Thiết kế thí nghiệm và xây dựng video hướng dẫn thực hành thí nghiệm vật lí ở trường thpt phần các định luật chất khí

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC TRẦN THỊ NGỌC ÁNH THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM VÀ XÂY DỰNG VIDEO HƢỚNG DẪN THỰC HÀNH THÍ NGHIỆM VẬT LÍ Ở TRƢỜNG TRUNG HỌC PHỔ THƠNG PHẦN CÁC ĐỊNH LUẬT CHẤT KHÍ KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH SƢ PHẠM VẬT LÍ HàNội – 2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM VÀ XÂY DỰNG VIDEO HƢỚNG DẪN THỰC HÀNH THÍ NGHIỆM VẬT LÍ Ở TRƢỜNG TRUNG HỌC PHỔ THƠNG PHẦN CÁC ĐỊNH LUẬT CHẤT KHÍ KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH SƢ PHẠM VẬT LÍ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS TS Phạm Kim Chung Sinh viên thực khóa luận: Trần Thị Ngọc Ánh HàNội – 2018 LỜI CẢM ƠN Trong q trình thực hàn thành đề tài khóa luận này, bên cạnh nỗ lực thân, nhận đƣợc nhiều quan tâm hƣớng dẫn, giúp đỡ, góp ý, động viên từ thầy giáo mơn phƣơng pháp giảng dạy Vật lí trƣờng Đại học Giáo dục- ĐH quốc gia Hà Nội, cho phép em đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc quý thầy cô Đặc biệt xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc đến PGS TS Phạm Kim Chung Những ngƣời thầy cô tận tụy bỏ nhiều công sức, thời gian tâm huyết hƣớng dẫn mặt chuyên môn, phƣơng pháp hƣớng nghiên cứu, truyền đạt kinh nghiệm sửa chửa thiếu sót, khuyết điểm, giúp đỡ, tạo động lực giúp tơi vƣợt qua khó khăn từ ngày đầu thực đề tài đề hƣớng giải tốt để hồn khố luận Tôi xin cảm ơn tới thầy cô nhà trƣờng tạo điều kiện thuận lợi sở Vật chất để tơi thực nghiên cứu phục vụ cho khoá luận Cuối cùng, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn cha mẹ, gia đình bạn bè ln ủng hộ hỗ trợ mặt suốt thời gian nghiên cứu vừa qua Tuy cố gắng nhƣng chắn cịn nhiều thiếu sót, mong tiếp tục nhận đƣợc giúp đỡ, góp ý quý thầy cô Trân trọng biết ơn! Hà Nội, tháng năm 2018 Sinh viên thực TRẦN THỊ NGỌC ÁNH DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Viết tắt Viết đầy đủ HS Học sinh THPT Trung học phổ thông MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lí chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu Cấu trúc đề tài Chƣơng 1: Cơ sở lí luận đề tài 1.1 khí Phân tích nội dung, chƣơng trình phổ thơng phần Các định luật chất 1.1.1 Nội dung kiến thức phần Chất khí 1.1.1.1 Cấu tạo tính chất chất khí 1.1.1.2 Thuyết động học phân tử chất khí 1.1.1.3 Khí lí tưởng 1.1.1.4 Phương trình trạng thái khí lí tưởng 1.1.2 Những yêu cầu chương trình giáo dục phổ thơng 1.2 Phân tích logic hình thành kiến thức 10 1.2.1 Nhiệm vụ chương 10 1.2.2 Chuẩn kiến thức, kĩ 11 1.2.2.1 Kiến thức 11 1.2.2.2 Kỹ 11 1.2.3 Nhìn lại kiến thức THCS 11 1.2.4 Grap chương trình 13 Chƣơng 2: Thiết kế thí nghiệm 15 2.1 Danh mục thí nghiệm trƣờng THPT phần Chất khí 15 2.1.1 Định luật Boyle – Mariot 15 2.1.1.1 Mục đích thí nghiệm 15 2.1.1.2 Dụng cụ thí nghiệm 15 2.1.1.3 Cách tiến hành 16 2.1.2 Định luật Charle 17 2.1.2.1 Mục đích 17 2.1.2.2 Dụng cụ 17 2.1.2.3 Cách tiến hành 17 2.2 Bộ thí nghiệm 18 2.2.1 Giới thiệu thí nghiệm 18 2.2.2 Thiết bị 19 2.2.3 Mục đích thí nghiệm 19 2.2.4 Lắp đặt thí nghiệm 19 2.2.5 Tiến hành thí nghiệm 20 2.2.5.1 Định luật Boyle- Mariot 21 2.2.5.2 Định luật Charle 23 2.2.5.3 Định luật Gay-lussac 25 Chƣơng 3: Kết thí nghiệm 27 3.1 Kết thí nghiệm định luật Chất khí 27 3.1.1 Định luật Boyle – Mariot 27 3.1.2 Định luật Charle 28 3.1.3 Định luật Gay- lussac 29 3.2 Nhận xét kết thí nghiệm 29 KẾT LUẬN 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO 32 MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Thế giới trải qua cách mạng công nghệ mang đến thành công vang dội với thành tựu bật lịch sử làm thay đổi toàn diện sống ngƣời Ngày nay, bƣớc vào cách mạng công nghệ lần thứ hay gọi với tên “Thời đại số 4.0” Là nƣớc phát triển chƣa có điều kiện phát triển công nghệ bắt kịp với nƣớc có kinh tế cơng nghệ phát triển nhƣng đƣợc thừa hƣởng thành tựu mang lại tiện ích nhiều lĩnh vực: y tế, giao thông, truyền thông, quân Nhận thấy đƣợc hội thách thức, thực cải cách lĩnh vực giáo dục Để xã hội có hệ tƣơng lai làm chủ đất nƣớc, đƣa đất nƣớc phát triển xứng tầm hội nhập với giới cần phải trang bị kỹ sống giá trị sống để làm chủ đƣợc sống sau Để làm đƣợc điều đó, từ ngồi ghế nhà trƣờng, HS cần đƣợc phát huy tính tích cực thức từ HS phát huy đƣợc hết khả năng, sáng tạo Trƣớc u cầu đó, cải cách Giáo dục đƣợc thực toàn diện về: mục tiêu, nội dung phƣơng pháp dạy học đƣợc thể rõ “Chƣơng tình giáo dục phổ thơng tổng thể” đƣợc công bố ngày 28/07/2017 Là mơn quan trọng chƣơng trình giáo dục phổ thơng Vật lí- ngành khoa học nghiên cứu dạng chuyển động đơn giản Vật chất tƣơng tác chúng Mơn Vật lí giúp cho HS có đƣợc tri thức cốt lõi Vật lí học ứng dụng chúng sống hiểu đƣợc nguyên lí hoạt động, vận động Vật xung quanh Vật lí coi trọng việc rèn luyện cho HS kỹ vận dụng tri thức vào việc tìm hiểu giải số vấn đề thực tiễn, đáp ứng đòi hỏi sống Để đạt đƣợc mục tiêu đó, bậc trung học phổ thơng thí nghiệm, thực hành đóng trị đặc biệt quan trọng việc hình thành khái niệm, quy luật, định luật Vật lí Vì chƣơng trình Vật lí trọng đến việc hình thành lực tìm tịi khám phá thuộc tính đối tƣợng Vật lí thơng qua nội dung thí nghiệm, thực hành dƣới nhiều góc độ Những thí nghiệm Vật lí có vai trị vơ quan trọng mơn học thực nghiệm Thí nghiệm Vật lí sở để xây dựng, chứng minh kiến thức, bồi dƣỡng ch HS phƣơng pháp nghiên cứu Vật lí, rèn luyện kỹ kỹ xảo, sử dụng dụng cụ đo thiết bị khác Đặc biệt thí nghiệm Vật lí nhƣ phƣơng tiện đẻ đề xuất vấn đề, HS vận dụng, củng cố kiến thức Vật lí HS Ngồi thí nghiệm Vật lí cịn có tác dụng bổi dƣỡng số đức tính tốt cho HS nhƣ tính xác, tính trung thực, tính cẩn thận, tính kiên trì [2, tr 111] Ở chƣơng “Chất khí” Vật lí 10 sau thay đổi sách giáo khoa thuộc chƣơng trình Vật lí 12 nội dung quan trọng, tảng nguyên lí nhiệt động lực học bao gồm định luật Vật lí phức tạp khó hình dung hình dạng kích thƣớc chất khí Vì thí nghiệm góp phần mơ tƣợng định luật vô cần thiết để HS hiểu đƣợc định luật Với lí trên, tơi chọn đề tài “Thiết kế thí nghiệm xây dựng video hƣớng dẫn thực hành thí nghiệm Vật lí trƣờng THPT, phần Các định luật chất khí” Mục đích nghiên cứu Xây dựng thí nghiệm phần định luật Chất khí sử dụng dạy học chƣơng trình phổ thông Nhiệm vụ nghiên cứu Để đạt đƣợc mực đích nghiên cứu đề ra, đề tài có nhiệm vụ nghiên cứu sau: - Nghiên cứu nội dung chƣơng trình giáo dục phổ thơng mơn Vật lí; nghiên cứu việc sử dụng thí nghiệm dạy học Vật lí phổ thơng - Nghiên cứu nội dung chƣơng trình Vật lí 10 phần Chất khí để xây dựng thí nghiệm nhằm hỗ trợ dạy học phần Các định luật chất khí - Nghiên cứu thiết bị thí nghiệm phần Chất khí có, thơng qua tiến hành thí nghiệm xây dựng video Cấu trúc đề tài Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo phụ lục, nội dung đề tài gồm chƣơng: Chƣơng Cơ sở lí luận đề tài Chƣơng Thiết kế thí nghiệm Chƣơng Kết thí nghiệm 1.1 Chƣơng 1: Cơ sở lí luận đề tài Phân tích nội dung, chƣơng trình phổ thơng phần Các định luật chất khí 1.1.1 Nội dung kiến thức phần Chất khí 1.1.1.1 Cấu tạo tính chất chất khí Cấu trúc: - Mỗi chất khí đƣợc cấu tạo từ nguyên tử phân tử giống hệt - Lƣợng chất chứa Vật đƣợc xác định theo số phân tử hay nguyên tử chứa chất có đơn vị mol Số nguyên tử hay phân tử chứa mol chất số A-vô-ga-đrô N A  6,02.10 23 mol 1 Tính chất: - Bành trƣớng: Chiếm tồn thể tích bình chứa - Dễ nén: Khi áp suất tác dụng lên lƣợng khí tăng thể tích khí giảm đáng kể - Có khối lƣợng riêng nhỏ so với chất rắn chất lỏng 1.1.1.2 Thuyết động học phân tử chất khí - Chất khí bao gồm phân tử có kích thƣớc nhỏ Trong phần lớn trƣờng hợp bỏ qua kích thƣớc coi phân tử nhƣ chất điểm - Các phân tử chuyển động hỗn loạn khơng ngừng Nhiệt độ cao vận tốc chuyển động hỗn loạn lớn gọi chuyển động nhiệt Do phân tử chuyển động hỗn loạn, thời điểm hƣớng vận tốc phân tử phân bố (theo phƣơng nhƣ nhau) không gian - Khi chuyển động, phân tử va chạm với phân tử khác với thành bình Giữa hai va chạm, phân tử gần nhƣ tự chuyển động thẳng Khi phân tử va chạm với phân tử khác, hai phân tử tƣơng tác, làm thay đổi phƣơng chuyển động vận tốc phân tử Khi va chạm với thành bình, phân tử bị phản xạ chuyền động lƣợng cho thành bình Rất 2.2 Bộ thí nghiệm 2.2.1 Giới thiệu thí nghiệm Hình 3: Bộ thí nghiệm phương trình trạng thái khí lí tưởng với Cobra Với phát triển vƣợt bậc khoa học công nghệ thí nghiệm đƣợc trang bị cơng nghệ đại ngày trở nên phổ biến, giúp cho thí nghiệm trở nên đơn giản hơn, xác chuyên nghiệp tạo điều kiện cho nhà nghiên cứu phát triển đam mê Vật lí Đƣợc trang bị công nghệ đại nhƣ cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, cơng cụ tính tốn xác phần mềm thực nghiệm máy tính đặc điểm bật thí nghiệm mang tên “Equation of state of ideal gases with Cobra4”do công ty đến từ Đức chuyên cung cấp sản phẩm thí nghiệm Vật lí cho lứa tuổi Bộ thí nghiệm khác hồn tồn với thí nghiệm trƣờng THPT mang đến ƣu điểm bật nhƣ sau: - Thời gian chuẩn bị: 10 phút - Thời gian tiến hành: 10 phút - Nhóm thực hiện: học sinh 18 Điều kiện trang thiết bị để thực thí nghiệm khác biệt so với thiết bị thí nghiệm thơng thƣờng cần có: - PC với Win XP trở lên - Phần mềm “MeasureLAB” đƣợc cung cấp nhà sản xuất kèm theo thí nghiệm đĩa cứng cài đặt theo hƣớng dẫn webside cơng ty Ngun tắc an tồn sử dụng thí nghiệm đƣợc nhà sản xuất yêu cầu chất gây nguy hiểm cần trang bị gang tay, kính, đồng phục bảo vệ 2.2.2 Thiết bị - Ống thuỷ tinh Cobra - điều chỉnh điện - Máy tính 2.2.3 Mục đích thí nghiệm - Thí nghiệm kiểm chứng định luật khí lí tƣởng: Gay-lussac, Charle (Amonton) Boyles- Mariot từ rút đƣợc phƣơng trình trạng thái khí lí tƣởng 2.2.4 Lắp đặt thí nghiệm Lắp đặt thí nghiệm nhƣ hình: 19 Hình 4: Lắp đặt thí nghiệm Cobra - Kết nối cảm biến Cobra 4- Unit Thermdynamics với Cobra Wireless Link.Kết nối cặp nhiệt điện với T1 ổ cắm Cobra4 - Khởi động PC kết nối với Cobra4 - Khởi động phần mềm MeasureLAB/ Chọn thí nghiệm từ hình bắt đầu “PHYWE experiments”/ P2330160/ nạp - Sau Cobra4 đƣợc bật, cảm biến tự động đƣợc nhận diện - Lắp ống tiêm khí vào ống thuỷ tinh - Chú ý độ kín khí - Đổ đầy cốc thuỷ tinh nƣớc pha phễu chèn khuấy từ - Kết nối ống Silicon với núm ống ống thuỷ tinh để chất lỏng lan rộng đƣợc làm ấm ống - Chèn cặp nhiệt điện đặt gần ống khí gần tốt - Sau điều chỉnh thể tích ban đầu ống tiêm khí xác đến 50ml, nối đầu vịi ống khí với Cobra4 qua đoạn ống cao su ngắn Giữ kết nối ống ngắn tốt - Bảo vệ ống vòi phun ống khí chuyển đổi giảm với ống kẹp 2.2.5 Tiến hành thí nghiệm 20 2.2.5.1 Định luật Boyle- Mariot Khởi động phần mềm measureLAB thí nghiệm “Boyle and - Mariotte’s law with cobra4” Các thơng số đo đƣợc thí nghiệm đƣợc hiển thị hình - Tiến hành đo - Sau tăng lƣợng khí với lần khoảng 1ml thể tích đạt 65ml - Ghi lại thể tích lần tăng cách kích chuột vào - Đổ nƣớc vào ống thuỷ tinh khuấy khuấy từ cân áp lực nhờ xoáy pit-tong - Kết thúc phép đo, phần mềm hiển thị biểu đồ mối liên hệ thể tích áp lực nhiệt độ khơng đổi Hình 5: Mối liên hệ V p T=295.15K, n=2.086mmol 21 - - Để có áp suất thể tích tƣơng ứng, kích chuột biểu tƣợng Sau tiến hành số thay đổi kích vào Đầu tiên, kéo thả liệu đo (khối lƣợng) đến phép đo, sau kéo thả liệu vào cơng thức Hình 6:Cài đặt kênh chuyển đổi Quay lại Data pool chọn kết đo áp suất kênh pVT Hình 7: Hàm p theo 1/V T=295.15K, n=2086mmol 22 2.2.5.2 Định luật Charle - Gọi chƣơng trình “đo lƣờng” khởi động tùy chọn “Amontons’ law option A with Cobra4 ” Các thông số đo lƣờng cho thử nghiệm đƣợc tải - Bắt đầu tiến hành đo - Sau đó, điều chỉnh thiết bị gia nhiệt để làm sƣởi hệ thống điều chỉnh điện - Trộn nƣớc ống thủy tinh cách di chuyển khuấy từ trợ giúp nam châm cân áp lực ống khí cách xoay pít-tơng - Ghi lại áp suất tƣơng ứng với nhiệt độ ban đầu cách nhấp vào Sau lần tăng nhiệt độ K, đẩy pít tơng nhanh vào ống tiêm khí thể tích khí đƣợc nén với thể tích ban đầu V = 50 ml lấy giá trị cách nhấp vào - Sau nhiệt độ đạt khoảng 370 K có mát rõ ràng khơng khí q trình nén, tắt thiết bị gia nhiệt chấm dứt phép đo cách nhấn - Biểu đồ cho phụ thuộc áp lực p lên nhiệt độ thể tích khơng đổi nhƣ sau đƣợc trình bày chƣơng trình 23 Hình 8: Sự phụ thuộc p vào T V=50ml n=2.23 mmol - Để có đƣờng pV/T với nhiệt độ ta chọn Data pool kích chuột Có thể thực vài thay đổi, kéo thả liệu thể tích, nhiệt độ áp suất tới cơng thức nhƣ hình sau: Hình 9: Sự phụ thuộc pV/T theo T 24 2.2.5.3 Định luật Gay-lussac - Gọi chƣơng trình đo lƣờng khởi động thí nghiệm “Gay-lussac law with Cobra4” thông số đo đƣợc hình - Bắt đầu đo lƣờng - Ghi lại giá trị cho nhiệt độ ban đầu cách nhấp vào - Bật thiết bị sƣởi ấm điều chỉnh điều chỉnh nguồn để lớp kính đƣợc làm nóng từ từ - Trộn nƣớc ống thủy tinh cách di chuyển khuấy từ trợ giúp nam châm cân áp lực ống khí cách xoay pít-tơng - Sau lần tăng thêm ml, lấy giá trị Sau thể tích khí đạt đến 60 ml, tắt thiết bị gia nhiệt chấm dứt phép đo cách nhấn - Biểu đồ đƣợc hiển thị chƣơng trình thể phụ thuộc thể tích V vào nhiệt độ T áp suất khơng đổi Hình 10 Sự phụ thuộc V vào T p= 1020 hPa n= 2.23 mmol 25 Để có đƣờng pV/T so với thể tích, chọn Data pool tƣợng kích chuột vào biểu sau sửa đổi kênh, kéo thả liệu thể tích, nhiệt độ áp suất phép đo tới ô công thức - Chọn liệu đo lƣờng tuỳ chọn “Diagram” (sơ đồ) đồ thị hiển thị: Hình 11: Sự phụ thuộc pV/T vào V 26 Chƣơng 3: Kết thí nghiệm 3.1 Kết thí nghiệm định luật Chất khí Sau xây dựng thí nghiệm tiến hành thí nghiệm thu đƣợc kết thí nghiệm nhƣ sau: 3.1.1 Định luật Boyle – Mariot Hình 1: Mối liên hệ thể tích V áp suất p T= 295.15K, n=2.086mmol Hình 2: Hàm áp suất theo 1/V T= 295.15K, n=2.086mmol 27 3.1.2 Định luật Charle Hình 3: Sự phụ thuộc áp suất p theo nhiệt độ T thể tích V = 50ml, n=2.23mmol Hình 4: Sự phụ thuộc pV/T theo T 28 3.1.3 Định luật Gay- lussac Hình 5: Sự phụ thuộc thể tích vào nhiệt độ p= 1020hPa n=2.23mmol Hình 6: Sự phụ thuộc pV/T vào thể tích V 3.2 Nhận xét kết thí nghiệm Q trình tiến hành thí nghiệm nhanh chóng kết thí nghiệm hiển thị dƣới dạng đồ thị trực quan, với thao tác đơn giản lấy số liệu cụ thể cần thiết Bộ thí nghiệm hạn chế đƣợc sai số ngẫu 29 nhiên thơng số đƣợc phần mềm MeasureLAB đọc tính tốn xác Nếu thí nghiệm đƣợc sử dụng phổ biến nhà trƣờng tạo điều kiện cho học sinh nghiên cứu cách nghiêm túc định luật phần chất khí giúp cho HS phát triển kĩ cần thiết khác nhƣ: sử dụng phần mềm máy tính hỗ trợ tính tốn, vẽ đồ thị 30 KẾT LUẬN Trong thời gian ngắn tơi hồn thành mục tiêu đề đề tài: “Thiết kế thí nghiệm xây dựng video hƣớng dẫn thực hành thí nghiệm Vật lí trƣờng THPT, phần Các định luật chất khí” Kết thu nhận đƣợc nhƣ sau: - Hệ thống hoá sở lí luận lí thuyết xây dựng sử dụng thiết bị dạy học Vật lí trƣờng THPT: o Thí nghiệm định luật Boyle- Mariot o Thí nghiệm định luật Charle - Hƣớng dẫn sử dụng thí nghiệm Equation of state of ideal gases with Cobra4 Bên cạnh đóng góp khố luận, khố luận cịn số hạn chế sau: - Bộ thí nghiệm dừng lại thí nghiệm biểu diễn mà chƣa thí nghiệm thực tập Điều xuất phát từ việc thí nghiệm Equation of state of ideal gases with Cobra4 chƣa phổ biến rộng rãi Việt Nam - Do điều kiện hạn chế thời gian nên việc đánh giá tính hiệu chƣa mang đầy đủ tính khái qt Đề tài hồn thành, nhƣng thời gian nhƣ kiến thức thân cịn hạn hẹp nên khơng tránh khỏi thiếu sót, mong góp ý bổ ích q thầy cô 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu Tiếng Việt Tơn Tích Ái (2013), Cơ sở Vật lí tập I: Cơ học – Nhiệt học, NXB Văn hoá dân tộc Phạm Kim Chung (2006), Bài giảng Phƣơng pháp dạy học Vật lí trƣờng trung học phổ thơng Nguyễn Huy Sinh (2006), Giáo trình nhiệt học, NXB Giáo dục Bộ giáo dục đào tạo (2018), Chƣơng trình giáo dục phổ thơng mơn Vật lí (Dự thảo ngày 19 tháng năm 2018) , NXB Giáo dục Tài liệu Tiếng Anh https://repository.curriculab.net/files/versuchsanleitungen/p2320162/p23 20162e.pdf 32 ... ? ?Thiết kế thí nghiệm xây dựng video hƣớng dẫn thực hành thí nghiệm Vật lí trƣờng THPT, phần Các định luật chất khí? ?? Mục đích nghiên cứu Xây dựng thí nghiệm phần định luật Chất khí sử dụng dạy... tài: ? ?Thiết kế thí nghiệm xây dựng video hƣớng dẫn thực hành thí nghiệm Vật lí trƣờng THPT, phần Các định luật chất khí? ?? Kết thu nhận đƣợc nhƣ sau: - Hệ thống hố sở lí luận lí thuyết xây dựng. .. DỤC THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM VÀ XÂY DỰNG VIDEO HƢỚNG DẪN THỰC HÀNH THÍ NGHIỆM VẬT LÍ Ở TRƢỜNG TRUNG HỌC PHỔ THƠNG PHẦN CÁC ĐỊNH LUẬT CHẤT KHÍ KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH SƢ PHẠM VẬT LÍ Ngƣời hƣớng dẫn