Thiết Kế Và Chế Tạo Mô Hình Động Cơ Đốt Ngoài Trong Dạy Học Nhiệt Học Vật Lý 10

Chương trình Vật lý lớp 10, đặc biệt là phần Nhiệt học, thường gặp khó khăn trong việc truyền tải kiến thức một… 59 trang · Trường Đại Học Quảng Nam · 2017.

• Tác giả: Dương Thị Trinh
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Thị Vân Sa
• Trường học: Trường Đại Học Quảng Nam
• Chuyên ngành: Sư Phạm Vật Lí
• Đề tài: Thiết Kế Mô Hình Động Cơ Đốt Ngoài Trong Dạy Học Nhiệt Học Vật Lý 10
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Quảng Nam

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN VỀ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC VẬT LÝ
• 1.1. Thí nghiệm vật lí
• 1.1.1. Khái niệm thí nghiệm vật lí
• 1.1.2. Các loại thí nghiệm sử dụng trong dạy học vật lí
• 1.2. Thí nghiệm tự tạo
• 1.2.1. Khái niệm thí nghiệm tự tạo
• 1.2.2. Ưu điểm và hạn chế của thí nghiệm tự tạo
• 1.2.3. Yêu cầu cần đảm bảo của thí nghiệm tự tạo
• 1.2.4. Vai trò của thí nghiệm tự tạo trong quá trình dạy học
• 1.2.4.1. Vai trò của thí nghiệm tự tạo trong quá trình dạy học đối với giáo viên
• 1.2.4.2. Vai trò của thí nghiệm tự tạo trong quá trình dạy học đối với học sinh
• 1.3. Thực trạng của việc sử dụng thí nghiệm trong dạy học chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” ở trường THPT Nguyễn Huệ huyện Núi Thành
• 1.3.1. Mục đích điều tra
• 1.3.2. Phương pháp điều tra
• 1.3.3. Kết quả điều tra
• 1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM TỰ TẠO TRONG CHƯƠNG CƠ SỞ CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC VẬT LÝ 10 CƠ BẢN
• 2.1. Đặc điểm cấu trúc chương cơ sở của nhiệt động lực học
• 2.2. Đặc điểm về kiến thức của chương
• 2.3. Mục tiêu về kiến thức của chương
• 2.4. Mục tiêu về kỹ năng của chương
• 2.5. Một số khó khăn của học sinh khi học chương cơ sở của nhiệt động lực học
• 3. CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM
• 3.1. Mục đích thực nghiệm sư phạm
• 3.2. Nhiệm vụ thực nghiệm sư phạm
• 3.3. Đối tượng và nội dung thực nghiệm sư phạm
• 3.4. Phương pháp thực nghiệm sư phạm
• 3.5. Chọn mẫu thực nghiệm sư phạm
• 3.6. Tiến trình thực nghiệm sư phạm
• 3.7. Quan sát giờ học
• 3.8. Kiểm tra đánh giá
• 3.9. Điều tra và thăm dò
• 3.10. Đánh giá kết quả thực nghiệm sư phạm
• 3.10.1. Đánh giá định tính
• 3.10.2. Đánh giá định lượng
• 3.11. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
• Phần III: KẾT LUẬN
• Phần IV: TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Thiết Kế Mô Hình Động Cơ Đốt Ngoài Vật Lý 10

Chương trình Vật lý lớp 10, đặc biệt là phần Nhiệt học, thường gặp khó khăn trong việc truyền tải kiến thức một cách trực quan. Các khái niệm như nội năng, nhiệt lượng, và các nguyên lý của nhiệt động lực học trở nên trừu tượng khi chỉ được giảng dạy trên lý thuyết. Việc thiếu các thí nghiệm minh họa khiến học sinh khó hình dung và nắm bắt bản chất của các hiện tượng vật lý. Do đó, việc thiết kế mô hình động cơ đốt ngoài trở thành một giải pháp hiệu quả để tăng tính trực quan và sinh động cho bài giảng. Mô hình này không chỉ giúp học sinh hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động của động cơ nhiệt mà còn khơi gợi sự tò mò, hứng thú học tập.

1.1. Vai Trò Của Mô Hình Trực Quan Trong Dạy Học Vật Lý

Mô hình trực quan đóng vai trò then chốt trong việc giảng dạy các khái niệm vật lý trừu tượng. Bằng cách nhìn thấy và tương tác với mô hình, học sinh có thể dễ dàng hình dung các quá trình vật lý diễn ra trong thực tế. Ví dụ, việc quan sát mô hình động cơ đốt ngoài giúp học sinh hiểu rõ hơn về sự chuyển đổi năng lượng từ nhiệt năng sang cơ năng. Điều này đặc biệt quan trọng trong Nhiệt học Vật lý 10, nơi mà nhiều khái niệm liên quan đến năng lượng và nhiệt độ thường khó hình dung.

1.2. Ưu Điểm Của Việc Sử Dụng Động Cơ Đốt Ngoài Trong Dạy Học

So với các loại động cơ khác, động cơ đốt ngoài có cấu tạo đơn giản và dễ quan sát hơn. Điều này giúp học sinh dễ dàng nắm bắt nguyên lý hoạt động và các thành phần chính của động cơ. Hơn nữa, việc thiết kế mô hình đơn giản cho phép giáo viên và học sinh có thể tự chế tạo, tạo điều kiện cho việc học tập chủ động và sáng tạo.

II. Vấn Đề Khó Khăn Dạy Nhiệt Học Vật Lý 10 Không Mô Hình

Một trong những thách thức lớn nhất trong việc giảng dạy Nhiệt học Vật lý 10 là sự thiếu hụt các công cụ trực quan. Nhiều giáo viên chỉ dựa vào phương pháp thuyết trình và sử dụng hình ảnh tĩnh để minh họa các khái niệm. Điều này có thể dẫn đến tình trạng học sinh học thuộc lòng công thức mà không thực sự hiểu bản chất của các hiện tượng. Theo khảo sát, phần lớn học sinh cảm thấy khó khăn khi giải các bài tập liên quan đến nguyên lý của nhiệt động lực học do không có khả năng hình dung quá trình thực tế. Việc này nhấn mạnh sự cần thiết của việc tích hợp các mô hình động và thí nghiệm thực tế vào quá trình giảng dạy.

2.1. Hậu Quả Của Việc Học Lý Thuyết Suông Trong Vật Lý

Việc học lý thuyết suông, không có thí nghiệm minh họa, có thể dẫn đến việc học sinh chỉ nắm vững kiến thức một cách hời hợt. Các em có thể thuộc công thức nhưng không hiểu rõ ý nghĩa vật lý của các đại lượng và không biết cách áp dụng kiến thức vào giải quyết các bài toán thực tế. Điều này làm giảm sự hứng thú học tập và khả năng tư duy sáng tạo của học sinh.

2.2. Thực Trạng Sử Dụng Thí Nghiệm Trong Dạy Nhiệt Học Vật Lý

Hiện nay, việc sử dụng thí nghiệm trong dạy học Nhiệt học Vật lý 10 còn rất hạn chế. Nhiều trường học thiếu trang thiết bị thí nghiệm phù hợp hoặc giáo viên không có đủ thời gian và kinh nghiệm để tự chế tạo các mô hình trực quan. Điều này đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc phát triển và ứng dụng các sáng kiến kinh nghiệm trong việc thiết kế và sử dụng các thí nghiệm đơn giản, dễ thực hiện trong dạy học.

2.3. Đánh Giá Mức Độ Hiểu Bài Của Học Sinh Khi Học Nhiệt Học

Đánh giá mức độ hiểu bài của học sinh khi học nhiệt học có thể thực hiện qua các bài kiểm tra, bài tập vận dụng và các dự án nhỏ. Tuy nhiên, cần chú trọng đánh giá khả năng vận dụng kiến thức vào thực tế, khả năng giải thích các hiện tượng tự nhiên và khả năng tư duy sáng tạo của học sinh. Sử dụng mô hình động cơ đốt ngoài là một cách hiệu quả để đánh giá khả năng này.

III. Cách Thiết Kế Mô Hình Động Cơ Đốt Ngoài Dạy Vật Lý 10

Việc thiết kế mô hình động cơ đốt ngoài cho mục đích dạy học cần đảm bảo tính đơn giản, dễ hiểu và dễ chế tạo. Mô hình nên tập trung vào việc minh họa nguyên lý hoạt động cơ bản của động cơ, bỏ qua các chi tiết phức tạp không cần thiết. Các vật liệu sử dụng nên dễ kiếm, rẻ tiền và an toàn. Một số vật liệu có thể sử dụng bao gồm ống nghiệm, lon nước ngọt, dây thép, và đèn cồn. Quan trọng nhất là đảm bảo mô hình hoạt động ổn định và cho phép học sinh quan sát rõ các bộ phận chuyển động.

3.1. Lựa Chọn Vật Liệu Chế Tạo Mô Hình Động Cơ Đốt Ngoài

Việc lựa chọn vật liệu phù hợp là yếu tố quan trọng để đảm bảo tính khả thi và hiệu quả của mô hình. Ưu tiên các vật liệu dễ kiếm, rẻ tiền và an toàn. Ví dụ, sử dụng lon nước ngọt để làm thân động cơ, ống nghiệm để làm xi lanh, và dây thép để làm trục khuỷu. Điều quan trọng là đảm bảo các vật liệu có độ bền cao và chịu được nhiệt độ cao.

3.2. Hướng Dẫn Chi Tiết Các Bước Chế Tạo Mô Hình Đơn Giản

Các bước chế tạo mô hình nên được hướng dẫn chi tiết, rõ ràng và dễ thực hiện. Bắt đầu từ việc chuẩn bị vật liệu, cắt ghép các bộ phận, lắp ráp và kiểm tra hoạt động của động cơ. Có thể sử dụng hình ảnh hoặc video minh họa để giúp học sinh dễ dàng hình dung và thực hiện theo.

3.3. Lưu Ý An Toàn Khi Chế Tạo Và Sử Dụng Mô Hình

An toàn là yếu tố quan trọng hàng đầu khi chế tạo và sử dụng mô hình động cơ đốt ngoài. Cần hướng dẫn học sinh sử dụng các dụng cụ một cách cẩn thận, tránh làm việc với lửa gần các vật liệu dễ cháy, và đảm bảo không gian làm việc thông thoáng. Giáo viên nên giám sát chặt chẽ quá trình chế tạo và sử dụng mô hình để đảm bảo an toàn cho học sinh.

IV. Ứng Dụng Mô Hình Động Cơ Đốt Ngoài Trong Giáo Án Vật Lý 10

Mô hình động cơ đốt ngoài có thể được tích hợp vào giáo án Vật lý 10 một cách hiệu quả. Ví dụ, trong bài học về các nguyên lý của nhiệt động lực học, giáo viên có thể sử dụng mô hình để minh họa quá trình chuyển đổi năng lượng từ nhiệt năng sang cơ năng. Học sinh có thể quan sát và phân tích các giai đoạn của chu trình nhiệt động, từ đó hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động của động cơ nhiệt. Ngoài ra, mô hình cũng có thể được sử dụng để giải thích các khái niệm như hiệu suất động cơ và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất.

4.1. Thiết Kế Bài Giảng Sử Dụng Mô Hình Trực Quan Động Cơ

Bài giảng nên được thiết kế theo hướng trực quan, sinh động và gắn liền với thực tế. Sử dụng mô hình động cơ đốt ngoài làm công cụ trực quan chính, kết hợp với các hình ảnh, video minh họa và các bài tập vận dụng để giúp học sinh hiểu sâu sắc các khái niệm và nguyên lý.

4.2. Phương Pháp Dạy Học Tích Cực Với Mô Hình Động Cơ Đốt Ngoài

Áp dụng các phương pháp dạy học tích cực như thảo luận nhóm, thực hành thí nghiệm và giải quyết vấn đề để khuyến khích học sinh tham gia chủ động vào quá trình học tập. Giáo viên có thể đặt ra các câu hỏi gợi mở, khuyến khích học sinh dự đoán kết quả và giải thích các hiện tượng quan sát được.

4.3. Đánh Giá Hiệu Quả Sử Dụng Mô Hình Trong Dạy Và Học

Đánh giá hiệu quả sử dụng mô hình thông qua các bài kiểm tra, bài tập vận dụng và các hoạt động thực hành. Quan sát thái độ và sự tham gia của học sinh trong quá trình học tập. Thu thập phản hồi từ học sinh và giáo viên để cải thiện phương pháp giảng dạy và thiết kế mô hình.

V. Hiệu Quả Mô Hình Động Cơ Đốt Ngoài Nâng Cao Chất Lượng Dạy

Việc sử dụng mô hình động cơ đốt ngoài trong dạy học Nhiệt học Vật lý 10 mang lại nhiều lợi ích thiết thực. Theo các nghiên cứu, học sinh được học bằng phương pháp trực quan thường có kết quả học tập tốt hơn so với học sinh chỉ học lý thuyết. Mô hình giúp học sinh dễ dàng hình dung các khái niệm trừu tượng, tăng cường khả năng ghi nhớ và hiểu sâu sắc kiến thức. Ngoài ra, việc tự tay chế tạo mô hình còn giúp học sinh phát triển kỹ năng thực hành và tư duy sáng tạo.

5.1. Khảo Sát Về Mức Độ Hứng Thú Của Học Sinh Với Mô Hình

Thực hiện khảo sát để đánh giá mức độ hứng thú của học sinh với việc sử dụng mô hình động cơ đốt ngoài trong học tập. Thu thập ý kiến phản hồi về tính hữu ích, tính dễ hiểu và tính hấp dẫn của mô hình. So sánh kết quả học tập của học sinh trước và sau khi sử dụng mô hình.

5.2. So Sánh Kết Quả Học Tập Giữa Nhóm Có Và Không Sử Dụng Mô Hình

Thực hiện so sánh kết quả học tập giữa hai nhóm học sinh: một nhóm được học bằng phương pháp truyền thống và một nhóm được học bằng phương pháp sử dụng mô hình động cơ đốt ngoài. Sử dụng các bài kiểm tra, bài tập vận dụng và các hoạt động thực hành để đánh giá khả năng nắm bắt kiến thức và kỹ năng giải quyết vấn đề của học sinh.

5.3. Phản Hồi Từ Giáo Viên Về Tính Hữu Ích Của Mô Hình Trong Giảng Dạy

Thu thập phản hồi từ giáo viên về tính hữu ích của mô hình động cơ đốt ngoài trong việc giảng dạy. Đánh giá khả năng hỗ trợ của mô hình trong việc minh họa các khái niệm trừu tượng, tăng cường tính trực quan và sinh động cho bài giảng. Thu thập ý kiến đóng góp để cải thiện thiết kế và phương pháp sử dụng mô hình.

VI. Kết Luận Tiềm Năng Của Mô Hình Động Cơ Đốt Ngoài Trong Tương Lai

Việc thiết kế và sử dụng mô hình động cơ đốt ngoài trong dạy học Nhiệt học Vật lý 10 là một giải pháp hiệu quả để nâng cao chất lượng giáo dục. Mô hình không chỉ giúp học sinh hiểu rõ hơn về các khái niệm và nguyên lý vật lý mà còn khơi gợi sự tò mò, hứng thú học tập và phát triển kỹ năng thực hành. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các mô hình trực quan sáng tạo khác để đáp ứng nhu cầu đổi mới phương pháp dạy học và nâng cao chất lượng giáo dục.

6.1. Hướng Phát Triển Mô Hình Động Cơ Đốt Ngoài Trong Dạy Học

Nghiên cứu và phát triển các mô hình động cơ đốt ngoài có độ chính xác cao hơn, tính thẩm mỹ cao hơn và dễ sử dụng hơn. Tích hợp công nghệ thông tin vào mô hình để tạo ra các mô phỏng tương tác và các bài học trực tuyến.

6.2. Đề Xuất Giải Pháp Để Phổ Biến Mô Hình Trong Các Trường Học

Tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo và các buổi chia sẻ kinh nghiệm để giúp giáo viên làm quen với việc thiết kế và sử dụng mô hình động cơ đốt ngoài. Cung cấp tài liệu hướng dẫn chi tiết và các video minh họa để giáo viên dễ dàng thực hiện.

6.3. Nghiên Cứu Thêm Các Ứng Dụng Của Động Cơ Đốt Ngoài Thực Tế

Nghiên cứu thêm về các ứng dụng thực tế của động cơ đốt ngoài trong đời sống và sản xuất. Giới thiệu các ứng dụng này cho học sinh để tăng cường tính thực tiễn và liên hệ giữa lý thuyết và thực tế.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khóa luận tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo mô hình động cơ đốt ngoài trong dạy học phần nhiệt học Vật lý 10 THPT" do sinh viên Dương Thị Trinh (chuyên ngành Sư phạm Vật lí, Khoa Lý – Hóa – Sinh, Trường Đại học Quảng Nam) thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Thị Vân Sa vào tháng 04 năm 2017.

Vật lý là bộ môn khoa học thực nghiệm, trong đó tư tưởng chủ đạo của chương trình sách giáo khoa trung học phổ thông (THPT) là hình thành kiến thức mới thông qua thí nghiệm và thực hành nhằm tích cực hóa hoạt động nhận thức, rèn luyện kỹ năng quan sát và sử dụng thiết bị cho học sinh. Tuy nhiên, trong thực tế giảng dạy chương trình Vật lý 10, trong khi các mảng kiến thức như Cơ học, Quang học hay Điện từ học đều được trang bị hệ thống thí nghiệm minh họa trực quan và bài thực hành trong phòng thí nghiệm, thì phần Nhiệt học – cụ thể là chương "Cơ sở của nhiệt động lực học" – chủ yếu được dạy bằng phương pháp lý thuyết thuần túy. Giáo viên thiếu các mô hình hoặc thí nghiệm vận hành thực tế để học sinh tìm hiểu, dù kiến thức của chương có tính ứng dụng kỹ thuật và đời sống rất cao. Việc thiếu thiết bị trực quan khiến học sinh gặp nhiều khó khăn trong việc hình dung nguyên lý chuyển hóa năng lượng cũng như nguyên tắc hoạt động của các động cơ nhiệt.

Xuất phát từ thực tiễn trên, đề tài xác định mục tiêu và hệ thống nhiệm vụ nghiên cứu:

• Mục tiêu nghiên cứu:
  1. Thiết kế và chế tạo mô hình động cơ đốt ngoài (động cơ Stirling) từ các vật liệu đơn giản nhằm nâng cao chất lượng dạy học phần Nhiệt học.
  2. Soạn thảo tiến trình dạy học bài 33: "Các nguyên lý của nhiệt động lực học" trong chương "Cơ sở của nhiệt động lực học" (Vật lý 10 cơ bản) có sử dụng mô hình thí nghiệm tự tạo.
• Nhiệm vụ nghiên cứu:
  1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về nguyên lý hoạt động của động cơ đốt ngoài.
  2. Nghiên cứu phương pháp thiết kế, chế tạo mô hình động cơ đốt ngoài.
  3. Thiết lập tiến trình dạy học sử dụng mô hình động cơ đốt ngoài trong tiết học.
• Giả thuyết khoa học: Nếu thiết kế, chế tạo được mô hình động cơ đốt ngoài và sử dụng một cách khoa học, hợp lý trong quá trình dạy học chương "Cơ sở của nhiệt động lực học" Vật lý 10 thì sẽ tạo được hứng thú học tập, phát huy tính tích cực, phát triển năng lực sáng tạo của học sinh, qua đó góp phần nâng cao chất lượng dạy học môn Vật lý ở trường THPT.
• Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu là quá trình dạy học Vật lý có sử dụng thí nghiệm trong chương "Cơ sở của nhiệt động lực học" Vật lý 10. Phạm vi nghiên cứu được triển khai khảo sát và thực nghiệm sư phạm tại Trường THPT Nguyễn Huệ, huyện Núi Thành, tỉnh Quảng Nam trong năm học 2016 – 2017.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết

Đề tài dựa trên hệ thống lý luận dạy học thực nghiệm và các nguyên lý nhiệt động lực học kỹ thuật:

• Lý luận về thí nghiệm vật lý và thí nghiệm tự tạo: Thí nghiệm vật lý được định nghĩa là sự tác động có chủ định, có hệ thống vào hiện thực khách quan để thu nhận tri thức mới. Thí nghiệm tự tạo là phương tiện do giáo viên và học sinh chế tạo từ các vật liệu đơn giản, dễ kiếm hoặc chi phí thấp. Khóa luận phân loại thí nghiệm tự tạo thành 3 nhóm (tái tạo theo mẫu sách giáo khoa, cải tiến từ thiết bị sẵn có, tạo mới theo sáng kiến) và xác lập 4 yêu cầu bắt buộc khi chế tạo: tính sư phạm (kích thước đủ lớn, kết cấu hở, không độc hại), tính thẩm mỹ (gia công cẩn thận), tính khả thi (dễ thao tác, tỷ lệ thành công cao) và tính khoa học (bố trí logic, dữ liệu chính xác).
• Lý thuyết động cơ Stirling: Động cơ do Robert Stirling phát minh năm 1816 tại Scotland nhằm thay thế nồi hơi áp suất cao dễ nổ của động cơ hơi nước. Đây là dạng động cơ nhiệt đốt ngoài hoạt động theo chu trình kín gồm 4 giai đoạn nhiệt động lực học:
  1. Giai đoạn 1 $\rightarrow$ 2 (Hâm nóng đẳng tích): Khí nhận nhiệt lượng $Q_H$ từ nguồn nóng ở nhiệt độ $T_H$, áp suất tăng đẩy pít-tông truyền lực đi lên.
  2. Giai đoạn 2 $\rightarrow$ 3 (Giãn nở đẳng nhiệt): Pít-tông truyền lực lên vị trí cao nhất, pít-tông tự do chuyển dịch đẩy khối khí sang vùng làm mát.
  3. Giai đoạn 3 $\rightarrow$ 4 (Làm lạnh đẳng tích): Toàn bộ khối khí ở vùng nhiệt độ thấp $T_C$, khí co lại kéo pít-tông truyền lực đi xuống.
  4. Giai đoạn 4 $\rightarrow$ 1 (Nén đẳng nhiệt): Pít-tông truyền lực nén khối khí, pít-tông tự do đẩy khí quay lại vùng nóng, nhận lại nhiệt lượng đã lưu giữ ở bộ phận trữ nhiệt (thép len cacbon).

Phương pháp nghiên cứu

Khóa luận phối hợp 3 nhóm phương pháp:

• Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Phân tích, tổng hợp tài liệu về lý luận dạy học, chương trình Vật lý 10, cấu tạo động cơ nhiệt và các công trình liên quan đến thí nghiệm tự chế.
• Phương pháp thực nghiệm sư phạm: Tổ chức dạy học đối chứng tại trường THPT để kiểm chứng giả thuyết khoa học.
• Phương pháp thống kê toán học: Xử lý định lượng kết quả kiểm tra đánh giá qua các tham số thống kê:
  • Điểm trung bình cộng: $\bar{X} = \frac{\sum f_i X_i}{n}$
  • Phương sai: $S^2 = \frac{\sum f_i (X_i - \bar{X})^2}{n - 1}$
  • Độ lệch chuẩn: $S = \sqrt{S^2}$

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu nghiên cứu gồm:

• Dữ liệu điều tra thực trạng từ phiếu khảo sát 11 giáo viên tổ Vật lý và 34 học sinh lớp 10/6 Trường THPT Nguyễn Huệ, huyện Núi Thành.
• Dữ liệu thực nghiệm sư phạm từ kết quả bài kiểm tra 15 phút sau bài học của 69 học sinh (34 học sinh lớp thực nghiệm 10/6 và 35 học sinh lớp đối chứng 10/4).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Cơ sở lý luận và thực tiễn về thiết kế, chế tạo và sử dụng thí nghiệm trong dạy học Vật lý

Chương 1 hệ thống hóa các khái niệm, phân loại thí nghiệm biểu diễn của giáo viên (thí nghiệm mở đầu, thí nghiệm nghiên cứu hiện tượng, thí nghiệm củng cố) và thí nghiệm thực tập của học sinh (trực diện, thực hành, tại nhà). Tác giả phân tích vai trò của thí nghiệm tự tạo đối với giáo viên (khắc phục thiếu thốn thiết bị, chống "dạy chay", phát huy tính chủ động) và học sinh (phát triển tư duy thực nghiệm, liên hệ lý thuyết với đời sống).

Khảo sát thực trạng tại Trường THPT Nguyễn Huệ mang lại các số liệu:

• Đối với giáo viên (n = 11): 100% giáo viên không sử dụng thí nghiệm khi dạy chương "Cơ sở của nhiệt động lực học"; 54,55% sử dụng phương pháp thuyết trình kết hợp trình chiếu PowerPoint và 45,45% dùng thuyết trình kết hợp đàm thoại; 100% giáo viên chưa từng tự chế tạo thiết bị cho chương này. Nguyên nhân chính là do nhà trường không có sẵn thiết bị, việc chế tạo đòi hỏi nhiều thời gian, thiếu kinh phí và hạn chế về kỹ năng cơ khí.
• Đối với học sinh (n = 34): 73,53% học sinh thích phương pháp dạy học có trình diễn thí nghiệm; 82,35% cảm thấy hứng thú, tò mò hơn khi có thí nghiệm; 55,88% đánh giá bài học có thí nghiệm dễ hiểu và nhớ lâu hơn; 100% học sinh chưa từng được tham gia tự làm dụng cụ thí nghiệm (85,29% do không được giáo viên định hướng hoặc tổ chức nhóm); 91,18% bày tỏ nguyện vọng muốn được tự chế tạo thiết bị để kiểm chứng kiến thức.

Chương 2: Thiết kế và sử dụng thí nghiệm tự tạo trong chương Cơ sở của nhiệt động lực học Vật lý 10 cơ bản

Tác giả phân tích cấu trúc chương gồm 3 nhóm kiến thức: các khái niệm nội năng - nhiệt lượng, hai nguyên lý nhiệt động lực học và nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt/máy lạnh. Khó khăn lớn nhất của học sinh là chỉ học thuộc công thức mà không hiểu bản chất vật lý của Nguyên lý I, không giải thích được vai trò của nguồn nóng - nguồn lạnh và cơ chế biến chuyển động tịnh tiến của pít-tông thành chuyển động quay của bánh đà.

Để khắc phục, tác giả đưa ra quy trình thiết kế và chế tạo mô hình động cơ Stirling kiểu pít-tông tự do từ các vật liệu tận dụng:

1. Chế tạo xi lanh lớn và pít-tông tự do: Cắt thân bình nhựa trong suốt thành hình trụ cao 12 cm; dùng đáy vỏ lon nước ngọt Coca-Cola cao dán cố định vào một đáy bằng keo AB để làm mặt tiếp xúc nhiệt; gắn ống co nhựa đường kính 21 mm vào lỗ đục cách miệng bình 2 cm; chế tạo pít-tông tự do bằng vỏ lon Coca-Cola thấp cao 7 cm, nhét cuộn thép len cacbon bên trong để lưu nhiệt và xỏ dây thép xuyên tâm.
2. Chế tạo trục khuỷu và giá đỡ: Uốn dây thép đường kính 1,5 mm thành trục khuỷu lệch pha (với các kích thước đoạn uốn: 4 cm - 1,5 cm - 3 cm - 3 cm - 0,6 cm); lon nước yến cắt bỏ nắp, đục 2 lỗ đối xứng cách miệng 1,5 cm làm gối đỡ trục khuỷu, thân lon trổ cửa sổ 9 cm x 5 cm; đáy lon nước yến đục lỗ tâm để luồn dây nối pít-tông tự do với trục khuỷu; gắn lon nước yến chồng lên thân bình nhựa bằng keo AB.
3. Chế tạo pít-tông truyền lực và bánh đà: Cắt màng bóng bay cách miệng 35 mm, bắt vít và vòng đệm chặt ở tâm màng cao su rồi bọc căng vào đầu co nhựa bằng dây chun; dùng dây kẽm nối đầu vít với trục khuỷu; đục lỗ đường kính 5 cm ở đáy vỏ lon sữa lớn làm đế đặt thân động cơ; sử dụng đĩa CD gắn miếng xốp cố định vào trục khuỷu làm bánh đà.
4. Vận hành: Đặt ngọn nến hoặc đèn dầu đốt dưới đáy vỏ lon nhôm (nguồn nóng), đặt một số mẩu đá lạnh lên phần lõm của lon phía trên (nguồn lạnh), trợ lực quay nhẹ bánh đà để động cơ tự vận hành liên tục.

Trên cơ sở thiết bị hoàn thiện, tác giả xây dựng tiến trình giáo án chi tiết cho Bài 33 ("Các nguyên lý của nhiệt động lực học"), tổ chức thành 2 hoạt động trọng tâm: Hoạt động 1 tìm hiểu Nguyên lý I thông qua quan sát động cơ vừa nhận nhiệt vừa sinh công ($\Delta U = A + Q$); Hoạt động 2 tìm hiểu Nguyên lý II, hiệu suất động cơ nhiệt qua cấu tạo 3 bộ phận của mô hình (nguồn nóng, nguồn lạnh, bộ phận phát động) và phân biệt rõ hai khái niệm nhiệt độ ($T$) và nhiệt lượng ($Q$).

Chương 3: Thực nghiệm sư phạm

Nội dung thực nghiệm được tiến hành tại Trường THPT Nguyễn Huệ nhằm đánh giá tính khả thi và kiểm chứng giả thuyết khoa học. Tác giả tiến hành chọn mẫu tương đương về học lực học kỳ I: lớp thực nghiệm 10/6 (34 học sinh, dạy bằng giáo án có mô hình động cơ) và lớp đối chứng 10/4 (35 học sinh, dạy bằng phương pháp thông báo lý thuyết và hình vẽ mô phỏng truyền thống).

Tiến trình thực nghiệm kết hợp quan sát định tính diễn biến giờ học và kiểm tra định lượng bằng bài kiểm tra 15 phút, sau đó xử lý dữ liệu bằng các bảng phân phối tần số, tần suất, tần suất tích lũy và tính toán các chỉ số thống kê.

Kết quả và đóng góp

Kết quả định tính

• Lớp đối chứng (10/4): Học sinh tiếp thu thụ động qua bảng và slide mô phỏng, không khí lớp học trầm, ít phát biểu, gặp lúng túng khi giải thích các hiện tượng thực tế và không đặt câu hỏi phản biện.
• Lớp thực nghiệm (10/6): Mô hình động cơ hoạt động ổn định trong tiết học, thu hút sự chú ý ngay từ phần đặt vấn đề; học sinh hào hứng, tích cực tham gia thảo luận, trả lời tốt các câu hỏi liên hệ thực tiễn và chủ động tìm hiểu cách tự chế tạo mô hình.

Kết quả định lượng

Dữ liệu điểm số bài kiểm tra 15 phút sau bài học giữa hai nhóm được thống kê trong các bảng dưới đây:

Nhóm lớp	Sĩ số ($n$)	Điểm 4	Điểm 5	Điểm 6	Điểm 7	Điểm 8	Điểm 9	Điểm 10
Thực nghiệm (10/6)	34	4	2	3	4	5	7	9
Đối chứng (10/4)	35	5	6	5	8	9	2	0

Bảng phân loại học lực của học sinh hai nhóm:

Phân loại học lực (Thang điểm)	Lớp Thực nghiệm (%)	Lớp Đối chứng (%)
Giỏi (Điểm 9 - 10)	47,06%	5,71%
Khá (Điểm 7 - 8)	26,47%	48,57%
Trung bình (Điểm 5 - 6)	14,71%	31,43%
Yếu (Điểm 3 - 4)	11,76%	14,29%
Kém (Điểm 0 - 2)	0,00%	0,00%

Các tham số thống kê đặc trưng:

• Điểm trung bình cộng lớp thực nghiệm đạt $\bar{X}_{TNg} = 7,54$ (cao hơn lớp đối chứng).
• Độ lệch chuẩn của lớp thực nghiệm đạt $S_{TNg} = 2,54$.

Đóng góp của đề tài

• Về mặt phương pháp dạy học: Cung cấp giải pháp kỹ thuật cụ thể để khắc phục tình trạng "dạy chay" chương "Cơ sở của nhiệt động lực học" Vật lý 10, chuyển đổi phương pháp truyền thụ một chiều sang trực quan thực nghiệm.
• Về mặt kỹ thuật tự làm thiết bị: Đưa ra bản vẽ kích thước và quy trình gia công từng bước mô hình động cơ Stirling từ phế liệu gia dụng (lon nước ngọt, chai nhựa, đĩa CD, bóng bay, thép len), có chi phí thấp và độ khả thi cao đối với điều kiện cơ sở vật chất của các trường phổ thông.
• Về mặt tài liệu dạy học: Xây dựng hoàn chỉnh giáo án thực nghiệm cho Bài 33, tích hợp quy trình biểu diễn thiết bị và hệ thống câu hỏi gợi mở bản chất vật lý của các nguyên lý nhiệt học.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

• Quy mô thực nghiệm: Nghiên cứu mới chỉ tiến hành thử nghiệm trên một phạm vi hẹp gồm 2 lớp (1 lớp thực nghiệm và 1 lớp đối chứng) tại một trường THPT trong 1 tiết học, chưa thực hiện lặp lại ở nhiều đơn vị trường khác nhau.
• Độ phân tán dữ liệu: Tác giả tự nhìn nhận do chưa có nhiều kinh nghiệm trong thiết kế đề kiểm tra, số lượng điểm 9 và điểm 10 ở lớp thực nghiệm chiếm tỷ lệ quá cao (47,06%), dẫn đến độ lệch chuẩn lớn ($S = 2,54$), phản ánh mức độ đồng đều về kết quả học tập trong nhóm thực nghiệm chưa thật sự ổn định.
• Độ bền vật liệu thiết bị: Thân xi lanh làm bằng nhựa và màng cao su pít-tông truyền lực có tính chịu nhiệt hữu hạn, dễ suy giảm độ đàn hồi hoặc hư hại nếu tiếp xúc nguồn nhiệt cao trong thời gian kéo dài; tính thẩm mỹ của sản phẩm tự chế còn thô sơ.

Hướng nghiên cứu tiếp

• Tiếp tục cải tiến mô hình, tìm kiếm các vật liệu trong suốt có khả năng chịu nhiệt và độ bền cao hơn để tăng tuổi thọ và tính thẩm mỹ cho thiết bị.
• Mở rộng nghiên cứu thiết kế đồng bộ hệ thống dụng cụ thí nghiệm tự tạo cho toàn bộ các bài học trong phần Nhiệt học Vật lý THPT.
• Tổ chức thực nghiệm sư phạm trên diện rộng ở nhiều trường THPT với bộ công cụ đánh giá đa dạng hơn nhằm thu được số liệu thống kê có độ tin cậy cao hơn.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là nguồn tài liệu hữu ích cho:

• Giáo viên Vật lý THPT: Tham khảo trực tiếp quy trình chế tạo mô hình động cơ Stirling giá rẻ và giáo án mẫu Bài 33 để đưa vào giảng dạy thực tế, thay thế các bài giảng trình chiếu mô phỏng tĩnh.
• Sinh viên ngành Sư phạm Vật lý: Học hỏi phương pháp luận về nghiên cứu thiết bị dạy học tự tạo, cách thiết kế giáo án tích hợp thí nghiệm và phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm sư phạm bằng công cụ thống kê toán học.
• Học sinh phổ thông và các câu lạc bộ STEM: Hướng dẫn kỹ thuật chi tiết giúp học sinh tự tay lắp ráp mô hình động cơ nhiệt vận hành được từ rác thải tái chế, phát triển kỹ năng kỹ thuật và tư duy sáng tạo.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ Stirling trong khóa luận hoạt động theo chu trình nhiệt động lực học nào?

Động cơ hoạt động theo chu trình Stirling kín gồm 4 giai đoạn nối tiếp nhau:

1. Hâm nóng đẳng tích ($1 \rightarrow 2$): Khí nhận nhiệt lượng $Q_H$ từ đáy lon nhôm, tăng áp suất.
2. Giãn nở đẳng nhiệt ($2 \rightarrow 3$): Khí nở ra sinh công đẩy màng cao su pít-tông truyền lực.
3. Làm lạnh đẳng tích ($3 \rightarrow 4$): Pít-tông tự do đẩy khí sang vùng làm mát bằng đá lạnh, khí giảm nhiệt độ và co lại.
4. Nén đẳng nhiệt ($4 \rightarrow 1$): Khí bị nén lại, đi qua cuộn len thép cacbon để nhận lại nhiệt lượng trước khi quay lại đáy nóng.

2. Các vật liệu chính được sử dụng để chế tạo mô hình gồm những gì?

Mô hình được làm từ các vật liệu dân dụng: thân bình nhựa trong suốt ($h = 12\text{ cm}$), vỏ lon Coca-Cola (loại cao làm đáy nhận nhiệt, loại thấp $h = 7\text{ cm}$ làm pít-tông tự do), cuộn thép len cacbon (làm bộ phận trữ nhiệt), lon nước yến (làm giá đỡ trục khuỷu), lon sữa lớn (làm chân đế), màng bóng bay (làm pít-tông truyền lực), co nhựa đường kính 21 mm, dây thép $1,5\text{ mm}$ (uốn trục khuỷu), đĩa CD (làm bánh đà) và keo dán AB.

3. Thực trạng sử dụng thí nghiệm phần Nhiệt học tại THPT Nguyễn Huệ trước khi nghiên cứu ra sao?

Khảo sát 11 giáo viên tổ Vật lý cho thấy 100% không dùng thí nghiệm và 100% chưa từng chế tạo thiết bị cho chương "Cơ sở của nhiệt động lực học" (dạy chủ yếu bằng thuyết trình và PowerPoint). Về phía học sinh ($n = 34$), 100% chưa từng tham gia tự làm thí nghiệm (trong đó 85,29% do không được hướng dẫn), nhưng 91,18% mong muốn được tự làm thí nghiệm để kiểm chứng bài học.

4. Kết quả thực nghiệm sư phạm giữa lớp 10/6 và lớp 10/4 có sự chênh lệch số liệu như thế nào?

Lớp thực nghiệm 10/6 ($n = 34$) đạt điểm trung bình $\bar{X} = 7,54$, tỷ lệ học sinh đạt loại Giỏi (điểm 9 - 10) là 47,06% (16 học sinh), không có điểm dưới 4. Trong khi đó, lớp đối chứng 10/4 ($n = 35$) chỉ đạt 5,71% học sinh loại Giỏi (2 học sinh), không có điểm 10, tập trung chủ yếu ở mức Khá (48,57%) và Trung bình (31,43%).

5. Tác giả tự nhìn nhận những hạn chế gì về mặt số liệu sau thực nghiệm?

Tác giả nêu rõ do chưa có nhiều kinh nghiệm trong khâu ra đề kiểm tra và mới chỉ thực nghiệm trên một lớp duy nhất, số lượng học sinh đạt điểm 9 và 10 của lớp thực nghiệm quá nhiều, dẫn đến độ lệch chuẩn cao ($S = 2,54$). Điều này phản ánh kết quả phân tán lớn và cần được thực nghiệm lại nhiều lần trên quy mô rộng hơn để chuẩn hóa dữ liệu.

Kết luận

Khóa luận của tác giả Dương Thị Trinh đã giải quyết thành công bài toán trực quan hóa kiến thức phần Nhiệt học Vật lý 10 thông qua việc thiết kế và chế tạo thành công mô hình động cơ Stirling từ vật liệu tái chế chi phí thấp. Đề tài đã xây dựng một tiến trình dạy học bài "Các nguyên lý của nhiệt động lực học" mang tính sư phạm rõ nét, kết hợp nhịp nhàng giữa lý thuyết và trình diễn trực quan. Kết quả thực nghiệm sư phạm tại Trường THPT Nguyễn Huệ khẳng định tính khả thi của mô hình, góp phần tạo hứng thú học tập và nâng cao kết quả lĩnh hội tri thức của học sinh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 Thông qua việc nghiên cứu cơ sở lí luận cũng như thực tiễn của vấn đề thiết kế chế tạo thí nghiệm tự tạo trong dạy học, đề tài bước đầu đã làm rõ một số nội dung sau đây: - Khái niệm thí nghiệm vật lí, thí nghiệm tự tạo. - Nêu được ưu điểm và hạn chế, yêu cầu và vai trò của thí nghiệm tự tạo trong dạy học môn vật lí. - Trình bày được thực trạng của việc sử dụng thí nghiệm trong dạy học chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” ở trường trung học phổ thông Nguyễn Huệ huyện Núi Thành. Qua việc điều tra thực trạng sử dụng thí nghiệm trong dạy học chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” cho thấy rõ hơn về vai trò của thí nghiệm trong dạy học vật lí, cụ thể là vai trò thí nghiệm trong chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” và sự cần thiết một thí nghiệm như mô hình động cơ đốt ngoài để phục vụ dạy học trong chương này.

THIẾT KẾ VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM TỰ TẠO TRONG CHƯƠNG CƠ SỞ CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC VẬT LÝ 10 CƠ BẢN 2. Đặc điểm cấu trúc chương cơ sở của nhiệt động lực học 2. Đặc điểm về kiến thức của chương Nội dung của chương này gồm 3 nhóm kiến thức: Các khái niệm: nôi năng, nhiệt lượng, quá trình thuận nghịch, quá trình không thuận nghịch Các nguyên lí của nhiệt động lực học Nguyên lí I nhiệt động lực Nguyên lí II nhiệt động học lực học Nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt và máy lạnh Nội dung chính kiến thức của chương này là các nguyên lí của nhiệt động lực học gồm nguyên lí I và II. Đây là hai nguyên lí cơ bản để giải thích nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt và máy lạnh.

Mục tiêu về kiến thức của chương - Nêu được nội năng gồm động năng của hạt(nguyên tử, phân tử) và thế năng tương tác giữa chúng. - Nêu được nội năng của một vật phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật đó. - Nêu được ví dụ về hai cách làm thay đổi nội năng. 10 - Phát biểu được nguyên lí I Nhiệt động lực học.

Viết được hệ thức của nguyên lí I Nhiệt động lực học. Nêu được tên, đơn vị và quy ước về dấu của các đại lượng trong hệ thức này. - Phát biểu được nguyên lí II Nhiệt động lực học. Mục tiêu về kỹ năng của chương - Vận dụng được mối quan hệ giữa nội năng với nhiệt độ và thể tích để giải thích một số hiện tượng liên quan.

- Giải thích được nguyên lí hoạt động của động cơ nhiệt và máy lạnh. - Giải được các bài tập về động cơ nhiệt và những bài tập vận dụng nguyên lí I nhiệt động lực học. Một số khó khăn của học sinh khi học chương cơ sở của nhiệt động lực học - Học sinh chỉ nắm được công thức mà không hiểu ý nghĩa vật lí của nguyên lí I. - Học sinh gặp khó khăn trong việc giải thích nguyên lí hoạt động của động cơ nhiệt và máy làm lạnh.

- Học sinh không hiểu về vai trò của nguồn nóng và nguồn lạnh trong động cơ nhiệt cũng như cách động cơ biến chuyển động tịnh tiến của pít-tông thành chuyển động quay của bánh đà. Một số nguyên nhân gây nên khó khăn của học sinh và biện pháp khắc phục - Giáo viên khi dạy về nguyên lí I của nhiệt động lực học, đa số giáo viên chỉ thông báo cho học sinh biết về kiến thức này, mà không thể cho học sinh một ví dụ minh họa cụ thể. - Hiện nay thí nghiệm về động cơ nhiệt để phục vụ cho chương này không có, chỉ có những mô hình cho học sinh quan sát, hay những thí nghiệm mô phỏng trình chiếu trên máy, nên các em thấy khó có thể hình dung một động cơ nhiệt thật sự hoạt động như thế nào. - Vậy biện pháp thiết thực để giải quyết một số nguyên nhân trên là cần một mô hình động cơ nhiệt hoạt động để trình diễn trong các tiết dạy.

Thiết kế và chế tạo thí nghiệm động cơ đốt ngoài 2.Giới thiệu động cơ stirling Động cơ stirling được phát minh vào năm 1816 do ông Robert Stirling – một mục sư người Scotland sáng tạo ra. Phát minh này nhằm tạo ra một sự lựa chọn an toàn hơn động cơ hơi nước đang phổ biến lúc bấy giờ. Nồi hơi của động cơ hơi nước thường xảy ra hiện tượng nổ do áp suất cao của hơi nước.1 Robert Stirling – Người phát minh ra động cơ stirling Thực ra, những ý tưởng phát minh ra một loại động cơ mới thay thế cho động cơ hơi nước đã xuất hiện từ đầu những năm 1699 khi những điều luật đầu tiên về khí thải ra đời. Năm 1807 nhà phát minh người Anh George Cayley đã phát minh ra động cơ khí nóng.

Nhưng mô hình động cơ stirling của Robert Stirling đưa ra năm 1816 là được chú ý hơn cả và được xem là đáng giá nhất. Động cơ stirling cũng là một loại động cơ nhiệt thuộc nhóm động cơ đốt ngoài như động cơ hơi nước nhưng nguyên lý sinh công của nó lại khác hẳn. Động cơ stirling sử dụng một nguồn nóng để nung nóng môi chất công tác (thường là không khí, hydrogen hay helium) bên trong xilanh làm cho nó giãn nở và sinh công, sau đó lại dùng một nguồn lạnh để giải nhiệt cho môi chất công tác trước khi đẩy nó trở lại về phía đầu nóng.2 Mô hình động cơ của Robert Stirling sáng chế năm 1816 Môi chất công tác bên trong xilanh của động cơ stirling là một khối khí bị cô lập và không bị đốt cháy, do đó không tiêu thụ nhiên liệu và xả khí thải ra môi trường. Nếu nguồn nhiệt bên ngoài dùng để cung cấp nhiên lượng cho động cơ stirling là sạch (như năng lượng mặt trời, nhiệt lượng từ đốt rác thải…) thì đây là loại động cơ thân thiện với môi trường hơn rất nhiều so với các loại động cơ tiêu thụ nhiên liệu, xả khí thải ra môi trường.

Và đặc biệt, động cơ striling có thể dùng trong dạy học để minh họa một cách trực quan các kiến thức của chương “ Cơ sở của nhiệt động lực học ”. Cấu tạo của động cơ striling kiểu piston tự do Thiết kế của động cơ stirling thường có một khối khí bao bọc trong buồng kín hay trong một xilanh, trong đó các chất khí có thể là không khí, hydro hay heli. Buồng chứa chất khí có hai phần, một phần tiếp xúc với nguồn nhiệt có nhiệt độ cao, phần kia tiếp xúc với nơi có nhiệt độ thấp. Động cơ stirling loại này có một pit-tông nhỏ gọi là pit-tông truyền lực gắn liền với một xi-lanh nhỏ hoặc một lớp màng cao su (tùy trường hợp động cơ hoạt động ở nhiệt độ cao hay thấp ), một pit-tông thứ hai nằm bên trong, không khít chặt với một xi-lanh lớn khác, gọi là pit-tông tự do.

Vai trò của pit-tông này là di chuyển khối khí bên trong xi-lanh lên xuống giữa hai vùng có nhiệt độ khác nhau trên động cơ, một vùng được nguồn nhiệt nung nóng và một vùng được làm mát. Hai pit-tông được liên kết với nhau sao cho chuyển động của chúng lệch pha nhau 900 để khi pit-tông truyền lực đang di chuyển chậm lên vị trí cao nhất hay 13 thấp nhất thì pit-tông tự do ở điểm giữa của quỹ đạo chuyển động với vận tốc lớn nhất. Một bộ phận quan trọng trong động cơ stirling là phần giữ nhiệt, nằm trên đường di chuyển của khối khí từ phần nóng sang phần lạnh, thường làm bằng khối dây kim loại. Nó có tác dụng hấp thụ nhiệt của khối khí từ phần nóng đi qua, lưu giữ nhiệt năng này và hâm nóng khối khí đi từ phần lạnh tới.

Trong thiết kế này, piston tự do vừa đóng vai trò đẩy khí qua lại giữa phần nóng và phần lạnh, vừa có vai trò giữ nhiệt. Nguyên lí hoạt động của động cơ stirling Động cơ stirling hoạt động theo chu trình stirling gồm bốn giai đoạn: hâm nóng, giãn nở, làm lạnh và nén. Chu trình stirling lý tưởng là một chu trình nhiệt động lực học thuận nghịch, do đó có cùng hiệu suất với chu trình carnot (khi hoạt động giữa các nguồn nhiệt giống nhau). Trong thực tế, hiệu suất chu trình stirling thực tế thấp hơn hiệu suất chu trình lý tưởng vì do ma sát và thất thoát nhiệt (do truyền trực tiếp từ phần nóng sáng phần lạnh), nhưng hiệu suất chu trình stirling thực tế cao hơn động cơ đốt ngoài khác như động cơ hơi nước và cao hơn hầu hết các động cơ đốt trong hiện đại (động cơ diesel hay động cơ xăng).

Trong dạy học ở các trường phổ thông có thể sử dụng kiểu pit-tông tự do như hình 2.3 Các giai đoạn hoạt động của chu trình stirling loại pit-tông tự do Ở vị trí 1, pit-tông tự do đang ở vị trí trên cùng, lúc này lượng khí sẽ chiếm chỗ vùng nóng đang ở nhiệt độ TH. Khí nhận nhiệt lượng QH, dãn nở và 14 đẩy pit-tông truyền lực di chuyển lên phía trên, đồng thời piston tự do bắt đầu di chuyển xuống dưới, giai đoạn 1→2 gọi là hâm nóng đẳng tích. Ở vị trí 2, pit-tông truyền lực ở vị trí cao nhất của quỹ đạo chuyển động. Giai đoạn pit-tông truyền lực di chuyển chậm lên vị trí cao nhất được xem như quá trình đẳng tích.

Pit-tông tự do lúc này di chuyển đến vùng nóng, đẩy khí di chuyển lên vùng lạnh, đồng thời piston truyền lực bắt đầu di chuyển xuống dưới. Giai đoạn 2→3 gọi là giãn nở đẳng nhiệt. Ở vị trí 3, Piston tự do đang ở vị trí thấp nhất, lúc này toàn bộ lượng khí đang ở vùng lạnh, khí sẽ co lại và kéo piston truyền lực đi xuống đồng thời piston tự do bắt di chuyển đi lên. Giai đoạn 3→4 gọi là làm lạnh đẳng tích.

Ở vị trí 4, pit-tông truyền lực di chuyển chậm và bị nén hoàn toàn ở vi trí thấp nhất của quỹ đạo. Pit-tông tự do di chuyển lên trên và đẩy khối khí xuống vùng nóng. Khi khối khí lạnh đi ngang qua pit-tông tự do, nó sẽ nhận lại nhiệt lượng QH đã trữ trước đó, đồng thời piston truyền lực bắt đầu di chuyển lên trên. Giai đoạn 4→1 gọi là nén đẳng nhiệt.

Động cơ stirling khi hoàn tất chu trình sẽ trở về vị trí 1 và cứ thế lặp đi lặp lại. Thiết kế và chế tạo chế tạo động cơ stirling a. Vật liệu chế tạo động cơ stirling từ bình nhựa như hình 2.4 Vật liệu chế tạo động cơ stirling b.