Bài báo trình bày việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm để sử dụng trong dạy học ba định luật về chất khí trong chương trình Vật lí lớp 10 trung học phổ thông. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.
JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE Interdisciplinary Sci., 2014, Vol 59, No 1, pp 58-62 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM ĐỂ SỬ DỤNG TRONG DẠY HỌC BA ĐỊNH LUẬT VỀ CHẤT KHÍ, VẬT LÍ 10 TRUNG HỌC PHỔ THƠNG Nguyễn Anh Thuấn Khoa Vật lí, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Tóm tắt Bài báo trình bày việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm để sử dụng dạy học ba định luật chất khí chương trình Vật lí lớp 10 trung học phổ thơng Từ khóa: Thí nghiệm, chất khí, định luật chất khí, dạy học Vật lí, Vật lí 10 Mở đầu Trong lịch sử Vật lí, ba định luật chất khí phát thực nghiệm: định luật Bôi-lơ - Ma-ri-ốt (Robert Boyle, Edme Mariotte) vào năm 1662, định luật Sác-lơ (Jacques Charles) vào năm 1787, định luật Gay Luy-xác (Louis Joseph Gay-Lussac) vào năm 1802 Đến năm 1934, Cla-pê-rôn (Benoˆıt Paul Émile Clapeyron) gộp kết ba định luật vào phương trình, phương trình trạng thái Trong chương trình Vật lí lớp 10 trung học phổ thơng (THPT), định luật Bôi-lơ Ma-ri-ốt định luật Sác-lơ khảo sát thực nghiệm Từ đó, suy luận phương trình trạng thái định luật Gay Luy-xác Như vậy, để dạy học ba định luật chất khí cần phải có thiết bị thí nghiệm (TBTN) để tiến hành thí nghiệm lượng khí xác định: khảo sát phụ thuộc áp suất khí (p) vào thể tích khí (V ) nhiệt độ khí (T ) không đổi; khảo sát phụ thuộc p vào T V không đổi; kiểm tra biểu thức V tỉ lệ với T p không đổi 2.1 Nội dung nghiên cứu Sự cần thiết phải thiết kế, chế tạo TBTN Ở trường THPT nay, trang bị TBTN cho định luật Bôi-lơ - Ma-riốt định luật Sác-lơ Một số trường Đại học Việt Nam trang bị TBTN định luật Ngày nhận bài: 15/1/2013 Ngày nhận đăng: 15/10/2013 Liên hệ: Nguyễn Anh Thuấn, e-mail: nguyenanhthuan@gmail.com 58 Thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm để sử dụng dạy học ba định luật Bôi-lơ - Ma-ri-ốt dùng bơm hút nén, TBTN định luật Sác-lơ định luật Gay Luy-xác dùng áp kế nước Một số công ty nước (Phywe, Leybold, ) sản xuất TBTN nghiên cứu định luật chất khí Một số tác giả đề cập nghiên cứu TBTN định luật chất khí: Trần Bá Trình (Luận văn Thạc sĩ - 2009), Mai Thị Dung (Khóa luận tốt nghiệp -2012), Tuy nhiên, TBTN số nhược điểm sau: - Lượng khí khảo sát (LKKS) trạng thái khơng cân bằng: LKKS làm nóng, bên xảy trình truyền nhiệt trạng thái khơng cân Khi đó, giá trị đo p, V, T không phù hợp với định luật chất khí (áp dụng cho trạng thái cân (TTCB)) Chúng tơi tiến hành thí nghiệm làm nóng đo nhiệt độ hai điểm khác LKKS, điểm đo tâm bình khí, điểm đo gần thành bình khí Kết thí nghiệm cho thấy, làm nóng, điểm đo tâm bình khí có nhiệt độ tăng từ 280 C (nhiệt độ phịng) đến 500 C chênh lệch nhiệt độ điểm đo tăng từ đến 50 C Chênh lệch nhiệt độ điểm đo lớn ta làm nóng nhanh sử dụng bình khí có tiết diện lớn Với TBTN có, làm nóng LKKS, số nhiệt kế khơng phản ánh nhiệt độ LKKS - Mất nhiều thời gian để tiến hành thí nghiệm định luật Sác-lơ định luật Gay Luy-xác: Với TBTN có, cần phải làm nóng thật chậm (hoặc làm nóng thời gian ngắn chờ ổn định nhiệt độ) để LKKS trạng thái gần cân kết thí nghiệm có sai số lớn - Khơng đảm bảo điều kiện lượng khí xác định: Trong TBTN dùng áp kế nước, làm nóng, nước bay làm khối lượng khí tăng dần Khi trở nhiệt độ phịng, thành bình có đọng giọt nước nhỏ Vì vậy, chúng tơi nghiên cứu thiết kế, chế tạo TBTN TBTN phải đảm bảo khắc phục nhược điểm TBTN có tạo TTCB LKKS (tạo nhiệt độ đồng có giá trị ổn định tồn thể tích LKKS) 2.2 Cấu tạo nguyên tắc hoạt động TBTN TBTN (Hình 1) thiết kế, chế tạo sử dụng để nghiên cứu ba định luật chất khí Thiết bị có cấu tạo nguyên tắc hoạt động sau: Các chi tiết TBTN gồm có: - Hộp nhựa suốt (140×300×90mm): - Ống nhựa suốt hình trụ (Φ10mm): - Xi lanh có pit-tông, chứa dầu silicone (20ml): - Áp kế điện tử (AKĐT) (40×40mm): - Nhiệt kế điện tử (NKĐT) tích hợp phận điều khiển nhiệt độ (BPĐKNĐ) (80×40mm): - Quạt tạo dịng khơng khí đối lưu (DKKĐL) (Φ60mm): - Bóng đèn có gắn tản nhiệt (220V-50W): 59 Nguyễn Anh Thuấn Hình Ảnh chụp (a) sơ đồ cấu tạo (b) TBTN LKKS giam ống nhựa suốt hình trụ (1) Áp suất LKKS đo AKĐT (2) nối với đầu phía ống Đầu phía ống bít kín dầu silicone Mực dầu silicone ống thay đổi nhờ pit-tơng xilanh (3) Thể tích LKKS đo nhờ thước chia vạch mililít gắn ống trụ Chúng sử dụng dầu silicone chủ yếu dầu silicone khó bay nên giảm thiểu tượng chất lỏng bay vào LKKS Khơng khí hộp nhựa (gồm phần 4a, 4b, 4c) quạt (5) thổi, chuyển động theo chu trình tạo thành DKKĐL Ban đầu, khơng khí phần (4a) quạt thổi vào tản nhiệt bóng đèn (6) làm nóng, lên theo phần trái (4b), xuống theo phần phải (4c) trở phần (4a) hộp nhựa Như vậy, DKKĐL nhận nhiệt từ bóng đèn truyền nhiệt cho thành phần khác TBTN Hộp nhựa truyền nhiệt mơi trường ngồi Khi TBTN TTCB nhiệt, nhiệt độ LKKS DKKĐL đo cảm biến nhiệt (CBN) (7) nối với NKĐT (8) BPĐKNĐ tích hợp NKĐT có tác dụng tự động điều khiển bật, tắt bóng đèn cho bóng đèn cung cấp nhiệt lượng vừa đủ để DKKĐL đạt giá trị nhiệt độ (chọn trước tùy ý) khơng đổi đó, LKKS TTCB có nhiệt độ chọn trước Ví dụ việc cài đặt BPĐKNĐ để LKKS TTCB có nhiệt độ T1 : Trên NKĐT, nhấn nút SET (số NKĐT nhấp nháy), nhấn nút (∆) nút (∇) để chọn giá trị T1 Ngay sau đó, số NKĐT nhấp nháy trở giá trị đo CBN BPĐKNĐ 60 Thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm để sử dụng dạy học ba định luật điều khiển bật bóng đèn số NKĐT nhỏ T1 Như vậy, sau thời gian ngắn, ta quan sát thấy số NKĐT T1 khơng đổi Khi đó, LKKS TTCB có nhiệt độ T1 2.3 Các thí nghiệm tiến hành với TBTN TBTN chúng tơi thiết kế, chế tạo cho phép tiến hành thí nghiệm lượng khí xác định: - Khảo sát phụ thuộc p vào V T không đổi (định luật Bôi-lơ - Ma-ri-ốt) - Khảo sát phụ thuộc p vào T V không đổi (định luật Sác-lơ) - Kiểm tra biểu thức V tỉ lệ với T p không đổi (định luật Gay Luy-xác) Sau đây, mô tả ngắn gọn thí nghiệm tiến hành với TBTN 2.3.1 Thí nghiệm khảo sát phụ thuộc p vào V T không đổi Ban đầu, LKKS TTCB có nhiệt độ phịng (T1 ) Mở van khí AKĐT, dịch chuyển pit-tơng để chọn thể tích V1 LKKS, đóng van khí AKĐT, đọc ghi lại giá trị áp suất p1 Dịch chuyển chậm pit-tơng để thể tích LKKS có giá trị V2 , V3 , đọc ghi lại giá trị áp suất tương ứng p2 , p3 Từ số liệu thu được, rút mối liên hệ p V T1 không đổi Cài đặt BPĐKNĐ để LKKS TTCB nhiệt có nhiệt độ T2 , lặp lại bước để rút mối liên hệ p V T2 không đổi 2.3.2 Thí nghiệm khảo sát phụ thuộc p vào T V khơng đổi Mở van khí AKĐT, dịch chuyển cố định pit-tông để chọn thể tích V1 LKKS, đóng van khí AKĐT, đọc ghi lại giá trị áp suất p1 nhiệt độ T1 Cài đặt BPĐKNĐ để LKKS TTCB có nhiệt độ T2 , T3 , đọc ghi lại giá trị áp suất tương ứng p2 , p3 Từ số liệu thu được, rút mối liên hệ p T V1 không đổi Dịch chuyển cố định pit-tông để chọn thể tích V2 LKKS Lặp lại bước để rút mối liên hệ p T V2 khơng đổi 2.3.3 Thí nghiệm kiểm tra biểu thức V tỉ lệ với T p khơng đổi Mở van khí AKĐT, dịch chuyển pit-tơng để chọn thể tích V1 LKKS, đóng van khí AKĐT, đọc ghi lại giá trị áp suất p1 nhiệt độ T1 Tính giá trị a = V1 /T1 Dự kiến giá trị nhiệt độ T2 , T3 Tính giá trị thể tích V2′ = aT2 V3′ = aT3 Cài đặt BPĐKNĐ để LKKS TTCB có nhiệt độ T2 , T3 Trong trường hợp, dịch chuyển chậm pit-tông để số đo AKĐT p1 , đọc ghi lại lại giá trị thể tích tương ứng V2 , V3 So sánh V2 với V2′ , V3 với V3′ để rút kết luận V tỉ lệ với T p1 61 Nguyễn Anh Thuấn không đổi Van khí trạng thái đóng, dịch chuyển pit-tơng để LKKS có áp suất p2 , lặp lại bước để rút kết luận V tỉ lệ với T p2 không đổi Trong thí nghiệm trên, nhờ van khí, ta nghiên cứu lượng khí xác định, khác Kết luận TBTN thiết kế, chế tạo không thời gian ngắn tạo nhiệt độ đồng tồn thể tích LKKS, mà cịn giữ giá trị nhiệt độ không thay đổi thời gian tùy ý Chính vậy, TBTN thiết kế, chế tạo khắc phục nhược điểm TBTN có, mà cịn mở rộng khả thí nghiệm, đặc biệt cho phép tiến hành thí nghiệm định luật Bơi-lơ - Ma-ri-ốt nhiều nhiệt độ khác nhau, cho kết tốt thí nghiệm định luật Sác-lơ định luật Gay Luy-xác TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Đức Thâm (chủ biên), Nguyễn Ngọc Hưng, Phạm Xuân Quế, 2002 Phương pháp dạy học vật lí trường phổ thơng Nxb Đại học Sư phạm Hà Nội [2] Tài liệu hướng dẫn thí nghiệm vật lí phổ thơng, 2012 Bộ mơn PPGD, Khoa Vật lí, ĐHSP Hà Nội [3] Website: www.phywe-systeme.com; www.ld-didactic.de ABSTRACT Design and manufacture laboratory equipment for teaching the three gas laws of 10th grade physics program This paper presents the study design and manufacture laboratory equipment for use in teaching the three gas laws of 10th grade physics program 62 .. .Thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm để sử dụng dạy học ba định luật Bôi-lơ - Ma-ri-ốt dùng bơm hút nén, TBTN định luật Sác-lơ định luật Gay Luy-xác dùng áp kế nước... Cấu tạo nguyên tắc hoạt động TBTN TBTN (Hình 1) chúng tơi thiết kế, chế tạo sử dụng để nghiên cứu ba định luật chất khí Thiết bị có cấu tạo ngun tắc hoạt động sau: Các chi tiết TBTN gồm có: - Hộp... sau đó, số NKĐT thơi nhấp nháy trở giá trị đo CBN BPĐKNĐ 60 Thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm để sử dụng dạy học ba định luật điều khiển bật bóng đèn số NKĐT nhỏ T1 Như vậy, sau thời gian