Vận dụng phơng pháp đồ thị giải bài tập phần nhiệt ở lớp 8 THCS I- Đặt vấn đề A- Cơ sở khoa học Vật lí lớp 8 là một mảng kiến thức trong hệ thống kiến thức vật lí THCS .Chơng trình vật lí lớp 8 có vị trí đặc biệt ,đóng vai trò trung gian vì vậy nó có nhiệm vụ hoàn thiện đợc chơng trình vật lí THCS. Trên cơ sở các kiến thức, kĩ năng,ý thức thái độ đúng đắn. Vật lí là một môn khoa học thực nghiệm rất gần gũi với đời sống con ngời,nó giúp con ngời lao động sáng tạo.Vật lí là một đòn bẩy thúc đẩy nhanh tốc độ phát triển nền kinh tế quốc dân đồng thời góp phần quan trọng trong việc pháp triển các ngành khoa học khác nh trong các ngành khoa học kĩ thuật mà trong đó ngành vật lí đóng vai trò quan trọng.Nh vậy nó có tầm quan trọng trong sự phát triển văn minh nhân loại, nh ta đã biết trong môn vật lí có nhiều lĩnh vực nh: Cơ, nhiệt, điện, quang .và trong đó có nhiệt học là một mảng quan trọng mà thuần tuý lý thuyết thì không thể có đợc thành quả cao trong việc dạy và học. Vì vậy việc nghiên cứu giải các bài tập vật lý là một bộ phận không thể thiếu đợc trong bộ môn vật lý. Vật lý có vai trò to lớn trong nhà trờng phổ thông cũng nh trong đời sống, trong khoa học và thực tiễn, việc vận dụng các phơng pháp toán học vào giải các bài tập sẽ gặp nhiều thuận lợi hơn, nó là công cụ thiết yếu trong việc dạy và học môn vặt lý, phơng pháp đồ thị là một trong những phơng pháp tối u của việc giảng dạy và học tập phần nhiệt , học sinh mới chỉ tiếp cận với bộ môn vật lý nên cha có tầm nhận thức khái quát. Để giúp cho học sinh nắm chắc hơn kiến thức, hiểu sâu hơn về bản chất và hiện tợng vật lý trong tự nhiên và trong phần nhiệt học thì giải bài tập vật lý phần nhiệt bằng phơng pháp đồ thị giúp học sinh phần nào hiểu sâu hơn và giải thích đợc các hiện tợng nhiệt học trong tự nhiên, ví dụ nh quá trình đun sôi nớc, hiện tợng bay hơi của một số chất lỏng .Qua đó ta thấy tính u việt của phơng pháp này là tăng thêm kỹ năng, kỹ xảo trong việc nhận thức các hiện tợng vật lý, kỹ năng tính toán và kỹ năng tìm tòi vận dụng lý thuyết, óc sáng tạo kỹ năng phân tích tổng hợp đồng thời tăng nhân sinh quan và thế giới quan cho học sinh về các hiện tợng nhiệt học. Là một giáo viên ở trờng THCS trực tiệp giảng dạy môn vật lý, trong thời gian công tác ở trờng bản thân tôi mong muốn đợc hiểu sâu hơn nữa ch- ơng trình vật lý nói chung và phần nhiệt học nói riêng. Do đó tôi đã lựa chọn đề tài nghiên cứu Sử dụng phơng pháp đồ thị trong giảng dạy và học tập phần nhiệt ở trờng THCS . B Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu. a. Mục đích nghiên cứu. Giải bài tập vật lý bằng phơng pháp đồ thị về mối quan hệ giữa lý luận và thực tiễn, với tầm quan trọng của phơng pháp nên trong chơng trình vật lý phổ thông cơ sở mang tính giới thiệu cho học sinh tiếp cận với khoa học và phần Sáng kiến kinh nghiệm 1 Vận dụng phơng pháp đồ thị giải bài tập phần nhiệt ở lớp 8 THCS Nhiệt học ở chơng trình nội khoá. Đây là một vấn đề mới đợc đa vào chơng trình mang tính chất giới thiệu chứ cha đi sâu do vậy có nhiều khó khăn cho cả ngời dạy lẫn ngời học.Vậy làm thế nào để các em có hứng thú với môn học vật lý và giải bài tập vật lý phần nhiệt học một cách thành thạo bằng đồ thị với các dạng khác nhau.Với ý tởng đó tôi đã mạnh dạn đa ra cách sử dụng đồ thị vào việc giải bài tập vật lý nhằm khắc phục khó khăn cho học sinh , góp phần nâng cao trình độ và chất lợng dạy học cho bản thân và đồng nghiệp trong nhà tr- ờng. b. Nhiệm vụ nghiên cứu. Đề tài này đã thực sự mang lại tác dụng tốt đối với việc dạy học . Bản thân tôi luôn tự xác định cho mình một định hớng tìm tòi nghiên cứu các tài liệu khoa học có liên quan, thu thập xử lý một cách có sáng tạo các thông tin, tìm hiểu thực tế học sinh, học hỏi đồng nghiệp . Tiếp thu các ý kiến xây dựng góp ý của đồng nghiệp, cán bộ trong ngành có bề dày công tác nhằm làm cho đề tài phong phú mang tính khoa học, đảm bảo độ chính xác cao. C- Đối tợng và phạm vi nghiên cứu. Học sinh lớp 8 nói riêng và học sinh THCS nói chung. D Thời gian thực hiện. Từ tháng 9 năm 2007 đến tháng 4 năm 2008 II- Giải quyết vấn đề. Phần I. Cơ sở lý luận. 1. Vai trò cảu bài tập vật lý đối với học sinh. Bài tập vật lý nói chung, bài tập vật lý của đồ thị phần nhiệt nói riêng có tác dụng rất lớn cả 3 mặt: Giáo dục, giáo dỡng và giáo dục kỹ thuật tổng hợp. Tác dụng của nó là càng tích cực nếu trong qúa trình dạy học có sự lựa chọn cẩn thận các hệ thống bài tập chặt chẽ về nội dung, thích hợp về phơng pháp và bám sát mục đích dạy học ở trờng THCS. Hệ thống các bài tập lựa chọn phải đảm bảo đợc tính mục đích của học sinh và khắc sâu kiến thức, đảm bảo tính thực tiễn phù hợp với nhu cầu tâm lý, tính cách của học sinh. là một ph- ơng pháp dạy học giữ ví trị đặc biệt trong việc hoàn thành nhiệm vụ dạy học vật lý ở phổ thông. Việc giải hệ thống các bài tập vật lý giúp cho học sinh phát triển đợc t duy, óc sáng tạo từ đó phát triển trí tuệ và thể chất, thẩm mỹ. Giải bài tập vật lý là giúp cho học sinh khắc sâu lý thuyết, kiểm chứng lý thuyết một cách chính xác và ứng dụng lý thuyết vào thực tế cuộc sống một cách linh hoạt. Bài tập vật lý giúp cho học sinh hiểu sâu hơn những quy luật, hiện tợng từ đó biết phân tích và ứng dụng vào cuộc sống. Nó là phơng tiện tốt nhất để phát triển t duy, thế giới quan về khoa học ( Trực quan sinh động T duy trìu tợng). Tính độc lập trong suy nghĩ và tính kiên trì trong tìm hiểu khoa học. Bài tập vật lý còn là hình thức cũng cố ôn tập hệ thống hoá toàn bộ kiến thức cho học sinh. Sáng kiến kinh nghiệm 2 Vận dụng phơng pháp đồ thị giải bài tập phần nhiệt ở lớp 8 THCS 2. Tầm quan trọng của bài tập vật lý. Dựa vào phơng pháp đồ thị, bài tập vật lý đợc giải giúp cho học sinh có thêm kiến thức và có thêm một phơng pháp giải bài tập tơng đối hoàn hảo, học sinh cũng cố lại kiến thức đã học ở lớp. là cơ sở để học tốt các bài học tiếp theo trong chơng trình vật lý. 3. Lựa chọn bài tập vật lý. Hệ thống các bài tập vật lý đợc lựa chọn phải đảm bảo yêu cầu. - Yêu cầu trớc hết là phải đi từ dễ đến khó, đi từ đơn giản đến phức tạp về mối quan hệ giữa những đại lợng và khái niệm, đặc trng của quá trình và các hiện tợng sao cho dần từng bớc học sinh hiểu đợc kiến thức đó. Nắm vững kiến thức và vận dung linh hoạt. - Mỗi bài tập lựa chọn phải là mắt xích trong các hệ thống bài tập, đóng góp một phần nào đó trong việc hoàn chỉnh kiến thức của học sinh. Giúp học sinh hiểu đợc mối liên hệ cụ thể hoá các khái niệm. - Hệ thống bài tập đợc lựa chọn phải giúp cho học sinh nắm vững phơng pháp giải từng loại bài tập cụ thể. Phần II. Phân loại bài tập đồ thị và phơng pháp giải 1. Phân loại bài tập Căn cứ vào hệ thống các bài tập dựa vào đồ thị để giải ở phần nhiệt của chơng trình phổ thông cơ sở.Dựa vào đặc thù của dạng bài tập. Đó là những bài tập mà trong dữ kiện đã cho và trong tiến trình giải có sử dụng các đồ thị, loại bài tập này có tác dụng trớc hết giúp học sinh nắm đợc phơng pháp quan trọng biểu diễn mối quan hệ hàm số giữa các đại lợng vật lí ,tạo điều kiện làm sáng tỏ một cách sâu sắc bản chất vật lí của các quá trình và các hiện tợng. Nó là biện pháp tích cực hoá quá trình dạy và học của thầy và trò, tuỳ theo mục đích có thể phân ra các loại bài tập nh sau: Loại 1: Đọc trên đồ thị và khai thác đồ thị. (Bài tập dạng định tính) Đặc điểm của hai loại này là :Loại bài tập đã có đồ thị, chúng ta chỉ việc khai thác đồ thị, dữ liệu đã có trên đồ thị. Loại 2 : Giải bài tập bằng đồ thị 2. Phơng pháp giải Phơng pháp giải chung Trog quá trình dạy và học môn vật lí ở trờng THCS và vấn đề giải và chữa các bài tập thờng gặp nhiều khó khăn đối với học sinh cũng nh GV, nhất là những giáo viên cha có kinh nghiệm. Bên cạnh những nguyên nhân nh học sinh cha nắm vững kiến thức, cha có kĩ năng khoa học giải các bài tập vật lí và giáo viên cha thực sự chú ý tới việc rèn luyện các kĩ năng cần thiết cho học sinh. Học sinh thờng giải các bài tập một cách mò mẫm, may rủi, thậm chí không thể giải đợc bài tập . Quá trình giải có thể đợc chia thành các bớc sau: Sáng kiến kinh nghiệm 3 Vận dụng phơng pháp đồ thị giải bài tập phần nhiệt ở lớp 8 THCS Đọc kĩ đầu bài, tìm hiểu ý nghĩa của nhữg thuật ngữ mới quan trọng, nắm vững đầu bài , đâu là dữ kiện ,đâu là ẩn số cần tìm: Đối với bớc này giúp h/s tìm ra phơng pháp giải quyết vấn đề song không phải mọi học sinh đều nhận thức rõ điều đó mà phải rèn luyện cho mình một thói quen nghiên cứu đề ra.Tuy nhiên có học sinh chỉ đọc lớt qua rồi bắt tay vào làm bài tập thờng dẫn đến những sai lầm hoặc nhận thức cha đúng vấn đề Phần III- Một số ví dụ minh hoạ. 1. Bài tập loại đọc trên đồ thị và khai thác đồ thị. Bài toán 1. Căn cứ vào đồ thị bên biểu diễn sự sôi của nớc ta có thể biết đợc sự thay đổi nhiệt độ của nớc khi sôi nh thế nào? * Phân tích Đây là đồ thị biến đổi trạng thái của nớc , biểu diễn sự biến thiên của chất lỏng theo thời gian. - Đoạn AB nhiệt độ và thời gian tỷ lệ thuận với nhau và tại đó nhiệt độ của nớc đang tăng dần ở thời điểm t, thì chất lỏng bắt đầu biến đổi trạng thái, nớc bắt đầu sôi. - Tại thời điểm t 2 thì nhiệt độ vẫn bằng nhiệt độ tại thời điểm t 1 . - Khi ta cung cấp nhiệt độ cho nớc tới 100 0 C thì nớc sôi và đoạn BC nhiệt độ và thời gian không phụ thuộc vào nhau. * Bài giải. Căn cứ vào đồ thị ta thấy trong suốt thời gian sôi nhiệt độ của nớc không thay đổi vẫn giữ nguyên 100 0 C. Bài toán 2. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ của nớc theo thời gian khi đun và để nguội . Mỗi đoạn đồ thị ứng với một quá trình nào? Sáng kiến kinh nghiệm 20 A B C t t 0C t1 t2 100 4 Vận dụng phơng pháp đồ thị giải bài tập phần nhiệt ở lớp 8 THCS * Phân tích. Đây là đồ thị biểu diễn sự biến đổi của nớc theo thời gian. - Tại thời điểm ban đầu nớc đang ở 20 0 C. - Tăng đến thời điểm t 1 thì nhiệt độ của nớc tăng 100 0 C. - Tiếp tục tăng thời gian t 3 ứng với đoạn CD nhng không cung cấp nhiệt theetjnhieetj độ nớc giảm xuống, vậy ở đoạn CD nhiệt độ và thời gian tỷ lệ nghịch với nhau. * Bài giải. - Đoạn AB biểu diễn quá trình đun nớc nóng từ 20 0 C đên 100 0 C. - Đoạn BC biểu diển quá trình nớc đang sôi. - Đoạn CD biểu diễn quá trình để nớc nguội. Bài toán 3.Sự biến thiên nhiệt độ của khối nớc đá đựng trong ca nhôm theo nhiệt lợng cung cấp đợc cho trên đồ thị . Tìm khối lợng nớc đá và khối lợng ca nhôm.Cho nhiệt dung riêng của nớc đá và nhôm là C 1 = 4200 J/Kg.K;C 2 = 880J/Kg.K ,nhiệt nóng chảy của nớc đá = 3,4.10 5 J/Kg(h.1). * Phân tích. Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của khối nớc đá theo nhiệt lợng cung cấp. - Nhìn vào đồ thị ta có thể biết đợc nhiệt lợng của nớc đá thu vào ở 0 0 C để nó nóng chảy hoàn toàn là 170KJ, từ đó ta có thể tính đợc khối lợng của nớc đá nh thế nào? - Khi nhiệt độ tăng từ 0 0 C đến 2 0 C thì nhiệt độ thu vào của nớc và ca nhôm biến thiên từ 170KJ đến 175KJ , từ đó ta tính đợc khối lợng của ca nhôm . Sáng kiến kinh nghiệm 2 0 100 t1 t2 t3 B C D A t 0C t 5 Vận dụng phơng pháp đồ thị giải bài tập phần nhiệt ở lớp 8 THCS *Phơng án giải. Nhiệt lợng nớc đá thu vào để nóng chảy hoàn toàn ở 0 0 C là 170KJ (lúc này ca nhôm không thu nhiệt do nó không tăng nhiệt độ).Từ đó khối lợng nớc đá là: m 1 = KJ170 = 340 170 = 0,5Kg Nhiệt lợng nớc và ca nhôm thu để tăng từ 0 0 C đến 2 0 C là : 175 170 = 5KJ = 5000J Ta có : 5.000 = (m 1 C 1 + m 2 C 2 )( 2-0) 2500 = 0,5 .4200 +m 2 .880 m 2 = 880 4200.5,02500 Kg45,0 Bài toán 4. Cho đồ thị biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ của khối chất lỏng theo nhiệt lợng cung cấp có dạng trên . Biết nhiệt dung riêng của chất lỏng đó C = 2500J/Kg.K. a)Xác định nhiệt hoá hơi của chất lỏng . b)Hãy nêu cách xác định nhiệt hoá hơi của chất lỏng bất kỳ bằng thực nghiệm với các dụng cụ: cốc,bếp đun,nhiệt kế,đồng hồ bấm dây.Nhiệt dung riêng của chất lỏng xem nh đã biết. *Phân tích: Đây là đồ thị biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ của khối chất lỏng phụ thuộc vào sự cung cấp nhiệt lợng theo thời gian: - Đoạn AB thì đợc hiểu là ứng với quá trình nào? phụ thuộc trực tiếp vào yếu tố nào? - Đoạn BC thì đợc hiểu là ứng với quá trình nào? phụ thuộc trực tiếp vào yếu tố nào? Từ đó ta định hớng đợc cách giải . - Nh vậy ta thấy muốn xác định đợc nhiệt hoá hơi ta cần xác định khối lợng m và Q từ đó tìm phơng án cho thí nghiệm. Sáng kiến kinh nghiệm 0 170 175 Q(KJ) t o C A B 2 6 Vận dụng phơng pháp đồ thị giải bài tập phần nhiệt ở lớp 8 THCS . *Phơng án giải. a)Nhìn trên đồ thị ta thấy: - Đoạn AB : Chất lỏng nhận một nhiệt lợng Q 1 = 1,8.10 5 J để tăng từ 20 0 C đến 80 0 C .Gọi m là khối lợng chất lỏng ta có : Q 1 = mc(80-20) => m = Kg c Q 2,1 60.2500 10.8,1 60. 5 1 == - Đoạn BC : Chất lỏng hoá hơi.TRong giai đoạn này có nhận một nhiệt lợng Q = Q 2 - Q 1 = (12,6 1,8 ).10 5 J = 10,8.10 5 J và nhiệt lợng này dùng để chất lỏng hoá hơi hoàn toàn nên : Q = Lm => L= 5 5 10.9 2,1 10.8,10 == m Q J b) Dựa vào cách giải trên ta thấy để xác định đợc L ta phải xác định Q và m .Ta có thể thực hiện thí nghiệm nh sau: - Lấy một cốc chất lỏng ,dùng nhiệt kế để đo nhiệt độ ban đầu t 1 0 C . - Đun cốc chất lỏng trên bếp cho đến khi sôi, dùng nhiệt kế xác định t 2 0 C .Nhờ đồng hồ bấm giây ta có thể xác định đợc thời gian kể từ lúc đun cho đến khi sôi làT 1 . - Tiếp tục đun, xác định đợc thời gian T 2 kể từ chất lỏng sôi cho đến khi hoá hơi hoàn toàn . Bỏ qua sự thu nhiệt của cốc và xem bếp toả nhiệt môt cách đều đặn ,ta có : Q 1 = kT 1 = mc = (t 2 0 C t 1 0 C ) (1) Q 2 = kT 2 = Lm (2) (k là hệ số tỷ lệ nào đó ) Từ (1) và (2) ta rút ra : L= 1 2 0 1 0 2 ).( T Tctctc Sáng kiến kinh nghiệm 0 20 80 B C 12,61,8 Q(x 10 5 J) t 0C A 7 Vận dụng phơng pháp đồ thị giải bài tập phần nhiệt ở lớp 8 THCS 2. Loại giải bài tập bằng đồ thị. Bài toán 5. Một chất lỏng có khối lợng m 1 = 250g chứa trong một cái bình có khối lợng m 2 = 1kg , tất cả có nhiệt độ ban đầu t 1 =20 0 C .Nhiệt dung riêng của chất lỏng là 4000 J/kg.độ, của bình là 500J/kg.độ. Ngời ta bắt đầu cấp nhiệt độ cho bình đó để nó nóng đến nhiệt độ t 2 = 60 0 C. Hãy vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc nhiệt độ của bình chất lỏng vào nhiệt l- ợng Q mà bình thu vào, với trục hoành biểu thị nhiệt lợng, trục tung biểu thị nhiệt độ. * Phân tích . Khi nhận đợc nhiệt lợng thì nhiệt độ của võ bình và của lợng chất lỏng bên trong bình nh thế nào? - Nhiệt độ cần cung cấp cho bình chất lỏng để nó đạt tới nhiệt độ t 2 =60 0 C là bao nhiêu? - Ta có sự phụ thuộc nhiệt độ , thời gian vào nhiệt lợng nh thế nào ? Từ đó ta có thể biểu diễn sự biến đổi trạng thái của hàm số Q vào t. * Bài giải. Ta xem rằng khi nhận đợc nhiệt lợng thì nhiệt độ của võ bình và của chất lỏng trong bình luôn luôn bằng nhau. Nhiệt lợng cần cung cấp cho bình chất lỏng để nó đạt tới nhiệt độ t là : Q = (m 1 c 1 +m 2 c 2 )(t-t 1 ) = (0,25 . 4 000 + 1 .1 000)(t-t 1 ) = 2 000(t-t 1 ) Từ đó suy ra : t = t 1 + 2000 Q = 20 + 2000 Q Thay các giá trị của Q bằng : 20 000J ;40 000J; 60 000J: hay ta có bảng biến thiên: Q(J) 20 000 40 000 60 000 80 000 T 0 C 30 40 50 60 Ta có đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc nhiệt độ của bình chất lỏng vào nhiệt lợng Q mà bình thu vào nh sau: Sáng kiến kinh nghiệm 8 Vận dụng phơng pháp đồ thị giải bài tập phần nhiệt ở lớp 8 THCS Bài toán 6. Dùng một bếp điện để đun nóng một nồi đựng 2kg nớc đá ở 20 0 C. Sau 2phút thì nớc đá bắt đầu nóng chảy . a) Sau bao lâu thì nớc đá nóng chảy hết . b) Sau bao lâu thì nớc đá bắt đầu sôi. c) Vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của nhiệt độ của nớc ((và nớc đá) vào thời gian đun. * Phân tích. - Nhiệt lợng cung cấp để làm nóng 2kg nớc đá từ -20 0 C đến 0 0 C là bao nhiêu? - Mỗi phút bếp cung cấp cho nớc đá một nhiệt lợng bằng bao nhiêu và đợc tính nh thế nào? - Nhiệt lợng cần cung cấp để nớc đá nóng chảy hết thành nớc ở 0 0 C là bao nhiêu? - Nhiệt lợng cần có để 2kg nớc nóng lên từ 0 0 C đến 100 0 C là bao nhiêu và thời gian đun đợc tính nh thế nào? - Từ đó ta có thể vẽ đợc đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của nhiệt độ và thời gian đun. *Bài giải. a) Nhiệt lợng cung cấp để làm nóng 2kg nớc đá từ -20 0 C đến 0 0 C là: Q 1 = 2.2100 .20 = 84 000J Nhiệt lợng cần cung cấp để nớc đá nóng chảy hết thành nớc ở 0 0 C là : Q 2 = Lm = qt 2 Suy ra t 2 = Lm q = 8 phút Tổng thời gian để đun cho nớc đá nóng hết thành nớc 0 0 C là : t = t 1 +t 2 = 10 phút b) Nhiệt lợng cần cung cấp để 2kg nớc nóng lên từ 0 0 C đến 100 0 C là: Q 3 = 2.4190.100 = 838 000J Thời gian cần đun là : t 3 = 3 Q q 20 phút Tổng thời gian từ lúc đun đến lúc nớc bắt đầu sôi: t 4 = t + t 3 =30 phút Sáng kiến kinh nghiệm 20000 40000 60000 Q(J) t 0C 50 40 30 20 9 Vận dụng phơng pháp đồ thị giải bài tập phần nhiệt ở lớp 8 THCS c)Vẽ đồ thị hàm số Q biến t Phần IV. Một số bài tập tơng tự. Bài tập 1.Trên hình vẽ biểu diễn đồ thị đông đặc của một chất , dựa vào đồ thị hãy trả lời các câu hỏi sau: a) Các đoạn AB, BC biểu diễn quá trình nào? b) Chất có đồ thị này là chất gì? B C Bài tập 2.Ngời ta bỏ một cục nớc đá vào một xô nớc . Khối lợng hỗn hợp là M = 10Kg và thực hiện đo nhiệt độ t 0 C của hỗn hợp. Đồ thị phụ thuộc nhiệt độ vào thời gian t đợc biểu diễn trên (h.2). Biết nhiệt dung riêng của nớc C 1 = 4200 J/Kg.K ; nhiệt nóng chảy của nớc đá = 3,4.10 5 J/Kg.Hãy xác định có bao nhiêu nớc đá đã bỏ vào xô ban đầu(bỏ qua sự mất mát nhiệt ra môi trờng). Sáng kiến kinh nghiệm 20 Q(J) t 0C 100 10 A 10 20 -20 -40 25105 10