Giai đoạn của PPTN Phát triển được các thành tố của NLTN
Giai đoạn 1. Làm nảy sinh vấn đề cần nghiên cứu, xác định vấn đề cần nghiên cứu dưới dạng một câu hỏi
NL xác định vấn đề cần nghiên cứu
Giai đoạn 2. Đề xuất giả thuyết (dự đốn)
NL đưa ra dự đốn, giả thuyết
Giai đoạn 3. Từ giả thuyết, suy luận ra một hệ quả cĩ thể kiểm tra bằng TN
Giai đoạn 4. Thiết kế và tiến hành phương án TN để kiểm tra tính đúng đắn của hệ quả rút ra từ giả thuyết
NL thiết kế các phương án TN
NL tiến hành phương án TN đã thiết kế NL phân tích, xử lí và trình bày kết quả
Giai đoạn 5. Rút ra kết luận (kiến thức mới) và vận dụng kiến thức mới
Kết luận chương 1
Trong chương 1, chúng tơi đã tổng quan cơ sở lí luận của đề tài nghiên cứu với những nội dung chính sau:
- Trình bày định nghĩa, cấu trúc và xây dựng bảng mức độ để đánh giá NLTN của HS.
- Trình bày về PPTN trong dạy học Vật lí và xây dựng được tiến trình tổng quát để tổ chức dạy học theo các giai đoạn của PPTN.
- Nêu được tầm quan trọng của TN trong các giai đoạn của tiến trình dạy học theo PPTN.
Sau khi nghiên cứu về cơ sở lí luận của PPTN trong dạy học Vật lí, chúng tơi nhận thấy việc tổ chức dạy học theo các giai đoạn của PPTN cĩ thể giúp HS phát triển được các thành tố của NLTN. Vì vậy, trong chương 2, chúng tơi tiến hành vận dụng cơ sở lí luận trên vào việc xây dựng tiến trình dạy học chương “chất khí” Vật lí 10 THPT theo các giai đoạn của PPTN nhằm phát triển NLTN của HS và xây dựng cơng cụ đánh giá NLTN của HS thơng qua quá trình tổ chức dạy học chương “chất khí”.
Chương 2. XÂY DỰNG TIẾN TRÌNH DẠY HỌC CHƯƠNG “CHẤT KHÍ” VẬT LÍ 10 THPT THEO CÁC GIAI ĐOẠN CỦA PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM NHẰM PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC THỰC NGHIỆM
CỦA HỌC SINH
2.1. Mục tiêu dạy học chương “chất khí” Vật lí 10 THPT2.1.1. Mục tiêu về kiến thức 2.1.1. Mục tiêu về kiến thức
Hiểu được các đẳng quá trình: Quá trình đẳng nhiệt, quá trình đẳng tích và quá trình đẳng áp.
Hiểu được nội dung của 3 định luật chất khí: Định luật Boyle - Mariotte, định luật Charles và mối liên hệ giữa thể tích và nhiệt độ tuyệt đối của lượng khí khi áp suất khơng đổi (định luật Gay-Lussac).
Biết được điều kiện áp dụng của các định luật chất khí. Biểu diễn được bằng đồ thị:
Mối liên hệ giữa áp suất và thể tích trong quá trình đẳng nhiệt.
Mối liên hệ giữa áp suất và nhiệt độ tuyệt đối trong quá trình đẳng tích.
Mối liện hệ giữa thể tích và nhiệt độ tuyệt đối trong quá trình đẳng áp. Vận dụng các kiến thức đã học vào giải quyết được các hiện tượng thực tế cĩ liên quan.
2.1.2. Mục tiêu về phát triển năng lực
Xác định được vấn đề cần nghiên cứu.
Dự đốn được giả thuyết (đưa ra được câu trả lời sơ bộ cho vấn đề cần nghiên cứu).
Đề xuất được phương án TN.
Thiết kế được bộ dụng cụ TN dựa trên phương án TN đã đề xuất. Tiến hành được TN nhanh và chính xác.
Đọc chính xác các số liệu TN và biết cách xử lí các kết quả thu được từ TN để đi đến kết luận chung.
2.2. Cấu trúc chương “chất khí” trong chương trình Vật lí THPT
Sơ đồ 2.1. Cấu trúc chương chất khí Vật lí 10 THPT
Chất khí
Cấu tạo chất &
Thuyết động học phân tử chất khí
Khí lí tưởng Hai định luật chất khí
Phương trình trạng thái khí lí tưởng
Mối liên hệ giữa thể tích và nhiệt độ tuyệt đối khi áp suất khơng đổi (định luật Gay-Lussac)
Đường đẳng áp Định luật Boyle – Mariotte
Đường đẳng nhiệt
Định luật Charles
Chương chất khí đề cập đến các nội dung chính sau:
Cấu tạo chất và thuyết động học phân tử chất khí.
Khái niệm khí lí tưởng.
Hai định luật chất khí và mối liên hệ giữa thể tích và nhiệt độ tuyệt đối khi áp suất khơng đổi (định luật Gay-Lussac).
Đường đẳng nhiệt, đường đẳng tích và đường đẳng áp.
Phương trình trạng thái khí lí tưởng
Theo chương trình Vật lí 10 cơ bản: mở đầu chương “chất khí” nghiên cứu về thuyết động học phân tử chất khí, khái niệm khí lí tưởng theo quan điểm vi mơ. Sau đĩ, định luật Boyle – Mariotte và định luật Charles được xây dựng bằng con đường thực nghiệm, phương trình trạng thái khí lí tưởng được xây dựng bằng con đường suy luận logic và suy luận tốn học từ hai định luật trên. Từ đĩ, suy ra mối liên hệ giữa thể tích và nhiệt độ tuyệt đối trong quá trình đẳng áp (định luật Gay-Lussac).
Từ sơ đồ trên, định luật Gay-Lussac khơng phải là hệ quả suy ra từ phương trình trạng thái khí lí tưởng, sơ đồ chỉ thể hiện cách xây dựng các kiến thức theo chương trình Vật lí 10 cơ bản. Trên thực tế, ba định luật này hồn tồn được xây dựng độc lập theo con đường thực nghiệm.
Robert Boyle (1627 - 1691) nhà Vật lí người Anh và người phụ tá Townly đã thực hiện TN tìm ra một định luật cho biết mối liên hệ giữa thể tích và áp suất của một lượng khí xác định khi nhiệt độ của khối khí khơng thay đổi. Định luật này được cơng bố vào năm 1662. Mười bốn năm sau tức là năm 1676, Edme Mariotte (1620 - 1684), một nhà Vật lí Pháp cũng tìm ra định luật này một cách độc lập với Robert Boyle. Vì vậy, sau này người ta gọi định luật này là định luật Boyle – Mariotte (Nguyễn Thị Thếp, 2008).
Năm 1787, Jacques Alexandre César Charles (1746 - 1823) sau khi làm TN với nhiều chất khí khác nhau đã tìm ra được hệ thức p po 1 t và cách phát biểu nguyên thủy của định luật Charles là: “Hệ số tăng áp suất khi thể tích khơng đổi của chất khí đều bằng nhau và bằng 1/ 273”. Tuy nhiên trong sách giáo khoa Vật lí 10 cơ bản, định luật Charles được phát biểu như sau: “Trong quá trình đẳng
tích của một lượng khí nhất định, áp suất tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối”. Hai cách phát biểu trên về định luật Charles là hồn tồn tương đương nhau.
Louis Joseph Gay-Lussac (1778 - 1850), nhà Vật lí và Hĩa học người Pháp đã tìm ra định luật mang ơng bằng thực nghiệm từ năm 1802 với cách phát biểu như sau: “Thể tích của một lượng khí cĩ áp suất khơng đổi biến đổi tuyến tính theo nhiệt độ Celsius t của khí”
1
o
V V t
Tuy nhiên, trong sách giáo khoa Vật lí 10 cơ bản, mối liên hệ giữa thể tích và nhiệt độ tuyệt đối (định luật Gay-Lussac) được phát biểu như sau: “Trong quá trình đẳng áp của một lượng khí nhất định, thể tích tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối”. Hai cách phát biểu này là hồn tồn tương đương nhau, đĩ là hai cách diễn đạt khác nhau của định luật Gay-Lussac.
Năm 1834, Bonoit Paul Émile Clapeyron gộp kết quả của ba định luật nêu trên vào một phương trình, đĩ là phương trình trạng thái khí lí tưởng.
2.3. Thiết kế tiến trình dạy học một số kiến thức chương “chất khí” Vật lí 10 THPT theo các giai đoạn của phương pháp thực nghiệm nhằm phát triển THPT theo các giai đoạn của phương pháp thực nghiệm nhằm phát triển năng lực thực nghiệm của học sinh.
2.3.1. Quá trình đẳng nhiệt. Định luật Boyle – Mariotte a) Mục tiêu bài học a) Mục tiêu bài học
Mục tiêu về kiến thức
Hiểu khái niệm và phân biệt được “trạng thái” và “quá trình”. Nêu được định nghĩa quá trình đẳng nhiệt.
Phát biểu và viết được biểu thức của định luật Boyle – Mariotte.
Giải thích được một cách định tính sự phụ thuộc giữa áp suất và thể tích của khí khi nhiệt độ khơng đổi dựa vào thuyết động học phân tử chất khí.
Nhận biết hình dạng và vẽ được đường đẳng nhiệt trong hệ tọa độ (p,V), (p, T), (V, T).
Vận dụng kiến thức đã học để giải thích được các hiện tượng thực tế cĩ liên quan.
Mục tiêu về phát triển năng lực
Xác định được nội dung cần học thơng qua TN mở đầu của giáo viên.
Đưa ra được dự đốn về mối liên hệ giữa áp suất và thể tích trong quá trình đẳng nhiệt.
Đề xuất được phương án tiến hành TN để kiểm chứng dự đốn.
Đọc được chính xác các số liệu TN và xử lí được kết quả TN để tìm ra được mối liên hệ giữa áp suất và thể tích của lượng khí xác định khi nhiệt độ khơng đổi.
b) Phương pháp giảng dạy
Sử dụng phối hợp phương pháp thuyết trình và dạy học theo các giai đoạn của PPTN.
c) Chuẩn bị
Giáo viên
Giáo án giảng dạy theo các giai đoạn của PPTN. Dụng cụ thí nghiệm bài định luật Boyle – Mariotte Phiếu học tập 1.1; 1.2; 1.3; 1.4; 1.5
Học sinh
Ơn lại kiến thức về thuyết động học phân tử chất khí
d) Thiết kế hoạt động dạy học
Bài 1. Quá trình đẳng nhiệt. Định luật Boyle – Mariotte được chia làm 2 đơn vị kiến thức trình bày cụ thể trong bảng 2.1
Bảng 2.1. Đơn vị kiến thức bài 1. Quá trình đẳng nhiệt. Định luật Boyle – Mariotte
Đơn vị kiến thức Phương pháp giảng dạy
1
Trạng thái
Quá trình biến đổi trạng thái Quá trình đẳng nhiệt
Phương pháp thuyết trình
2 Định luật Boyle – Mariotte và
Thiết kế hoạt động dạy học đơn vị kiến thức 1
HOẠT ĐỘNG CỦA GIÁO VIÊN HOẠT ĐỘNG CỦA HỌC SINH
Hoạt động 1 (2 phút). Đặt vấn đề vào bài mới + GV đặt vấn đề: Tại sao chúng ta
khơng thể lặn sâu như cá?
+ Để giải quyết câu hỏi trên, chúng ta đi vào bài mới hơm nay. Bài 29: QUÁ TRÌNH ĐẲNG NHIỆT. ĐỊNH LUẬT BOYLE - MARIOTTE.
+ Học sinh tiếp thu và ghi tiêu đề vào tập vở.
Hoạt động 2 (10 phút). Tìm hiểu trạng thái và quá trình biến đổi trạng thái + GV thơng báo: Trạng thái của một
lượng khí được xác định bằng thể tích V, áp suất p, nhiệt độ tuyệt đối T. Những đại lượng này gọi là các thơng số trạng thái của một lượng khí.
+ GV hỏi: Trong hệ SI, các đại lượng này cĩ đơn vị đo là gì?
+ GV lập luận: Ta cĩ một khối khí:
Gọi là quá trình biến đổi trạng thái, gọi tắt là quá trình. Quá trình biến đổi trạng thái là quá trình lượng khí chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác.
+ GV lập luận: Hầu hết các quá trình tự nhiên, cả ba thơng số trạng thái đều thay đổi. Tuy nhiên, ta cũng cĩ thể thực hiện
+ Học sinh tiếp thu và ghi chép.
+ HS trả lời:
Thể tích V: m3 Áp suất p: Pa
Nhiệt độ tuyệt đối T: K T(K) = 273 +t(oC)
+ Học sinh tiếp thu và ghi chép.
+ Học sinh tiếp thu và ghi chép. p1, V1, T1 p2, V2, T2
được những quá trình mà trong đĩ chỉ cĩ hai số thơng đổi, cịn một thơng số khơng đổi. Những quá trình này được gọi là đẳng quá trình.
+ GV đặt câu hỏi: Vậy ta cĩ thể thực hiện bao nhiêu đẳng quá trình biến đổi trạng thái khí?
+ GV dẫn dắt: Bài học này ta sẽ nghiên cứu về đẳng quá trình đầu tiên là quá trình đẳng nhiệt. Vậy quá trình đẳng nhiệt là gì?
+ HS suy nghĩ trả lời: Ba đẳng quá trình biến đổi trạng thái khí là: đẳng nhiệt, đẳng áp và đẳng tích.
Hoạt động 3 (3 phút). Tìm hiểu quá trình đẳng nhiệt + GV yêu cầu: Dựa vào những định
nghĩa đẳng quá trình, hãy phát biểu tương tự định nghĩa quá trình đẳng nhiệt?
+ HS suy nghĩ trả lời: Quá trình biến đổi trạng thái trong đĩ nhiệt độ được giữ khơng đổi gọi là quá trình đẳng nhiệt.
Thiết kế hoạt động dạy học đơn vị kiến thức 2
Tiến trình xây dựng kiến thức “định luật Boyle – Mariotte và đường đẳng nhiệt” theo các giai đoạn của PPTN
GIAI ĐOẠN 1. GV LÀM NẢY SINH VẤN ĐỀ CẦN GIẢI QUYẾT GV cho nhĩm HS làm TN: HS thực hiện TN với dụng cụ bơm xe đạp: Sau khi cần bơm được kéo lên cao, sử dụng dụng cụ bịt chặt đầu bơm lại, dùng tay đẩy cần bơm từ từ xuống thấp.
HS xác định vấn đề: Đối với một lượng khí nhất định được giữ ở nhiệt độ khơng đổi, áp suất của khối khí phụ thuộc vào thể tích của nĩ như thế nào?
GIAI ĐOẠN 2. HS ĐỀ XUẤT DỰ ĐỐN, GIẢ THUYẾT
Giả thuyết: Đối với một lượng khí nhất định được giữ ở nhiệt độ khơng đổi, áp suất
GIAI ĐOẠN 3. TỪ GIẢ THUYẾT, HS SUY LUẬN RA HỆ QUẢ Hệ quả: Khi T = hằng số thì pV = hằng số
GIAI ĐOẠN 4. KIỂM TRA TÍNH ĐÚNG ĐẮN CỦA HỆ QUẢ
HS thiết kế phương án TN để kiểm tra tính đúng đắn của hệ quả rút ra từ giả thuyết:
Dụng cụ TN
1. Ống bơm tiêm chứa lượng khí xác định cĩ gắn pit – tơng, trên cĩ vạch chia thể tích.
2. Áp kế 3. Bộ giá đỡ
Hình 2.1. Bộ TN Boyle – Mariotte Tiến hành TN Tiến hành TN
Dùng tay ấn hoặc kéo pit-tơng từ từ sao cho khối khí trong xilanh cĩ thể tích V1 , V2, V3, V4, V5 đọc lần lượt các giá trị p1, p2, p3, p4, p5
Đọc và ghi các giá trị vào bảng số liệu.
Xử lí kết quả TN
Nhận xét: pV hằng số
Trong quá trình đẳng nhiệt của một lượng khí nhất định, áp suất tỉ lệ nghịch với thể tích.
1
p
V hay pV hằng số
GIAI ĐOẠN 5. ỨNG DỤNG KIẾN THỨC
Ứng dụng định luật Boyle – Mariotte để giải thích một số hiện tượng trong thực tế. Hoạt động dạy học cụ thể:
HOẠT ĐỘNG CỦA GIÁO VIÊN HOẠT ĐỘNG CỦA HỌC SINH
Hoạt động 1 (20 phút). Giáo viên hướng dẫn học sinh xây dựng dự đốn về mối liên hệ giữa áp suất p và thể tích V trong quá trình đẳng nhiệt (Giai đoạn 1, 2, 3 của tiến trình)
+ GV cho mỗi nhĩm HS thực hiện TN mở đầu: HS thực hiện TN với dụng cụ bơm xe đạp: Sau khi cần bơm được kéo lên cao, sử dụng dụng cụ bịt chặt đầu bơm lại, dùng tay đẩy cần bơm từ từ xuống thấp.
+ GV thơng báo: HS đẩy cần bơm chậm.
+ GV hỏi: Sau khi thực hiện TN với dụng cụ bơm xe đạp, em hãy nêu hiện tượng xảy ra?
+ GV hỏi: Theo em, khi bơm chậm, thơng số trạng thái nào của khí trong ống bơm xem như được giữ khơng đổi?
+ GV hỏi: Theo em khi cần bơm càng hạ
+ Mỗi nhĩm HS thực hiện TN
+ HS thực hiện TN và trả lời vào phiếu học tập số 1.1 (phụ lục 1.1).
Dự đốn câu trả lời của HS: Khi cần bơm càng hạ xuống thấp thì tay ta cảm thấy bị đẩy ngược lên, rất khĩ đẩy cần bơm xuống.
+ HS trả lời vào phiếu học tập 1.1 Dự đốn câu trả lời của HS: Nhiệt độ xem như được giữ khơng đổi.
xuống thấp, thể tích khí trong ống bơm thay đổi như thế nào?
+ GV hỏi: Khi cần bơm hạ xuống thấp, tay ta cảm thấy khĩ đẩy cần bơm xuống, khi đĩ áp lực do khí trong bơm tác dụng lên cần bơm tăng hay giảm?
+ GV hỏi: Nêu cơng thức tính áp suất đã học trong chương trình Vật lí 8?
+ GV hỏi: Dựa vào cơng thức tính áp suất, em hãy cho biết áp suất của khí trong bơm tăng hay giảm?
+ GV hỏi: Từ các câu trả lời trên, em hãy nhận xét sự thay đổi các thơng số trạng thái của khí trong bơm?
+ GV hỏi: Em hãy nêu vấn đề được đặt ra từ thí nghiệm với đồ dùng bơm xe đạp?
+ GV thu phiếu học tập 1.1
+ GV hướng dẫn HS trả lời các câu hỏi
+ HS suy nghĩ và trả lời vào phiếu học tập 1.1
Dự đốn câu trả lời của HS: Khi cần bơm càng hạ xuống thấp, thể tích khí trong ống bơm giảm.