Luận văn Xây dựng và sử dụng một số thí nghiệm hỗ trợ quá trình dạy học các chương “chất khí” và “cơ sở của nhiệt động lực học”, Vật lý 10 ban cơ bản

kết hợp biểu diễn thí nghiệm để minh họa, gợi mở với diễn giảng có tính vấn đề. Điều đó vừa có khả năng tăng tốc độ của quá trình nhận thức, vừa có thể tránh tình trạng dẫn học sinh đến trạng thái bị động khi tiếp thu kiến thức. Trong nhiều trường hợp, nhất là khi trình bày những vấn đề lí thuyết phức tạp, việc kết hợp biểu diễn thí nghiệm với giảng giải có tính vấn đề sẽ đưa lại cho học sinh nhiều hứng thú và có hiệu quả sư phạm cao. c) Thí nghiệm biểu diễn có thể sử dụng khi củng cố, kiểm tra kiến thức Lúc này, thí nghiệm không phải chỉ do giáo viên mà có thể còn do học sinh thực hiện. Như vậy, thí nghiệm biểu diễn chẳng những có khả năng kiểm tra kiến thức, mà nhiều trường hợp còn có khả năng kiểm tra kĩ năng của học sinh. Tuy nhiên, hình thức này hiện nay còn ít sử dụng, giáo viên cần chú ý phát triển nó trong thực tiễn giảng dạy. 1.3.3.2. Yêu cầu của các thí nghiệm biểu diễn a) Làm rõ mục đích quan sát Để tiến hành thí nghiệm biểu diễn có kết quả tốt, giáo viên phải xác định rõ mục đích quan sát cho học sinh. Thực tế cho thấy rằng, thời gian biểu diễn thí nghiệm không lâu. Việc xuất hiện và thu gọn nhanh thí nghiệm biểu diễn dễ làm cho học sinh lúng túng, không kịp quan sát các hiện tượng cần thiết. Do đó, để không ảnh hưởng xấu đến quá trình tiếp thu kiến thức, cần xác định rõ mục đích quan sát trước khi làm thí nghiệm. Mặt khác, giáo viên phải tìm cách loại bỏ hoặc giảm bớt các hiện tượng phụ không cần thiết, thường xuất hiện đồng thời với đối tượng quan sát làm phân tán sự chú ý của học sinh. b) Tăng cường tính trực quan Một yêu cầu quan trọng khác là phải làm tăng tính trực quan của thí nghiệm. Tính trực quan của một thí nghiệm sẽ tăng lên chẳng những bằng cách làm to hơn, rõ hơn những hiện tượng, sự vật cần quan sát, đặt chúng vào vị trí trung tâm, sử dụng ánh sáng, màu sắc thích hợp, mà còn bằng cách cho chúng vận động, tác dụng 43 lẫn nhau, mâu thuẫn với nhau... Việc mô tả hiện tượng trong dạng động và mâu thuẫn vừa làm cho hiện tượng trực quan hơn, vừa làm cho học sinh thấy được quá trình phát triển biện chứng của hiện tượng, phản ánh đúng đắn bản chất của nó và làm cho nó thêm biểu cảm. Thí dụ, khi giảng bài Pin Vônta, giáo viên có thể trình bày thí nghiệm như sau: Nhúng hai bản đồng (Cu) và kẽm (Zn) vào lọ thủy tinh và nối với điện kế G. - Giáo viên: nếu đổ nước nguyên chất vào lọ thủy tinh, liệu kim điện kế có quan không? - Học sinh dự đoán: có (hoặc không). - Giáo viên: đổ nước nguyên chất vào lọ. - Học sinh: quan sát kim điện kế không quay. - Giáo viên: bây giờ nhỏ một vài giọt dung dịch H2SO4 vào nước trong lọ. Các em hãy quan sát hiện tượng xảy ra như thế nào? - Học sinh: kim điện kế quay. - Giáo viên: tại sao? ... Cần nhấn mạnh rằng, không chỉ chú ý đến trực quan bằng mắt mà bằng các cơ quan cảm giác khác. Thí dụ, khi học bài “Định luật Ac-si-mét”, giáo viên có thể không cho các em tri giác lực đẩy Ac-si-mét bằng mắt mà tiến hành thí nghiệm sau đây: gọi một học sinh lên bảng, tay cầm trọng vật treo dưới một lò xo, không nhìn vào thí nghiệm. Giáo viên dặn học sinh khi nào cảm thấy trọng vật nhẹ đi thì nói to lên cho cả lớp biết. Giáo viên đưa cốc nước lại gần, sao cho trọng vật ngập trong nước. Học sinh hô lên: Nhẹ rồi! Nhẹ rồi! Giáo viên cũng có thể tiến hành những thí nghiệm ở các bài học khác cho học sinh có thể tri giác bằng những cơ quan cảm giác khác nhau, nhằm làm phong phú con đường nhận thức. Điều đó chẳng những làm tăng hứng thú cho học sinh mà trong nhiều trường hợp làm cho các em đỡ mệt mỏi. Sự mệt mỏi ở đây sinh ra không phải vì các em đã hao phí nhiều năng lượng khi làm việc, mà vì tính đơn điệu của quá trình vì số cơ quan cảm giác tham gia vào quá trình nhận thức quá ít, làm 44 cho một hoặc một vài cơ quan cảm giác phải gánh chịu toàn bộ công việc của quá trình nhận thức. c) Thời gian tiến hành thí nghiệm phải ngắn gọn một cách hợp lí Sự kéo dài thời gian biểu diễn thí nghiệm dễ làm giảm sự chú ý của học sinh và đi xa đề tài. Để đảm bảo cho yêu cầu này, giáo viên phải chuẩn bị thí nghiệm cẩn thận để có thể thành công ngay từ lần biểu diễn đầu tiên. Điều đó, chẳng những tránh kéo dài thời gian biểu diễn mà còn tránh được những nghi ngờ về tính chính xác của thí nghiệm. 1.3.3.3. Phương pháp biểu diễn thí nghiệm Để tăng cường tính tích cực của học sinh khi quan sát thí nghiệm, không nên chỉ cho học sinh quan sát kết quả cuối cùng. Trước khi đi đến những qui luật, cần biểu diễn thí nghiệm cho học sinh thấy được quá trình vận động của của hiện tượng, cần giới thiệu thí nghiệm dưới dạng phân tích so sánh, khi đặt chúng trong những điều kiện khác nhau. Cần cho học sinh quan sát những mặt mâu thuẫn của hiện tượng trước khi rút ra kết luận khái quát hoặc giới thiệu những hiện tượng có tính chất tổng hợp. Như vậy, để thí nghiệm biểu diễn không chỉ mang tính minh họa mà còn có tính chất nghiên cứu, việc trình bày thí nghiệm thường không phải là một thao tác đơn giản, mà phải là một quá trình biểu diễn hiện tượng ít nhiều phức tạp. Có trình bày như vậy mới phản ánh được bản chất của hiện tượng và hướng dẫn được quá trình nhận thức của học sinh. Để phát huy tính tích cực, chủ động của học sinh, giáo viên cần trình bày thí nghiệm như một quá trình nghiên cứu và tổ chức cho học sinh tham gia vào hoạt động nghiên cứu đó qua một hệ thống câu hỏi theo hai dạng cơ bản: a) Dự đoán hiện tượng: Giáo viên cho học sinh dự đoán những hiện tượng sẽ xảy ra khi nêu lên những điều kiện giả định trước. Sau đó, sẽ tiến hành thí nghiệm để kiểm chứng lại những dự đoán của học sinh. Điều này rất quan trọng đối với việc phát triển tư duy của học sinh. 45 b) Giải thích các hiện tượng đã được quan sát: Giáo viên tổ chức cho học sinh tham gia giải thích hiện tượng. Nhiều trường hợp cần làm những thí nghiệm hỗ trợ để chứng minh hoặc phủ định những điều giải thích của học sinh. Thí dụ, khi giảng nội dung “Ắc-qui”, giáo viên nhúng hai cực có phủ PbO vào lọ đựng dung dịch H2SO4. - Giáo viên: khi nối hai bản cực điện với nhau, liệu có dòng điện sinh trong dây dẫn hay không? - Học sinh: có (hoặc không). - Giáo viên: nối Am-pe kế với hai bản cực - Học sinh: quan sát và trả lời không có dòng điện. - Giáo viên: tại sao? - Học sinh: vì hai bản cực giống nhau, nhúng vào cùng một dung dịch điện phân nên giữa hai cực không có một hiệu điện thế. - Giáo viên: ta có thể làm cho dụng cụ này trở thành nguồn điện bằng cách nối hai cực PbO với nguồn điện một chiều (khoảng 5 phút). Ngắt hai cực với nguồn điện rồi nối với một bóng đèn. Khi đóng mạch, đèn sáng. Tại sao? Tính hấp dẫn của những thí nghiệm sẽ tăng lên nếu tạo ra được những thí nghiệm có tính chất nghịch lí. Những thí nghiệm này có tính chất phản diện làm rõ thêm những qui luật mà ta muốn giới thiệu với học sinh. Có thể chế tạo ra được những thí nghiệm đó bằng cách tiến hành thí nghiệm trong những điều kiện khác nhau thường nằm ngoài giới hạn đúng của qui luật mà ta muốn giới thiệu. Điều đó chứng tỏ rằng qui luật mà ta muốn nghiên cứu chỉ xảy ra trong những điều kiện xác định chặt chẽ và chính xác. 1.4. Kết luận Học chính là hành động của người học thích ứng với tình huống. Qua đó, người học chiếm lĩnh kinh nghiệm xã hội – lịch sử, biến thành năng lực thể chất và năng lực tinh thần của cá nhân. Dạy học là dạy học sinh giải quyết vấn đề do nhiệm vụ học tập đề ra. Vai trò của giáo viên trong dạy học, trước hết là tổ chức tình huống trong đó xuất hiện vấn đề cần giải quyết mà học sinh có nhu cầu, hứng thú và 46 thấy mình có khả năng giải quyết. Giáo viên còn có vai trò quan trọng trong việc tổ chức và hướng dẫn quá trình giải quyết vấn đề tích cực, sáng tạo của học sinh. Nhờ vậy, học sinh sẽ chiếm lĩnh được tri thức khoa học sâu sắc, vững chắc, đồng thời phát triển năng lực nhận thức của mình. Để tổ chức hoạt động nhận thức của học sinh trong dạy học có hiệu quả phải có phương tiện dạy học hỗ trợ phù hợp. Vì vậy, đối với các môn học ở trường phổ thông, người giáo viên ngoài việc khai thác, sử dụng triệt để các thiết bị dạy học có sẵn cần đặc biệt quan tâm đến việc thiết kế chế tạo và sử dụng các thiết bị dạy học tự làm. Đối với bộ môn Vật lý, vấn đề xây dựng (thiết kế, chế tạo mới, cải tiến, hoàn thiện) và sử dụng thí nghiệm đơn giản do giáo viên và học sinh tự làm càng có ý nghĩa đặc biệt quan trọng vì Vật lý là một môn khoa học thực nghiệm. Hiện nay, mặc dù các cấp quản lí giáo dục đã quan tâm chỉ đạo các phong trào “Đổi mới phương pháp dạy học”, phong trào “Tự làm đồ dùng dạy học” ở các cấp học, bậc học cũng như đổi mới nội dung chương trình và đầu tư cho công tác thiết bị trường học, song các phong trào này vẫn chưa được duy trì thường xuyên và tình hình dạy học Vật lý, sử dụng thí nghiệm Vật lý tuy có nhiều ưu điểm nhưng nhược điểm của nó cũng không phải ít. Năng lực sử dụng thí nghiệm Vật lý và khả năng thiết kế tiến trình dạy học theo quan điểm lí luận dạy học hiện đại của giáo viên vẫn còn hạn chế. Nhiều giáo viên vẫn chưa nhận thức được việc đổi mới phương pháp dạy học và vai trò của việc xây dựng và sử dụng thí nghiệm trong dạy học Vật lý nhằm nâng cao chất lượng dạy học. Những cơ sở lí luận nghiên cứu trên đây sẽ được tôi cụ thể hóa trong việc vận dụng xây dựng (thiết kế, chế tạo mới, cải tiến, hoàn thiện) thí nghiệm và sử dụng thí nghiệm vào việc thiết kế tiến trình dạy học một số kiến thức chương “Chất khí” và “Cơ sở của nhiệt động lực học”. 47 CHƯƠNG II: XÂY DỰNG MỘT SỐ THÍ NGHIỆM Ở CÁC CHƯƠNG “CHẤT KHÍ” VÀ “CƠ SỞ CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC”, VẬT LÝ 10, BAN CƠ BẢN 2.1. Nội dung kiến thức, kĩ năng và các thí nghiệm trong chương “Chất khí” và “Cơ sở của nhiệt động lực học” a) Nội dung của chương - Chương “Chất khí” theo chương trình Vật lý 10 THPT ban cơ bản hiện hành bao gồm 5 tiết lí thuyết, 2 tiết bài tập và 1 tiết kiểm tra. Nội dung của 5 tiết lí thuyết là: Tiết 1: Cấu tạo chất. Thuyết động học phân tử chất khí Tiết 2: Quá trình đẳng nhiệt. Định luật Bôi-lơ – Ma-ri-ốt Tiết 3: Quá trình đẳng tích. Định luật Sác-lơ Tiết 4, 5: Phương trình trạng thái của khí lí tưởng - Chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” theo chương trình Vật lý 10 THPT ban cơ bản hiện hành bao gồm 3 tiết lí thuyết và 1 tiết bài tập. Nội dung của 3 tiết lí thuyết là: Tiết 1: Nội năng và sự biến thiên nội năng Tiết 2,3: Các nguyên lý của nhiệt động lực học b) Kiến thức, kĩ năng của chương Trong quá trình học tập chương “Chất khí” và “Cơ sở của nhiệt động lực học”, học sinh cần có được những kiến thức và kĩ năng sau: - Chương “Chất khí”: + Kiến thức: − Phát biểu được nội dung cơ bản của thuyết động học phân tử chất khí. − Nêu được các đặc điểm của khí lí tưởng. − Phát biểu được các định luật Bôi-lơ – Ma-ri-ốt, Sác-lơ. − Nêu được nhiệt độ tuyệt đối là gì. − Nêu được các thông số p, V, T xác định trạng thái của một lượng khí. − Viết được phương trình trạng thái của khí lí tưởng 48 pV = const T + Kĩ năng: − Vận dụng được phương trình trạng thái khí lí tưởng. − Vẽ được đường đẳng tích, đẳng áp, đẳng nhiệt trong hệ tọa độ (p, V). - Chương “Cơ sở của nhiệt động lực học”: + Kiến thức: − Nêu được có lực tương tác giữa các nguyên tử, phân tử cấu tạo nên vật. − Nêu được nội năng gồm động năng của các hạt (nguyên tử, phân tử) và thế năng tương tác giữa chúng. − Nêu được thí dụ về hai cách làm thay đổi nội năng − Phát biểu được nguyên lí I Nhiệt động lực học. Viết được hệ thức nguyên lí I Nhiệt động lực học ΔU = A+Q . Nêu được tên, đơn vị và qui ước dấu của các đại lượng trong hệ thức này. − Phát biểu được nguyên lý II Nhiệt động lực học. + Kĩ năng: Vận dụng được mối quan hệ giữa nội năng với nhiệt độ và thể tích để giải quyết một số hiện tượng đơn giản có liên quan. c) Các thí nghiệm và thiết bị thí nghiệm sẽ được xây dựng để hỗ trợ quá trình dạy học hai chương này. - Các thí nghiệm minh họa thuyết động học phân tử chất chí + Thí nghiệm 1: Quan sát chuyển động Brao. + Thí nghiệm 2: Dụng cụ điều chỉnh rượu chảy ra của Hê-rôn. + Thí nghiệm 3: Chứng minh sự chuyển động của phân tử khí, áp suất chất khí phụ thuộc vào nhiệt độ. - Các thí nghiệm định tính và định lượng các định luật chất khí - Mô hình động cơ Stirling 49 2.2. Tình hình dạy học chương “Nhiệt học” và “Cơ sở của nhiệt động lực học” 2.2.1. Nội dung điều tra Khi vận dụng qui trình xây dựng và sử dụng thiết bị thí nghiệm đã trình bày ở trên, trước hết ta cần tìm hiểu thực trạng thiết bị thí nghiệm ở trường THPT hiện nay, để trên cơ sở đó, xác định được các thiết bị thí nghiệm cần phải cải tiến, hoàn thiện hay thiết kế, chế tạo mới. Vì vậy, tôi đã tìm hiểu tình hình dạy và học hai chương này ở các trường THPT: trường THPT Nguyễn Hữu Cầu, trường THPT chuyên Lương Thế Vinh - tỉnh Đồng Nai, Trường Trung Học Thực Hành – trường Đại học Sư Phạm TP. Hồ Chí Minh. Việc tìm hiểu tình hình dạy học các kiến thức của chương “Nhiệt học” và “Cơ sở của nhiệt động lực học”, trong đó có thực trạng thiết bị thí nghiệm ở những trường này bao gồm: - Thực trạng thiết bị thí nghiệm, mô hình, tranh ảnh của các trường, tài liệu giáo khoa, tài liệu tham khảo, của giáo viên và học sinh. - Tìm hiểu các phương pháp dạy chủ yếu mà giáo viên sử dụng, việc sử dụng các thiết bị thí nghiệm của giáo viên trong quá trình dạy học hai chương này. - Tìm hiểu hoạt động học tập trên lớp và ở nhà của học sinh. Xác định những khó khăn, sai lầm phổ biến của học sinh trong quá trình học tập của hai chương này. Từ đó, sơ bộ đề xuất nguyên nhân chủ yếu của các khó khăn, sai lầm đó. 2.2.2. Phương pháp điều tra Để thu thập thông tin như trên, tôi đã sử dụng các phương pháp sau: - Trao đổi với cán bộ phòng phụ trách phòng thí nghiệm của ba trường THPT trên, xem xét các thiết bị thí nghiệm ở các phòng thí nghiệm Vật lý của các trường. - Phỏng vấn các giáo viên ở các trường theo nội dung cần điều tra, xem xét giáo án các bài thuộc chương “Nhiệt học” và “Cơ sở của nhiệt động lực học” (Trường Trung Học Thực Hành – Đại học Sư Phạm TP. Hồ Chí Minh 2 giáo viên (6 giáo án), trường THPT Nguyễn Hữu Cầu 1 giáo viên (3 giáo án), trường THPT chuyên Lương Thế Vinh 1 giáo viên (3 giáo án)) 50 - Dự giờ lý thuyết và tìm hiểu việc sử dụng các thiết bị thí nghiệm của các giáo viên khi dạy học chương này. - Phân tích sản phẩm học tập của 6 lớp 10 ở trường Trung Học Thực Hành – Đại học Sư Phạm TP. Hồ Chí Minh: 3 lớp A, 2 lớp D, 1 lớp chuyên văn. Mỗi lớp chọn ngẫu nhiên 10 học sinh để xem xét vở ghi và vở bài tập. 2.2.3. Kết quả điều tra 2.2.3.1. Thực trạng thiết bị thí nghiệm chương “Nhiệt học” và “Cơ sở của nhiệt động lực học” ở các trường THPT đã khảo sát Các trường này đều có phòng thí nghiệm Vật lý, đều có bộ thí nghiệm “Các định luật Bôi-lơ – Ma-ri-ốt và Sác-lơ đối với chất khí” của công ty sách Thiết bị trường học. Bộ thí nghiệm này bao gồm: áp kế kim loại, lọ dầu, nút cao su, nhiệt kế. Nhưng phần lớn các áp kế kim loại đều bị hỏng phần giá đỡ mặc dù vẫn còn nguyên trong hộp và chưa sử dụng lần nào. Về thí nghiệm Sác-lơ được tiến hành với ấm đun nước siêu tốc, các trường đều không tiến hành thí nghiệm này với lí do cách bố trí thí nghiệm không an toàn. Hình 2.1. Bộ thí nghiệm Bôi-lơ – Ma-ri-ốt được trang bị ở các trường phổ thông. 51 2.2.3.2. Về phương pháp dạy của giáo viên Qua quá trình tìm hiểu tình hình dạy học chương “Nhiệt học” và “Cơ sở của nhiệt động lực học” ở một số trường THPT đã nêu ở trên, những phương pháp dạy học mà giáo viên thường sử dụng ở chương này là: - Giáo viên lần lượt thông báo các kiến thức theo trình tự nêu trong sách giáo khoa, cố gắng trình bày đủ các kiến thức, có chú ý nhấn mạnh nội dung các kiến thức cơ bản (các đoạn in đậm, in nghiêng trong sách giáo khoa). - Giáo viên chủ yếu mô tả thí nghiệm Bôi-lơ – Ma-ri-ốt, thí nghiệm Sác-lơ trong sách giáo khoa mà không làm thí nghiệm, chỉ có một số ít giáo viên tiến hành thí nghiệm Bôi-lơ – Ma-ri-ốt. - Giáo viên có yêu cầu học sinh xử lí số liệu từ bảng số liệu mà sách giáo khoa đưa ra rồi từ đó rút ra kết luận, không yêu cầu học sinh phải tính sai số tỉ đối để biết được độ chính xác của thí nghiệm mà sách giáo khoa đưa ra. - Giáo viên có đặt câu hỏi cho học sinh nhưng chủ yếu là những câu hỏi mang tính chất tái hiện đơn thuần các kiến thức đã học. Do vậy, không có tác dụng kích thích sự hứng thú học tập của học sinh. 2.2.3.3. Về phương pháp học và những khó khăn, sai lầm của học sinh Hoạt động chủ yếu của học sinh là lắng nghe thông báo, diễn giảng của giáo viên, chép lại những điều giáo viên ghi trên bảng và những câu giáo viên nhấn mạnh hoặc nhắc lại nhiều lần. Học sinh thường học theo vở ghi (theo kiểu học thuộc lòng), nhưng đáng chú ý là vở ghi của nhiều em ghi thiếu nội dung, một số chỗ còn ghi sai. Qua trao đổi trực tiếp với học sinh, phân tích bài các em làm, xem xét vở bài tập của học sinh, tôi nhận thấy khi học chương “Nhiệt học và “Cơ sở của nhiệt động lực học”, học sinh thường gặp phải khó khăn, sai lầm sau đây: - Khó khăn lớn nhất của học sinh là không hiểu nội dung của thuyết động học phân tử chất khí, các em đều thắc mắc: Thế nào là chuyển động hỗn loạn không ngừng? Trong chất lỏng, các phân tử chất lỏng có chuyển động hỗn loạn không ngừng không? Làm sao nhận biết được các phân tử va chạm vào thành bình gây ra áp suất? 52 Nhiệt độ càng tăng thì phân tử chuyển động càng nhanh, vậy khi đó áp suất sẽ như thế nào? - Học sinh chủ yếu nghe giới thiệu về thí nghiệm Bôi-lơ – Ma-ri-ốt và Sác-lơ mà chưa được quan sát hay tiến hành thí nghiệm. Tất cả học sinh phát biểu và viết được biểu thức của các định luật chất khí, nhưng phần lớn học sinh đều thắc mắc cách tiến hành làm thí nghiệm để đưa ra được bảng số liệu trong sách giáo khoa, thậm chí nhiều em còn muốn kiểm chứng lại phương trình trạng thái bằng thí nghiệm. - Sai lầm lớn nhất của học sinh khi học các định luật chất khí là: Trong quá trình xử lí số liệu ở các bảng 29.1 trang 157 và 30.1 trang 160 (SGK Vật lý 10, ban cơ bản), học sinh đều rút ra kết luận đây là các định luật chính xác và hầu như không có sai số. - Rất nhiều học sinh thắc mắc: học các định luật chất khí để làm gì? Và không học sinh nào giải thích được các hiện tượng Vật lý liên qua đến các định luật đã học. - Tất cả học sinh đều gặp khó khăn trong việc tìm hiểu nguyên lý hoạt động của động cơ nhiệt. Các em đều thắc mắc: Những nguyên lý nhiệt động lực học vận dụng vào thực tế như thế nào? Các động cơ trong các phương tiện giao thông hiện nay có phải là động cơ nhiệt hay không? Vai trò của nguồn nóng, nguồn lạnh trong các loại động cơ trong thực tế như thế nào? Cách động cơ biến chuyển động tịnh tiến của pít-tông thành chuyển động cơ học ra sao? Qua những khó khăn, sai lầm trên đây của học sinh, tôi có nhận xét ban đầu về chất lượng kiến thức của học sinh: - Phát biểu được thuyết động học phân tử chất khí, khái niệm khí lí tưởng. - Định nghĩa được các đẳng quá trình, phát biểu được các định luật chất khí, viết được phương trình của các định luật và phương trình trạng thái của khí lí tưởng. - Phát biểu được nguyên lí I, nguyên lí II nhiệt động lực học. - Nhưng học sinh rất lúng túng và mắc sai lầm trong việc vận dụng các kiến thức này vào việc giải thích các hiện tượng nhiệt liên quan đến các định luật chất khí đã được học, và không giải thích được nguyên lý hoạt động của động cơ nhiệt. 53 2.2.3.4. Nguyên nhân gây nên những khó khăn của học sinh và biện pháp khắc phục Theo tôi, nguyên nhân cơ bản của những khó khăn của học sinh bao gồm: - Trong phần cơ học chương trình Vật lý 10, học sinh làm quen với các chuyển động cơ học cũng như những mô hình, những hiện tượng, những máy cơ học quen thuộc trong đời sống. Sang phần nhiệt học các em bắt đầu tìm hiểu thế giới vi mô, các em không thể nhìn thấy bằng mắt thường mà bắt buộc phải tư duy trừu tượng nên đa phần học sinh sẽ lúng túng. Hơn nữa, thuyết động học phân tử nói về sự chuyển hỗn loạn không ngừng của các phân tử, đây là chuyển động đặc biệt không giống với các chuyển động mà các em đã học nên gây khó khăn cho các em khi tiếp nhận kiến thức. - Các định luật khí lí tưởng trong chương “Chất khí” đều là những định luật thực nghiệm mang tên tuổi của những nhà khoa học mở đầu cho sự ra đời của thuyết động học phân tử về cấu tạo chất. Nhưng học sinh chỉ học “chay” về những định luật này, không được tiến hành thí nghiệm cũng như không được xem các thí nghiệm biểu diễn về các hiện tượng Vật lý liên quan nên học sinh không thể hiểu hết được ý nghĩa Vật lý của các định luật. - Chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” là một chương nối liền các kiến thức Vật lý với đời sống và kĩ thuật thông qua các động cơ nhiệt, nhưng học sinh chỉ được thông báo kiến thức mà không có cơ hội vận dụng kiến thức đó. Học sinh cần một mô hình động cơ nhiệt hoạt động thật để nghiên cứu. Các biện pháp khắc phục những khó khăn trên: - Chuyển động hỗn loạn của các phân tử gắn liền với một phát hiện quan trọng trong lịch sử phát triển thuyết động học phân tử đó là chuyển động Brao. Cần thiết kế cách bố trí thí nghiệm một cách hiệu quả để cho học sinh quan sát được chuyển động Brao trong chất lỏng, từ đó vận dụng kiến thức ở phần cấu tạo chất để mở rộng sang chất khí. Đồng thời, thiết kế và sử dụng hiệu quả các thí nghiệm minh họa cho học sinh những nội dung khác của thuyết động học phân tử chất khí. 54 - Thiết kế các phương án để có thể tiến hành các thí nghiệm của định luật chất khí ngay trên lớp, cho học sinh lấy số liệu và xử lí số liệu ngay trên lớp. - Chế tạo động cơ Stirling (một loại động cơ nhiệt) từ các vật liệu đơn giản để biểu diễn trước lớp, đồng thời có thể hướng dẫn cho học sinh tự chế tạo ở nhà. 2.3. Xây dựng các thiết bị thí nghiệm để hỗ trợ quá trình dạy học chương “Nhiệt học” và “Cơ sở của nhiệt động lực học” 2.3.1. Các thí nghiệm minh họa thuyết động học phân tử chất khí 2.3.1.1. Thí nghiệm 1: Quan sát chuyển động Brao trong chất lỏng a) Sự cần thiết phải xây dựng chuyển động Brao Quan điểm về vật chất được cấu tạo từ các nguyên tử đã được Đê-mô-crít (Democristos) đưa ra từ trước Công nguyên. Tuy nhiên, mãi cho đến hết thế kỉ XVII, người ta vẫn chưa tìm ra được thí nghiệm nào chứng tỏ sự tồn tại của các nguyên tử. Nguyên tử cho tới khi đó vẫn chỉ là một giả thuyết mang ý nghĩa triết học. Những thành tựu của nhà hóa học Đan-ton (Dalton) trong việc dùng khái niệm nguyên tử, phân tử để giải thích thành công hàng loạt các hiện tượng và định luật Hóa học vào thế kỉ XVIII đã củng cố niềm tin vào lí thuyết về nguyên tử, phân tử. Cùng với Đan-tôn, A-vô-ga-rô (Avogadro) là người đưa ra khái niệm phân tử gam và chứng minh được rằng phân tử gam của các chất khác nhau đều chứa cùng một số phân tử. Việc tìm ra số A-vô-ga-rô đã cho phép xác định từng loại nguyên tử, phân tử. Như vậy là từng loại nguyên tử, phân tử từ chỗ là sản phẩm đơn thuần của trí tưởng tượng đã dần dần trở thành một thực thể Vật lý. Việc phát hiện ra các định luật thực nghiệm về chất khí và việc dùng quan điểm nguyên tử, phân tử để giải thích thành công các định luật này đã đóng góp rất lớn vào sự ra đời và phát triển của thuyết động học phân tử chất khí. Tuy nhiên, cũng phải chờ tới khi nhà bác học Brao (Brown) (người Anh) quan sát thấy chuyển động hỗn độn không ngừng của các hạt phấn hoa qua kính hiển vi, phản ánh gián tiếp chuyển động hỗn loạn không ngừng của các phân tử thì thuyết động học phân tử mới bắt đầu được coi là một thuyết khoa học. 55 Béc-nu-li (Bernoulli) và sau đó là Clau-đi-út (Clausius) đã góp phần đưa thuyết động học phân tử phát triển mới bằng cách xây dựng các định luật và phương trình cơ bản của của thuyết. Những thí nghiệm của Pe-ranh (Perrin) cho phép quan sát sự phân bố của các hạt Brao trong nhũ tương theo chiều cao, đã cho thấy sự phân bố này hoàn toàn phù hợp với định luật Bôn-dơ-man (Boltzmann). Điều này cho phép xác định số A-vô-ga-rô bằng thực nghiệm. Những tính toán của Anh- xtanh (Einstein) đã cho thấy giá trị tìm được bằng thực nghiệm hoàn toàn phù hợp với giá trị lý thuyết. Sau những công trình thực nghiệm của Pe-ranh, không còn ai nghi ngờ về sự đúng đắn của thuyết động học phân tử. Khi phân tích các hiện tượng nhiệt, học sinh gặp một hình thức mới về chuyển động của vật chất, khác về nguyên tắc với chuyển động cơ học của các vật vĩ mô, chuyển động hỗn loạn không ngừng. Trong bài học, giáo viên mô tả đặc điểm của chuyển động Brao theo thí nghiệm của Pe-ranh. b) Những nội dung kiến thức học sinh cần lưu ý 1. Chuyển động Brao là không ngừng theo thời gian và hỗn loạn về phương và độ lớn của độ dời. Nó được xác định bởi tính chất của chính chất lỏng hay chất khí. Đặc trưng của chuyển động Brao không phụ th