Giảng dạy phần nhiệt học cơ bản ở trường trung học phổ thông bằng phương pháp mô hình

ĐẠI HỌC QƯÔC GIA HÀ NỘI KHOA S PHẠM GIẢNG DẠY • PHẦN NHIỆT • HỌC • c o BẢN ỏ TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỎ THÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP MƠ HÌNH LUẬN VÃN THẠC s ĩ s PHẠM VẬT LÝ • • * • Chuyên ngành: LÝ L UẬ N VẢ PHƯƠNG P HÁ P DẠY HỌC ( B ộ MÔN VẬT LÝ) Mà số: 601410 Học viên: Neô Phương Thủy Cao học ngành Sư phạm Vật lý Khóa I Can hướng dan: GS.TS Niiuven H uy Sinh 11Ả N O I - 0 LỜI C Ả M ƠN Luận vàn dược hoàn thành hướng dan tận tinh cua GS TS Nguyền Huy Sinh, l õi xin bày to iònii biẽt ơn sâu săc dên ngưừi thày dạy dỗ hướng dần rât nhiêu tro nu trinh nụhiên cứu khoa học Tôi xin chân thành cám ơn Ban chu nhiệm khoa Sư phạm, khoa Sau đại học cua trưởng Đại học Ọuốc Gia Hà Nội dã tạo nhiều diều kiện thuận lợi cho trinh học tập làm luận văn tỏt nghiệp Tôi xin chân thành cam ơn thày cô giáo khoa Sư phạm khoa Vật lý trường DI 1K.11TN - ĐI ỉ Quốc Gia 1ỉà Nội, thày cô giáo khoa Vật lý trường DI Sư Phạm Hà Nội tận tình giảng dạy, giúp đỡ dónỉi góp nhiêu ý kiến quý báu vê mặt chuyên mơn q trình nghiên cửu hồn thành luận văn cua tòi Xin chân thành cám ơn Ban giám hiệu, thày cô giáo tô môn Vật lý - Kỳ thuật công nghiệp trường T H P T Thái Phiên - llai phịng, thày giáo tố môn Vật lý tnrờng TÈ 1PT Chu Vãn An - I Nội học sinh lớp 10 AI tạo điều kiện giúp d q trình tơi làm thực ntihiệm sư phạm hoàn thành luận văn Hà Nội, ngày tháng,//'/ năm 2008 Học viên Ngô P huong Tliuý MỤC LỤC Trang PH ẢN M ĐÀU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu 3 Đối tượne nghiên cứu Giả thuyết khoa học Nhiệm vụ nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu Phương pháp nehiẻn cứu Đóng góp cùa đề tài Cấu trúc luận văn Chương 1: c SỞ LÝ LUẬN VẺ PHƯƠNG PHÁP MỊ HÌNH TRONG DẠY HỌC VẬT LÝ Ỏ TRƯỜNG PHĨ THƠNG 1.1.Tổng quan vê mơ hình 1.1.1 Định nghĩa mơ hình 1.1.2 Sự phát triển khái niệm mỏ hình Vật lý học 1.1.2.1 Mơ hình vĩ mơ 1.1.2.2 Mơ hình vi mơ 1.1.2.3 Mơ hình Tốn học 1.1.3 Chức cùa mơ hình Vật lý 1.1.4 Tính chất cùa mơ hình ] 1.4.1 Tính tương tự với vật gơc 1.1.4.2 Tính đơn giản 1.1.4.3 Tinh trực quan 1.1.4.4 Tính quy luật riêng 1.1.4.5 Tính lý tường 1.1.5 Các loại mơ hình sư dụne Vật lý học 10 1.1.5.1 Mô hình vật chất 10 1.1.5.2 Mơ hình lý tường (hay mơ hình lý thuyết) 11 a Mơ hình kí hiệu 11 b Mơ hình biểu tượng 12 1.2 Phương pháp mỏ hình Vật lýhọc 12 1.2.1 Cơ sờ lý thuyết cùa phương pháp mơ hình 12 1.2.2 Các giai đoạn cùa phương pháp mơ hình 13 1.2.2.1 Giai đoạn 1: Nghiên cứu nhữne tính chất cùa đổi tượng gốc 13 1.2.2.2 Giai đoạn 2: Xây dựng mơ hình 13 1.2.2.3 Giai đoạn 3: Thao tác mơ hình, suy hệ quà lý thuyết 14 1.2.2.4 Giai đoạn 4: Thực nghiệm kiêm tra 15 1.2.3 Ư’u điểm nhược điểm phương pháp mơ hình Vật lý 16 học 1.2.3.1 Ưu điểm 16 1.2.3.2 Nhược điểm 17 1.3 Phương pháp mơ hình troníi dạy học Vật lý 17 1.3.1 Vai trị mơ hình dạy học Vật lý 17 1.3.2 Các n ứ c độ sư dụng phương pháp mơ hình dạy học Vật lý 18 1.3.2.1 Mức độ 18 1.3.2.2 Múc độ 18 1.3.2.3 Múc độ 18 1.3.2.4 Múc độ 18 1.3.2.5 Múc độ 18 19 C hương 2: c o s LÝ TU UY ÉT ĐÉ MỞ RỘNG TRONG GIẢNG D Ạ Y PHÀN NHIỆT HỌC CHO HỌC SINH Ớ TRƯỜNG PHĨ THƠNG 2.1 Nhiệt lượng ngun lý thứ I cua Nhiệt độne lực học 19 2.1.1 Nhiệt lượng 19 2.1.1.1 Các khái niệm 19 2.1.1.2 Nội cùa hệ nhiệt động 19 2.1.1.3 Nhiệt công 19 a Khái niệm nhiệt lượng 19 b Khái niệm vẽ công 19 2.1.2 Nhiệt dung nhiệt chuyển trạne thái 20 2.1.3 Liên hệ nhiệt công 20 2.1.4 Nguyên lý thứ I cùa Nhiệt động lực học - Sự truyền nhiệt 20 2.2 Thuyết độnc học chất khí 21 2.2.1 Thuyết động học chất khí mơ hình học cùa chất lý tưỡnu 21 2.2.1.1 Cấu tạo nguyên tử, phân từ vật chất 21 2.2.1.2 Chuyên động nhiệt, s ố Avogadro 22 2.2.1.3 Các thuộc tính quan trọng phân tư nguyên tứ 22 2.2.2 Khí lý tường - Phương trình trạng thái cùa khí lý tường 22 2.3 22 Nguyên lý thứ cùa nhiệt động lực học Entropy 2.3.1 Một vài hạn che nguyên lý 22 2.3.2 Quá trình thuận nghịch bất thuận nghịch 23 2.3.3 Chu trinh Carnot 23 2.3.4 Hai cách phát biêu nguvên K cùa Nhiệt động lực học 24 2.3.4.1 Dộng nhiệt máy lạnh 24 2.3.4.2 I lai cách phát biêu cua Nmiyên lý 24 a Cách phát biểu cùa Thomson 24 b Cách phát biểu cùa Clausius 24 Chương 3: ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP MỊ HÌNH ĐÉ GIANG DẠY 25 M Ộ T SÓ VÁN ĐẺ NHIỆT HỌC c BAN CHO HỌC SINH Ớ TRƯỜNG PHÓ THÕNG 3.1 Cấu trúc nội dung phần NHIỆT HỌC chương trình Vật lý lóp 10 25 Chuyên ban 3.2 Sơ đồ cấu trúc nội dung phần Nhiệt học chương trinh Vật lý lớp 25 10 chuyên ban 3.3 Nội dung chi tiết kiến thức kỳ học sinh cần có học phần 327 Nhiệt học 3.3.1 Nội dung kién thức 27 3.3.1.1 Cấu tạo chất 27 3.3.1.2 Thuyết động học phân tử chất khí 28 3.3.1.3 Khí lý tưởng Các định luật khí lý tường 29 a Định nghĩa khí lý tường 29 b Định luật Bovle - Mariotte 29 c Định luật Charles 30 d Phương trình trạng thái khí lý tưởim Định luật Gay Lussac 31 3.3.1.4 Chất rắn - Đặc điểm cấu tạo cua chất rắn Các loại biến dạng vật 32 răn a Đặc điểm cấu tạo cùa chất ran 32 h Các loại hiên dạng vật ran 33 3.3.1.5 Chât lòng Lực cãnii be mặt tirợrm mao dần 35 a Lực căng bẽ mặt 35 h Hiện tượng dinh ướt khơng dính ướt 35 c Hiện tượnc mao dần 35 3.3.1.6 Các trạrm thái chuyên trạng thái 35 a Nhiệt chun trạnu thái 35 b Nóng chảy - đơng đặc 36 c Hóa - ngưng tụ 36 3.3.1.7 Nội Nguyên lý Nhiệt động lực học 36 3.3.1.8 Nguyên lý cùa nhiệt động lực học 36 Các cách phát biểu, c ấ u tạo máy lạnh độnc nhiệt a Cấu tạo cùa động nhiệt máy lạnh 36 b Nguyên lý cùa Nhiệt động lực học 37 3.3.2 Các kỳ học sinh cân rèn luyện 37 3.4 Áp dụng phương pháp mơ hình giảng dạy phần nhiệt học 38 3.4.1.Ap dụng phương pháp mơ hình trone, giảng dạy bài: Thuyết động 38 học phân từ chất khí c ấ u tạo chất (sử dụng mơ hình thuyết động học phân tử chất khí để giải thích số tượng thực nghiệm) 3.4.1.1 Sơ đô tiến trinh nhận thức thuvết độne học phân từ 38 3.4.1.2 Các giai đoạn sư dụng mơ hình đê giảng dạv bài: Thuyết động 39 học phàn tư chât khí Câu tạo chât 3.4.2 Áp dụng phương pháp mơ hình dẻ giảng dạy bài: Định luật Boyle 46 - Mariotte 3.4.2.1 Sơ đồ tiến trình nhận thức cùa bải Định luật Boyle - Mariotte 46 3.4.3.2 Các eiai đoạn sử dụng mô hinh đè dạy học bài: Định luật Boylc 47 - Mariotte 3.4.2.3 Một số hệ suy rộng từ phươnu pháp mô hinh áp dụrm cho 49 suy luận mơ hình khí lý tưỡrm 3.4.3 Ap dụnti phirơnu pháp mỏ hình dê iiians dạ\ bài: Plurơnu trình 54 trạng thái chất khí lý tường Định luật Gay Lussac 3.4.3.1 Sơ tiến trình nhận thức bài: Phương trình trạng thái cùa 54 chất khí lý tường Định luật Gay Lussac 3.4.3.2 Các giai đoạn áp dụnu mơ hình dạy học bài: Phương trình trạng 55 thái lý tường Định luật Gay - Lussac 3.4.4 Áp dụne phương pháp mô hinh để giảng dạy bài: Bài tập chất 59 khí (Bai tập tổng quát) 3.4.4.1 Sơ đồ tiến trinh nhận thức cùa bài: Bài tập chất khí 59 3.4.4.2.Các giai đoạn áp dụng mơ hình đê dạv học bài: Bài tập vé chất 60 khí (bài tập tổng quát) 3.4.4.3 Bài tập ví dụ 65 3.4.5 Ap dụng phương pháp mơ hình đè giảng dạy bài: Chất răn 69 3.4.5.1 Sư đồ tiến trình xây dựng kiến thức bài: Chất rắn 69 3.4.5.2 Các giai đoạn áp dụng phương pháp mơ hình để dạy học bài: 71 Chất ran 3.4.6 Ap dụng phương pháp mơ hình đê giảng dạy bài: Ngun tac hoạt 75 động cua độntỊ nhiệt máy lạnh - Nguyên lý thứ 11 NDI.Í ỉ 3.4.6.1 Sơ đỏ tiến trinh xây dựng kiên thức bài: Nííuyèn tăc hoạt động 75 cua động nhiệt máy lạnh 3.4.6.2 Các giai đoạn sư dụng phương pháp mơ hình đè dạy học bài: 78 Nguyên tẳc hoạt dộng cùa động nhiệt máy lạnh Nguvên lý II Nhiệt dộnu lực học Chương TI ỉ ự c N G H IỆ M S Ư P H Ạ M 83 4.1 Mục đich cua thực nuhiệm sư phạm 83 4.2 Đối tượng cua thực nahiệm sư phạm 83 4.3 Phươim pháp thực nnhiệin 84 4.3.1 Chuấn bị thực nẹhiệm 84 4.3.2 ỉ linh thức tị chức q trình thục nghiệm 84 4.3.3 Tiêu chí đánh giá kết hoạt dộng thực nạhiệm sư phạm 84 4.4 85 Thời uian tiến hành thực nahiệm: 4.5 Kêt quà thực nshiệm nhận xét 85 4.5.1 Kết kiêm tra dạy lớp I OA I phần kiến thức khác, khôna sử 85 dụng phương pháp mơ hình hóa 1.1 Kết kiêm tra kỳ 85 4.5.1.2 Kết kiểm tra nừa đầu kỳ 86 4.5.2 Kẻt kiếm tra dạy lứp 10A1 với việc áp dụng phươne 87 pháp m hình hóa 4.5.3 Nhận xét chung 88 KÉT LUẬN 90 Kết q u ả đ t đ ợ c ciia đề tài 90 Dóng góp ciia đề tài 90 Các học 91 Hạn chế 91 TÀI LIỆU T H A M K H Ả O 92 D A N H M Ụ C C Á C H Ì N H VÀ B À N G B I Ẻ U S Ử D Ụ N C T R O N G L L Ạ N VẮN Trang Hình 2.1: 19 Hình 2.2: Chu trinh Carnot 23 Hinh 3.1: Sơ đồ cấu trúc nội dunạ phản Nhiệt học tronc chươne 26 trình vật lý lớp 10 nâng cao trường THPT Hình 3.2: Chuyên độne cùa phản tử vật chât 27 Hình 3.3: Chuyền động cùa phân tử khí 28 Hình 3.4: Đường đẳne nhiệt tronu hệ tọa độ PV 29 Hình 3.5a: Dường đẳntỉ tích giản đồ pT 30 Hình 3.5b: Đường đẳng tích giàn đồ pV 31 Hình 3.6a: Đường đăn2 áp giản đồ VT 32 Hình 3.6b: Đường đăng áp giản đồ pV 32 Hình 3.7: Sơ đồ hoạt động động nhiệt 36 Hình 3.8: Sơ đồ hoạt động máy lạnh 37 Bảng 4.1: Kết quà học tập môn Vật lý học kỳ cùa lớp (chưa áp 85 dụng phưưng pháp mơ hình) Bàng 4.2: Kết học tập môn Vật lý nứa đầu học kỳ cùa lớp 86 (chưa áp dụng phươne pháp mơ hình) BảniỊ 4.3: Ket kiểm tra cụ the đầu điểm cùa lớp thực 86 nghiệm nửa đầu học kỳ Bảng 4.4: Két quà kiêm tra môn Vật lý lớp thực nghiệm lớp đôi 87 chime nứa cuối học kỳ Bàne 4.5: Kêt quà kiêm tra cụ thê nghiệm nửa cuôi học kỳ đâu diêm cùa lớp thực 88 ác g ia i đoạn sứ dụng phương pháp mơ hình đê dạy học bài: Nguyên rúc hoạt động cua động nhi ycn lý // cua Nhiệt động lực học vị kiến thức: Động nhiệt Nội dung Kêt qua N hận * N ghiên cứu tính chất đối tượng gốc + Mô tá hoạt động động nhiệt + Vi dụ vè số động nhiệt hoạt động thực tá + Ví dụ nhiệt biến thành cỏne đời sổng - Đ ộng nhiệt thiết bị biến đồi nhiệt thành công - Loại - Ví dụ : động xe máy, tị, động nhiệt t đơn giản mơ ta SGK dụng sông — * Xây dự ng mơ hình Nguỏn nong T M hình hóa thành phần cua động nhiệt (gồm phần) + Tảc nliảiì va cáu cua động"!? nhiệt Mô ta chức thành phần cua động nhiệt + JQ ị •A r •-* Ị Ghi n cua độ nguyên N g u n lạnh T; - Ngn nóng đê cung cấp nhiệt lượng - Nguồn lạnh đê thu nhiệt lượng - Vật trung gian đóng vai trị nhận nhiệt sinh công, gọi tác nhân, với thiết bị phát động chung Suy hệ qua lý thuyêt T sơ đồ khối nguyên lý hoạt động uy biêu thức liên hệ đại lượng ộng nhiệt Suy dại lượng đo hiệu suất (hiệu năng) cua độne, nhiệt (H) C ông động n hiệt sinh ra: A= Q| - ọ2 H _ A Qx Ỡ - Q2 0, Hiệu suấ đơng SƠ cơng nhiệt nhận H _ A Qi = Thực nghiệm kiếm chứng Chi nhiệt lượng cung cấp cho Tính trướ ó thê thí nghiệm với động đơn giàn cụ động cơ; Phần nhiệt lượng sinh công cua động hẻ thực tế (ví dụ động nước ơn gian) phân nhiệt lượng dư thừa kiên thức: Máy lạnh Nội dung Kêt Nghiên cứu tính chât đơi tượng 2ƠC N hận xé Máy lạnh Mô ta hoạt dộng cua máy lạnh - Chuyên nhiệt lượng từ vật lạnh bị vận Ví dụ vê sô loại máy lạnh thực tế sang vật nóng lượng từ N ghiên cứu nguyên lý hoạt động chune cho ác loại máy lạnh c sang vật n sứ dụng ngoái Thực nghiệm kiêm chứng Kiêm chửng thịng qua tốn máy ạnh So sảnh hệ số làm lạnh máy Lựa chọn lạnh thường gặp lanh đê tìrnạ Dần chứng loại máy lạnh thường gặp ong thực tê tnr thể - - " kiến thức: Nguyên lý 11 cua NĐLH Nội dung Kêt Nghiên cứu tính chất đổi tượng gốc Nghiên cứu hoạt độne, cua động nhiệt N hận xé Nhiệt - Biến nhiệt lượng thành công ch truyền vậ vật lạnh h Nghiên cứu hoạt động cua máy lạnh - K hông thê có trường hợp vật tự truyền nhiệt cho vật có nhiệt độ cao mà khơng có tác nhân khơng nhận cịng từ mơi trường Xây dự ng mơ hình Đưa nhận xét ngun tắc truyền hiệt => khái quát hóa thành nguyên lý II: Suy hệ lý thuyết T kết luận suy cách phát biêu - Nhiệt chi tự động truyền vật nóng sang vật lạnh hoặc: Hai cách - Nhiệt khơng tự truyền từ vật lạnh sang vật nóng đương - Hai cách phát biếu cua Thomson Clausius: hoàn t Nguyên l Chương TIIỤ C NGHIỆM su PHẠM 4.1 Mục đích cùa thực nghiệm su phạm Trẽn cư sơ tiên trinh dạy học giai đoạn SƯ dụnu phương pháp mỏ hinh áp dụnti troim dạy học Vật lý phần nhiệt học, tỏi tiến hành thực nghiệm sư phạm nhàm dạt mục đích sau: - D ánh giá tính thi cua việc áp dụnii phương pháp m hình hóa Lìiáng dạy phàn nhiệt học phạm vi lớp nâng cao trường phố thông - So sánh đối chiếu kết học tập trình thực nghiệm với kết qua học tập cua học sinh lớp khơng áp dụnu phương pháp m hình hóa đê giảng dạy Sơ đánh giá, rút kết luận vê hiệu qua cua việc sir dụng phương pháp m hình giàng dạy - Hồn thiện, điều chinh, bò sung cách giang dạy cho phù hợp với thực trạng tront» trình giăng dạy lớp nâng cao 4.2 Đối tuọng thực nghiệm sư phạm I lọc sinh lớp I OA I - trường Chu Văn An - I Nội Do phần lớn nội dung kiến thức phần Nhiệt học cần trang bị cho học sinh trường phô thông tập trung vào ci lớp , giảng dạy lớp lự a c h ọ n th ích h ợ p đ ẻ làm đ ố i t ợ n g th ự c n u h iệ m SƯ p h m c h o đ ề tài Lớp 10A1 Iihìrnu lớp học chương trinh nâng cao ban Tự nhiên nên dối tirợnu học sinh lớp nhừng học sinh có kha tiếp thu chăm chi, nghiêm túc trình học tập Đây thuận lợi lớn sứ dụng lớp học sinli làm đối tượng cua thực nghiệm sir phạm Tuy nhiên khó khăn, với đối tượnụ học sinh khó có thè so sánh kêt qua thực nuhiệm cách thực xác với dơi tư ợ n s học sinh khác oNị^ 4.3 Phiro'ng pháp thực nghiệm Chuân bị thự c nghiệm - Chuân bị diêu kiện cân thiêt đè phục vụ cho công tác thực nghiệm sư phạm - Soạn chi tiết chuấn bị dầy đu, chu đáo liianụ, tài liệu trực quan theo phương pháp m hình - Chn bị sờ vật chất, phịng thí nuhiệm, phịng chức thiêt bị kèm (N hư hình vê m phỏng, m áy chiếu, mơ hình, thí nghiệm ao) 4.3.2 Hìnli thứ c tơ c q trình thự c nghiệm - Tạo khơng khí học tập thoai mái cho lớp học đè I IS có thê bộc lộ nhiêu lực cua thân làm chu hoạt động học cua - Yêu cầu học sinh chuân bị từ trước theo gợi ý sần từ trước (buôi tnrớc) cua giáo viên trinh giáng dạy - Trong số tinh huống, có thê yêu cầu n s lên trình bày hiếu biết chuẩn bị ban thân giáng, giáo viên đóng vai trị người tơ chức điều khiên lớp học 4.3.} Tiêu chí liúnh ỊỊÌá kết (Ịmi hoạt dộng thực nghiệm su phạm Đê dánh giá kêt đạt trinh thực nghiệm sư phạin cân dựa vào nhừng sau đây: - Sir dụr)íi kết qua kiêm tra có dạy phẩn khác mà không sử dụng phương pháp m hình hóa đê hệ thong kiến thức - Sư dụng kết kiêm tra dạy phần nhiệt học lớp khác mà khịĩiíỉ sir dụnu phương pháp mơ hình hóa - S dụnụ kết kiêm tra dạy phần nhiệt học bàng việc áp dụng plurm g pháp mơ hình hỏa - So sánh tinh thân thái độ học tập cua học sinh khịnti áp dụng có áp dụnii plurưim pháp mơ hình tro nu q trinh liiániì dạy