Báo cáo nghiên cứu khoa học: "Bồi dưỡng năng lực tư duy sáng tạo cho học sinh lớp 11 thông qua xây dựng và sử dụng bài tập thí nghiệm chương "Dòng điện không đổi""

trờng Đại học Vinh Tạp chí khoa học, tập XXXVII, số 4a-2008 Bồi dỡng lực t sáng tạo cho học sinh lớp 11 thông qua xây dựng sử dụng tập thí nghiệm chơng Dòng điện không đổi Nguyễn Quang Lạc (a) , Bùi Danh Hào (a) Tóm tắt Bài tập thí nghiệm có tác dụng tốt việc bồi dỡng lực t sáng tạo cho học sinh dạy học Vật lí Tuy nhiên loại tập đợc sử dụng thực tiễn dạy học môn Bài báo trình bày kết xây dựng sư dơng hƯ thèng bµi tËp thÝ nghiƯm (qua ví dụ minh hoạ) cho chơng Dòng điện không đổi" Vật lí lớp 11 Đặt vấn đề Dựa thực tiễn dạy học Vật lí nớc tiên tiến, chuyên gia giáo dục đà khẳng định rằng, tập thí nghiệm (BTTN) có vai trò tác dụng tốt việc bồi dỡng t sáng tạo cho học sinh (HS) nh: - Bồi dỡng lực nhận thấy vấn đề điều kiện quen biết (tự đặt câu hỏi cho ngời chất tợng vật lí) - Bồi dỡng cho HS khả huy động kiến thức đà học vào giải tình thực tiễn - Bồi dỡng lực biết đề xuất giải pháp khác phải xử lí tình Do sử dụng BTTN hớng đáp ứng đợc yêu cầu đổi phơng pháp dạy học Vật lí Thế nhng qua điều tra thấy BTTN hầu nh không đợc nhắc đến dạy học Vật lí trờng THPT Trong điều kiện để sử dụng BTTN không ngặt nghèo, BTTN đòi hỏi thiết bị đơn giản, thời gian thực lên lớp Từ thực trạng đó, đà tập trung nghiên cứu tiến trình xây dựng sử dụng BTTN cho chơng Dòng điện không đổi Vật lí lớp 11 nâng cao THPT Trong tơng lai mở rộng cho chơng khác chơng trình môn Xây dựng hệ thống BTTN chơng Dòng điện không đổi Vật lí lớp 11 2.1 Yêu cầu chung Hệ thống BTTN cho chơng Dòng điện không đổi đợc phân dạng theo cấu trúc nội dung SGK để tiện lợi cho việc học tập giảng dạy Các tập phải xếp từ đơn giản đến phức tạp phù hợp cho đối tợng học sinh Nội dung tập phải phù hợp với kiến thức chơng trình SGK phải thiết thực gần gũi với sống hàng ngày HS Các thiết bị TN phải đơn giản, dễ tìm, dễ chế tạo có sẵn phòng thí nghiệm Các thao tác TN không khó 2.2 Các dạng BTTN chơng dòng điện không đổi Dựa vào nội dung chơng Dòng điện không đổi" ta đa số dạng BTTN áp dụng cho chơng nh sau: Nhận ngày 25/8/2008 Sửa chữa xong 18/12/2008 47 N Q Lạc, B D Hào Bồi dỡng lực t sáng tạo , TR 47-55 Dạng 1: Các BTTN nguồn điện, định luật Ôm đoạn mạch có điện trở Dạng tập giúp ta nghiên cứu cấu tạo hoạt động nguồn điện chiều (pin acquy), nghiên cứu đại lợng đặc trng cho dòng điện không đổi: cờng độ dòng điện, hiệu điện (HĐT), điện trở đoạn mạch có điện trở Khi giải tập dạng này, yêu cầu HS phải nắm đợc nguyên tắc cấu tạo, hoạt động pin acquy, vận dụng đợc định luật Ôm cho đoạn mạch có điện trở HS biết làm số thao tác bản: Lắp ráp mạch điện, quan sát tợng, đo đạc số đại lợng: I, U, Rbằng dụng cụ thông thờng Dạng 2: Các BTTN điện năng, công suất điện Định luật Jun-Len-xơ Dạng tập chủ yếu nghiên cứu điện tiêu thụ, công suất dụng cụ tiêu thụ điện Khi giải tập dạng yêu cầu HS phải biết vận dụng công thức công công suất dòng điện chạy qua đoạn mạch, công công suất nguồn điện, công công suất dụng cụ tiêu thụ điện Biết tiến hành số thao tác nh: lắp ráp mạch ®iƯn, sư dơng ampe kÕ, v«n kÕ ®Ĩ ®o c−êng độ dòng điện, HĐT, đo công suất Dạng 3: Các BTTN định luật Ôm toàn mạch, định luật Ôm loại đoạn mạch điện Mắc nguồn điện thành Dạng tập chủ yếu nghiên cứu đại lợng đặc trng cho dòng điện không đổi mạch điện có chứa nguồn điện máy thu điện Khi giải dạng tập yêu cầu HS phải nắm vững định luật Ôm cho toàn mạch, định luật Ôm cho loại đoạn mạch, cách mắc nguồn điện thành Đề xuất đợc phơng án, lắp ráp, đo đạc đợc số đại lợng nhằm đáp ứng yêu cầu toán thực tiễn 2.3 Phơng pháp xây dựng BTTN Vật lí Hiện sách tập Vật lí 11 chơng trình nâng cao đà có số BTTN (cã BTTN tỉng sè 71 bµi tËp cđa chơng), chơng trình hầu nh không có, cần phải xây dựng, tuyển chọn thêm BTTN theo hớng sau: - Dựa vào tập thông thờng SGK, sách tập Vật lí, cách thay đổi kiện để đợc BTTN - Su tầm tài liệu kĩ thuật có liên quan đến Vật lí học Từ tìm t liệu sát thực để xây dựng BTTN - Xuất phát từ kiện, yêu cầu sống đòi hỏi, kết hợp với yêu cầu chơng trình môn học để sáng tạo thêm BTTN Hớng dẫn HS giải BTTN Vật lí Trong trình dạy học cần hớng dẫn HS giải BTTN Vật lí theo bớc sau đây: 3.1 Tìm hiểu đề bài: Đọc kĩ đề để thấy đợc: + Yêu cầu nội dung toán? + Bài toán thuộc dạng nào? + Bài toán đà cho đại lợng, thiết bị nào? + Đại lợng cần phải tìm? 48 trờng Đại học Vinh Tạp chí khoa học, tập XXXVII, số 4a-2008 3.2 Xác lập mối liên hệ kiện xuất phát với phải tìm - Đối chiếu với kiện xuất phát phải tìm, xem xét chất vật lí tình để nhận định luật, công thức lí thuyết có liên quan - Xác lập mối liên hệ cụ thể phải tìm với kiện xuất phát 3.3 Lập phơng án thí nghiệm, lựa chọn thiết bị, phải cải tiến, chế tạo số thiết bị lắp ráp TN nh phơng án đà đợc xác lập 3.4 Tiến hành TN, quan sát tợng, đo đạc số liệu, lập biểu bảng số liệu, xử lí kết 3.5 Rút kết luận trả lời câu hỏi toán BTTN có hai bớc đặc biệt khác với loại tập khác bớc 3, Nói chung bớc giải BTTN có liên quan với giai đoạn phơng pháp thực nghiệm Các ví dụ minh hoạ Chúng đà tiến hành xây dựng đợc 16 BTTN cho chơng Dòng điện không đổi Trong dạng gồm bài, dạng gồm bài, dạng gồm Ví dụ (dạng 1) Một acquy bị ký hiệu cực dơng cực âm Chỉ hai dây dẫn cốc nớc (nớc uống thông thờng) làm cách xác định lại cực acquy HÃy nêu phơng án thực Phân tích tập - Với thiết bị đà cho làm để có đợc mạch điện kín? - Khi nhúng hai dây dẫn vào cốc nớc có tợng xảy ra? - Hiện tợng xảy giải thích nào; từ suy cực acquy Tiến hành giải - Giải thích tợng điện phân nớc: Một phân tử nớc đợc tạo nguyên tử hiđrô nguyên tử ôxi Trong trình điện phân, số nguyên tử hiđrô đợc giải phóng nhiều gấp đôi so với ôxi, ®iƯn cùc cã nhiỊu bät khÝ lµ ®iƯn cùc mµ hiđrô đợc giải phóng Nhng Ion hiđrô tích điện dơng nên khí phải đợc giải phóng cực âm - Nối hai dây dẫn vào hai cực acquy nhúng hai đầu tự vào cốc nớc (H.1) H.1 - Quan sát tợng: phía đầu dây có nhiều bọt khí cực âm, cực lại cực dơng Nhận xét Đây tập định tính mang tính thực tiễn, việc giải tập bồi dỡng cho học sinh khả phân tích tợng vật lí, liên hệ tợng quan sát đợc với kiến thức đà học Khi giải đợc tập HS ®· biÕt vËn dơng c¸c kiÕn thøc mét c¸ch s¸ng tạo vào tình thực tiễn Ví dụ (dạng 1) Một điện trở R1 cha biết giá trị HÃy lập phơng án để đo giá trị điện trở cho thiết bị: 49 N Q Lạc, B D Hào Bồi dỡng lực t sáng tạo , TR 47-55 - Mét ngn ®iƯn mét chiỊu 12 V - Một vôn kế (hoặc ampe kế) chiều - Một điện trở R2 đà biết dây nối (điện trở không đáng kể) Phân tích toán Hớng dẫn để HS tìm hai phơng án: U a) Nếu hai điện trở R1, R2 mắc nối tiếp tỉ số = ? U2 - Đo HĐT U1,U2 nh nào? b) Nếu hai điện trở R1, R2 mắc song song R1 R2 I tỉ số = ? I2 - Đo cờng độ dòng ®iƯn I1, I2 nh− thÕ nµo? V TiÕn hµnh giải Phơng án a Mắc mạch điện gồm R1, R2 nối tiếp vào nguồn điện (H.2a) + - Dùng vôn kế lần lợt đo HĐT hai H.2a đầu điện trở R1 R2 đợc U1 U2 - Vận dụng định luật Ôm: R1= U1 U2 U1 R1 = Suy U R2 R1 R2 A Phơng án b Mắc mạch điện gồm R1 R2 song song vào nguồn điện (H 2b) - Dùng ampe kế lần lợt đo cờng độ dòng điện qua R1 R2 đợc I1 I2 I2 I R - áp dụng định luật Ôm: = Vậy R1= R2 I R1 I1 NhËn xÐt Đây tập định lợng Thông qua tập giúp học sinh củng cố định luật Ôm cho đoạn mạch có R, bồi dỡng cho HS khả vận dụng kiến thức để đề xuất phơng án thí nghiệm cách sáng tạo Ví dụ (dạng 2) Cho dụng cụ sau: - Một ®Ìn §1: 220V- 15W - Mét ®Ìn §2: 220V- 100W - Một khoá K (đóng ngắt điện đơn) - Một nguồn điện 220V (xoay chiều) - Các dây nối (điện trở không đáng kể) 50 R2 + H.2b H.2c trờng §¹i häc Vinh T¹p chÝ khoa häc, tËp XXXVII, sè 4a-2008 HÃy mắc mạch điện cho K đóng đèn Đ2 sáng, đèn Đ1 tối K ngắt hai đèn tối sáng ngợc lại Phân tích toán - Nếu mắc song song hai bóng đèn có thoả mÃn có thoả mÃn yêu cầu toán không? - Điện trở bóng đèn bao nhiêu? - Nếu mắc nối tiếp hai bóng đèn HĐT phân bố hai đầu bóng bao nhiêu? đèn không sáng, đèn sáng? - Tìm vị trí để khoá K? Tiến hành giải Đ1 Đ2 - Mắc mạch ®iƯn nh− h×nh vÏ (H.3a) - Khi K ®ãng ®Ìn Đ1 (15W) tắt (do bị nối tắt), đèn Đ2 (100 W) sáng bình thờng - Khi K mở đèn Đ1 sáng, đèn Đ2 gần nh không sáng K H.3a Giải thích Điện trở bãng 2 U U R = = 3226Ω ; R = = 484Ω P1 P2 U R 3226 Ta cã U1+ U2 = 220V, = = VËy U2 R 484 U1 =190V, U2= 30V Nh U1=190V, HĐT nhỏ HĐT định mức chút nên đèn Đ1 sáng yếu bình thờng Còn HĐT U2 =30V nhỏ HĐT định mức nên đèn Đ2 gần nh không sáng Ngoài có nguyên nhân điện trở tăng theo nhiệt độ làm cho tợng rõ rệt Nhận xét: H.3b Qua việc giải tập giúp HS hiểu rõ khái niệm HĐT định mức, công suất định mức Khi giải tập HS ph¶i tr¶i qua t− lÝ thuyÕt, suy luËn, lËp ln råi míi tiÕn hµnh lµm thÝ nghiƯm Do vËy rèn luyện cho HS khả vận dụng kiến thức vào giải tình Ví dụ (dạng 2).Trong hộp đen để lộ bóng ®Ìn: §1: 220V- 40W, §2: 220V- 100 W, §3: 220V- 150W cha biết cách mắc bóng đèn - Nếu tháo bóng đèn thấy nh sau: + Khi tháo đèn Đ1 (40W), đèn Đ2(100W) sáng đèn Đ3 (150W) + Khi tháo đèn Đ3 (150W), đèn Đ1 (40W) sáng đèn Đ2 (100W) + Khi tháo đèn Đ2 (100W) hai dèn tắt + Nếu nối tắt đèn Đ2 (100W) hai đèn sáng bình thờng Xác định cách mắc bóng đèn 51 N Q Lạc, B D Hào Bồi dỡng lực t sáng tạo , TR 47-55 Phân tích toán - HÃy so sánh điện trở bóng đèn? (R= U2đ/Pđ công suất lớn điện trở bé) - Hai đèn có HĐT định mức nhng có công suất khác mắc vào P P R HĐT đèn sáng hơn? sao? ( = = d1 , đèn có công suất lớn P2 R Pd sáng hơn) - Khi mắc hai đèn có HĐT định mức nối tiếp vào HĐT P P R HĐT định mức đèn sáng hơn? Vì sao? ( = = d , đèn có công suất P2 R Pd1 định mức nhỏ sáng hơn) Tiến hành giải - Theo ra: Khi tháo đèn Đ1 (40W), đèn Đ2(100W) sáng đèn Đ3 (150W) Suy bóng mắc nối tiếp song song Do bóng phải đợc mắc hỗn hợp - Khi tháo đèn Đ1, đèn Đ2 sáng đèn Đ3 nên tháo đèn Đ1, đèn Đ2 mắc nối Đ2 Đ3 §1 §1 §2 §3 §1 H.4a §2 §3 H.4b H.4c tiếp với đèn Đ3: Ta có H.4a H.4b, H.4c Khi tháo đèn Đ3, đèn Đ1 sáng đèn Đ2 tháo đèn Đ3 Đ1 mắc nối tiếp với Đ2 Ta có cách mắc nh hình H.4c - Khi tháo đèn Đ2 đèn Đ1 Đ3 tắt - Nếu nối tắt đèn Đ2 hai đèn sáng bình thờng Nh bóng đèn đợc mắc nh hình H 3c - Tiến hành kiểm tra kết quả: Dùng bóng đèn mắc nh hình H.4c vào bảng điện, thực thao tác để kiểm tra Chú ý Khi dùng HĐT cao cần đảm bảo an toàn, lắp ráp xong đóng công tắc Nhận xét H.4d Với tập hộp đen nêu trên, để giải đợc HS phải sử dụng kiến thức tổng hợp, phân tích quan hệ dự kiện đầu vào đầu thông tin lấy từ hộp mà tìm 52 trờng Đại học Vinh T¹p chÝ khoa häc, tËp XXXVII, sè 4a-2008 thÊy cấu trúc bên hộp, qua rèn luyện lực nhận thấy vấn đề mới, lực vận dụng vận dụng kiến thức vào hoàn cảnh mới, lực dự đoán khả xẩy vấn đề Ví dụ (dạng 3) Ngời ta có pin nhng lại suất điện động điện trở Với dơng cơ: Mét v«n kÕ, mét ampe kÕ, mét biÕn trở dây nối, làm để xác định đợc suất điện động điện trở pin Phân tích toán - HÃy viết biểu thức HĐT mạch ngoài? (U = E Ir) - Muốn đo E r ta cần phải đo đại lợng nào? cần phơng trình? - HÃy thiết kế sơ đồ mạch điện? (Mạch điện đợc bố trí nh hình H.5a) Tiến hành giải A - Mắc mạch điện theo sơ đồ (H.5a) - Điều chỉnh biến R trë tíi hai vÞ trÝ bÊt kú, E, r V hai vị trí đọc đợc hai cặp giá trị vôn kế ampe kế là: U1,I1 U2, I2 - Giải hệ phơng K trình: H.5a U1 =E I1r, U2 = E I2r Ta tìm đợc E r Nhận xét Qua việc giải tập đà giúp HS nắm vững công thức định luật Ôm cho toàn mạch Bồi dỡng cho HS khả vận dụng sáng tạo kiến thức đà học vào tình mới, khả đề xuất phơng H.5b án để giải vấn đề Ví dụ (dạng 3) Cã mét bãng ®Ìn 6V – 6W, víi chØ loại pin e=1,5V, r0= dây nối điện trở nhỏ không đáng kể Hỏi cần phải có pin mắc thành đối xứng để thắp sáng đèn bình thờng, chọn phơng án có hiệu suất cao Phân tích toán - Điều kiện để đèn 6V 6W sáng bình thờng gì? - Giả sử có N pin mắc thành m dÃy song song, dÃy có n pin mắc nối tiếp, hÃy xác định m n để đèn sáng bình thờng? H.6a Tiến hành giải - Điều kiện để đèn sáng bình thờng HĐT 53 N Q Lạc, B D Hào Bồi dỡng lực t sáng tạo , TR 47-55 mạch điện U= 6V, CĐDĐ qua e, r0 P đèn là: I= = 1(A ) U - Giả sử có N pin mắc thành m dÃy, dÃy có n pin mắc nối tiÕp (H 6b) Ta cã n n E= ne = 1,5n, r = r0 = m m ¸p dơng định luật Ôm: E = U +Ir Suy n 1,5n = + , ta đến phơng trình: m n = 4+ , 3m − víi m, n nguyên dơng, 3m - = 1, 2, H.6b 4, Ta chän m = 1, Ta tính đợc n = 12, - Bài toán có hai nghiệm: Dùng 12 pin ghép thành dÃy nối tiếp hai dÃy song song d·y pin nèi tiÕp HiƯu st cđa bé ngn là: H= công suất mạch U = (%) công suất nguồn E Cả hai phơng án có công suất mạch điện 6W tức HĐT mạch điện U= 6V, phơng án có công suất nguồn bé tức suất điện động bé cã hiƯu st lín E1 = 12e = 18V, E2 =6e = 9V Phơng án hai có hiệu suất gấp hai phơng án - Tiến hành mắc mạch điện ®iƯn ®Ĩ kiĨm tra kÕt qu¶ NhËn xÐt Qua BTTN giúp HS nắm vững định luật Ôm, cách tính suất điện động điện trở nguồn Rèn luyện lực t sáng tạo, bồi dỡng lực vận dụng kiến thức đà học vào thùc tiƠn KÕt qu¶ sư dơng Trong thêi gian qua đà sử dụng hệ thống BTTN đà xây dựng đợc vào giảng dạy lớp 11A1, 11A2, Trờng THPT Nam Đàn năm học 2007-2008 thấy: + HS bớc đầu đà làm quen đợc với BTTN, biết BTTN gì, bớc đầu có đợc kĩ việc giải dạng BTTN nh: biết thiết kế sơ đồ thí nghiệm theo yêu cầu tập; lựa chọn thiết bị lắp ráp thí nghiệm theo sơ đồ thiết kế; tiến hành thí nghiệm theo trình tự hợp lí; + HS bớc đầu đà biết lập kế hoạch để giải vấn đề tơng đối phức tạp có nội dung gắn với thực tiễn sống, đòi hỏi phải vận dụng linh hoạt kiến thức đà học, phải tuân theo quy tắc định sử dụng số thiết bị kỹ thuật, + Qua hoạt động giải BTTN mà lực hoạt động sáng tạo HS đợc hình thành đợc củng cố 54 trờng Đại học Vinh Tạp chí khoa học, tập XXXVII, số 4a-2008 + HS có đợc trình độ nắm vững kiến thức, lực vận dụng kiến thức vào thực tiễn lực thực hành cao hẳn HS lớp khác Sắp tới chóng t«i dù kiÕn sÏ tiÕp tơc më réng sang cho phần khác chơng trình Vật lí phổ thông Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Thế Khôi - Nguyễn Phúc Thuần (đồng chủ biên), Vật lí 11 tập Vật lí 11, NXB Giáo dục, 2007 [2] Nguyễn Đức Thâm (chủ biên), Phơng pháp dạy học Vật lí trờng phổ thông, NXB ĐHSP, 2002 [3] Phạm Đình Cơng, Thí nghiệm Vật lí trờng trung học phổ thông, NXB Giáo dục, 2003 [4] Nguyễn Quang Lạc - Lê Tùng Lâm, Xây dựng tập thí nghiệm Vật lí phần dao động điện- dòng điện xoay chiều (Vật lí 12), Tạp chí Giáo dục số 185, (3/2008) Summary Improving the ability of the creative thought for students in11th form through buiding and using the experimental exercises of Chapter “Direct Current” The experimental exercises are useful to improving students’ ability of creative thought in teaching physics However, type of there exercises is used a little in fact of teaching This article expressed the results of the building and using a system of 16 experimental execises (through illustracted examples) for chapter “Direct current" in 11th form physics (a) Khoa Vật lý, Trờng Đại học Vinh (b) Cao học 14 chuyên ngành pP giảng dạy vật lý, Trờng Đại häc Vinh 55