Sử dụng phương pháp vật lý thống kê nhằm nâng cao hiệu quả dạy học nội dung nhiệt học trong chương trình vật lý phổ thông hiện hành cho học sinh khối chuyên vật lý

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KHOA SƯ PHẠM NGUYỄN TRƯỜNG GIANG SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP VẬT LÝ THỐNG KÊ NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ DẠY HỌC NỘI DUNG NHIỆT HỌC TRONG CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ PHỔ THƠNG HIỆN HÀNH CHO HỌC SINH KHỐI CHUYÊN VẬT LÝ LUẬN VĂN THẠC SỸ SƯ PHẠM VẬT LÝ HÀ NỘI - 2008 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KHOA SƯ PHẠM SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP VẬT LÝ THỐNG KÊ NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ DẠY HỌC NỘI DUNG NHIỆT HỌC TRONG CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ PHỔ THÔNG HIỆN HÀNH CHO HỌC SINH KHỐI CHUYÊN VẬT LÝ LUẬN VĂN THẠC SỸ SƯ PHẠM VẬT LÝ Chuyên ngành: LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP DẠY HỌC (BỘ MÔN VẬT LÝ) Mã số: 60 14 10 Học viên: Nguyễn Trường Giang Cao học ngành Sư phạm Vật lý Khóa Cán hướng dẫn: GS.TS Nguyễn Quang Báu HÀ NỘI - 2008 MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN MỞ ĐẦU…… …………… ………………………….…….…… 1 Lý lựa chọn đề tài ……………………………………….…… Lịch sử nghiên cứu…………………………………….…….…… 3 Mục tiêu nghiên cứu…………………………………………….… Khách thể nghiên cứu………………………….………………… Vẫn đề nghiên cứu…………………………….….……………… Giả thuyết nghiên cứu…………………………….…….………… Phương pháp chứng minh giả thuyết…………………….……… Cấu trúc luận văn……………………………………………… Chƣơng 1: PHƢƠNG PHÁP VẬT LÝ THỐNG KÊ TRONG KHẢO SÁT CÁC HIỆN TƢỢNG NHIỆT……………… …….… 1 Cơ sở phương pháp vật lý thống kê……………….…….… 1.1.1 Luận đề vật lý thống kê……… … ……… … 1.1.2 Mơ hình tốn học vật lý thống kê……………………… 1.1.3 Những lý sử dụng phương pháp vật lý thống kê khảo sát tượng nhiệt…… … ………….…………… …… 1.1.4 Các tượng nhiệt quan điểm vật lý thống kê…… 10 1.1.4.1 Chuyển động Brown ………… ………… ………… 10 1.1.4.2 Định luật phân bố phân tử theo vận tốc ứng dụng 11 Quan điểm đại vật lý thống kê…………………….… 22 1.2.1 Mở đầu nhiệm vụ đặt ra……………….……………… 23 1.2.2 Các bước thực hiện………………………….…………… 24 1.2.2.1 Hàm phân bố xác suất hệ…… ………… …… … 24 1.2.2.2 Biểu diễn lượng tự qua tổng thống kê hệ thức nhiệt động liên hệ lượng tự lượng trung bình……… 29 Trang 1.2.2.3 Tổng thống kê hệ khí lý tưởng………… … …… 30 1.2.2.4 Các kết thuyết động học phân tử chất khí…… 32 Chƣơng 2: GIẢNG DẠY CÁC NỘI DUNG VẬT LÝ NHIỆT HỌC TRÊN QUAN ĐIỂM VẬT LÝ THỐNG KÊ CHO HỌC SINH KHỐI CHUYÊN VẬT LÝ…………………….……….… … 34 2.1 Hai đường xây dựng nội dung vật lý nhiệt học chương trình vật lý trung học phổ thông……………………………………… 34 2.2 Nội dung nhiệt học chương trình trung học phổ thơng hành hạn chế học sinh chuyên vật lý ………… 35 2.3 Phương pháp vật lý thống kê giảng dạy nội dung nhiệt học phần thuyết động học phân tử chương trình vật lý phổ thơng hành học sinh chuyên vật lý ………………………….….… 36 2.3.1 Giảng dạy mơ hình khí lý tưởng….……………………….… 36 2.3.2 Giảng dạy kết đặc trưng thuyết động học phân tử chất khí quan điểm vật lý thống kê……….………………… … 42 2.3.3 Giảng dạy đại lượng trung bình mơ tả hệ khí theo phân bố độ lớn vận tốc (phân bố Maxwell)………………………… 45 2.4 Phương pháp vật lý thống kê giảng dạy nội dung nhiệt động lực học (bao gồm nguyên lý nhiệt động lực học)… …… 50 2.4.1 Yếu tố thứ nhiệt động lực học: Nhiệt độ….……… 51 2.4.2 Nhiệt lượng….……………………………….……………… 52 2.4.3 Nội ……….…………………………….……………… 54 2.4.4 Nguyên lý thứ nhiệt động lực học ….…….……… 55 2.4.5 Giảng dạy nguyên lý thứ nhiệt động lực học theo quan điểm vật lý thống kê……………………….………….…………… 59 2.4.5.1 Những nội dung kiến thức nguyên lý thứ nhiệt động lực học học sinh khối chuyên lý……………………… 59 Trang 2.4.5.2 Giảng dạy nguyên lý thứ nhiệt động lực học theo quan điểm vật lý thống kê…………………………………………… 60 2.4.6 Phân bố thống kê giải thích tồn nhiệt độ tuyệt đối âm……………………………………………….…………… … 66 CÁC KẾT LUẬN, ĐỀ XUẤT VÀ KIẾN NGHỊ TRONG VIỆC SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP VẬT LÝ THỐNG KÊ GIẢNG DẠY NỘI DUNG NHIỆT HỌC CHO HỌC SINH KHỐI CHUYÊN VẬT LÝ………………………………………………….…………… 69 Các kết luận……………………………………………….……… 69 Những đề xuất…………………………………………….……… 70 Những kiến nghị lưu ý phương pháp giảng dạy nội dung nhiệt học áp dụng phương pháp vật lý thống kê để giảng dạy cho học sinh chuyên vật lý …………………………………….………… 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO… …………………………….………… 72 MỞ ĐẦU Lý lựa chọn đề tài Khi nghiên cứu vật lý nhiệt học bậc trung học phổ thơng có khả lớn lao để hình thành học sinh quan niệm phương pháp nghiên cứu sử dụng lĩnh vực khoa học này, để phát triển giới quan khoa học học sinh Việc nghiên cứu giáo trình vật lý tượng nhiệt theo quan điểm vi mô cho phép giới thiệu với học sinh quy luật thống kê đặc điểm chúng so với quy luật động lực học, điều chuẩn bị cho việc nghiên cứu định luật tự nhiên mức độ cao hơn, chất Khi học sinh làm quen với đề khoa học có nhiều phương pháp khác để nghiên cứu tượng Về đặc điểm nội dung giải thích tượng nhiệt, ln có tương đương mặt ngun tắc phương pháp nhiệt động lực học phương pháp động học phân tử (thống kê) Mỗi phương pháp (tùy thuộc vào mục đích sử dụng nghiên cứu) có ưu việt thiếu xót mình, đánh giá cao giá trị phương pháp chúng so với phương pháp Phương pháp nhiệt động lực học sử dụng nghiên cứu tính chất tổng quát tượng nhiệt dựa vào định luật thực nghiệm tảng (các nguyên lý nhiệt động lực học), có xét đến kiện thực nghiệm khác Trong sách giáo trình vật lý đại học, thuyết nhiệt động lực học thuyết động học phân tử tượng nhiệt trình bày tách biệt Điều cần thiết nghiên cứu cách có hệ thống thuyết vật lý trường đại học Trong việc giảng dạy vật lý trường phổ thông, quốc gia Đức, Liên Xô,…lựa chọn theo đường khác: Các yếu tố nhiệt động lực học vật lý thống kê nghiên cứu đồng thời, tượng nhiệt đưa lúc theo quan điểm nhiệt động lực học động học phân tử Sở dĩ trường trung học phổ thơng học sinh tìm hiểu tư tưởng phương pháp minh họa việc áp dụng chúng trường hợp chương trình quy định Tuy nhiên, chương trình vật lý trung học phổ thơng Việt Nam: - Chỉ giới thiệu sơ lược sở thuyết động học phân tử thuyết nhiệt động lực học khơng làm rõ tính đồng thời thuyết việc giải thích tượng nhiệt - Trong phần vật lý nhiệt học, học sinh tiếp tục tìm hiểu quy luật động lực học khơng hình thành quan niệm quy luật thống kê Ta biết học phần học, học sinh làm quen với trình thuận nghịch tồn điều kiện lý tưởng, vật lý phân tử học sinh khảo sát trình khơng thuận nghịch (sự chuyển hóa thành nội có ma sát,…) Chính điều làm cho học sinh khơng có quan niệm chuyển động nhiệt so với chuyển động học dạng chuyển động vật chất, học sinh khơng thể có phân biệt dạng chuyển động vật chất khác chỗ chuyển động học diễn cách có trật tự, cịn chuyển động nhiệt xảy cách hỗn loạn Thuyết động học phân tử chất khí, sử dụng quan niệm vật lý thống kê nên phối hợp tính thuận nghịch chuyển động học phân tử với tính khơng thuận nghịch tượng nhiệt xét toàn bộ, tính khơng thể quy dạng chuyển động nhiệt vật chất dạng chuyển động học Chính nhờ quan niệm vật lý thống kê chất khí, phát chế khơng thuận nghịch trình vật lý hệ phân tử mà giải thích tượng khuyếch tán phát chế hỗn loạn chuyển động nhiệt nên giải thích xuất thăng giáng mà rõ nét chuyển động Brown Với ý nghĩa to lớn vật lý thống kê ta hồn tồn dùng để giải thích tường tận tượng nhiệt, điều giúp cho học sinh hình thành phát triển tư vật lý, hình thành đường khác để giải thích kết vật lý Lịch sử nghiên cứu Các tượng nhiệt chương trình vật lý phổ thơng khảo sát giải thích dựa kết thuyết động học phân tử, sở nhiệt động lực học cách đơn giản mức độ sở, khơng giải thích rõ kết cụ thể đề nhiệt học Đó áp dụng để giải thích chuyển động Brown, phương trình trạng thái khí lý tưởng, ngun lý nhiệt động lực học,…Với việc áp dụng kết vật lý thống kê ta rõ kết cụ thể tượng nhiệt chuyển động Brown, phương trình trạng thái khí lý tưởng, … Mục tiêu nghiên cứu Cốt lõi việc dùng vật lý thống kê để giải thích tượng nhiệt việc hình thành quan niệm thống kê, đại lượng đặc trưng thống kê áp dụng vào trình nhiệt Tuy nhiên để hình thành quan niệm thống kê cần phải liên hệ chặt chẽ với đề nội dung vật lý trung học phổ thông, chẳng hạn với việc rút cơng thức áp suất chất khí, hay khảo sát chuyển động hỗn loạn phân tử khí,… Khách thể phạm vi nghiên cứu Đối tượng khảo sát đại lượng đặc trưng vật lý thống kê Với việc khảo sát vậy, xem xét: - Các đại lượng vật lý thống kê - Các tượng nhiệt xem xét quan điểm thống kê để thu kết biết Vần đề nghiên cứu Có vần đề cần nghiên cứu là: - Các luận đề, đại lượng đặc trưng vật lý thông kê - Các tượng nhiệt nghiên cứu dựa quan điểm thống kê, kết thu áp dụng kết thống kê Giả thuyết nghiên cứu Giải thích tượng nhiệt quan điểm vật lý thống kê Phƣơng pháp chứng minh giả thuyết - Bằng việc trình bày đại lượng đặc trưng vật lý thống kê ta rõ giá trị tham số mô tả hệ vi mô - Bằng việc dùng tham số vi mô khảo sát tượng nhiệt ta giải thích thỏa đáng kết qua thu nhiệt học chuyển động Brown, phương trình trạng thái khí, … Cấu trúc luận văn Cấu trúc luận văn bao gồm phần mở đầu trình bày lý lựa chọn đề tài, lịch sử, mục tiêu đề nghiên cứu, giả thuyết phương pháp chứng minh giả thuyết nghiên cứu Chương trình bày giả thuyết phương pháp chúng minh giả thuyết Cụ thể việc xây dựng luận đề vật lý thống kê, dùng luận đề để xây dựng kiến thức nhiệt học giải thích kết nhiệt học Chương trình bày phương pháp, cách thức bao gồm tiến trình, bước giảng dạy nội dung nhiệt học cho học sinh khối chuyên vật lý cách áp dụng vật lý thống kê thông qua luận điểm xây dựng chương Cuối đưa kết luận, đề xuất kiến nghị việc sử dụng phương pháp vật lý thống kê giảng dạy nội dung nhiệt học cho học sinh khối chuyên vật lý Chƣơng 1: CƠ SỞ CỦA PHƢƠNG PHÁP VẬT LÝ THỐNG KÊ TRONG KHẢO SÁT CÁC HIỆN TƢỢNG NHIỆT 1.1 Cơ sở phƣơng pháp vật lý thống kê 1.1.1 Luận đề vật lý thống kê Đối tượng nghiên cứu vật lý thống kê hệ vĩ mô, tức hệ nhiều phân tử (hạt) điển hình ta xét chất khí Để mơ tả hệ cách đầy đủ ta phải biết thông tin trạng thái động học phần tử cấu thành hệ thời điểm xác định Và để đặc trưng cho điều ta gọi trạng thái vi mơ hệ Do tương tác chuyển động không ngừng phân tử, vị trí xung lượng chúng ln ln biến đổi, nói khác trạng thái vi mô hệ biến đổi Ta xác định trạng thái vi mơ hệ lý do:  Hệ nhiều hạt để xác định trạng thái vi mô hệ cần thiết lập hệ với số lượng lớn phương trình  Ta không định điều kiện ban đầu phần tử có tọa độ, xung lượng Như phức tạp biến đổi không ngừng trạng thái vi mô khiến cho phương pháp học túy khơng thể áp dụng Tuy nhiên phức tạp hệ vĩ mô lại sở để tiếp cận theo phương pháp thống kê Theo đó: Nếu ta biết xác suất trạng thái vi mơ giá trị quan sát tham số vi mô (áp suất, nhiệt độ, thể tích,…) tính giá trị trung bình chúng theo trạng thái vi mô [2, tr.52] 1.1.2 Mơ hình tốn học vật lý thống kê Vật lý thông kê bắt nguồn từ khái niệm xác suất Ta xem xét dựa quan điểm xác suất ... HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KHOA SƯ PHẠM SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP VẬT LÝ THỐNG KÊ NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ DẠY HỌC NỘI DUNG NHIỆT HỌC TRONG CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ PHỔ THƠNG HIỆN HÀNH CHO HỌC SINH KHỐI CHUYÊN VẬT... hạn chế học sinh chuyên vật lý ………… 35 2.3 Phương pháp vật lý thống kê giảng dạy nội dung nhiệt học phần thuyết động học phân tử chương trình vật lý phổ thơng hành học sinh chuyên vật lý ………………………….….…... nghị việc sử dụng phương pháp vật lý thống kê giảng dạy nội dung nhiệt học cho học sinh khối chuyên vật lý Chƣơng 1: CƠ SỞ CỦA PHƢƠNG PHÁP VẬT LÝ THỐNG KÊ TRONG KHẢO SÁT CÁC HIỆN TƢỢNG NHIỆT 1.1