2.4. Thiết kế tiến trình dạy học chƣơng “Chất khí”theo hƣớng dạy học giả
2.4.2. Nội dung kiến thức cần xây dựng
Áp suất, nhiệt độ tuyệt đối và thể tích của một khối khí xác định quan hệ với nhau theo hệ thức: PV
T hằng số * Các định luật chất khí
- Định luật Bơi-lơ – Ma-ri-ốt: Ở nhiệt độ khơng đổi, tích của áp suất p và thể tích V của một lƣợng khí xác định là một hằng số.
p.V = hằng số hoặc p ~ 1/V - Định luật Sác-lơ:
+ Phát biểu theo cách 1: Với một lƣợng khí có thể tích khơng đổi thì áp suất p phụ thuộc vào nhiệt độ t của khí nhƣ sau: pp (10 t): p0 là áp suất ở 00C, p là áp suất ở t0
C, = 1 273 (độ
-1): có giá trị nhƣ nhau đối với mọi chất khí, mọi nhiệt độ và bằng đƣợc gọi là hệ số tăng đẳng tích.
+ Phát biểu theo cách 2: Với một lƣợng khí có thể tích khơng đổi thì áp suất tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối của chất khí.
p
T hằng số hay p ~ T - Định luật Gay Luy-xác:
+ Phát biểu theo cách 1: Với một lƣợng khí có áp suất khơng đổi thì thể tích V phụ thuộc vào nhiệt độ t của khí nhƣ sau: VV (10 t): V0 là thể tích ở 00C, V là áp suất ở t0C, có giá trị nhƣ nhau đối với mọi chất khí, mọi nhiệt độ và bằng 1
273 (độ
-1) đƣợc gọi là hệ số nở đẳng áp.
+ Phát biểu theo cách 2: Thể tích V của một lƣợng khí xác định có áp suất khơng đổi thì tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối T của khí.
V
T hằng số hay V ~ T * Thang nhiệt độ tuyệt đối
Trong thang nhiệt độ tuyệt đối, khoảng cách nhiệt độ 1 Ken-vin (1K) bằng khoảng cách nhiệt độ 10C. Không độ tuyệt đối (0K) ứng với nhiệt độ -2730C. Hệ thức T = t + 273 trong đó, T là số đo nhiệt độ trong nhiệt giai Ken-vin, t là số đo nhiệt độ đó trong nhiệt giai Xen-xi-út.
2.4.3. Định hướng phát triển năng lực
Những năng lực thành phần của năng lực chun biệt mơn Vật lí có thể bồi dƣỡng và phát triển cho HS trong dạy học chuyên đề “Các định luật chất khí”.
Nhóm năng lực Năng lực thành phần Mô tả mức độ thực hiên trong chuyên đề Năng lực sử dụng kiến thức Trình bày đƣợc kiến thức về các định luật, các phép đo, các hằng số vật lí
+ Phát biểu và viết đƣợc biểu thức của các định luật: Bôi-lơ-Mariốt; Sáclơ; Gay-luy-sắc
+ Phát biểu và viết đƣợc phƣơng trình trạng thái của khí lí tƣởng
Trình bày đƣợc mối quan hệ giữa các kiến thức vật lí
+ Chỉ ra mối quan hệ giữa các thơng số nhiệt trong mỗi đẳng q trình
+ Thấy đƣợc mối quan hệ giữa phƣơng trình trạng thái của khí lí tƣởng với 3 định luật Bơi- lơ-Mariốt; Sáclơ; Gay-luy-sắc
+ Phân biệt đƣợc áp suất do khối khí sinh ra với áp suất tác dụng lên khối khí
+ Dùng thuyết động học phân tử chất khí giải thích đƣợc một cách định tính về mối quan hệ giữa các thơng số nhiệt khi một khối khí xác
định chuyển trạng thái đẳng nhiệt, đẳng tích, đẳng áp. Sử dụng đƣợc kiến thức vật lí để thực hiện các nhiệm vụ học tập
+ Sử dụng 2 trong 3 định luật chất khí để xây dựng phƣơng trình trạng thái của khí lí tƣởng + Từ phƣơng trình trạng thái của khí lí tƣởng suy ra đƣợc mối quan hệ giữa các thông số nhiệt trong mỗi đẳng quá trình
+ Giải các bài tập liên quan đến một khối khí xác định chuyển trạng thái Vận dụng (giải thích, dự đốn, tính tốn, đề ra giải pháp, đánh giá giải pháp,..) kiến thức vật lí vào các tính huống thực tiễn
- Dự đốn và giải thích đƣợc một số hiện tƣợng trong tự nhiên liên quan đến một lƣợng khí xác định chuyển trạng thái. Ví dụ:
+ Hiện tƣợng quả bóng bàn bị bẹp, khi cho vào cốc nƣớc nóng thì trở lại đƣợc hình dạng ban đầu.
+ Hiện tƣợng bong bóng nở to ra khi nổi từ đáy hồ lên mặt nƣớc
+ Hiện tƣợng lốp xe đạp để ngồi trời nắng thì bị nổ lốp
+ Giải thích đƣợc nguyên tắc hoạt động của áp kế, phổi qua quá trình hơ hấp, máy hút bụi, phanh khơng khí... Năng lực về phƣơng Đặt ra những câu hỏi về một sự kiện vật lí
+ Đặt ra những câu hỏi về những hiện tƣợng một khối khí xác định chuyển trạng thái trong thực tế
pháp Năng lực về phƣơng pháp Mô tả đƣợc các hiện tƣợng tự nhiên bằng ngơn ngữ vật lí trong hiện tƣợng đó
+ Mơ tả đƣợc hiện tƣợng một khối lƣợng khí xác định chuyển trạng thái trong thực tế bằng ngơn ngữ vật lí: gọi đúng tên các đẳng quá trình, xác định đúng các thơng số nhiệt cho mỗi trạng thái khí Thu thập, đánh giá, lựa chọn và xử lí thơng tin từ các nguồn khác nhau để giải quyết vấn đề trong học tập vật lí
+ Thu thập, đánh giá, lựa chọn và xử lí thơng tin từ các nguồn khác nhau: đọc SGK Vật lí, sách tham khảo, báo chí, các thơng tin khoa học, Internet,...để tìm hiểu nội dung các định luật chất khí, phƣơng trình trạng thái của khí lí tƣởng và các ứng dụng của chúng
Lựa chọn và sử dụng các cơng cụ tốn học phù hợp trong học tập vật lí
+ Lựa chọn kiến thức về tƣơng quan tỉ lệ thuận và tƣơng quan tỉ lệ nghịch để xử lí các kết quả thí nghiệm khi xây dựng các định luật chất khí + Lựa chọn loại đồ thị để mô tả sự tƣơng quan giữa 2 thơng số nhiệt khi một khối lƣợng khí xác định chuyển trạng thái
+ Sử dụng hợp lí các dụng cụ thí nghiệm Chỉ ra đƣợc điều
kiện lí tƣởng của hiện tƣợng vật lí
Chỉ ra đƣợc điều kiện lí tƣởng để xét một quá trình biến đổi trạng thái khí trong tự nhiên: khi trong quá trình biến đổi trạng thái đƣợc coi gần đúng là khí lí tƣởng, lƣợng khí đƣợc xét coi nhƣ không đổi, một thông số trạng thái thay đổi rất nhỏ có thể coi là không đổi.
Đề xuất đƣợc giả thuyết, suy ra các hệ
Đề xuất đƣợc mối quan hệ giữa các thông số nhiệt trong quá trình một khối lƣợng khí xác
Năng lực về phƣơng pháp
quả có thể kiểm tra đƣợc
định chuyển trạng thái đẳng nhiệt, đẳng tích và đẳng áp Xác định mục đích, đề xuất phƣơng án, lắp ráp, tiến hành xử lí kết quả thí nghiệm và rút ra nhận xét
+ Đề xuất đƣợc phƣơng án thí nghiệm kiểm tra giả thuyết về các mối quan hệ giữa các thông số nhiệt trong các đẳng q trình
+ Lắp ráp đƣợc thí nghiệm kiểm tra giả thuyết về mối liên hệ trên
+ Tiến hành xử lí kết quả thí nghiệm kiểm tra giả thuyết trên và rút ra nhận xét
Biện luận tính đúng đắn của kết quả thí nghiệm và tính đúng đắn các kết quả khái quát từ kết quả thí nghiệm
Biện luận về sai số của kết quả thí nghiệm và các nguyên nhân gây lên sai số: có thể có sự thay đổi nhiệt độ, sai số do đo đạc
Năng lực trao đổi thông tin
Trao đổi kiến thức và ứng dụng vật lí bằng ngơn ngữ vật lí và các cách diễn tả đặc thù của vật lí
HS trao đổi những kiến thức và các ứng dụng của hiện tƣợng một khối lƣợng khí xác định chuyển trạng thái trong thực tế bằng ngơn ngữ vật lí: gọi đúng tên các đẳng quá trình; xác định đúng các thông số nhiệt cho mỗi trạng thái khí Phân biệt đƣợc những mô tả các hiện tƣợng tự nhiên bằng ngôn ngữ đời sống và ngôn ngữ
Phân biệt đƣợc những mô tả hiện tƣợng tự nhiên: khí bị nén hay bị dãn (thể tích giảm hoặc tăng), khối khí nóng lên hay lạnh đi (nhiệt độ tăng hoặc giảm)...
Năng lực trao đổi thơng tin vật lí Lựa chọn, đánh giá đƣợc các nguồn thông tin khác nhau
So sánh những nhận xét từ kết quả thí nghiệm của nhóm mình với các nhóm khác và kết luận nêu ở SGK .
Mô tả đƣợc cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của các thiết bị kĩ thuật, công nghệ
Hiểu đƣợc cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của các loại áp kế, bình chia độ, nhiệt kế và biết cách sử dụng chúng Ghi lại đƣợc các kết quả từ các hoạt động học tập vật lí của mình (nghe giảng, tìm kiếm thơng tin, thí nghiệm, làm việc nhóm...)
+ Ghi chép các nội dung hoạt động nhóm + Biểu diễn kết quả thí nghiệm dƣới dạng bảng biểu, đồ thị sự phụ thuộc của các thơng số nhiệt của các đẳng q trình trong các hệ tọa độ khác nhau
+ Ghi nhớ các kiến thức: 3 định luật chất khí, phƣơng trình trạng thái của khí lí tƣởng
Trình bày các kết quả từ các hoạt động học tập vật lí
+ Trình bày đƣợc số liệu đo đạc dƣới dạng bảng biểu, đồ thị. Giải thích kết quả đo đƣợc + Trình bày đƣợc kết quả hoạt động nhóm dƣới các hình thức: văn bản, báo cáo thí nghiệm, bản trình chiếu PowerPoint
Thảo luận đƣợc kết quả cơng việc của mình và những vấn đề liên quan dƣới góc nhìn vật lí
Thảo luận các kết quả thực hiện các nhiệm vụ học tập của bản thân và của nhóm
Tham gia hoạt động nhóm trong học tập vật lí Năng lực cá thể Xác định đƣợc kiến thức, kĩ năng, thái độ của các cá nhân trong học tập vật lí + Xác định đƣợc trình độ hiện có về các kiến thức: 3 định luật chất khí, phƣơng trình trạng thái của khí lí tƣởng thơng qua các bài kiểm tra ngắn trên lớp, tự giải bài tập ở nhà
+ Đánh giá đƣợc kĩ năng về thí nghiệm, thái độ học tập và hoạt động nhóm thơng qua phiếu đánh giá đồng đẳng Lập kế hoạch và thực hiện đƣợc kế hoạch, điều chỉnh kế hoạch học tập vật lí nhằm nâng cao trình độ bản thân
Lập kế hoạch, thực hiện đƣợc kế hoạch, điều chỉnh kế hoạch học tập trên lớp và ở nhà đối với toàn chuyên đề sao cho phù hợp với điều kiện học tập
Chỉ ra đƣợc vai trò (cơ hội) và hạn chế của các quan điểm vật lí trong các trƣờng hợp cụ thể trong môn vật lí và ngồi mơn vật lí
Trình bày đƣợc ý nghĩa của các quá trình biến đổi trạng thái của khí lí tƣởng trong việc chế tạo các động cơ nhiệt
So sánh và đánh giá đƣợc – dƣới khía cạnh vật lí – các giải pháp kĩ thuật khác
So sánh đánh giá đƣợc các giải pháp khác nhau trong việc thiết kế, chế tạo áp kế (áp kế kim loại, nƣớc...), lựa chọn bình đo thể tích hay các ứng dụng kĩ thuật của các định luật chất khí...
Năng lực cá thể nhau về mặt kinh tế, xã hội và môi trƣờng Sử dụng đƣợc kiến thức vật lí để đánh giá và cảnh báo mức độ an tồn của thí nghiệm, của các vấn đề trong cuộc sống và của các công nghệ hiện tại
- Cảnh báo về việc:
+ Vận chuyển, sử dụng các bình chứa khí nén + Sử dụng bình ga, bếp ga
+ Việc lặn quá sâu, hoặc lên quá cao sẽ ảnh hƣởng đến sức khỏe
+ Phơi lốp xe ngoài trời nắng giữa mùa hè... - Cảnh báo về an tồn khi làm thí nghiệm: + Lựa chọn và đặt đúng vị trí của nhiệt kế để đo nhiệt độ chính xác và khơng bị nổ nhiệt kế + Chọn bình phù hợp trong thí nghiệm đun nóng đẳng tích
+ Sử dụng nguồn nhiệt để làm tăng nhiệt độ của khí
Nhận ra đƣợc ảnh hƣởng vật lí lên các mối quan hệ xã hội và lịch sử
Nhận ra đƣợc vai trị của các định luật chất khí và phƣơng trình trạng thái của khí lí tƣởng trong lịch sử phát triển khoa học.
2.4.4. Chuẩn bị của giáo viên và học sinh
Chuẩn bị của GV
- Tìm hiểu kiến thức HS đã học ở lớp 8: Cấu tạo chất; Các thể rắn, lỏng, khí.
+ Bộ thí nghiệm xây dựng định luật Bơi-lơ-Mariơt., định luật Sác-lơ., định luật Gay luy-xắc và các phiếu học tập.
- Ôn tập kiến thức đã học ở lớp 8: + Cấu tạo chất: Các thể rắn, lỏng, khí.
+ Khái niệm áp suất, đơn vị áp suất, dụng cụ đo áp suất chất khí. Đơn vị và cách đo thể tích chất khí.
- Đọc lại nội dung thuyết động học phân tử chất khí
2.4.5. Sơ đồ lơgíc tiến trình xây dựng kiến thức
Hình 2.2. Sơ đồ lơgíc tiến trình khoa học xây dựng kiến thức
* Diễn giải sơ đồ (Hình 2.2):
Xuất phát từ một hiện tƣợng: Quả bóng bàn bị bẹp, khi cho vào trong cốc nƣớc nóng thì quả bóng sẽ trở lại hình dạng ban đầu.
Vậy liệu áp suất, thể tích và nhiệt độ của quả bóng có liên quan gì với nhau không? Để đơn giản, ta hãy giữ nguyên một đại lƣợng, khảo sát sự phụ thuộc vào nhau của 2 đại lƣợng còn lại.
- Giữ T không đổi. Đo p khi thay đổi V. Lập bảng số liệu, vẽ đồ thị p-V.
- Giữ V không đổi. Đo p khi thay đổi T. Lập bảng số liệu, vẽ đồ thị p-T.
- Giữ p không đổi. Đo V khi thay đổi T. Lập bảng số liệu, vẽ đồ thị V-T. ĐLBôi-lơ–Ma-ri-ốt p ~ 1/V Định luật Sác lơ p ~ T ĐL Gay-luy-sắc V ~ T
Phƣơng trình trạng thái của khí lí tƣởng
PV
2.4.5.1. Pha thứ nhất: Chuyển giao nhiệm vụ, bất ổn hóa tri thức, phát biểu vấn đề
Xuất phát từ một tình huống có vấn đề: HS quan sát quả bóng bàn bị bẹp, khi cho vào trong cốc nƣớc nóng thì sau 1 thời gian, quả bóng lại trở về trạng thái ban đầu. Vậy những đại lƣợng nào đã thay đổi để quả bóng có thể trở lại hình dạng ban đầu? Từ đó mở rộng là xét một lƣợng khí xác định.
Vận dụng thuyết động học phân tử chất khí suy luận đƣợc: áp suất của một lƣợng khí xác định phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích.
Mặt khác, từ nhiều hiện tƣợng thực tế HSnhận thấy: trạng thái của chất khí đƣợc đặc trƣng bởi 3 đại lƣợng: áp suất, thể tích và nhiệt độ. Khi 1 đại lƣợng biến đổi thì 2 đại lƣợng cịn lại có thể biến đổi theo. Vậy, một câu hỏi đặt ra là “Liệu áp suất, thể tích và nhiệt độ của một lượng khí xác định có
quan hệ gì với nhau khơng?”. Câu hỏi này chứa đựng 2 vấn đề:
+ Vấn đề 1: các đại lƣợng áp suất, thể tích và nhiệt độ của một lƣợng khí xác định có quan hệ với nhau khơng? (mặt định tính)
+ Vấn đề 2: nếu các đại lƣợng đó có quan hệ với nhau thì quan hệ đó đƣợc mơ tả bằng biểu thức tốn học nào? (mặt định lƣợng)
2.4.5.2. Pha thứ 2: Học sinh hành động độc lập, tích cực, trao đổi, tìm tịi giải quyết vấn đề
* Đề xuất giải pháp giải quyết vấn đề:
+ Có thể vận dụng thuyết động học phân tử chất khí để tìm mối quan hệ giữa 3 đại lƣợng p, V, t của một lƣợng khí xác định.
+ Có thể làm TN đo 3 đại lƣợng p, V, t của một lƣợng khí xác định để
Để nghiên cứu mối quan hệ giữa 3 đại lƣợng đƣợc đơn giản, ta cố định 1 trong 3 đại lƣợng để tìm mối quan hệ giữa 2 đại lƣợng cịn lại. Vì vậy, việc nghiên cứu giải quyết vấn đề đƣợc chia thành 3 nhiệm vụ độc lập:
+ Nghiên cứu quan hệ p, V của một lƣợng xác định ở điều kiện nhiệt độ
t không đổi
+ Nghiên cứu quan hệ p, t của một lƣợng khí xác định ở điều kiện thể tích V không đổi
+ Nghiên cứu quan hệ V, t của một lƣợng khí xác định ở điều kiện áp
suất p không đổi.
* Thực hiện giải pháp giải quyết vấn đề:
- Với nhiệm vụ: nghiên cứu quan hệ p, V khi t = hằng số + Đo p khi thay đổi V. Lập bảng số liệu, vẽ đồ thị p-V.