THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ ĐỐT NGOÀI TRONG DẠY HỌC PHẦN NHIỆT HỌC VẬT LÝ 10 THPT

Kỹ Thuật - Công Nghệ - Khoa học xã hội - Cơ khí - Vật liệu UBND TỈNH QUẢNG NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG NAM KHOA LÝ – HÓA – SINH DƯƠNG THỊ TRINH THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ ĐỐT NGOÀI TRONG DẠY HỌC PHẦN NHIỆT HỌC VẬT LÝ 10 THPT KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Quảng Nam, tháng 04 năm 2017 ---------- UBND TỈNH QUẢNG NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG NAM KHOA LÝ – HÓA – SINH KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ ĐỐT NGOÀI TRONG DẠY HỌC PHẦN NHIỆT HỌC VẬT LÝ 10 THPT Sinh viên thực hiện DƯƠNG THỊ TRINH MSSV: 2113010250 CHUYÊN NGÀNH: SƯ PHẠM VẬT LÍ KHÓA: 2013-2017 Cán bộ hướng dẫn ThS: NGUYỄN THỊ VÂN SA Quảng Nam, tháng 04 năm 2017 ---------- i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả mới mà tôi công bố trong khóa luận là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Quảng Nam, tháng 04 năm 2016 Tác giả khóa luận Dương Thị Trinh ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến cô giáo ThS. Nguyễn Thị Vân Sa – Người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn chỉnh bài khóa luận này. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu cùng quý Thầy Cô khoa Lý – Hóa – Sinh - Trường Đại Học Quảng Nam đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành tốt bài khóa luận này cũng như đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu cùng tập thể quý thầy cô giáo, tập thể lớp 106 và 104 trường THPT Nguyễn Huệ đã nhiệt tình giúp đỡ, trao đổi và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình tiến hành khảo sát thực tế và thực nghiệm sư phạm đề tài này. Cuối cùng tôi xin gởi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã giúp đỡ và động viên tôi trong quá trình học tập và thực hiện đề tài. Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn Tác giả khóa luận Dương Thị Trinh iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ THPT Trung học phổ thông GV Giáo viên HS Học sinh TNg Thực nghiệm ĐC Đối chứng iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG, BIỂU ĐỒ Hình 2.1 Robert Stirling – Người phát minh ra động cơ stirling ......................... 12 Hình 2.2 Mô hình động cơ của Robert Stirling sáng chế năm 1816 .................... 13 Hình 2.3 Các giai đoạn hoạt động của chu trình stirling loại pit-tông tự do ....... 14 Hình 2.4 Vật liệu chế tạo động cơ stirling ........................................................... 16 Hình 2.6 Chế tạo piston tự do .............................................................................. 17 Hình 2.7 Chế tạo trục khuỷu ................................................................................ 18 Hình 2.8 Mô hình động cơ stirling ...................................................................... 19 Bảng 3.2. Bảng thống kê điểm số bài kiểm tra .................................................... 32 Bảng 3.1. Mẫu thực nghiệm ................................................................................. 29 Bảng 3.3. Bảng phân phối tần suất điểm số bài kiểm tra ..................................... 33 Bảng 3.4. Bảng phân phối tần suất tích lũy điểm số bài kiểm tra ........................ 34 Bảng 3.5. Bảng phân loại học lực học sinh .......................................................... 35 Bảng 3.6. Các tham số thống kê ........................................................................... 35 Đồ thị 3.1. Biểu đồ phân bố điểm của 2 nhóm TNg và ĐC ................................. 32 Đồ thị 3.2. Đồ thị phân phối tần suất của hai nhóm TNg và ĐC ......................... 33 Đồ thị 3.3. Phân phối tần suất tích lũy điểm số bài kiểm tra ............................... 34 Đồ thị 3.4. Phân loại học lực của học sinh ........................................................... 35 v MỤC LỤC Phần I. MỞ ĐẦU ......................................................................................... 1 1. Lí do chọn đề tài ........................................................................................ 1 2. Mục tiêu nghiên cứu.................................................................................. 1 3. Nhiệm vụ nghiên cứu ................................................................................ 1 4. Giả thuyết khoa học .................................................................................. 2 5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................. 2 6. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................... 2 7. Bố cục ........................................................................................................ 2 Phần II. NỘI DUNG ..................................................................................... 3 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN VỀ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC VẬT LÝ .......... 3 1.1. Thí nghiệm vật lí .................................................................................... 3 1.1.1. Khái niệm thí nghiệm vật lí................................................................. 3 1.1.2. Các loại thí nghiệm sử dụng trong dạy học vật lí ............................... 3 1.2. Thí nghiệm tự tạo ................................................................................... 4 1.2.1. Khái niệm thí nghiệm tự tạo................................................................ 4 1.2.2. Ưu điểm và hạn chế của thí nghiệm tự tạo ......................................... 4 1.2.3. Yêu cầu cần đảm bảo của thí nghiệm tự tạo ....................................... 5 1.3. Vai trò của thí nghiệm tự tạo trong quá trình dạy học ........................... 5 1.3.1. Vai trò của thí nghiệm tự tạo trong quá trình dạy học đối với giáo viên ................................................................................................................ 5 1.3.2. Vai trò của thí nghiệm tự tạo trong quá trình dạy học đối với học sinh ....................................................................................................................... 6 1.4. Thực trạng của việc sử dụng thí nghiệm trong dạy học chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” ở trường THPT Nguyễn Huệ huyện Núi Thành .... 6 1.4.1. Mục đích điều tra ................................................................................ 6 1.4.2. Phương pháp điều tra .......................................................................... 7 vi 1.4.3. Kết quả điều tra ................................................................................... 7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1.............................................................................. 9 Chương 2. THIẾT KẾ VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM TỰ TẠO TRONG CHƯƠNG CƠ SỞ CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC VẬT LÝ 10 CƠ BẢN ..................................................................................................................... 10 2.1. Đặc điểm cấu trúc chương cơ sở của nhiệt động lực học .................... 10 2.1.1. Đặc điểm về kiến thức của chương ................................................... 10 2.1.2. Mục tiêu về kiến thức của chương .................................................... 10 2.1.3. Mục tiêu về kỹ năng của chương ...................................................... 11 2.2. Một số khó khăn của học sinh khi học chương cơ sở của nhiệt động lực học ............................................................................................................... 11 2.3. Một số nguyên nhân gây nên khó khăn của học sinh và biện pháp khắc phục ............................................................................................................. 11 2.4. Thiết kế và chế tạo thí nghiệm động cơ đốt ngoài ............................... 12 2.4.1.Giới thiệu động cơ stirling ................................................................. 12 2.4.2. Cấu tạo của động cơ striling kiểu piston tự do ................................. 13 2.4.3. Nguyên lí hoạt động của động cơ stirling ......................................... 14 2.4.4. Thiết kế và chế tạo chế tạo động cơ stirling ..................................... 15 2.5. Những ưu điểm của Động cơ stirling Động cơ đốt ngoài trong dạy học ............................................................................................................... 19 2.5.1. Về đặc điểm cấu tạo .......................................................................... 19 2.5.2. Về việc sử dụng mô hình động cơ trong dạy học bài 33: Các nguyên lí của nhiệt động lực học ............................................................................. 20 2.5.3. Về phát triển tư duy sáng tạo của học sinh ....................................... 20 2.6. Thiết kế giáo án có sử dụng thí nghiệm động cơ stirling ..................... 21 Chương 3. THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM .................................................... 28 3.1. Mục đích thực nghiệm sư phạm ........................................................... 28 3.2. Nhiệm vụ thực nghiệm sư phạm .......................................................... 28 vii 3.3. Đối tượng và nội dung thực nghiệm sư phạm ...................................... 28 3.4. Phương pháp thực nghiệm sư phạm ..................................................... 28 3.4.1. Chọn mẫu thực nghiệm sư phạm....................................................... 28 3.4.2. Tiến trình thực nghiệm sư phạm ....................................................... 29 3.4.2.1. Quan sát giờ học ............................................................................. 29 3.4.2.2. Kiểm tra đánh giá ........................................................................... 29 3.4.2.3. Điều tra và thăm dò ........................................................................ 30 3.5. Đánh giá kết quả thực nghiệm sư phạm ............................................... 30 3.5.1. Đánh giá định tính ............................................................................. 30 3.5.2. Đánh giá định lượng .......................................................................... 30 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3............................................................................ 37 Phần III: KẾT LUẬN .................................................................................. 38 Phần IV: TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................... 40 PHỤ LỤC …………………………………………………………...…………P1 1 Phần I. MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Vật lí là một bộ môn khoa học thực nghiệm. Tư tưởng chủ đạo của các sách giáo khoa vật lí trung học phổ thông là nội dung kiến thức mới được hình thành phần lớn thông qua các thí nghiệm và thực hành, điều đó không chỉ tích cực hóa việc học tập của học sinh mà còn rèn luyện kỹ năng sử dụng thiết bị, quan sát, suy đoán. Vì thế, các phương tiện thí nghiệm vật lí đóng vai trò quan trọng trong việc đổi mới phương pháp dạy học vật lí hiện nay. Thực tế trong chương trình vật lí trung học phổ thông ở nước ta, các kiến thức về cơ học, quang học, điện từ học… đều được giảng dạy kèm theo những thí nghiệm minh họa rất trực quan trên lớp và được thực hành ở phòng thí nghiệm. Trong khi đó, những kiến thức ở phần nhiệt học trong chương “ Cơ sở của nhiệt động lực học” chỉ được giảng dạy chủ yếu về mặt lí thuyết, mà không có những thí nghiệm hay mô hình động cơ hoạt động cho học sinh nghiên cứu, tìm hiểu. Đồng thời những kiến thức trong chương này lại được ứng dụng rất rộng rãi trong đời sống, kỹ thuật. Để giải quyết vấn đề đó tôi chế tạo động cơ đốt ngoài vừa để làm mô hình, vừa có một động cơ hoạt động giúp học sinh kích thích sự tò mò, tìm hiểu của học sinh, thấy được mối liên quan mật thiết giữa lí thuyết và thực tiễn. Vì những lý do trên tôi chọn đề tài: “Thiết kế và chế tạo mô hình động cơ đốt ngoài trong dạy học phần nhiệt học vật lí 10 THPT” để làm đề tài khóa luận nghiên cứu. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Thiết kế và chế tạo mô hình động cơ đốt ngoài nhằm nâng cao chất lượng dạy học. - Soạn thảo tiến trình dạy học bài 33: Các nguyên lý của nhiệt động lực học trong chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” có sử dụng thí nghiệm tự tạo. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết nguyên lý hoạt động của động cơ đốt ngoài. - Nghiên cứu cách thiết kế, chế tạo động cơ đốt ngoài. 2 - Thiết lập tiến trình dạy học sử dụng động cơ đốt ngoài. 4. Giả thuyết khoa học Nếu thiết kế, chế tạo được mô hình động cơ đốt ngoài để sử dụng trong quá trình dạy học chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” trong vật lý 10 một cách khoa học, hợp lý thì sẽ tạo được hứng thú học tập cho học sinh trong tiết học, giúp phát huy tính tích cực, phát triển năng lực sáng tạo cho học sinh, góp phần nâng cao chất lượng dạy học vật lí ở trường THPT. 5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Quá trình dạy học vật lí có sử dụng thí nghiệm trong chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” chương trình vật lí 10, được thực hiện ở trường THPT Nguyễn Huệ huyện Núi Thành. 6. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết - Phương pháp thực nghiệm sư phạm - Phương pháp thống kê toán học 7. Bố cục Phần I. MỞ ĐẦU Phần II. NỘI DUNG Chương 1. Cơ sở lý luận và thực tiễn về thiết kế, chế tạo và sử dụng thí nghiệm trong dạy học vật lí Chương 2. Thiết kế và sử dụng thí nghiệm tự tạo trong chương cơ sở của nhiệt động lực học vật lý 10 Chương 3. Thực nghiệm sư phạm Phần III. KẾT LUẬN Phần IV. TÀI LIỆU THAM KHẢO 3 Phần II. NỘI DUNG CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN VỀ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC VẬT LÝ 1.1. Thí nghiệm vật lí 1.1.1. Khái niệm thí nghiệm vật lí Thí nghiệm vật lí là sự tác động có chủ định, có hệ thống của con người vào các đối tượng của hiện thực khách quan. Thông qua sự phân tích các điều kiện mà trong đó đã diễn ra sự tác động và các kết quả của sự tác động, ta có thể thu nhận được tri thức mới. 1.1.2. Các loại thí nghiệm sử dụng trong dạy học vật lí Có hai loại thí nghiệm được sử dụng trong dạy học vật lí ở trường phổ thông:  Thí nghiệm biểu diễn của giáo viên Căn cứ vào mục đích lí luận dạy học của thí nghiệm biểu diễn trong quá trình nhận thức của học sinh, thí nghiệm biểu diễn bao gồm những loại sau: - Thí nghiệm mở đầu: Giới thiệu cho học sinh một cách sơ lược về hiện tượng sắp nghiên cứu, tạo tình huống có vấn đề, tạo nhu cầu hứng thú học tập của học sinh. - Thí nghiệm nghiên cứu hiện tượng: Nhằm xây dựng hoặc kiểm chứng kiến thức mới. - Thí nghiệm củng cố: Nêu lên những biểu hiện của kiến thức đã học trong tự nhiên, đề cập các ứng dụng của kiến thức này trong sản xuất và đời sống đòi hỏi học sinh phải vận dụng kiến thức đã học để dự đoán hoặc giải thích hiện tượng. Thông qua đó, giáo viên có thể kiểm tra mức độ nắm vững kiến thức của học sinh.  Thí nghiệm thực tập của học sinh Có thể chia thí nghiệm thực tập là 3 loại: - Thí nghiệm trực diện: Thí nghiệm do học sinh tiến hành trên lớp chủ yếu khi nghiên cứu kiến thức mới nhưng cũng có thể khi ôn tập trong tiết học bài mới. 4 - Thí nghiệm thực hành: Thí nghiệm do học sinh tiến hành trên lớp ( trong phòng thí nghiệm), học sinh dựa vào tài liệu in sẵn mà tiến hành thí nghiệm rồi viết báo cáo. - Thí nghiệm và quan sát vật lí ở nhà: thí nghiệm được giáo viên giao cho từng học sinh hay từng nhóm học sinh thực hiện tại nhà. 1.2. Thí nghiệm tự tạo 1.2.1. Khái niệm thí nghiệm tự tạo Thí nghiệm tự tạo là những thí nghiệm được giáo viên và học sinh tạo ra với những dụng cụ đơn giản, dễ kiếm trong đời sống hằng ngày hoặc mua nhưng không đắt tiền. Thí nghiệm tự tạo có thể phân ba loại. Đó là những thí nghiệm tự tạo lại theo mẫu trong sách giáo khoa, hoặc là những thí nghiệm được cải tiến từ các thiết bị máy móc, hoặc là những thí nghiệm tự tạo theo ý tưởng, sáng kiến mới. 1.2.2. Ưu điểm và hạn chế của thí nghiệm tự tạo  Ưu điểm - Dụng cụ cho thí nghiệm là những dụng cụ đơn giản, dễ kiếm nên giáo viên và học sinh có thể tự chế tạo. - Thí nghiệm có hình thức gọn nhẹ, đơn giản, dễ lắp ráp, dễ sử dụng nên có thể thực hiện mọi lúc mọi nơi. - Cùng một thí nghiệm có thể có nhiều phương án. - Thí nghiệm dễ thành công, cho kết quả rõ ràng, thuyết phục nhưng lại ít tốn thời gian. - Thao tác tiến hành thí nghiệm không đòi hỏi phải có những kỹ năng đặc biệt nên giáo viên nào cũng có thể làm được. - Không đòi hỏi khắc khe về cơ sở vật chất nên ở đâu cũng tiến hành thí nghiệm được. - Thí nghiệm phù hợp, bám sát với nội dung cần dạy nên rất thuận lợi trong dạy học. 5  Hạn chế - Cần đầu tư thời gian, sức lực và trí tuệ để tự chế tạo ra được thí nghiệm đạt yêu cầu, có sức thuyết phục và phù hợp với nội dung bài học. - Thí nghiệm tự tạo hầu hết là những thí nghiệm định tính, rất ít thí nghiệm định lượng. - Các dụng cụ dùng cho thí nghiệm ít bền, dễ hư hỏng. Đồng thời có sự hạn chế về mặt thẩm mỹ. 1.2.3. Yêu cầu cần đảm bảo của thí nghiệm tự tạo - Đảm bảo tính sư phạm: Kích thước lớn, để hở để học sinh quan sát được những chi tiết cơ bản. Các thí nghiệm không được phản giáo dục, chẳng hạn không nên làm những dụng cụ thí nghiệm có liên quan đến súng đạn, cung nỏ…Những dụng cụ dùng không độc hại, không nguy hiểm. - Đảm bảo tính thẩm mỹ: Do các thí nghiệm đơn giản, rẻ tiền là những dụng cụ tận dụng, tự kiếm, tự chế tạo, nên tính thẩm mỹ không cao, do đó cần phải được lựa chọn những dụng cụ thí nghiệm phù hợp để kích thích sự chú ý của học sinh. Cần phải tiến hành gia công chu đáo, cẩn thận để tăng tính thẩm mỹ cho thí nghiệm. - Đảm bảo tính khả thi: Các thí nghiệm được sử dụng phải là những thí nghiệm dễ thao tác, dễ tiến hành và cho kết quả thuyết phục. - Đảm bảo tính khoa học: các thí nghiệm được bố trí hợp lí, khoa học, các dụng cụ thí nghiệm không được che lấp lẫn nhau. Thí nghiệm ngắn gọn và gắn liền với bài học. Kết quả phải rõ ràng, chính xác và thuyết phục. 1.3. Vai trò của thí nghiệm tự tạo trong quá trình dạy học 1.3.1. Vai trò của thí nghiệm tự tạo trong quá trình dạy học đối với giáo viên Thí nghiệm tự tạo có vai trò rất quan trọng trong quá trình tổ chức dạy học. Trợ giúp giáo viên có đồ dùng dạy học để xây dựng các mô hình dạy và học tích cực phù hợp với phương pháp đặc trưng của bộ môn là phương pháp thực nghiệm, với thiết bị do giáo viên và học sinh tự làm khắc phục được khó khăn về cơ sở vật chất, hạn chế việc dạy chay, học chay. 6 Thông qua thí nghiệm tự tạo, giáo viên có thể phát huy được tính tích cực, sáng tạo của học sinh trong quá trình dạy học. Thí nghiệm tự tạo hỗ trợ cho quá trình dạy học của giáo viên, giảm thời gian thuyết trình…, Giáo viên sẽ thuận lợi trong nghiên cứu dạy học theo hướng tích cực, phù hợp cho từng nội dung bài học, tăng tính hấp dẫn của môn vật lí đối với học sinh và góp phần làm phong phú đồ dùng dạy học cho giáo viên. 1.3.2. Vai trò của thí nghiệm tự tạo trong quá trình dạy học đối với học sinh Việc chế tạo và sử dụng các thí nghiệm tự tạo, giúp học sinh nắm vững kiến thức, việc tiến hành thí nghiệm, giải thích và tiên đoán kết quả thí nghiệm giúp học sinh củng cố, đào sâu, mở rộng và hệ thống hóa các kiến thức vật lí mà học sinh đã lĩnh hội được. Do đặc điểm của thí nghiệm tự tạo liên quan đến hiện tượng, quá trình vật lí rất gần gũi với học sinh nên sau một quá trình học tập với thí nghiệm tự tạo, các em sẽ quan tâm hơn đến các hiện tượng vật lí xung quanh. Giúp học sinh thay đổi phương pháp suy nghĩ, phương pháp học tập, học sinh bắt đầu rèn luyện thói quen thảo luận khoa học, bàn bạc, chấp nhận hay phản đối ý kiến, tạo sự say mê tìm hiểu những hiện tượng tự nhiên, qua đó học sinh sẽ yêu thích giờ học vật lí hơn. Đặc biệt, do những ưu điểm nổi trội của thí nghiệm tự tạo nên giáo viên có thể giao nhiệm vụ cho học sinh tự chế tạo ra thí nghiệm, tự tiến hành thí nghiệm qua đó rèn luyện cho học sinh tính tự lực, sáng tạo, ham học hỏi, tìm tòi khám phá tự nhiên, học sinh có niềm tin vào bản thân, giải quyết được các tình huống xảy ra trong cuộc sống và tạo cho học sinh nhiều cơ hội, tình huống phải suy nghĩ, những vấn đề phải giải quyết. 1.4. Thực trạng của việc sử dụng thí nghiệm trong dạy học chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” ở trường THPT Nguyễn Huệ huyện Núi Thành 1.4.1. Mục đích điều tra - Tìm hiểu các phương pháp dạy học chủ yếu của GV khi tổ chức dạy học chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” và tình hình các thiết bị thí nghiệm dùng trong dạy học chương này. 7 - Tìm hiểu việc thiết kế, chế tạo thí nghiệm phục vụ cho việc dạy học trong chương “Cơ sở của nhiệt động lực học”. - Tìm hiểu hiệu quả của việc sử dụng thí nghiệm trong dạy học vật lí đối với hoạt động học tập của HS trong giờ học (hứng thú, tập trung trong giờ học, tích cực tham gia xây dựng bài học…). 1.4.2. Phương pháp điều tra - Điều tra GV và HS ở trường THPT thông qua phiếu điều tra. - Trực tiếp trao đổi với GV và HS 1.4.3. Kết quả điều tra  Thực trạng giáo viên sử dụng và chế tạo thí nghiệm trong chươ ng “Cơ sở của nhiệt động lực học”. Thông qua phiếu điều tra 11 giáo viên trong tổ vật lí, cho thấy 100 giáo viên không sử dụng thí nghiệm trong chương “Cơ sở của nhiệt động lực học”, phương pháp dạy chủ yếu trong chương này là thuyết trình, trình chiếu powerpoint 54,55 và thuyết trình, đàm thoại 45,45. Cũng như 100 giáo viên chưa từng chế tạo thí nghiệm phục vụ trong dạy học chương “Cơ sở của nhiệt động lực học”. Mặc dù, khi trao đổi với các giáo viên được điều tra đều đồng ý là sử dụng thí nghiệm tự tạo hay thí nghiệm vào bài học luôn cần thiết, vì giúp học sinh rất hứng thú, tò mò, chú ý đến bài học nhiều hơn. Nhưng vì một số nguyên nhân nên giáo viên không thể sử dụng thí nghiệm, cũng như chế tạo thí nghiệm để phục vụ trong dạy học. Sau đây là một số nguyên nhân: - Dạy học bằng powerpoint nên có thể dùng thí nghiệm mô phỏng - Hiện nay trong trường không có thí nghiệm phục vụ dạy học chương “Cơ sở của nhiệt động lực học”. - Thiết kế chế tạo thí nghiệm, tốn nhiều thời gian, lại không có đầu tư về kinh phí, bên cạnh đó còn hạn chế về năng lực chế tạo thí nghiệm. 8  Tình hình học tập môn vật lí và hiệu quả biểu diễn thí nghiệ m trong các tiết dạy đối với học sinh. Khi tiến hành điều tra 34 học sinh lớp 106 trường THPT Nguyễn Huệ với mục đích tìm hiểu về tình hình học tập môn vật lí và những hiệu quả của tiết học có sử dụng thí nghiệm biểu diễn đối với học sinh, kết quả như sau: - 52,94 học sinh nhận thấy môn vật lí hay, thú vị, bổ ích, có nhiều liên hệ thực tế đến đời sống. - 58,82 học sinh thấy rằng nội dung kiến thức quá nhiều - 73,53 học sinh cho biết thích phương pháp dạy học trình diễn thí nghiệm và 44,11 thích phương pháp dạy trình chiếu powerpoint. - 82,35 học sinh cảm thấy hứng thú, tò mò, tập trung hơn trong các tiết dạy có biễu diễn thí nghiệm. - 55,88 học sinh thấy những tiết dạy có biểu diễn thí nghiệm có tính thuyết phục hơn, dễ hiểu và nhớ lâu hơn. - 100 học sinh chưa từng tham gia chế tạo một thí nghiệm tự tạo nào, trong đó lí do không được thầy cô định hướng hay tổ chức nhóm để chế tạo một thí nghiệm chiếm 85,29 , học sinh nhận thấy rằng không đủ kỹ năng để chế tạo chiếm 41.18 . - 91,18 học sinh mong muốn được chế tạo thí nghiệm để kiểm chứng, và các thí nghiệm phục vụ trong cuộc sống. - 35,29 học sinh cho rằng nhưng tiết học biểu diễn thí nghiệm giúp các em nhận ra những quan niệm sai lệch trong học tập môn vật lí một cách thuyết phục. 9 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 Thông qua việc nghiên cứu cơ sở lí luận cũng như thực tiễn của vấn đề thiết kế chế tạo thí nghiệm tự tạo trong dạy học, đề tài bước đầu đã làm rõ một số nội dung sau đây: - Khái niệm thí nghiệm vật lí, thí nghiệm tự tạo. - Nêu được ưu điểm và hạn chế, yêu cầu và vai trò của thí nghiệm tự tạo trong dạy học môn vật lí. - Trình bày được thực trạng của việc sử dụng thí nghiệm trong dạy học chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” ở trường trung học phổ thông Nguyễn Huệ huyện Núi Thành. Qua việc điều tra thực trạng sử dụng thí nghiệm trong dạy học chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” cho thấy rõ hơn về vai trò của thí nghiệm trong dạy học vật lí, cụ thể là vai trò thí nghiệm trong chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” và sự cần thiết một thí nghiệm như mô hình động cơ đốt ngoài để phục vụ dạy học trong chương này. 10 Chương 2. THIẾT KẾ VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM TỰ TẠO TRONG CHƯƠNG CƠ SỞ CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC VẬT LÝ 10 CƠ BẢN 2.1. Đặc điểm cấu trúc chương cơ sở của nhiệt động lực học 2.1.1. Đặc điểm về kiến thức của chương Nội dung của chương này gồm 3 nhóm kiến thức: Nội dung chính kiến thức của chương này là các nguyên lí của nhiệt động lực học gồm nguyên lí I và II. Đây là hai nguyên lí cơ bản để giải thích nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt và máy lạnh. 2.1.2. Mục tiêu về kiến thức của chương - Nêu được nội năng gồm động năng của hạt(nguyên tử, phân tử) và thế năng tương tác giữa chúng. - Nêu được nội năng của một vật phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật đó. - Nêu được ví dụ về hai cách làm thay đổi nội năng. Các khái niệm: nôi năng, nhiệt lượng, quá trình thuận nghịch, quá trình không thuận nghịch Các nguyên lí của nhiệt động lực học Nguyên lí I nhiệt động lực học Nguyên lí II nhiệt động lực học Nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt và máy lạnh 11 - Phát biểu được nguyên lí I Nhiệt động lực học. Viết được hệ thức của nguyên lí I Nhiệt động lực học. Nêu được tên, đơn vị và quy ước về dấu của các đại lượng trong hệ thức này. - Phát biểu được nguyên lí II Nhiệt động lực học. 2.1.3. Mục tiêu về kỹ năng của chương - Vận dụng được mối quan hệ giữa nội năng với nhiệt độ và thể tích để giải thích một số hiện tượng liên quan. - Giải thích được nguyên lí hoạt động của động cơ nhiệt và máy lạnh. - Giải được các bài tập về động cơ nhiệt và những bài tập vận dụng nguyên lí I nhiệt động lực học. 2.2. Một số khó khăn của học sinh khi học chương cơ sở của nhiệt động lực học - Học sinh chỉ nắm được công thức mà không hiểu ý nghĩa vật lí của nguyên lí I. - Học sinh gặp khó khăn trong việc giải thích nguyên lí hoạt động của động cơ nhiệt và máy làm lạnh. - Học sinh không hiểu về vai trò của nguồn nóng và nguồn lạnh trong động cơ nhiệt cũng như cách động cơ biến chuyển động tịnh tiến của pít-tông thành chuyển động quay của bánh đà. 2.3. Một số nguyên nhân gây nên khó khăn của học sinh và biện pháp khắc phục - Giáo viên khi dạy về nguyên lí I của nhiệt động lực học, đa số giáo viên chỉ thông báo cho học sinh biết về kiến thức này, mà không thể cho học sinh một ví dụ minh họa cụ thể. - Hiện nay thí nghiệm về động cơ nhiệt để phục vụ cho chương này không có, chỉ có những mô hình cho học sinh quan sát, hay những thí nghiệm mô phỏng trình chiếu trên máy, nên các em thấy khó có thể hình dung một động cơ nhiệt thật sự hoạt động như thế nào. - Vậy biện pháp thiết thực để giải quyết một số nguyên nhân trên là cần một mô hình động cơ nhiệt hoạt động để trình diễn trong các tiết dạy. 12 2.4. Thiết kế và chế tạo thí nghiệm động cơ đốt ngoài 2.4.1.Giới thiệu động cơ stirling Động cơ stirling được phát minh vào năm 1816 do ông Robert Stirling – một mục sư người Scotland sáng tạo ra. Phát minh này nhằm tạo ra một sự lựa chọn an toàn hơn động cơ hơi nước đang phổ biến lúc bấy giờ. Nồi hơi của động cơ hơi nước thường xảy ra hiện tượng nổ do áp suất cao của hơi nước. Hình 2.1 Robert Stirling – Người phát minh ra động cơ stirling Thực ra, những ý tưởng phát minh ra một loại động cơ mới thay thế cho động cơ hơi nước đã xuất hiện từ đầu những năm 1699 khi những điều luật đầu tiên về khí thải ra đời. Năm 1807 nhà phát minh người Anh George Cayley đã phát minh ra động cơ khí nóng. Nhưng mô hình động cơ stirling của Robert Stirling đưa ra năm 1816 là được chú ý hơn cả và được xem là đáng giá nhất. Động cơ stirling cũng là một loại động cơ nhiệt thuộc nhóm động cơ đốt ngoài như động cơ hơi nước nhưng nguyên lý sinh công của nó lại khác hẳn. Động cơ stirling sử dụng một nguồn nóng để nung nóng môi chất công tác (thường là không khí, hydrogen hay helium) bên trong xilanh làm cho nó giãn nở và sinh công, sau đó lại dùng một nguồn lạnh để giải nhiệt cho môi chất công tác trước khi đẩy nó trở lại về phía đầu nóng. 13 Hình 2.2 Mô hình động cơ của Robert Stirling sáng chế năm 1816 Môi chất công tác bên trong xilanh của động cơ stirling là một khối khí bị cô lập và không bị đốt cháy, do đó không tiêu thụ nhiên liệu và xả khí thải ra môi trường. Nếu nguồn nhiệt bên ngoài dùng để cung cấp nhiên lượng cho động cơ stirling là sạch (như năng lượng mặt trời, nhiệt lượng từ đốt rác thải…) thì đây là loại động cơ thân thiện với môi trường hơn rất nhiều so với các loại động cơ tiêu thụ nhiên liệu, xả khí thải ra môi trường. Và đặc biệt, động cơ striling có thể dùng trong dạy học để minh họa một cách trực quan các kiến thức của chương “ Cơ sở của nhiệt động lực học ” . 2.4.2. Cấu tạo của động cơ striling kiểu piston tự do Thiết kế của động cơ stirling thường có một khối khí bao bọc trong buồng kín hay trong một xilanh, trong đó các chất khí có thể là không khí, hydro hay heli. Buồng chứa chất khí có hai phần, một phần tiếp xúc với nguồn nhiệt có nhiệt độ cao, phần kia tiếp xúc với nơi có nhiệt độ thấp. Động cơ stirling loại này có một pit-tông nhỏ gọi là pit-tông truyền lực gắn liền với một xi-lanh nhỏ hoặc một lớp màng cao su (tùy trường hợp động cơ hoạt động ở nhiệt độ cao hay thấp ), một pit-tông thứ hai nằm bên trong, không khít chặt với một xi-lanh lớn khác, gọi là pit-tông tự do. Vai trò của pit-tông này là di chuyển khối khí bên trong xi-lanh lên xuống giữa hai vùng có nhiệt độ khác nhau trên động cơ, một vùng được nguồn nhiệt nung nóng và một vùng được làm mát. Hai pit-tông được liên kết với nhau sao cho chuyển động của chúng lệch pha nhau 900 để khi pit-tông truyền lực đang di chuyển chậm lên vị trí cao nhất hay 14 thấp nhất thì pit-tông tự do ở điểm giữa của quỹ đạo chuyển động với vận tốc lớn nhất. Một bộ phận quan trọng trong động cơ stirling là phần giữ nhiệt, nằm trên đường di chuyển của khối khí từ phần nóng sang phần lạnh, thường làm bằng khối dây kim loại. Nó có tác dụng hấp thụ nhiệt của khối khí từ phần nóng đi qua, lưu giữ nhiệt năng này và hâm nóng khối khí đi từ phần lạnh tới. Trong thiết kế này, piston tự do vừa đóng vai trò đẩy khí qua lại giữa phần nóng và phần lạnh, vừa có vai trò giữ nhiệt. 2.4.3. Nguyên lí hoạt động của động cơ stirling Động cơ stirling hoạt động theo chu trình stirling gồm bốn giai đoạn: hâm nóng, giãn nở, làm lạnh và nén. Chu trình stirling lý tưởng là một chu trình nhiệt động lực học thuận nghịch, do đó có cùng hiệu suất với chu trình carnot (khi hoạt động giữa các nguồn nhiệt giống nhau). Trong thực tế, hiệu suất chu trình stirling thực tế thấp hơn hiệu suất chu trình lý tưởng vì do ma sát và thất thoát nhiệt (do truyền trực tiếp từ phần nóng sáng phần lạnh), nhưng hiệu suất chu trình stirling thực tế cao hơn động cơ đốt ngoài khác như động cơ hơi nước và cao hơn hầu hết các động cơ đốt trong hiện đại (động cơ diesel hay động cơ xăng). Trong dạy học ở các trường phổ thông có thể sử dụng kiểu pit-tông tự do như hình 2.3. Hình 2.3 Các giai đoạn hoạt động của chu trình stirling loại pit-tông tự do Ở vị trí 1, pit-tông tự do đang ở vị trí trên cùng, lúc này lượng khí sẽ chiếm chỗ vùng nóng đang ở nhiệt độ T H . Khí nhận nhiệt lượng QH , dãn nở và 15 đẩy pit-tông truyền lực di chuyển lên phía trên, đồng thời piston tự do bắt đầu di chuyển xuống dưới, giai đoạn 1→ 2 gọi là hâm nóng đẳng tích. Ở vị trí 2, pit-tông truyền lực ở vị trí cao nhất của quỹ đạo chuyển động. Giai đoạn pit-tông truyền lực di chuyển chậm lên vị trí cao nhất được xem như quá trình đẳng tích. Pit-tông tự do lúc này di chuyển đến vùng nóng, đẩy khí di chuyển lên vùng lạnh, đồng thời piston truyền lực bắt đầu di chuyển xuống dưới. Giai đoạn 2→ 3 gọi là giãn nở đẳng nhiệt. Ở vị trí 3, Piston tự do đang ở vị trí thấp nhất, lúc này toàn bộ lượng khí đang ở vùng lạnh, khí sẽ co lại và kéo piston truyền lực đi xuống đồng thời piston tự do bắt di chuyển đi lên. Giai đoạn 3→ 4 gọi là làm lạnh đẳng tích. Ở vị trí 4, pit-tông truyền lực di chuyển chậm và bị nén hoàn toàn ở vi trí thấp nhất của quỹ đạo. Pit-tông tự do di chuyển lên trên và đẩy khối khí xuống vùng nóng. Khi khối khí lạnh đi ngang qua pit-tông tự do, nó sẽ nhận lại nhiệt lượng QH đã trữ trước đó, đồng thời piston truyền lực bắt đầu di chuyển lên trên. Giai đoạn 4→ 1 gọi là nén đẳng nhiệt. Động cơ stirling khi hoàn tất chu trình sẽ trở về vị trí 1 và cứ thế lặp đi lặp lại. 2.4.4. Thiết kế và chế tạo chế tạo động cơ stirling a. Vật liệu chế tạo động cơ stirling từ bình nhựa như hình 2.4 16 Hình 2.4 Vật liệu chế tạo động cơ stirling b. Chế tạo động cơ stirling Bước 1: Chế tạo xilanh lớn và piston tự do - Cắt bình nhựa đã chuẩn bị thành hình trụ tròn chiều cao 12cm, sau đó dùng đáy lon coca cao dán cố định vào một đáy của hình...

NỘI DUNG

CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN VỀ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC VẬT LÝ

1.1.1 Khái niệm thí nghiệm vật lí

Thí nghiệm vật lí là sự tác động có chủ định, có hệ thống của con người vào các đối tượng của hiện thực khách quan Thông qua sự phân tích các điều kiện mà trong đó đã diễn ra sự tác động và các kết quả của sự tác động, ta có thể thu nhận được tri thức mới

1.1.2 Các loại thí nghiệm sử dụng trong dạy học vật lí

Có hai loại thí nghiệm được sử dụng trong dạy học vật lí ở trường phổ thông:

 Thí nghiệm biểu diễn của giáo viên

Căn cứ vào mục đích lí luận dạy học của thí nghiệm biểu diễn trong quá trình nhận thức của học sinh, thí nghiệm biểu diễn bao gồm những loại sau:

- Thí nghiệm mở đầu: Giới thiệu cho học sinh một cách sơ lược về hiện tượng sắp nghiên cứu, tạo tình huống có vấn đề, tạo nhu cầu hứng thú học tập của học sinh

- Thí nghiệm nghiên cứu hiện tượng: Nhằm xây dựng hoặc kiểm chứng kiến thức mới

- Thí nghiệm củng cố: Nêu lên những biểu hiện của kiến thức đã học trong tự nhiên, đề cập các ứng dụng của kiến thức này trong sản xuất và đời sống đòi hỏi học sinh phải vận dụng kiến thức đã học để dự đoán hoặc giải thích hiện tượng Thông qua đó, giáo viên có thể kiểm tra mức độ nắm vững kiến thức của học sinh

 Thí nghiệm thực tập của học sinh

Có thể chia thí nghiệm thực tập là 3 loại:

- Thí nghiệm trực diện: Thí nghiệm do học sinh tiến hành trên lớp chủ yếu khi nghiên cứu kiến thức mới nhưng cũng có thể khi ôn tập trong tiết học bài mới

- Thí nghiệm thực hành: Thí nghiệm do học sinh tiến hành trên lớp ( trong phòng thí nghiệm), học sinh dựa vào tài liệu in sẵn mà tiến hành thí nghiệm rồi viết báo cáo

- Thí nghiệm và quan sát vật lí ở nhà: thí nghiệm được giáo viên giao cho từng học sinh hay từng nhóm học sinh thực hiện tại nhà

1.2.1 Khái niệm thí nghiệm tự tạo

Thí nghiệm tự tạo là những thí nghiệm được giáo viên và học sinh tạo ra với những dụng cụ đơn giản, dễ kiếm trong đời sống hằng ngày hoặc mua nhưng không đắt tiền

Thí nghiệm tự tạo có thể phân ba loại Đó là những thí nghiệm tự tạo lại theo mẫu trong sách giáo khoa, hoặc là những thí nghiệm được cải tiến từ các thiết bị máy móc, hoặc là những thí nghiệm tự tạo theo ý tưởng, sáng kiến mới

1.2.2 Ưu điểm và hạn chế của thí nghiệm tự tạo

- Dụng cụ cho thí nghiệm là những dụng cụ đơn giản, dễ kiếm nên giáo viên và học sinh có thể tự chế tạo

- Thí nghiệm có hình thức gọn nhẹ, đơn giản, dễ lắp ráp, dễ sử dụng nên có thể thực hiện mọi lúc mọi nơi

- Cùng một thí nghiệm có thể có nhiều phương án

- Thí nghiệm dễ thành công, cho kết quả rõ ràng, thuyết phục nhưng lại ít tốn thời gian

- Thao tác tiến hành thí nghiệm không đòi hỏi phải có những kỹ năng đặc biệt nên giáo viên nào cũng có thể làm được

- Không đòi hỏi khắc khe về cơ sở vật chất nên ở đâu cũng tiến hành thí nghiệm được

- Thí nghiệm phù hợp, bám sát với nội dung cần dạy nên rất thuận lợi trong dạy học

- Cần đầu tư thời gian, sức lực và trí tuệ để tự chế tạo ra được thí nghiệm đạt yêu cầu, có sức thuyết phục và phù hợp với nội dung bài học

- Thí nghiệm tự tạo hầu hết là những thí nghiệm định tính, rất ít thí nghiệm định lượng

- Các dụng cụ dùng cho thí nghiệm ít bền, dễ hư hỏng Đồng thời có sự hạn chế về mặt thẩm mỹ

1.2.3 Yêu cầu cần đảm bảo của thí nghiệm tự tạo

- Đảm bảo tính sư phạm: Kích thước lớn, để hở để học sinh quan sát được những chi tiết cơ bản Các thí nghiệm không được phản giáo dục, chẳng hạn không nên làm những dụng cụ thí nghiệm có liên quan đến súng đạn, cung nỏ…Những dụng cụ dùng không độc hại, không nguy hiểm

- Đảm bảo tính thẩm mỹ: Do các thí nghiệm đơn giản, rẻ tiền là những dụng cụ tận dụng, tự kiếm, tự chế tạo, nên tính thẩm mỹ không cao, do đó cần phải được lựa chọn những dụng cụ thí nghiệm phù hợp để kích thích sự chú ý của học sinh Cần phải tiến hành gia công chu đáo, cẩn thận để tăng tính thẩm mỹ cho thí nghiệm

- Đảm bảo tính khả thi: Các thí nghiệm được sử dụng phải là những thí nghiệm dễ thao tác, dễ tiến hành và cho kết quả thuyết phục

- Đảm bảo tính khoa học: các thí nghiệm được bố trí hợp lí, khoa học, các dụng cụ thí nghiệm không được che lấp lẫn nhau Thí nghiệm ngắn gọn và gắn liền với bài học Kết quả phải rõ ràng, chính xác và thuyết phục

1.3 Vai trò của thí nghiệm tự tạo trong quá trình dạy học

1.3.1 Vai trò của thí nghiệm tự tạo trong quá trình dạy học đối với giáo viên

Thí nghiệm tự tạo có vai trò rất quan trọng trong quá trình tổ chức dạy học

Trợ giúp giáo viên có đồ dùng dạy học để xây dựng các mô hình dạy và học tích cực phù hợp với phương pháp đặc trưng của bộ môn là phương pháp thực nghiệm, với thiết bị do giáo viên và học sinh tự làm khắc phục được khó khăn về cơ sở vật chất, hạn chế việc dạy chay, học chay

Thông qua thí nghiệm tự tạo, giáo viên có thể phát huy được tính tích cực, sáng tạo của học sinh trong quá trình dạy học Thí nghiệm tự tạo hỗ trợ cho quá trình dạy học của giáo viên, giảm thời gian thuyết trình…, Giáo viên sẽ thuận lợi trong nghiên cứu dạy học theo hướng tích cực, phù hợp cho từng nội dung bài học, tăng tính hấp dẫn của môn vật lí đối với học sinh và góp phần làm phong phú đồ dùng dạy học cho giáo viên

1.3.2 Vai trò của thí nghiệm tự tạo trong quá trình dạy học đối với học sinh

Việc chế tạo và sử dụng các thí nghiệm tự tạo, giúp học sinh nắm vững kiến thức, việc tiến hành thí nghiệm, giải thích và tiên đoán kết quả thí nghiệm giúp học sinh củng cố, đào sâu, mở rộng và hệ thống hóa các kiến thức vật lí mà học sinh đã lĩnh hội được

THIẾT KẾ VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM TỰ TẠO TRONG CHƯƠNG CƠ SỞ CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC VẬT LÝ 10 CƠ BẢN

2.1.1 Đặc điểm về kiến thức của chương

Nội dung của chương này gồm 3 nhóm kiến thức:

Nội dung chính kiến thức của chương này là các nguyên lí của nhiệt động lực học gồm nguyên lí I và II Đây là hai nguyên lí cơ bản để giải thích nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt và máy lạnh

2.1.2 Mục tiêu về kiến thức của chương

- Nêu được nội năng gồm động năng của hạt(nguyên tử, phân tử) và thế năng tương tác giữa chúng

- Nêu được nội năng của một vật phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật đó

- Nêu được ví dụ về hai cách làm thay đổi nội năng

Các khái niệm: nôi năng, nhiệt lượng, quá trình thuận nghịch, quá trình không thuận nghịch

Các nguyên lí của nhiệt động lực học

Nguyên lí I nhiệt động lực học

Nguyên lí II nhiệt động lực học

Nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt và máy lạnh

- Phát biểu được nguyên lí I Nhiệt động lực học Viết được hệ thức của nguyên lí I Nhiệt động lực học Nêu được tên, đơn vị và quy ước về dấu của các đại lượng trong hệ thức này

- Phát biểu được nguyên lí II Nhiệt động lực học

2.1.3 Mục tiêu về kỹ năng của chương

- Vận dụng được mối quan hệ giữa nội năng với nhiệt độ và thể tích để giải thích một số hiện tượng liên quan

- Giải thích được nguyên lí hoạt động của động cơ nhiệt và máy lạnh

- Giải được các bài tập về động cơ nhiệt và những bài tập vận dụng nguyên lí I nhiệt động lực học

2.2 Một số khó khăn của học sinh khi học chương cơ sở của nhiệt động lực học

- Học sinh chỉ nắm được công thức mà không hiểu ý nghĩa vật lí của nguyên lí I

- Học sinh gặp khó khăn trong việc giải thích nguyên lí hoạt động của động cơ nhiệt và máy làm lạnh

- Học sinh không hiểu về vai trò của nguồn nóng và nguồn lạnh trong động cơ nhiệt cũng như cách động cơ biến chuyển động tịnh tiến của pít-tông thành chuyển động quay của bánh đà

2.3 Một số nguyên nhân gây nên khó khăn của học sinh và biện pháp khắc phục

- Giáo viên khi dạy về nguyên lí I của nhiệt động lực học, đa số giáo viên chỉ thông báo cho học sinh biết về kiến thức này, mà không thể cho học sinh một ví dụ minh họa cụ thể

- Hiện nay thí nghiệm về động cơ nhiệt để phục vụ cho chương này không có, chỉ có những mô hình cho học sinh quan sát, hay những thí nghiệm mô phỏng trình chiếu trên máy, nên các em thấy khó có thể hình dung một động cơ nhiệt thật sự hoạt động như thế nào

- Vậy biện pháp thiết thực để giải quyết một số nguyên nhân trên là cần một mô hình động cơ nhiệt hoạt động để trình diễn trong các tiết dạy

2.4 Thiết kế và chế tạo thí nghiệm động cơ đốt ngoài

2.4.1.Giới thiệu động cơ stirling Động cơ stirling được phát minh vào năm 1816 do ông Robert Stirling – một mục sư người Scotland sáng tạo ra Phát minh này nhằm tạo ra một sự lựa chọn an toàn hơn động cơ hơi nước đang phổ biến lúc bấy giờ Nồi hơi của động cơ hơi nước thường xảy ra hiện tượng nổ do áp suất cao của hơi nước

Hình 2.1 Robert Stirling – Người phát minh ra động cơ stirling

Thực ra, những ý tưởng phát minh ra một loại động cơ mới thay thế cho động cơ hơi nước đã xuất hiện từ đầu những năm 1699 khi những điều luật đầu tiên về khí thải ra đời Năm 1807 nhà phát minh người Anh George Cayley đã phát minh ra động cơ khí nóng Nhưng mô hình động cơ stirling của Robert Stirling đưa ra năm 1816 là được chú ý hơn cả và được xem là đáng giá nhất Động cơ stirling cũng là một loại động cơ nhiệt thuộc nhóm động cơ đốt ngoài như động cơ hơi nước nhưng nguyên lý sinh công của nó lại khác hẳn Động cơ stirling sử dụng một nguồn nóng để nung nóng môi chất công tác (thường là không khí, hydrogen hay helium) bên trong xilanh làm cho nó giãn nở và sinh công, sau đó lại dùng một nguồn lạnh để giải nhiệt cho môi chất công tác trước khi đẩy nó trở lại về phía đầu nóng

Hình 2.2 Mô hình động cơ của Robert Stirling sáng chế năm 1816

Môi chất công tác bên trong xilanh của động cơ stirling là một khối khí bị cô lập và không bị đốt cháy, do đó không tiêu thụ nhiên liệu và xả khí thải ra môi trường Nếu nguồn nhiệt bên ngoài dùng để cung cấp nhiên lượng cho động cơ stirling là sạch (như năng lượng mặt trời, nhiệt lượng từ đốt rác thải…) thì đây là loại động cơ thân thiện với môi trường hơn rất nhiều so với các loại động cơ tiêu thụ nhiên liệu, xả khí thải ra môi trường

Và đặc biệt, động cơ striling có thể dùng trong dạy học để minh họa một cách trực quan các kiến thức của chương “ Cơ sở của nhiệt động lực học ”

2.4.2 Cấu tạo của động cơ striling kiểu piston tự do

Thiết kế của động cơ stirling thường có một khối khí bao bọc trong buồng kín hay trong một xilanh, trong đó các chất khí có thể là không khí, hydro hay heli Buồng chứa chất khí có hai phần, một phần tiếp xúc với nguồn nhiệt có nhiệt độ cao, phần kia tiếp xúc với nơi có nhiệt độ thấp Động cơ stirling loại này có một pit-tông nhỏ gọi là pit-tông truyền lực gắn liền với một xi-lanh nhỏ hoặc một lớp màng cao su (tùy trường hợp động cơ hoạt động ở nhiệt độ cao hay thấp ), một pit-tông thứ hai nằm bên trong, không khít chặt với một xi-lanh lớn khác, gọi là pit-tông tự do Vai trò của pit-tông này là di chuyển khối khí bên trong xi-lanh lên xuống giữa hai vùng có nhiệt độ khác nhau trên động cơ, một vùng được nguồn nhiệt nung nóng và một vùng được làm mát Hai pit-tông được liên kết với nhau sao cho chuyển động của chúng lệch pha nhau 90 0 để khi pit-tông truyền lực đang di chuyển chậm lên vị trí cao nhất hay

14 thấp nhất thì pit-tông tự do ở điểm giữa của quỹ đạo chuyển động với vận tốc lớn nhất

Một bộ phận quan trọng trong động cơ stirling là phần giữ nhiệt, nằm trên đường di chuyển của khối khí từ phần nóng sang phần lạnh, thường làm bằng khối dây kim loại Nó có tác dụng hấp thụ nhiệt của khối khí từ phần nóng đi qua, lưu giữ nhiệt năng này và hâm nóng khối khí đi từ phần lạnh tới Trong thiết kế này, piston tự do vừa đóng vai trò đẩy khí qua lại giữa phần nóng và phần lạnh, vừa có vai trò giữ nhiệt

2.4.3 Nguyên lí hoạt động của động cơ stirling Động cơ stirling hoạt động theo chu trình stirling gồm bốn giai đoạn: hâm nóng, giãn nở, làm lạnh và nén

Chu trình stirling lý tưởng là một chu trình nhiệt động lực học thuận nghịch, do đó có cùng hiệu suất với chu trình carnot (khi hoạt động giữa các nguồn nhiệt giống nhau) Trong thực tế, hiệu suất chu trình stirling thực tế thấp hơn hiệu suất chu trình lý tưởng vì do ma sát và thất thoát nhiệt (do truyền trực tiếp từ phần nóng sáng phần lạnh), nhưng hiệu suất chu trình stirling thực tế cao hơn động cơ đốt ngoài khác như động cơ hơi nước và cao hơn hầu hết các động cơ đốt trong hiện đại (động cơ diesel hay động cơ xăng)

Trong dạy học ở các trường phổ thông có thể sử dụng kiểu pit-tông tự do như hình 2.3

Hình 2.3 Các giai đoạn hoạt động của chu trình stirling loại pit-tông tự do Ở vị trí 1, pit-tông tự do đang ở vị trí trên cùng, lúc này lượng khí sẽ chiếm chỗ vùng nóng đang ở nhiệt độ TH Khí nhận nhiệt lượng QH, dãn nở và

15 đẩy pit-tông truyền lực di chuyển lên phía trên, đồng thời piston tự do bắt đầu di chuyển xuống dưới, giai đoạn 1→2 gọi là hâm nóng đẳng tích Ở vị trí 2, pit-tông truyền lực ở vị trí cao nhất của quỹ đạo chuyển động Giai đoạn pit-tông truyền lực di chuyển chậm lên vị trí cao nhất được xem như quá trình đẳng tích Pit-tông tự do lúc này di chuyển đến vùng nóng, đẩy khí di chuyển lên vùng lạnh, đồng thời piston truyền lực bắt đầu di chuyển xuống dưới Giai đoạn 2→3 gọi là giãn nở đẳng nhiệt Ở vị trí 3, Piston tự do đang ở vị trí thấp nhất, lúc này toàn bộ lượng khí đang ở vùng lạnh, khí sẽ co lại và kéo piston truyền lực đi xuống đồng thời piston tự do bắt di chuyển đi lên Giai đoạn 3→4 gọi là làm lạnh đẳng tích Ở vị trí 4, pit-tông truyền lực di chuyển chậm và bị nén hoàn toàn ở vi trí thấp nhất của quỹ đạo Pit-tông tự do di chuyển lên trên và đẩy khối khí xuống vùng nóng Khi khối khí lạnh đi ngang qua pit-tông tự do, nó sẽ nhận lại nhiệt lượng QH đã trữ trước đó, đồng thời piston truyền lực bắt đầu di chuyển lên trên Giai đoạn 4→1 gọi là nén đẳng nhiệt Động cơ stirling khi hoàn tất chu trình sẽ trở về vị trí 1 và cứ thế lặp đi lặp lại

2.4.4 Thiết kế và chế tạo chế tạo động cơ stirling a Vật liệu chế tạo động cơ stirling từ bình nhựa như hình 2.4

Hình 2.4 Vật liệu chế tạo động cơ stirling b Chế tạo động cơ stirling

Bước 1: Chế tạo xilanh lớn và piston tự do

THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM

- Đánh giá tính khả thi của việc sử dụng thí nghiệm mô hình động cơ stirling vào tiết dạy

- Mục đích của thực nghiệm sư phạm là kiểm tra giả thuyết khoa học của đề tài : “Nếu thiết kế, chế tạo được mô hình động cơ đốt ngoài để sử dụng trong quá trình dạy học chương ‘Cơ sở của nhiệt động lực học’ trong vật lý 10 một cách khoa học, hợp lý thì sẽ tạo được hứng thú học tập cho học sinh trong tiết học, giúp phát huy tính tích cực, phát triển năng lực sáng tạo cho học sinh, góp phần nâng cao chất lượng dạy học vật lí ở trường THPT”

3.2 Nhiệm vụ thực nghiệm sư phạm

- Tiến hành điều tra khảo sát tình hình sử dụng thí nghiệm vật lí chương

“Cơ sở của nhiệt động lực học” ở trường THPT Nguyễn Huệ

- Tiến hành dạy bài 33: Các nguyên lý của nhiệt động lực học có sử dụng thí nghiệm tự tạo, để đánh giá hiệu quả của việc nghiên cứu xây dựng và sử dụng thí nghiệm tự tạo

- Tiến hành kiểm tra 15 phút hai lớp thực nghiệm và đối chứng, chấm bài lấy số liệu và xử lí số liệu

3.3 Đối tượng và nội dung thực nghiệm sư phạm

- Đối tượng thực nghiệm sư phạm là học sinh lớp 10 ở trường trung học phổ thông Nguyễn Huệ, huyện Núi Thành, tỉnh Quảng Nam

- Nội dung thực nghiệm sư phạm là tiến hành soạn và dạy bài 33: Các nguyên lý của nhiệt động lực học trong chương trình vật lí 10, có sử dụng thí nghiệm tự tạo mô hình động cơ nhiệt đốt ngoài

3.4 Phương pháp thực nghiệm sư phạm

3.4.1 Chọn mẫu thực nghiệm sư phạm

Việc chọn mẫu thực nghiệm có ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả thực nghiệp sư phạm Do đó, để chọn được hai nhóm đối chứng và thực nghiệm tương đương nhau nhằm thỏa mãn yêu cầu thực nghiệm chúng tôi đã sử dụng các biện pháp sau:

- Trao đổi với giáo viên vật lí phụ trách dạy khối 10 để biết tình hình học tập môn vật lí của các lớp

- Chọn lớp thực tập để làm thực nghiệm, xem xét kết quả học kỳ I môn vật lí của học sinh các lớp 10

Từ sự xem xét, cân nhắc đó chúng tôi đã chọn mẫu thực nghiệm gồm lớp thực nghiệm và đối chứng có sĩ số gần bằng nhau, có trình độ và chất lượng tương đương nhau

Từ đó chúng tôi đã chọn được mẫu thực nghiệm gồm các lớp sau:

Trường trung học phổ thông Nguyễn Huệ

TNg 10/6 34 học sinh ĐC 10/4 35 học sinh

3.4.2 Tiến trình thực nghiệm sư phạm

Việc quan sát và ghi chép các hoạt động của giáo viên và hoc sinh theo các nội dung sau:

- Tính tích cực của học sinh thông qua không khí lớp học, sự hứng thú trong học tập, tinh thần thái độ tham gia xây dựng bài, chất lượng các câu trả lời của học sinh

- Mức độ đạt mục tiêu bài học của giáo viên, sự phân bố thời gian của giáo viên trong các hoạt động

- Các thao tác hướng dẫn và tiến hành thí nghiệm của giáo viên, cách thức xử lí tình huống của giáo viên đối với học sinh

- Mức độ hiểu bài của học sinh thông qua hoạt động củng cố, vận dụng và thông qua các câu hỏi kiểm tra…

Sau khi tiến hành thực nghiệm sư phạm, hiệu quả của tiết dạy của giáo viên, kết quả học tập của học sinh được đánh giá bằng các bài kiểm tra nhằm:

- Đánh giá về mức độ lĩnh hội các kiến thức cơ bản như các khái niệm, các nguyên lý, các tính chất của hiện tượng vật lí, kỹ năng thực hành,…

- Khả năng vận dụng kiến thức đã học để giải các bài toán cụ thể cũng như vận dụng kiến thức vào thực tiễn cuộc sống

Trên cơ sơ đó cũng kiểm tra giả thuyết khoa học đã đưa ra ban đầu

3.4.2.3 Điều tra và thăm dò

Sau bài dạy học ở lớp thực nghiệm, trao đổi với giáo viên và học sinh, lắng nghe ý kiến để rút kinh nghiệm cho bài dạy, cũng như cho đề tài nghiên cứu

3.5 Đánh giá kết quả thực nghiệm sư phạm

Qua quá trình quan sát, theo dõi giờ học ở lớp thực nghiệm và đối chứng, tôi thấy có một số nhận xét như sau:

 Đối với lớp đối chứng

- Nội dung dạy ở lớp đối chứng giống với lớp thực nghiệm Trong quá trình tổ chức hoạt động dạy học cho học sinh, giáo viên chỉ dừng lại ở mức độ thông báo lý thuyết và hình vẽ minh họa, học sinh chủ yếu quan sát, lắng nghe và ghi chép

- Không khí lớp học khá trầm, các em ít giơ tay phát biểu, khả năng giải thích những câu hỏi thực tế khá yếu, bên cạnh đó, trong giờ học các em cũng có rất ít đặt câu hỏi

 Đối với lớp thực nghiệm

- Thí nghiệm tự tạo hoạt động tốt trong tiết dạy, sử dụng thí nghiệm để dẫn dắt vào bài đã tạo được sự tò mò, hứng thú cho học sinh

- Không khí lớp học khá sôi nổi, học sinh tích cực tham gia xây dựng bài, chất lượng các câu trả lời thực tế khá tốt, cũng có nhiều câu hỏi xoay quanh về thí nghiệm tự tạo Tuy tiết học có sử dụng thêm thí nghiệm nhưng vẫn đảm bảo thời gian trong các hoạt động

3.5.2 Đánh giá định lượng Để đánh giá một cách định lượng hiệu quả của thí nghiệm tự tạo cũng như hiệu quả của việc sử dụng thí nghiệm tự tạo vào dạy học giữa hai nhóm đối

31 chứng và thực nghiệm, tôi đã sử dụng điểm số trung bình của các bài kiểm tra và tiến hành dưới các hình thức sau:

- Lập bảng phân phối: Bảng thống kê điểm số bài kiểm tra , bảng phân phối tần suất điểm số bài kiểm tra, bảng phân phối tần suất tích lũy điểm số bài kiểm tra, bảng phân loại học lực học sinh