Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu, chế tạo bộ thí nghiệm khảo sát các định luật chất khí theo hướng tự tạo, sử dụng vật liệu dễ kiếm, thân thiện môi trường. Với độ chính xác khá cao (sai số dưới 1%), bộ thí nghiệm đã khảo sát được 3 định luật chất khí và minh họa phương trình trạng thái khí lí tưởng.
UED Journal of Social Sciences, Humanities & Education, ISSN: 1859 - 4603 https://doi.org/10.47393/jshe.v11i1.841 TẠP CHÍ KHOA HỌC XÃ HỘI, NHÂN VĂN VÀ GIÁO DỤC CHẾ TẠO BỘ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT CÁC ĐỊNH LUẬT CHẤT KHÍ SỬ DỤNG TRONG DẠY HỌC CHỦ ĐỀ “KHÍ LÍ TƯỞNG”– VẬT LÍ 12, CHƯƠNG TRÌNH GIÁO DỤC PHỔ THƠNG 2018 Phùng Việt Hải, Nguyễn Văn Trường Đại học Sư phạm - Đại học Đà Nẵng, Việt Nam Tác giả liên hệ: Phùng Việt Hải - Email: pvhai@ued.udn.vn Ngày nhận bài: 11-8-2020; ngày nhận sửa: 01-6-2021; ngày duyệt đăng: 17-6-2021 Tóm tắt: Bài báo trình bày kết nghiên cứu, chế tạo thí nghiệm khảo sát định luật chất khí theo hướng tự tạo, sử dụng vật liệu dễ kiếm, thân thiện mơi trường Với độ xác cao (sai số 1%), thí nghiệm khảo sát định luật chất khí minh họa phương trình trạng thái khí lí tưởng Các thí nghiệm sử dụng làm thí nghiệm biểu diễn giáo viên, thí nghiệm học sinh hướng dẫn học sinh chế tạo thí nghiệm theo hướng trải nghiệm STEM nhằm phát triển lực Vật lí học sinh dạy học chủ đề Khí lí tưởng - Vật lí lớp 12, thuộc chương trình giáo dục phổ thơng 2018 nước ta Từ khóa: chế tạo; thí nghiệm khảo sát; định luật chất khí; vật lí 12; chương trình giáo dục phổ thơng 2018 Mở đầu Trong chương trình giáo dục phổ thơng mơn Vật lí 2018 ban hành nước ta, chủ đề Khí lí tưởng dạy lớp 12 với thời lượng 12 tiết (Ministry of Education and Training, 2018) Nội dung trọng tâm phần định luật thực nghiệm chất khí Theo đó, chương trình quy định phải thực tối thiểu hai thí nghiệm là: Thí nghiệm khảo sát mối quan hệ áp suất thể tích giữ nguyên nhiệt độ (khảo sát định luật Boyle) thí nghiệm minh họa mối quan hệ thể tích nhiệt độ giữ nguyên áp suất (minh họa định luật Charles) Mặt khác, để phát triển phẩm chất lực HS, tài liệu hướng dẫn dạy học mơn Vật lí (V K Nguyen, 2019), tác giả biên soạn chương trình nhấn mạnh việc giáo viên cần tăng cường thí nghiệm học sinh (học sinh trực tiếp thực thí nghiệm) đẩy mạnh xây dựng thí nghiệm tự làm theo hướng đơn giản, dễ thực để bổ sung kịp thời vào danh mục Cite this article as: Phung, V H & Nguyen, V (2021) Fabricating experimental equipment for testing gas laws for teaching and learning "Ideal gas" - grade 12 Physics, National High School Program 2018 UED Journal of Social Sciences, Humanities and Education, 11(1), 72-78 https://doi.org/10.47393/jshe.v11i1.841 72 | thiết bị thí nghiệm tối thiểu chương trình Trong danh mục thiết bị thí nghiệm tối thiểu mơn Vật lí hành mà Bộ Giáo dục Đào tạo ban hành, có thí nghiệm trang bị trường trung học phổ thông thí nghiệm khảo sát định luật Boyle thí nghiệm khảo sát mối quan hệ áp suất nhiệt độ giữ nguyên thể tích Bộ thí nghiệm sử dụng xi lanh thủy tinh để chứa khí áp kế có độ chia lớn để đo áp suất khí (độ chia nhỏ 5.103Pa) nên độ xác chưa cao, tốn thời gian thực Như thí nghiệm hành chưa minh họa định luật Charles chưa kiểm chứng phương trình trạng thái khí lí tưởng để thực chương trình phổ thơng Nghiên cứu, chế tạo thí nghiệm định luật thực nghiệm chất khí nước ngồi có hãng chun sản xuất thiết bị thí nghiệm dạy học Phywe (Kinetic gas theory and gas laws, n.d.), Leybold (Pressure-Dependency of the Volume of a Gas at a Constant Temperature (Boyle-Mariotte’s Law), n.d.) Các thí nghiệm hãng khảo sát định luật thực nghiệm chất khí với độ xác cao Tuy nhiên, thí nghiệm phải kết nối cảm biến máy tính thiết bị cầm tay nên Tạp chí Khoa học Xã hội, Nhân văn Giáo dục, Tập 11, Số (2021), 72-78 ISSN: 1859 - 4603, UED Journal of Social Sciences, Humanities and Education, Vol 11, No (2021), 72-78 giá thành cao, chưa phát triển tối đa thành tố lực Vật lí mà chương trình đặt Các nghiên cứu nước thời gian qua có nhiều cơng bố như: Bộ mơn Vật lí (T D Nguyen, 2016), Trường Trung học Phổ thông chuyên Lê Quý Đôn, Tỉnh Khánh Hòa, Lê Minh Văn (Le, 2014), Phan Minh Tiến (Phan, 2012),… Các nghiên cứu xây dựng thí nghiệm khảo sát minh họa định luật chất khí phương trình trạng thái khí lí tưởng theo hướng: kết nối cảm biến Arduino ngôn ngữ lập trình phần mềm Visual Studio 2008 (T D Nguyen, 2016) cải tiến, tận dụng thiết bị hành (Phan, 2012) thí nghiệm tự làm từ thiết bị có sẵn thực tế (Le, 2014) Hướng nghiên cứu tác giả Phan Minh Tiến Lê Minh Văn có ý nghĩa với thực tiễn dạy học nước ta Tác giả Phan Minh Tiến khảo sát định luật Boyle định luật Charles, tác giả Lê Minh Văn chưa trình bày cụ thể số liệu khảo sát định luật chất khí phương trình trạng thái khí lí tưởng Hơn nữa, thí nghiệm chủ yếu đơn chức (nghĩa thí nghiệm khảo sát/minh họa định luật) Từ phân tích trên, việc nghiên cứu, chế tạo thí nghiệm khảo sát định luật chất khí theo hướng tự tạo, sử dụng vật liệu dễ kiếm thân thiện môi trường sử dụng dạy học chủ đề Khí lí tưởng, Vật lí lớp 12 – thuộc chương trình giáo dục phổ thơng có ý nghĩa khoa học thực tiễn nước ta Nội dung 2.1 Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu, chế tạo thí nghiệm khảo sát định luật chất khí theo hướng tự tạo, sử dụng vật liệu dễ kiếm, thân thiện môi trường, sử dụng dạy học chủ đề Khí lí tưởng, Vật lí lớp 12, thuộc chương trình giáo dục phổ thơng 2.2 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp thực nghiệm, thể cụ thể qua bước sau: Xác định mục tiêu, đề xuất phương án chế tạo thí nghiệm, chế tạo lắp ráp thí nghiệm, khảo sát định luật chất khí, xử lí kết đánh giá, định hướng cách thức sử dụng thí nghiệm dạy học 2.3 Kết nghiên cứu 2.3.1 Chế tạo thí nghiệm khảo sát định luật chất khí a Thiết bị thí nghiệm Bộ thí nghiệm gồm thiết bị Hình 1: Nhiệt kế Vỏ lon Ống dây nhựa Các gỗ Hộp keo dán Apollo silicon –A300 Ấm đun siêu tốc Giấy mơ hình Bút khơng xóa, đai nhựa giữ ống Giá thí nghiệm Hình Danh mục thiết bị dùng chế tạo thí nghiệm 73 ISSN: 1859 - 4603, UED Journal of Social Sciences, Humanities and Education, Vol 11, No (2021), 72-78 b Các bước chế tạo lắp ráp thí nghiệm Q trình chế tạo lắp ráp thí nghiệm thể qua bước: Bước Tạo giá thí nghiệm: Dùng cưa để cắt gỗ với với kích thước (gồm làm giá rộng cm, dài 60 cm; làm đế rộng 15 cm, dài 30 cm, đoạn tạo liên kết rộng cm dài 10 cm), dùng khoan bắt vít để ráp thành giá thí nghiệm Bước Tạo vạch chia thể tích đến ml ống nhựa: Bơm lượng nước biết thể tích từ xi lanh vào ống nhựa (giả sử 20 ml), sau dùng thước chia thành 20 khoảng ống nhựa, khoảng ống nhựa tương ứng ml) Bước Dùng dao rọc giấy cắt giấy mô hình (fomex độ dày mm) thành dải mỏng, dùng thước để tạo vạch chia tương ứng với ml thể tích ống nhựa, dùng keo dán dải giấy mơ hình lên gỗ làm giá thí nghiệm 2.3.2 Nguyên lý hoạt động thí nghiệm nguyên tắc đo đại lượng a Nguyên lý hoạt động thí nghiệm Thí nghiệm dựa ngun tắc bình thơng cân cân áp suất thông qua sử dụng áp kế nước Lượng khí khảo sát nằm lon phần ống nhựa bên trái bị chắn dung dịch màu Chính điều làm lượng khí ln đảm bảo khơng đổi Việc dùng chất lỏng để “nhốt khí” làm thí nghiệm trở nên nhạy (nhiệt độ thay đổi vài độ quan sát thay đổi thể tích/áp suất) – điều mà thí nghiệm trường phổ thông thực Đây điểm quan trọng để thực thí nghiệm minh hoạ định luật Charles phương trình trạng thái khí lý tưởng b Ngun tắc đo đại lượng khí - Đo nhiệt độ: Thông qua đọc số liệu nhiệt kế - Đo thể tích khí: V = 328 + Vx (ml), (1) Bước Gắn ống nhựa có nước pha màu lên giá thí nghiệm thơng qua đai giữ ống đó: 328 ml phần thể tích khí lon, Vx thể tích khí ống nhựa nhánh bên trái Bước Dùng khoan, khoan lỗ đáy lon để cắm nhiệt kế ống nhựa - Đo áp suất: Khi cân bằng, áp suất khí áp suất điểm bề mặt chất lỏng nhánh trái áp suất điểm ngang chất lỏng bên nhánh phải Bước Đánh dấu vị trí cắm nhiệt kế (giới hạn đo 1100C, độ chia nhỏ 0,50C) đoạn ống kim loại (hoặc ống thủy tinh, đường kính 0,6 cm, chiều dài cm) có đường kính đường kính ống nhựa (đường kính 0,6 cm, chiều dài khoảng m; thay ống dịch truyền y tế) vào vỏ lon (nước giải khát, nước yến…), dùng ống đong thủy tinh để đo thể tích phần nhiệt kế phần ống cắm vào lon Bước Dùng keo Apollo silicone để gắn nhiệt kế ống thủy tinh/kim loại vào vỏ lon Lắp ống dây nhựa vào đầu ống thủy tinh/kim loại cho khơng khí khơng ngồi Bước Lắp ráp hồn chỉnh thí nghiệm (Hình 2) Khi đó: p = p0 + rgh (Pa), (2) đó: p0 áp suất khí r khối lượng riêng nước màu (r = 1000 kg/m3); h chênh lệch độ cao chất lỏng bên phải so với bên trái (h > mực nước nhánh phải cao ngược lại), mốc vạch chất lỏng bên trái) 2.3.3 Khảo sát định luật chất khí bình luận a Thí nghiệm Khảo sát mối quan hệ áp suất thể tích giữ nguyên nhiệt độ (khảo sát định luật Boyle) Kéo ống nhựa bên phải lên (hoặc xuống) để thay đổi thể tích khí, đọc thể tích áp suất tương ứng lần đo, kết thể qua Bảng Sai số tỉ đối cực đại: d Amax = A + A2 + + An , DAmax với A= n A d ( pV )max = D ( pV )max ( pV ) 100% = (3) 0, 05.100 = 0,14 (%) 36, 07 Hình Bộ thí nghiệm hồn chỉnh 74 ISSN: 1859 - 4603, UED Journal of Social Sciences, Humanities and Education, Vol 11, No (2021), 72-78 Bảng Khảo sát mối quan hệ áp suất thể tích giữ nguyên nhiệt độ Kết luận: Với sai số 0,14%, giữ nguyên nhiệt độ, áp suất lượng khí khơng đổi tỉ lệ nghịch với thể tích (định luật Boyle) b Thí nghiệm Khảo sát mối quan hệ thể tích nhiệt độ giữ nguyên áp suất (khảo sát định luật Charles) Bảng Khảo sát mối quan hệ thể tích nhiệt độ giữ nguyên áp sut Sai s tng i cc i: ổV Dỗ ữ T ổV d ỗ ữ = ố ứ max 100% = 0,8 % è T ø max æV ỗ ữ ốT ứ Kt lun: Vi sai s 0,8%, giữ nguyên áp suất, thể tích lượng khí khơng đổi tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối (định luật Charles) c Thí nghiệm Khảo sát mối quan hệ áp suất nhiệt độ giữ nguyên thể tích Đồ thị ứng với đẳng trình thể qua Hình Đánh dấu mực chất lỏng nhánh bên trái (giả sử điểm O thước trái), thay đổi nhiệt độ khơng khí lon (bằng cách nhúng lon vào nước nóng), khuấy nước khoảng 10s, dịch chuyển ống nhựa nhánh bên phải để mực chất lỏng nhánh trái điểm đánh dấu O (đẳng tích) Ghi nhiệt độ áp suất Lặp lại thí nghiệm với nhiệt độ khác nhau, kết thể qua Bảng Bảng Khảo sát mối quan hệ áp suất nhiệt độ giữ nguyên thể tích Thay đổi (tăng) nhiệt độ khơng khí lon (bằng cách nhúng lon vào nước nóng), khuấy nước khoảng 10s để ổn định nhiệt độ, kéo ống nhựa nhánh bên phải (lên xuống) để mực chất lỏng nhánh (khi áp suất khí áp suất trạng thái đầu) Ghi nhiệt độ thể tích Lặp lại thí nghiệm với nhiệt độ khác nhau, kết thể qua Bảng Đồ thị đường đẳng nhiệt Đồ thị đường đẳng áp Đồ thị đường đẳng tích Hình Đồ thị đẳng q trình 75 ISSN: 1859 - 4603, UED Journal of Social Sciences, Humanities and Education, Vol 11, No (2021), 72-78 Sai s t i cc i: ổ pử dỗ ữ = ố T ứmax ổ pử Dỗ ữ ố T ứmax màu nhánh bên trái khơng bị dâng lên trào vào lon .100% = 0,24 % ỉ pư ç ÷ èT ø Kết luận: Với sai số 0,24%, giữ nguyên thể tích, áp suất lượng khí khơng đổi tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối d Thí nghiệm Minh hoạ phương trình trạng thái khí lí tưởng Thay đổi nhiệt độ khí, khuấy nước khoảng 10s, đọc thể tích áp suất tương ứng, điền số liệu vào Bảng 4, lặp lại thí nghiệm với nhiệt độ khác Bảng Minh hoạ phương trình trạng thái khí lí tưởng 2.3.4 Định hướng sử dụng thí nghiệm dạy học chủ đề “Khí lí tưởng” – Vật lí lớp 12 Để phát triển lực vật lí (thành tố tìm hiểu tự nhiên góc độ vật lí) học sinh dạy học chủ đề “Khí lí tưởng” – lớp 12 chương trình giáo dục mơn Vật lí năm 2018, giáo viên chia lớp thành nhóm, áp dụng phương pháp dạy học theo Trạm (với trạm: Trạm khảo sát trình đẳng nhiệt; Trạm khảo sát trình đẳng áp; Trạm khảo sát trình đẳng tích), nhóm sử dụng thí nghiệm để tìm tịi, khám phá định luật chất khí Nhiệm vụ cụ thể trạm thể qua phiếu học tập số Ngoài ra, theo yêu cầu cần đạt chương trình, minh họa định luật Charles từ thí nghiệm sau: Trên sở số liệu lần thí nghiệm 1, vận dụng biểu thức V định luật ( = const ) để tính thể tích V2, V3, … T thay đổi (tăng) nhiệt độ lên T2, T3… Sau thực thí nghiệm kiểm chứng đo thể tích tương ứng, từ rút kết luận Sai số tỉ đối cc i: d ổỗ p.V ửữ = 0,8% ố T ømax Kết luận: Với sai số 0,8 %, biến đổi trạng thái pV số lượng khí khơng đổi, tỉ số T Bình luận: Có thể thấy rằng, thí nghiệm cho phép khảo sát định luật chất khí phương trình trạng thái khí lí tưởng với độ xác cao Bên cạnh đó, thí nghiệm cịn có ưu điểm như: độ nhạy tốt, thao tác thí nghiệm đơn giản, thời gian thực thí nghiệm ngắn, có độ ổn định, đặc biệt chế tạo từ vật liệu tái chế Tuy nhiên, thí nghiệm cịn có hạn chế lớp keo dán gắn ống nhựa với đáy lon dễ bị bong (do làm thí nghiệm nhiều lần cho thay đổi nhiệt độ lớn), làm khí bị rị ngồi Hạn chế chúng tơi khắc phục tìm keo có khả chịu nhiệt tốt Chú ý: Với thí nghiệm này, nghiên cứu q trình đẳng tích, đẳng áp nên khảo sát trình tăng nhiệt độ (mỗi lần thay đổi không 30C) để mực nước Do vật liệu chế tạo thí nghiệm dễ kiếm, sử dụng vật liệu tái chế, thân thiện môi trường nên giáo viên dạy học theo hướng STEM trải nghiệm thông qua yêu cầu học sinh thực theo nhóm chế tạo thí nghiệm hình thức câu lạc Kết luận So với mục tiêu đề ra, nghiên cứu này, chế tạo thành cơng thí nghiệm khảo sát định luật chất khí theo hướng tự tạo, sử dụng vật liệu dễ kiếm, thân thiện mơi trường Với độ xác cao (sai số 1%), thời gian thực thí nghiệm ngắn, có độ ổn định, thí nghiệm khảo sát định luật chất khí minh họa phương trình trạng thái khí lí tưởng, đồng thời khắc phục số hạn chế thí nghiệm hành theo danh mục thiết bị thí nghiệm tối thiểu mơn Vật lí mà Bộ giáo dục Đào tạo trang bị cho trường Trung học phổ thơng Các thí nghiệm sử dụng làm thí nghiệm biểu diễn giáo viên làm thí nghiệm học sinh (khi giáo viên chế tạo nhiều bộ), đáp ứng tốt mục tiêu dạy hoc phát triển lực học sinh dạy học chủ đề Khí lí tưởng - Vật lí lớp 12, thuộc chương trình giáo dục phổ thơng 2018 nước ta 76 ISSN: 1859 - 4603, UED Journal of Social Sciences, Humanities and Education, Vol 11, No (2021), 72-78 PHIẾU HỌC TẬP SỐ Xây dựng định luật Boyle (25 phút) Nhóm: NV1: Tìm mối quan hệ p – V trình đẳng nhiệt - Kéo ống nhựa bên phải lên, xuống để thay đổi thể tích khí, đọc thể tích áp suất tương ứng lần đo, kết thể qua bảng Vx (m3) V(m3) Lần đo Dp (pa) 101325,0 28.10-6 356.10-6 431,2 101756,2 27.10-6 355.10-6 470,4 101795,4 26.10-6 354.10-6 813,4 102138,4 25.10-6 353.10-6 1078,0 102403,0 24.10-6 352.10-6 p (pa) Biểu thức dự đoán (p.V = const) - Tính biểu thức dự đốn p V, điền kết vào cột 6, từ rút nhận xét mối quan hệ (định luật Boyle) …………………………………………………………………………… NV2: Vẽ đồ thị trình đẳng nhiệt hệ tọa độ p-V - Vẽ đồ thị p – V từ số liệu thí nghiệm thu (nhiệt độ T1) - Vẽ đồ thị đường đẳng nhiệt với nhiệt độ cao (T2) - Giải thích vị trí đường đẳng nhiệt (T2 > T1) dựa vào thuyết động học phân tử chất khí (Gợi ý: Kẻ đường thẳng song song với trục p, cắt đường đẳng nhiệt, tương ứng ta có p1 p2) Tài liệu tham khảo Kinetic gas theory and gas laws (n.d.) PHYWE Systeme GmbH & Co KG https://www.phywe com/de/physik/waermelehre-thermodynamik/ kinetische-gastheorie-und-gasgesetze/ Le, M V (2014) Designing experimental equipment for gas laws from waste materials (Thiết kế thí nghiệm chất khí vật liệu phế thải) https://123docz.net/ document/2656054-skknthiet-ke-bo-thi-nghiem-chat-khi-bang-nhung-vatlieu-phe-thai.htm Ministry of Education and Training (2018) The High School Physics Program (Issued in Circular No 32/2018/TT-BGDĐT on 26/12/2018) Hanoi Nguyen, T D (2016) The equipment set to test the empirical law of gase (Bộ thí nghiệm kiểm chứng định luật thực nghiệm chất khí) http://arduino.vn/ bai-viet/608-bo-thi-nghiemkiem-chung-dinh-luat-thuc-nghiem-cua-chat-khi Nguyen, V (2019) Fabricating and using the experimental equipment for testing gas laws – Grade 10 Physics (Chế tạo sử dụng thí nghiệm khảo sát định luật chất khí – Vật lí 10) [Graduation thesis] University of Science and Education - The University of Danang Nguyen, V K (2019) A guide to teaching Physics, the New National High School Program (Hướng dẫn dạy học mơn Vật lí theo chương trình giáo dục phổ thơng mới) University of Education Phan, M T (2012) Designing some experiments to support the instruction on "Gases" and "Fundamentals of thermodynamics" (Xây dựng 77 Phùng Việt Hải, Nguyễn Văn sử dụng số thí nghiệm hỗ trợ q trình dạy học chương “Chất khí” “Cơ sở nhiệt động lực học”) [Master's thesis] Ho Chi Minh City University of Education Pressure-dependency of the volume of a gas at a constant temperature (Boyle-Mariotte’s law) (n.d.) https://www.leybold-shop.com/vp2-5-2-1.html FABRICATING EXPERIMENTAL EQUIPMENT FOR TESTING GAS LAWS FOR TEACHING AND LEARNING "IDEAL GAS" - GRADE 12 PHYSICS, NATIONAL HIGH SCHOOL PROGRAM 2018 Phung Viet Hai, Nguyen Van The University of Danang - University of Science and Education, Vietnam Author corresponding: Phung Viet Hai - Email: pvhai@ued.udn.vn Article History: Received on 11th August 2020; Revised on 1st June 2021; Published on 17th June 2021 Abstract: In this study, we fabricated the experimental equipment for testing gas laws, using eco-friendly and easy-to-find materials The equipment was able to test, with relatively high accuracy (error less than 1%), the gas laws and demonstrate the state equation of ideal gases The findings reveal that the equipment and similar experiments can be adopted for teachers’ modeling activities as well as students’ experiments, or teachers can guide their students to fabricate their own equipment as a STEM experience while teaching the topic “Ideal Gas” – Grade 12 Physics, the national high school program 2018 Key words: fabricate; testing experiment; gas laws; grade 12 Physics; national high school program 2018 78 ... nghiệm khảo sát định luật chất khí theo hướng tự tạo, sử dụng vật liệu dễ kiếm, thân thiện môi trường, sử dụng dạy học chủ đề Khí lí tưởng, Vật lí lớp 12, thuộc chương trình giáo dục phổ thông 2.2... độ vật lí) học sinh dạy học chủ đề ? ?Khí lí tưởng” – lớp 12 chương trình giáo dục mơn Vật lí năm 2018, giáo viên chia lớp thành nhóm, áp dụng phương pháp dạy học theo Trạm (với trạm: Trạm khảo sát. .. lại thí nghiệm với nhiệt độ khác Bảng Minh hoạ phương trình trạng thái khí lí tưởng 2.3.4 Định hướng sử dụng thí nghiệm dạy học chủ đề ? ?Khí lí tưởng” – Vật lí lớp 12 Để phát triển lực vật lí (thành