7. Đóng góp của đề tài
2.4.2. Tiết 1: Thuyết động học phân tử chất khí
a) Sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thứ: (hình 2.18)
b) Ý tưởng sư phạm khi soạn thảo bài học
Trước tiên, ta nhớ lại Thuyết động học phân tử chất khí có nội dung sau: - Chất khí cấu tạo từ những hạt riêng rẽ, có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách giữa chúng.
- Các phân tử khí chuyển động hỗn loạn không ngừng; chuyển động càng nhanh khi nhiệt độ chất khí càng cao.
- Khi chuyển động hỗn loạn, các phân tử khí va chạm vào nhau và va chạm vào thành bình gây áp suất của chất khí lên thành bình.
Chuyển động hỗn loạn của các phân tử lần đầu tiên được quan sát bởi nhà bác học Brao, khi ông quan sát chuyển động hỗn loạn không ngừng của các hạt phấn hoa qua kính hiển vi. Chuyển động này phản ánh gián tiếp chuyển động hỗn loạn không ngừng của các phân tử, đánh dấu một mốc lịch sử quan trọng: Thuyết động học phân tử bắt đầu được coi là một học thuyết khoa học.
Khi phân tích các hiện tượng nhiệt, học sinh gặp một hình thức mới về chuyển động của vật chất, khác về nguyên tắc với chuyển động cơ học vĩ mô: chuyển động này không ngừng và hỗn loạn. Ở sách giáo khoa Vật lý 10, ban cơ bản,
chuyển động này được minh họa ở hình 28.5 (trang 153) nhưng hình này chỉ miêu tả hướng mà các phân tử sẽ chuyển động còn chuyển động thực như thế nào thì không rõ, điều này gây thắc mắc cho nhiều học sinh.
Hình 2.18. Sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức
Việc cho học sinh quan sát chuyển động Brao không những giải đáp cho học sinh thắc mắc trên, mà còn làm rõ những đặc điểm của chuyển động Brao, và đặc biệt giới thiệu cho học sinh một mốc lịch sử quan trọng trong sự hình thành thuyết động học phân tử. Việc chuẩn bị thí nghiệm quan sát chuyển động Brao không mất nhiều thời gian, giáo viên chuẩn bị mẫu quan sát trước, trên lớp chỉ điều chỉnh kính
để có hình ảnh quan sát tốt nhất. Có thể chia học sinh thành các nhóm, mỗi nhóm cử một số đại diện lên quan sát và mô tả lại cho các bạn trong nhóm, đến phần củng cố cuối giờ, nếu các em có thể lên quan sát nếu muốn.
Sau khi học sinh thảo luận về các đặc điểm của chuyển động Brao, giáo viên cần nhấn mạnh lại: Độ dời của hạt Brao sau những khoảng thời gian bằng nhau là không bằng nhau (hình 2.19). Nếu chiếu các độ dời này lên một trong các trục tọa độ, thí dụ trục x, lấy bình phương ( )2
x
∆ của mỗi độ dời ∆xvà tính giá trị trung bình của các bình phương độ dời ( )2
x ∆ thì ta có: ( )2 x t ∆ hay ( )2 ~ x t ∆
Tiếp theo, giáo viên ta rút ra kết luận mở rộng kiến thức cho học sinh: chuyển động của hạt Brao là hỗn loạn, các va chạm là ngẫu nhiên, nhưng dịch chuyển của các hạt tuân theo một định luật xác định. Sau đó, giáo viên biểu diễn thí nghiệm điều chỉnh rượu chảy ra của Hê-rôn để minh họa tính linh động và sự tồn tại của áp suất khí. Đây là thí nghiệm đơn giản được tạo từ chai nhựa, học sinh có thể tự mình chế tạo ở nhà.
Áp suất chất khí phụ thuộc vào số phân tử khí va chạm vào thành bình, nghĩa là phụ thuộc gián tiếp vào vận tốc chuyển động của các phân tử khí. Vận tốc chuyển động của các phân tử khí phụ thuộc vào nhiệt độ của khối khí. Do đó, khi ta biểu diễn thí nghiệm minh họa sự phụ thuộc vận tốc chuyển động của chất khí vào nhiệt độ thì đó cũng chính là biểu diễn sự phụ thuộc của áp suất khí vào nhiệt độ. Thí nghiệm này cũng tạo tiền đề cho học sinh suy luận đưa ra giả thuyết ở bài “Quá trình đẳng tích- định luật Sác-lơ”.
c) Tiến trình dạy học:
Hoạt động 1: Phát biểu nội dung cơ bản của thuyết động học phân tử chất khí. Hoạt động của giáo viên Hoạt động học sinh Giáo viên tóm tắt lại những quan điểm cơ
bản của thuyết động học phân tử chất khí. Giáo viên giới thiệu ngắn gọn cho học
Phát biểu nội dung cơ bản thuyết động học phân tử chất khí.
sinh lịch sử hình thành thuyết động học phân tử, với một mốc quan trọng là khi nhà bác học người Anh Brao (Brown) quan sát thấy chuyển động hỗn loạn không ngừng của các hạt phấn hoa qua kính hiển vi, phản ánh gián tiếp chuyển động hỗn loạn không ngừng của các phân tử thì thuyết động học phân tử mới bắt đầu được coi là một thuyết khoa học.
Hình 25.8 trong sách giáo khoa Vật lý 10 ban cơ bản mô tả chuyển động hỗn loạn không ngừng theo mọi hướng.
Hoạt động 2: Tìm hiểu chuyển động hỗn loạn của phân tử thông qua chuyển động Brao trong chất lỏng.
Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh Giáo viên đặt vấn đề: Chuyển động hỗn
loạn không ngừng là chuyển động như thế nào? Có những đặc điểm gì? Liệu nó có những đặc điểm giống những chuyển động đã học ở chương “Động học” hay không? Để trả lời cho câu hỏi trên, giáo viên cho học sinh quan sát thí nghiệm chuyển động Brao của các hạt lưu huỳnh trong dung dịch chất lỏng.
Tiếp nhận vấn đề.
Học sinh đại diện của các nhóm lên quan sát, sau đó miêu tả lại chuyển động cho các bạn trong nhóm.
Giáo viên mở rộng thêm cho học sinh: Ta đã biết rằng trong chuyển động đều, độ dời x tỉ lệ với thời gian t, nghĩa là x ∼ t, còn trong chuyển động biến đổi đều x ~ t2. Thế nhưng, trong chuyển động Brao, độ dời của hạt Brao được mô tả bằng một định luật mới đối với học sinh do Anh-xtanh (Einstein…) và Xờ-mô-lu-kô-xki (Smolukovskij) tìm ra.
Độ dời của hạt Brao sau những khoảng thời gian bằng nhau là không bằng nhau.
+ Chuyển động Brao là không ngừng theo thời gian và hỗn loạn về phương và độ lớn của độ dời.
Hình 2.19: Độ dời của hạt Brao trong những khoảng thời gian bằng nhau là không bằng nhau.
Nếu chiếu các độ dời này lên một trong các trục tọa độ, thí dụ trục x, lấy bình phương ( )2
x
∆ của mỗi độ dời ∆xvà tính giá trị trung bình của các bình phương độ dời ( )2
x
∆ thì theo định luật này ta có: ( )2 x t ∆ hay ( )2 ~ x t ∆
Tiếp theo giáo viên rút ra kết luận: chuyển động của hạt Brao là hỗn loạn, các va chạm là ngẫu nhiên, nhưng dịch chuyển của các hạt tuân theo một định luật xác định.
Giáo viên khái quát vấn đề: đối với chất khí chuyển động Brao cũng tương tự như vậy.
Hoạt động 3: Chứng minh tính linh động của chất khí và sự tồn tại của áp suất khí. Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh Giáo viên biểu diễn thí nghiệm bình điều
khiển rượu chảy ra của Hê-rôn.
Vì sao khi rót nước vào bình (1) thì nước màu đỏ ở bình (2) lại chảy ra ngoài?
Giáo viên bổ sung: Nước chảy ra làm thể tích chai tăng lên, áp suất giảm đi. Khi lượng nước màu đỏ chảy ra bằng lượng nước trắng rót vào phễu thì áp suất trong chai cân bằng với áp suất bên ngoài chai, nước ngừng chảy.
Cũng bằng thí nghệm này, Hê-rôn đã khiến các nhà bác học thời trung cổ phải kinh ngạc. Ông làm thí nghiệm với hai bình gốm mà đường ống nối chúng thông với
Học sinh quan sát thí nghiệm.
Học sinh thảo luận và nêu ý kiến: + Khi rót nước vào bình (1), nước choán thể tích của không khí, do không khí có tính linh động nên di chuyển qua bình (2).
+ Số phân tử khí ở bình (2) tăng lên, áp suất tăng đẩy nước ở bình (2) ra ngoài
nhau được giấu dưới bàn. Rượu vang đỏ được đổ vào bình B. Khi rót nước vào bình A, ông đã “biến” nước thành rượu vang đỏ.
Hoạt động 4: Minh họa sự chuyển động của phân tử khí, áp suất chất khí phụ thuộc vào nhiệt độ.
Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh Giáo viên biểu diễn thí nghiệm:
+ Giới thiệu dụng cụ:
− Xi-lanh có pít-tông bằng thủy tinh, trên pít-tông có áp kế khí loại 0,50.105 – 2,00.105 Pa.
− Núm cao su dùng để bịt đầu dưới của xi-lanh.
− 2 cốc đựng nước (0oC) và nước nóng (cỡ 80o
C).
+ Tiến hành thí nghiệm:
− Nới hãm vít phía sau xi-lanh cho khối khí chứa trong xi-lanh đến một vị trí nhất định sao cho áp kế chỉ giá trị 1,10.105 Pa.
− Rót 60ml nước nóng (cỡ 80oC) vào cốc 1 và 60ml nước ở 0o
C vào cốc 2. − Đặt xi-lanh vào cốc 1, quan sát số chỉ trên đồng hồ áp kế. Ta thấy số chỉ của áp kế tăng lên.
− Sau số khi số chỉ trên đồng hồ áp kế ổn định thì lấy xi-lanh ra khỏi cốc 1 và đặt vào cốc 2, lúc này số chỉ trên áp kế
Quan sát dụng cụ.
Quan sát giáo viên biểu diễn thí nghiệm.
giảm xuống rất nhanh.
Vì sao đặt xi-lanh vào cốc 1 số chỉ áp kế tăng? Vào cốc 2 số chỉ áp suất giảm?
Học sinh thảo luận, và nêu ý kiến: Theo thuyết động học phân tử chất khí: + Khi ta đặt xi-lanh vào cốc 1, khí trong xi-lanh nóng lên, các phân tử khí chuyển động nhanh hơn, va chạm với thành bình nhiều hơn, do đó áp suất tăng.
+ Lấy xi-lanh ra khỏi cốc 1 và đặt vào cốc 2, nhiệt độ của khối khí trong xi-lanh giảm, các phân tử khí chuyển động chậm lại, ít va chạm vào thành bình, do đó áp suất giảm.