CHƯƠNG 3: HUONG DAN CHE TẠO VA THU NGHIỆM THIET BỊ THÍ
5. Tính toán giá trị thê tích khối khí V = = Vien + Vang) ứng với áp suất p
6. Lap lại các bước 2, 3. 4, mỗi lần ta tăng khối lượng các quả nặng thêm 200 g.
3.2.5. — Số liệu và xử lí số liệu
Phương án 1: Ống tiêm thủy tinh
Chúng tôi tiễn hành thí nghiệm với những thông số ban đầu và hằng số sau:
Bang 3.2. Các thông số và hãng số sử dụng trong thí nghiệm khảo sát định luật Boyle (ong tiêm thủy tinh)
Bán kính tiết điện piston ông tiêm
1,080 + 0,002
(cm)
Khối lượng ban đầu của hệ gồm
101,12 ‡ 0,01
Bảng 3.3. Bang số liệu thí nghiệm khảo sát định luật Boyle (ống tiêm thủy tinh)
“what An .|PEACLALDBRACLKLE..â6â6âTMâ3âM@0âằ>0S
Thé tích khôi khí Khôi
lượng
đặt lên piston
(kg)
0,0711
0,2711
0.4711
0/6711 0.8711 10711 1/2711 14711 1/6711
Áp suất khối
khí (kPa)
103,03
108,39 113,75 119,11 124,47
129,83
135,19 140,55 145,91
Sai số ti đối trung bình;
õ(pV) = Sai số tỉ đối cực đại:
D6 thị (p. V):
5(pV) =
V=2(V,+V; +V,) 1
3 V
Vị V2 V3 V (mlF1)
(m) (ml) (ml) (ml)
20 20 20 20,0 0,050
19 19 19 190 0/053 18 18 18 18,0 0,056 17 17 17 17,0 0,059 17 16 17 167 0.060
l6 l6 l6 ló0 0063 16 15 15 153 0,065 15 15 14 147 0/068 14 14 15 143 0,070
Giá trị trung bình
Giá trị lớn nhất
ApV pV
A(pVAPY) Max 100% = 1,86%
pV
39
= .100% = 0,68%
pV
(kPa. ml)
2060,513 2059,336 2047,438 2024,819 2074,458
2077,247 2072,888
2061,383
2091,366 2063,2720
A(pV)
(kPa. ml)
2,7591 3.9361 15.8340 38,4528 11,1857 13,9747
9.6164 1,8892 28.0944
13.9714 38.4528
Đồ thị (p,V)
210
200 | @
19.0 _.
18.0 _ơ
17.0 Orn,
¥ (mi)
16.0 =
15.0 y = 1686x073 —_
140 R? = 0.99522.
100.00 110.00 120.00 130.00 140.00 15000
Áp suất p (kPa)
Hình 3.10. Đô thị (p,V) ứng với phương an sứ dụng ông tiêm thúy tỉnh
x ` 1
Đô thị (p, =).V
Đồ thị (p,1/V)` *
0.070
vz0000%x ~#
0.065 R? = 0.9999 ¢
-
= 0.060 .ấ”
~— „“3 2
= 0.055 *f wv
“,
000 _#'
0.045
100.00 11000 120,00 13000 14000 150.00
p (kPa]
Hình 3.11. Đô thị (p, D) ứng với phương an sit dung ống tiêm thity tinh
Phương án 2: Ống tiêm nhựa
Chúng tôi tiền hành thí nghiệm với những thông số ban dau và hằng số sau:
Bang 3.4. Các thông số và hang số sử dụng trong thí nghiệm khao sát định luật Boyle
(ong tiêm nhựa) Bán kính tiệt diện piston
0,976 + 0,002
(cm)
Khoi | ban dau cua hé gom
aan 6 48,1 + 0,1
Số pi 3,14 + 0,01
Áp suất khí quyển
(kPa)
Chúng tôi thực hiện thí nghiệm và thu nhận được bảng số liệu như sau:
101,12 + 0,01
Bang 3.5. Bang số liệu thi nghiệm khảo sát định luật Boyle (ong tiêm nhựa)
Khôi Ap The tích khôi khí
Biện _ v= 5 (Mon + Vino) pv A(pV)Ấ
piston khí Vien Vane V (mI"1) (kPa.ml) kPa.mil)
(kg) (kPa) (ml) (ml) (ml)
0048 10269 20 19 195 0051 20025 1670 -
0,248 109,23 19 18 18,5 0,054 2020,8 1,59 0,448 115,77 18 17 17,5 0,057 2026,0 6.79 0,648 122.431 17 16 16,5 0,061 2018,1 1,08
0.848 128,85 16 15 15,5 0,065 1997,2 22,03 1,048 135,39 15 15 15,0 0,067 2030,8 11,64
1.248 141,93 I5 14 14,5 0,069 2058,0 38.77
1448 148,47 14 13 13,5 0,074 2004,3 14.88
1/648 155,01 13 13 13,0 0,077 2015,1 4.10 Giá trị trung bình 2019,21 13,06
Giá trị lớn nhất 38.77 Sai số tỉ đối trung bình:
ử(pV) = =. 100% = 0,65%ApV
pV
Sai số ti đối cực đại:
ử(pV) = ae, 100% = 1,92%A(pV p
Dé thị (p, V):
41
D6 thị (p, V)
20.0
CỐ
19.0 -
18.0 “Tí
16.0 —
¥ (ml)
14.0 ào
%...
y=18922/98 “nụ,
30 R? = 0.9965
12.0
100,00 110,00 120.00 130,00 140.00 150.00 160.00
p (kPa)
Hình 3.12. Dé thị (p, V) ứng với phương án sử dung ống tiêm nhựa
Đồ thị (p,=):
Đồ thị (p, 1/V)
0.080
¥ = 0.0005x e
0.075 R? = 0.9999,,,.*""
_ 0.070 we
š 0068 |g et =
= . tT
lai _~
0.060 Pod
0.055 .
0.050
100.00 110.00 120.00 130.00 140.00 150.00 160.00
p (kPa)
Hình 3.13. Đỏ thị (p, =) ứng với phương dn sử dung ong tiêm nhựa
3.2.6. — Kếtluận
Đối với ca hai phương án thi nghiệm dùng ống tiêm thủy tinh hoặc nhựa, ta thay sai số ti đối cực đại và sai số ti đối trung bình của tích số pV đều thấp (dưới 3%). Điều
42
này cho thấy giá trị của tích số pV gần như giữ nguyên qua các lần lấy số liệu. Về dạng 46 thị, ta có thé thấy 46 thị (p,V) có hình dang đường cong nhưng chưa rõ hình dang của một hyperbol. Điều nảy có thé là đo số lần đo chưa đủ nhiều để vẽ thành một đường
hyperbol rõ nét. Con đối với đô thị (p, 3) „ ta có thé thay đồ thị có dang đường thăng va
gần như đi qua gốc tọa độ.
Từ những kết quả thí nghiệm trên, ta có thê kết luận kết quả thí nghiệm đáng tin
cậy trong việc khảo sát định luật Boyle.
3.3. Thí nghiệm minh họa định luật Charles 3.3.1. Mục đích thí nghiệm
Minh họa được định luật Charles: Khi giữ không đổi áp suất của một khối lượng khí xác định thì thé tích của khí tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đôi của nó.
3.3.2. — Nguyên tắc thí nghiệm
Bài thí nghiệm được xây dựng đề khảo sát các thông số trạng thái của một khối khí (thê tích, nhiệt độ) khi biến đôi khối khí đó thông qua quá trình đăng áp.
Các dụng cụ được sử dụng bao gồm các dụng cụ thí nghiệm cơ ban như giá đỡ.
khóa vuông góc, qua nặng, ... và các dụng cụ dé tìm kiểm như cylinder ống tiêm nhựa,
thay tinh.
Thi nghiệm thực hiện la thí nghiệm minh họa định luật Charles, nghĩa là những
dit liệu, kết quả của thí nghiệm sẽ minh họa cho những kiến thức được rút ra từ tiên đẻ,
hoặc những suy luận toán học, những giả thuyết khoa học, .... Cụ thé, chúng ta sẽ minh
họa kiến thức: " Khi giữ không đôi áp suất của một khối lượng khí xác định thi thẻ tích
của khí tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối của nó.", tức là ta sẽ thực hiện thí nghiệm trên một khối khí ở áp suất không đổi và ghi nhận lại giá trị của thẻ tích khối khí ứng với các nhiệt độ tuyệt đối khác nhau.
Trong bài thí nghiệm, ta khảo sát khối khí được nhốt giữa đầu piston ông tiêm và khối chat long trong ông tiêm. Khi thực hiện thí nghiệm, ta giữ có định vị tri piston ông tiềm, vì vậy. ta có thê xem áp suất của khối khí gần như không thay đôi.
Đề tạo nên sự thay đổi nhiệt độ của khối khí, ta nhúng toàn bộ ống tiêm vào li
nước chứa nước ở các nhiệt độ khác nhau. Dựa trên nguyên lí 0 của nhiệt động lực học,
khi hai hệ có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc nhiệt, sẽ có sự trao đôi nhiệt lượng. Nhiệt lượng truyền từ vật nóng sang vật lạnh cho đến khi nhiệt độ của hai hệ cân bằng. Ta đợi
43
một lúc dé quả trình trao đổi nhiệt diễn ra và đạt trạng thái cân bằng nhiệt. sau đó đo nhiệt độ khói nước và cho rằng đó cũng chính là nhiệt độ khối khi.
Cu thé, ta khảo sát và ghi nhận hai thông số trạng thái của khối khí qua các thao
tác sau:
e Thể tích: ta đọc thông số này dựa vào vạch chia trên thân ống tiêm.
e Nhiệt độ tuyệt đói: Ta cắm một nhiệt kế vào khối nước để theo dõi nhiệt độ.
3.3.3. — Bố trí thi nghi¢m
KẸP BÀN TAY
KHÓA VUÔNG GÓC
44
Sử dụng ống tiêm nhựa. kéo piston lên một đoạn (khoảng 2/3 chiều đài ống). sau
đó cắm ông tiêm vào nước mau và kéo piston lên hết cỡ dé hút nước màu vào. Khối khí khảo sat sẽ là khối khi nằm trong lòng ông tiêm, tiếp xúc với phần nước mau trong Ông.
Treo ông tiêm va đầu nhiệt kế lên giá đỡ sao cho hệ thi nghiệm đặt ngang tam
mắt người làm thí nghiệm. Dat li thủy tinh chứa nước ở các nhiệt độ nóng lạnh khác
nhau lên ban nâng và xoay núm vặn dé nâng li thúy tinh lên. Lưu ý, nâng li lên sao cho toàn bộ ống tiêm và đầu cảm biến nhiệt độ ngập trong nước. Không được dé đầu cảm biến nhiệt độ chạm vào vật khác ngoài chat lỏng (thành li thủy tinh, thành ống tiêm, phan kim loại của kẹp ban tay, ...) dé tránh làm sai lệch kết quả đọc nhiệt độ.
3.3.4. _ Các bước tiến hành thí nghiệm
1. Bồ trí thí nghiệm như phương án đã nêu. Lưu ý. không nên hút quá ít nước mau, vì khi khôi khí dan nở sẽ đây hết nước mau ra khỏi ống tiêm, lúc này ta phải thực hiện lại thí nghiệm và hút nhiều nước màu hơn.
Hình 3.16. Thao tác hút nước màu vào trong ống tiêm
Trong trường hợp nước màu trong ống tiêm còn lại quá ít, khi ta hạ li nước xuống có thé làm không khí bên ngoài lọt vào trong dng tiêm (ta quan sát thấy phan nước màu
xuất hiện các bọt khi) và ta phải thực hiện lại thí nghiệm.
2. Chuan bị nước am hoặc nóng và đá lạnh, chuẩn bị một li nước ở nhiệt độ phòng dé tạo sự thay đôi nhiệt độ. D6 nước nóng vào li thủy tỉnh và nâng li lên sao cho ông
tiêm ngập vào li.
45
Hình 3.17. Thao tác nâng li thủy tinh chứa nước lên để làm ngập ong tiêm chứa khối
khí
3. Đợi đến khi nhiệt độ khối khí trong ông xấp xỉ nhiệt độ nước (khi nảy, ta quan
sát thấy nước màu ngưng chảy ra hoặc vảo ông). Đọc số đo nhiệt độ và thẻ tích nước
màu, tir đó tinh thé tích khối khi.
4. Ha li thủy tỉnh xuống, đồ một nửa phần nước ấm ra va cho vào nước 6 nhiệt độ phòng. Tiếp tục nâng li lên, đợi cho nhiệt độ khối khí trong ống xap xi nhiệt độ nước
(khi này, ta quan sát thay nước mau ngưng chảy ra hoặc vao ống). Đọc số đo nhiệt độ và thê tích nước màu, từ đó tính thé tích khối khí.
5. Để hạ nhiệt độ nước, ta cho vào đá viên hoặc nước đá và lặp lại tiên trình thí
nghiệm.
Lưu ý: đề thuận tiện nhất cho việc quan sát hiện tượng, ta nên chọn loại ống tiêm có "độ phân giải" càng nhỏ càng tốt. Dộ phân giải ở đây được định nghĩa là độ chia nhỏ nhất chia cho thé tích lớn nhất của ống tiêm. Trong các loại ông tiêm của bộ dụng cụ, ống tiềm nhựa 12 ml có độ phan giải nhỏ nhất (1/12).
Mỗi lần thay đổi nhiệt độ, ta nên tạo sự chênh lệch nhiệt độ khoảng 15-20 độ C dé thay rõ nhất sự thay đồi thê tích khối khí. Ta có thê lay số liệu ở bốn điểm nhiệt độ
khác nhau:
© Nước nóng gan sôi (70 — 80 °C)
© _ Nước am (45 - 60°C)
e Nước nhiệt độ phòng (25 — 30 °C) e Nude lạnh (5 — 10 °C)
3.35. — Số liệu và xử lí số liệu
Chúng tôi thực hiện thí nghiệm và thu nhận được bảng số liệu như sau:
Bang 3.6. Bang sỐ liệu thi nghiệm mình họa định luật Charles Thẻ tích tôi đa của ông tiêm: Vy = 12,0 ml
Thétich Thếtích
Nhiệt độ = phan nude khối khí: V V
Nhiệt TỐ . = A (=)
5 tuyệtđôiT trongông V T T
CS) (K) tiêmV =VWạ-VW_ (mLK”) (mLK”)
(ml) (ml)
70,1 343,1 2.6 9,4 0,027 0,0007
51,6 324,6 3,2 8,8 0,027 0,0010 317 304,7 3.4 8,6 0,028 0,0001 27,5 300,5 3,6 8,4 0,028 0,0002
11,5 284,5 3.8 8,2 0,029 0,0007
1,6 274,6 4,0 8,0 0,029 0,0010
Giá trị trung bình 0,0281 0,0006
Giá trị lớn nhất 0.0010
Sai số tỉ đôi trung bình:
s(`) _ ^()=} =——.100% = 2,14%
w
)
Vv
5() = 8 rene 100% = 3,65%' vMAX
, (7)
Sai số ti đối cực đại:
Đồ thị (V, T):
47
Đồ thị (V, T)
10.0
y*0.028x
R? =0.3994
9.0
V imi} 8.5 °
8.0 e
75
260.0 2800 300.0 320.0 340.0 360.0
T
Hình 3.18. Đỏ thị (V,T) ứng với kết qua thi nghiệm mình hoạt định luật Charles
3.36. — Kếtluận
Ta thấy sai số tí đối cực đại và sai số tỉ đối trung bình của thương số : đều thập (đưởi 4%). Điều này cho thay giá trị của thương số = gan như giữ nguyên qua các lần
lấy số liệu. Về dang đồ thị, ta có thé thấy đỏ thị (V, TT) có dang đường thăng. Tuy nhiên, các điểm giá trị không hoàn toàn nằm trên đường thăng đi qua gốc tọa độ. Diều nay có thé đo những sai số trong lúc tiền hành thí nghiệm, như kết quả nhiệt độ khôi khí có sự chênh lệch đo ta chỉ đo phần nhiệt độ của phần nước bao quanh khối khí. Ngoài ra, ta can phải xét đến khối khí thực hiện thí nghiệm của chúng ta là khối khí thực, không
hoàn toàn là khí lí tưởng. Vì vậy, khối khí sẽ tuân theo gan đúng định luật Charles chứ
không đúng hoàn toàn.
3.4. Kết luận và nhận xét
Từ những kết luận trên, ta có thé kết luận rang bộ thí nghiệm cho kết qua đáng
tin cậy trong việc thực hiện thí nghiệm khảo sát, mình họa định luật Boyle và định luật
Charles. Bộ thí nghiệm có sai số tỉ đối nhỏ, nằm trong mức chấp nhận được. Tuy nhiên, khi vẻ đỏ thị từ thí nghiệm minh họa định luật Charles lại chưa cho ra hình dạng 46 thị ứng với lí thuyết.
Tác giả nhận định, day vừa là thách thức, vừa là cơ hội dé phát triển và cải tiến
bộ dụng cụ thí nghiệm trong những nghiên cứu sau này. Khi sử dụng bộ dụng cụ vào
48
day học, GV cần lưu ý HS vẻ tính ti mi trong thao tác dé thu được kết quả tốt nhất, hạn
chê sai số dén mức thâp nhật.
3.5. Đảm bảo an toàn và các lưu ý khi sử dụng bộ dụng cụ
Nhìn chung, các thao tác thí nghiệm thực hiện trên bộ dụng cụ sử dụng các vật
dụng, thiết bị phô biến trong phòng thí nghiệm kết hợp với một số thiết bị để tìm kiếm trên thị trường. Tác giá đã tính toán và khắc phục được một số yếu tô nguy hiểm có thể xảy ra khi HS thao tác trên bộ thí nghiệm. Trên hết, bộ thí nghiệm được xây dụng không sử dụng thủy ngân dé nhốt khối khí như một số phương án thí nghiệm cô điện. Hơn nữa, các ống tiêm có thê dé dang rút đầu kim nhọn và loại bỏ trước khi đưa đến cho HS. tránh
những thương tích có thé xảy ra.
Tuy nhiên, đề thực hiện thi nghiệm một cach an toan, GV hướng dẫn và HS cần lưu ý một số yếu tố sau:
Lê việc sử dung ống tiêm thủy tỉnh: Thủy tinh là vật liệu dé vỡ, do đó khi thao tác tháo, lắp ống tiêm lên giá đỡ cần đám bảo có định chắc chắn, tránh trường hợp tay kẹp quá lông làm rơi ông tiêm xuống mặt bàn hay mặt đất. Ngoài ra, trước khi thực hiện thí nghiệm, HS và GV cần kiểm tra ngoại quan cylinder ống tiêm dé phát hiện những vết nứt. Nếu có vết nứt lớn (từ 5 em) thì nên đôi ống tiêm khác, tránh trường hợp áp lực khối khí quá lớn làm vết nứt rộng hơn và vỡ dng tiêm.
Vé việc sử dung nước có nhiệt độ cao (thí nghiệm minh họa định luật Charles):
Đề dễ đàng tạo ra nước có nhiệt độ cao, GV có thé sử dụng binh đun siêu tốc ngay tại
lớp học. Việc thao tác với bình đun siêu tốc có thẻ được thực hiện bởi GV và sau đó các nhóm HS rót nước nóng ra sử dụng. Hơn nữa, khi rót nước nóng vào li thủy tinh, dé
tránh li thuy tinh vỡ do hiện tượng dan nở vì nhiệt, ta nên chon li thuy tinh có thành
không quá day. Tránh trường hợp sử dụng li thay tinh vừa đựng nước đá lạnh dé rót nước nóng vào. Ta có thé thay thé li thủy tinh bằng li nhựa, tuy nhiên không nên sử dụng li nhựa qua mỏng, rẻ tiền vi li có thê bị chảy khi rót nước sôi vào. Có thé sử dụng các loại li nhựa uống nước thông dụng trong gia đình.
Về việc thay đối nhiệt độ nước trong li thủy tỉnh (thí nghiệm minh họa định luật Charles): Nên thay đôi nhiệt độ khối nước từ từ bằng cách đồ bớt nước nóng ra và thêm
vào nước ở nhiệt độ phòng. Tránh trường hợp thay đôi đột ngột nhiệt độ khối nước (46 hết nước nóng ra và cho vào đá lạnh ngay lập tức) để không làm vỡ li thủy tỉnh.
49
KET LUẬN CHƯƠNG 3
Ở chương này, chúng tôi đã hướng dẫn chế tạo bộ dung cụ thí nghiệm dé dạy học một số kiến thức thuộc mạch nội dung “Khí lí tưởng" môn Vật lí 12 trong Chương trình
giáo dục phô thông 201§. Ngoài ra, chúng tôi đã thực hiện thí nghiệm, thu thập số liệu
vả trình bảy kết quả thí nghiệm. Dựa vào kết quả xử li số liệu, có thẻ kết luận được bộ dụng cụ thí nghiệm cho kết quả đáng tin cậy trong việc khảo sát định luật Boyle và minh
họa định luật Charles.
Trong chương tiếp theo, nhằm đáp ứng mục tiêu dạy học phát triển nang lực thực nghiệm của HS, tác giả tiến hành xây dựng tiến trình day học chủ dé "Phương trình trạng thái” có sử dụng bộ dụng cụ thí nghiệm đã chế tạo nhằm phát triển năng lực thực nghiệm của HS. Để đánh giá hiệu qua của việc sử dung bộ dụng cụ thí nghiệm, tác giả đã tiễn
hảnh thực nghiệm sư phạm và phân tích kết quả trong chương tiếp theo.
50