7. Đóng góp của đề tài
2.4.4.Tiết 3-4-5: Các nguyên lý của nhiệt động lực học
a) Ý tưởng sư phạm khi soạn thảo bài học
Những ưu điểm của động cơ Stirling có thể ứng dụng trong dạy học - Về đặc điểm cấu tạo:
Mô hình động cơ nhiệt được sử dụng trong dạy học Vật lý hiện nay là mô hình của động cơ đốt trong. Nhiệt lượng được nhận từ quá trình đốt cháy nhiên liệu bên trong máy nên không thể minh họa cụ thể quá trình này cho học sinh. Trong khi đó, động cơ Stirling với nguồn cung cấp nhiệt lượng bên ngoài sẽ khắc phục được nhược điểm trên. Học sinh sẽ phân biệt rõ trên động cơ Stirling: bộ nào là nguồn nóng, bộ nào là nguồn lạnh, và thấy rõ quá trình khí nhận nhiệt lượng từ nguồn nóng sinh công lên pít-tông rồi nhả nhiệt lượng cho nguồn lạnh.
Không như những mô hình động cơ đốt trong chỉ dùng để giải thích nguyên lí hoạt động, học sinh có thể quan sát sự hoạt động của động cơ Stirling. Cụ thể, với loại động cơ Stirling dùng trong dạy học sử dụng nguồn nóng ở nhiệt độ thấp (cỡ nhiệt độ của tách trà nóng) thì thân xi-lanh có thể làm từ những vật liệu bằng nhựa trong suốt. Học sinh có thể quan sát pít-tông chuyển động bên trong xi-lanh giữa nguồn nóng và nguồn lạnh.
- Về những ứng dụng trong dạy học: Thoạt nhìn, sự giải thích nguyên lý hoạt động của động cơ Stirling có vẻ đơn giản, nhưng khi đi sâu vào chi tiết, ta sẽ thấy xuất hiện nhiều vấn đề Vật lý ẩn chứa trong đó.
Trong quá trình tìm hiểu nguyên lí hoạt động của động cơ Stirling, học sinh sẽ gặp lại hai khái niệm nhiệt lượng (khí nhận nhiệt lượng QH) và nhiệt độ (nguồn nóng ở nhiệt độ TH, và nguồn lạnh ở nhiệt độ TC). Đây là hai khái niệm cơ bản của nhiệt học mà học sinh đã được học từ cấp trung học cơ sở, nhưng học sinh rất hay nhầm lẫn giữa hai khái nhiệm này nên qua việc giải thích nguyên lí hoạt động của động cơ Stirling, ta cần phải nhấn mạnh sự khác nhau về ý nghĩa Vật lý giữa nhiệt lượng và nhiệt độ.
Quá trình nghiên cứu nguyên lí hoạt động của động cơ Stirling sẽ nảy sinh một vấn đề: khi khối khí nhận nhiệt lượng từ nguồn nóng sẽ dãn nở và sinh công đẩy pít-tông đi lên. Vấn đề này sẽ dẫn dắt học sinh đến việc vận dụng những kiến thức ở phần cơ học để tính công mà khối khí thực hiện.
Sau khi tìm hiểu về cách tính công, học sinh sẽ được giới thiệu về nội năng, nguyên lí I, nguyên lí II của nhiệt động lực học và hiệu suất của động cơ nhiệt, đây là những kiến thức trọng tâm của chương. Sau khi nghiên cứu những kiến thức Vật lý liên quan, học sinh sẽ vận dụng những kiến thức này để giải thích nguyên lí hoạt động của động cơ Striling nói riêng, và động cơ nhiệt nói chung.
- Về phát triển tư duy sáng tạo cho học sinh:
Ưu điểm nổi bật của mô hình động cơ Stirling là có thể chế tạo từ những vật liệu đơn giản như chai nhựa, vỏ lon… Học sinh có thể tự mình chế tạo các mô hình động cơ Stirling loại pít-tông tự do từ đơn giản đến phức tạp qua sự hướng dẫn của giáo viên và mô hình mẫu mà các em được quan sát. Quá trình chế tạo động cơ sẽ giúp học sinh phát triển tư duy sáng tạo, rèn luyện kĩ năng làm việc nhóm, tìm kiếm kiến thức từ nhiều nguồn thông tin, tìm ra những giải pháp kĩ thuật để nâng cao hiệu suất của động cơ...
Động cơ nhiệt nói chung, động cơ Stirling nói riêng là ứng dụng thực tế quan trọng của chương “Chất khí” và “Cơ sở của nhiệt động lực học”, là cầu nối giữa lí thuyết và thực tế. Do vậy, khi mở đầu phần Nhiệt học, giáo viên giới thiệu cho học sinh về động cơ nhiệt; đến cuối chương “Chất khí”, giáo viên giao nhiệm vụ cho học sinh làm tiểu luận về tìm hiểu về động cơ Stirling theo các nội dung mà giáo viên hướng dẫn, và cho học sinh thuyết trình trước lớp.
b) Tiến trình dạy học
Hoạt động 1: Giới thiệu về động cơ Stirling, một ứng dụng thực tế của các nguyên lí Nhiệt động lực học.
Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh Động cơ nhiệt là loại động cơ rất phổ
hoạt động dựa trên nguyên lí biến nhiệt lượng thành công.
Trong thực tế, chúng ta có thể tìm thấy động cơ nhiệt ở đâu?
Có bao nhiêu loại động cơ nhiệt?
Giáo viên gợi ý: Có hai loại động cơ nhiệt phổ biến là động cơ đốt trong và động cơ đốt ngoài. Động cơ đốt trong sử dụng sự đốt cháy nhiên liệu bên trong xi- lanh của động cơ, trong khi đó, động cơ đốt ngoài sử dụng nguồn nhiệt bên ngoài để đốt nóng tác nhân sinh công bên trong động cơ. Nguồn nhiệt này có được từ việc đốt cháy các loại nhiên liệu (xăng, dầu hỏa, than…), từ năng lượng Mặt trời, từ nhiệt sinh ra do phân hủy các chất hữu cơ…
Giáo viên biểu diễn trước lớp hai mô hình động cơ Stirling, một động cơ hoạt động với nguồn nóng là cốc nước sôi và một động cơ hoạt động với nguồn nóng được đun trực tiếp từ đèn cồn.
Theo các em, hai động cơ thuộc này loại nào? Vì sao?
Giáo viên giới thiệu: Động cơ mà chúng ta vừa quan sát là động cơ Stirling, được phát minh bởi Robert Stirling vào cuối thế kỉ XIX. Động cơ Stirling thuộc loại động cơ đốt ngoài, tất cả các động cơ
Trả lời tùy theo sự hiểu biết: xe máy, ô tô, tàu lửa, tàu thủy…
Học sinh thảo luận với nhau.
Quan sát hoạt động của hai loại động cơ này.
Là động cơ đốt ngoài vì nguồn bộ phận đốt nóng (cốc nước sôi, đèn cồn) nằm ở bên ngoài động cơ.
Stirling hoạt động đều đòi hỏi sự chênh lệch nhiệt độ được tạo ra từ một vùng tiếp xúc với nguồn nóng và một vùng khác trên động cơ được làm mát.
Hoạt động 2: Tìm hiểu cấu tạo của động cơ Stirling
Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh Theo các em, động cơ Stirling mà chúng
ta vừa quan sát gồm những bộ phận chính nào?
Giáo viên dựa vào mô hình động cơ Stirling bổ sung thêm: Động cơ Stirling, cũng như động cơ nhiệt, gồm có các bộ phận chính: nguồn nóng, nguồn lạnh; xi- lanh để chứa khí, pít-tông dùng để biến chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay (đối với động cơ Stirling thì pít-tông không khít chặt với xi lanh); bánh đà để truyền chuyển động ra bên ngoài.
Giáo viên tiếp tục làm nảy sinh vấn đề để học sinh tiếp tục nghiên cứu: nguồn nóng và nguồn lạnh có tác dụng như thế nào, khối khí chứa trong xi-lanh có nhiệm vụ gì trong quá trình hoạt động của động cơ?
Giáo viên trợ giúp: Khối khí bên trong xi-lanh động cơ là khối khí cô lập được pít-tông tự do di chuyển lên xuống giữa nguồn nóng ở nhiệt độ TH và nguồn lạnh
Bộ phận đốt nóng (cốc nước sôi, đèn cồn), bánh đà (đĩa CD), tay quay, bộ phận chứa khí,…
Học sinh thảo luận trả lời câu hỏi. + Nguồn nóng để cung cấp nhiệt lượng. + Nguồn lạnh…
Học sinh có thể gặp khó khăn, khi trả lời câu hỏi.
ở nhiệt độ TC (TH > TC). Nguồn nóng ở nhiệt độ TH sẽ cung cấp nhiệt lượng cho khối khí bên trong xi-lanh sinh công đẩy pít-tông đi lên, do pít-tông tự do không khít với xi-lanh nên khí sẽ dồn về phía nguồn lạnh.
Đây chúng ta gặp lại hai khái niệm quen thuộc nhiệt độ và nhiệt lượng. Vậy nhiệt độ khác nhiệt lượng ở điểm nào?
Giáo viên nhấn mạnh lại với học sinh: Nhiệt lượng là năng lượng truyền từ vật này sang vật khác do sự thay đổi nhiệt độ theo các hướng, còn nhiệt độ đơn giản là sự mô tả trạng thái của vật chất nếu nó nóng hoặc lạnh.
Học sinh có thể lúng túng khi phân biệt hai khái niệm này.
+ Nhiệt độ chỉ độ nóng lạnh. + Nhiệt lượng…
Hoạt động 3: Tìm hiểu nội dung nguyên lý thứ I, nguyên lý II Nhiệt động lực học Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh Nguyên lý I Nhiệt động lực học có thể
được giới thiệu bằng cách xem xét hai trường hợp.
Trường hợp thứ nhất, nếu cung cấp nhiệt lượng cho một hệ với thể tích không đổi (không có thực hiện công), thì nội năng sẽ tăng lên như thế nào?
Trường hợp thứ hai, khi khối khí dãn nở và đẩy pít-tông, nếu không cung cấp nhiệt lượng hoặc không có sự tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh, thì độ tăng nội năng của hệ đúng được tính như thế
Nội năng sẽ tăng lên đúng bằng nhiệt lượng cung cấp ∆ =U Q
Độ tăng nội năng của hệ đúng bằng công mà hệ thực hiện ∆ =U W.
nào?
Giáo viên thông báo: Khi cả hai trường hợp được xem xét đồng thời, ta có
U Q W
∆ = + . Đây là biểu thức của
nguyên lý I Nhiệt động lực học. Ta có thể phát biểu như sau: “Độ biến thiên nội năng của hệ bằng tổng công và nhiệt lượng mà hệ nhận được”.
Qui ươc về dấu:
Q > 0: vật nhận nhiệt lượng. Q < 0: vật truyền nhiệt lượng. W > 0: vật nhận công từ vật khác. W < 0: vật thực hiện công.
Trong tự nhiên, có nhiều quá trình chỉ có thể tự xảy ra theo một chiều xác định mà không thể xảy ra theo chiều ngược lại mặc dù điều này không vi phạm nguyên lí I Nhiệt động lực học.
Thông báo cho học sinh hai cách phát biểu nguyên lý II của Nhiệt động lực học theo cách phát biểu của Clau-đi-út và của Các-nô.
Yêu cầu học sinh trả lời câu hỏi C3, C4 sách giáo khoa.
Lắng nghe.
Thừa nhận nguyên lí II của Nhiệt động lực học theo cách phát biểu của Clau-đi- út và của Các-nô.
C3. Không vi phạm nguyên lí I vì nhiệt độ ngoài trời cao hơn trong phòng, do đó nhiệt không thể tự truyền trong phòng ra ngoài trời mà phải nhờ máy điều hòa nhiệt độ.
C4. Động cơ nhiệt không thể chuyển hóa tất cả nhiệt lượng nhận được thành công
cơ học mà chỉ chuyển hóa một phần, phần còn lại được truyền cho nguồn lạnh. Điều này giúp động cơ hoạt động liên tục và không vi phạm định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng.
Hoạt động 4: Các nhóm học sinh thuyết trình về động cơ Stirling.
- Nội dung thuyết trình (đã được giao cho học sinh chuẩn bị và làm việc nhóm ở cuối chương “Chất khí”)
Bảng 2.1. Bảng nội dung của bài thuyết trình về động cơ Stirling
1. Cấu tạo
a. Vẽ mô hình động cơ stirling + Vẽ bằng tay.
+ Vẽ trên máy tính (hình tĩnh hay hình động).
+ Có chú thích trên hình vẽ tức là chỉ rõ các bộ phận trong động cơ nhiệt.
b. Giải thích vai trò của mỗi bộ phận trong động cơ stirling. 2. Phân loại + Liệt kê tên các loại động cơ Stirling.
+ Mô tả ngắn gọn từng loại động cơ Stirling.
3. Nguyên tắc hoạt động
+ Sơ đồ nguyên tắc hoạt động.
+ Giải thích nguyên tắc hoạt động ( trong nguyên tắc hoạt động nêu rõ ra gồm có mấy giai đoạn, dùng nguyên lí II Nhiệt động lực học để giải thích nguyên tắc hoạt động của động cơ ).
4. Hiệu suất của động cơ
+ Nêu ra công thức tính hiệu suất chung của các động cơ nhiệt. + Ý nghĩa của công thức.
5. Ứng dụng + Liệt kê các ứng dụng trong thực tế cuộc sống. + Chỉ rõ các ứng dụng đó ở đâu và để làm gì. 6. Ảnh hưởng từ
khí thải của các loại động cơ nhiệt
+ Liệt kê các ảnh hưởng của khí thải từ động cơ.
+ Khi liệt kê có giải thích ngắn gọn và kèm theo hình ảnh minh hoạ.
Mỗi nhóm có 10 phút để trình bày bài thuyết trình của nhóm mình, và trả lời thắc mắc của các nhóm khác. Tiêu chí đánh giá nhóm được cho bởi bảng 2.2.
- Các tiêu chí đánh giá nhóm
Bảng 2.2.Tiêu chí đánh giá nhóm.
Tiêu chí Xuất sắc Đáp ứng yêu cầu
Không hoàn toán đáp ứng mong đợi Không đáp ứng được kì vọng tối thiểu Kế hoạch làm việc nhóm Có kế hoạch rõ ràng và tiến hành đúng như kế hoạch đã định. Có kế hoạch và sự phân công nhưng thỉnh thoảng tiến hành công việc không đúng như kế hoạch đã định. Có kế hoạch và sự phân công nhưng chưa hợp lí. Một số vấn đề chưa hoàn thành đúng như kế hoạch. Kế hoạch chưa rõ ràng hoặc không có kế hoạch. Một số vấn đề chưa hoàn thành. Thời gian làm việc nhóm Thời gian làm việc rõ ràng, phân bố cụ thể cho các buổi và biết tận dụng thời gian phân công.
Có sự phân bố thời gian cho nhóm.
Có sự phân bố thời gian nhưng đôi khi bị chậm trễ.
Phân bố thời gian chưa hợp lí, thường xuyên chậm trễ, lãng phí thời gian. Sự hợp tác giữa các thành viên Các thành viên biết rõ nhiệm vụ của các nhân, tích cực hợp tác, giúp đỡ nhau, không có sự bất hòa trong nội bộ Các thành viên biết được nhiệm vụ cá nhân, đôi khi có bất hòa trong nhóm nhưng nhanh chóng được giải quyết. Kết quả Một số thành viên không biết rõ nhiệm vụ, đôi khi có bất hòa. Làm việc chưa thật sự hiệu quả. Đa số các thành viên trong nhóm không biết nhiệm của mình. Thiếu tích cực, thường xuyên bất hòa.
nhóm. Nhóm làm việc hiệu quả. làm việc nhóm tốt. Bài báo cáo nhóm
Bài báo cáo được đánh máy rõ ràng, trình bày đẹp, không có lỗi chính tả, nội dung chính xác và phong phú, có tiêu đề, phụ đề, tài liệu tham khảo.
Bài báo cáo được trình bày rõ ràng, nội dung chuẩn xác, nhưng còn thiếu sót một vài điểm.
Bài báo cáo trình bài chưa hợp lí, nội dung chưa đầy đủ.
Bài báo cáo trình bày cẩu thả, thiếu thông tin.
Trình bày
Khả năng trình bày lưu loát. Nội dung báo cáo rõ ràng, các thành viên đều có khả năng báo cáo.
Nội dung báo cáo rõ ràng nhưng trình bày chưa trôi chảy.
Nội dung báo cáo chưa đầy đủ, báo cáo viên trình bày còn lúng túng.
Chưa chuẩn bị tốt nội dung báo cáo, trình bày sơ sài, chưa hoàn thiện.
Giải đáp thắc mắc Giải đáp các thắc mắc rõ ràng, thuyết phục người nghe. Giải đáp rõ ràng, thuyết phục. Nhưng một số câu hỏi của nhóm khác vẫn chưa trả lời được. Chưa biết vận dụng kiến thức để trả lời một cách lôgic và thuyết phục, nhiều thắc mắc chưa giải quyết được.
Giải đáp sơ sài, thiếu thuyết phục hoặc sai. Không trả lời được những thắc mắc của nhóm khác.
2.4.5. Kết luận
Trên cở sở nghiên cứu mức độ nội dung các kiến thức, kĩ năng trong chương “Nhiệt học” và “Cơ sở nhiệt động lực học” mà học sinh cần phải đạt được, lưu ý đến các kết quả thu được qua việc tìm hiểu tình hình dạy học hai chương này ở trường phổ thông, đặc biệt là những khó khăn, sai lầm của học sinh, tôi đã xây dựng các thí nghiệm để hỗ trợ quá trình dạy học như sau:
- Các thí nghiệm minh họa, củng cố cho những nội dung kiến thức thuyết động học phân tử chất khí.
- Thí nghiệm đơn giản tạo tình huống có vấn đề để xây dựng định luật Sác-lơ, thí nghiệm đơn giản để học sinh vận dụng kiến thức giải thích hiện tượng Vật lý.
- Cải tiến và hoàn thiện thí nghiệm kiểm chứng định luật Sác-lơ và định luật Gay Luy-xắc.
- Xây dựng mô hình động cơ Stirling, một loại động cơ nhiệt, từ các vật liệu đơn giản như vỏ lon, chai nhựa…
- Việc sử dụng phối hợp các thí nghiệm được cụ thể hóa qua dự kiến chi tiết tiến trình dạy học các kiến thức của từng bài. Tiến trình dạy học này đòi hỏi học sinh phải vận dụng các kiến thức đã học để giải thích các hiện tượng Vật lý được minh họa qua các thí nghiệm đơn giản, hoặc đòi hỏi học sinh phải đề xuất giả thuyết và