B. NỘI DUNG
3.4.2 Thiết kế tiến trình dạy học định luật Charles
3.4.2.1 Nội dung kiến thức cần xây dựng:
Ở thể tích không đổi, tìm mối liên hệ giữa nhiệt độ T và thể tích V.
3.4.2.2 Mục tiêu bài học:
- Kiến thức:
+ Phát biểu đƣợc định luật Charles và các thí nghiệm liên quan.
- Kỹ năng:
+ Quan sát và theo dõi thí nghiệm, rút ra nhận xét rằng trong phạm vi biến thiên nhiệt độ của thí nghiệm thì tỉ số
t p
không đổi. Thừa nhận kết quả đó trong phạm vi biến thiên nhiệt độ lớn hơn, từ đó rút ra p p01t.
+ Giải thích đƣợc định luật bằng thuyết động học phân tử.
+ Vận dụng đƣợc định luật để giải bài tập và giải thích các hiện tƣợng liên quan.
3.4.2.3 Chuẩn bị:
- Giáo viên:
+ Dụng cụ thí nghiệm: Bình chứa khí, nhiệt kế, chậu nƣớc có điện trở, cánh quạt, ống hình chữ U. 2 Bình kín có pittông và một nhiệt kế đƣợc gắn với bình kín.
+ Bảng phụ. - Học sinh:
- Ôn tập khái niệm nhiệt độ tuyệt đối, quá trình đẳng nhiệt, thuyết động học phân tử chất khí, ôn tập nội dung phƣơng pháp thực nghiệm, cách đọc số liệu, xử lí số liệu
64
3.4.1.4 Sơ đồ mô phỏng tiến trình xây dựng kiến thức khoa học:
Hình thành câu hỏi cho học sinh: Nếu giữ nguyên thể tích
+ Thay đổi nhiệt độ của một lƣợng khí thì áp suất thay đổi nhƣ thế nào?
+ Thay đổi áp suất của một lƣợng khí thì nhiệt độ thay đổi nhƣ thế nào?
Giả thuyết: Dùng thuyết động học phân tử chất khí.
Thiết kế các phƣơng án thực nghiệm :
Sử dụng bộ dụng cụ thí nghiệm để kiểm tra mối quan hệ giữa nhiệt độ tuyệt đối và áp suất của một lƣợng khí khi thể tích không đổi.
v
Tiến hành thực nghiệm tìm tòi nghiên cứu
Kết luận, hợp thức hóa kiến thức:
Với một lƣợng khí có thể tích không đổi thì áp suất p phụ thuộc và nhiệt độ t của khí nhƣ sau: p=po(1+t)
với = 1/273 độ -1
Tình huống xuất phát:
Lập luận dẫn dắt học sinh đi từ quá trình đẳng nhiệt sang đẳng tích và nêu câu hỏi nêu vấn đề
65
3.4.2.5 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 Lúc trời nắng to không khí ở mặt đƣờng
nhựa rất nóng đồng thời ma sát giữa lốp và mặt đƣờng làm khí trong xăm có nhiệt độ tăng lên đáng kể. Thể tích xăm thay đổi rất ít nên mật độ phân tử khí hầu nhƣ không đổi, vận tốc trung bình các phân tử khí tăng lên, số va chạm lên một đơn vị diện tích thành xăm trong một một đơn vị thời gian tăng lên và cƣờng độ va chạm cũng mạnh hơn. Do đó P khí tăng lên, khi vƣợt quá giới hạn chịu đựng của xăm, xăm sẽ nổ .
Các em hãy giải thích hiện tƣợng xăm xe dễ bị nổ khi đi trên đƣờng nhựa lúc trời nắng to?
Câu hỏi nêu vấn đề:
Với một lượng khí có thể tích không đổi thì áp suất p và nhiệt độ tuyệt đối T có mối quan hệ như thế nào?
Pha 2: Hình thành câu hỏi của học sinh:
Hoạt động của học sinh Hoạt động của giáo viên
Làm việc cá nhân:
Các em sẽ có những quan niệm ban đầu cho riêng bản thân và thảo luận chung cho cả nhóm, các quan niệm mà các em có thể
Làm bộc lộ quan niệm ban đầu cho học sinh, giúp học sinh hình thành các câu hỏi.
66
hình thành: (những quan niệm này có thể đúng, có thể sai)
- Với một lƣợng khí có thể tích không đổi, khi tăng nhiệt độ thì áp suất tăng và ngƣợc lại.
- Với một lƣợng khí có thể tích không đổi, khi tăng áp suất thì nhiệt độ tăng và ngƣợc lại.
- Với một lƣợng khí có thể tích không đổi, khi tăng nhiệt độ thì áp suất giảm và ngƣợc lại.
- Với một lƣợng khí có thể tích không đổi, khi tăng áp suất thì nhiệt độ giảm và ngƣợc lại.
- Giữa nhiệt độ và áp suất tỉ lên với nhau bởi một công thức hay một số cụ thể nào đó
Các câu hỏi mà học sinh có thể đặt ra: - Với thể tích không đổi, khi tăng nhiệt độ thì áp suất tăng hay giảm?
- Với thể tích không đổi, khi tăng áp suất thì thể tích tăng hay giảm?
- Sự phụ thuộc của áp suất và nhiệt độ lúc
Giáo viên khéo léo lựa chọn các quan niệm ban đầu khác biệt để học sinh so sánh rồi giúp học sinh đặt câu hỏi liên quan đến bài học.
67
này đƣợc tính bởi công thức nào?
Làm việc theo nhóm:
Các nhóm tiến hành tổng hợp các câu hỏi mà các thành viên nêu ra từ đó chuẩn bị thiết kế các phƣơng án thí nghiệm để trả lời 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 Học sinh xây dựng những giả thiết cho bản
thân và cho từng nhóm:
Học sinh đề xuất phƣơng án thí nghiệm: (Các phƣơng án có thể xảy ra nhƣ dƣới đây)
Với một lƣợng khí xác định:
- Phương án thứ 1: Giữ thể tích không đổi, tăng áp suất và tìm mối quan hệ giữa độ tăng áp suất và độ biến thiên nhiệt độ.
Lắng nghe học sinh nêu các giả thiết, chú ý tập trung vào các giả thiết liên quan đến vận dụng thuyết động học phân tử để giải thích: Khi thể tích không đổi, nếu tăng nhiệt độ thì mật độ phân tử giữ nguyên, nhƣng vận tốc trung bình của chuyển động nhiệt tăng khiến số va chạm lên một đơn vị diện tích thành bình trong một đơn vị thời gian. Mặc khác, động lƣợng của phân tử truyền cho thành bình trong mỗi va chạm cũng tăng. Hai yếu tố đó làm cho áp suất của chất khí lên thành bình tăng.
Giáo viên yêu cầu học sinh đề xuất các phƣơng án thí nghiệm nhằm trả lời các
68
- Phương án thứ 2: Giữ thể tích không đổi, giảm áp suất và tìm mối quan hệ giữa độ giảm áp suất và độ biến thiên nhiệt độ. - Phương án thứ 3: Giữ thể tích không đổi, thay đổi nhiệt độ lên một giá trị t , và tìm mối quan hệ giữa độ tăng nhiệt độ và độ biến thiên áp suất áp suất.
- Phương án thứ 4: Giữ thể tích không đổi, giảm nhiệt độ xuống một giá trị t , và tìm mối quan hệ giữa độ giảm nhiệt độ và độ biến thiên áp suất.
Hình 3.7
TL1: Bình kín có pittông và một nhiệt kế đƣợc gắn với bình kín.
TL2: Nén pittông và đẩy pittông , đọc giá
câu hỏi mà học sinh nêu ra, định hình sẵn cho học sinh những dụng cụ thí nghiệm cần dùng để kiểm tra là thí nghiệm đƣa đến kiến thức cần đạt. Lƣu ý xoáy sâu vào các phƣơng án thí nghiệm đã chuẩn bị đƣợc sẵn các dụng cụ.
Giáo viên nêu một số câu hỏi để dẫn dắt học sinh đến với thí nghiệm:
H1: Với phƣơng án thí nghiệm thứ 1 và thứ 2: Dụng cụ thí nhiệm có thể sử dụng là gì? (Lƣu ý, giáo viên đã chuẩn bị sẵn một số thí nghiệm cần thiết để dùng cho cả 2 phuơng án)
69
trị của nhiệt kế để xét mối quan hệ của p và T khí thể tích V không đổi.
TL3: Bình kín A, nhiệt kế T đo nhiệt độ. Chậu nƣớc B có chứa điện trở R và một cánh quạt.
TL4: Tăng hoặc giảm nhiệt độ đến một giá
trị t khi làm nóng nƣớc hoặc hạ nhiệt độ nƣớc bằng cách cho dòng điện chạy qua điện trở, đo độ chênh lệch mức nƣớc tƣơng ứng từ đó tính độ tăng hay giảm áp suất
p
TL5: Điện trở có tác dụng làm nóng nƣớc, cánh quạt để khuấy cho nƣớc nóng đều.
TL6: Nhiệt kế để đo nhiệt độ của khí trong bình A.
TL7: Công thức tính độ biến thiên áp suất: pgh
nghiệm này là gì?
H3: Thí nghiệm thứ 3 và thí nghiệm 4: Dụng cụ thí nghiệm có thể sử dụng là gì? ( Lƣu ý, giáo viên đã chuẩn bị sẵn một số thí nghiệm cần thiết để dùng cho cả 2 phuơng án)
H4: Nhiệm vụ của các em trong thí nghiệm này là gì?
H5: Điện trở trong chậu nƣớc và cánh quạt có tác dụng gì ?
H6: Nhiệt kế để đo nhiệt độ khí ở đâu?
H7: Sử dụng công thức nào để tính độ biến thiên áp suất?
Pha 4: Tiến hành thực nghiệm tìm tòi – nghiên cứu:
Hoạt động của học sinh Hoạt động của giáo viên
70
nhóm, trình tự thí nghiệm :
- Nhóm 1: Giữ thể tích không đổi, tăng áp suất và tìm mối quan hệ giữa độ tăng áp suất và độ biến thiên nhiệt độ.
+ Nhốt khí vào bình kín có pittông. + Đo nhiệt độ khối khí trong bình kín. + Đẩy pittông để nén khí.
+ Đọc giá trị nhiệt độ trên nhiệt kế đƣợc gắn ở bình kín.
- Nhóm 2: Giữ thể tích không đổi, giảm áp suất và tìm mối quan hệ giữa độ giảm áp suất và độ biến thiên nhiệt độ.
+ Nhốt khí vào bình kín có pittông. + Đo nhiệt độ khối khí trong bình kín. + Kéo pittông.
+ Đọc giá trị nhiệt độ trên nhiệt kế đƣợc gắn ở bình kín.
- Nhóm 3: Giữ thể tích không đổi, thay đổi nhiệt độ lên một giá trị t và tìm mối quan hệ giữa độ tăng nhiệt độ và độ biến thiên áp suất.
- Ghi lại nhiệt độ và áp suất ban đầu của
làm, 4 nhóm 4 bộ dụng cụ thí nghiệm trong đó 2 nhóm sử dụng cùng bộ dụng cụ: - Nhóm 1 và nhóm 2: Dụng cụ thí nghiệm gồm: Bình kín có pittông và một nhiệt kế đƣợc gắn với bình kín. - Nhóm 3 và nhóm 4: dụng cụ thí nghiệm gồm: Bình kín A chứa khí có thể tích không đổi (vì mực nƣớc trong nhánh trái của ống hình chữ U luôn giữ ở số 0), Nhiệt kế T đo nhiệt độ của khí ở trong A. Chậu nƣớc B có chứa điện trở R và một cánh quạt.
71
khí trong bình A.
- Cho dòng điện qua R và quạt khuấy nƣớc để tăng nhiệt độ khí lên một giá trị t. Ngắt điện, chờ ổn định nhiệt độ. Đo độ chênh lệch mức nƣớc h tƣơng ứng. Từ h tính độ tăng áp suất p
Học sinh ghi các thao tác và những lƣu ý của nhóm mình vào vở thực hành.
Học sinh ghi kết quả thí nghiệm của mình vào bảng (sử dụng độ tăng nhiệt độ lần lƣợt theo trình tự 1c C, 2 0C, 3 cC, 4 cC) t (0C) H (nm) p (Pa) t p 10C 20C 30C 40C Bảng 3.6
- Nhóm 4: Giữ thể tích không đổi, giảm nhiệt độ xuống một giá trị tvà tìm mối quan hệ giữa độ giảm nhiệt độ và độ biến
Đƣa ra những gợi ý, hƣớng dẫn cần thiết để các nhóm đi đúng hƣớng tuy nhiên không làm giúp học sinh.
72
thiên áp suất.
- Ghi lại nhiệt độ và áp suất ban đầu của khí trong bình A.
- Cho dòng điện qua R và quạt khuấy nƣớc để tăng nhiệt độ khí lên giá trị t.Sau đó hạ dần nhiệt độ bằng cách ngắt điện và dùng quạt.
- Cứ mỗi độ giảm nhiệt độ tính độ giảm áp suất tƣơng ứng.
Học sinh ghi các thao tác và những lƣu ý của nhóm mình vào vở thực hành.
Học sinh ghi kết quả thí nghiệm của mình vào bảng (sử dụng độ giảm lần lƣợt theo trình tự 4cC, 3 0C, 2 cC, 1 cC) t (0C) H (nm) p (Pa) t p 40C 30C 10C 40C Bảng 3.7
73
Pha 5: Kết luận và hợp thức hóa kiến thức:
Hoạt động của học sinh Hoạt động của giáo viên
Các nhóm báo cáo kết quả thí nghiệm:
- Nhóm 1 và nhóm 2: Quá trình làm quan
sát và đọc số liệu không thành công. Sở dĩ có điều này vì khi tăng hay giảm áp suất trong bình kín cũng dẫn đến thể tích thay đổi.
- Nhóm 3 và nhóm 4: Báo cáo kết quả thí
nghiệm bằng bảng thống kế kết quả tính toán.
Hoạt động toàn lớp:
Các nhóm thống nhất số liệu và ghi các giá trị p ứng với từng giá trị tăng t và lập tỉ số t p (sử dụng số liệu của nhóm 3, kết quả thí nghiệm sẽ tƣơng tự kết quả dƣới đây)
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.
- Chọn kết quả thí nghiệm của một trong hai nhóm 3 hoặc 4 để tính toán (Ở đây chọn kết quả thí nghiệm của nhóm số 3)
74 t (0C) H (nm) p (Pa) t p 10C 36 360 360 20C 70 700 350 30C 104 1040 347 40C 138 1380 345 Bảng 3.8
TL1: Kết quả thí nghiệm cho thấy có thể coi gần đúng t p = hằng số (đặt là B) . (*) Làm việc nhóm:
TL2: Thảo luận nhóm ghi kết quả vào
bảng phụ:
t
= t - 0 = t.
Giáo viên đặt một số câu hỏi để rút ra kết luận trong quá trình làm thí nghiệm:
H1: Nhận xét về giá trị t p ?
Giáo viên giải thích thêm hằng số này nhất định đối với từng lƣợng khí.
Dựa vào nhiều thí nghiệm chính xác hơn thì thừa nhận t p = B đúng với mọi độ biến thiên nhiệt độ t khác nhau.
H2: Nếu nhiệt độ biến đổi từ 00C đến t0C thì t có giá trị bao nhiêu?
75 p= p – p0 Thay vào (*) p = p0(1+ ) 0 t p B Làm việc cả lớp: TL3: Với một lƣợng khí có thể tích không đổi thì áp suất p phụ thuộc và nhiệt độ t của khí nhƣ sau:
p=po(1+t) với = 1/273 độ -1
TL4: Gọi T là số đo nhiệt độ trong nhiệt độ Kenvin thì lúc này: T p T p p 273 ) 273 273 1 ( 0 0
p và T tỉ lệ thuận với nhau.
T p
hằng số.
Làm việc nhóm:
TL5: Trong hệ toạ độ (p, T) đƣờng này là một phần của đƣờng thẳng có đƣờng kéo dài đi qua gốc toạ độ.
- Độ biến thiên áp suất lúc này?
Giá trị
0
p B
đƣợc Charles ký hiệu là
(mọi chất khí đều có chung một giá trị ở mọi khoảng nhiệt độ, =1/273)
H3: Từ những thực nghiệm và suy luận các em hãy phát biểu định luật Charles?
H4: Nhận xét về mối quan hệ giữa áp suất p và nhiệt độ tuyệt đối T sau khi suy luận từ kết quả thí nghiệm?
H5: Vẽ đồ thị trên hệ tọa độ (p, T), nhận xét?
76
Phiếu tổng kết kiến thức
Định luật Charles: Với một lƣợng khí có thể tích không đổi thì áp suất p phụ thuộc và nhiệt độ t của khí nhƣ sau:
p=po(1+t) với = 1/273 độ -1 T p hằng số.
Trong hệ toạ độ (p, T), đƣờng đẳng tích là một phần của đƣờng thẳng có đƣờng kéo dài đi qua gốc toạ độ.
77