Thiết kế và sử dụng một số mô hình động cơ nhiệt trong dạy học vật lí phổ thông

Bài viết trình bày nghiên cứu về việc thiết kế, chế tạo một số mô hình động cơ nhiệt từ các vật liệu thông dụng được ứng dụng trong dạy học vật lí THPT hiện hành nhằm phát triển năng lực cho học sinh, đáp ứng nhu cầu đổi mới giáo dục của nước ta hiện nay.

13, SốTr.2,65-72 2019 Tạp chí Khoa học - Trường ĐH Quy Nhơn, ISSN: 1859-0357, Tập 13, SốTập 2, 2019, THIẾT KẾ VÀ SỬ DỤNG MỘT SỐ MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ NHIỆT TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ PHỔ THƠNG DƯƠNG DIỆP THANH HIỀN*, NGUYỄN NGỌC MINH Khoa Vật lý, Trường Đại học Quy Nhơn TĨM TẮT Bài báo trình bày nghiên cứu việc thiết kế, chế tạo số mô hình động nhiệt từ vật liệu thơng dụng ứng dụng dạy học vật lí THPT hành nhằm phát triển lực cho học sinh, đáp ứng nhu cầu đổi giáo dục nước ta Từ khóa: Động nhiệt, mơ hình động nhiệt, chủ đề động nhiệt ABSTRACT Design and use some heat engine models in teaching physics at high schools The article presents a research on the design and manufacture of some heat engine models from common materials used in teaching physics in high schools with an aim to develop the students’ capacity and to meet the demand of our country’s education reform nowadays Keywords: Heat engine, model of heat engine, the subject of heat engine Mở đầu Hiện nay, giáo dục nước ta chuyển dần từ việc nặng trang bị kiến thức sang việc bồi dưỡng, phát triển lực cho học sinh Để làm việc này, dạy học nói chung dạy học vật lí nói riêng cần đa dạng hóa hình thức tổ chức hoạt động học tập học sinh Đặc biệt dạy học nói chung dạy học vật lí nói riêng có sử dụng thí nghiệm chế tạo từ vật liệu thơng dụng mà học sinh dễ tìm kiếm, dễ bắt gặp sống ngày kích thích hứng thú, nhu cầu, sở thích người học giúp học sinh chủ động lĩnh hội tri thức cách bền vững Kiến thức phần nhiệt học có nhiều ứng dụng kỹ thuật đời sống thực tế đặc biệt chuyển đổi lượng nhiệt thành Nếu việc truyền đạt kiến thức phương pháp đàm thoại hay thuyết trình trừu tượng, học sinh không hiểu rõ kiến thức không tạo điều kiện phát triển lực cho học sinh Hiện nay, trường phổ thông không trang bị thí nghiệm mơ hình động nhiệt để giảng dạy kiến thức phần nên không tạo hứng thú giúp gắn liền kiến thức với thực tiễn Chúng tiến hành nghiên cứu loại động nhiệt lịch sử thực tế để lựa chọn thiết kế, chế tạo số mơ hình động nhiệt đơn giản đảm bảo nguyên tắc hoạt động động nhiệt thật để vận dụng dạy học vật lí phần nhiệt học nhằm phát triển lực cho học sinh Email: duongdiepthanhhien@qnu.edu.vn Ngày nhận bài: 27/11/2018; Ngày nhận đăng: 28/12/2018 * 65 Dương Diệp Thanh Hiền, Nguyễn Ngọc Minh Trong báo này, chúng tơi trình bày số mơ hình động nhiệt thiết kế - chế tạo; hướng dẫn học sinh thiết kế - chế tạo động nhiệt từ vật liệu thông dụng đề xuất phương án sử dụng mơ hình động nhiệt dạy học số kiến thức phần nhiệt học Nội dung Trong quá trình nghiên cứu về lịch sử máy nhiệt nói chung động nhiệt nói riêng, chúng tơi thấy động nhiệt có nhiều ứng dụng đời sống kỹ thuật Động nhiệt chia làm hai loại: Động đốt (động nước, động Stirling) loại động sử dụng nhiều nguồn lượng khác để cung cấp nhiệt lượng bên xy-lanh động Các loại động ứng dụng nhà máy nhiệt điện, tàu vũ trụ loại động Stirling với cấu tạo đơn giản, nhỏ gọn vận hành sử dụng học tập giảng dạy Mặc dù, loại động không sử dụng phổ biến trước kia, với tình hình khan nguồn nhiên liệu hóa thạch, nghiên cứu sử dụng nguồn lượng tái tạo để thay thế, đặc biệt lượng mặt trời động đốt ngồi lựa chọn tuyệt vời Động đốt (động nổ kỳ, động nổ kỳ, động Diesel, động phản lực): động nhiệt mà nhiên liệu đốt cháy trực tiếp bên xy-lanh động Các loại động ứng dụng rộng rãi đời sống kỹ thuật bao gồm động chạy xăng hay dầu động xe máy, ôtô, máy bay… đến động chạy nhiên liệu đặc biệt tên lửa, tàu vũ trụ… Dựa tìm hiểu, giới hạn nghiên cứu, tiến tới thiết kế, chế tạo số mơ hình động nhiệt đốt ngồi có cấu tạo đơn giản nhằm sử dụng dạy học vật lí trường phổ thơng 2.1 Thiết kế, chế tạo mơ hình động nhiệt 2.1.1 Mơ hình đợng Stirling Đây là mơ hình đợng Stirling giản hoạt động tự động được cung cấp nhiệt lượng từ bên ngoài Động được thiết kế gờm các bợ phận chính: Hình Mơ hình động Stirling 66 Tập 13, Số 2, 2019 + Thân xy-lanh của động (1) chế tạo từ lon nhôm (loại ∅7 - 25 cm) Bên xy-lanh có chứa piston phụ (2) lon nhôm (loại ∅6 - 15 cm), có phần được lờng vào bên xy-lanh và một phần được gắn vào trục quay của động (4) chế tạo từ thép trịn nó có tác dụng ln chủn khới tác nhân động Bên ngoài được gắn bộ phận làm mát động (3) lon nhôm (loại ∅10 - 13 cm) + Piston lực (5) bóng cao su: mợt phần được gắn bên ngoài thân xy-lanh động và một phần gắn vào trục quay để sinh công học Bánh đà (6) (bằng gỗ đĩa CD) được gắn vào trục quay của động cơ, là nơi đồng thời tạo lực phát động ban đầu cho động cơ, đồng thời là bộ phận quay động hoạt động Khi cấp nhiệt từ bên ngoài, động hoạt động động nhiệt thực tế 2.1.2 Mơ hình đợng nhiệt bập bênh Đây mơ hình động nhiệt đơn giản hoạt động nhờ ln chuyển khối khí nóng lạnh xy-lanh cấp nhiệt trực tiếp từ bên ngồi Mơ hình động thiết kế gồm phận chính: Hình Mơ hình động bập bênh + Giá đỡ từ mica nhựa (1) ghép với có độ cao ghép phải cao chiều cao xy-lanh kim tiêm (4) + Đế giá làm mica nhựa (2) dùng để lắp đặt (1) xy-lanh kim tiêm (4) + Núm cao su (3) khớp nối kim tiêm (4) với xy-lanh thủy tinh (5) + Piston lực kim tiêm (4) nơi cấp lực trực tiếp cho động hoạt động + Thân động xy-lanh có chứa viên bi nhỏ (5) cấp nhiệt trực tiếp từ bên mơi chất khơng khí ln phiên chuyển dời từ xy-lanh sang kim tiêm (4) 2.1.3 Mơ hình động nước Đây là mô hình động nước đơn giản hoạt động tự động được cung cấp nước từ bên ngoài Động được thiết kế gồm các bộ phận chính: 67 Dương Diệp Thanh Hiền, Nguyễn Ngọc Minh Hình Mơ hình động nước + Xy-lanh điều khí (1) làm nhựa suốt (đường kính ∅12), bên có piston điều khí xẻ rãnh sơ đồ bên Bên thân xy-lanh có khớp để nối với phận khác động + Xy-lanh lực (2) làm nhựa suốt (đường kính ∅21), bên có piston lực + Các khớp nối đa (3) chế tạo từ nhựa + Bánh đà (4) vừa tạo lực phát động, đồng thời nơi tạo lệch pha piston lực piston điều khí 2.2 Sử dụng động nhiệt dạy học Vật lí lớp 10 Trong quá trình nghiên cứu, chế tạo động nhiệt từ các vật liệu đơn giản; chúng nhận thấy rằng mô hình động nhiệt này có thể sử dụng dạy học kiến thức nhiệt động lực học nhằm: - Củng cố kiến thức học sinh chương “Cơ sở nhiệt động lực học”, đồng thời khắc phục sai lầm nội dung kiến thức học sinh - Vận dụng kiến thức vào giải thích tượng có liên quan như: Trình bày nguyên tắc cấu tạo, hoạt động động nhiệt - Rèn luyện kỹ năng: Thiết kế, chế tạo động nhiệt từ dụng cụ đơn giản, dự đoán tượng xảy từ thí nghiệm, kỹ giải thích tượng vật lí ứng dụng kỹ thuật, rèn luyện kỹ giao tiếp trình bày ý kiến, thảo luận báo cáo kết - Phát huy tính tích cực, tạo hứng thú cho học sinh qua hoạt động: Học sinh tự chế tạo động nhiệt, tự thảo luận nhóm tự bố trí thời gian rảnh để chế tạo làm thí nghiệm - Phát triển lực sáng tạo học sinh thông qua hoạt động: Học sinh biết lựa chọn đánh giá phương án chế tạo động cơ, biết tìm phương án thí nghiệm hợp lí đặc biệt, biết lựa chọn vật liệu phù hợp để chế tạo động cho bền, đẹp có hiệu suất cao 68 Tập 13, Số 2, 2019 - Rèn luyện kỹ làm việc nhóm, có tinh thần đồn kết, hợp tác có trách nhiệm với nhiệm vụ phân cơng Từ đó, chúng tơi nhận thấy, với mơ hình động nhiệt thiết kế, chế tạo vận dụng dạy học kiến thức nhiệt động lực học theo phương pháp dạy học tích cực dạy học dự án (mang tên dự án chuyển đổi lượng mơi trường), dạy học theo góc (theo chủ đề động nhiệt), dạy học định hướng Stem (chế tạo, vận hành động nhiệt từ dụng cụ chuẩn bị sẵn), dạy học ngoại khóa vật lí… Mặc dù, với phương pháp dạy học khác cốt lõi phương pháp dạy học giải vấn đề Chúng tơi trình bày tiến trình dạy học giải vấn đề cụ thể mơ hình động nhiệt dạy học chủ đề động nhiệt Tiến trình xây dựng kiến thức “Nguyên tắc cấu tạo hoạt động động nhiệt Stirling” Động Stirling ứng dụng kỹ thuật kiến thức nhiệt động lực học gắn liền với đời sống thực tế Việc đề cập nguyên tắc, cấu tạo, hoạt động dạy học ứng dụng kỹ thuật vật lí cần thiết diễn sau: Đề xuất vấn đề cần nghiên cứu: - Xuất phát từ kiến thức HS biết: Động nhiệt thiết bị biến đổi nhiệt lượng sang công - Cho HS quan sát hoạt động động Stirling HS tự rút nhận xét: Khi cung cấp nhiệt lượng bên ngồi cho động động hoạt động Đặt vấn đề: Động Stirling phải có cấu tạo nào? Nguyên tắc hoạt động để biến đổi nhiệt lượng sang cơng? Hãy thiết kế, chế tạo động Stirling đơn giản dựa nguyên tắc cấu tạo - hoạt động tìm hiểu 69 Dương Diệp Thanh Hiền, Nguyễn Ngọc Minh Thiết kế phương án chế tạo thiết bị thí nghiệm v Suy đoán giải pháp giải vấn đề nhờ suy luận lý thuyết từ kiến thức biết Từ mơ hình động Stirling HS nhận xét cấu tạo động cơ: - Động phải có xy-lanh chứa lượng khí xác định, lượng khí nhốt bên xy-lanh piston động - Động phải có piston để truyền lực từ lượng khí giãn nở bên xy-lanh - Động đốt nóng (đáy xy-lanh) lượng khí bên xy-lanh giãn nở thực công làm nâng piston - Nếu có nguồn nóng piston nâng lên khơng hạ xuống Nên động hoạt động lần Vậy, muốn cho động tiếp tục hoạt động (piston xuống dưới) có hai cách: + Một là: Thực cơng để ấn piston xuống (tốn công thực từ bên ngồi) + Hai là: Làm cho khối khí bên nén Muốn vậy, phải giảm áp suất khối khí bên xy-lanh cách giảm nhiệt độ khối khí (chẳng hạn phun nước lạnh vào thân động từ bên ngồi) Cho nên động cần có phận làm mát - Động cần có bánh đà để tạo lực phát động ban đầu đồng thời tạo quán tính chuyển động cho piston v Thực giải pháp suy đốn: Đưa mơ hình thiết kế động Stirling đơn giản gồm phận: - Thân động cơ: Bên có chứa lượng khí khơng đổi - Piston: Là phận tiếp nhận áp lực khối khí giãn nở để sinh cơng học - Nguồn nóng (bộ cấp nhiệt): Bộ phận có chức cấp nhiệt cho khối khí bên xy-lanh động - Nguồn lạnh (bộ hồi nhiệt): Có chức thu nhận nhiệt khối khí bên xy-lanh động để làm khối khí nén lại - Bánh đà: Để tạo lực phát động ban đầu đồng thời tạo quán tính chuyển động cho piston - Cơ cấu truyền lực: Bao gồm phận có chức tiếp nhận lực đẩy khối khí bên động truyền lực đến phận tiêu thụ đồng thời phối hợp chuyển động piston 70 Tập 13, Số 2, 2019 Chế tạo, vận hành mơ hình vật chất - chức TBKT v Chế tạo mơ hình động nhiệt đơn giản: Dựa vào phương án thiết kế, chế tạo mơ hình động nhiệt đơn giản gồm phận chính: - Thân động làm lon nhôm (loại ∅7 - 25 cm), bên chứa không khí có đặt piston tự (loại ∅6 - 15 cm) - Nguồn lạnh động chế tạo từ lon nhôm (loại ∅10 - 13 cm) Phần lon nhôm lồng vào xy-lanh động cách kht lỗ trịn có đường kính đường kính xy-lanh (∅7) Sau tra vào thân động - Ngồi piston tự do, cịn có piston lực chế tạo cao su Một đầu ống nhựa L gắn vào xy-lanh động cho lồng qua phận làm mát động cơ, đầu ống đậy kín cao su - Bánh đà, nơi tạo lực phát động ban đầu động chế tạo từ trụ gỗ (có thể thay đĩa CD) v Vận hành mơ hình động nhiệt đơn giản - Rót nước lạnh vào phần làm mát động Lượng nước rót cho vừa đầy phần thân làm mát - Đặt đèn cồn cháy bên phía mặt đáy xy-lanh - Tác động nhẹ bánh đà để tạo lực phát động, thấy tượng piston tự piston lực động tự động chuyển động lên xuống làm quay bánh đà Bổ sung, hồn thiện mơ hình vật chất - chức phương diện kỹ thuật, phù hợp với TBKT thực tế - Tóm tắt nguyên tắc cấu tạo hoạt động động Stirling v Nguyên tắc cấu tạo: Động Stirling cấu tạo gồm phận chính: Thân động có chứa lượng khí xác định; nguồn nóng để cung cấp nhiệt cho động cơ; nguồn lạnh để thu nhiệt lượng mà động tỏa v Nguyên tắc hoạt động: Động Stirling hoạt động theo chu trình khép kín (tức có q trình cơng tác nối tiếp nhau, q trình cơng tác giai đoạn làm việc tương ứng với lần sinh công) gồm q trình: nén đẳng nhiệt, nung nóng đẳng tích, giãn nở đẳng nhiệt, làm lạnh đẳng tích - Cho học sinh nghiên cứu ứng dụng động Stirling thực tế qua hồn thiện động nhóm chế tạo - Tổ chức cho học sinh báo cáo kết thiết kế, chế tạo vận hành động 71 Dương Diệp Thanh Hiền, Nguyễn Ngọc Minh Kết luận Với việc nghiên cứu động nhiệt, thiết kế chế tạo thành cơng số mơ hình động nhiệt: động Stirling, động bập bênh, động nước Với mơ hình động cơ, chúng tơi có trình bày cách thiết kế chế tạo cụ thể Những mơ hình động nhiệt đơn giản mà chúng tơi thiết kế góp phần giúp bổ sung thêm vào danh mục thiết bị trường phổ thơng nhằm giúp giáo viên giảng dạy kiến thức chương “Cơ sở nhiệt động lực học” sinh động hơn, với nhiều ý tưởng phương pháp dạy học tạo hứng thú học tập cho học sinh Đồng thời góp phần nâng cao chất lượng dạy học, đáp ứng với nhu cầu đổi giáo dục nước ta TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 Nguyễn Ngọc Hưng, Thí nghiệm Vật lí với dụng cụ tự làm từ chai nhựa vỏ lon, Tập 1, 2, 3, Nxb ĐHSP, (2009) Đỗ Hương Trà, Các kiểu tổ chức dạy học đại dạy học Vật lí trường phổ thơng, Nxb ĐHSP Hà Nội, (2011) H Snyman, T M Harms, J M Strauss, “Design analysis methods for Stirling engines”, Journal of Energy in Southern Africa, Vol 19 (No 3), (2008) Hans - Joachim Wilke, “Einfache Experimente zur Wirkungsweise eines Stirlingmotors”, Physik in der Schule, pp 143 - 150, (1997) S Wongwises, B Kongtragool, “A review of solar-powered Stirling engines and low temperature differential Stirling engines”, Renewable and Sustainable Reviews, pp 131 - 154, (2003)  ... Minh Trong báo này, chúng tơi trình bày số mơ hình động nhiệt thiết kế - chế tạo; hướng dẫn học sinh thiết kế - chế tạo động nhiệt từ vật liệu thông dụng đề xuất phương án sử dụng mơ hình động nhiệt. .. cứu, tiến tới thiết kế, chế tạo số mơ hình động nhiệt đốt ngồi có cấu tạo đơn giản nhằm sử dụng dạy học vật lí trường phổ thơng 2.1 Thiết kế, chế tạo mơ hình động nhiệt 2.1.1 Mơ hình đợng Stirling... thể mơ hình động nhiệt dạy học chủ đề động nhiệt Tiến trình xây dựng kiến thức “Nguyên tắc cấu tạo hoạt động động nhiệt Stirling” Động Stirling ứng dụng kỹ thuật kiến thức nhiệt động lực học gắn