2.3.4.1 Mô hình mô tả cơ chế phát sinh hạt tải điện (4.1)
a. Thực trạng và mục đích
Thực tế: HS thường gặp nhiều khó khăn trong việc tự lực nêu được dựđoán về
loại hạt tải điện trong chất khí, và giải thích cơ chế tạo các hạt tải điện này. Mục đích của mô hình: giúp HS có thể tự lực:
- Nêu được dựđoán về các loại hạt tải điện có thể có trong chất khí. - Giải thích được cơ chế của quá trình ion hóa chất khí.
b. Phác thảo ý tưởng xây dựng mô hình
Bước 1: Biểu diễn môi trường chất khí bằng vùng không gian giữa hai bản kim loại làm điện cực Anốt và Katốt, trong đó có các phân tử khí trung hòa được biễu diễn bằng các chấm tròn màu xanh da trời.
Bước 2: Khi áp thông số nhiệt độ vào, mô hình thể hiện được cơ chế của quá trình ion hóa: từ trong một số phân tử khí màu xanh da trời, có hạt nhỏ màu đen (electron) bứt ra
và ngay lập tức phân tử trung hòa chuyển thành màu đỏ (ion dương). Tất cả các hạt đều chuyển động hỗn loạn.
Bước 3: Khi các hạt electron bị bứt ra chuyển động hỗn loạn, có một số hạt “chui vào” trong phân tử trung hòa màu xanh làm cho nó biến thành màu tím (ion âm). Lúc này trong không gian giữa hai điện cực có 4 loại hạt:
- Các phân tử khí trung hòa (màu xanh); - Các electron tự do (màu đen);
- Các ion dương (màu đỏ); - Các ion âm (màu tím).
c. Lựa chọn phần mềm xây dựng mô hình: matlab d. Hoàn thành mô hình
2.3.4.2 Mô hình hỗ trợ dựđoán mối quan hệ giữa I và U (4.2)
a. Thực trạng và mục đích
HS thường không thể hoặc rất khó khăn trong việc tự lực phác thảo dựđoán về
dạng đường đặc tuyến Volt – Ampere. Mục đích của mô hình:
Tuỳ theo cách sử dụng của GV, mô hình có thể hỗ trợ HS: - Tự lực giải thích được đường đặc tuyến Volt – Ampere
- Hoặc có thể tự lực nêu dự đoán về dạng đường đặc tuyến Volt – Ampere (dành cho lớp khá giỏi).
b. Phác thảo ý tưởng xây dựng mô hình
Bước 1: Trong chất khí đã có sẵn các loại hạt tải điện.
Bước 2: Áp thông số hiệu điện thế giữa hai điện cực vào, mô hình thể hiện:
+ Khi UAK > 0 và tăng (<Ub): mô hình thể hiện được số lượng electron và các ion về các điện cực tăng.
+ Khi Ub < UAK <UC: mô hình thể hiện toàn bộ hạt tải điện sinh ra đều chạy về
+ Khi UAK > UC: mô hình thể hiện quá trình ion hoá do va chạm: electron chuyển động mạnh và hỗn loạn dưới tác dụng của điện trường mạnh đến va chạm với các phân tử khí trung hòa làm bứt ra thêm một electron và phân tử trung hòa biến thành ion dương. Đồng thời các hạt tạo thành đều chuyển động nhanh về các cực.
Bước 3: Biểu diễn đường đặc tuyến Volt – Ampere mô tả cho sự thay đổi của I theo U. c. Lựa chọn phần mềm xây dựng mô hình: matlab
2.3.5 Mô hình dòng điện trong bán dẫn (Mh5)
2.3.5.1 Mô hình về sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết(Mh5.1)
a. Thực trạng và mục đích
Thực tế, HS thường gặp nhiều khó khăn trong việc tự lực nêu dựđoán về loại hạt tải điện trong bán dẫn tinh khiết (ở điều kiện thích hợp). Thông thường, đa số HS chỉ có thể tự lực nêu dự đoán về sự có mặt của electron tự do trong chất bán dẫn dựa trên sự tương tự với dòng điện trong các môi trường đã học, mà khó có thể dự đoán
được sự có mặt của một loại hạt mới – “lỗ trống dương”. Ngoài ra, HS thường rất dễ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
lầm lẫn về sự di chuyển của lỗ trống và electron:
- lỗ trống chỉ có thể di chuyển từ vị trí liên kết này sang vị trí liên kết khác trong mạng tinh thể bán dẫn,
- còn electron có thể di chuyển cả trong khoảng trống giữa các nguyên tử. Mục đích của mô hình:
- Làm cho HS có thể tự lực nêu được dựđoán về các loại hạt mang điện trong bán dẫn là electron tự do và lỗ trống dương.
- Làm cho HS có thể phân biệt được điểm khác biệt trong sự di chuyển của electron tự
do và lỗ trống trong mạng tinh thể bán dẫn. b. Phác thảo ý tưởng xây dựng mô hình
Bước 1: Mô tả mạng tinh thể Si tinh khiết, trong đó:
Nguyên tử Si được biểu diễn bằng một hình tròn màu đỏ, kích thước lớn, Các electron được biểu diễn bằng các chấm tròn nhỏ, màu xanh,
Bước 2: Khi nhập thông số thích hợp về nhiệt độ cho mạng tinh thể bán dẫn, mô hình thể hiện: một số electron ngẫu nhiên tại các liên kết bị bứt ra và chuyển động tự do trong mạng tinh thể, để lại tại các vị trí liên kết đó là các lỗ trống thiếu electron.
Electron tự do Lỗ trống
dương
Bước 3: Áp vào mạng tinh thể bán dẫn một hiệu điện thế, mô hình thể hiện: Các electron chuyển động ngược chiều điện trường,
Các lỗ trống di chuyển từ vị trí liên kết này đến vị trí liên kết khác theo chiều
điện trường.
c. Phần mềm hỗ trợ xây dựng mô hình
Đối với mô hình này, ta có thể xây dựng bằng các phần mềm hỗ trợ khác nhau như: tạo hiệu ứng trên power point, thiết kế hiệu ứng hoạt hình trên macromedia flash hoặc sử dụng phần mềm matlab, trong giới hạn đề tài này, tôi chọn matlab làm phần mềm hỗ trợ vì nó thể hiện được tính ngẫu nhiên của quá trình bứt electron ra khỏi vị trí liên kết.
d. Hoàn thành mô hình
2.3.5.2 Mô hình về sự dẫn điện của bán dẫn pha tạp chất(Mh5.2)
a. Thực trạng và mục đích
Thực tế, HS gặp khó khăn trong việc tự lực giải thích cơ chế dẫn điện của bán dẫn tạp chất cũng như phân biệt sự khác nhau về hạt tải điện của hai loại bán dẫn tạp chất này.
Mục đích của mô hình:
- Giúp HS có thể tự lực giải thích cơ chế dẫn điện của bán dẫn loại n và loại p. - Giúp HS có tự lực nêu lên điểm khác biệt về hạt tải điện của các loại bán dẫn:
Bán dẫn tinh khiết: hạt tải điện cơ bản là electron và lỗ trống có số lượng bằng nhau,
Bán dẫn loại n: hạt tải điện cơ bản là electron, lỗ trống là hạt tải điện không cơ
bản; số electron nhiều hơn số lỗ trống.
Bán dẫn loại p: hạt tải điện cơ bản là lỗ trống, electron là hạt tải điện không cơ
bản; số lỗ trống nhiều hơn số electron.
Sử dụng nền của mô hình (5.1), thêm phần lựa chọn tạp chất. Khi pha tạp chất, mô hình thể hiện:
- Loại n: pha Photpho(P) (thể hiện bằng một nguyên tử khác màu trong mạng tinh thể), có electron tự do xuất hiện trong mạng tinh thể (ởđiều kiện bình thường).
- Loại p: pha Bo(B) (thể hiện bằng một nguyên tử khác màu trong mạng tinh thể), có lỗ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
trống xuất hiện trong mạng tinh thể (ở điều kiện bình thường).
Khi áp thông số hiệu điện thế, mô hình vận hành như mô hình (5.1) c. Phần mềm hỗ trợ xây dựng mô hình: matlab
2.4 Xây dựng tiến trình dạy học một số bài trong chương có sự hỗ trợ của các mô hình [2][13][18][19]
2.4.1 Tiến trình dạy học bài “Dòng điện trong kim loại”
(Tiết 27 theo phân phối chương trình vật lý lớp 11 nâng cao)
I. Mục tiêu:
1. Kiến thức:
Giải thích được cơ chế tạo ra các electron tự do trong kim loại.
Nêu được dạng chuyển động của các electron tự do trong mạng tinh thể kim loại khi có điện trường ngoài và phát biểu được bản chất dòng điện trong kim loại.
Nêu được các tính chất điện của kim loại.
2. Kĩ năng:
Vận dụng được thuyết electron cổđiển để giải thích các tính chất điện của kim loại.
Quan sát mô hình vật lý và phát hiện được các yếu tố cơ bản của hiện tượng vật lý.
Vận dụng được công thức để giải các bài toán về sự phụ thuộc của điện trở kim loại vào nhiệt độ.
) 1 ( o o t t 3. Thái độ:
Hứng thú và tích cực quan sát các mô hình vật lý trên máy tính để tìm kiến thức. Tự lực làm việc và trả lời các câu hỏi trong phiếu học tập.
II. Chuẩn bị:
1. Giáo viên:
a. Xác định kiến thức, xây dựng phương án dạy học cho từng kiến thức.
Vấn đề 1- Các tính chất điện của kim loại: thông báo kiến thức.
Vấn đề 2- Electron tự do trong kim loại:
- Cơ chế phát sinh các electron tự do và chuyển động của chúng: đàm thoại gợi mở với sự hỗ trợ của mô hình.
- Vấn đề 3- Giải thích các tính chất điện của kim loại: đàm thoại gợi mở với sự
hỗ trợ của mô hình.
b. Xây dựng các mô hình vật lý trên máy tính hỗ trợ cho bài giảng
- Mô hình (Mh1.1): chuyển động của các electron tự do trong mạng tinh thể kim loại,
- Mô hình (Mh1.2): giải thích các tính chất điện của kim loại c. Thiết kế phiếu học tập
2. Học sinh:
Xem lại bài 12 – Điện năng và công suất điện – Định luật Joule – Lentz. Xem lại nội dung kiến thức về cấu tạo của các loại chất rắn đã học ở lớp 10. Xem lại nội dung thuyết electron cổđiển.
III. Tiến trình bài học (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Giới thiệu chương:
Chương này đi vào nghiên cứu về bản chất bên trong của dòng điện chạy trong các môi trường cơ bản( kim loại, chất điện phân, chân không, chất khí và chất bán dẫn), tìm hiểu bản chất của một số hiện tượng liên quan đến dòng điện qua các môi trường trên và một sốứng dụng của chúng.
Như vậy, để tìm hiểu bản chất của dòng điện chạy trong một môi trường nào đó ta phải tìm hiểu những vấn đề gì? Để trả lời câu hỏi này, các em hãy trả lời các câu hỏi sau:
- Dòng điện là gì?
- Điều kiện để có dòng điện trong một môi trường nào đó là gì?
Sau khi HS trả lời các câu hỏi trên, GV hướng dẫn HS xác định nhiệm vụ
Vấn đề 1- Các tính chất điện của kim loại
HOẠT ĐỘNG CỦA HS TRỢ GIÚP CỦA GV
- Trả lời câu hỏi của GV - Nêu câu hỏi: Hãy nêu những tính chất
điện của kim loại mà em biết?
- Yêu cầu nhiều HS trả lời câu hỏi trên, sau đó GV bổ sung cho hoàn thiện
- Thông báo công thức (17.1)
Vấn đề 2- Bản chất của dòng điện trong kim loại: HOẠT ĐỘNG CỦA HS TRỢ GIÚP CỦA GV - HS: cá nhân trả lời câu hỏi: “dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các hạt tải điện tự do” - HS: gồm 2 điều kiện: + Môi trường đó phải có hạt tải điện tự do, + Phải làm cho các hạt tải điện này chuyển động có hướng. - GV: Nêu câu hỏi: dòng điện là gì? - GV: yêu cầu HS phân tích định nghĩa dòng điện và trả lời câu hỏi: điều kiện để
có dòng điện chạy trong một môi trường là gì?
- HS: electron tự do
- HS: thảo luận nhóm và trình bày cơ chế
tạo electron tự do trong kim loại.
- HS: quan sát mô hình và có thể tự lực trả lời câu hỏi của GV: chuyển động hỗn loạn trong không gian của mạng tinh thể.
- HS: áp vào một hiệu điện thế.
- HS: quan sát mô hình và trả lời: các electron vừa chuyển động hỗn loạn vừa chuyển động định hướng ngược chiều
điện trường ngoài.
- GV:Nhận xét và yêu cầu HS ghi nhận kiến thức. Nêu câu hỏi: Bản chất dòng
điện trong kim loại là dòng chuyển dời của loại hạt nào?
- GV: Các electron tự do này được tạo thành như thế nào?
- GV: bình thường trong mạng tinh thể
kim loại các electron chuyển động như
thế nào?
Nếu HS khó khăn trong việc tự lực trả
lời câu hỏi này, GV chiếu mô hình hỗ trợ
(1.1a ). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- GV: để tạo ra dòng điện trong kim loại ta phải làm gì?
- GV: chiếu mô hình (1.1b). Nêu câu hỏi: dựa vào mô hình hãy mô tả chuyển động của các electron khi có điện trường ngoài áp vào?
- GV: nhấn mạnh cho HS hiểu rằng chuyển động định hướng của các electron là rất nhỏ. Yêu cầu HS phát biểu hoàn chỉnh bản chất dòng điện trong kim loại.
Vấn đề 3: Giải thích một số tính chất điện của kim loại
HOẠT ĐỘNG CỦA HS TRỢ GIÚP CỦA GV * Giải thích nguyên nhân gây ra điện trở
của kim loại:
- HS: là đại lượng đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện.
- HS: cản trở chuyển động có hướng của hạt tải điện tự do.
- HS: cá nhân quan sát mô hình vận hành và nêu dự đoán về nguyên nhân gây cản trở chuyển động của electron: các ion dương dao động ở nút mạng va chạm với các electron trong quá trình chuyển động.
* Giải thích sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ:
- HS: quan sát mô hình, cá nhân tự lực giải thích sự phụ thuộc của R vào nhịêt
độ: Khi nhiệt độ tăng: Ion dao động mạnh, electron chuyển động nhanh hơn nên khả
năng va chạm nhiều hơn, do đó điện trở
kim loại tăng.
- GV: nêu câu hỏi: điện trở là gì?
- GV: nêu câu hỏi: về mặt bản chất, cản trở dòng điện là cản trở “cái gì”?
- GV: Chiếu mô hình (1.2a) và yêu cầu HS nêu dự đoán về nguyên nhân chính cản trở chuyển động của các electron tự
do trong mạng tinh thể kim loại.
- GV: xác nhận dự đoán và thông báo them các yếu tố cản trở phụ: nguyên tố lạ
trong mạng tinh thể, sự biến dạng cơ học của mạng tinh thể.
- GV: chiếu mô hình (1.2b) và yêu cầu HS tự lực giải thích sự phụ thuộc của điện trở
kim loại vào nhiệt độ.
* Câu hỏi phụ: hãy thiết kế mô hình thí nghiệm để kiểm chứng sự phụ thuộc của
điện trở kim loại vào nhiệt độ?
Gợi ý: Khi nhiệt độ thay đổi, đường đặc tuyến V – A của dòng điện qua dây dẫn kim loại có dạng gì?
kim loại mà khi có dòng điện chạy qua ta có thể nhận biết được, đồng thời nó nóng lên nhanh.
IV. Củng cố
Bản chất của dòng điện trong kim loại là gì? Tại sao khi nhiệt độ tăng, điện trở
kim loại tăng?
Trả lời các câu hỏi trong SGK. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2.4.2 Tiến trình dạy học bài “Dòng điện trong chất điện phân”
(Tiết 29 - 30 theo phân phối chương trình vật lý lớp 11 nâng cao)
I. Mục tiêu:
1. Kiến thức:
Nêu được các định nghĩa: chất điện phân, hiện tượng điện phân, phản ứng phụ
trong hiện tượng điện phân, hiện tượng dương cực tan.
Phát biểu được bản chất của dòng điện trong chất điện phân.
Phát biểu được các định luật Faraday về hiện tượng điện phân và viết được các biểu thức tương ứng.
Nêu và giải thích được nguyên tắc đúc điện, mạ điện, tinh chế và điều chế kim loại.
2. Kĩ năng:
Vận dụng được thuyết điện li để giải thích cơ chế của quá trình phát sinh hạt tải
điện trong chất điện phân
Quan sát mô hình vật lý và phát hiện được các yếu tố cơ bản của hiện tượng vật lý.
Vận dụng được các định luật Faraday và công thức Faraday để giải các bài toán về hiện tượng điện phân.
3. Thái độ:
Hứng thú và tích cực quan sát các mô hình vật lý trên máy tính để tìm kiến thức. Tự lực làm việc và trả lời các câu hỏi trong phiếu học tập.
Tích cực sưu tầm và tìm hiểu thêm các ứng dụng của dòng điện trong chất điện phân.
II. Chuẩn bị:
1. Giáo viên: