Giáo án Bài 29. Sự nở vì nhiệt

Tạo tình huống có vấn đề; HS dự đoán và nêu được vật nóng lên thì có thể thay đổi kích thước, từ đó đặt ra câu hỏi về sự nở vì nhiệt.

GV đưa ra tình huống: quả cầu thép đường kính 30,00 mm vừa lọt qua vòng có lỗ 30,02 mm khi nguội. HS dự đoán: nếu đun nóng quả cầu thì quả cầu còn lọt qua vòng không? Vì sao? Nếu đun nóng cả quả cầu và vòng thì điều gì xảy ra?
HS ghi dự đoán cá nhân vào vở, sau đó chia sẻ cặp đôi.

Dự đoán ban đầu của HS, ví dụ: “Quả cầu nở ra to hơn nên không lọt qua vòng nữa”; “Vòng cũng nở ra nên có thể vẫn lọt”. GV ghi các dự đoán lên bảng để đối chiếu sau khi quan sát mô phỏng.

HS quan sát mô phỏng và rút ra: vật rắn, chất lỏng, chất khí đều nở khi nóng; chất khí nở nhiều hơn trong điều kiện so sánh phù hợp; nhận biết khe giãn nở trong thực tế.

Nhóm 4 HS thực hiện Phiếu học tập số 1 với mô phỏng: (1) Quan sát quả cầu thép khi đun nóng; (2) Quan sát nước màu dâng trong ống thuỷ tinh; (3) Quan sát giọt nước màu bị không khí đẩy đi. Ghi số liệu: thép nở 0,3 %, nước 4 %, không khí 27 % khi cùng nóng thêm 80 °C.
Câu hỏi GV đặt ra: “Vật nào nở nhiều nhất? Căn cứ vào đâu để so sánh?”; “Vì sao cần đun nóng các bình trong cùng điều kiện?”; “Khe giãn nở ở đường ray có tác dụng gì khi nhiệt độ thay đổi?” (Đường ray 12,5 m dài thêm 0,15 mm cho mỗi 1 °C.)

Kết quả nhóm ghi trên Phiếu học tập số 1:

• Vật rắn (thép): nở khoảng 0,3 % khi nóng thêm 80 °C.
• Chất lỏng (nước): nở khoảng 4 % khi nóng thêm 80 °C; nước màu dâng khoảng 73 mm trong ống.
• Chất khí (không khí): nở khoảng 27 % khi nóng thêm 80 °C; giọt nước màu bị đẩy đi gần 10 cm.
  Kết luận HS rút ra: vật rắn, chất lỏng, chất khí đều nở vì nhiệt; chất khí nở nhiều hơn chất lỏng và chất rắn trong điều kiện so sánh phù hợp. Khe giãn nở là khoảng chừa ra để cấu kiện thay kích thước khi nhiệt độ đổi mà không gây lực phá hỏng; đường ray 12,5 m dài thêm 0,15 mm cho mỗi 1 °C nên phải chừa khe ở chỗ nối.

HS giải thích được vì sao chỗ nối cầu có khe, không ghép sát hoàn toàn, dựa trên kiến thức nở vì nhiệt và khe giãn nở.

Nhóm thảo luận câu hỏi tình huống: “Vì sao chỗ nối cầu có khe mà không ghép sát hoàn toàn?” Mỗi nhóm hoàn thành Phiếu học tập số 2, phần 1. Nhóm vận dụng số liệu đường ray: mỗi thanh 12,5 m dài thêm 0,15 mm cho mỗi 1 °C.
GV gợi ý: “Nếu ghép cứng thì điều gì xảy ra khi phần cầu dài thêm?”; “Khe đóng vai trò gì?”

Lập luận nhóm trên Phiếu học tập số 2 (mô hình trả lời cần đạt): Khi nóng, các phần cầu dãn dài; khe cho chỗ thay đổi kích thước. Nếu ghép cứng, sự dãn dài bị cản trở, có thể sinh lực lớn làm cầu cong hoặc nứt. Vì vậy phải chừa khe ở chỗ nối. Việc thiết kế cụ thể cần kĩ sư thực hiện.

HS phân biệt được thể tích thay đổi khi nở vì nhiệt, còn lượng chất trong hệ kín không đổi; nhận biết khối lượng riêng có thể giảm; giải thích được hoạt động của nhiệt kế chất lỏng.

Nhóm quan sát bình 50 mL nước màu có nút cao su và ống thuỷ tinh: khi đun nóng, nước màu dâng khoảng 73 mm trong ống nhưng khối lượng vẫn là 50 g. HS trả lời: (1) Thể tích có thay đổi không? (2) Khối lượng có thay đổi không? (3) Khối lượng riêng thay đổi thế nào? (4) Nhiệt kế chất lỏng hoạt động dựa vào đâu? Khối lượng chất lỏng có tăng khi cột lên không?
GV nhắc: không dùng thủy ngân để làm thí nghiệm thực hành ở trường.

Kết luận nhóm (đáp án chuẩn):

• Thể tích chất lỏng tăng khi nóng, nước màu dâng lên trong ống.
• Khối lượng vẫn 50 g vì lượng chất trong hệ kín không đổi; thể tích tăng nên khối lượng riêng giảm.
• Nhiệt kế chất lỏng dựa trên việc chất lỏng nở ra khi nóng, thể tích tăng làm cột lên cao; khối lượng chất lỏng không tự tăng trong nhiệt kế kín.
  Ví dụ phát biểu đúng: “Thể tích có thể đổi nhưng lượng chất trong hệ kín vẫn giữ; khối lượng riêng có thể giảm.”

HS củng cố khái niệm nở vì nhiệt, khe giãn nở, chất khí; nhận biết đúng đặc điểm và sửa được nhận định sai.

HS làm bài tập 1 đến bài tập 5 theo hình thức làm nhanh cá nhân rồi kiểm tra cặp đôi:
Bài 1: Nở vì nhiệt có đặc điểm nào? A. Mọi chất đều co khi nóng; B. Khối lượng luôn tăng do nóng; C. Vật thường tăng kích thước khi nhiệt độ tăng trong khoảng xét.
Bài 2: Khe giãn nở có đặc điểm nào? A. Chừa khoảng để cấu kiện thay kích thước không gây lực phá hỏng; B. Chỉ để trang trí đường; C. Làm vật không còn chịu lực.
Bài 3: Ghép khái niệm với đặc điểm tương ứng (Nở vì nhiệt; Khe giãn nở; Chất khí).
Bài 4: “Vật nóng lên và nở ra nghĩa là tạo thêm khối lượng.” Nhận định này đúng hay sai?
Bài 5: Chọn thuật ngữ phù hợp với mô tả “thường nở nhiều hơn chất lỏng/rắn trong điều kiện so sánh phù hợp”.

Đề và đáp án:

• Bài 1: C. Vật thường tăng kích thước khi nhiệt độ tăng trong khoảng xét.
• Bài 2: A. Chừa khoảng để cấu kiện thay kích thước không gây lực phá hỏng.
• Bài 3: Nở vì nhiệt – vật thường tăng kích thước khi nhiệt độ tăng trong khoảng xét; Khe giãn nở – chừa khoảng để cấu kiện thay kích thước không gây lực phá hỏng; Chất khí – thường nở nhiều hơn chất lỏng/rắn trong điều kiện so sánh phù hợp.
• Bài 4: Sai. Thể tích có thể đổi nhưng lượng chất trong hệ kín vẫn giữ; khối lượng riêng có thể giảm.
• Bài 5: Chất khí.

HS vận dụng kiến thức để giải thích khe giãn nở ở cầu, nguyên tắc nhiệt kế chất lỏng và bác bỏ nhận định sai bằng lí do khoa học.

HS làm bài tập 6, 7, 8 theo nhóm đôi:
Bài 6: Vì sao chỗ nối cầu có khe mà không ghép sát hoàn toàn?
Bài 7: Nhiệt kế chất lỏng hoạt động dựa vào đâu? Khối lượng chất lỏng có tăng khi cột lên không?
Bài 8: Một bạn khẳng định: “Vật nóng lên và nở ra nghĩa là tạo thêm khối lượng.” Hãy bác bỏ bằng một lí do khoa học, chỉ ra một hệ quả của cách hiểu sai và viết lại kết luận đúng.

Đáp án mẫu:

• Bài 6: Khi nóng, các phần cầu dãn dài; khe cho chỗ thay đổi. Ghép cứng có thể gây lực lớn, cong hoặc nứt cầu. Thiết kế thực cần kĩ sư.
• Bài 7: Nhiệt kế dựa trên chất lỏng nở, thể tích tăng làm cột cao lên. Khối lượng không tự tăng trong nhiệt kế kín. Không dùng thủy ngân để thực hành ở trường.
• Bài 8: Lí do: thể tích có thể đổi nhưng lượng chất trong hệ kín vẫn giữ. Hệ quả của cách hiểu sai: sẽ ghi khối lượng chất trong nhiệt kế kín tăng dù chỉ thể tích thay đổi. Phát biểu đúng: “Vật nóng lên, thể tích tăng, lượng chất không đổi; khối lượng riêng có thể giảm.”

HS vận dụng kiến thức nở vì nhiệt và khe giãn nở để giải thích một tình huống thực tế, đồng thời đề xuất cách bảo đảm an toàn cho công trình.

Tình huống: Một đường ray dài 12,5 m dài thêm 0,15 mm cho mỗi 1 °C tăng. Khi trời nóng, các thanh ray cần được xử lí thế nào? Nếu không chừa khe thì điều gì có thể xảy ra?
Nhiệm vụ về nhà (tùy chọn): quan sát một công trình hoặc vật dụng quanh nhà có khe giãn nở (ví dụ: mặt cầu, nắp cống, khe nối tấm ốp tường), chụp ảnh hoặc vẽ lại, giải thích vì sao có khe.

Sản phẩm HS: đoạn trả lời ngắn có nêu được: đường ray dài thêm khi nóng nên phải chừa khe ở chỗ nối; nếu không có khe, thanh ray bị ép, có thể cong hoặc gãy, gây nguy hiểm. Bài về nhà: một hình ảnh hoặc hình vẽ kèm 2–3 câu giải thích về khe giãn nở ở vật được chọn.