Tài liệu Luận văn: Phương pháp giải từng dạng bài tập cụ thể của Vật lý phân tử và nhiệt học lớp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG…………..

Luận văn

Phương pháp giải từng dạng bài

tập cụ thể của Vật lý phân tử và

nhiệt học lớp 10,11

Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ………………………………………………………………

Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 1

A – MỞ ĐẦU

1. Lý do của việc chọn đề tài:

Việc học tập môn vật lý muốn đạt kết quả tốt thì trong quá trình nhận thức

cần phải biết đối chiếu những khái niệm, định luật, mô hình vật lý – những sản

phẩm do trí tuệ con người sáng tạo – với thực tiễn khách quan để nắm vững được

bản chất của chúng; biết chúng được sử dụng để phản ánh, miêu tả, biểu đạt đặc

tính gì, quan hệ nào của hiện thực khách quan cũng như giới hạn phản ánh đến

đâu.

Đối với học sinh trung học phổ thông, bài tập vật lý là một phương tiện quan

trọng giúp học sinh rèn luyện kỹ năng, kỹ xảo vận dụng lý thuyết đã học vào thực

tiễn. Việc giải bài tập vật lý giúp các em ôn tập, cũng cố, đào sâu, mở rộng kiến

thức, rèn luyện thói quen vận dụng kiến thức khái quát để giải quyết các vấn đề

của thực tiễn. Ngoài ra, nó còn giúp các em làm việc độc lập, sáng tạo, phát triển

khả năng tư duy cũng như giúp các em tự kiểm tra mức độ nắm kiến thức của bản

thân.

Tuy nhiên, các em còn gặp nhiều khó khăn trong việc giải bài tập vật lý như:

không tìm được hướng giải quyết vấn đề, không vận dụng được lý thuyết vào việc

giải bài tập, không tổng hợp được kiến thức thuộc nhiều phần của chương trình

đã học để giải quyết một vấn đề chung,...hay khi giải các bài tập thì thường áp

dụng một cách máy móc các công thức mà không hiểu rỏ ý nghĩa vật lý của

chúng.

Ngoài ra, đề tài này có nội dung gần và thiết thực với nội dung kiến tập, thực

tập cũng như công việc giảng dạy về sau của sinh viên. Do đó, em đã chọn đề tài

này.

Nếu nghiên cứu đề tài thàng công sẽ góp phần giúp việc học tâp môn vật lý

của học sinh tốt hơn, đồng thời cũng giúp cho việc học tập và việc giảng dạy về

sau của sinh viên.

3. Mục đích nghiên cứu:

Việc nghiên cứu đề tài này nhằm tìm cách để giải bài tập một cách dể hiểu,

cơ bản, từ thấp đến cao, giúp học sinh có kỹ năng giải quyết tốt các bài tập, hiểu

được ý nghĩa vật lý của từng bài đã giải, rèn luyện thói quen làm việc độc lập,

sáng tạo, phát triển khả năng tư duy,...giúp các em học tập môn Vật lý tốt hơn.

Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ………………………………………………………………

Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 2

3. Đối tượng nghiên cứu:

Các bài tập Vật lý phân tử và Nhiệt học lớp 10,11.

4. Nhiệm vụ nghiên cứu:

Phân loại được các bài tập Vật lý phân tử và nhiệt học trong chương trình

Vật lý lớp 10,11.

Đề ra phương pháp giải bài tập Vật lý nói chung, phương pháp giải các loại

bài tập vật lý theo phân loại, phương pháp giải từng dạng bài tập cụ thể của Vật lý

phân tử và nhiệt học lớp 10,11(các bài tập cơ bản, phổ biến mà học sinh lớp

10,11 thường gặp ).

5. Phương pháp nghiên cứu:

Sử dụng kết hợp nhiều phương pháp: so sánh, đối chiếu, phân tích, tổng

hợp,...

6. Đóng góp của đề tài:

Đề tài có thể hỗ trợ cho việc học tập và giảng dạy môn vật lý lớp 10, lớp11,

làm tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành sư phạm vật lý.

Qua quá trình nghiên cứu đề tài giúp cho bản thân tôi nâng cao nhận thức về

phân loại và giải các bài tập vật lý phân tử và nhiệt học.

Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ………………………………………………………………

Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 3

B- NỘI DUNG

PHẦN I

TÓM TẮT LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ VẬT LÝ PHÂN TỬ VÀ NHIỆT HỌC

Chương I

CHẤT KHÍ

I. Những cơ sở của thuyết động học phân tử:

1.1 Thuyết động học phân tử:

Nội dung:

a. Các chất có cấu tạo gián đoạn và gồm một số rất lớn các phân tử. Các

phân tử lại được cấu tạo từ các nguyên tử.

b. Các phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng. Cường độ chuyển động

biểu hiện nhiệt độ của hệ.

c. Kích thước phân tử rất nhỏ ( khoảng 10-10

cm ) so với khoảng cách giữa

chúng. Số phân tử trong một thể tích nhất định là rất lớn. Trong nhiều trường hợp

có thể bỏ qua kích thước của các phân tử và coi mỗi phân tử như một chất điểm.

d. Các phân tử không tương tác với nhau trừ lúc va chạm. Sự va chạm giữa

các phân tử và giữa phân tử với thành bình tuân theo những định luật về va chạm

đàn hồi của cơ học Newton.

Các giả thuyết a, b đúng với mọi chất khí còn các giả thuyết c, d chỉ đúng

với chất khí lý tưởng.

1.2 Áp suất và nhiệt độ chất khí theo quan điểm của thuyết động học phân

tử:

1.2.1 Áp suất:

- Định nghĩa:

Lực của các phân tử chất khí tác dụng vuông góc lên một đơn vị điện tích

trên thành bình chính là áp suất của chất khí:

S

F

p ∆ =

Trong đó: F là lực tác dụng của các phân tử khí lên đơn vị diện tích.

- Công thức:

p nw

3

2 =

Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ………………………………………………………………

Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 4

Trong đó:

p : Áp suất chất khí

n : Mật độ phân tử khí

: w Động năng trung bình chuyển động vì nhiệt của các phân tử.

- Đơn vị:

Trong hệ SI, đơn vị áp suất là Newton/met vuông, ký hiệu là N/m2

hay

Pascal, ký hiệu là Pa:

1N/m2

= 1Pa

Ngoài ra, áp suất còn được đo bằng:

Atmôtphe kỹ thuật, ký hiệu là at:

1at = 9,81.104

N/m2

= 736 mmHg

Atmôtphe vật lý, ký hiệu là atm:

1atm = 10,13.104 N/m2

= 760 mmHg = 1,033 at

1.2.2 Nhiệt độ:

Nhiệt độ theo quan điểm động học phân tử là đại lượng đặc trưng cho tính

chất vĩ mô của vật, thể hiện mức độ nhanh hay chậm của chuyển động hỗn loạn

của các phân tử cấu tạo nên vật đó:

w

3

2 θ =

Thang nhiệt độ:

- Mối liên hệ giữa nhiệt độ tính theo các nhiệt giai khác nhau:

+ Nhiệt độ T tính theo nhiệt giai Kelvin và nhiệt độ t tính theo nhiệt giai

Celcius:

T = 273,15o

+ t

+ Nhiệt độ TF tính theo nhiệt giai Fahrenheit và nhiệt độ t tính theo nhiệt

giai Celcius:

o

F T t 32

5

9 = +

- Công thức về mối liên hệ giữa nhiệt độ đo bằng năng lượng với nhiệt độ đo

bằng đơn vị độ:

= w = KT

3

2 θ

Suy ra:

Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ………………………………………………………………

Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 5

w KT

2

3 =

Trong đó, K = 1,38.10-28 J/K.

T = 0K được gọi là độ không tuyệt đối và nhiệt giai Kelvin được gọi là nhiệt

giai tuyệt đối.

Vì ý nghĩa vật lý của nhiệt độ gắn liền với động năng trung bình của chuyển

động tịnh tiến của phân tử nên nhiệt độ có tính chất thống kê. Không thể nói nhiệt

độ của một phân tử hay của một số ít phân tử cũng như không thể nói phân tử

“nóng” hay phân tử “lạnh”. Ở những nơi có một số rất ít phân tử khí thì cũng

không thể đặt vấn đề đo nhiệt độ của khí ở những nơi đó được.

1.3 Các định luật thực nghiệm và phương trình trạng thái của khí lý tưởng:

1.3.1 Mẫu khí lý tưởng có các đặc điểm sau:

- Khí lý tưởng gồm một số rất lớn các phân tử có kích thước rất nhỏ so với

khoảng cách trung bình giữa chúng; các phân tử chuyển động nhiệt hỗn loạn

không ngừng.

- Lực tương tác của các phân tử là không đáng kể trừ lúc va chạm.

- Sự va chạm giữa các phân tử và giữa phân tử với thành bình là va chạm

hoàn toàn đàn hồi.

1.3.2 Thông số trạng thái và phương trình trạng thái:

- Mỗi tính chất vật lý của hệ được đặc trưng bởi một đại lượng vật lý được

gọi là thông số trạng thái của hệ như: áp suất p, nhiệt độ T, thể tích V, ...

- Phương trình nêu lên mối liên hệ giữa các thông số p,V,T của một khối

lượng khí xác định được gọi là phương trình trạng thái; dạng tổng quát: p = f(V,T).

1.3.3 Định luật Boyle – Mariotte (Quá trình đẳng nhiệt) :

a. Định luật:

Với một khối lượng khí xác định, ở nhiệt độ không đổi (T=const), tích số giữa

thể tích và áp suất là một hằng số.

b. Hệ thức:

p1V1 = p2V2

Hay pV = const

c. Đường đẳng nhiệt:

Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ………………………………………………………………

Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 6

Trong hệ tọa độ OpV, các đường đẳng nhiệt là các đường hyperbol biểu

diễn mối liên hệ giữa p và V. Tập hợp các đường đẳng nhiệt được gọi là họ các

đường đẳng nhiệt.

T2

T1

p

V

1.3.4 Định luật Charles ( Quá trình đẳng tích ) :

a. Định luật:

Khi thể tích không đổi thì áp suất của một khối lượng khí cho trước biến

thiên bậc nhất theo nhiệt độ.

b. Hệ thức:

const

T

p =

Định luật Charles viết theo nhiệt giai Celcius: p p (1 t) t = o + α

Trong đó:

pt : Áp suất ở to

C

po : Áp suất ở 0o

C

: Hệ số nhiệt biến đổi áp suất đẳng tích của khí.

273

1

α =

c. Đường đẳng tích:

- 273

p V1

V2

t

o

C

Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ………………………………………………………………

Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 7

1.3.5 Định luật Gay – Lussac ( Quá trình đẳng áp):

a. Định luật:

Khi áp suất không đổi thì thể tích của một khối lượng khí cho trước biến

thiên bậc nhất theo nhiệt độ.

b. Hệ thức:

const

T

V =

Định luật Gay – Lussac viết theo nhiệt giai Celcius:

Vt =Vo ( 1 + αt )

Trong đó:

Vt : thể tích khí ở to

C

Vo : thể tích khí ở 0o

C

: hệ số nhiệt giãn đẳng áp của chất khí.

c. Đường đẳng áp:

1.3.6 Định luật Dalton:

a. Định luật:

Áp suất của hỗn hợp khí bằng tổng các áp suất riêng phần của các khí thành

phần tạo nên hỗn hợp.

b. Hệ thức:

p = p1 + p2 + ... + pn

1.3.7 Phương trình trạng thái khí lý tưởng:

Từ hai định luật Boyle – Mariotte và Charles ta xác định được phương trình

trạng thái khí lý tưởng:

const

T

pV =

273

α = 1

p2

V p1

T

Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ………………………………………………………………

Phương trình Claypeyron – Mendeleev:

Từ hai hệ thức đã biết:

p nw

3

2 =

w K T

2

3 =

Suy ra: p = n K T (n là mật độ phân tử khí).

Gọi N là số phân tử khí trong thể tích V, ta được:

KT

V

N

p = (1)

Trong một kmol khí bất kì chứa một số phân tử là NA = 6,23.1026 kmol-1. Nếu

gọi µ là khối lượng một kmol khí, m là khối lượng của khối khí ta sẽ có:

NA

m N = µ

Suy ra:

NA

m N

µ =

Thay vào (1), ta được:

N KT m pV A

µ = (2)

Đặt : R = NAK gọi là hằng số khí lý tưởng.

R = 8,31.103

J/kmol.K

Thay R vào (2), ta được:

RT m pV

µ =

Phương trình khí lý tưởng viết như trên được gọi là phương trình Claypeyron

– Mendeleev.

1.4 Phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử:

1.4.1 Các vận tốc đặt trưng của phân tử khí (theo Maxwell):

a. Vận tốc có xác suất cực đại:

µ

RT

m

KT

vm

2 2 = =

Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 8

Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ………………………………………………………………

Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 9

b. Vận tốc căn trung bình số học:

π π µ

RT

m

KT

v

8 8 = =

c. Vận tốc căn trung bình bình phương (vận tốc căn quân phương) :

µ

RT

m

KT

v

3 3 = =

Chú ý:

v v v m < <

1.4.2 Sự phân bố mật độ phân tử khí trong trường lực đều (Phân bố

Bolzmann):

a. Công thức khí áp:

RT

g z

o p p e

µ

−

=

b. Công thức về sự phân bố mật độ phân tử theo độ cao:

RT

g z

o n n e

µ

−

=

1.4.3 Phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử chất khi:

p nw

3

2 =

II. Sự va chạm của các phân tử và các hiện tượng truyền trong chất khí:

2.1 Quãng đường tự do trung bình:

Khoảng cách trung bình mà một phân tử chuyển động hoàn toàn tự do giữa

hai va chạm kế tiếp nhau được gọi là quãng đường tự do trung bình của các phân

tử, ký hiệu là: λ

Biểu thức:

2 2

1

nπ d

λ =

Trong đó:

d : Đường kính của phân tử

v : Vận tốc chuyển động của phân tử

n : Mật độ phân tử.

2.2 Các hiện tượng truyền trong chất khí: