Tài liệu Phân loại và giải bài tập chương i, ii trong chương trình vật lí phân tử và nhiệt học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÂY BẮC NGUYỄN THỊ HƢƠNG THÙY PHÂN LOẠI VÀ GIẢI BÀI TẬP CHƢƠNG I, II TRONG CHƢƠNG TRÌNH VẬT LÍ PHÂN TỬ VÀ NHIỆT HỌC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Sơn La, năm 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÂY BẮC NGUYỄN THỊ HƢƠNG THÙY PHÂN LOẠI VÀ GIẢI BÀI TẬP CHƢƠNG I, II TRONG CHƢƠNG TRÌNH VẬT LÍ PHÂN TỬ VÀ NHIỆT HỌC Chuyên ngành: Tự nhiên 1 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngƣời hƣớng dẫn: ThS. Nguyễn Thanh Lâm Sơn La, năm 2014 LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn Th.S Nguyễn Thanh Lâm giảng viên môn Vật lí trường Đại học Tây Bắc đã tận tình hướng dẫn em trong quá trình thực hiện khóa luận. Em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô trong Khoa Toán - Lý - Tin, Phòng Đào tạo Đại học trường Đại học Tây Bắc đã tạo điều kiện giúp đỡ em thực hiện khóa luận. Em mong nhận được những ý kiến đóng góp từ phía thầy cô giáo và các bạn để khóa luận hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn ! Sơn La, ngày 2, tháng 6, năm 2014 MỤC LỤC PHẦN I: MỞ ĐẦU .............................................................................................. 1 I. Lý do chọn đề tài .............................................................................................. 1 II. Mục đích nghiên cứu ...................................................................................... 2 III. Nhiệm vụ nghiên cứu .................................................................................... 2 IV. Đối tƣợng nghiên cứu ................................................................................... 2 V. Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................ 2 VI. Giả thuyết khoa học ...................................................................................... 2 VII. Phƣơng pháp nghiên cứu............................................................................ 2 VIII. Đóng góp của khóa luận ............................................................................ 2 IX. Cấu trúc của khoá luận ................................................................................ 2 PHẦN II: NỘI DUNG .......................................................................................... 3 CHƢƠNG I: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA KHÓA LUẬN........................................ 3 I. Khái niệm về bài tập vật lý ............................................................................... 3 II. Vai trò và tác dụng của bài tập vật lý ............................................................. 3 III. Phân loại bài tập vật lý .................................................................................. 4 1. Phân loại theo nội dung .................................................................................... 4 1.1. Bài tập có nội dung lịch sử ............................................................................ 5 1.2. Bài tập có nội dung cụ thể và trừu tƣợng ..................................................... 5 1.3. Bài tập có nội dung kỹ thuật tổng hợp ......................................................... 5 1.4. Bài tập vui ..................................................................................................... 5 2. Phân loại theo phƣơng thức cho điều kiện và phƣơng thức giải.................... 5 2.1. Bài tập định tính ............................................................................................ 5 2.2. Bài tập định lƣợng. ....................................................................................... 5 3. Phân loại theo trình độ phát triển tƣ duy........................................................ 6 3.1. Bài tập luyện tập............................................................................................ 6 3.2. Bài tập sáng tạo ............................................................................................ 6 IV. Cơ sở định hƣớng giải bài tập vật lý ............................................................. 6 1. Phƣơng pháp giải bài tập vật lý ....................................................................... 6 1.1. Phƣơng pháp phân tích ................................................................................. 6 1.2. Phƣơng pháp tổng hợp .................................................................................. 6 2. Các bƣớc chung giải bài toán vật lý................................................................. 7 3. Phƣơng pháp giải bài tập định tính ................................................................ 8 V. Tiểu kết ............................................................................................................. 8 CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................... 9 I. Thuyết động học phân tử chất khí ................................................................... 9 1. Thuyết động học chất khí - mẫu chất khí lí tƣởng .......................................... 9 2. Áp suất chất khí ............................................................................................. 10 3. Nhiệt độ ............................................................................................................ 11 4. Phƣơng trình trạng thái của khí lí tƣởng và nhiệt độ của khí lí tƣởng ...... 12 5. Các định luật của khí lí tƣởng ........................................................................ 14 5.1. Định luật Bôilơ - Mariot .............................................................................. 14 5.3. Định luật Sác lơ ............................................................................................ 14 5.3. Định luật Gay – Luýt xắc............................................................................. 15 5.4. Định luật Đan tôn ........................................................................................ 16 6. Sự phân bố vận tốc phân tử theo Maxwell .................................................... 16 6.1. Hàm số phân bố ........................................................................................... 16 6.2. Các vận tốc đặc trƣng đối với chuyển động của phân tử khí ................ 17 7. Sự phân bố mật độ phân tử khí đặt trong trƣờng trọng lực ........................ 18 7.1. Sự thay đổi áp suất khí quyển theo độ cao và công thức phong vũ biểu. ............................................................................................................................. 18 7.2. Định luật phân bố mật độ phân tử khí trong trƣờng thế năng.............. 20 II. Sự va chạm của các phân tử. Các hiện tƣợng truyền trong chất khí........ 20 1. Quãng đƣờng tự do trung bình của phân tử ................................................. 20 2. Các hiện tƣợng truyền trong chất khí ........................................................... 21 2.1 Hiện tƣợng khuếch tán ................................................................................... 21 2.2. Hiện tƣợng truyền nhiệt .............................................................................. 22 2.3. Hiện tƣợng nội ma sát.................................................................................. 22 3. Sự liên hệ giữa các hệ số truyền ................................................................... 23 CHƢƠNG III: PHÂN LOẠI CÁC BÀI TẬP CỤ THỂ ................................. 25 I. Bài tập định tính .............................................................................................. 25 1. Bài tập ............................................................................................................. 25 1.1. Các định luật về chất khí ............................................................................ 25 1.1.1. Các bài tập giải mẫu................................................................................. 25 1.1.2. Các bài tập tự giải………………………………………………………28 1.2. Sự va chạm của các phân tử và các hiện tƣợng truyền trong chất khí .... 29 1.2.1. Các bài tập giải mẫu ................................................................................. 29 1.2.2. Các bài tập tự giải ..................................................................................... 30 II. Bài tập định lƣợng ........................................................................................ 31 1. Những cơ sở của thuyết động học phân tử của khí lý tƣởng ........................ 31 1.1. Các bài tập liên quan đến "Những định luật thực nghiệm về chất khí lí tƣởng và phƣơng trình trạng thái của khí lí tƣởng"......................................... 31 1.1.1. Các bài tập giải mẫu ................................................................................. 31 1.1.2. Các bài tập tự giải ................................................................................... 38 1.2. Các bài tập liên quan đến “Phân bố Maxwel và phân bố Bolzman” và “Vận tốc phân tử” ............................................................................................. 44 1.1.2. Bài tập giải mẫu ....................................................................................... 44 1.2.2. Các bài tập tự giải ................................................................................... 46 2. Sự va chạm của các phân tử và các hiện tƣợng truyền trong chất khí. ......... 50 2.1. Bài tập giải mẫu .......................................................................................... 50 2.2. Các bài tập tự giải………………………………………...………………52 PHẦN III: KẾT LUẬN ..................................................................................... 55 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................... 56 PHẦN I: MỞ ĐẦU I. Lý do chọn đề tài “Giáo dục là chìa khóa cho sự phát triển”, “con người là động lực, là nhân tố quyết định hàng đầu”. Trong xã hội hiện đại ngày nay, đầu tư cho giáo dục chính là đầu tư cho sự phát triển. Để đào tạo thế hệ trẻ đáp ứng yêu cầu của sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, hội nhập với cộng đồng thế giới trong nền kinh tế thị trường cạnh tranh khốc liệt, nền giáo dục nước ta đang đổi mới toàn diện cả về mục đích, nội dung và phương pháp giáo dục. Giáo dục đóng vai trò hết sức quan trọng trong sự nghiệp phát triển đất nước góp phần nâng cao vị thế của đất nước ta trên trường quốc tế. Hồ Chí Minh đã từng nói: “Non sông Việt Nam có trở nên tươi đẹp được hay không, dân tộc Việt Nam có sánh vai với các cường quốc năm châu được hay không, chính là nhờ một phần lớn công học tập của các cháu”. Mỗi ngành khoa học có đặc điểm và vị thế riêng trong sự nghiệp phát triển đất nước. Trong đó vật lý một ngành khoa học gắn liền với đời sống sản xuất, nhờ có vật lý mà khoa học đã tiến xa hơn trên con đường khám phá thế giới tự nhiên. Nhiệm vụ chính của người học môn vật lý là phải hiểu và vận dụng được các lý thuyết chung của vật lý vào những lĩnh vực cụ thể. Một trong những lĩnh vực đó là giải bài tập vật lý Bài tập vật lý thì nhiều, đa dạng và phong phú. Một trong những kỹ năng của người học là phân loại và giải được các bài tập liên quan đến các nội dung lý thuyết. Trong quá trình học, nhiều sinh viên còn gặp những khó khăn khi giải các bài tập 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 rõ ý nghĩa vật lý của chúng. Với những lí do trên tôi chọn đề tài: "Phân loại và giải bài tập chương I, II trong chương trình vật lí phân tử và nhiệt học". 1 II. Mục đích nghiên cứu Vận dụng lý thuyết để phân loại và giải bài tập vật lý chương I, II trong chương trình vật lý phân tử và nhiệt học nhằm mục đích nâng cao kỹ năng học tập và nhận thức của bản thân. III. Nhiệm vụ nghiên cứu Hệ thống các kiến thức cơ bản, phân loại được các bài tập vật lý chương I, II phần vật lý phân tử và nhiệt học. IV. Đối tƣợng nghiên cứu Lý thuyết và các loại bài tập chương I, II trong chương trình vật lý phân tử và nhiệt học. V. Phạm vi nghiên cứu Chỉ nghiên cứu chương: "Thuyết động học phân tử chất khí", "Sự va chạm của các phân tử và các hiện tượng truyền trong chất khí". VI. Giả thuyết khoa học Nếu đề tài nghiên cứu thành công thì góp phần tăng thêm kiến thức cho bản thân phần được nghiên cứu. Và có thể là tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành sư phạm vật lý. VII. Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu tài liệu và xử lí toán học. VIII. Đóng góp của khóa luận Trong quá trình hoàn thiện đề tài giúp chúng tôi rèn thêm về kỹ năng phân loại bài tập và kỹ năng sử dụng lý thuyết vào việc giải bài tập cụ thể. IX. Cấu trúc của khoá luận Khoá luận gồm phần mở đầu, phần nội dung gồm 3 chương và phần kết luận. Phần nội dung bao gồm các chương: Chương I: Cơ sở lý luận của khóa luận Chương II: Cơ sở lý thuyết Chương III: Phân loại các bài tập cụ thể 2 PHẦN II: NỘI DUNG CHƢƠNG I: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA KHÓA LUẬN I. Khái niệm về bài tập vật lý Bài tập vật lý là một yêu cầu đặt ra cho người học, được người học giải quyết dựa trên cơ sở các lập luận lôgic, nhờ các phép tính toán, các thí nghiệm, dựa trên những kiến thức về khái niệm, định luật và các thuyết vật lý. II. Vai trò và tác dụng của bài tập vật lý Xét về mặt phát triển tính tự lực của người học và nhất là rèn luyện kỹ năng vận dụng kiến thức đã lĩnh hội được thì vai trò của bài tập vật lý trong quá trình học tập có một giá trị rất lớn. Bài tập vật lý được sử dụng ở nhiều khâu trong quá trình dạy học. Thông qua dạy học về bài tập vật lí, người học có thể nắm vững một cách chính xác, sâu sắc và toàn diện hơn những quy luật vật lí, những hiện tượng vật lí, biết cách phân tích chung và ứng dụng chúng vào các vấn đề thực tiễn, làm cho kiến thức trở thành vốn riêng của người học. Bài tập vật lí có thể sử dụng như một phương tiện độc đáo để nghiên cứu tài liệu mới khi trang bị kiến thức cho học sinh. Trong quá trình giải quyết các tình huống cụ thể do bài tập đề ra, học sinh có nhu cầu tìm kiếm kiến thức mới, đảm bảo cho học sinh lĩnh hội kiến thức một cách sâu sắc. Bài tập vật lí còn là hình thức củng cố, ôn tập, hệ thống hóa kiến thức và là phương tiện để kiểm tra kiến thức, kĩ năng của học sinh. Khi giải bài tập vật lí, học sinh cần nhớ lại kiến thức vừa học, đào sâu khía cạnh nào đó của kiến thức hoặc phải tổng hợp kiến thức trong một đề tài, một chương hay một phần của chương trình. Bài tập là một phương tiện phát triển tư duy vật lý cho người học. Việc giải bài tập làm phát triển tư duy lôgic, sự nhanh trí. Trong quá trình tư duy có sự phân tích và tổng hợp mối liên hệ giữa các hiện tượng, các đại lượng vật lý đặc trưng cho chúng. Bài tập là một phương tiện rèn luyện kỹ năng vận dụng các kiến thức của người học vào thực tiễn. Đối với việc giáo dục kỹ thuật tổng hợp bài tập vật lý có ý nghĩa rất lớn, những bài tập này là một trong những phương tiện thuận lợi để người học liên hệ lý thuyết với thực hành, học tập với đời sống. Nội dung của bài tập phải đảm bảo các yêu cầu sau: 3 + Nội dung của bài tập phải gắn với tài liệu thuộc chương trình đang học. + Hiện tượng đang được nghiên cứu phải được áp dụng phổ biến trong thực tiễn. + Bài tập đưa ra phải là những vấn đề gần gũi với thực tế. + Không những nội dung mà hình thức của bài tập cũng phải gắn với các điều kiện thường gặp trong cuộc sống. Trong các bài tập không có sẵn dữ kiện mà phải tìm dữ kiện cần thiết ở các sơ đồ, bản vẽ kỹ thuật, ở các sách báo tra cứu hoặc từ thí nghiệm. Bài tập về hiện tượng vật lý trong sinh hoạt hàng ngày cũng có một ý nghĩa to lớn. Chúng giúp cho người học nhìn thấy khoa học vật lý xung quanh chúng ta, giúp cho người học khả năng quan sát. Với các bài tập này, trong qua trình giải, người học sẽ có được kỹ năng, kỹ xảo để vận dụng các kiến thức của mình vào việc phân tích các hiện tượng vật lý khác nhau trong tự nhiên, trong kỹ thuật và trong đời sống, đặc biệt có những bài tập khi giải đòi hỏi người học phải sử dụng kinh nghiệm trong lao động, sinh hoạt và sử dụng những kết quả quan sát thực tế hàng ngày. Bài tập vật lý là một phương tiện để giáo dục người học. Nhờ bài tập vật lý ta có thể giới thiệu cho người học biết sự xuất hiện những tư tưởng, quan điểm tiên tiến, hiện đại, những phát minh, những thành tựu của nền khoa học trong và ngoài nước. Tác dụng giáo dục của bài tập vật lý còn thể hiện ở chỗ: chúng là phương tiện hiệu quả để rèn luyện đức tính kiên trì, vượt khó, ý chí và nhân cách của người học. Việc giải bài tập vật lý có thể mang đến cho người học niềm phấn khởi sáng tạo, tăng thêm sự yêu thích bộ môn, tăng cường hứng thú học tập. Bài tập vật lý cũng là phương tiện kiểm tra mức độ nắm vững kiến thức và kỹ năng, kỹ xảo của người học. Đồng thời nó cũng là công cụ giúp người học ôn tập, đào sâu, mở rộng kiến thức. III. Phân loại bài tập vật lý Tùy thuộc vào mục đích sử dụng mà ta có nhiều cách phân loại bài tập vật lý khác nhau: Phân loại theo mục đích, phân loại theo nội dung, phân loại theo cách giải, phân loại theo mức độ khó dễ. 1. Phân loại theo nội dung Có thể chia làm hai loại: 4 1.1. Bài tập có nội dung lịch sử Đó là những bài tập, những câu hỏi chứa đựng những kiến thức có đặc điểm lịch sử, những dữ liệu về thí nghiệm, về những phát minh, sáng chế hoặc về những câu chuyện có tính chất lịch sử. 1.2. Bài tập có nội dung cụ thể và trừu tƣợng Bài tập có nội dung cụ thể là bài tập trong đó dữ liệu của đầu bài là cụ thể và người học có thể tự giải chúng dựa vào vốn kiến thức cơ bản đã có. Ưu điểm chính của bài tập cụ thể là tính trực quan cao và gắn vào đời sống. Bài tập có nội dung trừu tượng là những bài tập mà dữ liệu đã cho là không cụ thể, nét nổi bật của bài tập trừu tượng là bản chất vật lý được nêu bật lên, nó được tách ra không lẫn lộn với các chi tiết không cơ bản. 1.3. Bài tập có nội dung kỹ thuật tổng hợp Đó là các bài tập mà số liệu dữ kiện gắn với các số liệu thực tế trong các ngành kỹ thuật, công nghiệp, các bài tập này có ứng dụng thực tế. 1.4. Bài tập vui Là các bài tập sử dụng các sự kiện, hiện tượng kì lạ hoặc vui. 2. Phân loại theo phƣơng thức cho điều kiện và phƣơng thức giải Có thể chia ra thành hai loại: 2.1. Bài tập định tính Là loại bài tập đưa ra với nhiều tên gọi khác nhau “câu hỏi thực hành”, “bài tập lôgic”, “câu hỏi định tính”, …Sự đa dạng trong phong cách gọi chứng tỏ loại bài tập này có những ưu điểm về nhiều mặt, bởi vì mỗi tên gọi đều phản ánh một khía cạnh nào đó của ưu điểm. Loại bài tập này dùng để vận dụng kiến thức vào đời sống, sản xuất. Nó thường sử dụng làm bài tập mở đầu nghiên cứu tài liệu mới, giúp người học nắm vững bản chất vật lí của các hiện tượng, tạo say mê, hứng thú học tập, rèn cho người học tư duy lôgic khả năng phán đoán, biết phân tích bản chất vật lí của hiện tượng. 2.2. Bài tập định lƣợng: là loại bài tập có dữ liệu là các số cụ thể, học sinh phải giải chúng bằng các phép tính toán, sử dụng công thức để xác lập mối quan hệ phụ thuộc định lượng giữa các đại lượng phải tìm và nhận được kết quả dưới dạng một công thức hoặc một giá trị bằng số. 5 3. Phân loại theo trình độ phát triển tƣ duy Có thể phân bài tập thành hai loại là bài tập luyện tập và bài tập sáng tạo. 3.1. Bài tập luyện tập Bài tập luyện tập là những bài tập hiện tượng xảy ra chỉ tuân theo một quy tắc, một định luật vật lý đã biết, muốn giải chỉ cần thực hiện một lập luận đơn giản hay áp dụng một công thức đã biết. 3.2. Bài tập sáng tạo Loại bài tập này yêu cầu học sinh phải có đầu óc tư duy và sáng tạo, có khả năng phân tích đề bài, vận dụng tổng hợp kiến thức để giải quyết vấn đề đặt ra. Loại bài tập này đôi khi yêu cầu học sinh phải có đầu óc tưởng tượng, biết cách suy diễn và lập luận chắc chắn để thiết lập mối quan hệ cần xác lập chặt chẽ và có logic. Bài tập sáng tạo có hai loại: Bài tập nghiên cứu: là loại bài tập cần giải thích một hiện tượng chưa biết trên cơ sở mô hình trừu tượng thích hợp rút ra từ lí thuyết vật lí. Học sinh cần trả lời câu hỏi “tại sao?” Bài tập thiết kế: là loại bài tập vận dụng các kiến thức lí thuyết đã biết đẻ đưa ra mô hình mới phù hợp với mô hình trừu tượng (định luật, công thức, đồ thị…) đã cho. Học sinh cần trả lời câu hỏi “Làm như thế nào?” IV. Cơ sở định hƣớng giải bài tập vật lý 1. Phƣơng pháp giải bài tập vật lý Xét về tính chất của các thao tác tư duy khi giải các bài tập vật lý người ta thường dùng hai phương pháp sau. 1.1. Phƣơng pháp phân tích Phương pháp phân tích là cách giải bài tập bằng việc phân tích một bài tập phức tạp thanh các bài tập đơn giản hơn. Việc giải bắt đầu từ những đại lượng phải tìm, từ đó đi tìm các định luật, công thức liên hệ giữa ẩn số phụ mới xuất hiện với các dữ kiện đã cho, trên cơ sở đó tìm được quan hệ giữa ẩn số phải tìm với các dữ kiện đã cho để rút ra kết quả cần tìm. 1.2. Phƣơng pháp tổng hợp Phương pháp tổng hợp là cách giải bài tập trong đó lập luận sẽ được bắt đầu từ những đại lượng đã cho trong đề bài. Bài tập được gỡ dần dần qua việc xác lập sự phụ thuộc của các đại lượng trung gian cho đến khi tìm được đại 6 lượng phải tìm. Kết quả của mọi thao tác tư duy, trong đó có thể có chỗ không cần thiết, là có được một biểu thức giúp ta xác định được đại lượng phải tìm. 2. Các bƣớc chung giải bài toán vật lý Từ phân tích về thực chất hoạt động giải bài toán, ta có thể đưa ra một cách khái quát các bước chung của tiến trình giải một bài toán vật lý và hoạt động chính trong các bước đó là. Bước 1: Đọc đề bài. Tìm hiểu đề bài - Xác định ý nghĩa của các thuật ngữ, phân biệt đâu là ẩn số phải tìm, đâu là dữ kiện đã cho. - Dùng các kí hiệu vật lí để ghi tóm tắt đề bài. - Đổi đơn vị về hệ đơn vị hợp pháp. - Vẽ hình mô tả hiện tượng vật lí trong bài tập. Bước 2: Phân tích hiện tượng của bài toán để xác lập các mối liên hệ cơ bản - Đối chiếu các dữ liệu xuất phát và các cái phải tìm, xem xét bản chất vật lý của hiện tượng để nhận ra các định luật, các công thức có liên quan. - Xác lập các mối liên hệ cụ thể của cái đã biết và cái phải tìm (mối liên hệ cơ bản) - Trên cơ sở phân tích hiện tượng trong bài và tóm tắt các dữ kiện đã cho và các dữ kiện phải tìm từ đó ta có các mối liên hệ cần xác lập. Bước 3: Luận giải tính toán kết quả bằng số Trừ các trường hợp đặc biệt, mỗi bài tập phải bắt đầu ở dạng tổng quát, hơn nữa, đại lượng cần tìm phải được biểu thị qua đại lượng cho. Sau khi đã tìm được kết quả cuối cùng bằng chữ, học sinh tiếp tục luận giải để rút ra mối liên hệ tường minh, trực tiếp giữa cái đã cho và cái phải tìm bằng cách thay thế các đại lượng bằng trị số của chúng để tính ra kết quả bằng số. Trước khi thay số học sinh cần nhớ đổi trị số các đại lượng tính trong cùng một hệ đơn vị. Bước 4: Nhận xét kết quả. Sau khi đã tìm được kết quả, giáo viên cần rèn luyện cho học sinh rút ra một số nhận xét về: - Giá trị thực của kết quả - Phương pháp giải - Khả năng mở rộng bài tập - Khả năng ứng dụng của bài tập… 7 3. Phƣơng pháp giải bài tập định tính Bước 1: Đọc đề bài. Tìm hiểu đề bài Trên cơ sở phân tích các giả thiết có trong bài, tìm hiểu các hiện tượng vật lí, nếu cần thì xây dựng các sơ đồ hoặc hình vẽ. Ghi tóm tắt đề bài. Bước 2 và bước 3: Phân tích hiện tượng của bài toán để xây dựng chuỗi lập luận lôgic, từ đó đi đến kết quả. Trên cơ sở phân tích hiện tượng trong bài, học sinh phải xây dựng chuỗi lập luận phân tích- tổng hợp mà không cần tính toán. Bài tập định tính có thể là các bài tập định tính đơn giản thường gọi là các câu hỏi- bài tập. Cách giải những bài tập này thường chỉ dựa trên một định luật vật lí và chuỗi suy luận ở đây tương đối đơn giản. Bước 4: Nhận xét kết quả V. Tiểu kết Hoạt động học nói chung để đạt kết quả cao thì vấn đề sử dụng bài tập là rất cần thiết vì bài tập là phương tiện chủ yếu giúp người học có thể nắm rõ được các vấn đề nghiên cứu, rèn luyện kỹ năng, kỹ xảo vận dụng kiến thức vào thực tiễn. Bên cạnh đó có thể dùng bài tập để ôn tập, đào sâu, củng cố và mở rộng tri thức. Đặc biệt là chất lượng học tập sẽ được nâng cao hơn khi ta có thể phân loại và đề ra phương pháp giải các dạng bài tập một cách phù hợp. Do đặc thù của môn học nên chúng tôi chọn phân loại bài tập "Chương I, II trong chương trình vật lí phân tử và nhiệt học". 8 CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT I. Thuyết động học phân tử chất khí 1. Thuyết động học chất khí - mẫu cơ học chất khí lí tƣởng Chuyển động hỗn loạn của các phân tử trong chất khí, chất lỏng và chất rắn có tính chất khác nhau. Đối với chất khí chuyển động này đơn giản hơn cả vì vậy trước hết ta hãy nghiên cứu tính chất của chất khí. Thuyết động học phân tử: Vật lí phân tử phát triển trên cơ sở thuyết động học phân tử và nó có các nội dung cơ bản sau: - Các chất gồm một số rất lớn các phân tử. Đó là các phần tử nhỏ nhất của các chất còn giữ được tính chất hóa học của chất này. Phân tử lại được cấu tạo bởi những hạt đơn giản hơn, đó là các nguyên tử. - Các phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng. Cường độ chuyển động biểu hiện nhiệt độ của hệ. -8 - Kích thước phân tử rất nhỏ (khoảng 10 cm) so với khoảng cách trung bình giữa chúng. Số nguyên tử trong một thể tích nhất định là rất lớn. Trong nhiều trường hợp có thể bỏ qua kích thước phân tử và coi mỗi phân tử như một chất điểm. - Các phân tử không tương tác với nhau trừ lúc va chạm. Sự va chạm giữa các phân tử và giữa các phân tử với thành bình tuân theo những định luật về va chạm đàn hồi của cơ học Newton. Các nội dung thứ nhất và thứ hai thì đúng với mọi chất khí còn hai giả thuyết tiếp theo chỉ đúng với khí lí tưởng. Mẫu khí lí tưởng Mẫu khí lí tưởng bao gồm những đặc điểm cơ bản sau đây: a. Khí lí tưởng gồm một số rất lớn các phân tử có kích thước rất nhỏ (so với khoảng cách trung bình giữa các phân tử), các phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng. b. Lực tương tác giữa các phân tử chỉ trừ lúc va chạm là đáng kể ngoài ra thì rất nhỏ có thể bỏ qua. 9 c. Sự va chạm lẫn nhau giữa các phân tử khí hay va chạm giữa các phân tử khí với thành bình tuân theo quy luật va chạm đàn hồi (nghĩa là không hao hụt động năng của phân tử). Dựa vào mẫu khí lí tưởng, sau đây ta sẽ xét một số vấn đề cơ bản của chất khí như áp suất, nhiệt độ, phương trình trạng thái, các hiện tượng truyền … 2. Áp suất a. Định nghĩa Theo quan điển vĩ mô: Áp suất chất khí bằng lực nén của chất khí tác dụng vuông góc lên một đơn vị diện tích thành bình. p F S Trong đó: p là áp suất chất khí. F là lực nén của các phân tử khí vuông góc với diện tích S của thành bình. Theo quan điểm vi mô: Áp suất chất khí bằng lực của các phân tử chất khí tác dụng vuông góc lên một đơn vị diện tích thành bình. b. Công thức tính áp suất chất khí Theo định nghĩa  i n i Wi  w là động năng trung bình của chuyển n động tịnh tiến của một phân tử: 2 p  nw 3 (2.1) Trong đó: p là áp suất chất khí. n là mật độ phân tử khí. w là động năng trung bình chuyển động tịnh tiến của một phân tử. Đây là công thức cơ bản của thuyết động học phân tử của khí lí tưởng. Cho ta biết mối liên quan giữa tính chất vĩ mô của khí (áp suất p) với giá trị trung bình của đại lượng đặc trưng cho chuyển động của các phân tử chất khí (động năng trung bình) w . Cần chú ý rằng công thức này áp suất được xác định bởi động năng trung bình w của các phân tử khí, mà w chỉ có giá trị xác định đối với tập hợp rất lớn các phân tử. 10 c. Đơn vị áp suất 2 + Trong hệ SI, đơn vị áp suất là newton trên mét vuông (kí hiệu là N/m ) hay Pascal kí hiệu là Pa. + Trong hệ đơn vị CGS, đơn vị áp suất là dyn trên centimet vuông, ký hiệu dgn / cm2 + Ngoài ra, áp suất còn được đo bằng: Atmotphe kỹ thuật, ký hiệu là at: 1at = 9,81.104 N/m2 + Nếu dùng đơn vị là KG kilogam lực trên cm2 thì: 1at = 1 KG/cm3= 9,81.104 N/m2 + Atmotphe vật lí (kí hiệu là atm) là áp suất gây nên bởi trọng lực cột thủy ngân cao760mm. 1atm = 760mmHg = 1,013.105 N/m2 + Tor hay milimet thủy ngân (kí hiệu là tor hay mmHg) là áp suất gây bởi trọng lực của cột thủy ngân cao 1mm. 1tor = 1mmHg = 133,332 N/m2 3. Nhiệt độ Theo quan điểm động học phân tử ta có thể định nghĩa nhiệt độ như sau: Nhiệt độ 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. Nhiệt độ là một trong những khái niệm cơ bản của vật lí phân tử và nhiệt học. Sau đây ta sẽ tìm hiểu ý nghĩa vật lý của khái niệm này. Từ (2.1) để đơn giản, ta quy ước nhiệt độ được xác định bằng : Vậy, ta có: 2 p  w  n 3 Thang đo nhiệt độ: + Thang giai Xendiut (0C): 11 Lấy khoảng nhiệt độ giữa khoảng nhiệt độ của nước đá tan và nhiệt độ của hơi nước đang sôi (ở áp suất bình thường của khí quyển là 760mmHg để thành lập thang nhiệt độ gọi là nhiệt giai bách phân) + Thang Kenvin (K): Mỗi thang độ trong nhiệt giai Kenvin bằng mỗi thang độ trong nhiệt giai Xendiut. Nếu chỉ T là nhiệt độ tính theo nhiệt giai Kenvin, t là nhiệt độ tính theo nhiệt giai Xendiut ta có hệ thức: T=273,150+ t + Nhiệt giai Reomuya (10R): Đối với nhiệt giai này thì hai nhiệt độ tương ứng với 00C và 1000C là 00R và 800R . + Nhiệt giai Farenhay (10F): Đối với nhiệt giai này thì hai nhiệt độ tương ứng với 00C và 1000C là 320 F và 2120F. Mối liên hệ giữa nhiệt độ đo bằng năng lượng với nhiệt độ đo bằng đơn vị độ được biểu thị bằng công thức: 2   w  kT 3 (3.1) Trong đó k là hằng số Bondơman và có giá trị bằng k = 1,38.10-23J/K hoặc k=1,38.10-16erg/K Dựa vào công thức (3.2) ta thấy khi T = 0 thì W  0 nghĩa là các phân tử ngừng chuyển động tịnh tiến. Tuy nhiên thì sự dao động của các nguyên tử trong phân tử vẫn còn tồn tại. 00K được gọi là độ không tuyệt đối và nhiệt giai Kelvin được gọi là nhiệt giai tuyệt đối. Nhiệt độ thấp nhất có thể đạt được là 1,3.10-6K, nhiệt độ cao nhất vào bậc 100 triệu độ (bom nguyên tử). Nhiệt độ chỉ có ý nghĩa khi xét đến tập hợp rất lớn các phân tử khí. 4. Phƣơng trình trạng thái của khí lí tƣởng Trạng thái của một khối lượng khí nhất định được xác định bởi các thông số trạng thái (áp suất p, nhiệt độ T, thể tích V). Phương trình nêu lên mối liên hệ giữa 3 thông số trạng thái trên của một khối lượng khí xác định được gọi là phương trình trạng thái và có thể viết dưới dạng: p = f (V, T) Thiết lập phương trình trạng thái khí lí tưởng: 12 Ta có: 2 p  nw (3.1) 3 3 w  kT 2 (3.2) Từ (3.1) và (3.2) ta suy ra được p  nkT (4.1) Nếu trong thể tích V chứa N phân tử thì n  N V (4.2) Thay (4.2) vào (4.1) ta được: pV = nkT (4.3) Phương trình (4.3) gọi là phương trình trạng thái của khí lí tưởng. + Khái niệm kilomol (kmol): Kilomol của một chất là khối lượng của chất đó có số đo tính theo kg bằng khối lượng của phân tử chất đó tính theo đơn vị khối lượng nguyên tử 1 (một đơn vị khối lương nguyên tử bằng khối lượng nguyên tử các đồng vị 12 cacbon ). Mặt khác ta lại biết rằng 1kmol của bất kì chất nào cũng chứa cùng một số phân tử gọi là số Avogado N0  6,02.1026 kmol1 Vậy N M   số kmol N0  Từ đó suy ra : M N0  M pV  N 0 kT  N (4.4) Trong đó: R  N0k  6,02.1026.1,38.1023  8,31.103 Phương trình (4.4) được viết: 13 J kmol.K pV  M RT  (4.5) Phương trình trạng thái của khí lí tưởng được viết dưới dạng (4.5) gọi là phương trình Calayperon – Mendeleev. Trường hợp M   tức là với một kmol khí thì phương trình (4.5) có dạng pV0=RT Trong đó V0 là thể tích của một mol khí. 5. Các định luật của khí lí tƣởng Từ phương trình trạng thái của khí lí tưởng ta có thể dễ dàng suy ra các định quy định tính chất của các khí gọi các định luật của khí lí tưởng. 5.1. Định luật Bôilơ - Mariot Xét với một khối lượng khí xác định, khi biến đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác trong điều kiện T = const Từ PTTT: pV  M RT  Ta cho: T = const Suy ra: pV = const + Định luật: Với một khối khí xác định, ở nhiệt độ không đổi thì khi thay đổi trạng thái của khối khí tức là làm biến thiên áp suất và thể tích của nó, thì bao giờ tích số áp suất với thể tích cũng là một hằng số. P + Đồ thị: Trong hệ tọa độ p, V đường đẳng nhiệt là một đường hyperbol vuông góc. O V 5.2. Định luật Sác lơ Xét với khối lượng khí xác định, khi biến đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác trong điều kiện V = const Từ PTTT: pV  M RT  Ta cho V = const Suy ra: 14