Nội dung và phương pháp giảng dạy Nhiệt học

1 2 I. Các nguyên tắc, đặc điểm và cấu trúc của chương trình: 1. Những nguyên tắc vật lý và sư phạm của việc nghiên cứu vật lý phân tử và nhiệt học Việc chuyển từ nghiên cứu cơ học sang nghiên cứu vật lý phân tử và nhiệt học là một giai đoạn mới có tính chất nguyên tắc trong hoạt động nhận thức, trong sự hình thành và phát triển thế giới quan vật lý, thế giới quan khoa học của HS. Chất lượng mới của các hiện tượng nhiệt so với các hiện tượng cơ học được giải thích bằng 2 sự kiện: Cấu trúc gián đoạn của chất và số lớn các hạt tương tác ( Phân tử, nguyên tử, ion). Việc giải thích các hiện tượng nhiệt đòi hỏi phải đưa ra những khái niệm vật lý mới: nhiệt độ, nội năng, cân bằng nhiệt, tính có hướng của các chuyển động nhiệt và đònh luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng. 3 Giáo trình vật lý ở bậc THPT được đặc trưng bởi 3 đặc điểm nổi bật: + Sự bao quát rộng hơn của các khái niệm và các hiện tượng khoa học được đưa ra trong mối liên hệ logic, chặt chẽ. + Sự mô tả đònh lượng các khái niệm và các hiện tượng, trong số đó có các tính chất của phân tử. + Sự giải thích và áp dụng các phương pháp vật lý như: Phương pháp nhiệt động lực học và phương pháp thống kê. 4 Sự áp dụng các phương pháp: Phương pháp nhiệt động lực học và phương pháp thống kê có ý nghóa sư phạm và phương pháp luậân sâu sắc, bởi vì : *Trên cơ sở các nguyên lý nhiệt động lực học, người ta khảo sát tấùt cả các hiện tượng nhiệt, không có sự phân tích các quá trình vật lý vi mô. * Trên cơ sở phương pháp thống kê xuất phát từ cấu trúc gián đoạn của chất( cấu trúc phân tử, nguyên tử) và các thông số của các hạt, người ta rút ra các đònh luật chung có ý nghóa thống kê về trạng thái của các vật vó mô. Trong giảng dạy các phương pháp nhiệt động lực học và thống kê được áp dụng một cách tổng hợp. 5 Bước tiến mới trong hoạt động nhận thức của học sinh khi học các kiến thức về nhiệt đó là chuyển từ việc lónh hội các quy luật mang tính động học ( các mối liên hệ nhân quả, đơn trò của các hiện tượng), đặc biệt là các đònh luật của cơ học cổ điển, sang sự hiểu biết các qui luật mang tính thống kê mà các trường hợp riêng là các đònh luật của thuyết động học phân tử chất khí với các khái niệm về giá trò trung bình của các đại lượng vật lý và khái niệm xác suất. Một trong những nhiệm vụ cơ bản của việc giảng dạy các hiện tượng nhiệt và vật lý phân tử ở bậc THPT là làm sáng tỏ bản chất của các phương pháp thống kê và nhiệt động lực học và chỉ rõ các phương pháp này được dùng phổ biến đối với vật lý chứ không phải chỉ là đối với việc tiếp thu với các hiện tượng nhiêt. 6 2. Đặc điểm: + Chương trình trình bày các hiện tượng và các quá trình nhiệt một cách đơn giản nhất, trình bày sự biến đổi trạng thái của các chất dựa trên mô hình cấu trúc vật chất xây dựng khái niệm nội năng, sự biếùn đổi nội năng, xây dựng phương trình trạng thái từ các đònh luật Bôilơ- Mariôt, S ¸ c l¬ . + Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học được biểu diễn ở dạng tổng quát và chính là đònh luật đònh luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng áp dụng cho các quá trình nhiệt. + Những tính chất của chất khí mặc dù được phát hiện bằng thực nghiệm, nhưng sách giáo khoa chỉ trình bày 2 trong số 3 đònh luật là: đònh luật Bôilơ- Mariôt và đònh luật Saclơ và trên cơ sở 2 đònh luật này hình thành cho học sinh Phương trình trạng thái của khí lý tưởng, đây chính là cơ hội để tập cho học sinh làm quen với phương pháp suy diễn. 7 3. Các kiến thức cơ bản của phần nhiệt học + Các khái niệm về cấu trúc. + Các tính chất của mỗi trạng thái khí, rắn, lỏng, nội năng, nhiệt lượng. Các hiện tượng cơ bản: + Hiện tượng căng mặt ngoài, + Hiện tượng mao dẫn. Thuyết cơ bản: Thuyết động học phân tử về chất khí. Nguyên lý cơ bản: + Nguyên lý I, + Nguyên lý II. 8 4. Cấu trúc: Các kiến thức về nhiệt học được trình bày ở 3 chương: Chương 5, chương 6, chương 7. Chương 5: Chất khí. Chương này trình bày các vấn đề về chất khí qua đó cho học sinh nhận thức được những kiến thức ban đầu về thuyết động học phân tử của vật chất. Chương 6: Cơ sở của nhiệt động lực học. Chương này trình bày cả 2 nguyên lý: Nguyên lý I và nguyên lý II NĐLH và các ứng dụng thực tế. Chương 7:Chất rắn chất lỏng và sự chuyển thể Đề cấp đến những vấn đề cơ bản của trạng thái rắn và trạng thái khí, làm cho học sinh nhận thức được những hiện tượng liên quan đến sự chuyển trạng thái. 9 5. SƠ ĐỒ CẤU TRÚC LOGIC Chương VII: Chất rắn, chất lỏng và sự chuyển thể Chương V: Chất khí Thuyết động học phân tử về chất khí Các đònh luật thực nghiệm Phương trình trạng thái Bài tập vận dụng Chất rắn và sự biến dạng Chất lỏng và các hiện tượng Sự chuyển trạng thái Sự hoá hơi và sự ngưng tụ Các Nguyên lý của NĐLH Các ứng dụng thực tế Chương VI: Cơ sở của nhiệt động Lực học Nội năng và Sự biến đổi Nội năng 10 6. Phương pháp tiếp cận Quan điểm vó mô Quan điểm vi mô Quan điểm năng lượng [...]... trong đó phương trình menđêleep-Clapêron là kết quả của thực nghiệm, tổng hợp từ 3 sự kiện thực nghiệm) + Quan điểm vi mô: Chỉ dùng ở một số chỗ cần thiết, ví dụ: khi nghiên cứu về chất rắn, về cấu trúc của chất lỏng, về sự dính ướt và không dính ướt hoặc từ thuyết động học phân tử và vận dụng các đònh luật 2 P = nWđ , từ phương trình cơ bản cơ học suy ra phương trình cơ bản 3 3 Wđ = KT suy ra phương. .. trong đó các phân tử được coi là các chất điểm và chỉ tương tác khi va chạm Có những đònh nghóa khác nhau về khí lý tưởng mà về nội dung thì tương đương nhau: * Một chất khí được gọi là khí lý tưởng nếu đối với nó phương trình Menđelev – Clapeyron (hoặc các hệ quả của phương trình đó – các đònh luật chất khí) nghiệm đúng: M PV = RT µ M là khối lượng khí tính theo đơn vò kg; còn µ là khối lượng của... phân tử khí có khối lượng m khi nó va chạm vào thành bình Để đơn giản ta chọn bình chứa là hình lập phương có kích thước là l, diện tích của các mặt là A = l2 * Giả sử thành phần vận tốc theo phương OX là Vx , va chạm của phân tử khí với thành bình là tuyệt đối đàn hồi, 2 mặt A 1 và A2 của bình lập phương ⊥ với trục OX 32 * Gọi t là thời gian giữa 2 va chạm liên tiếp: 2l ∆t = VX * Giả sử xét bình... thì áp suất gây bởi N hạt là: NmV 2 X P = Np = V (3) 34 Trong đó V 2 X là giá trò trung bình của V2X đối với N phân tử theo phương OX 2 2 2 2 Mặt khác ta có V = V X + V Y + V Z là vận tốc toàn phương trung bình và các phân tử khí tham gia chuyển động nhiệt hỗn loạn 2 2 2 không có phương ưu tiên, do đó: V X = V y = V z hay V2x = Y 1 2 V 3 (4) 1 Nm V 2 Từ (3) và (4) ta có: P = 3 V 1 PV = Nm V 2 3 A2 VX... còn dư * Nếu tiếp tục tăng lực kéo cho đến khi bằng và vượt quá giới hạn đàn bền Fe thì thanh kim loại sẽ đứt, gãy e Fđh b Fkéo c d a G Độ dãn dài ∆l 29 II Giảng dạy một số nội dung: 1 Giảng dạy đònh luật Bôilơ – Mariôt 1.1 Nội dung: a Đònh luật: Trong quá trình đẳng nhiệt của một lượng khí nhất đònh, áp 1 suất tỷ lệ nghòch với thể tích p ∼ V hay P.V = hằng số b Đường đẳng nhiệt Trong hệ trục toạ độ... năng 11 lượng 7 Các kỹ năng cơ bản Vận dụng Sử dụng Biểu diễn Nhận biết Vận dụng thuyết động học phân tử để giải thích các đònh luật chất khí Sử dụng các đònh luật chất khí và phương trình trạng thái của chất khí lý tưởng, Phương trình menđêlêep – Clapêron để giải bài tập + Biểu diễn bằêng đồ thò + Biết dùng đồ thò để giải các bài toán về nguyên lý I Nhiệt động lực học Các loại động cơ nhiệt và máy... phương trình cơ bản cơ học suy ra phương trình cơ bản 3 3 Wđ = KT suy ra phương trình cơ bản P = nKT và đònh nghóa nhiệt độ 2 đây là một dạng khác của phương trình menđêleep-Clapêron Lúc này 3 đònh luật của chÊt khí lý tưởng trở thành hệ quả suy ra từ phương trình menđêleep-Clapêron và thí nghiệm lúc này chỉ đóng vai trò kiểm chứng sự đúng đắn của 3 đònh luật này + Quan điểm năng lượng Các vấn đề của... lỏng có cấu trúc phức tạp và đa dạng, mỗi chất có cấu trúc tinh thể khác nhau Chính vì vậy các chất khí tuân theo một cách gần đúng những đinh luật giống nhau như 13 Bôilơ-Mriôt; Saclơ, Gay Luytxac và phương trình trạng thái + Các đònh luật về chất khí được thiết lập bằng con đường quy nạp trong điều kiện áp suất và nhiệt độ của phòng thí nghiệm Trong thực tế các đònh luật này sẽ kém chính xác nếu... thực rất loãng, tương tác giữa các phân tử khí không biểu lộ rõ, và tổng thể tích của các phân tử nhỏ hơn rất nhiều so với thể tích mà khí chiếm chỗ thì có thể coi nó như khí lý tưởng và áp dụng được phương trình Menđelev – Clapeyron 15 + Trong các đồ thò diễn tả các quá trình nhiệt cần lưu ý các chỉ số trên các trục toạ độ để làm rõ quá trình biến đổi khi hệ chuyển từ trạng thái này đến trạng thái... hiện công và truyền nhiệt thì dộ biến thiên toàn phần của nội năng bằng tổng độ biến thiên nội năng đối với từng quá trình riêng biệt, nghóa là ta có: ∆U = A + Q Biểu thức thiết lập được chính là nội dung nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học Đây là một đònh luật có tính tổng quát và được áp dụng cho bất kỳ hiện tượng tự nhiên nào, không có ngoại lệ 25 e Nguyên lý II Nhiệt động lực học - Đây là lần . các phương pháp vật lý như: Phương pháp nhiệt động lực học và phương pháp thống kê. 4 Sự áp dụng các phương pháp: Phương pháp nhiệt động lực học và phương. học suy ra phương trình cơ bản , từ phương trình cơ bản và đònh nghóa nhiệt độ suy ra phương trình cơ bản P = nKT đây là một dạng khác của phương trình