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 SƢ PHẠM NGUYỄN TRƢỜNG GIANG SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP VẬT LÝ THỐNG KÊ NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ DẠY HỌC NỘI DUNG NHIỆT HỌC TRONG CHƢƠNG TRÌNH VẬT LÝ PHỔ THƠNG HIỆN HÀNH CHO HỌC SINH KHỐI CHUYÊN VẬT LÝ LUẬN VĂN THẠC SỸ SƢ PHẠM VẬT LÝ HÀ NỘI - 2008 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KHOA SƢ PHẠM SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP VẬT LÝ THỐNG KÊ NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ DẠY HỌC NỘI DUNG NHIỆT HỌC TRONG CHƢƠNG TRÌNH VẬT LÝ PHỔ THÔNG HIỆN HÀNH CHO HỌC SINH KHỐI CHUYÊN VẬT LÝ LUẬN VĂN THẠC SỸ SƢ PHẠM VẬT LÝ Chuyên ngành: LÝ LUẬN VÀ PHƢƠNG PHÁP DẠY HỌC (BỘ MÔN VẬT LÝ) Mã số: 60 14 10 Học viên: Nguyễn Trƣờng Giang Cao học ngành Sư phạm Vật lý Khóa Cán hƣớng dẫn: GS.TS Nguyễn Quang Báu HÀ NỘI - 2008 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn Thạc sỹ nỗ lực thân tơi cịn hướng dẫn giúp đỡ trực tiếp GS.TS Nguyễn Quang Báu phương pháp nội dung kiến thức trình bày Qua tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành sâu sắc đến thầy GS.TS Nguyễn Quang Báu, hướng dẫn, học lý thú mà sâu sắc uyên thâm mà thầy truyền đạt gieo vào lịng tơi niềm hăng say, u thích mơn vật lý Cũng cho phép tơi bày tỏ lịng biết ơn chân thành sâu sắc tới tập thể thầy cô giáo, cán Khoa Sư phạm, Đại học Quốc gia Hà Nội cung cấp cho tơi kiến thức bổ ích lý luận phương pháp giảng dạy, tạo điều kiện nhiều cho tơi hồn thành luận văn Dù có nhiều cố gắng chắn luận văn cịn có khiếm khuyết tơi tin hữu ích việc xây dựng nội dung phương pháp giảng dạy học vấn vật lý bậc trung học phổ thông cho học sinh khối chun vật lý Tơi vui mừng đón nhận ý kiến góp ý thầy bạn đồng nghiệp nhằm bổ sung hoàn thiện nội dung đề tơi trình bày qua để luận văn thực nâng cao hiệu giảng dạy vật lý cho học sinh khối chuyên lý Xin chân thành cảm ơn Hà Nội, tháng năm 2008 Tác giả Nguyễn Trƣờng Giang 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, khơng thể đánh giá q 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 công 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 mô 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 mơ 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 khơng 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 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 mơ (áp suất, nhiệt độ, thể tích,…) tính giá trị trung bình chúng theo trạng thái vi mơ [2, tr.52] 1.1.2 Mơ hình tốn học vật lý thống kê Vật lý thơng kê bắt nguồn từ khái niệm xác suất Ta xem xét dựa quan điểm xác suất Xét ví dụ kinh điển sau đây: Giả sử có đồng tiền, có mặt sấp ngửa khác Khi gieo đồng tiền nhiều lần ta thấy số lần sấp ngửa xấp xỉ nhau, xác suất để đồng tiền gieo có mặt sấp ngửa ½ Khi nói ta định nghĩa WA kiện riêng lẻ A tỷ số lần quan sát thấy kiện NA tổng số lần quan sát N WA  NA (1.1) N Như nói xác suất để xảy kiện A ta quan niệm có ranh giới rõ nét kiện A kiện A Tuy nhiên vật lý điều khơng thể Lấy ví dụ: Ta khơng thể xác định xác suất để phân tử khí có vận tốc theo phương x ux vì: - Giá trị ux ln có sai số, sai số lớn hay nhỏ tùy thuộc vào mức độ xác thí nghiệm - Tất thí nghiệm xác định ux dù có đại, đảm bảo tin cậy đến đâu mắc sai số tuân theo hệ thức bất định Heisenberg Do trường hợp ta xem xét xác suất để phần tử có vận tốc ux sai dux mà thơi Và xác suất hàm u x, lớn dux lớn Mặt khác phân tử khí hồn tồn tương đương nên ta coi chúng tập hợp đặc trưng cho trạng thái phân tử thời điểm khác Do ta có: W (u x )du x  dN (1.2) N W(ux): hàm mật độ xác suất, tức xác suất để phần tử có vận tốc theo phương x ux sai đơn vị 1.1.3 Những lý sử dụng phương pháp vật lý thống kê khảo sát tượng nhiệt Sau trình bày luận điểm vật lý thống kê mơ hình tốn học tìm lý lại áp dụng phương pháp vật lý thống kê cho việc khảo sát tượng nhiệt Ta ý việc khảo sát tượng nhiệt, chất ta khảo sát hệ chất khí lý tưởng bao gồm số lượng lớn phân tử cấu thành mà ta gọi hạt Mỗi phân tử khí chuyển động khơng ngừng Ta xem xét phân tử chuyển động, giả sử thời điểm ta khảo sát chuyển động phái bên phải, đường khơng gặp cản trở tất nhiên tiếp tục chuyển động với vận tốc cũ theo hướng ban đầu Tuy nhiên thực tế, di chuyển gặp vơ số phân tử khác, tất nhiên xảy va chạm, va chạm diễn nhiều đặt câu hỏi: Sau va chạm phân tử mà khảo sát chuyển động theo hướng ? tốc độ cịn giữ nguyên giá trị cũ hay không ? Mọi khả xảy ra, va chạm xảy theo hướng, bên trái, bên phải, phía trước, phía sau,…cả độ mạnh, yếu,… Như ta thấy việc gặp phải va chạm lộn xộn mà phân tử ta khảo sát chuyển động theo phương Bên cạnh ta biết quãng đường phân tử ta khảo sát qua mà không bị va chạm dài bao nhiêu?… Quá trình khảo sát cho thấy phân tử cấu thành nên chất khí ln ln chuyển động, chuyển động hỗn loạn, tính phổ biến tượng nhiệt Như xét trên, chuyển động số lớn phân tử lại xảy tương tác với điễn cách phức tạp rắc rối Việc tính tốn xem phân tử khí chuyển động điều hão huyền tính phức tạp Và khơng thể tiến hành thực phép tồn cần thiết nên phải tìm phương pháp khác cho phép mô tả chuyển động phân tử Trên quan điểm khái niệm “xác suất” xuất lần “tính ngẫu nhiên” xâm nhập vật lý TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Quang Báu Một số đề phát triển Nhiệt học phổ thông (Tài liệu dùng cho lớp bồi dưỡng giáo viên hè năm 2004) Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, 2004 Nguyễn Quang Báu, Bùi Bằng Đoan, Nguyễn Văn Hùng Vật lý thống kê Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội, 2005 3, Lƣơng Dun Bình, Nguyễn Xn Chi, Tơ Giang, Trần Chí Minh, Vũ Quang, Bùi Gia Thịnh Vật lý lớp 10 Nhà xuất giáo dục, 2007 Trần Đức Chiển Chủ đề xác suất chương trình THPT Tạp chí Giáo dục số 116, tháng năm 2005 Nguyễn Thị Hải Một số đổi quan điểm, quy trình biên soạn tài liệu đào tạo bồi dưỡng giáo viên phổ thơng Tạp chí Giáo dục số 115, tháng năm 2005 Vũ Văn Hùng Vật lý thống kê Nhà xuất Đại học Sư phạm, 2006 Nguyễn Thế Khôi, Phạm Quý Tƣ, Lƣơng Tất Đạt, Lê Chấn Hùng, Nguyễn Ngọc Hƣng, Phạm Đình Thiết, Lê Trọng Tƣờng Vật lý lớp 10 nâng cao Nhà xuất giáo dục năm 2007 Nguyễn Thị Thanh Mai Dạy học “Cơng thức tính nhiệt lượng” “Phương trình cân nhiệt” theo hướng phát triển hoạt động nhận thức tích cực, sáng tạo học sinh Tạp chí Giáo dục số 182 kỳ tháng 01 năm 2008 Nguyễn Thị Lỹ Lộc Người giáo viên kỷ 21: Sáng tạo – Hiệu Tạp chí Dạy Học ngày số 7, tháng năm 2003 10 Nguyễn Huy Sinh Giáo trình Nhiệt học Nhà xuất giáo dục 2006 11 Nguyễn Đức Thâm, An Văn Chiêu, Vũ Đào Chỉnh, Phạm Hữu Tòng Phương pháp giảng dạy vật lý trường phổ thông Liên Xơ Cộng hịa Dân chủ Đức, tập Nhà xuất giáo dục, 1984 12 Nguyễn Cảnh Toàn Phương châm: “Cơ bản, đại Việt Nam” giáo dục ánh sáng thực tiễn Tạp chí Giáo dục số 117, tháng năm 2007 13 Phạm Quý Tƣ Chuyên đề Bồi dưỡng học sinh giỏi vật lý trung học phổ thông, tập : Nhiệt học Vật lý phân tử Nhà xuất giáo dục năm 2005, 14 Phạm Quý Tƣ Diễn đàn chương trình sách giáo khoa: Các định luật chất khí áp dụng cho q trình Tạp chí Vật lý Tuổi trẻ, số 16 tháng năm 2004 15 Phạm Quý Tƣ Tìm hiểu sâu thêm Vật lý sơ cấp: Tránh điều ngộ nhận đọc sách giáo khoa thí điểm vật lý 10A Tạp chí Vật lý Tuổi trẻ, số 11 tháng năm 2004 16 Phạm Quý Tƣ Diễn đàn chương trình sách giáo khoa: Lực tương tác phân tử cấu tạo chất Tạp chí Vật lý Tuổi trẻ, số 43 tháng năm 2007 17 Trịnh Thị Hải Yến, Nguyễn Phƣơng Hồng Những giải pháp đổi phương pháp dạy học Vật lí Tạp chí Giáo dục số 54 tháng năm 2003 18 A.V Muraviép Dạy cho học sinh tự lực nắm kiến thức vật lý Nhà xuất giáo dục, 1978 19 David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker Cơ sở vật lý, Tập 3: Nhiệt học Nhà xuất giáo dục, 2000