Hình 2.1. Sơ đồ kiến thức chương “Cơ sở nhiệt động lực học” 2.2.1. Nội năng
Nội năng bao gồm tổng động năng chuyển động nhiệt của các phân tử cấu tạo nên hệ và thế năng tương tác giữa các phân tử đó.
Nội năng của vật phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật. Có hai cách làm thay đổi nội năng: thực hiện công và truyền nhiệt.
2.2.2. Các nguyên lí nhiệt động lực học và ứng dụng
Nguyên lí I nhiệt động lực học : Độ biến thiên nội năng U của hệ bằng
tổng đại số nhiệt lượng Q và công A mà hệ nhận được. U = A +Q.
Nếu Q > 0, thì hệ nhận nhiệt lượng. Nếu Q < 0, thì hệ nhả nhiệt lượng. Nếu A > 0, thì hệ nhận cơng. Nếu A < 0, thì hệ sinh cơng. Nguyên lí I nhiệt động lực học:
Cách phát biểu thứ nhất: Nhiệt khơng tự nó truyền từ một vật sang vật khác nóng hơn.
Cách phát biểu thứ nhất: Không thể thực hiện được động cơ vĩnh cửu loại hai. Nói cách khác, động cơ nhiệt khơng thể biến đổi tồn bộ nhiệt lượng nhận được thành ra công.
Ứng dụng:
Động cơ nhiệt là thiết bị biến đổi nhiệt lượng sang công. Ở động cơ nhiệt, tác nhân nhận nhiệt Q1 từ nguồn nóng, biến một phần thành cơng A’ và toả phần nhiệt lượng Q2 cho nguồn lạnh.
Hình 2.2. Ngun lí làm việc của động cơ nhiệt
(Nguồn https://loga.vn/bai-viet/dong-co-nhiet-6040)
Máy lạnh là một thiết bị dùng để lấy nhiệt từ một vật này truyền sang vật khác nóng hơn nhờ nhận cơng từ các vật ngồi. Ở máy lạnh, tác nhân nhận công A và nhận nhiệt Q2 từ nguồn lạnh, và truyền nhiệt Q1 cho nguồn nóng.
Hình 2.3 Ngun lí làm việc của máy lạnh
(Nguồn https://www.slideshare.net/Jeremy_Downey/hinh-anh-42559776) 2.3. Kế hoạch tổ chức hoạt động ngoại khóa
Kiến thức
Ôn tập, củng cố, mở rộng kiến thức chương "Cơ sở nhiệt động lực học”.
Kĩ năng
Rèn luyện kĩ năng thiết kế, chế tạo các mơ hình ƯDKT sử dụng kiến thức trong chương “Cơ sở nhiệt động lực học”.
Biết hợp tác, phối hợp làm việc theo nhóm.
Tham gia thuyết trình, diễn đạt được ý kiến của cá nhân.
Biết cách tìm kiếm, thu thập, xử lí thơng tin khi thực hiện nhiệm vụ học tập.
Phát triển năng lực
HS nêu được vấn đề, đưa ra các dự đoán, đề xuất giả thuyết.
Đề xuất phương án chế tạo các mơ hình ƯDKT vật lí bằng cách vận dụng các kiến thức đã học trong chương “Cơ sở nhiệt động lực học”.
Thiết kế, chế tạo được các mơ hình ƯDKT dựa trên các phương án đề xuất.
Phát triển năng lực sáng tạo thông qua các hoạt động, nhiệm vụ.
2.3.2. Nội dung của hoạt động ngoại khóa.
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, dựa vào tình hình thực tế của nhà trường và trình độ của học sinh, chúng tơi dự kiến tổ chức hoạt động ngoại khóa về ƯDKT chương “Cơ sở nhiệt động lực học” với các nội dung sau:
Nội dung 1: GV hướng dẫn và giao nhiệm vụ cho HS tìm hiểu, nghiên cứu, đưa ra các phương án để chế tạo tên lửa mini, tua bin hơi nước, động cơ Stirling, quạt thổi đá (máy lạnh mini).
Nội dung 2: Tổ chức buổi tổng kết để báo cáo kết quả, trình bày sản phẩm mà HS đã làm được. Đồng thời, GV tổ chức cho HS tham gia thi tài, trao đổi với nhau về kiến thức về chương “Cơ sở nhiệt động lực học”.
Thiết kế các phương án thí nghiệm, chế tạo mơ hình
Nhiệm vụ 1: Thiết kế, chế tạo mơ hình tên lửa mini (Nguyễn Ngọc Hưng, 2016).
Ý tưởng: Công cuộc chinh phục vũ trụ có vai trị rất quan trọng đối với loài người. Để phục vụ cho cơng cuộc đó, lồi người thực hiện phóng các vệ tinh vào trong vũ trụ bằng tên lửa.
Hướng dẫn:
Nguyên vật liệu:
4 đoạn ống dài 20cm, đường kính 21mm.
1 đoạn ống dài 40cm, đường kính 21mm.
2 ống nối chữ T, đường kính 21mm.
Keo lụa.
1 cái IC bật lửa.
Dây điện 1 lõi loại nhỏ. Keo dán ống. Keo silicon Chai nhựa 1,5l. Giấy, bìa cứng trang trí. Cồn y tế 900. Cách làm: Bộ phận bệ phóng và tạo tia lửa điện:
Gắn 2 ống nhựa đường kính 21mm, dài 20cm vào đầu nối chữ T tạo thành một đường thẳng.
Hình 2.5. Gia cơng bệ phóng tên lửa
Gắn ống nhựa đường kính 21 mm, dài 20 cm vào đầu còn lại của nối chữ T.
Hình 2.6. Gia cơng bệ phóng tên lửa
Khoan một lỗ nhỏ ở gần một đầu của ống nhựa đường kính 21mm, dài 40cm. Luồn 2 dây điện qua ống vừa khoan, lấy keo silicon gắn cố định 2 đầu của 2 dây điện ở đầu còn lại. 2 đầu ở gần lỗ khoan nối với IC của bật lửa.
Hình 2.7. Lắp ráp đầu đốt nhiên liệu
Gắn ống nhựa đường kính 21mm, dài 40cm với 3 ống nhựa đã gắn ở trên nhờ ống nối chữ T sao cho ống nhựa 40cm có phương thẳng đứng.
Gắn ống nhựa còn lại vào đầu còn lại của nối chữ T, tạo thành đế cân bằng trên mặt phẳng.
Hình 2.8. Lắp ráp đầu đốt nhiên liệu
Chú ý: 2 đầu dây điện phải đặt ở khoảng cách đủ gần thì mới tạo được tia lửa điện. Mơ hình tên lửa:
Sử dụng chai nhựa 0,5lit.
Cắt bìa cứng tạo hình chóp gắn chặt vào đáy của chai.
Cắt bìa cứng thành cánh của tên lửa gắn vào phần miệng của chai.
Hình 2.10. Gia cơng cánh tên lửa
Bơm cồn vào trong chai, đậy nắp rồi lắc đều. Gắn tên lửa vào bệ phóng.
Hình 2.11. Tên lửa mini
Chú ý: Việc gắn bìa cần đảm bảo cân đối đề đảm bảo khi bay tên lửa không bị lắc. Miệng chai nhựa phải có đường kính lớn hơn 21mm (đường kính ống nhựa) nhưng không lớn quá. Để giữ tên lửa trên bệ phóng sử dụng keo lụa quấn vòng quanh ống nhựa tạo thành chốt giữ.
Hoạt động: Đây là mơ hình một động cơ đốt trong, ngun lý hoạt động dựa trên nguyên lí NĐLH và định luật III Newton. Việc lắc đều tên lửa để trộn đều cồn và khơng khí. Bấm IC để tạo tia lửa điện đốt hỗn hợp cồn và khơng khí trong tên lửa. Cồn được đốt sinh nhiệt làm khơng khí trong tên lửa giãn nở nhanh, sinh cơng đẩy khơng khí ngồi. Khi đó tạo ra phản lực đẩy tên lửa chuyển động.
Nhiệm vụ 2: Thiết kế, chế tạo mơ hình tua bin hơi nước. mini (Nguyễn Ngọc Hưng, 2016).
Ý tưởng: Cuộc sống hàng ngày, con người sử dụng rất nhiều các dạng năng lượng như: cơ năng, điện năng, … nhưng phần lớn các năng lượng sử dụng lại được lấy từ nội năng. Vậy có thể chuyển hóa nội năng thành cơ năng.
Hướng dẫn: Nguyên vật liệu: Hộp sắt (vỏ lon sữa bò). Ống nhôm. Keo A, B. Mỏ hàn, dây chì.
Miếng nhơm mỏng (vỏ lon bia).
Thanh kẽm.
Nến, đèn cồn.
Đế gỗ. Cách làm:
Hình 2.12. Nguyên liệu thiết kế tuabin hơi nước hơi nước
Chế tạo nồi hơi: Thân nồi hơi được làm từ vỏ lon sữa bò đã mài nhẵn miệng lon. Nắp nồi hơi được làm từ miếng kẽm (nhôm), cắt một miếng kẽm có đường kính lớn
hơn (khơng đáng kể) đường kính lon sữa bị, trên đó có kht hai lỗ nhỏ có đường kính bằng đường kính của ống nhơm dùng làm vịi phun. Dùng mỏ hàn, hàn kín nắp nồi hơi với thân. Vòi phun
làm từ ống đồng (nhơm) có chiều dài 10cm, xuyên qua lỗ trên nắp hơi và được làm cong. Lỗ còn lại
trên nắp nồi hơi dùng để đưa nước vào trong nồi hơi. Tua bin: Sử dụng một miếng
xốp cắt thành hình trụ trịn đường kính khoảng 10cm, bề dày cỡ 2cm. Cắt vỏ lon bia làm thành cánh của tua bin. Cắm cánh của tua
bin lên miếng xốp. Dùng một thanh kẽm nhỏ (có thể sử dụng cái kim may) làm trục quay cho tua bin.
Giã đỡ: trên đế gỗ lắp các thanh kẽm để làm giá đỡ nồi hơi và tua bin.
Hình 2.14. Gia cơng chong chóng Hình 2.13. Gia cơng nồi hơi Hình 2.13. Gia cơng nồi hơi
Hình 2.15. Tuabin hơi nước
Nguyên lý hoạt động
Đổ vào nồi hơi một ít nước, dùng núm cao su đậy chặt ống dẫn nước, đun nóng nồi hơi nhờ đèn cồn. Nước sơi, hơi nước phụt qua vòi phun đập vào các cánh của tua bin, gây ra momen lực làm cho tua bin quay.
Chú ý: Nồi hơi phải thật kín.
Cần làm vát các mảnh vỏ lon (cánh tua bin) để cắm chúng dễ dàng. Cần điều chỉnh phù hợp hướng phụt của vòi phim để tua bin quay.
Nhiệm vụ 3: Thiết kế, chế tạo mơ hình động cơ Stirling. (http:
www.kenhsangtao.com)
Ý tưởng: Xã hội phát triển thì con người càng muốn giao lưu, học hỏi với nhau. Vì vậy đặt ra yêu cầu giao thông phát triển. Từ xa xưa để đi lại con người sử dụng các phương tiện thô sơ: các con vật chuyên chở. Hạn chế của nó là tốc độ thấp, phụ thuộc vào sức lực của con vật, để tăng tốc độ thì phải tăng lượng cơng thực hiện. Lúc này con người chế tạo ra các động cơ, một trong những động cơ đầu tiên mở đầu cho cách mạng cơng nghiệp đó là đầu máy hơi nước, động cơ nhận nhiệt lượng và chuyển hóa thành cơng.
Hướng dẫn:
Nguyên vật liệu:
Bánh xe
Keo AB
Vỏ lon sữa bị Vỏ bình xịt cơn trùng Thanh sắt 30cm Ốc vít Bánh răng Bong bóng Tấm nhôm 25x15cm Cách làm: Thiết kế xi-lanh có chứa pit-tơng tự do: Dùng vỏ bình xịt muỗi
(lon bia, lon nước ngọt bằng kim loại) để làm xi-lanh, cắt 1 bớt một đầu (đầu hở) chỉ để bình cao khoảng 15cm, một đầu kín, một đầu để hở.
Dùng bùi nhùi sắt quấn thành hình trụ có đường kính đáy nhỏ hơn (khơng đáng kể) đường kính của bình xịt.
Hình 2.17. Gia cơng pittong
Dùng thanh thép nhỏ (nam hoa xe đạp) làm trục pit-tông và lắp pit-tông vào trong xi lanh
Hình 2.18. Gia cơng trục pittong
Dùng một bình xịt tương tự cắt bỏ cịn khoảng 15cm để làm nắp xi-lanh và làm giá đỡ cho pit-tông truyền lực.
Hình 2.19. Gia cơng xilanh truyền lực
Khoan lỗ nhỏ ở tâm đáy để cho trục pit-tơng qua, khoan lỗ bằng đường kính để lắp ống dây dẫn khí.
Hình 2.20. Gia cơng ống dẫn khí
Hình 2.21. Gia cơng giá đỡ
Tại các phần nối quét keo A-B để gắn, hàn kín tránh hở. Lắp ráp phần trên (nắp) và phần dưới của xi-lanh (đáy)
Hình 2.22. Lắp ráp các phần của xilanh
Thiết kế pit-tông truyền lực:
Sử dụng nắp ống nước PVC ø42 để làm xi-lanh, xác định tâm và khoan lỗ gắn ống dẫn khívà gắn trên giá đỡ.
Sử dụng bong bóng cao su để làm pit-tơng truyền lực.
Hình 2.24. Gia cơng pittong truyền lực
Cắt vỏ lon sữa bò cao khoảng 5cm, đáy khoét lỗ sao cho vừa lọt xi-lanh, rồi dùng keo AB gắn với phần trên của xi-lanh.
Hình 2.25. Lắp ráp xilanh với nguồn lạnh
Thiết kế hệ thống truyền động, bánh đà:
Sử dụng các thanh thép nhỏ được uốn các góc vng và ốc vít như hình, lắp thanh thép xun qua thành bên của nắp trên xi-lanh.
Nối phần pit-tông truyền lực, trục pit-tông tự do, bánh đà với thanh quay. Bánh đà có thể tận dung các đĩa CD, DVD hoặc các tấm mi-ca.
Hình 2.27. Lắp ráp trục quay, bánh đà
Thiết kế bánh xe:
Hệ thống bánh răng được tận dụng từ các mô-tơ trong các xe ô-tô đồ chơi (tháo phần mô-tơ, chỉ giữ lại thanh truyền và hệ thống bánh răng).
Hình 2.28. Bánh răng truyền động
Đế được làm từ tấm nhơm, có gắn các bánh xe và gắn nguồn nhiệt.
Sử dụng dây thun để truyền chuyển động quay của bánh đà tới mơ-tơ để quay bánh xe.
Hình 2.30. Xe chạy bằng động cơ Stirling
Nguyên lý hoạt động:
Phần đáy của xi-lanh được nhận nhiệt làm cho nhiệt độ của khối khí phía dưới tăng cao nhưng phần khí bên trên lại được làm lạnh bởi nước. Do đó có sự chênh lệch nhiệt độ giữa khối khí trên và dưới pit-tông làm cho pit-tông tự do trong xi- lanh chuyển động lên xuống. Vào thời điểm pit-tơng chuyển động lên trên, khí bên trong lon được nung nóng và chiếm đầy thể tích phía dưới lon, bong bóng cao su dãn ra, phồng lên. Khi pit-tông chuyển động xuống dưới, phần khơng khí lạnh sẽ chiếm đấy thể tích phía trên, bong bóng cao su co lại, lõm xuống. Sự co giãn bong bóng cao su được thành chuyển động quay của trục quay. Trục quay quay làm quay bánh đà. Chuyển động quay của bánh đà được truyền xuống bánh xe nhờ vịng dây và mơ-tơ, khi đó xe chuyển động tịnh tiến.
Nhiệm vụ 4: Thiết kế, chế tạo mơ hình máy thổi đá (máy lạnh mini).
Ý tưởng: Mùa hè, thời tiết nóng bức làm con người rất khó chịu. Để làm mát nhiệt độ trong phòng, chúng ta thường sử dụng máy lạnh. Tuy nhiên máy lạnh được bán trên thị trường giá tiền khá cao (từ khoảng vài triệu đến hàng chục
triệu). Hơn nữa chúng ta chỉ có nhu cầu làm lạnh nhanh vùng khơng khí xung quanh người mà khơng cần làm lạnh cả phịng.
Hướng dẫn Nguyên vật liệu:
Thùng xốp
Pin 1,5V
Máy bơm nước mini
Ống nước Tấm cooling pad Quạt mini Keo dính sắt Dây điện Cách làm:
Ngăn lạnh: được làm từ thùng xốp, trên thân thùng xốp khoét lỗ để lắp quạt hút
Hình 2.32. Gia cơng ngăn lạnh
Lắp quạt hút ở một đầu ống dẫn khí, nối quạt với cơng tắc và nguồn điện.
Hình 2.33. Lắp quạt hút
Hình 2.31. Nguyên liệu thiết kế quạt thổi đá quạt thổi đá
Mặt đối diện với quạt hút cắt hình chữ U, cách đáy 10 – 15cm.
Cắt tấm cooling pad có kích thước bằng phần đã khoét trên thân thùng xốp.
Hình 2.34. Gia cơng dàn lạnh
Lắp máy bơm và ống nước trên tấm cooling pad.
Hình 2.35. Lắp ráp máy bơm và ống nước
Cho đá và đổ nước vào thùng xốp. Nguyên lý hoạt động:
Khi bật công tắc, quạt hút hoạt động, hút khí trong phịng thổi qua đường ống làm lạnh. Trong ống làm lạnh xảy ra quá trình truyền nhiệt từ khí với tấm
cooling pad làm cho nhiệt độ khí giảm. Khí sau khi làm lạnh được thổi ra ngồi phịng.
2.3.3. Hình thức tổ chức hoạt động ngoại khóa.
GV thực hiện lựa chọn ngẫu nhiên HS tình nguyện tham gia hoạt động ngoại khóa bằng việc sử dụng phần mềm random trực tuyến (thông qua website http://www.random.org), số lượng 16 HS.
GV nêu mục đích, nội dung và quy định thời gian của hoạt động ngoại khóa. Giáo viên tóm tắt kiến thức chương “Cơ sở nhiệt động lực học”, giới thiệu
các ứng dụng kĩ thuật của các kiến thúc vật lý trong chương: động cơ nhiệt, máy lạnh thơng qua mơ hình.
Trong thời gian diễn ra hoạt động ngoại khóa, GV thực hiện theo dõi, ghi chép các hoạt động của HS thông qua quan sát trực tiếp và qua các đoạn phim ghi lại nhờ máy quay.
Trong suốt hoạt động ngoại khóa, HS là người chủ động đề xuất, thiết kế và lắp ráp các mơ hình sản phẩm của mình, giáo viên chỉ là người hỗ trợ và cố vấn.
Các thành viên trong nhóm tự phân cơng nhiệm vụ để thực hiện các phương án của nhóm mình. Việc tìm kiếm nguyên vật liệu được các thành viên tự thu thập ngồi thời gian trong buổi ngoại khóa. Việc thiết kế, lắp ráp, vận hành sản phẩm được tiến hành qua ba buổi ngoại khóa.
Buổi ngoại khóa thứ 4, các nhóm báo cáo kết quả thơng qua Hội vui Vật lí do