Thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm để sử dụng trong dạy học ba định luật về chất khí, Vật lí 10 trung học phổ thông

JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE Interdisciplinary Sci., 2014, Vol. 59, No. 1, pp. 58-62 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM ĐỂ SỬ DỤNG TRONG DẠY HỌC BA ĐỊNH LUẬT VỀ CHẤT KHÍ, VẬT LÍ 10 TRUNG HỌC PHỔ THÔNG Nguyễn Anh Thuấn Khoa Vật lí, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Tóm tắt. Bài báo trình bày việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm để sử dụng trong dạy học ba định luật về chất khí trong chương trình Vật lí lớp 10 trung học phổ thông. Từ khóa: Thí nghiệm, chất khí, định luật chất khí, dạy học Vật lí, Vật lí 10.. 1. Mở đầu Trong lịch sử Vật lí, ba định luật về chất khí đều được phát hiện bằng thực nghiệm: định luật Bôi-lơ - Ma-ri-ốt (Robert Boyle, EdmeMariotte) vào năm 1662, định luật Sác-lơ (Jacques Charles) vào năm 1787, định luật Gay Luy-xác (Louis Joseph Gay-Lussac) vào năm 1802. Đến năm 1934, Cla-pê-rôn (Benoıˆt Paul Émile Clapeyron) gộp kết quả của ba định luật vào một phương trình, đó là phương trình trạng thái. Trong chương trình Vật lí lớp 10 trung học phổ thông (THPT), định luật Bôi-lơ - Ma-ri-ốt và định luật Sác-lơ được khảo sát bằng thực nghiệm. Từ đó, suy luận ra phương trình trạng thái và định luật Gay Luy-xác. Như vậy, để dạy học ba định luật về chất khí cần phải có thiết bị thí nghiệm (TBTN) để tiến hành các thí nghiệm đối với một lượng khí xác định: khảo sát sự phụ thuộc của áp suất khí (p) vào thể tích khí (V ) khi nhiệt độ khí (T ) không đổi; khảo sát sự phụ thuộc của p vào T khi V không đổi; kiểm tra biểu thức V tỉ lệ với T khi p không đổi. 2. Nội dung nghiên cứu 2.1. Sự cần thiết phải thiết kế, chế tạo TBTN Ở các trường THPT hiện nay, chỉ được trang bị TBTN cho định luật Bôi-lơ - Ma-ri- ốt và định luật Sác-lơ. Một số trường Đại học ở Việt Nam được trang bị TBTN về định luật Ngày nhận bài: 15/1/2013 Ngày nhận đăng: 15/10/2013 Liên hệ: Nguyễn Anh Thuấn, e-mail: nguyenanhthuan@gmail.com 58 Thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm để sử dụng trong dạy học ba định luật... Bôi-lơ - Ma-ri-ốt dùng bơm hút nén, TBTN về định luật Sác-lơ và định luật Gay Luy-xác dùng áp kế nước. Một số công ty nước ngoài (Phywe, Leybold,. . . ) đã sản xuất TBTN nghiên cứu 3 định luật về chất khí. Một số tác giả cũng đề cập nghiên cứu TBTN về 3 định luật chất khí: Trần Bá Trình (Luận văn Thạc sĩ - 2009), Mai Thị Dung (Khóa luận tốt nghiệp -2012),... Tuy nhiên, các TBTN này còn một số nhược điểm sau: - Lượng khí khảo sát (LKKS) ở trạng thái không cân bằng: LKKS được làm nóng, bên trong xảy ra quá trình truyền nhiệt và ở trạng thái không cân bằng. Khi đó, các giá trị đo p, V, T không phù hợp với các định luật về chất khí (áp dụng cho trạng thái cân bằng (TTCB)). Chúng tôi đã tiến hành thí nghiệm làm nóng và đo nhiệt độ ở hai điểm khác nhau trong LKKS, một điểm đo ở tâm bình khí, điểm đo kia ở gần thành bình khí. Kết quả thí nghiệm cho thấy, khi làm nóng, điểm đo ở tâm bình khí có nhiệt độ tăng từ 280C (nhiệt độ phòng) đến 500C thì chênh lệch nhiệt độ giữa 2 điểm đo tăng từ 0 đến 50C. Chênh lệch nhiệt độ giữa 2 điểm đo sẽ càng lớn nếu ta làm nóng càng nhanh hoặc sử dụng bình khí có tiết diện lớn. Với các TBTN hiện có, khi làm nóng LKKS, số chỉ nhiệt kế không phản ánh nhiệt độ của LKKS. - Mất nhiều thời gian để tiến hành thí nghiệm về định luật Sác-lơ và định luật Gay Luy-xác: Với các TBTN hiện có, mặc dù cần phải làm nóng thật chậm (hoặc chỉ làm nóng trong thời gian ngắn rồi chờ ổn định nhiệt độ) để LKKS ở trạng thái gần cân bằng nhưng kết quả thí nghiệm vẫn có sai số lớn. - Không đảm bảo điều kiện lượng khí xác định: Trong TBTN dùng áp kế nước, khi làm nóng, nước bay hơi làm khối lượng khí tăng dần. Khi trở về nhiệt độ phòng, trên thành bình có đọng các giọt nước nhỏ. Vì vậy, chúng tôi nghiên cứu thiết kế, chế tạo TBTN mới. TBTN này phải đảm bảo khắc phục những nhược điểm của các TBTN hiện có và tạo được các TTCB của LKKS (tạo được nhiệt độ đồng đều và có giá trị ổn định trong toàn bộ thể tích của LKKS). 2.2. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của TBTN TBTN (Hình 1) do chúng tôi thiết kế, chế tạo được sử dụng để nghiên cứu ba định luật về chất khí. Thiết bị này có cấu tạo và nguyên tắc hoạt động như sau: Các chi tiết chính của TBTN gồm có: - Hộp nhựa trong suốt (140×300×90mm): 1 cái. - Ống nhựa trong suốt hình trụ (Φ10mm): 1 cái. - Xi lanh có pit-tông, chứa dầu silicone (20ml): 1 cái. - Áp kế điện tử (AKĐT) (40×40mm): 1 cái. - Nhiệt kế điện tử (NKĐT) tích hợp bộ phận điều khiển nhiệt độ (BPĐKNĐ) (80×40mm): 1 cái. - Quạt tạo dòng không khí đối lưu (DKKĐL) (Φ60mm): 1 cái. - Bóng đèn có gắn tấm tản nhiệt (220V-50W): 1 cái. 59 Nguyễn Anh Thuấn Hình 1. Ảnh chụp (a) và sơ đồ cấu tạo (b) của TBTN LKKS được giam trong ống nhựa trong suốt hình trụ (1). Áp suất của LKKS được đo bởi AKĐT (2) nối với đầu phía trên của ống. Đầu phía dưới của ống được bít kín bằng dầu silicone. Mực dầu silicone trong ống có thể được thay đổi nhờ pit-tông trong xilanh (3). Thể tích của LKKS được đo nhờ thước chia vạch mililít gắn trên ống trụ. Chúng tôi sử dụng dầu silicone chủ yếu bởi vì dầu silicone rất khó bay hơi nên giảm thiểu được hiện tượng chất lỏng bay hơi vào LKKS. Không khí trong hộp nhựa (gồm 3 phần 4a, 4b, 4c) được quạt (5) thổi, chuyển động theo chu trình và tạo thành DKKĐL. Ban đầu, không khí ở phần dưới (4a) được quạt thổi vào tấm tản nhiệt của bóng đèn (6) và được làm nóng, đi lên theo phần trái (4b), đi xuống theo phần phải (4c) và trở về phần dưới (4a) của hộp nhựa. Như vậy, DKKĐL nhận nhiệt từ bóng đèn và truyền nhiệt cho các thành phần khác của TBTN. Hộp nhựa sẽ truyền nhiệt ra môi trường ngoài. Khi TBTN ở TTCB nhiệt, nhiệt độ của LKKS và DKKĐL là bằng nhau và được đo bởi cảm biến nhiệt (CBN) (7) nối với NKĐT (8). BPĐKNĐ tích hợp trong NKĐT có tác dụng tự động điều khiển bật, tắt bóng đèn sao cho bóng đèn chỉ cung cấp nhiệt lượng vừa đủ để DKKĐL đạt được giá trị nhiệt độ (chọn trước tùy ý) không đổi và khi đó, LKKS ở TTCB có nhiệt độ đã chọn trước. Ví dụ việc cài đặt BPĐKNĐ để LKKS ở TTCB có nhiệt độ T1: Trên NKĐT, nhấn nút SET (số chỉ của NKĐT sẽ nhấp nháy), nhấn nút (∆) hoặc nút (∇) để chọn giá trị T1. Ngay sau đó, số chỉ của NKĐT thôi nhấp nháy và trở về giá trị đo trên CBN. BPĐKNĐ 60 Thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm để sử dụng trong dạy học ba định luật... điều khiển bật bóng đèn chỉ khi số chỉ của NKĐT nhỏ hơn T1. Như vậy, sau thời gian ngắn, ta quan sát thấy số chỉ của NKĐT bằng T1 và không đổi. Khi đó, LKKS ở TTCB có nhiệt độ T1. 2.3. Các thí nghiệm có thể tiến hành với TBTN TBTN do chúng tôi thiết kế, chế tạo cho phép tiến hành các thí nghiệm đối với một lượng khí xác định: - Khảo sát sự phụ thuộc của p vào V khi T không đổi (định luật Bôi-lơ - Ma-ri-ốt). - Khảo sát sự phụ thuộc của p vào T khi V không đổi (định luật Sác-lơ). - Kiểm tra biểu thức V tỉ lệ với T khi p không đổi (định luật Gay Luy-xác). Sau đây, chúng tôi sẽ mô tả ngắn gọn các thí nghiệm có thể tiến hành với TBTN này. 2.3.1. Thí nghiệm khảo sát sự phụ thuộc của p vào V khi T không đổi Ban đầu, LKKS ở TTCB có nhiệt độ phòng (T1). Mở van khí trên AKĐT, dịch chuyển pit-tông để chọn thể tích V1 của LKKS, đóng van khí trên AKĐT, đọc và ghi lại giá trị áp suất p1. Dịch chuyển chậm pit-tông để thể tích LKKS có các giá trị V2, V3, đọc và ghi lại các giá trị áp suất tương ứng p2, p3. Từ các số liệu thu được, rút ra mối liên hệ giữa p và V khi T1 không đổi. Cài đặt BPĐKNĐ để LKKS ở TTCB nhiệt có nhiệt độ T2, lặp lại các bước như trên để rút ra mối liên hệ giữa p và V khi T2 không đổi. 2.3.2. Thí nghiệm khảo sát sự phụ thuộc của p vào T khi V không đổi Mở van khí trên AKĐT, dịch chuyển rồi cố định pit-tông để chọn thể tích V1 của LKKS, đóng van khí trên AKĐT, đọc và ghi lại giá trị áp suất p1 và nhiệt độ T1. Cài đặt BPĐKNĐ để LKKS lần lượt ở TTCB có nhiệt độ T2, T3, đọc và ghi lại giá trị áp suất tương ứng p2, p3. Từ các số liệu thu được, rút ra mối liên hệ giữa p và T khi V1 không đổi. Dịch chuyển rồi cố định pit-tông để chọn thể tích V2 của LKKS. Lặp lại các bước như trên để rút ra mối liên hệ giữa p và T khi V2 không đổi. 2.3.3. Thí nghiệm kiểm tra biểu thức V tỉ lệ với T khi p không đổi Mở van khí trên AKĐT, dịch chuyển pit-tông để chọn thể tích V1 của LKKS, đóng van khí trên AKĐT, đọc và ghi lại giá trị áp suất p1 và nhiệt độ T1. Tính giá trị a = V1/T1. Dự kiến giá trị nhiệt độ T2, T3. Tính giá trị thể tích V ′2 = aT2 và V ′3 = aT3. Cài đặt BPĐKNĐ để LKKS lần lượt ở TTCB có nhiệt độ T2, T3. Trong mỗi trường hợp, dịch chuyển chậm pit-tông để số đo trên AKĐT bằng p1, đọc và ghi lại lại giá trị thể tích tương ứng V2, V3. So sánh V2 với V ′2 , V3 với V ′3 để rút ra kết luận V tỉ lệ với T khi p1 61 Nguyễn Anh Thuấn không đổi. Van khí vẫn ở trạng thái đóng, dịch chuyển pit-tông để LKKS có áp suất p2, lặp lại các bước như trên để rút ra kết luận V tỉ lệ với T khi p2 không đổi. Trong cả 3 thí nghiệm trên, nhờ van khí, ta có thể nghiên cứu lượng khí xác định, khác nhau. 3. Kết luận TBTN đã thiết kế, chế tạo không chỉ trong thời gian ngắn đã tạo được nhiệt độ đồng đều trong toàn bộ thể tích của LKKS, mà còn giữ được giá trị nhiệt độ này không thay đổi trong thời gian tùy ý. Chính vì vậy, TBTN đã thiết kế, chế tạo không những khắc phục được nhược điểm của các TBTN hiện có, mà còn mở rộng khả năng thí nghiệm, đặc biệt là cho phép tiến hành được thí nghiệm về định luật Bôi-lơ - Ma-ri-ốt ở nhiều nhiệt độ khác nhau, cho kết quả tốt trong thí nghiệm về định luật Sác-lơ và định luật Gay Luy-xác. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Đức Thâm (chủ biên), Nguyễn Ngọc Hưng, Phạm Xuân Quế, 2002. Phương pháp dạy học vật lí ở trường phổ thông. Nxb Đại học Sư phạm Hà Nội. [2] Tài liệu hướng dẫn thí nghiệm vật lí phổ thông, 2012. Bộ môn PPGD, Khoa Vật lí, ĐHSP Hà Nội. [3] Website: www.phywe-systeme.com; www.ld-didactic.de. ABSTRACT Design and manufacture laboratory equipment for teaching the three gas laws of 10th grade physics program This paper presents the study design and manufacture laboratory equipment for use in teaching the three gas laws of 10th grade physics program. 62