyển P0 =1,013.105 Pa, g = 10  m/s2,  bỏ  qua ma sát giữa pittông và xilanh. Áp suất nước  ở  độ  sâu h tính theo công  thức p = po + ρgh.  Hướng dẫn giải:  Lúc đầu P1 = P0 và V1 = (a + b)S      Gọi h là khoảng cách cần tìm từ pittông đến mặt nước. Tại đó, nước đã đẩy pittông   V2 = ( a + b − x ) S xuống một đoạn x. Ta có:  và    Khi nổi trên mặt nước:  mg =  bSg .  Để xilanh không tự nổi lên: mg ≥   (a + b ­ x)Sg  => x ≥ a  Nhiệt độ của nước không thay đổi, theo định luật Bôilơ ­ Ma­ri­ốt:   Từ các điều kiện trên  = 2,026 m. Vậy hmin = 2,026m  Dạng 4: Phương trình trạng thái và lực ma sát Ví dụ 6: Một xilanh chiều dài 2l, bên trong có một pittông có tiết diện S. Xilanh có  thể trượt có ma sát trên mặt phẳng ngang với hệ số ma sát  (Hình 5). Bên trong  xilanh, phía bên trái có một khối khí ở nhiệt độ T0 và áp suất bằng áp suất khí  quyển bên ngoài p0, pittông cách đáy khoảng l. Giữa bức tường thẳng đứng và  pittông có một lò xo nhẹ độ cứng k. Cần phải tăng nhiệt độ của khối khí trong xi  lanh lên một lượng  bằng bao nhiêu để thể tích của nó tăng lên gấp đôi, nếu ma sát  giữa xi lanh và pittông có thể bỏ qua. Khối lượng tổng cộng của xilanh và pittông  bằng m. Hướng dẫn giải:  13
  14. Vì áp suất bên trong và bên ngoài là bằng nhau nên ban đầu lò xo không biến dạng.  Trường hợp 1:. Khi đó xi lanh sẽ đứng yên. Gọi T là nhiệt độ cuối cùng của khối khí thì: Trường hợp 2:  Gọi x là độ nén cực đại của lò xo. Pittông còn đứng yên cho đến khi Gọi T1 là nhiệt độ  của khối khí tại thời điểm lò xo nén cực đại. P1 là áp suất chất  khí trong xi lanh ở thời điểm này thì:  Áp dụng phương trình trạng thái có: Khi T > T1 thì pittông bắt đầu dịch chuyển, bắt đầu từ  thời điểm này áp suất chất   khí trong xi lanh là không đổi. Ta có:     Nhận xét: ­ Quan trọng nhất của các bài toán 1 là viết được phương trình cân bằng lực  của pittông để suy ra các thông số trạng thái khí bị thay đổi sau khi có lực tác dụng  và viết phương trình trạng thái của khí ứng với trạng thái khí trước, sau khi có lực  tác dụng. ­ Phần còn lại chỉ là các phép toán dựa vào mối liên hệ của các thông số  trạng thái khí ở phương trình trạng thái và phương trình cân bằng lực để tìm ẩn  của bài toán. 2. Bài toán 2: Biến đổi nội năng làm thay đổi thông số trạng thái của khí và  gây ra lực tác dụng  2.1. Cách làm biến đổi thông số của khí để tạo ra lực tác dụng và sử dụng  phối hợp các lực cơ học vào bài toán phương trình trạng thái của khí lý  tưởng: ­ Thay đổi áp suất của khí trong xi lanh và gây ra lực tác dụng lên pittông  bằng 2 cách:   14
  15. + Thay đổi áp suất gián tiếp thông qua nhiệt độ (như đốt nóng khí, cung  cấp một nhiệt lượng, thực hiện công gây ra ma sát cho vật chứa khí nóng lên  hoặc hạ nhiệt độ của khí); thông qua thể tích (đẩy hoặc kéo một pittông trong  xilanh làm thay đổi dung tích vật chứa khí). + Thay đổi áp suất trực tiếp: Tăng hoặc giảm diện tích ép; sử dụng van  giúp tăng giảm áp suất. ­ Lực do thay đổi áp suất gây ra có thể là 1 trong các lực cơ học đã học và  cách sử dụng phối hợp các lực cơ học vào bài toán phương trình trạng thái của  khí lý tưởng được khai thác giống như ở bài toán 1.  2.2. Phương pháp giải chung:  ­ Bước 1. Xác định áp suất, thể tích khí trước và sau khi thay đổi nhiệt độ.   Viết phương trình trạng thái hoặc các đẳng quá trình cho khí ứng với các trạng  thái khác nhau của khí.  ­ Bước 2. Xác định các lực do sự thay đổi áp suất khí gây ra. Viết phương  trình cân bằng lực hoặc phương trình cân bằng áp suất đối với pittông.  ­ Bước 3. Dựa vào mối liên hệ của các phương trình đã viết để tìm ẩn. 2.3. Một số ví dụ Dạng 1: Phương trình trạng thái và lực đàn hồi  Ví dụ 7: Một bình có thể tích V chứa 1mol khí lí tưởng và một cái van bảo hiểm là  một xilanh rất nhỏ so với bình, trong đó có một pittông diện tích S giữ bằng lò xo có  độ  cứng K. Khi nhiệt độ  T1 thì pittông  ở cách lỗ  thoát khí một khoảng l. Nhiệt độ  của khí tăng với giá trị T2 nào thì thoát ra ngoài?  Hướng dẫn giải:    x+l và khí thoát ra:  15
  16. Từ (1),(2),(3) ta có:  Dạng 2: Phương trình trạng thái và trọng lực  Ví dụ 8: Trong một ống hình trụ thẳng đứng với hai tiết diện khác nhau, có hai  pittông nối với nhau bằng một sợi dây không dãn. Giữa hai pittông có một mol khí lí  tưởng. Pittông trên có tiết diện lớn hơn pittông dưới là S=10cm2. Áp suất khí quyển  ngoài p0 = 1,0 atm. a. Tính áp suất p của khí giữa hai pittông b. Phải làm nóng khí lên bao nhiêu độ để các pittông chuyển lên l = 5cm. Biết khối   lượng tổng cộng của hai pittông là m = 5kg; khí không lọt ra ngoài. Hướng dẫn giải:   (1) Dạng 3: Phương trình trạng thái và lực Acsimet Ví dụ  9: Một khí cầu tạo bởi một túi dạng cầu đường kính 16m, hở   ở  phía dưới  đáy. Khối lượng của túi là 150kg. Người ta đốt nóng không khí trong khí cầu. Hỏi   nhiệt độ của không khí trong khí cầu ít nhất phải bằng bao nhiêu để nó có thể bay  lên được ? cho biết nhiệt độ khí quyển là 00C, áp suất bằng 105Pa; µkhông khí = 29g/mol.  Hướng dẫn giải:  Thể tích khí cầu:  Để khí cầu bay lên được thì lực đẩy Acsimet bằng trọng lượng của không khí lạnh  trong khí cầu phải lớn hơn trọng lượng không khí nóng và túi khi đó: m0 m1 + 150 Với  ;  (p là áp suất khí quyển, V là thể tích khí cầu, T0  = 273K, T1 là nhiệt độ của  khí trong khí cầu). Ta có:  150T1= 288,6 Kt = 15,60C.  Nhận xét:  16
  17. ­ Quan trọng của bài toán 2 là  xác định được áp suất, thể tích, nhiệt độ khí   viết được phương trình trạng thái ứng với các trạng thái khác nhau của khí. Xác  định được áp suất suy ra lực tác dụng trước và sau khi thay đổi nhiệt độ khí để viết   phương trình cân bằng lực, cân bằng áp suất.  ­ Khi viết đúng, đủ các phương trình thì việc tìm ẩn chỉ còn là một số phép  biến đổi toán học. 3. Các bài toán tổng hợp 3.1. Cách sử dụng phối hợp nhiều lực cơ học vào bài toán phương trình trạng  thái của khí lý tưởng.  ­ Đối với xi lanh nằm ngang thì có thể khai thác các loại lực: Lực ma sát,  lực đàn hồi, lực quán tính tác dụng lên pittông hoặc xi lanh. ­ Đối với bài toán có xi lanh nằm thẳng đứng hay nghiêng góc so với  phương ngang thì có thể khai thác các loại lực: Trọng lực, lực ma sát, lực đàn  hồi, lực quán tính tác dụng lên pittông hoặc xi lanh. ­ Khi xi lanh nằm trong chất lưu thì có thể khai thác các loại lực: Lực  Acsimet, trọng lực, lực ma sát, lực đàn hồi, lực quán tính tác dụng lên pittông  hoặc xi lanh. ­ Lực quán tính xuất hiện khi xi lanhchứa khí, pittông chuyển động có gia  tốc: Quay đều, thẳng biến đổi đều, dao động điều hòa.  3.2. Phương pháp giải chung:  ­ Cần có kiến thức tổng hợp về các loại lực cơ học, áp lực do khí gây ra  để phân tích đủ các lực tác dụng. ­ Trong 1 bài toán cần viết các phương trình cân bằng lực, cân bằng áp  suất và định luật II Niu Tơn.  ­ Vận dụng linh hoạt các dạng toán trong chủ đề 1 để giải quyết bài toán. Ví dụ 10: Trong hình 8, xilanh có thành mỏng bên trong chứa một lượng khí có khối  lượng xác định. Xilanh được đậy bằng một pittông nhẹ, giữa đáy xilanh và pittông  có một lò xo có độ cứng k nối liền. Ban đầu lò xo không biến dạng. Bỏ qua ma sát.  17
  18. Cho tiết diện xilanh S, khối lượng riêng của nước là , áp suất khí quyển là p0. Đè  vào pittông để dìm xilanh xuống. Hỏi pittông xuống một đoạn bao nhiêu thì xilanh  vẫn còn nổi lên. Hướng dẫn giải: Gọi M là khối lương của của xilanh. Lúc đầu Mg Gọi x là độ co của lò xo. Xét khí trong xi lanh: S(a+b­x) k g(a+b­x) . Tìm được h Ví dụ 11: Một pittông khối lượng M nằm trong một hình trụ nằm yên (hình 10),  diện tích tiết diện bên trong của bình là S. Dưới pittông có khối lượng không khí  nào đó. Nhờ sợi chỉ sức căng của chỉ là T. Sau khi đốt sợi chỉ pittông chuyển động  không ma sát. Tại khoảng cách nào tới đáy bình, pittông sẽ có vận tốc lớn nhất? Áp  suất khí quyển bên ngoài bằng p0. Nhiệt độ của khí dưới pittông được giữ không  đổi. Gia tốc rơi tự do là g.  Hướng dẫn giải:  Phương trình cân bằng của pittông:  Khi mà pittông nằm cách đáy bình một khoảng x thì áp suất px của khí dưới pittông  được xác định theo định luật Bôilơ­Mariôt:  Phương tình chuyển động của pittông sau khi đốt chỉ:  Vận tốc của pittông sẽ cực đại khi a = 0 ứng với vị trí xm Ví dụ 12: Một xilanh nằm ngang dài 2l hai đầu bịt kín, không khí trong xilanh được  chia làm hai phần bằng nhau bởi một pittông mỏng khối lượng m. Mỗi phần có thể  tích V0, áp suất p0. Cho xialanh quay quanh trục thẳng đứng  ở  giữa xilanh với vận  tốc góc ω. Tìm ω nếu pittông cách trục quay một đoạn r khi có cân bằng tương đối.   Xem nhiệt độ khí trong xilanh không đổi. Hướng dẫn giải:  18
  19. Khi xilanh đứng yên, khí trong mỗi phần có áp suất p0 và thể tích V0  =lS  Quay xilanh với vận tốc góc ω: Bình A có:; Bình B có:   Theo định luật Bôilơ­Mariốt: p1V1 = p0V0 ;  Lực tác dụng lên pittông theo phương ngang: F2 = p2S; F1 = p1S Khi xilanh quay đều : F1 ­ F2 = maht    Ví dụ  13:  Một bình hình hộp chữ  nhật chứa một lượng khí, chuyển động theo  hướng song song với một trong những cạnh của nó. Tìm khối lượng riêng của khí  ở thành sau và thành trước của bình, nếu bình chuyển động trong thời gian đủ và dài  với vận tốc. Biết khối lượng riêng của khí khi bình đứng yên . Khối lượng của khí  là M Hướng dẫn giải:  Gọi nhiệt độ  khí là T và chiều dài của bình là l. Bỏ  qua trọng lượng của khối khí.  Ta khảo sát một lớp khí rất mỏng  ở gần hai thành sau và thành trước của bình, sao   cho trong giới hạn của các lớp đó, khối lượng riêng của khí không thay đổi. Khi đó  ta có phương trình trạng thái:  . Thay vào biểu thức ta được:  Sau một thời gian dài chuyển động, dao động của khối khí sẽ tắt dần do ma sát  nội và tất cả các phần của khối khí đều chuyển động với gia tốc a.  Khi đó theo định luật II Niutơn:  Chiếu phương trình lên hướng chuyển động  Nhận xét:  So với các bài toán 1,2 thì bài toán tổng hợp cần nhận thấy sự  có mặt của   nhiều loại lực cơ  học trong 1 bài toán, đồng thời cần có sự  phối hợp thêm của   phương trình định luật II Niu Tơn khi chất khí hay pittông khi chúng chuyển động có   gia tốc hoặc dao động. II. Chủ  đề  2: Các bài tập định tính và câu hỏi thực tế  về  trạng thái khí lý   tưởng và các lực cơ học ứng dụng trong thực tiễn.  Dạng 1: Các bài tập định tính và câu hỏi thực tế. 19
  20. 1. Những chai đựng đầy nước giải khát có hòa tan khí cacbonic nếu để vào chỗ ấm  ta thấy nút chia bị bật ra? Vì sao vậy?  2. Tại sao chiếc ống giác được hơ nóng sẽ bám chặt vào da người ta 3. Tại sao một chiếc bình đựng khi nén khí nở  sẽ  nguy  hiểm còn một chiếc  ống   đựng nước dưới áp suất lớn khi nổ không nguy hiểm? 4. Lực nâng  khí cầu phụ thuộc vào nhiệt độ như thế nào? 5. Bóng đèn điện chứa đầy khí nitơ ở nhiệt độ và áp suất thấp.Tại sao phải nạp khí  vào bóng đèn ở những điều kiện như vậy? 6. Tại sao ném một quả bóng đã bị thủng xuống sân thì nó không nảy lên được 7. Tại sao khi dùng chiếc bơm xe đạp chiếc bơm lại bị nóng lên  8. Người ta mang bình không khí nén lặn xuống nước để quan sát và tìm chỗ hỏng ở  đáy tàu. Vì sao người ấy chỉ có thể sửa chũa tối đa trong một thời gian xác định? 9. Thuốc súng khi cháy tại sao có thể  đẩy đạn ra khỏi nòng súng với vận tốc khá   lớn? 10. Bóng thám không chứa khí hiđrô tại sao chỉ có thể bay tới một độ cao xác định? Dạng 2: Ứng dụng của các dạng toán đã đề cập trong thực tiễn 1. Ứng dụng 1: Động cơ đốt trong  Hỗn   hợp   không   khí   và   nhiên   liệu   (thường   được   gọi  là hoà khí) được đốt trong xi lanh của động cơ đốt trong.  Khi đốt cháy nhiệt độ  tăng làm cho khí đốt giãn nở  tạo  nên áp suất tác dụng lên một pittông đẩy pittông này di  chuyển đi. Ứng dụng trong động cơ xe máy ôtô. 2. Ứng dụng 2: Van an toàn nồi áp suất Với nồi áp suất được trang bị 2 van xả gồm 1 van chính  và 1 van phụ thì van chính là van hạn chế áp suất, giữ  nhiệm vụ xả áp chính để cân bằng mức áp suất an toàn  trong nồi nấu. Khi van chính không hoạt động hay xả áp  không kịp, van phụ sẽ xả hơi ra ngoài đảm bảo phòng  tránh nguy cơ cháy nổ. 20
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2