B. NỘI DUNG
3.4.3 Thiết kế tiến trình dạy học phƣơng trình trạng thái của khí lý tƣởng
suy ra định luật Gay – Lussac.
3.4.3.1 Nội dung kiến thức cần xây dựng:
Tìm mối liên hệ giữa nhiệt độ T, thể tích V và áp suất p từ đó suy ra mối quan hệ giữa T và V khi p không thay đổi.
3.4.3.2 Mục tiêu bài học:
- Kiến thức:
+ Biết tổng hợp kiến thức của định luật Boyle - Mariotte và định luật Charles tìm sự phụ thuộc của ba đại lƣợng nhiệt độ, áp suất, thể tích của một lƣợng khí nhất định. + Biết cách suy ra quy luật phụ thuộc của thể tích vào nhiệt độ khi áp suất không đổi dựa vào phƣơng trình trạng thái.
- Kỹ năng:
+ Từ phƣơng trình trạng thái suy ra các phƣơng trình ứng với các quá trình đẳng nhiệt, đẳng áp, đẳng tích.
+ Vận dụng phƣơng trình trạng thái của khí lý tƣởng để giải các bài toán liên quan.
3.4.3.3 Chuẩn bị:
- Giáo viên:
+ Dụng cụ thí nghiệm: Bình chứa khí, áp kế, nhiệt kế, nƣớc nóng, bình đựng nƣớc, giá đỡ, bảng phụ.
- Học sinh:
78
3.4.3.4 Sơ đồ mô phỏng tiến trình xây dựng kiến thức khoa học:
Tình huống xuất phát :
Dẫn dắt học sinh đi từ quá trình đẳng nhiệt và đẳng tích để suy luận phƣơng trình trạng thái khí lý tƣởng,
định luận Gay- Lussac và câu hỏi nêu vấn đề.
Hình thành câu hỏi cho học sinh:
+ Có một phƣơng trình cụ thể nào biểu thị mối quan hệ giữa 3 đại lƣợng p, V và T không? + Xét quá trình đẳng áp, thì mối quan hệ của V
và T nhƣ thế nào?
Giả thiết: Suy luận lý thuyết từ hai định luật Boyle - Mariotte và Charles.
Thiết kế các phƣơng án thí nghiệm
Tiến hành thực nghiệm tìm tòi nghiên cứu.
T pV = hằng số => T V = hằng số
79
3.4.3.5 Tiến trình hoạt động dạy học cụ thể:
Pha 1: Tình huống xuất phát và câu hỏi nêu vấn đề:
Hoạt động của học sinh Hoạt động của giáo viên
TL1: Quả bóng phình lên và sau đó trở lại hình dạng ban đầu
TL2: Áp suất, thể tích và nhiệt độ đều tăng.
TL3: Nhiệt độ thay đổi nên không thể áp dụng định luật Boyle - Mariotte để tìm các thông số p, V, T.
Thể tích thay đổi nên không thể áp dụng định luật Charles để tìm các thông số p, V, T.
(Xuất hiện vấn đề mâu thuẫn và tình huống bế tắc)
Giáo viên nhúng quả bóng bị bẹp vào thau nƣớc nóng.
H1: Hiện tƣợng xảy ra là gì?
H2: Áp suất, thể tích, nhiệt độ của khối khí trong quả bóng nhƣ thế nào?
H3: Lúc này có thể áp dụng định luật Boyle - Mariotte hoặc Charles để tìm các giá trị p, V, T đƣợc không?
Câu hỏi nêu vấn đề: Tìm hiểu sự phụ thuộc lẫn nhau của p, V, T khi cả ba đại lượng ấy đều thay đổi ?
Pha 2: Hình thành câu hỏi cho học sinh:
Hoạt động của học sinh Hoạt động của giáo viên
80
Học sinh suy nghĩ viết các quan niệm ban đầu và câu hỏi của mình vào giấy rồi thảo luận chung với nhóm và cao hơn nữa sẽ thảo luận với toàn lớp. Các quan niệm ban đầu mà học sinh có thể nêu ra nhƣ:
- Có thể sử dụng hai định luật định luật Boyle - Mariotte hoặc Charles để tìm ra đƣợc các đại lƣợng p, V, T trong trƣờng hợp nhiệt độ và thể tích đều thay đổi. - Không thể áp dụng các kiến thức đã học để tìm 3 đại lƣợng p, V, T mà phải suy luận thêm kiến thức mới.
- Tìm các giá trị thông qua các quá trình trung gian.
Các câu hỏi mà học sinh có thể nêu ra: - Nếu thay một quá trình biến đổi với cả 3 đại lƣợng p, V, T cùng thay đổi bằng các quá trình trung gian (giữ một thông số không đổi) suy ra mối quan hệ giữa các thông số p, V, T đƣợc không?
- Quá trình trung gian đó là quá trình nào?
Làm viêc chung cả lớp:
Thảo luận dẫn đến nhu cầu cần làm thí
thành các câu hỏi cho học sinh
Lƣu ý các quan niệm liên quan đến kiến thức trọng tâm và xoáy sâu vào đó.
81
nghiệm để trả lời các câu hỏi.
Pha 3: Xây dựng giả thiết và thiết kế phương án thực nghiệm:
Hoạt động của học sinh Hoạt động của giáo viên
Làm việc theo cá nhân:
Nếu tách quá trình biến đổi với cả 3 thông số p, V, T cùng thay đổi bằng các quá trình mà trong đó với một hằng số cụ thể không thay đổi thì có thể suy ra đƣợc phƣơng trình biểu diễn sự phụ thuộc lẫn nhau giữa 3 thông số đó.
Nhƣ vậy các giả thiết học sinh có thể nêu ra nhƣ sau:
- Trạng thái (1) sang trạng thái (2’) là quá trình đẳng nhiệt, trạng thái (2’) sang trạng thái (2) là quá trình đẳng tích.
- Trạng thái (1) sang trạng thái (2’) là quá trình đẳng tích, trạng thái (2’) sang trạng thái (2) là quá trình đẳng nhiệt.
Làm việc theo nhóm:
Các phƣơng án thí nghiệm mà học sinh có thể thảo luận nhƣ sau:
Chú trọng vào giả thiết biến đổi từ trạng thái (1) sang (2) qua trạng thái trung gian (2’)
Trạng thái (1)Trạng thái (2’) Trạng thái (2).
82
+ Phương án 1: Thực hiện hai giai đoạn biến đổi: Trạng thái (1) sang (2’) đẳng nhiệt. Trạng thái (2’) sang (2) đẳng tích.
+ Phương án 2: Thực hiện giai đoạn biến đổi: Trạng thái (1) sang (2’) đẳng tích. Trạng thái (2’) sang (2) đẳng nhiệt.
đƣa ra phƣơng án thí nghiệm tối ƣu với các dụng cụ đã đƣợc chuẩn bị sẵn.
Lƣu ý : Học sinh có thể đƣa ra phƣơng án thí nghiệm với quá trình trung gian là quá trình đẳng áp. Quá trình đẳng áp sẽ đƣợc rút ra sau khi tìm đƣợc phƣơng trình trạng thái của khí lý tƣởng.
Pha 4: Tiến hành thực nghiệm tìm tòi – nghiên cứu.
Hoạt động của học sinh Hoạt động của giáo viên
Làm việc theo nhóm:
+ Nhóm 1, Nhóm 2: Thực hiện hai giai đoạn biến đổi: Trạng thái (1) sang (2’)
đẳng nhiệt. Trạng thái (2’) sang (2) đẳng
tích.
* Cắm nhiệt kế vào khối khí, nối áp kế với bình chứa khối khí.
- Nén pittông để thay đổi áp suất. Đọc số chỉ của áp kế và thể tích khí ở nhiệt độ phòng.
- Đổ nƣớc nóng vào bình đựng nƣớc, cho bình chứa khí tiếp xúc với bình đựng nƣớc nóng. Đọc số chỉ của nhiệt kế và áp kế . Ghi kết quả vào bảng:
Chia lớp làm 2 nhóm:
Các dụng cụ thí nghiệm mà giáo viên cần chuẩn bị sẵn. Dụng cụ thí nghiệm: Bình chứa khí, áp kế, nhiệt kế, nƣớc nóng, bình đựng nƣớc, giá đỡ...
Yêu cầu học sinh tiến hành thí nghiệm, vẽ hình bố trí thí nghiệm và ghi các kết quả thí nghiệm vào vở thí nghiệm. Trong quá trình học sinh làm thí nghiệm, giáo viên đi đến từng nhóm để giúp đỡ học sinh khi cần, quan sát nhanh vở thí nghiệm của học sinh để nắm bắt các kết quả thí nghiệm. Đƣa ra những gợi ý, hƣớng dẫn cần thiết để các nhóm đi đúng hƣớng, tuy
83 Lần đo Trạng thái 1 (p,V,T) Trạng thái 2 (p,V,T) Tỉ số T pV 1 2 3 Bảng 3.9
+ Nhóm 3, nhóm 4: Thực hiện giai đoạn biến đổi: Trạng thái (1) sang (2’) đẳng tích. Trạng thái (2’) sang (2) đẳng nhiệt.
* Cắm nhiệt kế vào khối khí, nối áp kế với bình chứa khối khí.
- Cho bình chứa khối khí tiếp xúc với nƣớc nóng. Đọc số đo của nhiệt kế và áp kế. - Chờ cho khối khí về lại trạng thái có nhiệt độ ổn định, nén pittông đọc số chỉ của nhiệt độ sau khí nén và thể tích của khối khí.
Ghi kết quả thí nghiệm vào bảng:
84 Lần đo Trạng thái 1 (p,V,T) Trạng thái 2 (p,V,T) Tỉ số T pV 1 2 3 Bảng 3.10
Pha 5: Kết luận và hợp thức hóa kiến thức.
Hoạt động của học sinh Hoạt động của giáo viên
Làm việc theo nhóm:
Các nhóm báo cáo kết quả thí nghiệm và tính toán tỉ số T pV , rút ra kết luận T pV là hằng số. Làm việc cả lớp: Sử dụng phƣơng án thí nghiệm thứ 1 để tính toán tỉ số T pV trên lí thuyết.
Nếu Trạng thái (1) sang trạng thái (2’) là quá trình đẳng nhiệt thì: p1V1 = p2’V2 (*) Nếu Trạng thái (2’) sang trạng thái (2) là
Hƣớng dẫn học sinh tổng kết kiến thức và hỗ trợ giải quyết các thắc mắc của học sinh.
Giáo viên cùng học sinh phát hiện ra những suy nghĩ và quan niệm ban đầu sai lệch.
Cùng học sinh lập tỉ số
T pV
85 quá trình đẳng tích thì: 2 1 2 ' 2 T T p p hay là: 2 1 2 ' 2 T T p p thay vào (*) 2 2 2 1 1 1 T V p T V p
Các nhóm thảo luận và rút ra kết luận:
Tỉ số
T pV
đối với một lƣợng khí xác định là một hằng số
Kết quả này hoàn toàn phù hợp với thực nghiệm đã chứng minh.
Làm việc cả lớp:
Thiết lập định luật Gay - Lussac từ thực nghiệm trên
TL1: Nếu áp suất không đổi thì
T V = hằng số. T pV = hằng số là phƣơng trình trạng thái của khí lí tƣởng.
Thiết lập định luật Gay- Lussac từ thực nghiệm trên:
H1: Trong quá trình trên, nếu áp suất của chất khí không thay đổi thì mối quan hệ giữa thể tích và nhiệt đó nhƣ thế nào?
T V
= hằng số.
Chính là nội dung của định luật Gay- lussac (quá trình đẳng tích).
86
TL2: Trong thực tế không thể hạ nhiệt độ khí xuống 00K nên đồ thị là đƣờng nét đứt khi đi gần gốc toạ độ.
H2: Vẽ đƣờng đẳng áp trong hệ tọa độ (V,T) và cho nhận xét?
Phiếu tổng kết kiến thức
Phƣơng trình trạng thái của khí lý tƣởng:
T pV
= hằng số
Định luật Gay- Lussac:
Thể tích V của một lƣợng khí có áp suất không đổi thì tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối của khối khí. T V = hằng số. Đồ thị 3.3
Đƣờng biểu diễn của quá trình đẳng áp trong hệ tọa độ (V,T) là một đƣờng thẳng có đƣờng kéo dài đi qua gốc tọa độ.
V
T 0
P2 P1
87