2.1.1. Vai trò, vị trí của chương.
Vật lí phân tử là một phần của vật lí nghiên cứu tính chất của các vật, các tính chất đặc thù của tập hợp các trạng thái của vật và nghiên cứu các quá trình chuyển pha phụ thuộc vào cấu trúc phân tử của các vật, phụ thuộc vào lực tương tác của các phân tử và tính chất chuyển động nhiệt của các hạt.
Nhiệt học (hoặc ở phạm vi sâu hơn là nhiệt động lực học) nghiên cứu các tính chất vật lí của hệ vĩ mô (vật thể và trường) trên cơ sở phân tích những biến đổi năng lượng có thể có của hệ mà không tính tới các cấu trúc vi mô của chúng. Cơ sở của nhiệt động lực học là ba định luật thực nghiệm, hay còn gọi là các nguyên lý nhiệt động.
Nghiên cứu vật lí phân tử và nhiệt học tạo một bước chuyển mới trong hoạt động nhận thức của học sinh. Chất lượng mới của các hiện tượng nhiệt được giải thích bằng 2 sự kiện: Cấu trúc gián đoạn của vật chất và một số rất lớn của các hạt tương tác (phân tử, nguyên tử…) . Bởi vậy, việc giải thích các hiện tượng đòi hỏi phải đưa ra một loạt khái niệm mới: Các đại lượng trung bình, sự cân bằng nhiệt, nhiệt độ, nội năng, nhiệt lượng…Ngoài các quy luật mang tính động học, hệ nhiều hạt còn bị các quy luật khác chi phối, đó là các quy luật mang tính thống kê. Ngoài phương pháp thống kê, một phương pháp khác của vật lí học – phương pháp nhiệt động lực học cũng sẽ được áp dụng để giải thích các hiện tượng nhiệt. Trên cơ sở của phương pháp thống kê, xuất phát từ cấu trúc gián đoạn của vật chất, dựa vào thuyết động học phân tử để giải thích hiện tượng. Các hiện tượng đó có thể được giải thích dựa vào các nguyên lí của nhiệt động lực học. Việc áp dụng tổng hợp các phương pháp nhiệt động
Trang 37
lực học và phương pháp thống kê có ý nghĩa sâu sắc trong dạy học và trong cả nghiên cứu khoa học.
Có nhiều ý kiến cho rằng trong chương trình vật lí phổ thông, vật lý phân tử và nhiệt học nên được nghiên cứu song song, điều đó có cơ sở sư phạm. Tính chất đàn hồi cơ học và tính chất nhiệt của vật thể, kể cả sự biến đổi trạng thái (sự chuyển pha) của vật chất phụ thuộc vào cấu trúc vật chất và sự tương tác giữa các hạt. Các hiện tượng vĩ mô này cần được giải thích ngay bằng thuyết động học phân tử.
Theo cách trình bày truyền thống ở nhiều nước, chương trình vật lí phân tử và nhiệt học ở trường phổ thông thường bao gồm 3 nhóm vấn đề: Các hiện tượng nhiệt, các định luật thực nghiệm chất khí, thuyết động học phân tử ; các nguyên lí của nhiệt động lực học; Tính chất của các chất (rắn, lỏng, khí).
Thuyết động học phân tử là một thuyết điển hình. Qua việc phân tích đầy đủ thuyết động học phân tử chúng ta hiểu rõ hơn sự hình thành các thuyết khác.
* Cơ sở kinh nghiệm: thuyết động học phân tử (ban đầu là thuyết cấu tạo chất) là một trong những thuyết vật lí ra đời sớm nhất, được kế thừa những quan điểm cổ đại nhất về cấu tạo chất và là kết quả của cuộc đấu tranh kéo dài nhiều thế kỷ giữa những quan điểm đối lập nhau về bản chất của nhiệt. Demokritos cho rằng “ vật chất được cấu tạo một cách dán đoạn từ các hạt”, đối lập với trường phái cho rằng vật chất được cấu tạo một cách liên tục từ một số chất cơ bản. Giả thiết cho rằng nhiệt có được là do chuyển động của các hạt vật chất ra đời trước giả thiết về “chất nhiệt” và được các nhà bác học Húc (Hooke), Bôi-lơ (Boyle), Niu-tơn (Newton), Lô-mô-nô-xốp (Lomonosov) ủng hộ. Những thành tựu nguyên tử luận trong hoá học đã góp phần quan trọng đến sự ra đời của thuyết động học phân tử. Sự ra đời của số A- vô-ga-đrô (Avogadro) cho phép xác định khối lượng của từng nguyên tử. Nguyên tử từ chỗ là sản phẩm đơn thuần của trí tưởng tượng của con người đã dần dần trở thành một thực thể vật lí. Đó chính là một trong những động lực quan trọng quyết định sự ra đời của thuyết động học phân tử.
Trang 38
* Cơ sở thực nghiệm: Những sự kiện thực nghiệm về chất khí có quan hệ trực tiếp đến sự ra đời của thuyết động học phân tử là các công trình của Bôi-lơ, Ma-ri-ốt (Mariotte), Gay Luy-xác (Gay-lussac) và Sác-lơ (Charles). Năm 1834 Cla-pê-rôn (Clapeyron) thâu tóm thành công thức tổng quát PV=RT biểu diễn phương trình trạng thái chất khí. Sự phát hiện ra chuyển động Brown cũng như hiện tượng khuyếch tán của Loschmidt cũng là những cơ sở thực nghiệm quan trọng.
* Các mô hình đầu tiên:
+ Mô hình chất khí của Bôi-lơ là mô hình được đưa ra đầu tiên. Ông cho rằng chất khí do các hạt vật chất hình cầu rất nhỏ tạo thành và có tính chất đàn hồi như cao su.
+ Mô hình động học chất khí được Béc-nu-li (Bernoulli) đưa ra năm 1734 cho rằng chất khí được cấu tạo bởi những hạt vật chất chuyển động hỗn loạn không ngừng. Từ đó, mô hình của ông giải thích được nguyên nhân gây ra áp suất và giải thích thành công định luật thực nghiệm Bôi-lơ – Ma- ri-ốt.
* Hạt nhân của thuyết:
+ Tư tưởng cơ bản của thuyết động học phân tử là tư tưởng cơ học của Niu-tơn. Anh-xtanh (Einstein) cho rằng: “ thuyết động học phân tử là một trong những thành tựu to lớn nhất của khoa học chịu ảnh hưởng trực tiếp của các quan điểm cơ học” .
+ Các quan điểm cơ bản của thuyết là:
- Vật chất được cấu tạo gián đoạn từ các hạt rất nhỏ được gọi là phân tử. - Các phân tử chuyển động hỗn loạn và không ngừng.
- Các phân tử tương tác với nhau bằng các lực hút và lực đẩy
- Chuyển động và tương tác của các phân tử tuân theo các định luật cơ học của Niu-tơn.
Trong chương trình SGK hiện nay chương “Chất khí” được xem như chương mở đầu của phần nhiệt học. Nội dung của chương đề cập đến cấu trúc phân tử cũng như tính chất nhiệt của chất ở trạng thái khí, đó là cấu trúc và tính chất tương đối đơn giản so với cấu trúc và tính chất ở trạng thái kia.
Trang 39
Tương tác giữa các phân tử trong chất khí rất yếu so với trong chất lỏng và chất rắn, khác ở chỗ các phân tử khí hầu như không tương tác trừ khi va chạm, còn các phân tử ở trạng thái ngưng kết có mối liên kết khá mạnh với nhau làm cho các phân tử không chuyển động tự do mà sắp xếp có trật tự (xa hoặc gần) trong một cấu trúc. Khó có thể bỏ qua sự khác nhau trong tương tác phân tử mà trình bày chung một thuyết động học cho mọi trạng thái. Chương này trình bày thuyết động học phân tử của chất khí trước, sau đó bổ sung một phần đối với chất lỏng và chất rắn, học tiếp chương sau thì học sinh mới có khái niệm đầy đủ, ở mức độ phổ thông, về thuyết động học phân tử của vật chất. Đối với chất khí, có sự liên hệ chặt chẽ giữa cấu trúc phân tử và tính chất nhiệt. Tuy nhiên, việc này vượt ra khỏi chương trình Vật lí THPT, HS nào ham thích tìm hiểu có thể đọc trong mục “em có biết” và trong bài đọc thêm. Chương này chỉ đưa ra câu hỏi, yêu cầu giải thích định tính những định luật về chất khí bằng thuyết động học phân tử.
Những tính chất của chất khí được khảo sát bằng thực nghiệm. Ba định luật về chất khí: Bôi-lơ – Ma-ri-ốt, Gay Luy-xác và Sác-lơ đều được phát hiện bằng thực nghiệm. Tuy vậy, ở giai đoạn hiện nay chỉ cần biết hai trong ba định luật là có thể suy ra định luật thứ 3, nên tận dụng trường hợp này để học sinh làm quen với việc vận dụng suy luận để tìm ra quy luật mới, từ phương trình trạng thái tìm ra định luật Gay Luy-xác. Cần cho HS thấy rõ cơ sở thực nghiệm của phương trình trạng thái của chất khí cũng như của phương trình cla-pê-rôn – Men-đê-lê-ép. Có kỹ năng tính toán và vẽ đồ thị khi vận dụng hai phương trình này.
2.1.2. Cấu trúc của chương
Chương “Chất khí” gồm 6 bài (từ 44 đến 49) được dạy trong 8 tiết học ( 5 tiết lý thuyết, 2 tiết bài tập, 1 tiết kiểm tra).
Với cách tiếp cận vĩ mô, người ta dùng thí nghiệm khảo sát tính chất nhiệt của chất khí, tìm ra 2 trong 3 định luật, rồi dùng lập luận suy ra phương trình trạng thái trên cơ sở 2 định luật đó; kết hợp phương trình trạng thái với sự kiện thực nghiệm “thể tích mol của chất khí ở 00
C và 1 atm là 22,4 lít” suy ra phương trình Cla-pê-rôn – Men-đê-lê-ép. Như vậy phương trình Cla-pê-rôn –
Trang 40
Men-đê-lê-ép là kết quả của thực nghiệm, tổng hợp từ 2 sự kiện thực nghiệm. Với cách tiếp cận này ta có sơ đồ kiến thức như sau:
Hình 2.1.Sơ đồ tóm tắt các kiến thức chương “Chất khí”.
(1),(2),(3),(4) là kết quả thực nghiệm. (3) lại có thể suy ra từ (5) tức là từ (1), (2).
2.1.3. Mục tiêu cần đạt được khi dạy học chương “Chất khí”- Vật lí 10 nâng cao.
*Yêu cầu về kiến thức và kĩ năng:
Kiến thức Kĩ năng
- Phát biểu được nội dung cơ bản của thuyết động học phân tử chất khí. - Nêu được các đặc điểm của khí lí tưởng.
- Nêu được các quá trình đẳng nhiệt, đẳng tích, đẳng áp là gì và phát biểu được các định luật Bôi-lơ – Ma-ri-ốt, Sác-lơ, Gay Luy-xác.
- Vận dụng được thuyết động học phân tử để giải thích đặc điểm về hình dạng, thể tích của các chất ở thể khí, thể lỏng, thể rắn.
- Vẽ được các đường đẳng nhiệt, đẳng tích, đẳng áp trong hệ toạ độ (p, V). - Vận dụng phương trình trạng thái của khí lý tưởng và phương trình Cla-pê- Định luật Bôi-lơ-Ma-ri-ôt:(1)
T không đổi; pV = const
Định luật Sác-lơ: (2)
V không đổi; p const T =
Định luật Gay Luy-xác: (3)
p không đổi; V const T =
Điều kiện chuẩn: 00C ; 1atm. (4)
Thể tích mol = 22,4 lít Phương trình Cla-pê-rôn- Men-đê-lê-ép: (6) pV m RT T = µ ; R=8,31J/mol.K Phương trình trạng thái khí lí tưởng: (5) ons pV c t T =
Trang 41 - Nêu được nhiệt độ tuyệt đối là gì.
- Nêu được các thông số p, V, T xác định trạng thái của một lượng khí. - Viết được phương trình trạng thái của khí lí tưởng.
- Viết được phương trình Cla-pê-rôn – Men-đê-lê-ép.
rôn – Men-đê-lê-ép để giải được các bài tập đơn giản.
* Yêu cầu về thái độ:
- Có hứng thú học vật lý, yêu thích tìm tòi khoa học; trân trọng đối với những đóng góp của Vật lí cho sự tiến bộ của xã hội và đối với công lao của các nhà khoa học.
- Có thái độ khách quan, trung thực, có tác phong tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác và có tinh thần hợp tác trong công việc học tập môn Vật lí, cũng như trong việc áp dụng các hiểu biết đã đạt được.
- Có ý thức vận dụng những hiểu biết Vật lí vào đời sống nhằm cải thiện điều kiện sống, học tập cũng như bảo vệ và giữ gìn môi trường sống tự nhiên.
2.2. Thiết kế e-book hỗ trợ quá trình dạy - tự học chương “Chất khí” – Vật lí 10 nâng cao.