Chương 2. TỔ CHỨC DẠY HỌC CHƯƠNG “CƠ HỌC CHẤT LƯU”
2.4. Tiến trình dạy học một số kiến thức chương “Chất khí” dựa trên mối liên hệ giữa Vật lí, Kĩ thuật và Đời sống
2.4.2. Những kiến thức có liên quan đến các hiện tượng tự nhiên và trong kĩ thuật, đời sống thực tiễn
* Những kiến thức vật lí liên quan đến các hiện tượng tự nhiên, đời sống thực tiễn
Khi học bài “Thuyết động học phân tử của chất khí - cấu tạo chất” giáo viên có thể yêu học sinh trả lời câu hỏi sau: Tại sao các quả bóng hoặc là lốp xe được bơm căng để lâu ngày vẫn bị xẹp?
Như đã biết thì giữa các nguyên tử cấu tạo nên quả bóng hoặc lốp là có khoảng cách cho nên các phân tử không khí trong quả bóng sẽ len lỏi vào khoảng cách giữa các phân tử đó rồi đi ra ngoài do vậy những quả bóng hay lốp xe bơm lâu ngày sẽ bị xẹp xuống.
Yêu cầu học sinh giải thích nguyên nhân nào mà khi mở nắp lọ nước hoa ở một góc phòng thì chỉ sau vài phút thì mùi nước hoa đó đã tỏa ra khắp căn phòng sau khi học xong học bài “Thuyết động học phân tử của chất khí - cấu tạo chất”.
Do tính chất của chất khí là có khuynh hướng lan ra chiếm toàn bộ thể tích dành cho nó chỉ ít phút sau khi mở nắp thì các phân tử khí sẽ lan ra khắp phòng.
Vật chất được cấu tạo từ các phân tử, nguyên tử mà phân tử và nguyên tử thì chuyển động không ngừng. Vậy tại sao một vật như viên phấn, cây bút… lại không bị tách ra thành từng mảnh? Giáo viên có thể yêu cầu học sinh giải thích hiện tượng trên sau khi học xong bài “Thuyết động học phân tử của chất khí - cấu tạo chất”.
Sở dĩ các vật có thể giữ được hình dạng và thể tích của chúng là do giữa các phân tử cấu tạo nên vật đồng thời có lực hút và lực đẩy. Khi khoảng cách giũa các phân tử lớn thì lực hút mạnh hơn lực đẩy, khi khoảng cách giữa các phân tử nhỏ thì lực đẩy mạnh hơn lực hút.
Giáo viên có thể yêu cầu học sinh giải thích tại sao trong chất lỏng sự khuếch tán lại xảy ra chậm hơn nhiều so với trong chất khí sau khi học xong bài
“Thuyết động học phân tử của chất khí - cấu tạo chất”.
Do mật độ phân tử ở trạng thái lỏng lớn hơn rất nhiều (cỡ 1000 lần) mật độ phân tử ở trạng thái khí. Sự khuếch tán ra xa của một phần tử nào đó trong chất lỏng diễn ra chậm chạp hơn là vì các phân tử này va chạm nhiều lần hơn với các phân tử khác so với trong chất khí mặt khác sự liên kết trong chất lỏng cũng góp phần tạo nên sự khuếch tán.
* Những ứng dụng kĩ thuật liên quan đến kiến thức bài học
Dựa vào những đặc tính của chất khí người ta có thể chế tạo ra các loại máy nén khí và giáo viên có thể cho học sinh quan sát một số ứng dụng và nguyên lí hoạt động của máy nén khí thông qua các video. Từ đó yêu cầu học sinh tìm hiểu giải thích nguyên lí hoạt động của các loại máy đó.
Máy nén khí là các máy móc có chức năng làm tăng áp suất của chất khí.
Công dụng của máy nén khí thì rất nhiều, chúng có mặt trong hầu hết các ngành công nghiệp như in ấn, bao bì, thực phẩm, dệt, gỗ,… Máy nén khí là một
“mắt xích” quan trọng trong các hệ thống công nghiệp sử dụng khí ở áp suất cao để vận hành các máy móc khác…
Máy nén khí hút không khí từ môi trường ngoài và dự trữ trong 1 bình hơi, do đó áp suất khí trong bình rất lớn. Từ bình hơi, khí sẽ được phân phối đến các công cụ khác nhau như súng phun hơi để thổi bụi hoặc nước, hoặc đến các loại máy có bộ phận quay như máy vít đinh, máy khoan, máy đánh nhám… Trong các loại máy này có 1 tuốc-bin hơi nhỏ, khi cho dòng khí áp suất cao vào sẽ đẩy các cánh quạt của tuốc-bin quay, nhờ các cơ cấu truyền động thích hợp, các máy đó sẽ hoạt động.
Hình 24. Máy nén khí mini bơm bánh xe hơi Hình 25. Máy phun sơn Bài 2: “Định luật Bôi-lơ – Ma-ri-ốt”
* Những kiến thức vật lí liên quan đến các hiện tượng tự nhiên, đời sống thực tiễn
Ở sông hoặc hồ, hoặc trong một thùng chứa nước thì ta thường thấy có các bọt khí nổi lên, thông thường các bọt khí này có thể tích nhỏ khi ở càng sâu và khi nổi lên thể tích nó càng lớn lên. Đây là những hiện tượng mà các em có thể quan sát ngoài thực tế nên giáo viên có thể định hướng và yêu cầu học sinh lí giải hiện tượng này sau khi học xong bài“Định luật Bôi-lơ – Ma-ri-ốt”.
Bọt khí nỗi dần từ đáy sông hồ hoặc trong các thùng nước lên mặt nước ta có thể xem trường hợp này nhiệt độ không đổi, càng ở sâu thì áp suất chất lỏng càng
lớn nên khi bọt khí di chuyển lên mặt nước thì áp suất của chất lỏng tác dụng lên bọt khí giảm dẫn đến áp suất bên trong bọt khí cũng giảm dần.
Theo định luật Bôi-lơ – Ma-ri-ốt thì thể tích bọt khí tăng dần. Khi thể tích tăng lên thì phần thể tích nước bị bọt khí chiếm chỗ cũng tăng lên kết quả là lực đẩy Ác-si-mét cũng tăng lên làm bọt khí chuyển động lên phía trên nhanh hơn.
Giáo viên có thể yêu cầu HS dùng định luật Bôi-lơ – Ma-ri-ốt giải thích tại sao bơm xe đạp, trong một lần ta đẩy ta bơm để thể tích bơm giảm thì lại làm tăng áp suất khí trong săm của bánh xe.
Gọi V1 là thể tích khí trong than bơm (khi pít-tông của bơm ở vị trí cao nhất), V2 là thể tích của khí trong săm xe (khi đã căng).
Thể tích khí ban đầu (khi van xe mở) là V1 +V2 ; thể tích khí sau khi van đóng (toàn bộ khí trong thân bơm đã vào ruột xe) là V2.
Theo định Bôi-lơ – Ma-ri-ốt thì độ tăng ắp suất sau mỗi lần bơm là
2 1 2
1 2
P V V
P V
= + , có nghĩa là sau mỗi lần bơm thì áp suất trong ruột xe tăng lên.
Khi chế tạo những chiếc phểu (dùng để đổ chất lỏng vào chai) người ta thường làm nhũng cái “sọc gân” nổi dọc theo mặt ngoài của cuốn phểu. tác dụng những cái “sọc gân” có liên quan gì đến định luật Bôi-lơ – Ma-ri-ốt. Giáo
viên có thể dùng để đặt vấn đề đầu bài hoặc cũng cố kiến thức. Hình 26.
Phểu
Khi đặt phểu lên cổ chai để rót chất lỏng, nếu không có gân nổi thì cuống phểu sẽ ép sát vào cổ chai chất lỏng đổ vào phểu liên tục vô tình tạo ra một cái nút nhốt chặt không khí trong chai, khi chất lỏng chảy vào chai thể tích của chất lỏng tăng dần làm cho thể tích khí trong chai giảm dần theo định luật Bôi-lơ – Ma-ri-ốt thì áp suất khí trong chai tăng dần nên chất lỏng sẽ khó chảy vào chai hơn.
Bài 3: “Định luật Sác-lơ - Nhiệt độ tuyệt đối”
* Những kiến thức vật lí liên quan đến các hiện tượng tự nhiên, đời sống thực tiễn
Khi chế tạo bóng đèn tròn người ta phải nạp đủ khí trơ ở nhiệt độ và áp suất thấp vào bóng. Giáo viên có thể cho các em tìm hiểu thông qua video và yêu cầu học sinh giải thích khi học xong bài “Định luật Sác-lơ - Nhiệt độ tuyệt đối”.
Sở dĩ phải làm như vậy để khi bật đèn, nhiệt độ trong bóng đèn tăng mà thể tích khí trong bóng đèn không đổi theo định luật Sác-lơ thì áp suất khí cũng tăng lên nhưng không vượt quá áp suất khí quyển nên an toàn cho bóng đèn. Khi đèn sáng ổn định, nhiệt độ không tăng và áp suất cũng được giữ ổn định .
Giáo viên có thể đưa ra câu hỏi và yêu cầu học sinh trả lời: Tại sao lốp ô tô bơm căng thường bị nổ trong lúc xe đang chạy trên đường mà ít khi bị nổ khi xe đậu trong nhà xe sau khi học xong bài “Định luật Sác-lơ - Nhiệt độ tuyệt đối”.
Khi chạy tên đường, do ma sát với mặt đường và thời tiết nắng nóng mà nhiệt độ ở các lốp xe tăng, kéo theo áp suất khí trong ruột xe tăng. Nếu áp suất tăng đủ đến một mức nào đó có thể gây nổ lốp xe. Nếu xe để ở trong nhà xe thì nhiệt độ ổn định ở mức bình thường nên áp suất khí trong ruột xe không tăng và bánh xe không bị nổ.
Cho học sinh làm thí nghiệm sau: Cho nước lã tưới nhẹ lên lon ca côla đựng nước sôi bịt kín lại thì thấy lon côca côla bị móp vào trong rồi yêu cầu học sinh hãy giải thích hiện tượng trên trong quá trình dạy học bài “Định luật Sác-lơ - Nhiệt độ tuyệt đối”.
Ban đầu khi đổ một ít nước sôi vào trong lon côca côla (khoảng 1/3 lon) rồi bịt kín nắp lon lại thì lúc này áp suất bên trong và bên ngoài (áp suất khí quyển) bằng nhau. Khi rưới nhẹ nước lên lon thì làm cho nhiệt độ của khí trong lon giảm xuống (theo định luật Sác-lơ thì áp suất khí bên trong lon cũng giảm xuống) trong khi áp suất bên ngoài lon vẫn không đổi. Sự chênh lệch áp suất bên trong và bên ngoài lon sẽ gây ra một áp lực lên thành lon làm cho vỏ lon bị móp vào trong.
Giáo viên có thể yêu cầu học sinh giải thích tại sao các bình gas khi đặt gần nơi có nhiệt độ có thì có thể gây nổ? Thông qua đó các em các thể biết cách sử dụng hoặc phòng tránh các mối nguy hiểm từ các bình gas trong nhà.
Khi nhiệt độ tăng cao theo định luật Sác-Lơ thì áp suất cũng tăng lên đột ngột nên có thể gây nổ.
Cho học sinh làm bài tập thực tế sau khi học xong bài“Định luật Sác-lơ - Nhiệt độ tuyệt đối”.
* Một săm xe máy được bơm căng không khí ở nhiệt độ 200C và áp suất 2 atm. Hỏi săm có bị nổ không khi để ngoài nắng nhiệt độ 420C? Coi sự tăng thể tích của săm là không đáng kể và biết săm chỉ chịu được áp suất tối đa là 2,5 atm.
Ta coi thể tích của lốp xe là không đổi, V = const, áp dụng định luật Sác-lơ:
1 2 1 2
2
1 2 1
. 2.315
2,15 2,5 293
p p p T
p atm atm
T = T ⇔ = T = = <
Vậy: Áp suất khí trong săm nhỏ hơn áp suất tối đa nên săm không bị nổ.
*Van an toàn của một nồi áp suất sẽ mở khi áp suất trong nồi là 9 atm. Ở 200C, hơi trong nồi áp suất 1,5 atm. Hỏi ở nhiệt độ nào thì van an toàn sẽ mở?
Lượng khí trong nồi áp suất khi van chưa mở có thể tích không đổi nên đây là quá trình đẳng tích, áp dụng định luật Sác-lơ:
2 1
2 1
P P
T =T ⇒ 2 2 1
1
9 293 1758 1,5
T P T
= P = = (K) ⇒ t2 = 1485 0C Vậy nhiệt độ của khí là 1758K hay 14850C thì van an toàn sẽ mở.
Nhận xét: Trong thực tế dùng nồi áp suất để hầm thức ăn cho mau mềm vì nồi áp suất có tác dụng làm tăng nhiệt sôi của chất lỏng.
* Những ứng dụng kĩ thuật liên quan đến kiến thức bài học
Giáo viên có thể khai thác mỗi liên hệ giữa Vật lí và Kĩ thuật bằng cách cho học sinh tìm hiểu nguyên lí hoạt động cở bản của nồi hơi sau khi học xong
“Định luật Sác-lơ - Nhiệt độ tuyệt đối”. Cho học sinh quan sát video về nồi hơi công nghiệp.
- Lò hơi là thiết bị sử dụng các nhiên liệu như (than, củi, trấu, giấy vụn…) để có thể đun sôi nước tạo thành hơi nước mang nhiệt để có thể phục vụ cho nhu cầu về nhiệt trong lĩnh vực công nghiệp như giặt là khô, sấy gỗ, sấy quần áo … Tùy theo mục đích sử dụng mà tạo ra nguồn hơi có nhiệt độ và áp suất phù hợp đủ để đáp ứng nhu cầu. Để vận chuyển nguồn năng lượng có nhiệt độ và áp suất cao này người ta sử dụng các ống chịu được nhiệt và chịu được áp suất cao chuyên dùng cho nồi hơi.
- Nồi hơi (lò hơi) không thiết bị nào thay thế được tạo ra nguồn năng lượng an toàn không gây ra cháy để vận hành các thiết bị hoặc các động cơ ở nơi cần nhưng cấm lửa và cấm nguồn điện. Ngoài ra trong các nồi hơi này người ta còn có thể tính được giá trị áp suất, nhiệt độ của hơi để van an toàn của nồi hơi sẽ mở ra.
- Lò hơi chủ yếu dùng nhiệt lượng sinh ra của nhiên liệu biến thành nhiệt năng của hơi nước. Hơi này được cung cấp cho các quá trình công nghiệp tùy vào mục đích. Ngoài ra, các nhà máy nhiệt điện thường dùng tuabin hơi để chạy máy phát điện thì hơi được sử dụng là hơi quá nhiệt.
Hình 27. Lò hơi
Trong kĩ thuật làm lốp và săm ô tô người ta thường phải tính toán một cách chính xác áp suất tối đa, khối lượng khí tối đa mà các lốp và săm có thể chịu đựng được là bao nhiêu để nó làm việc một cách an toàn. Trong quá trính sử dụng thì người ta
thường bơm đúng áp suất và kiểm tra thường xuyên Hình 28. Kiểm tra áp suất Giáo viên có thể cho các em tìm hiểu và giải thích mục đich của việc làm trên sau khi học xong “Định luật Sác-lơ - Nhiệt độ tuyệt đối”.
Trong quá trình sản xuất thì tùy thuộc vào từng loại xe, từng trọng tải hay giá thành mà nhà sản xuất sẽ sản xuất ra các loại lốp hay săm khác nhau, mỗi loại người ta thường thiết kế theo một tiêu chuẩn cụ thể trong đó có quy trình tính toán áp suất và khối lượng khí tối đa cho lốp đó.
Nếu bơm thiếu áp suất cho lốp sẽ làm tăng hiện tượng mòn gai vùng cạnh ngoài của lốp xe, sinh nhiệt quá mức dẫn đến giảm độ bền của lốp xe. Nhưng nếu bơm thừa áp suất sẽ tạo áp lực quá lớn cho lốp khiến cho phần giữa mặt lốp xe phải gánh chịu phần lớn trọng lượng xe hơn nữa nếu khống tính đến áp suất tối đa thì trong quá trình vận tải độ ma sát với mặt đượng gây nhiệt cũng dẫn đến sự tăng đột ngột của áp suất dẫn đến
mau hỏng lốp xe và mòn vẹt không đều. Nên thường xuyên kiểm tra áp suất khí bên trong lốp để xe có thể chạy an toàn, và đảm bảo độ bền của lốp.
2.4.3. Tiến trình dạy học một số kiến thức cụ thể trong và chương “Chất khí”