Ba thanh kim loại và băng kép đồng–sắt
Kết quả quan sátNhôm > đồng > sắt
Dữ liệu nở dài để tính minh họa: L₀ = 1 m; α nhôm ≈ 23 × 10⁻⁶ K⁻¹; α đồng ≈ 17 × 10⁻⁶ K⁻¹; α sắt ≈ 12 × 10⁻⁶ K⁻¹. Công thức và hệ số ở mức mở rộng; biến dạng vẽ đã phóng đại.
HAT PHYSICS LEARNING · KHOA HỌC TỰ NHIÊN 8 · KẾT NỐI TRI THỨC
Bài 29 – Sự nở vì nhiệt
Chương VI · Nhiệt · SGK trang 118–122
01 · MỤC TIÊU
Quan sát, giải thích sự nở vì nhiệt và ứng dụng trong đời sống
🔩 Chất rắn
So sánh sự nở dài của nhôm, đồng, sắt khi tăng nhiệt độ như nhau; giải thích vì sao băng kép bị cong.
🧪 Chất lỏng
Quan sát chất lỏng dâng lên/hạ xuống trong ống; nêu được sự nở khác nhau của các chất lỏng và điểm đặc biệt của nước ở 0–4 °C.
🎈 Chất khí
Mô tả thí nghiệm không khí trong bình làm dịch chuyển giọt nước màu khi bình được làm ấm; phân biệt bình có thể thay đổi thể tích và bình kín cứng.
🛠️ Vận dụng
Phân tích công dụng và tác hại: khe ray, mối nối ống, nhiệt kế, khí cầu, băng kép đóng/ngắt mạch điện.
Câu hỏi khởi động: Vì sao vào ngày nắng nóng khe nối đường ray cần có chỗ cho kim loại giãn nở? Băng kép đồng–sắt sẽ cong về phía nào khi được làm nóng?
02 · KIẾN THỨC TRỌNG TÂM
Chất rắn – chất lỏng – chất khí · Băng kép · Ứng dụng
I. Sự nở vì nhiệt của chất rắn
Khi nóng lên, phần lớn chất rắn nở ra; khi lạnh đi, chúng co lại. Với ba thanh cùng chiều dài ban đầu, tăng nhiệt độ như nhau, thí nghiệm SGK cho thấy nhôm nở nhiều hơn đồng, đồng nở nhiều hơn sắt. Khi nguồn nhiệt tắt và các thanh nguội, kim đo dần trở về vị trí ban đầu.
Thí nghiệm SGK: Nung đồng đều ba thanh nhôm, đồng, sắt gắn kim chỉ thị. Kim của nhôm quay nhiều nhất, sắt ít nhất. Điều kiện phải kiểm soát: chiều dài ban đầu, độ tăng nhiệt độ, cấu tạo bộ chỉ thị.
(1) Mô tả định lượng mở rộng (không bắt buộc lớp 8): ΔL = α · L₀ · ΔT, với ΔL là độ thay đổi chiều dài (m), L₀ chiều dài ban đầu (m), ΔT độ thay đổi nhiệt độ (°C hoặc K), α hệ số nở dài (K⁻¹). Công thức chỉ dùng khi khoảng nhiệt độ và tính chất vật liệu phù hợp.
Băng kép gồm hai lá kim loại khác nhau ghép chặt. Khi nung nóng, vì đồng nở nhiều hơn sắt nên băng kép đồng–sắt cong về phía sắt (phía nở ít hơn), bất kể đặt phía sắt ở trên hay dưới; khi làm lạnh so với trạng thái tham chiếu, chiều cong đảo lại.
Phân biệt quan trọng: Chiều dài giãn nở thật của thanh kim loại dài 1 m thường chỉ ở mức milimét với thay đổi nhiệt độ vài chục độ; hình vẽ khuếch đại biến dạng để dễ quan sát.
II. Sự nở vì nhiệt của chất lỏng
Chất lỏng thông thường nở ra khi nóng lên, co lại khi lạnh đi. Đặt bình nước màu có ống nhỏ xuyên nút vào chậu nước nóng, mức nước trong ống thường dâng lên sau khi hệ đạt trạng thái phù hợp; chuyển sang nước lạnh, mực nước hạ xuống. Thí nghiệm cùng bình, lượng ban đầu, độ tăng nhiệt độ cho thấy các chất lỏng khác nhau giãn nở khác nhau.
Theo Bảng 29.1 SGK: Khi các mẫu có thể tích đầu 1 000 cm³ được tăng nhiệt độ 50 °C, rượu có độ tăng thể tích ghi 58 cm³, dầu hỏa 55 cm³, thủy ngân 9 cm³. Đây là các số liệu bảng SGK, không dùng để suy ra mọi loại chất lỏng ở mọi nhiệt độ.
(2) Ngoại lệ quan trọng của nước: Khi tăng nhiệt độ từ 0 °C đến 4 °C ở điều kiện thông thường, nước giảm thể tích, tăng khối lượng riêng; nước có khối lượng riêng lớn nhất ở khoảng 4 °C. Khi tăng từ 4 °C lên cao hơn trong khoảng đang xét, nước lại nở ra.
Trong hồ nước vào mùa lạnh, nước gần 4 °C có xu hướng nằm ở đáy, còn nước lạnh hơn/đóng băng ở trên, giúp môi trường sống dưới lớp băng được duy trì.
III. Sự nở vì nhiệt của chất khí
Khi được làm nóng mà có khả năng thay đổi thể tích và áp suất gần như không đổi, chất khí thường nở ra rõ rệt. Trong thí nghiệm bình cầu có nút và ống chứa giọt nước màu, tay làm ấm bình khiến khí trong bình nở, đẩy giọt nước màu ra xa bình.
Thí nghiệm khí: Đặt một giọt nước màu trong ống thông với bình kín chứa không khí, đầu xa của ống thông với khí quyển; làm ấm bình bằng tay, giọt dịch chuyển. Tránh hơ lửa bình bịt kín vì có nguy cơ tăng áp suất nguy hiểm.
(3) So sánh định tính trong điều kiện tương ứng: Khí nở vì nhiệt nhiều hơn chất lỏng; chất lỏng thường nở nhiều hơn chất rắn. Các khí khác nhau có mức nở vì nhiệt gần tương tự trong điều kiện so sánh thích hợp; chất lỏng và chất rắn khác loại thường khác nhau rõ rệt.
Lưu ý về bình kín cứng: Nếu khí không được phép tăng thể tích, sự tăng nhiệt độ thường làm áp suất tăng, không thể khẳng định khí trong bình kín cứng đã nở thể tích. Mô phỏng trạm 3 sẽ phân biệt hai trường hợp.
IV. Công dụng và tác hại
Ứng dụng có ích
Nhiệt kế chất lỏng; khí cầu không khí nóng; băng kép điều khiển bàn là, rơle nhiệt và thiết bị báo nhiệt.
Phòng tác hại
Chừa khe hoặc có kết cấu giãn nở phù hợp ở đường ray, cầu, ống dẫn dài; không rót đầy chất lỏng vào bình kín khi còn nóng lên.
Khi vật bị cản trở giãn nở, lực cơ học lớn có thể sinh ra làm cong vênh hoặc nứt vỡ. Sự giãn nở nhiệt của nước biển cũng là một trong các nguyên nhân góp phần làm mực nước biển tăng.
03 · QUAN SÁT – THỰC HÀNH
Ba trạm: chất rắn, chất lỏng và chất khí
Hướng dẫn: Thay đổi một đại lượng, quan sát sơ đồ, đối chiếu dự đoán và lưu hình. Hình vẽ phóng đại sự giãn nở để dễ nhận biết; số liệu có nhãn là dữ liệu mô hình hoặc bảng tham khảo, không thay thế thí nghiệm thật.
Bình nước màu và mực chất lỏng trong ống
Quan sát và nhận xétMực ban đầu
Riêng nước trong khoảng 0–8 °C: mức trong ống là mô hình định tính có cực tiểu tại 4 °C; không dùng độ cao vẽ để suy thể tích đo. Với rượu/dầu hỏa/thủy ngân, số liệu gốc của bảng SGK là độ tăng thể tích khi từ cùng thể tích đầu 1 000 cm³ tăng 50 °C; việc nội suy theo nhiệt độ chỉ mang tính minh họa.
Không khí trong bóng mềm và bình kín cứng
Đại lượng đang thay đổiThể tích khí
Mô hình dùng gần đúng khí lí tưởng trong điều kiện được chỉ rõ: bóng mềm biến đổi thể tích ở áp suất gần như không đổi; bình cứng giữ nguyên thể tích nên khi nóng lên áp suất tăng. Không dùng ngọn lửa đốt nóng bình kín trong thí nghiệm thật.
04 · LUYỆN TẬP – KIỂM TRA
36 câu tự luyện · 22 câu kiểm tra/10 điểm
36Câu tự luyện6Nhóm kiến thức22Câu kiểm tra10Điểm tối đa
Sáu nhóm: sự nở của chất rắn; băng kép; chất lỏng; nước 0–4 °C; chất khí; ứng dụng. Đáp án và lời giải chỉ hiện khi kiểm tra từng câu hoặc sau khi nộp bài.
Phần A · Tự luyện hiện tượng nở vì nhiệt và vận dụng
0/36
Trang 1/6
05 · SƠ ĐỒ TƯ DUY
Sự nở vì nhiệt: quy luật – ngoại lệ – ứng dụng
Chọn các nhánh để hệ thống hóa điều kiện nóng lên/lạnh đi, vật liệu, nước ở 4 °C và biện pháp phòng hư hại do giãn nở.
06 · EM CÓ BIẾT?
Ứng dụng sự nở vì nhiệt – từ lớp học đến công trình
🚂 Đường ray và cầu thép
Kết cấu cần cho phép thay đổi kích thước theo nhiệt độ. Hình thức khe co giãn, mối nối và thiết kế cụ thể phụ thuộc loại đường ray/cầu; không phải mọi đoạn ray đều để hở một khe nhìn thấy.
🌡️ Nhiệt kế
Chất lỏng trong bầu nhiệt kế giãn nở làm mực trong ống nhỏ thay đổi; thiết kế phải được hiệu chuẩn theo thang nhiệt độ, không suy nhiệt độ chỉ từ chiều cao bất kì.
🛠️ Băng kép điều nhiệt
Băng kép cong khi nhiệt độ đổi, có thể dùng đóng/ngắt tiếp điểm trong bàn là. Khi cần an toàn điện, sử dụng thiết bị bảo vệ và thiết kế phù hợp; không tự lắp với điện lưới.
🧊 Hồ nước đóng băng
Nước có khối lượng riêng lớn nhất ở khoảng 4 °C; nước lạnh hơn nổi lên, lớp băng ở phía trên góp phần làm giảm trao đổi nhiệt của phần nước phía dưới.
Thử thách cuối bài: Giải thích cùng một lúc: vì sao nắp kim loại của lọ có thể dễ mở hơn sau khi làm ấm, vì sao chai chứa chất lỏng không nên đổ quá đầy, và vì sao băng kép cong về phía kim loại nở ít hơn. Nêu rõ điều kiện áp dụng cho từng hiện tượng.
Đối chiếu: SGK Khoa học tự nhiên 8 – Kết nối tri thức, Bài 29, trang 118–122. Hình vẽ và thông số mô phỏng mang tính minh họa, không thay thế số đo.