6. Phương pháp nghiên cứu
2.2. Thiết kế một số thí nghiệm gắn kết cuộc sống trong phần Nhiệt học – vật lí
2.2.1.2. Thí nghiệm định lượng khảo sát ba định luật chất khí
a) Mục đích làm thí nghiệm
-Thí nghiệm khảo sát định luật Boyle – Mariotte: Nghiên cứu về mối quan hệ giữa
áp suất và thể tích của một khới khí nhất định khi giữ nguyên nhiệt độ.
- Thí nghiệm khảo sát định luật Charles: nghiên cứu về mỗi quan hệ giữa áp suất
và nhiệt độ của một khới khí nhất định khi giữ nguyên thể tích.
- Thí nghiệm khảo sát định luật Gay-lussac: nghiên cứu về mới quan hệ giữa thể
tích và nhiệt độ của một khới khí nhất định khi giữ ngun áp suất.
b) Dụng cụ thí nghiệm
Bảng 2.2: Dụng cụ thí nghiệm định lượng khảo sát ba định luật chất khí Thiết bị, vật liệu Số lượng/kích
thước
Hình ảnh
Ống kim tiêm 01/60cc Ống nghiệm có nhánh 02/35ml Nhiệt kế 01 Áp kế 01 Giá đỡ 01 Nút đậy có khoét lỗ 02
c) Cách thức lắp ráp và tiến trình thực hiện thí nghiệm c.1. Thí nghiệm khảo sát định luật Boyle – Mariotte
Hình 2.8: Thí nghiệm khảo sát định luật Boyle – Mariotte.
Cách thức lắp ráp:
- Bước 1: Dùng ống kim tiêm nối với một ống nghiệm thông qua ống dây nối cao su.
- Bước 2: Gắn áp kế vào ống nghiệm bằng nút đậy và đặt vào giá đỡ. Tiến trình thực hiện thí nghiệm:
- Bước 1: Để pittong ở vạch mức 60ml.
- Bước 2: Ta đẩy pittong từ từ xuống vạch mức 55ml, sau đó quan sát giá trị áp kế và ghi vào bảng số liệu. Thực hiện đo 5 lần, mỗi lần giảm thể tích khí trong xi lanh đi 5ml.
Lưu ý: Thể tích của khí chính là bằng tổng thể tích của ớng thí nghiệm và ớng kim tiêm. Áp suất khí lúc này bằng tổng áp suất khí quyển và giá trị áp kế.
Hình 2.9: Thí nghiệm khảo sát định luật Charles.
Cách thức lắp ráp:
- Bước 1: Nối hai ống nghiệm lại với nhau bằng một ống dây nối cao su. - Bước 2: Gắn nhiệt kế vào một ống nghiệm nhờ nút đậy.
- Bước 3: Gắn áp kế vào ớng nghiệm cịn lại nhờ nút đậy và đặt vào giá đỡ. Tiến trình thực hiện thí nghiệm:
- Bước 1: Để bộ thí nghiệm vào thau nước, đổ từ từ nước nóng vào thau. - Bước 5: Quan sát số chỉ nhiệt kế, giá trị của áp kế và ghi vào bảng số liệu. Lưu ý: Nhiệt độ tính theo đơn vị Kelvin. Giá trị áp suất khí trong ớng bằng tổng áp suất khí quyển và giá trị trên áp kế.
Hình 2.10: Thí nghiệm khảo sát định luật Gay luysac.
Cách thức lắp ráp:
- Bước 1: Gắn ống kim tiêm 12ml vào ớng thí nghiệm thơng qua ớng dây nới cao su.
- Bước 2: Gắn nhiệt kế vào ớng thí nghiệm bằng nút đậy và đặt vào giá đỡ. Tiến trình thực hiện thí nghiệm:
- Bước 1: Để pittong ở vạch mức 2ml.
- Bước 2: Dùng máy sấy tăng nhiệt độ của khí trong ớng. Khi pittong di chuyển đến vạch mức xác định, quan sát số chỉ nhiệt kế và ghi giá trị vào bảng số liệu.
Lưu ý: Thể tích của khí chính là bằng tổng thể tích của ớng thí nghiệm và ớng kim tiêm. Nhiệt độ tính theo đơn vị Kelvin.
d) Đánh giá kết quả
1. Khảo sát định luật Boyle – Mariotte
Lưu ý: p = p0 + pa (mmHg)
V = Vống + Vkt (l); Vống = 0,035 l, p0 = 760 mmHg
Bảng 2.3: Bảng số liệu thu được của thí nghiệm khảo sát định luật Boyle Mariotte. Mariotte.
1 40 800 0,055 0,090 72,00 0,18 2 92 852 0,050 0,085 72,42 0,60 3 140 900 0,045 0,080 72,00 0,18 4 196 956 0,040 0,075 71,70 0,12 5 254 1014 0,035 0,070 70,98 0,84 Trung bình 71,820 0,384 - Xử lí số liệu:
Tính sai sớ tỉ đới cực đại bằng cơng thức: 𝜹𝑨𝒎𝒂𝒙 =∆𝑨𝒎𝒂𝒙×𝟏𝟎𝟎 𝑨̅ với 𝑨̅ =𝑨𝟏+𝑨𝟐+𝑨𝟑+⋯+𝑨𝒏 𝒏 , Ta có: ∆(pV)max = 0,84 pV ̅̅̅̅ = 71,820 Sai sớ tỉ đới cực đại:
δ(pV)max =∆(pV)max× 100 pV ̅̅̅̅ =0,84 × 100 71,820 = 1,17% - Nhận xét:
Dựa vào bảng số liệu, ta thấy được tích pV hầu như khơng đổi khi ta thay đổi thể tích và áp suất của khí trong ớng. Điều này chứng tỏ định luật Boyle – Mariotte là đúng.
- Kết luận:
Trong q trình đẳng nhiệt của một lượng khí xác định thì áp suất tỉ lệ nghịch với thể tích
p~1
V⇒ pV = hằng số
Lưu ý: p = p0 + pa (mmHg) p0 = 760 mmHg
Bảng 2.4: Bảng số liệu thu được của thí nghiệm khảo sát định luật Charles. Lần pa (mmHg) p (mmHg) t(0C) T (K) p/T ∆p/T 1 44 804 38 311 2,590 0,042 2 50 810 44 317 2,560 0,012 3 56 816 49 322 2,540 0,008 4 62 822 57 330 2,500 0,048 5 68 828 64 337 2,550 0,002 Trung bình 2,548 0,022 - Xử lí số liệu:
Tính sai sớ tỉ đới cực đại bằng cơng thức: 𝜹𝑨𝒎𝒂𝒙 =∆𝑨𝒎𝒂𝒙×𝟏𝟎𝟎 𝑨̅ với 𝑨̅ =𝑨𝟏+𝑨𝟐+𝑨𝟑+⋯+𝑨𝒏 𝒏 , Ta có: ∆ (p T) max = 0,048 p T ̅ = 2,548 Sai sớ tỉ đới cực đại:
𝛿 (𝑝 𝑇)𝑚𝑎𝑥 = ∆ (𝑇𝑝) 𝑚𝑎𝑥× 100 𝑝 𝑇 ̅ =0,048 × 100 2,548 = 1,88% - Nhận xét:
Dựa vào bảng số liệu, ta thấy được tỉ số p/T hầu như không đổi khi ta thay đổi nhiệt độ và áp suất của khí trong ớng. Điều này chứng tỏ định luật Charles là đúng.
- Kết luận:
Trong quá trình đẳng tích của một lượng khí xác định, áp suất tỉ lệ thuận với thể tích
p
T= hằng số
3. Khảo sát định luật Gay – Lussac
Lưu ý: V = Vống + Vkt (ml) Vống = 35 ml
Bảng 2.5: Bảng số liệu thu được của thí nghiệm khảo sát định luật Gay luysac. Lần Vkt (ml) V (ml) t(0C) T (K) V/T ∆V/T 1 3 38 41 314 0,1210 0,0004 2 4 39 47 320 0,1220 0,0014 3 5 40 58 331 0,1210 0,0004 4 6 41 68 341 0,1200 0,0006 5 7 42 79 352 0,1190 0,0016 Trung bình 0,1206 0,0009 - Xử lí số liệu:
Tính sai sớ tỉ đới cực đại bằng cơng thức: 𝜹𝑨𝒎𝒂𝒙 =∆𝑨𝒎𝒂𝒙×𝟏𝟎𝟎 𝑨̅ với 𝑨̅ =𝑨𝟏+𝑨𝟐+𝑨𝟑+⋯+𝑨𝒏 𝒏 , Ta có: ∆ (V T) max = 0,0016
V T ̅
= 0,1206 Sai sớ tỉ đới cực đại:
𝛿 (V T)max = ∆ (VT) max× 100 V T ̅ =0,0016 × 100 0,1206 = 1,33% - Nhận xét:
Dựa vào bảng số liệu, ta thấy được tỉ số V/T hầu như không đổi khi ta thay đổi nhiệt độ và thể tích của khí trong ớng.
- Kết luận:
Trong q trình đẳng áp của một lượng khí xác định, thể tích tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đới.
V
T = hằng số
e) Đề xuất sử dụng thí nghiệm
Dùng các thí nghiệm định lượng để khảo sát 3 định luật chất khí làm cho việc truyền tải kiến thức vật lí khơng cịn khơ khan, nhàm chán, chỉ được học trên lí thuyết mà khơng được thực hành. Bên cạnh đó, học sinh có thể chủ động tìm hiểu kiến thức, giúp học sinh hiểu bài hơn, rèn luyện tính kiên nhẫn và kĩ năng thực hành thí nghiệm của học sinh.
Thí nghiệm khảo sát định luật Boyle – Mariotte
Thí nghiệm này có thể được sử dụng trong hoạt động giải quyết vấn đề kiểm chứng mối quan hệ giữa áp suất và thể tích khi giữ nguyên nhiệt độ của một khới khí xác định trong dạy học bài “Q trình đẳng nhiệt. Định luật Boyle – Mariotte”.
Thí nghiệm này có thể được sử dụng trong hoạt động giải quyết vấn đề kiểm chứng mối quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ tuyệt đới khi giữ ngun thể tích của một khới khí xác định trong dạy học bài “Q trình đẳng tích. Định luật Charles”.
Thí nghiệm khảo sát định luật Gay luysac
Thí nghiệm này có thể được sử dụng trong hoạt động giải quyết vấn đề kiểm chứng mối quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ tuyệt đới khi giữ ngun thể tích của một khới khí xác định trong dạy học bài “Phương trình trạng thái khí lí tưởng”.
- Hành vi năng lực hướng đến:
+ Xây dựng giải pháp (kế hoạch thực hiện) gồm: Đề xuất phương án TN (dụng cụ gì, tiến hành ra sao, thu thập kết quả như thế nào).
+ Thực hiện giải pháp: Bớ trí TN, tiến hành TN, thu thập được kết quả, xử lí được sớ liệu (qua biểu thức, đờ thị…), rút ra nhận xét.
- Cách thức tổ chức:
Hoạt động của GV Hoạt động của HS
+ Sau khi đề xuất giả thuyết, GV yêu cầu HS thiết kế phương án TN để kiểm tra giả thuyết đó dựa trên bộ dụng cụ TN mà GV đã đưa ra và điền vào phiếu học tập.
• TN cần có những dụng cụ gì? • Em hãy vẽ sơ đờ cách bớ trí các dụng cụ TN?
• Cách tiến hành TN như thế nào? + GV quan sát HS làm việc để đánh giá.
+ GV nhận xét từng phương án TN do HS đề ra và thống nhất phương án tối ưu nhất.
+ HS suy nghĩ đề ra một sớ phương án thí nghiệm để kiểm chứng giả thuyết.
+ Sau khi thống nhất phương án tối ưu nhất, GV yêu cầu HS lập kế hoạch lắp ráp, tiến hành TN và ghi kết quả thu thập được vào phiếu học tập.
+ Dựa vào số liệu đã thu thập, GV u cầu HS xử lí sớ liệu và điền vào phiếu học tập.
+ GV quan sát HS làm việc để đánh giá.
+ Lắng nghe, ghi nhận.
+ Tiến hành TN, điền câu trả lời vào phiếu học tập.