Trong bài báo này các tác giả trình bày 03 mô hình động cơ stirling được thiết kế, chế tạo từ các vật liệu thí nghiệm đơn giản và đề xuất phương án sử dụng các mô hình động cơ này trong dạy học vật lí ở trường trung học phổ thông theo định hướng phát triển năng lực cho học sinh.
JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE Educational Sci., 2016, Vol 61, No 8B, pp 306-311 This paper is available online at http://stdb.hnue.edu.vn DOI: 10.18173/2354-1075.2016-0188 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNG MỘT SỐ MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ STIRLING TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ LỚP 10 Nguyễn Ngọc Hưng1 , Dương Diệp Thanh Hiền2 Khoa Vật lí, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Vật lí, Trường Đại học Quy Nhơn Khoa Tóm tắt Động stirling động nhiệt đốt Robert Stirling phát minh vào năm 1816, ứng dụng kĩ thuật quan trọng nhiệt động lực học Việc thiết kế, chế tạo mơ hình động Stirling đơn giản sử dụng dạy học ứng dụng kĩ thuật vật lí giúp học sinh gắn liền kiến thức với thực tế Trong báo chúng tơi trình bày 03 mơ hình động stirling thiết kế, chế tạo từ vật liệu thí nghiệm đơn giản đề xuất phương án sử dụng mơ hình động dạy học vật lí trường trung học phổ thông theo định hướng phát triển lực cho học sinh Từ khóa: Động nhiệt, động Stirling, mơ hình động Stirling Mở đầu Động Stirling động nhiệt đốt mà ưu điểm lớn sử dụng nhiều nguồn lượng khác để hoạt động [1], ứng dụng kĩ thuật quan trọng nhiệt động lực học Tuy nhiên, chương trình vật lí phổ thông không đề cập đến động này, việc giảng dạy chương “Cơ sở nhiệt động lực học” chủ yếu thông báo nên không tạo điều kiện cho học sinh phát triển lực (năng lực thực nghiệm, lực giải vấn đề) Trên giới, nhiều nhà khoa học nghiên cứu, chế tạo kiểu động Stirling khác nhau, chủ yếu áp dụng kĩ thuật nên thiết bị có cấu tạo phức tạp, khơng phù hợp sử dụng dạy học vật lí trường trung học phổ thơng [1] Ở Việt Nam có đề tài nghiên cứu động có sử dụng dạy học chương “Cơ sở nhiệt động lực học” Vật lí 10 [2] Tuy nhiên, đề tài cho học sinh tìm hiểu động Stirling kiểu pittong tự sử dụng động để giải thích nguyên lí nhiệt động lực học Chúng nghiên cứu thiết kế, chế tạo kiểu động Stirling khác từ dụng cụ đơn giản rẻ tiền tổ chức dạy học ngoại khóa vật lí chủ đề “Động Stirling” theo định hướng phát triển lực nhằm giúp học sinh phân tích, tổng hợp, so sánh nguyên tắc cấu tạo hoạt động kiểu động Stirling đặc biệt qua đó, em hình thành kiến thức vững tạo điều kiện phát triển lực Trong báo này, đề cập đến việc thiết Ngày nhận bài: 05/08/2016 Ngày nhận đăng: 20/09/2016 Liên hệ: Nguyễn Ngọc Hưng, e-mail: nnhung67hb@yahoo.com 306 Thiết kế, chế tạo sử dụng số mơ hình kế, chế tạo số mơ hình động Stirling để minh họa nguyên tắc hoạt động động nhiệt đơn giản đề xuất phương án sử dụng mơ hình động Stirling thiết kế, chế tạo dạy học vật lí theo định hướng phát triển lực học sinh 2.1 Nội dung nghiên cứu Thiết kế mơ hình vật chất - chức động Stirling Trong trình nghiên cứu động Stirling, nhận thấy có hai kiểu động Stirling thường chế tạo sử dụng phổ biến thực tế động Stirling kiểu hai pittong (kiểu anpha) động Stirling pittong phụ (kiểu beta, kiểu gamma) [1], [3] Dựa vào kiểu động Stirling thật, chúng tơi thiết kế, chế tạo mơ hình động Stirling sau: 2.1.1 Mơ hình động Stirling với pittong phụ điều khiển từ bên ngồi Mơ hình động Stirling với pittong phụ điều khiển từ bên ngồi sử dụng để mơ mơ hình làm việc động nhiệt đơn giản kiểu beta Dựa vào động kiểu beta thật nguyên tắc hoạt động [1,4] chúng tơi xây dựng, thiết kế chế tạo mơ hình động Stirling với pittong phụ điều khiển từ bên gồm phận sau: Hình Mơ hình động Stirling với pittong phụ điều khiển bên + Thân xylanh (1) động chế tạo từ lon nhôm (loại Φ7 − 12cm): phận có chứa pittong phụ phần tác nhân ta khảo sát + Pittong phụ (2) chế tạo từ lon nhôm (loại Φ5 − 11cm): thiết kế cho phần nằm thân xylanh phần bên ngồi để điều khiển hoạt động từ bên ngồi Pittong phụ có tác dụng luân chuyển khối tác nhân bên động + Xylanh pittong lực (3) chế tạo từ ống xylanh thủy tinh loại 20ml: phận trực tiếp sinh công học pittong phụ điều khiển động nhận nhiệt lượng từ bên ngồi 2.1.2 Mơ hình động Stirling với pittong phụ Đây mơ hình động Stirling pittong phụ đơn giản hoạt động tự động cung cấp nhiệt lượng từ bên Động thiết kế gồm phận [5]: + Thân xylanh động (1) chế tạo từ lon nhôm (loại Φ7 − 25cm) Bên 307 Nguyễn Ngọc Hưng, Dương Diệp Thanh Hiền Hình Mơ hình động Stirling với pittong phụ xylanh có chứa pittong phụ (2) lon nhơm (loại Φ6 − 15), có phần lồng vào bên xylanh phần gắn vào trục quay động (4) chế tạo từ thép trịn Nó có tác dụng ln chuyển khối tác nhân động Bên gắn phận làm mát động (3) lon nhôm (loại Φ10 − 13cm) + Pittong lực (5) bóng cao su: phần gắn bên ngồi thân xylanh động phần gắn vào trục quay để sinh công học Bánh đà (6) (bằng gỗ đĩa CD) gắn vào trục quay động cơ, nơi đồng thời tạo lực phát động ban đầu cho động cơ, đồng thời phận quay động hoạt động Khi cấp nhiệt từ bên ngoài, động hoạt động động nhiệt thực tế 2.1.3 Mơ hình động Stirling với pittong lỏng Động Stirling với pittong lỏng loại động kiểu hai pittong (kiểu anpha) có pittong giãn nở pittong nén cột chất lỏng Dựa vào động kiểu an pha thật nguyên tắt hoạt động chúng [4], thiết kế, chế tạo động pittong lỏng gồm phận sau: + Thân xylanh động cơ: bao gồm ống ghép lại với thành hai nhánh chữ U Đây nơi trực tiếp nhận nhiệt lượng nhả nhiệt lượng bên ngồi Bên có chứa chất lỏng tác nhân sinh công học Hình Mơ hình động Stirling với pittong lỏng 308 Thiết kế, chế tạo sử dụng số mơ hình + Pittong lỏng cột chất lỏng nhánh động Nó có tác dụng luân chuyển khối tác nhân bên động Trong q trình hoạt động, khối khí buồng đẩy qua đẩy lại từ phần nóng sang phần lạnh ngược lại nhờ vào di chuyển pittong lỏng Từ biến đổi nhiệt cung cấp bên thành lượng dao động cột nước 2.2 Sử dụng động Stirling dạy học Vật lí lớp 10 Trong trình nghiên cứu, chế tạo động Stirling từ vật liệu đơn giản; nhận thấy mô hình động Striling thiết kế, chế tạo sử dụng dạy học ngoại khóa vật lí Chúng tơi đề xuất phương án giảng dạy ngoại khóa với chủ đề “Động Stirling” theo bước sau: Các bước tổ chức HĐNK chủ đề “Động Stirling” Bước (Buổi 1:) Giai đoạn 1: Đề xuất vấn đề cần nghiên cứu GV cho HS quan sát số hình ảnh clip ứng dụng hoạt động động Stirling thực tế, đời sống Từ GV HS đặt vấn đề cần nghiên cứu động Stirling “Động Stirling có đặc điểm cấu tạo nguyên tắc hoạt động nào?” Chia lớp thành nhóm nhỏ phân cơng nhiệm vụ tìm hiểu ngun tắc cấu tạo hoạt động động Stirling Bước (Buổi 2): - Giai đoạn 2: Nghiên cứu nguyên tắc cấu tạo, hoạt động động Stirling Các nhóm trình bày nguyên tắc cấu tạo, hoạt động động Stirling Sau tìm hiểu nguyên tắc cấu tạo hoạt động kiểu động Stirling, GV đề xuất nhiệm vụ chế tạo động Stirling từ dụng cụ thí nghiệm đơn giản Định hướng GV: Mơ hình động Stirling với pittong phụ điều khiển từ bên ngồi Mơ hình thiết kế Mơ hình chế tạo Câu hỏi hướng dẫn học sinh Câu hỏi hướng dẫn học sinh Động Stirling kiểu pittong phụ (kiểu gamma) có cấu tạo nào? Từ mơ hình lí thuyết động Stirling kiểu pittong phụ, em đâu vị trí đặt pittong phụ, pittong lực, không gian giãn nở, không gian nén? Tác nhân động luân chuyển ta cấp nhiệt cho động điều khiển pittong phụ chuyển động? Khi pittong lực hoạt động theo pittong phụ? Em chế tạo mơ hình động Stirling với pittong phụ điều khiển từ bên 309 Nguyễn Ngọc Hưng, Dương Diệp Thanh Hiền Mơ hình thiết kế Mơ hình chế tạo Mơ hình thiết kế Mơ hình chế tạo Từ mơ hình thiết kế động Stirling pittong phụ điều khiển bên ngoài, em cho biết, để động tự động hoạt động ta cần thêm phận nào? Các phận gắn kết với nào? Các phận cố định động Stirling? Để tăng hiệu suất hoạt động động phận làm mát bố trí đâu động cơ? Từ đó, em chế tạo mơ hình động Stirling pittong phụ hoạt động tự động cấp nhiệt từ bên Động Stirling kiểu hai pittong (kiểu anpha) có cấu tạo nào? Từ mơ hình lí thuyết động Stirling kiểu hai pittong, em đâu vị trí đặt pittong giãn nở, pittong nén, không gian giãn nở, không gian nén? Tác nhân động Stirling kiểu hai pittong luân chuyển từ không gian giãn nở sang không gian nén nào? - Do động Stirling kiểu anpha có cấu tạo phức tạp địi hỏi cao độ kín khí, nghiên cấu thiết kế mơ hình động Stirling kiểu anpha đơn giản đảm bảo kín khí q trình hoạt động - động Stirling với pittong lỏng Các em dự đốn động Stirling pittong lỏng có cấu tạo nào? Các em dự đốn chuyển hóa nhiệt thành động Stirling pittong lỏng nào? Từ chế tạo mơ hình động Stirling pittong lỏng Bước 3: - Giai đoạn 3: Chế tạo, vận hành mơ hình vật chất - chức động Stirling Các nhóm thực nhiệm vụ giao bước 2: phân công nhiệm vụ, tìm kiếm vật liệu, chế tạo động Stirling GV thường xuyên liên lạc tham gian vào hoạt động nhóm để có phương án giúp đỡ kịp thời em gặp khó khăn - Giai đoạn 4: Tìm hiểu ứng dụng kĩ thuật động Stirling thực tế Các nhóm nghiên cứu ứng dụng động Stirling thực tế qua hồn thiện động nhóm chế tạo Các nhóm thảo luận thống phương án báo cáo, trình bày kết phương án thí nghiệm sản phẩm động nhóm Bước 4: Tổ chức buổi tổng kết, giới thiệu sản phẩm báo cáo q trình thực nhiệm vụ nhóm Để tăng tính hấp dẫn, chúng tơi tổ chức buổi báo cáo tổng kết HĐNK hình thức thi nhóm Nội dung thi bao gồm: 310 Thiết kế, chế tạo sử dụng số mơ hình - Trình bày cấu tạo, nguyên tắc hoạt động thuận lợi - khó khăn chế tạo động Stirling theo nhiệm vụ giao - Tổ chức cho nhóm vận hành động Stirling nhóm theo nhiệm vụ phân cơng Kết luận Bài báo thực nghiên cứu việc thiết kế, chế tạo 03 mơ hình động Stirling đề xuất phương án tổ chức hoạt động ngoại khóa vật lí với chủ đề “Động Stirling” dạy ứng dụng kĩ thuật nhiệt động lực học chương trình vật lí 10 trung học phổ thơng Chúng tiến hành thực nghiệm sư phạm trường trung học phổ thơng để đánh giá tính hiệu 03 mơ hình động Stirling thiết kế, chế tạo tính khả thi phương án dạy học có sử dụng mơ hình động Stirling đề xuất Ngoài ra, kết nghiên cứu báo mở hướng nghiên cứu đề tài nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô hình máy lạnh đơn giản - ứng dụng nhiệt động lực học gần gủi với đời sống thực tế đề xuất phương án giảng dạy theo định hướng phát triển lực học sinh dạy học ứng dụng kĩ thuật nhiệt động lực học TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] Hans - Joachim Wilke, 1994 Zur historischen Entwicklung der Wăarmekraftmaschinen Physik in der Schule, pp 184 - 189 Phan Minh Tiến, 2012 Động Stirling việc vận dụng vào trình dạy học, Chương “Cơ sở nhiệt động lực học”, Vật lí lớp 10 trung học phổ thơng, Tạp chí Khoa học, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh, số 39, tr 75-84 Von Bernd Heepmann, 2007 Der Stirlingmotor - ein ganz besonderer Energiewandler Unterricht Physik, pp 78 - 80 Hans - Joachim Wilke, 1997 Einfache Experimente zur Wirkungsweise eines Stirlingmotors Physik in der Schule, pp 143 - 150 H Snyman,T M Harms, J M Strauss, 2008 Design analysis methods for Stirling engines Journal of Energy in Southern Africa, Vol 19 (No 3), pp 4-19 ABSTRACT Design, manufacture and use of the stirling engine in 10th grade physics Nguyen Ngoc Hung1 , Duong Diep Thanh Hien2 of Physics, Hanoi National University of Education Faculty of Physics, Quy Nhon University The Stirling engine is external combustion heat engine invented by Robert Stirling in 1816 It is an important technical application of thermodynamics The design and manufacture of Stirling engines is simple and using it to teach practical applications of physics will help students acquire actual knowledge In this paper, we present three stirling engine which can be made from simple materials and we propose a plan to use this engine to teach high school physics Keywords: Heat engine, Stirling engines, Stirling engine models Faculty 311 .. .Thiết kế, chế tạo sử dụng số mô hình kế, chế tạo số mơ hình động Stirling để minh họa nguyên tắc hoạt động động nhiệt đơn giản đề xuất phương án sử dụng mơ hình động Stirling thiết kế, chế tạo. .. động Stirling dạy học Vật lí lớp 10 Trong trình nghiên cứu, chế tạo động Stirling từ vật liệu đơn giản; nhận thấy mơ hình động Striling thiết kế, chế tạo sử dụng dạy học ngoại khóa vật lí Chúng tơi... việc thiết kế, chế tạo 03 mơ hình động Stirling đề xuất phương án tổ chức hoạt động ngoại khóa vật lí với chủ đề ? ?Động Stirling? ?? dạy ứng dụng kĩ thuật nhiệt động lực học chương trình vật lí 10