b) Nội dun g cấu trúc của chơng theo quan điểm mô hình
2.4.3.3. Phơng pháp sử dụng đồ thị nh một mô hình
Phơng pháp sử dụng đồ thị nh một mô hình ở dây thực chất không khác gì phơng pháp đồ thị mà ta vẫn quen dùng. Sự khác nhau chủ yếu ở những khía cạnh mà ta muốn nhấn mạnh.
a) Trong phơng pháp đồ thị ta chú ý đến mối quan hệ hàm số đã đợc xác lập rõ ràng, chính xác giữa hai đại lợng vật lý. Trong phơng pháp mô hình - đồ thị, chúng tôi nhấn mạnh đến chức năng mô tả sự diễn biến một quá trình bằng đồ thị.
b) Muốn khai thác đồ thị nh một mô hình thì ta phải cung cấp đầy đủ thông tin về mô hình để có thể vận hành đợc nó.
2.5.Thiết kế một số giáo án sử dụng phơng pháp mô hình Giáo án 1:
Đ79 Phân tử và một số thuộc tính của phân tử
A.Mục tiêu
a) Về kiến thức:
- Học sinh hiểu đợc cấu trúc vật chất qua việc nhận biết, ghi nhớ các mệnh đề của thuyết động học phân tử (mô hình cấu tạo chất).
- Biết về khái niệm mô hình.
- Biết đợc cỡ kích thớc và khối lợng của phân tử.
- Hiểu khái niệm lợng chất, phân tử gam, nguyên tử gam và số Avôgađrô. b) Về kỹ năng:
- Có kỹ năng vận dụng mô hình để giải thích và tiên đoán đợc một số hiện tợng vật lý
- Làm đợc một số thí nghiệm đơn giản kiểm tra tính chân thực của mô hình cấu tạo chất.
Chuẩn bị:
+ ảnh chụp kính hiển vi điện tử và ảnh chụp một số phân tử bằng kính hiển vi điện tử.
+ Phần mềm mô hình mô phỏng các trạng thái cấu tạo chất (mô hình truyền nhiệt, dẫn nhiệt, đối lu...), mô hình chuyển động Braonơ.
B.Tiến trình giảng dạy
Đặt vấn đề: Con ngời luôn khát khao tìm hiểu, giải thích và cải tạo thế giới. Có hai hớng để nghiên cứu tìm hiểu:
- Hớng thứ nhất là vơn thật xa vào vũ trụ để hiểu vũ trụ rộng lớn đến mức nào và gồm những gì. Đi theo hớng này gồm các nghành: thiên văn học, thám hiểm vũ trụ...
- Hớng thứ hai đi thật sâu vào cấu tạo của vật chất. Vật chất đợc cấu tạo nh thế nào? Ví dụ đập vỡ quả núi đợc hòn đá, đập vỡ hòn đá đợc viên đá nhỏ hơn...cứ tiếp tục nghiền nhỏ đến mức cuối cùng ta thu đợc gì? các em có muốn trả lời câu hỏi trên không?
Một câu hỏi nữa khá thú vị: nhiệt là gì? cốc nớc sôi và cốc nớc mát về mặt vật lý khác nhau ở điểm nào?
Những câu hỏi thú vị đó các em sẽ tìm đợc câu trả lời khi chúng ta học chơng “Thuyết động học phân tử và chất khí lý tởng”
Chơng X. Thuyết động học phân tử và chất khí lý tởng
Đ79. Phân tử và một số thuộc tính của phân tử 1. Thuyết động học phân tử về cấu tạo chất
GV: - Các nhà bác học thời kỳ cổ đại đã có những quan điểm rất khác nhau về cấu tạo vật chất. Tuy nhiên có thể sắp xếp những quan điểm này theo hai nhóm đối lập nhau: vật chất đợc cấu tạo một cách liên tục từ một số chất cơ bản và vật chất đợc cấu tạo một cách gián đoạn từ các hạt.
Ngay từ thời kỳ cổ đại, ngời ta đã biết những biểu hiện đơn giản của tác dụng nhiệt nh sự bay hơi, sôi, nóng chảy, đông đặc...Tuy nhiên những cố gắng nhằm giải thích các hiện tợng này đã không đem lại kết quả nào đáng kể. Chỉ đến thế ký 17 khi đã chế tạo và hoàn thiện đợc nhiệt kế, nhờ đó có thể khảo sát một cách định lợng nhiều hiện tợng về nhiệt, vấn đề của nhiệt trở thành cấp thiết đối với các nhà
khoa học thời bấy giờ. Có hai quan điểm đối lập nhau về bản chất của nhiệt: nhiệt là một chất lỏng đặc biệt và nhiệt là kết quả chuyển động của các hạt vật chất. Trong các quan điểm nêu trên, quan điểm nào đúng? để lựa chọn quan điểm đúng, các em hãy nhớ lại ở cấp 2, các em đã đợc học về cấu tạo chất. Vật chất đợc cấu tạo nh thế nào mà:
- Khi lăn viên phấn qua giọt mực, giọt mực bị thấm vào viên phấn. ?
- Bỏ nhẹ nhàng một ít thuốc tím và cốc nớc, thuốc tím tan ra và loang vào cốc n- ớc. Nếu cốc nớc càng nóng thì sự loang ra càng nhanh hơn ?
- Tại sao có sự dính ớt các chất lỏng của vật rắn?
-Tại sao các chất khí lại gây ra áp suất lên thành bình chứa? HS:
- Vật chất đợc cấu tạo từ các phân tử riêng biệt.
- Các phân tử chuyển động hỗn độn không ngừng.
- Các phân tử tơng tác với nhau bằng các lực hút và lực đẩy phân tử.
- Vận tốc trung bình của chuyển động hỗn độn của các phân tử cấu tạo nên vật chất càng lớn thì nhiệt độ của vật càng cao.
GV: Đó chính là nội dung của thuyết động học phân tử về cấu tạo chất (còn gọi đó là mô hình cấu trúc vật chất).
Để hiểu mô hình là gì, chúng ta có thể hình dung nh sau: ta đợc tăng một gói quà. Muốn biết bên trong có gì, ta mở gói quà ra. Song ngời tặng quà có ý tinh nghịch, lại gói quà trong một hộp nhỏ hơn nữa. Ta lại tiếp tục mở và thấy bên trong là một hộp nhỏ hơn nữa...Ta hình dung thế giới vật chất nh ngời tặng quà tinh nghịch, giấu cấu trúc của mình trong một hộp nhỏ tới mức ta không thể nào mở ra đợc nữa. Để biết cấu trúc vật chất nh thế nào ngời ta phải dùng một cái gì đó tơng tự dể mô tả. Cái tơng tự đó là mô hình. Đọc 4 mệnh đề thuyết động học phân tử ta hiểu vật chất đợc cấu tạo nh thế nào. Vậy 4 mệnh đề của thuyết là mô hình cấu trúc vật chất. Mô hình này cho biết các hạt vật chất (phân tử) luôn chuyển động hỗn độn nên gọi là mô hình động học.
Trớc đó, Bôilơ đã đa ra mô hình tĩnh học về cấu tạo chất. Theo ông, chúng đợc cấu tạo từ những hạt vật chất hình cầu, đứng yên và đàn hồi nh cao su. Mô hình này giải thích đợc vì sao khi bị nén áp suất của chất khí lại tăng lên. Tuy nhiên không thể dùng mô hình này để giải thích hàng loạt các hiện tợng khác về chất khí. Ví dụ mở nút của một bình đựng khí thì chất khí có thể tự giãn nở, chiếm một khoảng không gian rất rộng trong thời gian rất ngắn; không cần giảm thể tích, chỉ cần tăng nhiệt độ thì áp suất của chất khí cũng tăng lên...Vì vậy mô hình tĩnh học bị loại bỏ và thay bằng mô hình động học phân tử.
Mô hình động học phân tử về cấu tạo chất đợc coi là phản ánh đúng cấu trúc vật chất nếu nó giải thích đợc những hiện tợng đã biết và tiên đoán những hiện t- ợng cha biết khác mà sau này thực nghiệm mới tìm ra. Chừng nào thực nghiệm mâu thuẫn với mô hình thì khi đó mô hình phải điều chỉnh, hoặc thay thế hoàn toàn bằng mô hình mới.
Với mô hình trên, chúng ta cần phân biệt khái niệm vận tốc trung bình dùng trong cơ học với khái niệm vận tốc trung bình dùng trong vật lý phân tử. Vận tốc trung bình ở đây đợc hiểu là trung bình cộng của độ lớn của vận tốc các phân tử. - GV cho HS tranh luận để giải thích đợc: Tại sao lăn viên phấn qua giọt mực, giọt mực bị thấm vào phấn (mệnh đề1); bỏ nhẹ nhàng một ít thuốc tím vào nớc, thuốc tím tan ra và loang dần vào nớc, nếu cốc nớc nóng hơn thì sự loang ra nhanh chóng hơn (mệnh đề 2); hiện tợng dính ớt các chất lỏng của vật rắn (mệnh đề 3). Cũng từ mô hình đó, chúng ta có thể tiên đoán đợc cơ chế của hiện tợng áp suất (mệnh đề 4).
HS xem mô hình mô phỏng các trạng thái cấu tạo chất đợc thực hiện trên máy vi tính (hình 9) và mô hình chuyển động Braonơ (Hình 5).
Hình 9: MH mô phỏng các trạng thái cấu tạo chất (đợc thực hiện trên máy vi tính)
- GV: Vật chất đợc cấu tạo từ các phân tử riêng biệt, vậy kích thớc của các phân tử đó bằng bao nhiêu?- thực nghiệm đã bắt đợc phân tử, chụp ảnh đợc phân tử, đo đợc khối lợng và kích thớc của phân tử. Chúng ta xem xét các bằng chứng thực nghiệm của mô hình động học phân tử về cấu tạo chất.
2.Kích th ớc và khối l ợng phân tử [15]
GV cho HS xem ảnh chụp kính hiển vi điện tử và ảnh chụp một số phân tử bằng kính hiển vi điện tử.
- Phân tử các chất khác nhau có kích thớc khác nhau nhng đều vào cỡ 10-10m. Chẳng hạn, nếu coi phân tử nh những quả cầu thì bán kính phân tử nớc vào khoảng: rH20≈1,9.10-10m.
- Nhà bác học Peranh ngời Pháp (1870-1942) là ngời đầu tiên xác định đợc khối lợng của phân tử.
+ Khối lợng một phân tử ôxi có độ lớn: m02 ≈5,3.10-26kg. + Khối lợng một phân tử nớc có độ lớn: mH20≈ 3,0.10-26kg .
GV: Sau đây là một số thí dụ để minh hoạ cho kích thớc và khối lợng phân tử. Nếu xếp 100 triệu phân tử hyđrô nối tiếp nhau thì cũng chỉ đợc một hàng dài cha đầy vài cm.
Nếu tởng tợng mỗi vật đều lớn lên một triệu lần, nghĩa là con muỗi trở thành một sinh vật khổng lồ cao 10km thì kích thớc của mỗi phân tử trong con muỗi cũng không lớn hơn một dấu chấm.
Vì kích thớc của các phân tử rất nhỏ nên số phân tử có trong vật rất lớn. Số phân tử có trong một giọt nớc gấp hàng tỉ lần số ngời đang sống trên Trái Đất. Nếu lấy số gạch bắng số phân tử chứa trong 1cm3 không khí ở điều kiện thờng để phủ kín Trái Đất thì chiều cao của lớp gạch này lên tới 120m.
Hoặc để hình dung kích thớc và khối lợng của phân tử nhỏ bé nh thế nào, ta có thể dùng hình ảnh sau đây: Kích thớc và khối lợng của quả cam so với kích thớc và khối lợng Trái Đất nh thế nào thì kích thớc và khối lợng phân tử so với khích thớc và khối lợng quả cam nh thế.
-GV: Một bằng chứng thực nghiệm nữa khẳng định sự đúng đắn của mô hình thuyết động học phân tử về cấu tạo chất, đó là sự phát hiện ra số Avôgađrô. Avôgađrô (1766-1856), nhà bác học ngời Italia.
3.L
ợng chất và mol-Số Avôgađrô [15]. a) Lợng chất và mol:
GV: Lợng chất là một trong 7 đại lợng vật lý cơ bản của hệ thống đo lờng quốc tế (SI). Sáu đại lợng cơ bản của vật lý là: chiều dài (đơn vị m), khối lợng (đơn vị kg), thời gian (đơn vị giây), cờng độ dòng điện (đơn vị ampe), nhiệt độ (đơn vị kelvin), cờng độ ánh sáng (đơn vị candela). Đại lợng thứ 7 mới đa vào là lợng chất (đơn vị mol).
Lợng chất chứa trong một vật đợc xác định theo số phân tử hay nguyên tử chứa trong vật ấy.
Mol của một chất nào đó là lợng chất của 6,02.1023 hạt (nguyên tử, phân tử) chất đó.
GV: các em hãy lấy một số ví dụ về mol của một số chất và khối lợng của 1 mol chất đó.
HS: lấy các ví dụ nh trong SGK. b) Số Avôgađrô.
Số 6,02.1023 hạt chứa trong một mol chất gọi là số Avôgađrô, và đợc ký hiệu là: NA=6,02.1023mol-1.
Đó là số nguyên tử chứa trong 12 gam các bon 12, đợc lấy làm chuẩn về lợng chất.
GV: Bằng chứng thực nghiệm: năm 1908, nhà bác học Peranh đã tiến hành nhiều thí nghiệm đo số Avôgađrô đều thu đợc những giá trị về số Avôgađrô phù hợp với nhau trong phạm vi sai số.
Cho đến nay, ngời ta đã đa ra hàng chục phép xác định khác. Một phơng pháp đợc xem là chính xác và nhanh nhất, đó là phơng pháp liên hệ số Avôgađrô với các hằng số đặc trng của cấu trúc tinh thể, các hằng số này có thể xác định một cách rất chính xác bằng phơng pháp nhiễu xạ tia X trên tinh thể:
d ka nM N A 3 = Trong đó:
n là số phân tử chứa trong ô tinh thể.
MA là nguyên tử gam của nguyên tố đợc đo. k là hằng số mạng (phụ thuộc dạng ô tinh thể). a là cạnh (hằng số mạng).
d là tỉ trọng của tinh thể.
GV: nhờ có số này mà ngời ta có thể xác định đợc khối lợng và kích cỡ phân tử làm cho phân tử từ chỗ là một giả thuyết đã trở thành một thực thể vật lý có những thuộc tính xác định.