phụ thuộc vào nhiệt độ - Giải thích thí nghiệm:
Theo thuyết động học phân tử chất khí: Khi ta đặt xi-lanh vào cốc A, khí trong xi-lanh nóng lên, các phân tử khí chuyển động nhanh hơn, va chạm với thành bình nhiều hơn, do đó áp suất tăng. Lấy xi-lanh ra khỏi cốc A và đặt vào cốc B, nhiệt độ của khối khí trong xi- lanh giảm, các phân tử khí chuyển động chậm lại, ít va chạm vào thành bình, do đó áp suất giảm.
2.2.1.2. Thí nghiệm định tính minh họa định luật Boyle-Mariotte (mức độ mở 1).
- Mục đích thí nghiệm: Minh họa sự phụ thuộc của áp suất vào thể tích trong quá trình đẳng nhiệt.
- Dụng cụ thí nghiệm:
+ Bơm tiêm y tế (không có mũi tiêm) có pit-tông. - Tiến hành thí nghiệm:
+ Dùng một ngón tay bịt vào đầu bơm tiêm, tay còn lại ấn từ từ pit-tông xuống hoặc kéo từ từ pit-tông lên? Hiện tượng gì xảy ra đối với ngón tay bịt ở đầu bơm tiêm? Giải thích hiện tượng này?
Cốc A Cốc B Cốc A Cốc B
- Trả lời: Càng ấn pit-tông xuống thì ngón tay bịt vào đầu bơm tiêm càng có xu hướng bị đẩy ra mạnh hơn và có xu hướng bị kéo lại khi kéo pit-tông lên.
- Giải thích: Khi ấn pit-tông xuống thì thể tích giảm, mật độ phân tử khí trong bơm tiêm tăng lên dẫn đến áp suất tăng. Khi pit-tông bị kéo ra, mật độ phân tử khí trong bơm tiêm giảm làm áp suất chất khí trong bơm tiêm giảm nên có xu hướng bị kéo vào trong (thực chất là bị đẩy vào).
2.2.1.3. Thí nghiệm định lượng kiểm chứng định luật Boyle-Mariotte (mức độ mở 2).
➢ Thí nghiệm này được vận dụng ở mức độ mở 2, tôi đã chuẩn bị sẵn cho học sinh mục đích thí nghiệm và dụng cụ thí nghiệm. Nhiệm vụ của học sinh là đề xuất phương án thí nghiệm hợp lý và tiến hành thí nghiệm theo phương án được thống nhất.
- Mục đích thí nghiệm: Khảo sát sự thay đổi áp suất của khối khí theo thể tích của nó trong quá trình biến đổi đẳng nhiệt, trên cơ sở đó kiểm chứng định luật Boyle- Mariotte.
- Dụng cụ thí nghiệm:
+ Xi-lanh có pit-tông bằng thủy tinh (trong pit-tông có chứa một lượng dầu nhờn, mức dầu cao hơn 5mm so với lỗ hở nằm ở chính giữa thân của pit-tông) trên có ghi giá trị thể tích.
+ Áp kế khí 0,5.105 – 2,0.105 Pa.
+ Thanh trượt có vít hãm ở phía sau giá đỡ. + Chân đế trụ thép inox D10mm.
- Lắp ráp thí nghiệm
+ Lắp giá đỡ vào chân đế trụ thép, điều chỉnh độ cao của xi-lanh cách bàn khoảng 25 cm như hình sau
- Tiến hành thí nghiệm:
+ Thay đổi thể tích chất khí bằng cách dịch chuyển pit-tông trong xi-lanh. + Giữ cho nhiệt độ không đổi bằng cách thao tác thật chậm.
+ Thực hiện với 3 lần với các giá trị khác nhau và ghi lại thể tích và áp suất của chất khí vào bảng.
+ Tính giá trị các tích số α=p.V và sai số tuyệt đối Δα. Từ đó rút ra mối liên hệ giữa áp suất p và thể tích V trong quá trình đẳng nhiệt.
P (105Pa) V (ml) α = p.V 𝚫𝛂 = |𝛂̅− 𝛂| Trung bình 𝛂̅ 𝚫𝛂̅̅̅̅ • Sai số tỉ đối: δ=𝚫𝛂̅̅̅̅ 𝛂 ̅
- Nhận xét sai số: ** Các lưu ý:
- Trong thí nghiệm này khi điều chỉnh thể tích phải điều chỉnh thật chậm để đảm bảo quá trình xảy ra là đẳng nhiệt giảm thiểu tối đa sai số tỉ đối.
- Khi tiến hành thay đổi thể tích cần đưa pit-tông về vị trí ban đầu, chờ 1 thời gian để nhiệt độ khối khí ổn định rồi mới tiếp tục thu thập số liệu.
2.2.1.4. Các thí nghiệm định tính sử dụng để hỗ trợ học sinh chuẩn bị cho tiết học ở mức độ mở 3 bài Định luật Charles.
➢ Các thí nghiệm này được tôi giao cho học sinh chuẩn bị trước thông qua phiếu nhiệm vụ về nhà cho các nhóm.
➢ Tôi đưa ra mục đích thí nghiệm: Các em hãy thiết kế một thí nghiệm đơn giản minh họa sự phụ thuộc của áp suất vào nhiệt độ trong quá trình đẳng tích.
➢ Các nhóm sẽ tự tìm hiểu, chuẩn bị và thông qua trao đổi với tôi để tôi hướng dẫn và hoàn thiện các phương án cũng như chuẩn bị các dụng cụ thí nghiệm cần thiết. Sau đây là một vài phương án thí nghiệm đơn giản minh họa cho định luật Charles:
* Dạng 1:
- Dụng cụ thí nghiệm: + Trứng đã luộc chín
+ Bình cầu không nhánh đáy bằng + Kẹp đốt hóa chất
+ Bông gòn, cồn, bật lửa. - Tiến hành thí nghiệm
Đốt cháy bông đã tẩm cồn rồi cho vào bình cầu. Trong lúc bông đang cháy bên trong bình, đặt quả trứng đã luộc chín lên miệng bình hình cầu. Quả trứng từ từ chui tọt vào miệng bình rồi vào bên trong bình.
- Giải thích thí nghiệm:
Khi ta đặt quả trứng lên miệng bình hình cầu, ta đã cô lập khối khí bên trong bình. Khi cháy hết ô-xi, nhiệt độ bên trong bình giảm xuống đột ngột làm cho áp suất giảm theo, tạo nên một lực hút làm cho quả trứng chui vào bên trong bình
* Dạng 2:
- Dụng cụ thí nghiệm:
+ Bình cầu không nhánh đáy bằng, đường kính miệng 3cm. + Nắp nhựa có đường kính bé hơn 3cm.
+ Khay có đựng một ít nước pha màu đỏ. + Kẹp đốt hóa chất.
+ Bông gòn, cồn, bật lửa. - Tiến hành thí nghiệm:
+ Đốt cháy bông đã tẩm cồn rồi cho vào nắp nhựa đặt trên khay. Úp miệng bình hình cầu lên nắp nhựa. Nước dâng lên trong bình.
- Giải thích thí nghiệm
Hình 2.3.Thí nghiệm định tính đơn giản minh họa định luật Charles
Khi ta úp miệng bình hình cầu lên nắp nhựa, ta đã cô lập khối khí trong bình. Khi cháy hết oxi trong bình, nhiệt độ khối khi trong bình giảm xuống đột ngột làm cho áp suất giảm theo tạo nên lực hút cột chất lỏng dâng lên trong bình.
*Dạng 3:
- Dụng cụ thí nghiệm: + Một lon coca cola rỗng. + Nước sôi
+ Ca nhựa + Nước lã.
- Tiến hành thí nghiệm:
Tiến hành đổ một ít nước sôi vào trong lon coca cola rỗng (khoảng 1/3 lon), cẩn thận bịt nắp lon tránh bị bỏng. Đặt toàn bộ vào ca nhựa lớn hơn rồi rưới nhẹ nước lã vào sau đó quan sát hiện tượng. Ta thấy lon coca cola bị móp vào trong.
- Giải thích hiện tượng:
+ Ban đầu khi ta vừa rót nước sôi vào lon coca và bịt kín nắp lon lại thì áp suất khí trong lon bằng áp suất khí quyển bên ngoài lon coca. Khi ta rưới nhẹ nước lã bên ngoài lon, nhiệt độ của khí trong lon giảm xuống đột ngột làm cho áp suất của khí trong lon cũng giảm theo.
+ Vì áp suất ngoài lon coi như không đổi bằng áp suất khí quyển. Lúc này áp suất ngoài lon lớn hơn áp suất khí trong lon làm lon bị móp vào trong.
** Ngoài ra học sinh còn có thể đề xuất thêm nhiều phương án thí nghiệm khác, nếu cảm thấy hợp lý, tôi sẽ hướng dẫn và hoàn thiện hơn phương án và dụng cụ cho các nhóm.
2.2.1.5. Thí nghiệm định lượng kiểm chứng định luật Charles (mức độ mở 3).
➢ Song song với nhiệm vụ chuẩn bị phương án thí nghiệm và dụng cụ thí nghiệm đơn giản minh họa định luật Charles, tôi cũng giao cho các nhóm nhiệm vụ tìm hiểu và thiết kế phương án, dụng cụ thí nghiệm với mục đích kiểm chứng định luật Charles trong phiếu nhiệm vụ về nhà. Thông qua trao đổi và hỗ trợ trực tiếp, tôi sẽ hướng dẫn các nhóm tự chuẩn bị thí nghiệm này ở mức độ mở 3.
• Phương án hỗ trợ: - Dụng cụ thí nghiệm:
+ Xi-lanh có pit-tông bằng thủy tinh (trong pit-tông có chứa một lượng dầu nhờn, mức dầu cao hơn 5mm so với lỗ hở nằm ở chính giữa thân của pit-tông).
+ Áp kế khí 0,5.105 – 2,0.105 Pa.
+ Thanh trượt có vít hãm ở phía sau giá đỡ. + Ống nhựa đường kính 3mm.
+ Chân đế có trụ thép inox D10mm. + Bình đun nước siêu tốc 220V-300W. + Nhiệt kế thủy ngân (0oC-100oC)
+ 1 cái đũa hoặc que thủy tinh.
+ Cốc hoặc hộp nhựa trong suốt có đục lỗ dẫn nước gắn với ống nhựa. + Chậu hứng nước.
- Lắp ráp thí nghiệm
+ Lắp giá đỡ vào trụ thép, điều chỉnh độ cao của xi-lanh cách bàn khoảng 20cm. Dùng ống nhựa nối với lỗ được đục ở hộp nhựa.
+ Lắp nhiệt kế vào giá đỡ, sao cho đầu dưới của nhiệt kế cho vào hộp nhựa.
- Tiến hành thí nghiệm:
+ Cho nước vào bình và đun nước.
+ Cố định vị trí pit-tông để giữ thể tích khí không đổi. Cho nước vào cốc thủy tinh, ghi nhiệt độ và áp suất ban đầu của khí trong bình vào bảng.
P (105Pa) T (K) α = 𝑝 𝑇 𝚫𝛂 =|𝛂̅− 𝛂 | 𝛂̅ = 𝚫𝛂̅̅̅̅ • Sai số tỉ đối: δ=
+ Cho nước sôi vào cốc thủy tinh sao cho mỗi lần đo, áp suất tăng lên 0,05.105 Pa (tương ứng một vạch trên áp kế) thì dừng rót nước sôi. Dùng que thủy tinh khuấy đều, khi nhiệt độ trên nhiệt kế ổn định thì ta ghi cặp giá trị (p, T) này vào bảng. Làm như vậy 5 lần để có 5 cặp giá trị.
+ Tính giá trị thương số 𝛂 = p/ T và sai số tỉ đối . Từ đó rút ra mối liên hệ giữa áp suất p và nhiệt độ tuyệt đối T trong quá trình đẳng tích. Vẽ đồ thị biểu diễn mối liên hệ trên.
➢ Chú ý:
+ Áp kế được lắp sẵn vào xi-lanh nên không tháo áp kế ra sau khi làm xong thí nghiệm.
+ Khi vặn vít để cố định pit-tông và cố định vị trí của giá đỡ xi-lanh, ta cần vặn nhẹ. + Khi dùng bình đun nước bằng điện, cần lưu ý quy tắc an toàn điện.
- Một số điều có thể hướng dẫn học sinh trong cách thay đổi nhiệt độ của khối khí và đo đạc nhiệt độ khối khi bằng cách sau:
+ Bố trí lại thí nghiệm với sự hỗ trợ của hộp nhựa đục lỗ có gắn ống nhựa và chậu, ta có thể dễ dàng thay đổi nhiệt độ của nước và từ đó thay đổi được nhiệt độ của khí trong xi lanh. Ban đầu, ta cho nước vào cốc thủy tinh với nhiệt độ khoảng 25oC. Sau đó, cho từ từ nước sôi vào, ống nhựa gắn ở hộp nhựa sẽ dẫn nước ra chậu, nhờ đó mà nhiệt độ của nước thay đổi rất chậm.
+ Ta nhúng thẳng xi lanh vào nước, để sự truyền nhiệt diễn ra nhanh, nhiệt độ khối khí bên trong xi lanh mau chóng cân bằng với nhiệt độ bên ngoài. Sau mỗi lần cho nước sôi vào, ta cần dùng đũa khuấy đều, và chờ cho số chỉ của nhiệt kế ổn định thì bắt đầu ghi cặp số liệu (p, T). Giai đoạn này ảnh hưởng rất lớn đến sai số tỉ đối của thí nghiệm, vì thế cần tiến hành thí nghiệm đúng theo qui trình đã hướng dẫn.
2.2.2. Xây dựng các phiếu học tập cho từng bài theo quy trình xây dựng thí nghiệm mở
2.2.2.1. Phiếu học tập cá nhân bài Cấu tạo chất-Thuyết động học phân tử chất khí (mức độ mở 1)
Nội dung phiếu học tập số 1
Họ và tên HS:………... ………….. Nhóm: ……….
Lớp:……… STT:……….
NV1: Các em tiến hành thí nghiệm sau đây:
- Mục đích thí nghiệm: Chứng minh sự chuyển động của phân tử khí, áp suất chất khí phụ thuộc vào nhiệt độ.
- Dụng cụ thí nghiệm:
+ Xi lanh có pit-tông bằng thủy tính có thể cố định được, có áp kế khí loại 0,50.105
– 2,00.105 Pa.
+ Núm cao su dùng để bịt đầu dưới của xi lanh. + Hai cốc đựng nước.
+ Nước lạnh (5oC) và nước nóng (cỡ 80oC) - Tiến hành thí nghiệm:
+ Nới hãm vít phía sau xi lanh, kéo pit-tông trong xi lanh đến một vị trí xác định sao cho áp kế chỉ giá trị 1,0.105 Pa rồi cố định pit-tông lại.
+ Rót nước nóng vào cốc A và nước lạnh vào cốc B.
+ Đặt xi lanh vào cốc A, quan sát số chỉ của đồng hồ áp kế, khi số chỉ trên đồng hồ áp kế ổn định.
+ Lấy xi lanh ra khỏi cốc A và đặt vào cốc B, quan sát số chỉ của đồng hồ áp kế.
NV2: Các em hãy cho biết:
- Công dụng áp kế là gì?
- Kết quả thí nghiệm của nhóm mình và giải thích hiện tượng của thí nghiệm trên? ... ... ... ... Cốc B Cốc B Cốc A Cốc A
2.2.2.2. Phiếu học tập cá nhân bài Quá trình đẳng nhiệt-Định luật Boyle-Mariotte (mức độ mở 1 và 2)
Nội dung phiếu học tập số 2
1. Trạng thái của một khối khí được định bởi những thông số trạng thái nào?(*)
Tên thông số Kí hiệu Đơn vị
2. Thế nào là quá trình biến đổi trạng thái?(*)
▪ Quá trình biến đổi trạng thái của khối khí là ... ... 3. Thế nào là đẳng quá trình?(*)
▪ Đẳng quá trình là ... ... 4. Thế nào là quá trình đẳng nhiệt?(*)
▪ Quá trình đẳng nhiệt là... ... 5. Thực hành thí nghiệm 1: Thí nghiệm định tính
NV1: Dùng một ngón tay bịt vào đầu bơm tiêm, tay còn lại ấn từ từ pit-tông xuống hoặc
kéo từ từ pit-tông lên? Hiện tượng gì xảy ra đối với ngón tay bịt ở đầu bơm tiêm? Giải thích hiện tượng?
... ...
NV2: Từ thí nghiệm trong NV1 các em hãy cho biết:
Các thông số: thể tích, áp suất và nhiệt độ, khối lượng của khí thay đổi như thế nào khi
pit-tông càng hạ thấp một cách từ từ? Từ sự biến đổi đó, các em hãy đưa ra dự đoán và biểu thức hệ quả về mối quan hệ định lượng giữa thể tích và áp suất trong trường hợp trên?
... ...
6. Từ thí nghiệm trong phiếu học tập nhóm (nhiệm vụ về nhà)
NV: Nếu thí nghiệm xảy ra sai số lớn:
Hãy xem lại quá trình làm thí nghiệm và tìm ra nguyên nhân gây ra sai số trong thí nghiệm trên là do đâu?
... ...
Hãy tìm biện pháp khắc phục nguyên nhân trên.
... ... 7. Phát biểu và viết biểu thức định luật Boyle – Mariotte.(*)
▪ Trong quá trình đẳng nhiệt của một lượng khí xác đinh, ... ... ▪ Biểu thức: ... ... 8. Đường đẳng nhiệt là gì?(*)
▪ Đường đẳng nhiệt là đường biểu diễn ... ... 9. Vẽ đường đẳng nhiệt trong mặt phẳng pOV.(*)
▪ Đường đẳng nhiệt trong hệ tọa độ pOV là đường ... ...
*Lưu ý: Ứng với các nhiệt độ khác nhau, sẽ có các đường đẳng nhiệt khác nhau.
Vẽ đường đẳng nhiệt trên các đồ thị pOT và VOT?
10. Dựa vào thuyết động học phân tử chất khí, hãy cho biết nhiệt độ nào cao hơn giữa T1
và T2? (nhiệm vụ về nhà)
11. Trong bơi lặn, các thợ lặn thường có một nguyên tắc “Sau khi lặn xong, không bao giờ nín thở trong khi bơi lên”. Em hãy sử dụng các kiến thức Vật lý đã học để giải thích nguyên tắc đó. p O V p O T V O T p O V
2.2.2.3. Phiếu học tập nhóm bài Quá trình đẳng nhiệt-Định luật Boyle-Mariotte (mức độ mở 2)
Nội dung phiếu học tập số 3
Nhóm: ………... ………….. Lớp: ………... …………..
NV1: Mục đích thí nghiệm: Kiểm tra mối quan hệ định lượng giữa thể tích và áp suất thông qua việc kiểm chứng biểu thức hệ quả đã thảo luận.
Các nhóm hãy đề xuất phương án thí nghiệm sau đó thảo luận đưa ra phương án thí nghiệm hợp lý nhất (các dụng cụ cần thiết, cách bố trí thí nghiệm, quy trình tiến hành thí nghiệm) để kiểm tra hệ quả dự đoán. (mức độ mở 2)
Phương án thí nghiệm: ... ... Dụng cụ cần thiết và công dụng: ... ... Bố trí thí nghiệm: ... ... Tiến hành thí nghiệm ... ...
NV2: Từ phương án thí nghiệm đã thiết kế và các dụng cụ thí nghiệm mà thầy hỗ trợ, các em hãy tiến hành thí nghiệm sau đó hoàn thành bảng số liệu sau.