Thiết kế, chế tạo và sử dụng một số mô hình động cơ stirling trong dạy học Vật lí lớp 10

Trong bài báo này các tác giả trình bày 03 mô hình động cơ stirling được thiết kế, chế tạo từ các vật liệu thí nghiệm đơn giản và đề xuất phương án sử dụng các mô hình động cơ này trong dạy học vật lí ở trường trung học phổ thông theo định hướng phát triển năng lực cho học sinh.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Thiết kế, chế tạo và sử dụng một số mô hình động cơ stirling trong dạy học Vật lí lớp 10JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE DOI: 10.18173/2354-1075.2016-0188Educational Sci., 2016, Vol. 61, No. 8B, pp. 306-311This paper is available online at http://stdb.hnue.edu.vnTHIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNG MỘT SỐ MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ STIRLING TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ LỚP 10 Nguyễn Ngọc Hưng1 , Dương Diệp Thanh Hiền2 1 Khoa Vật lí, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khoa Vật lí, Trường Đại học Quy Nhơn Tóm tắt. Động cơ stirling là động cơ nhiệt đốt ngoài do Robert Stirling phát minh vào năm 1816, đây là một ứng dụng kĩ thuật quan trọng của nhiệt động lực học. Việc thiết kế, chế tạo các mô hình động cơ Stirling đơn giản và sử dụng trong dạy học ứng dụng kĩ thuật của vật lí sẽ giúp học sinh gắn liền kiến thức với thực tế. Trong bài báo này chúng tôi trình bày 03 mô hình động cơ stirling được thiết kế, chế tạo từ các vật liệu thí nghiệm đơn giản và đề xuất phương án sử dụng các mô hình động cơ này trong dạy học vật lí ở trường trung học phổ thông theo định hướng phát triển năng lực cho học sinh. Từ khóa: Động cơ nhiệt, động cơ Stirling, mô hình động cơ Stirling.1. Mở đầu Động cơ Stirling là một động cơ nhiệt đốt ngoài mà ưu điểm lớn nhất là có thể sử dụngnhiều nguồn năng lượng khác nhau để hoạt động [1], đây là một ứng dụng kĩ thuật quan trọng củanhiệt động lực học. Tuy nhiên, trong chương trình vật lí phổ thông hiện nay không đề cập đến độngcơ này, việc giảng dạy chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” chủ yếu là thông báo nên không tạođiều kiện cho học sinh phát triển năng lực (năng lực thực nghiệm, năng lực giải quyết vấn đề). Trênthế giới, nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu, chế tạo các kiểu động cơ Stirling khác nhau, nhưngchủ yếu chỉ áp dụng trong kĩ thuật nên các thiết bị này có cấu tạo phức tạp, không phù hợp khi sửdụng trong dạy học vật lí ở trường trung học phổ thông [1]. Ở Việt Nam cũng có đề tài nghiên cứuđộng cơ này và có sử dụng trong dạy học chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” Vật lí 10 [2]. Tuynhiên, đề tài chỉ cho học sinh tìm hiểu về động cơ Stirling kiểu pittong tự do và sử dụng động cơnày để giải thích các nguyên lí nhiệt động lực học. Chúng tôi đã nghiên cứu thiết kế, chế tạo các kiểu động cơ Stirling khác nhau từ các dụngcụ đơn giản rẻ tiền và tổ chức dạy học ngoại khóa vật lí về chủ đề “Động cơ Stirling” theo địnhhướng phát triển năng lực nhằm giúp học sinh phân tích, tổng hợp, so sánh nguyên tắc cấu tạo -hoạt động của các kiểu động cơ Stirling và đặc biệt hơn qua đó, các em được hình thành kiến thứcvững chắc và tạo điều kiện phát triển năng lực. Trong bài báo này, chúng tôi đề cập đến việc thiếtNgày nhận bài: 05/08/2016. Ngày nhận đăng: 20/09/2016.Liên hệ: Nguyễn Ngọc Hưng, e-mail: nnhung67hb@yahoo.com.306 Thiết kế, chế tạo và sử dụng một số mô hình ...kế, chế tạo một số mô hình động cơ Stirling để minh họa nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệtđơn giản và đề xuất phương án sử dụng các mô hình động cơ Stirling đã thiết kế, chế tạo trong dạyhọc vật lí theo định hướng phát triển năng lực của học sinh.2. Nội dung nghiên cứu2.1. Thiết kế các mô hình vật chất - chức năng của động cơ Stirling Trong quá trình nghiên cứu về động cơ Stirling, chúng tôi nhận thấy rằng có hai kiểu độngcơ Stirling thường được chế tạo và sử dụng phổ biến trong thực tế hiện nay là động cơ Stirling kiểuhai pittong (kiểu anpha) và động cơ Stirling pittong phụ (kiểu beta, kiểu gamma) [1], [3]. Dựa vàocác kiểu động cơ Stirling thật, chúng tôi đã thiết kế, chế tạo các mô hình động cơ Stirling sau:2.1.1. Mô hình động cơ Stirling với pittong phụ được điều khiển từ bên ngoài Mô hình động cơ Stirling với pittong phụ được điều khiển từ bên ngoài được sử dụng đểmô phỏng mô hình làm việc của động cơ nhiệt đơn giản kiểu beta. Dựa vào động cơ kiểu beta thậtvà nguyên tắc hoạt động của nó [1,4] chúng tôi đã xây dựng, thiết kế và chế tạo mô hình động cơStirling với pittong phụ được điều khiển từ bên ngoài gồm các bộ phận sau: Hình 1. Mô hình động cơ Stirling với pittong phụ được điều khiển bên ngoài + Thân xylanh (1) của động cơ được chế tạo từ lon nhôm (loại Φ7 − 12cm): trong bộ phậnnày có chứa pittong phụ và một phần tác nhân ta khảo sát. + Pittong phụ (2) được chế tạo từ lon nhôm (loại Φ5 − 11cm): được thiết kế sao cho mộtphần nằm trong thân xylanh và một phần được ra bên ngoài để có thể điều khiển hoạt động của nótừ bên ngoài. Pittong phụ có tác dụng luân chuyển khối tác nhân bên trong động cơ. + Xylanh và pittong lực (3) được chế tạo từ ống xylanh thủy tinh loại 20ml: đây là bộ phậntrực tiếp sinh công cơ học khi pittong phụ được điều khiển và động cơ được nhận nhiệt lượng ...