Sáng kiến kinh nghiệm THPT: Hướng dẫn học sinh nghiên cứu khoa học kỹ thuật với dự án nghiên cứu máy nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời có gắn cảm biến nhiệt độ

Chia sẻ: Caphesua | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Sáng kiến nhằm phát động rộng rãi trong toàn trường nhằm lan tỏa đến toàn thể học sinh nhằm giúp cho học sinh có thể vận dụng kiến thức đã học để giải quyết các vấn đề cuộc sống, và giúp cho việc đổi mới việc dạy và học ngày càng đi vào chiều sâu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Sáng kiến kinh nghiệm THPT: Hướng dẫn học sinh nghiên cứu khoa học kỹ thuật với dự án nghiên cứu máy nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời có gắn cảm biến nhiệt độ

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG THPT NGUYỄN CHÍ THANH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc An Giang, ngày 10 tháng 01 năm 2019. BÁO CÁO Kết quả thực hiện sáng kiến, cải tiến, giải pháp kỹ thuật, quản lý, tác nghiệp, ứng dụng tiến bộ kỹ thuật hoặc nghiên cứu khoa học sư phạm ứng dụng I- Sơ lược lý lịch tác giả: - Họ và tên: Phan Văn Quang Nam, nữ: Nam - Ngày tháng năm sinh: 1987 - Nơi thường trú: TT Chợ Vàm- Phú Tân – An Giang - Đơn vị công tác: THPT Nguyễn Chí Thanh - Chức vụ hiện nay: Giáo viên - Trình độ chuyên môn: Thạc sĩ Hóa học - Lĩnh vực công tác: giáo viên dạy lớp II.- Sơ lược đặc điểm tình hình đơn vị: - Cuộc thi nghiên cứu khoa học kỹ thuật dành cho học sinh là cuộc thi được tổ chức thường niên, nó là cơ hội để các em học sinh học hỏi giao lưu và thể hiện niềm đam mê với nghiên cứu khoa học, tuy nghiên việc thực hiện các đề tài nghiên cứu ở các trường nông thôn gặp nhiều khó khăn. Cụ thể như đối với các dự án cần phải đo kết quả ở các trung tâm phân tích, hay tìm mua các dụng cụ thí nghiệm, hoặc kinh phí để thực hiện dự án. Tuy nhiên bù đắp lại những khó khăn đó là sự hỗ trợ có hiệu quả từ ban giám hiệu, thầy cô và lòng say mê nghiên cứu của các em nên hằng năm trường đều các sản phẩm tham dự cuộc thi khoa học kỹ thuật và đạt kết quả tốt. - Tên sáng kiến/đề tài giải pháp: hướng dẫn học sinh nghiên cứu khoa học kỹ thuật với dự án “nghiên cứu máy nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời có gắn cảm biến nhiệt độ” - Lĩnh vực: năng lượng vật lý. III. Mục đích yêu cầu của đề tài, sáng kiến: 1. Thực trạng ban đầu trước khi áp dụng sáng kiến - Khuyến khích học sinh trung học nghiên cứu khoa học; sáng tạo kỹ thuật, công nghệ và vận dụng kiến thức của các môn học vào giải quyết những vấn đề thực tiễn , theo yêu cầu sở giáo dục nhà trường tổ chức chuyển khai cuộc thi nghiên cứu khoa học đến toàn học sinh, thông qua các buổi sinh hoạt dưới cờ, các tiết sinh hoạt chủ nhiệm, các buổi hoạt động ngoại khóa nhằm khơi gợi cho học sinh ý tưởng khoa học. - Các em có nhiều ý tưởng trao đổi với giáo viên xuất phát từ kiến thức đã học, nhu cầu bức thiết của cuộc sống, các vấn đề nóng của xã hội, môi trường. Tuy nhiên Trang: 1
việc tiến hành nghiên cứu dựa trên các ý tưởng đó còn gặp rất nhiều khó khăn, do điều kiện nghiên cứu nhà trường, địa phương, kinh phí làm đề tài, và trình độ giáo viên hướng dẫn, do vậy việc lựa chọn một đề tài phù hợp với các yêu cầu trên là sự căn nhắc khó khăn giữa giáo viên hướng dẫn và học sinh để đề tài được thực hiện thành công. - Trong nhiều ý tưởng học sinh đề xuất có ý tưởng về sự cần thiết sử dụng năng lượng mặt trời để làm nóng nước phục vụ nhu cầu sinh hoạt hộ gia đình, qua tìm hiểu thông tin thiết bị nước nóng trên thị trường cũng như các thiết bị tự chế người dân và các dự án liên quan đã dự thi, thầy và trò tiến hành thực hiện dự án "Nghiên cứu máy nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời có gắn cảm biến nhiệt độ". 2. Sự cần thiết phải áp dụng sáng kiến - Nghiên cứu khoa học trong học sinh được ngành giáo dục tổ chức trong nhiều năm qua. Đã có rất nhiều cuộc thi được tổ chức và cũng nhiều lớp tập huấn được triển khai. Tuy nhiên phong trào tham gia ở các trường vẫn còn hạn chế chỉ tập trung vào một vài giáo viên. Thông qua sáng kiến nhằm phát động rộng rãi trong toàn trường nhằm lan tỏa đến toàn thể học sinh nhằm giúp cho học sinh có thể vận dụng kiến thức đã học để giải quyết các vấn đề cuộc sống, và giúp cho việc đổi mới việc dạy và học ngày càng đi vào chiều sâu. - Về nội dung dự án giải quyết vấn đề cần thiết cuộc sống: + Nước ta nằm trong khu vực có khí hậu nhiệt đới gió mùa nên việc sử dụng năng lượng mặt trời để làm nóng nước là rất cần thiết. + Những chiếc máy nước nóng năng lượng mặt trời trên thị trường có giá thành cao. Và thực tế đã có một số máy nước nóng năng lượng mặt trời do người dân tự chế tạo, tuy nhiên những chiếc máy đó có hạn chế là không giữ được nhiệt độ của nước lâu. + Từ suy nghĩ đó nhóm học sinh đã nghiên cứu tạo ra một thiết bị làm nóng nước bằng năng lượng mặt trời và có thể tự động thu nước nóng xuống dự trữ ở bình bảo ôn để giữ được nhiệt độ nước lâu hơn. 3. Nội dung sáng kiến 3.1 Tiến trình thực hiện: Bước 1: Phát động cuộc thi nghiên cứu khoa học trong toàn trường, do ban giám hiệu nhà trường thực hiện. Bước 2: Học sinh suy nghĩ các ý tưởng tìm đến giáo viên để hỗ trợ thực hiện ý tưởng của bản thân. Bước 3: Dựa trên ý tưởng và giả thuyết khoa học, xây dựng kế hoạch nghiên cứu cụ thể. Bước 4: Tiến hành nghiên cứu, hoàn thiện sản phẩm, và viết bài báo cáo kết quả nghiên cứu. Bước 5: hướng dẫn cho các em tham gia các cuộc thi vòng trường, vòng sơ khảo, vòng 2. Trang: 2
3.2 Thời gian thực hiện: - Phát động cuộc thi nghiên cứu khoa học kỹ thuật: 1/2018 - Thời gian xây dựng kế hoạch nghiên cứu: 8/2018 - 9 /2018 - Thời gian thực hiện 9/2018 - 12/2018. - Học sinh tham gia dự án + Dương Thị Bích Duyên Lớp: 11C6 + Trần Quang Huy Lớp: 10C7 3.3 Tổ chức thực hiện nghiên cứu dự án khoa học. 3.3.1. Dự án nghiên cứu vấn đề gì? Dự án nghiên cứu về việc sử dụng nguồn năng lượng từ ánh sáng mặt trời để đun nóng nước. Sử dụng cảm biến nhiệt độ để quản lí nhiệt độ của nước và điều khiển lượng nước cung cấp và lượng nước nóng nhận được bằng van điện từ giúp máy có khả năng tự hoạt động để thu được nước nóng mà không cần nhờ sự can thiệp của con người. Sử dụng bình dự trữ để bảo quản nhiệt độ của nước nóng. Bên cạnh đó thiết bị phải đảm bảo chi phí lắp đặt thấp phù hợp với thu nhập của tất cả mọi người 3.3.2. Các giả thuyết khoa học phục vụ cho quá trình nghiên cứu dự án a. Hiệu ứng nhà kính: Khi Mặt Trời xuyên qua kính thì các tia sáng có bước sóng < 0,7μm sẽ qua được kính. Khi năng lượng bức xạ Mặt Trời xuyên qua các cửa sổ hoặc máy nhà bằng kính sẽ xảy ra các tương tác của các photon lên vật chất làm phát xạ các tia hồng ngoại (có bước sóng > 0,7 μm) nên không khỏi đi ra khỏi nhà kính và kèm theo một nhiệt lượng dẫn đến không khí bên trong nóng lên kể cả những vị trí không được chiếu sáng trực tiếp. b. Bức xạ Mặt Trời: Bức xạ mặt trời là dòng vật chất và năng lượng của Mặt Trời phát ra. Đây chính là nguồn năng lượng chính cho các quá trình phong hóa, bóc mòn, vận chuyển, bồi tụ trên Trái Đất, cũng như chiếu sáng và sưởi ấm cho các hành tinh trong hệ Mặt Trời. c. Phương pháp đối lưu: Đối lưu là sự di chuyển của những nhóm phân tử trong chất lưu như chất lỏng, chất khí hay chất lưu biến (rheid). Đối lưu có thể diễn ra thông qua bình lưu hoặc qua khuếch tán hoặc qua cả hai. Dòng đối lưu có thể chảy nhờ lực đẩy Ácsimét, khi chênh lệch nhiệt độ kéo theo chênh lệch mật độ của chất lưu trong trường lực hấp dẫn; hoặc có thể bị cưỡng bức bằng một dòng chảy do ngoại lực tác động như bơm. d. Cảm biến nhiệt độ: Cảm biến nhiệt độ là một thiết bị dùng để cảm nhận lượng nhiệt tại khu vực cần đo. Mục đích sử dụng cảm biến nhiệt độ là để báo cho người dùng biết lượng nhiệt hiện tại trong khu vực cần đo là bao nhiêu. Cảm biến nhiệt độ được thiết kế rất nhiều loại với nhiều dãy đo; độ bền và độ chính xác khác nhau tùy theo từng khu vực đo mà người dùng nên chọn thiết bị dò nhiệt hợp lý. Trang: 3
Hình 1: Cảm biến nhiệt độ e. Van điện từ: Van điện từ là một thiết bị cơ điện, dùng để kiểm soát dòng chảy chất khí hoặc chất lỏng dựa vào nguyên lí chặn đóng mở do lực tác động của cuộn dây điện từ. Hình 2: van điện từ 3.3.3. Tóm tắt quá trình nghiên cứu dự án và kết quả thu được. A. Thí nghiệm áp dụng biện pháp hiệu ứng nhà kính và dùng nguồn năng lượng ánh sáng Mặt Trời để đun nóng nước. a. Chuẩn bị: - 1 thùng xốp, 1 thùng nhựa đen, nhiệt kế 100oC, 1 tấm kính, 10 lít nước. b. Tiến hành: * Điều kiện tiến hành: trời hoang mây, nắng tốt. - Đặt thùng nhựa đen vào bên trong thùng xốp, sau đó đổ nước vào sao cho mực nước có độ sâu khoảng 15cm. Dùng một tấm kính đậy kín lên trên mặt thùng. Đặt phơi dưới trời nắng, dùng nhiệt kế để đo nhiệt độ của nước sau mỗi 30 phút. - Lưu ý tấm kính đậy đặt gốc nghiêng 20o so với thùng đề giảm hiện tượng nước bám lên mặt kính. Hình 3: Mô hình thí nghiệm thiết bị làm nóng nước từ năng lượng mặt trời. Trang: 4
C. kết quả: Kết quả thí nghiệm cho thấy nhiệt độ nước có thể đạt 72oC. B. Thí nghiệm về áp dụng phương pháp đối lưu của chất lỏng để thu nhận lượng nước nóng do máy cung cấp: a. Chuẩn bị: - 600 ml nước nóng, 600 ml nước lạnh, 1 ống màu thực phẩm, Bình thông nhau b. Tiến hành Cho vài giọt màu thực phẩm vào cốc 1 chứa đầy nước nóng, và 1 cốc chứa đầy nước lạnh. Hai cốc thông với nhau và có khóa K ở giữa. Đặt cốc nước lạnh cao hơn cốc nước nóng sau đó mở khóa K và cho nước lạnh từ từ dẫn qua cốc nước nóng. Nước nóng bị đẩy lên trên và tràn ra ngoài, khảo sát sự thay đổi nhiệt độ nước nóng theo thể tích nước tràn ra. Hình 4: Mô hình thí nghiệm phương pháp đối lưu. c. Kết quả Trang: 5
Qua thí nghiệm ta nhận được kết quả khi nhiệt độ nước giảm 3oC ta có thể thu được 50% lượng nước trong cốc nước nóng. C. Thí nghiệm về khả năng hoạt động của cảm biến nhiệt độ và van điện từ a. Chuẩn bị, cài đặt cảm biến nhiệt độ - Cảm biến nhiệt độ, van điện từ, cốc nước 500ml, đèn cồn - Thiết lập nhiệt độ ở cảm biến nhiệt là P0= 600C - Biên độ nhiệt dao động P1= 3 b. Tiến hành - Lắp các thiết bị theo hình mô hình sau: Hình 5: Mô hình thí nghiệm hoạt động cảm biến nhiệt và van điện từ - Cho nhiệt độ nước tăng dần đến 600C, sau đó hạ nhiệt độ nước xuống dưới 570C quan sát sự hoạt động cảm biến nhiệt độ và van điện từ. - Việc cài đặt nhiệt độ phù hợp với nhiệt độ môi trường và cũng theo mong muốn người sử dụng. c. kết quả: Trang: 6
Khi nhiệt độ tăng lên đến nhiệt độ cài đặt van điện từ sẽ mở cho nước đi qua và khi nhiệt độ hạ xuống dưới nhiệt độ cài đặt van sẽ đóng và không cho dòng nước đi qua. Ngoài ra, tuỳ theo yêu cầu sử dụng của mọi người và thời tiết như thế nào thì chúng ta có thể thay đổi cài đặt nhiệt độ. D. Thiết kế máy nước nóng năng lượng mặt trời có gắn cảm biến nhiệt độ: a. Chuẩn bị - 2 thùng xốp, 1 Thùng nhựa màu đen bên trong - 1 Cảm biến nhiệt độ 12V (công suất 0,5W), 1 Van điện từ (12V; ϕ = 13mm, công suất 2W) - Nguồn điện 12V, Ống nước, 1 tấm kính. CHÚ THÍCH b. Tiến hành. (1) Nguồn nước lạnh vào. Tiến hành lắp ráp mô hình theo sơ đồ sau: (2) Van điện từ đóng mở nước lạnh vào bình số 4. (3) Cảm biến nhiệt, đo nhiệt độ nước trong bình số 4 để điều khiển van điện từ. (4) Bình nước hấp thụ năng lượng mặt trời để đun nóng nước. (5) ống xả nước nóng vào bình bảo ôn số 7. (6) Kính trong suốt để cho ánh sáng chiếu vào bình số 4, và tạo hiệu ứng nhiệt trong bình số 4. (7) Bình bảo ôn chứa nước nóng để phục vụ nhu cầu sinh hoạt. (8) Nguồn điện 12v cho van điện từ và cảm biến nhiệt Hình 6: sơ đồ cấu tạo máy nước nóng năng lượng mặt trời. c. Nguyên lí hoạt động - Sử dụng nguồn điện 12V để làm nguồn cung cấp điện cho cảm biến nhiệt độ (3) và van điện từ (2). - Nước sẽ hấp thu năng lượng mặt trời và được làm nóng nước trong bình (4) nhiệt Trang: 7
độ của nước tăng lên, khi nhiệt độ đạt 600C thì cảm biến nhiệt độ (3) sẽ tự cảm nhận được nhiệt độ của nước và đóng role điện, khi đó dòng điện đi qua van điện từ (2), và van điện từ sẽ mở ra, dòng nước lạnh đi qua van cung cấp vào bình (4) từ phía dưới lên theo phương pháp đối lưu, từ đó nước nóng sẽ tự động dâng lên và tràn ra ống dẫn xuống bình bảo ôn (7) để dự trữ nước nóng. - Khi nhiệt độ nước trong bình số (4) giảm xuống 57oC thì cảm biến nhiệt điều khiển role ngắt dòng điện van điện từ sẽ đóng, nước trong bình (4) giữ ỗn định để tiếp tục làm nóng theo một chu trình kế tiếp. - Chu trình đó sẽ lặp đi lặp lại cho đến khi trời không còn nắng. d. khảo sát thực tế Tiến hành khảo sát thử nghiệm máy nước nóng năng lượng 5 ngày khác nhau (vào những ngày trời quang mây nắng tốt) để kiểm tra khả năng hoạt động và lượng nước nóng thu được. e. Kết Quả: thể tích nước nóng 59oC thu được trong một ngày. Hình 7: kiểm tra sự hoạt động máy nước nóng năng lượng mặt trời. Trang: 8
Lần khảo sát Ngày 1 Ngày 2 Ngày 3 Ngày 4 Ngày 5 Nhiệt độ không khí 30,5 oC 30,2 oC 31,0 oC 30,5 oC 31,2 oC Lượng nước nóng 36 lít 36 lít 38,5 lít 39 lít 42 lít thu được (lít/ngày) - Lượng nước nóng 590C thu được trung bình trong một ngày là 38 lít. - Máy nước nóng năng lượng mặt trời hoạt động tốt đáp ứng mục tiêu đề ra. IV. Hiệu quả đạt được: - Với việc lựa chọn nội dung dự án phù hợp với điều kiện nghiên cứu nhà trường, việc tích cực tham gia nghiên cứu của hai học sinh và sự hỗ trợ nhà trường. Dự án đã được thực hiện đúng với thời gian đề ra tháng 12 năm 2018. - Dự án đã đạt được giải nhì vòng 2 tổ chức tại trường THPT Chuyên Thoại Ngọc Hầu tháng 12/2018. - Dự án đã đạt được kết quả thực tiễn sau: + Máy nước nóng có thể làm nóng nước bằng năng lượng mặt trời. + Máy có thể tự cảm nhận được nhiệt độ của nước thông qua cảm biến nhiệt và điều khiển van điện từ tự động đóng, mở nước để thu được nước nóng mà không cần sự tác động của con người. + Máy có tích hợp bình dự trữ nước để bảo quản nhiệt độ của nước khi gặp phải thời tiết thất thường hoặc ban đêm. + Giá của sản phẩm là 400.000 đồng, phù hợp với tất cả mọi người. Những người có thu nhập thấp đến trung bình đều có thể sử dụng được sản phẩm. V. Mức độ ảnh hưởng - Với việc thực hiện các bước cơ bản của việc nghiên cứu một dự án khoa học kỹ thuật, không chỉ giúp ích cho bản thân học sinh tham gia nghiên cứu mà còn tác động đến tất cả học sinh toàn trường về niềm đam mê nghiên cứu khoa học để thực hiện nhiều nghiên cứu khoa học trong tương lai. - Sản phẩm thu được của dự án là “máy nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời có gắn cảm biến nhiệt độ” thiết bị này phù hợp với tất cả các hộ gia đình trong việc sử dụng nước nóng trong sinh hoạt. VI- Kết luận: Hướng dẫn học sinh nghiên cứu khoa học kỹ thuật với đề tài “nghiên cứu máy nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời có gắn cảm biến nhiệt độ” đã thu được các kết quả sau: - Đã khơi dậy trong học sinh tình yêu khoa học, say mê nghiên cứu và vận dụng các kiến thức đã học áp dụng vào thực tiễn cuộc sống. Thông qua đó lan truyển niềm đam mê nghiên cứu khoa học đến tất cả học sinh trong nhà trường. Trang: 9
- Nâng cao ý thức của học sinh về bảo vệ môi trường biết sử dụng có hiệu quả các nguồn năng lượng có hạn và vô hạn. - Nâng cao ý thức cộng đồng biết quan tâm đến cuộc sống của người dân trong mỗi học sinh. - Hình thành kiến thức cơ bản ở học sinh về việc tìm kiếm ý tưởng, lặp kế hoạch và tiến hành thực hiện ý tưởng đó. - Hướng dẫn học sinh nghiên cứu khoa học kỹ thuật là góp phần đổi mới hình thức tổ chức dạy học và đánh giá kết quả học tập theo định hướng phát triển năng lực và phẩm chất của học sinh; thúc đẩy giáo viên tự bồi dưỡng nâng cao năng lực chuyên môn, nghiệp vụ; nâng cao chất lượng dạy học trong các cơ sở giáo dục trung học. Tôi cam đoan những nội dung báo cáo là đúng sự thật. Xác nhận của đơn vị áp dụng sáng kiến Người viết sáng kiến Phan Văn Quang Trang: 10