2.1.1 Đặc điểm chung của phần “Nhiệt học”
Vật lí phân tử và nhiệt học là chiếc cầu nối giữa vật lí vĩ mơ và vật lí vi mơ, giữa vật lí cổ điển và vật lí hiện đại. Theo trình tự phát triển nhận thức của con người đối với thế giới tự nhiên, phần vật lí phân tử và nhiệt học được đặt ngay sau phần cơ học Newton. Nghiên cứu vật lý phân tử và nhiệt học tạo một bước chuyển mới trong hoạt động nhận thức của HS [20].
Vật lí phân tử là một phần của vật lí nghiên cứu các tính chất vật lí của các vật, các tính chất đặc thù của tập hợp các trạng thái của vật và nghiên cứu các quá trình chuyển pha phụ thuộc vào cấu trúc phân tử của các vật, phụ thuộc vào lực tương tác giữa các phân tử, và tính chất chuyển động nhiệt của các hạt.
Nhiệt học nghiên cứu các tính chất vật lí của hệ vĩ mơ trên cơ sở phân tích những biến đổi năng lượng có thể có của hệ mà khơng tính đến các cấu trúc vi mô của chúng. Cơ sở của nhiệt động lực học là hai định luật thực nghiệm hay còn gọi là hai nguyên lí nhiệt động.
Trước đây, trong chương trình cải cách giáo dục THPT, phần nhiệt học và vật lí phân tử bị tách ra làm hai phần. Cụ thể, phần nhiệt học và cơ sở của nhiệt động lực học nằm ở cuối lớp 10 còn phần chất rắn và chất lỏng nằm ở đầu lớp 11. Làm như vậy đã tạo ra sự gián đoạn trong việc nghiên cứu phần nhiệt học ở THPT.
Trong chương trình và sách giáo khoa mới, tồn bộ nội dung kiến thức phần nhiệt học THPT tập trung ở lớp 10 và được chia làm ba chương là: “Chất khí”, “Cơ sở của nhiệt động lực học”, “Chất rắn và chất lỏng. Sự chuyển thể” [2]. Tuy nhiên, trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, chúng tôi chỉ tập trung nghiên cứu hai chương là “Chất khí” và “Chất rắn và chất lỏng. Sự chuyển thể”
2.1.2 Cấu trúc và các kiến thức cơ bản của chương “Chất khí”a. Cấu trúc chương a. Cấu trúc chương
Hình 2.2. Cấu trúc chương chất khí
b. Nội dung kiến thức cơ bản
* Nội dung cơ bản của thuyết động học phân tử của chất khí:
- Chất khí được cấu tạo từ những phân tử có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách giữa chúng.
- Các phân tử khí chuyển động hỗn loạn khơng ngừng, chuyển động này càng nhanh thì nhiệt độ chất khí ngày càng cao.
- Khi chuyển động hỗn loạn các phân tử khí va chạm vào thành bình gây áp suất lên thành bình.
* Các định nghĩa
- Khí lí tưởng: Chất khí trong đó các phân tử khí được cói là các chất điểm và chỉ tương tác với nhau khi bị va chạm gọi là chất khí lý tưởng.
- Q trình đẳng nhiệt: Q trình biến đổi trạng thái trong đó nhiệt độ được giữ khơng đổi gọi là q trình đẳng nhiệt.
- Q trình đẳng tích: Q trình biến đổi trạng thái khi thể tích khơng đổi là q trình đẳng tích.
- Q trình đẳng áp: Quá trình biến đổi trạng thái khi áp suất khơng đổi gọi là q trình đẳng áp.
* Các định luật:
- Định luật Bơi-lơ – Mariốt: Trong q trình đẳng nhiệt của một lượng khí nhất
định áp suất tỉ lệ nghịch với thể tích:
V
p1 hay pV const
- Định luật Sác-lơ: Trong q trình đẳng tích của một lượng khí nhất định, áp
suất tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối:
P
const T
- Định luật Gay Luyxac: Trong quá trình đẳng áp của một lượng khí nhất định
thể tích tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối:
V const
T
* Phương trình trạng thái của khí lý tưởng: const T
V p
.
* Các đồ thị: đường đẳng nhiệt, đường đẳng tích, đường đẳng áp.
2.1.3 Cấu trúc và các kiến thức cơ bản của chương “Chất rắn và chất lỏng. Sựchuyển thể ” chuyển thể ”
a. Cấu trúc chương
Hình 2.3 Cấu trúc chương Chất rắn và chất lỏng. Sự chuyển thể
b. Nội dung kiến thức cơ bản
* Các khái niệm:
- Chất rắn kết tinh là chất rắn có cấu trúc tinh thể. Chất rắn kết tinh có thể là chất đơn tinh thể hoặc chất đa tinh thể. Chất rắn đơn tinh thể có tính dị hướng, cịn chất rắn đa tinh thể có tính đẳng hướng.
- Chất rắn vơ định hình là chất rắn khơng có cấu trúc tinh thể, do đó khơng có dạng hình học xác định, khơng có nhiệt độ nóng chảy (hoặc đơng đặc) xác định và có tính đẳng hướng.
- Biến dạng cơ là sự thay đổi kích thước và hình dạng của vật rắn do tác dụng của ngoại lực. Tùy thuộc độ lớn của lực tác dụng, biến dạng của vật rắn có thể là đàn hồi hoặc khơng đàn hồi.
- Sự nở vì nhiệt của vật rắn: Sự nở vì nhiệt của vật rắn là sự tăng kích thước của vật rắn khi nhiệt độ tăng do bị nung nóng.
Độ nở dài của vật rắn tỉ lệ với độ tăng nhiệt độ t và độ dài l0 của vật đó: 0
l l t
Độ nở khối của vật rắn tỉ lệ với độ tăng nhiệt độ t và thể tích ban đầu V0 của vật đó: V V t0
- Lực căng bề mặt: Lực căng bề mặt tác dụng lên một đoạn đường nhỏ bất kì trên bề mặt chất lỏng ln có phương vng góc với đoạn đường này và tiếp tuyến với bề mặt chất lỏng, có chiều làm giảm diện tích bề mặt chất lỏng và có độ lớn f tỉ lệ thuận với độ dài l của đoạn đường đó: f l
- Hiện tượng dính ướt, khơng dính ướt: Bề mặt chất lỏng ở sát thành bình chứa nó có dạng mặt khum lõm khi thành bình bị dính ướt và có dạng mặt khum lồi khi thành bình khơng bị dính ướt.
- Hiện tượng mao dẫn: Hiện tượng mực chất lỏng bên trong các ống có đường kính nhỏ ln dâng cao hơn, hoặc hạ thấp hơn so với bề mặt chất lỏng ở bên ngoài ống gọi là hiện tượng mao dẫn. Các ống trong đó xảy ra hiện tượng mao dẫn gọi là ống mao dẫn.
- Sự chuyển thể: Khi điều kiện tồn tại (nhiệt độ, áp suất) thay đổi, các chất có thể chuyển thể từ trạng thái rắn sang lỏng, hoặc tự lỏng sang khí hoặc ngược lại. Nước có thể bay hơi hoặc đơng lại thành nước đá, các kim loại có thể chảy lỏng hoặc bay hơi.
- Sự nóng chảy: Q trình chuyển từ thể rắn sang thể lỏng của các chất gọi là sự nóng chảy.
- Nhiệt nóng chảy: Nhiệt lượng cung cấp cho chất rắn trong q trình nóng chảy gọi là nhiệt nóng chảy của chất rắn đó. Nhiệt nóng chảy Q tỉ lệ thuận với khối lượng m của chất rắn: Qm
- Sự đơng đặc: Q trình chuyển ngược lại từ thể lỏng sang thể rắn của các chất gọi là sự đông đặc.
- Sư bay hơi: Quá trình chuyển từ thể lỏng sang thể khí ở bề mặt chất lỏng gọi là sự bay hơi.
- Sự ngưng tụ: Q trình chuyển ngược lại từ thể khí sang thể lỏng gọi là sự ngưng tụ.
- Hơi khô: Khi tốc độ bay hơi lớn hơn tốc độ ngưng tụ, áp suất hơi tăng dần và hơi ở phía trên bề mặt chất lỏng gọi là hơi khô. Hơi khô tuân theo định luật Bơi- lơ – Ma ri ốt.
- Hơi bão hịa: Khi tốc độ bay hơi bằng với tốc độ ngưng tụ, hơi ở phía trên bề mặt chất lỏng là hơi bảo hịa có áp suất đạt giá trị cực đại gọi là áp suất hơi bảo
hòa. Áp suất hơi bảo hịa khơng phụ thuộc thể tích và khơng tn theo định luật Bơi-lơ –Ma ri ốt, nó chỉ phụ thuộc bản chất và nhiệt độ của chất lỏng.
- Sự sôi: Quá trình chuyển từ thể lỏng sang thể khí (hơi) xảy ra ở bên trong và trên bề mặt chất lỏng gọi là sự sôi.
Mỗi chất lỏng sôi ở nhiệt độ xác định và không đổi. Nhiệt độ sôi của chất lỏng phụ thuộc áp suất chất khí ở bên trên bề mặt chất lỏng. Áp suất chất khí càng lớn nhiệt độ sơi của chất lỏng càng cao.
Nhiệt lượng Q cung cấp cho khối chất lỏng trong khi sơi gọi là nhiệt hóa hơi của khối chất lỏng ở nhiệt độ sôi: Q = Lm
- Độ ẩm tuyệt đối: Độ ẩm tuyệt đối a của khơng khí là đại lượng đo bằng khối lượng hơi nước (tính ra gam) chứa trong một m3 khơng khí (đơn vị đo g/m3).
- Độ ẩm cực đại: Độ ẩm cực đại A là độ ẩm tuyệt đối của khơng khí chứa hơi nước bảo hịa, giá trị của nó tăng theo nhiệt độ (đơn vị đo g/m3).
- Độ ẩm tỉ đối: Độ ẩm tỉ đối f của khơng khí là đại lượng đo bằng tỉ số phần trăm
giữa độ ẩm tuyệt đối a và độ ẩm cực đại A của khơng khí có cùng nhiệt độ: f a1000
A
hoặc tính gần đúng bằng tỉ số phần trăm giữa áp suất riêng phần P của hơi nước và áp suất
Pbh của hơi nước bào hịa trong khơng khí có cùng nhiệt độ: 1000
bh
p f
p
* Định luật Húc: Trong giới hạn đàn hồi, độ biến dạng của vật rắn đồng chất
hình trụ tỉ lệ thuận với ứng suất tác dụng vào vật đó:
0 l l =
Với là hệ số tỉ lệ phụ thuộc chất liệu của vật rắn. Biểu thức định luật Húc như sau: Fđh = k|l| = E
0 l S |l|. * Các ứng dụng - Ứng dụng của chất rắn kết tinh. - Ứng dụng về biến dạng của vật rắn.
- Ứng dụng về các hiện tượng bề mặt của chất lỏng. - Ứng dụng về sự chuyển thể của các chất.
2.2 HỆ THỐNG CÁC PHƯƠNG TIỆN TRỰC QUAN SỬ DỤNG TRONGDẠY HỌC NHÓM PHẦN NHIỆT HỌC DẠY HỌC NHÓM PHẦN NHIỆT HỌC
2.2.1 Video clip
Video clip là một đoạn phim ngắn, một loại hình đa phương tiện kết hợp nghe nhìn, được trích từ một bộ phim, một bài hát, hay một đoạn phim ghi lại một quá trình, một sự kiện. Trong dạy học Vật lý, video clip ghi lại một đoạn phim thí nghiệm mơ tả các hiện tượng vật lí diễn ra trong thực tế và được trình diễn trong tiết học. Thơng thường, đây là những hiện tượng không thể tiến hành trong phạm vi trường học, nhưng nó có thể quan sát trong thực tế cuộc sống.
Trong dạy học nhóm, video clip có thể được sử dụng trong giai đoạn tạo tình huống giúp HS xác định nhiệm vụ học tập hoặc kiểm tra kĩ năng vận dụng kiến thức của HS.
Ví dụ: Khi dạy bài “Định luật Bôi-lơ – Ma-ri-ốt”, GV cho HS quan sát video clip về thí nghiệm bơm bóng trong chân khơng. Học sinh quan sát thí nghiệm và mơ tả hiện tượng: bỏ một quả bóng có kích thước nhỏ vào trong một cái bình thuỷ tinh sau đó rút dần khơng khí trong cái bình đó ra thì kích thước quả bóng càng lúc càng tăng lên. Thí nghiệm này có tác dụng tạo nên sự bất ngờ lý thú đối với HS vì các em thường có quan niệm phải thổi khí vào bóng thì q bóng mới phồng to lên được.
Hình 2.4. Video thí nghiệm tạo tình huống học tập
Hoặc sau khi học xong bài “Chất lỏng. Hiện tượng căng bề mặt của chất
lỏng”, GV cho HS quan sát video clip kỳ nhông di chuyển trên mặt nước và giọt dầu
Hình 2.5. Video chứng thực hiện tượng căng mặt ngồi
2.2.2 Thí nghiệm ảo và thí nghiệm mơ phỏng
TN ảo và TN mô phỏng về nguyên tắc không thể thay thế được TN thực trong quá trình dạy học. Tuy nhiên, đây là một trong các giải pháp ứng dụng công nghệ thơng tin vào dạy học vật lí rất hiệu quả được nhiều nước đang dùng [14]. TN ảo và TN mô phỏng thực chất đều là các mô phỏng trong mơi trường ảo của máy vi tính về các TN thực. Chúng chỉ khác nhau về trình độ mơ phỏng, cịn về bản chất, có thể phân làm hai loại: mơ phỏng định tính và mơ phỏng định lượng. Ứng với từng loại TN mơ phỏng, trong dạy học vật lí, người ta sử dụng chúng với những mục đích khác nhau.
TN mơ phỏng định tính trong dạy học vật lí chỉ nhằm mục đích minh họa các hiện tượng, q trình, trạng thái vật lí…của đối tượng nghiên cứu khơng thể quan sát hay khó tưởng tượng một cách trực quan, qua đó giúp HS hình dung đúng hiện tượng, q trình, mối liên hệ vật lí…cần nghiên cứu [17].
Ví dụ: Khi dạy bài “Cấu tạo chất. Thuyết động học phân tử chất khí”, GV có thể sử dụng TN chuyển động của các phân tử vì thí nghiệm này khơng thể tiến hành trong thực tế, trong trường hợp này thì đây là lựa chọn tối ưu.
Hình 2.6 Thí nghiệm mơ phỏng chuyển động của các phân tử
TN mơ phỏng định lượng trong dạy học vật lí được GV sử dụng kèm với TN thực để sử dụng các số liệu lý tưởng trong tính tốn và vẽ đồ thị
Ví dụ: Khi dạy bài “Định luật Bơi-lơ – Ma-ri-ốt”, GV sử dụng thí nghiệm mơ phỏng sau để lấy các số liệu cho HS tính tốn nhằm đưa ra định luật và vẽ được các
đường đẳng nhiệt tương ứng với các nhiệt độ khác nhau (điều này TN thực khơng cho phép thực hiện)
Hình 2.7 Thí nghiệm mơ phỏng q trình đẳng nhiệt
Đối với GV, TN ảo và mơ phỏng có thể sử dụng ở các giai đoạn khác nhau của quá trình tổ chức hoạt động nhận thức cho HS. Chẳng hạn như giai đoạn đề xuất vấn đề, tìm tịi giải quyết vấn đề (phần mềm mơ phỏng có thể được xây dựng để HS nghiên cứu tương tự như tiến hành TN thực và qua đó giúp HS đưa ra giả thuyết), giai đoạn củng cố và vận dụng kiến thức mới. Đặc biệt, TN mơ phỏng có thể được dùng để tổ chức hoạt động nhóm rất tốt do nó có thể được cung cấp nhiều số liệu khác nhau rất dễ dàng. Lúc đó, việc sử dụng TN ảo và mơ phỏng sẽ tiết kiệm thời gian, HS có được sự hình dung trực quan, rõ ràng, hứng thú học tập của các em được kích thích.
2.2.3 Thí nghiệm tự tạo
TN tự tạo do GV thực hiện có chi phí thấp nhưng hiệu quả của nó trong các giờ dạy vật lý lại rất cao đặc biệt là các TN định tính dùng trong đặt vấn đề hoặc củng cố bài học.
TN tự tạo có một số ưu điểm nổi bật sau:
- Dụng cụ đơn giản, dễ kiếm, có thể kiếm mọi nơi - Dễ thao tác và dễ thành công
- Cho kết quả rõ ràng, thuyết phục
- Khơng địi hỏi kỹ năng thực hành đặc biệt
- Khơng địi hỏi khắt khe các điều kiện về cơ sở vật chất - Mất ít thời gian thao tác, thực hiện
Bên cạnh đó, TN tự tạo cũng có những hạn chế nhất định. Hầu hết các TN tự tạo là TN định tính, ít có TN định lượng, dụng cụ thí nghiệm khơng bền.
Hình 2.8 Thí nghiệm tự tạo dùng trong phần Nhiệt học
2.2.4 Tranh ảnh, hình vẽ
Ngày nay, tuy các PTDH hiện đại đã được đưa vào và áp dụng rộng rãi trong dạy học nhưng tranh ảnh, hình vẽ lại đóng vai trị khơng thể thay thế trong một số trường hợp, giúp cho sự mơ tả các đối tượng, hiện tượng, q trình vật lý, giới thiệu các nhà bác học, các dụng cụ TN, nguyên tắc hoạt động, các vật dụng trong cuộc sống….
Ví dụ: GV có thể sử dụng hình ảnh các nhà bác học để giới thiệu nguồn gốc, lịch sử nghiên cứu của các định luật.
Hình 2.9 Hình ảnh các nhà bác học
Hoặc khi dạy xong bài “Sự nở vì nhiệt của vật rắn”, GV có thể sử dụng các hình ảnh sau để tổ chức hoạt động nhóm, vận dụng kiến thức vừa học để giải thích.
2.3 QUY TRÌNH THIẾT KẾ BÀI DẠY HỌC CÓ VẬN DỤNG DẠY HỌCNHÓM VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA CÁC PHƯƠNG TIỆN TRỰC QUAN