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

I H C QU C GIA HÀ N I KHOAăS ăPH M NGUY NăTR NGăGIANG S ăD NGăPH NGăPHỄPăV TăLụăTH NGăKểă NH MăNÂNGăCAOăHI UăQU ăD YăH CăN IăDUNGăNHI TăH Că TRONGăCH NGăTRÌNHăV TăLụăPH ăTHỌNGăHI NăHÀNHă CHOăH CăSINHăKH IăCHUYÊN V TăLÝ LU NăV NăTH CăS S ăPH MăV TăLụă HÀăN Iă- 2008 I H C QU C GIA HÀ N I KHOAăS ăPH M S ăD NGăPH NGăPHỄPăV TăLụăTH NGăKểă NH MăNÂNGăCAOăHI UăQU ăD YăH CăN IăDUNGăNHI TăH Că TRONGăCH NGăTRÌNHăV TăLụăPH ăTHỌNGăHI NăHÀNHă CHOăH CăSINHăKH IăCHUYểNăV TăLụ LU NăV NăTH CăS ăS ăPH MăV TăLụă ChuyênăngƠnh:ăLụăLU NăVÀăPH NGăPHỄPăD YăH C (B ăMỌNăV TăLụ) Mƣăs :ă60ă14ă10 H căviên:ăNguy năTr ngăGiang Cao h c ngành S ph m V t lý Khóa Cánăb ăh ngăd n:ăGS.TSăNguy năQuangăBáu HÀăN Iă- 2008 L IăC Mă N hoàn thành đ s h c lu n v n Th c s s n l c c a b n thân tơi cịn đ ng d n giúp đ tr c ti p c a GS.TS Nguy n Quang Báu v ph c ng pháp n i dung ki n th c trình bày Qua tơi xin bày t lịng bi t n chân thành sâu s c đ n th y GS.TS Nguy n Quang Báu, nh ng gi h ng d n, nh ng gi h c lý thú mà sâu s c r t uyên thâm mà th y truy n đ t gieo vào lòng tơi ni m h ng say, s u thích mơn v t lý C ng cho phép bày t lòng bi t n chân thành sâu s c c a t i t p th th y cô giáo, cán b c a Khoa S ph m, nh ng ki n th c b ích v lý lu n ph i h c Qu c gia Hà N i cung c p cho ng pháp gi ng d y, t o u ki n r t nhi u cho tơi hồn thành lu n v n Dù có r t nhi u c g ng nh ng ch c ch n lu n v n cịn có nh ng m khuy t nh ng tin r ng s r t h u ích vi c xây d ng n i dung ph ng pháp gi ng d y h c v n v t lý b c trung h c ph thông cho h c sinh kh i chuyên v t lý Tôi s r t vui m ng đón nh n nh ng ý ki n góp ý c a th y cô b n đ ng nghi p nh m b sung hoàn thi n n i dung v nh ng v n đ tơi trình bày qua đ lu n v n th c s nâng cao hi u qu gi ng d y v t lý cho h c sinh kh i chuyên lý Xin chân thành c m n Hà N i, tháng n m 2008 Tác gi Nguy năTr ngăGiang M ă U LỦădoăl aăch năđ ătƠi Khi nghiên c u v t lý nhi t h c l n lao đ hình thành nghiên c u đ b c trung h c ph thơng có kh n ng h c sinh nh ng quan ni m v nh ng ph ng pháp c s d ng l nh v c khoa h c này, đ phát tri n th gi i quan khoa h c c a h c sinh Vi c nghiên c u giáo trình v t lý hi n t ng nhi t theo quan m vi mô cho phép gi i thi u v i h c sinh quy lu t th ng kê nh ng đ c m c a chúng so v i quy lu t đ ng l c h c, u chu n b cho vi c nghiên c u đ nh lu t c a t nhiên m c đ cao h n, m i v ch t Khi h c sinh s làm quen v i v n đ khoa h c có nhi u ph ng pháp khác đ nghiên c u m t hi n t ng V đ c m n i dung gi i thích hi n t t ng đ ng v m t nguyên t c c a ph ng nhi t, ln có s ng pháp nhi t đ ng l c h c ph pháp đ ng h c phân t (th ng kê) M i ph ng ng pháp (tùy thu c vào m c đích s d ng nghiên c u) đ u có nh ng u vi t nh ng thi u xót c a mình, không th đánh giá cao giá tr c a ph pháp Ph ng pháp chúng so v i ph ng pháp nhi t đ ng l c h c đ ch t t ng quát c a hi n t ng c s d ng nghiên c u tính ng nhi t d a vào đ nh lu t th c nghi m n n t ng (các nguyên lý nhi t đ ng l c h c), có xét đ n nh ng s ki n th c nghi m khác Trong sách giáo trình v t lý đ i h c, thuy t nhi t đ ng l c h c thuy t đ ng h c phân t v hi n t ng nhi t đ c trình bày tách bi t i u s c n thi t nghiên c u m t cách có h th ng c n b n thuy t v t lý tr ng đ i h c Trong vi c gi ng d y v t lý v i qu c gia nh ng nhi t đ ng ph thông, đ i c, Liên Xô,…l a ch n theo m t đ y u t nhi t đ ng l c h c v t lý th ng kê đ hi n t tr ng khác: Các c nghiên c u đ ng th i, c đ a lúc theo quan m nhi t đ ng l c h c đ ng h c phân t S d nh v y tr ng trung h c ph thông h c sinh ch tìm hi u t t ng c a ph chúng tr ch ng pháp nh ng minh h a c a vi c áp d ng ng h p đ c ch ng trình v t lý trung h c ph thơng - Ch gi i thi u s l Vi t Nam: c c s c a thuy t đ ng h c phân t thuy t nhi t đ ng l c h c nh ng không làm rõ đ gi i thích hi n t ng trình quy đ nh Tuy nhiên, c tính đ ng th i c a thuy t vi c ng nhi t - Trong ph n v t lý nhi t h c, h c sinh v n ti p t c tìm hi u quy lu t đ ng l c h c nh ng không đ c hình thành nh ng quan ni m v quy lu t th ng kê Ta bi t r ng h c ph n c h c, h c sinh đ nh ng trình thu n ngh ch ch t n t i u ki n lý t c làm quen v i ng, v t lý phân t h c sinh kh o sát c nh ng q trình khơng thu n ngh ch (s chuy n hóa c n ng thành n i n ng có ma sát,…) Chính u làm cho h c sinh đ c quan ni m v chuy n đ ng nhi t so v i chuy n đ ng c h c nh m t d ng chuy n đ ng m i c a v t ch t, h c sinh khơng th có s phân bi t nh ng d ng chuy n đ ng c a v t ch t khác ch chuy n đ ng c h c di n m t cách có tr t t , cịn chuy n đ ng nhi t x y m t cách h n lo n Thuy t đ ng h c phân t ch t khí, s d ng quan ni m c a v t lý th ng kê nên ph i h p đ c tính thu n ngh ch c a chuy n đ ng c h c c a m i phân t v i tính khơng thu n ngh ch c a hi n t ch đ ng nhi t xét tồn b , c tính khơng th quy d ng chuy n đ ng nhi t c a v t ch t v d ng chuy n đ ng c h c Chính nh quan ni m c a v t lý th ng kê v ch t khí, phát hi n đ c c ch không thu n ngh ch c a nh ng trình v t lý h phân t mà gi i thích đ đ c hi n t ng khuy ch tán phát hi n c c ch h n lo n c a chuy n đ ng nhi t nên gi i thích đ c s xu t hi n th ng giáng mà rõ nét nh t chuy n đ ng Brown V i nh ng ý ngh a to l n c a v t lý th ng kê ta hồn tồn có th dùng đ gi i thích t ng t n hi n t ng nhi t, u s giúp cho h c sinh hình thành phát tri n t v t lý, hình thành đ ng khác đ gi i thích k t qu v t lý L chăs ănghiênăc u Các hi n t ng nhi t ch ng trình v t lý ph thơng đ c kh o sát gi i thích d a k t qu c a thuy t đ ng h c phân t , c s c a nhi t đ ng l c h c m t cách đ n gi n m c đ c s , khơng gi i thích ch rõ nh ng k t qu c th c a v n đ nhi t h c chuy n đ ng Brown, ph ó s áp d ng đ gi i thích ng trình tr ng thái khí lý t ng, nguyên lý c a nhi t đ ng l c h c,…V i vi c áp d ng k t qu c a v t lý th ng kê ta s ch rõ đ c nh ng k t qu c th c a hi n t ph ng trình tr ng thái khí lý t ng nhi t nh chuy n đ ng Brown, ng, … M cătiêuănghiênăc u C t lõi c a vi c dùng v t lý th ng kê đ gi i thích hi n t vi c hình thành nh ng quan ni m th ng kê, nh ng đ i l ng nhi t ng đ c tr ng c a th ng kê áp d ng vào trình nhi t Tuy nhiên đ hình thành nh ng quan ni m th ng kê c n ph i liên h ch t ch v i nh ng v n đ c b n c a n i dung v t lý trung h c ph thông, ch ng h n v i vi c rút công th c áp su t ch t khí, hay kh o sát s chuy n đ ng h n lo n c a phân t khí,… Kháchăth vƠăph măvi nghiênăc u it ng kh o sát nh ng đ i l ng c b n đ c tr ng c a v t lý th ng kê V i vi c kh o sát nh v y, s xem xét: - Các đ i l - Các hi n t ng c b n c a v t lý th ng kê ng nhi t xem xét quan m th ng kê đ thu đ k t qu bi t V năđ ănghiênăc u Có v n đ c n nghiên c u là: - Các lu n đ , đ i l ng đ c tr ng c b n c a v t lý thông kê c - Các hi n t k t qu thu đ ng nhi t đ c nghiên c u d a quan m th ng kê, c áp d ng k t qu th ng kê Gi ăthuy tănghiênăc u Gi i thích hi n t Ph ng nhi t quan m c a v t lý th ng kê ngăphápăch ngăminhăgi ăthuy t - B ng vi c trình bày đ i l rõ đ ng đ c tr ng c a v t lý th ng kê ta s ch c giá tr tham s mô t h vi mô - B ng vi c dùng tham s vi mô kh o sát hi n t gi i thích th a đáng k t qua thu đ ng nhi t ta s c c a nhi t h c nh chuy n đ ng Brown, ng trình tr ng thái khí, … ph 8.ăC uătrúcăc aălu năv n C u trúc c a lu n v n bao g m ph n m đ u trình bày lý l a ch n đ tài, l ch s , m c tiêu v n đ nghiên c u, gi thuy t ph ng pháp ch ng minh gi thuy t nghiên c u Ch ng trình bày gi thuy t ph ng pháp chúng minh gi thuy t C th vi c xây d ng lu n đ c b n c a v t lý th ng kê, dùng lu n đ đ xây d ng ki n th c c a nhi t h c gi i thích k t qu c a nhi t h c Ch b ng trình bày ph ng pháp, cách th c bao g m ti n trình, c gi ng d y n i dung nhi t h c cho h c sinh kh i chuyên v t lý b ng cách áp d ng v t lý th ng kê thông qua nh ng lu n m xây d ng ch ng Cu i đ a k t lu n, nh ng đ xu t ki n ngh vi c s d ng ph ng pháp v t lý th ng kê gi ng d y n i dung nhi t h c cho h c sinh kh i chuyên v t lý Ch ng 1: C ăS ăC AăPH NGăPHỄPăV TăLụăTH NGăKểă TRONGăKH OăSỄTăCỄCăHI NăT 1.1 C ăs ăc aăph ngăphápăv tălỦăth ngăkê NGăNHI T 1.1.1 Lu n đ c b n c a v t lý th ng kê it ng nghiên c u c a v t lý th ng kê h v mô, t c h nhi u phân t (h t) n hình ta xét ch t khí mơ t h m t cách đ y đ ta ph i bi t thông tin v tr ng thái đ ng h c c a t ng ph n t c u thành h t ng th i m xác đ nh Và đ đ c tr ng cho u ta g i tr ng thái vi mơ c a h Do s t xung l ng tác chuy n đ ng không ng ng c a phân t , v trí ng c a chúng ln ln bi n đ i, nói khác tr ng thái vi mô c a h bi n đ i Ta không th xác đ nh đ c tr ng thái vi mơ c a h lý do:  H nhi u h t đ xác đ nh tr ng thái vi mô c a h c n thi t l p h v i s l ng l n ph ng trình  Ta không đ nh đ l c u ki n ban đ u ph n t có t a đ , xung ng nh th Nh v y s ph c t p bi n đ i không ng ng c a tr ng thái vi mô n cho ph ng pháp c h c thu n túy không th áp d ng đ c Tuy nhiên s ph c t p c a h v mô l i c s đ ti p c n theo ph kê Theo đó: N u ta bi t đ sát đ ng pháp th ng c xác su t c a tr ng thái vi mơ giá tr quan c c a tham s vi mô (áp su t, nhi t đ , th tích,…) đ c tính nh giá tr trung bình c a chúng theo tr ng thái vi mơ [2, tr.52] 1.1.2 Mơ hình toán h c c a v t lý th ng kê V t lý thông kê b t ngu n t khái ni m xác su t Ta s xem xét d a quan m xác su t Xét ví d kinh n sau đây: Gi s có đ ng ti n, có m t s p ng a khác Khi gieo đ ng ti n r t nhi u l n ta th y r ng s l n s p ng a x p x nh nhau, xác su t đ đ ng ti n gieo có m t s p ho c ng a ½ Khi nói nh v y ta đ nh ngh a WA c a s ki n riêng l A t s c a l n quan sát th y s ki n NA t ng s l n quan sát N WA  NA (1.1) N Nh v y nói v xác su t đ x y s ki n A ta quan ni m r ng có m t ranh gi i rõ nét gi a s ki n A s ki n không ph i A Tuy nhiên v t lý u khơng th L y ví d : Ta không th xác đ nh đ su t đ phân t khí có v n t c theo ph c xác ng x ux vì: - Giá tr c a ux ln có sai s , sai s l n hay nh tùy thu c vào m c đ xác c a thí nghi m - T t c thí nghi m xác đ nh ux dù có hi n đ i, đ m b o tin c y đ n đâu ch ng n a c ng m c sai s tuân theo h th c b t đ nh Heisenberg Do tr ng h p ta ch có th xem xét xác su t đ ph n t có v n t c ux sai dux mà thơi Và nh v y xác su t hàm c a u x, l n n u dux l n M t khác phân t khí hồn tồn t ng đ ng nên ta có th coi chúng t p h p đ c tr ng cho tr ng thái c a phân t th i m khác Do ta có: W(u x )du x  dN (1.2) N W(ux): hàm m t đ xác su t, t c xác su t đ ph n t có v n t c theo ph ng x ux sai đ n v 1.1.3 Nh ng lý s d ng ph hi n t ng pháp v t lý th ng kê kh o sát ng nhi t Sau trình bày nh ng lu n m c a v t lý th ng kê mô hình tốn h c c a s tìm lý t i l i áp d ng ph cho vi c kh o sát hi n t ng nhi t Ta ý r ng vi c kh o sát hi n t ch t khí lý t ng pháp v t lý th ng kê ng bao g m m t s l ng nhi t, v b n ch t ta kh o sát h ng r t l n phân t c u thành mà ta g i h t M i m t phân t khí đ u chuy n đ ng không ng ng Ta xem xét m t phân t chuy n đ ng, gi s th i m ta kh o sát chuy n đ ng v phái bên ph i, n u nh đ ng c a khơng g p c n tr t t nhiên s ti p t c chuy n đ ng v i v n t c nh c theo h ng ban đ u Tuy nhiên th c t , di chuy n g p vô s phân t khác, t t nhiên x y va ch m, s va ch m di n r t nhi u đ t câu h i: Sau va ch m phân t mà kh o sát s chuy n đ ng theo h ng ? t c đ c a cịn gi nguyên giá tr c hay không ? M i kh n ng đ u có th x y ra, b i va ch m có th x y theo m i h ng, bên trái, bên ph i, phía tr c, phía sau,…c đ m nh, y u,… Nh th ta th y r ng vi c g p ph i nh ng va ch m l n x n nh mà phân t ta kh o sát s chuy n đ ng theo m i ph Bên c nh ta c ng khơng th bi t đ c quãng đ ng ng phân t ta kh o sát qua mà không b va ch m dài bao nhiêu?… Quá trình kh o sát nh cho th y r ng phân t c u thành nên ch t khí luôn chuy n đ ng, chuy n đ ng h n lo n, tính ph bi n c a hi n t Nh xét t ng nhi t trên, chuy n đ ng c a m t s r t l n phân t l i x y ng tác v i n m t cách h t s c ph c t p r c r i Vi c tính tốn xem m i phân t khí chuy n đ ng nh th u hão huy n tính ph c t p Và khơng th ti n hành th c hi n phép toàn c n thi t nên ph i tìm ph ng pháp khác cho phép mô t chuy n đ ng c a phân t Trên quan m khái ni m “xác su t” đ c xu t hi n c ng l n đ u tiên “tính ng u nhiên” xâm nh p v t lý TÀIăLI UăTHAMăKH O Nguy năQuangăBáu M t s v n đ phát tri n c a Nhi t h c ph thông (Tài li u dùng cho l p b i d h c T nhiên, ng giáo viên hè n m 2004) Tr ng i h c Khoa i h c Qu c gia Hà N i, 2004 Nguy nă Quangă Báu,ă Bùiă B ngă oan,ă Nguy nă V nă Hùng V t lý th ng kê Nhà xu t b n 3, L i h c Qu c gia Hà N i, 2005 ngăDunăBình,ăNguy năXuơnăChi,ăTơăGiang,ăTr năChíăMinh,ă V ăQuang,ăBùiăGiaăTh nh V t lý l p 10 Nhà xu t b n giáo d c, 2007 Tr nă căChi n Ch đ xác su t ch ng trình THPT T p chí Giáo d c s 116, tháng n m 2005 Nguy năTh ăH i M t s đ i m i v quan m, quy trình biên so n tài li u đào t o b i d ng giáo viên ph thông hi n T p chí Giáo d c s 115, tháng n m 2005 V ăV năHùng V t lý th ng kê Nhà xu t b n Nguy năTh ăKhôi,ăPh măQuỦăT ,ăL i h c S ph m, 2006 ngăT tă Nguy năNg căH ng,ăPh mă ìnhăThi t,ăLêăTr ngăT t,ăLêăCh năHùng,ă ng V t lý l p 10 nâng cao Nhà xu t b n giáo d c n m 2007 Nguy năTh ăThanhăMai D y h c v “Cơng th c tính nhi t l “Ph ng trình cân b ng nhi t” theo h ng” ng phát tri n ho t đ ng nh n th c tích c c, sáng t o c a h c sinh T p chí Giáo d c s 182 k tháng 01 n m 2008 Nguy năTh ăL ăL c Ng i giáo viên th k 21: Sáng t o – Hi u qu T p chí D y H c ngày s 7, tháng n m 2003 10 Nguy năHuyăSinh Giáo trình Nhi t h c Nhà xu t b n giáo d c 2006 11 Nguy nă Tòng Ph că Thơm,ă Ană V nă Chiêu,ă V ă Ơoă Ch nh,ă Ph m H u ng pháp gi ng d y v t lý tr C ng hịa Dân ch ng ph thơng c, t p Nhà xu t b n giáo d c, 1984 Liên Xô 12 Nguy năC nhăToƠn Ph giáo d c d ng châm: “C b n, hi n đ i Vi t Nam” i ánh sáng c a th c ti n hi n T p chí Giáo d c s 117, tháng n m 2007 13.ăPh măQuỦăT Chuyên đ B i d ng h c sinh gi i v t lý trung h c ph thông, t p : Nhi t h c V t lý phân t Nhà xu t b n giáo d c n m 2005, 14 Ph mă QuỦă T Di n đàn v ch đ nh lu t v ch t khí áp d ng đ ng trình sách giáo khoa: Các c cho nh ng q trình T p chí V t lý Tu i tr , s 16 tháng n m 2004 15 Ph măQuỦăT Tìm hi u sâu thêm V t lý s c p: Tránh u ng nh n đ c sách giáo khoa thí m v t lý 10A T p chí V t lý Tu i tr , s 11 tháng n m 2004 16 Ph mă QuỦă T Di n đàn v ch t ng trình sách giáo khoa: L c ng tác phân t c u t o ch t T p chí V t lý Tu i tr , s 43 tháng n m 2007 17 Tr nhă Th ă H iă Y n,ă Nguy nă Ph m i ph ngă H ng Nh ng gi i pháp đ i ng pháp d y h c V t lí T p chí Giáo d c s 54 tháng n m 2003 18 A.V Muraviép D y th cho h c sinh t l c n m ki n th c v t lý Nhà xu t b n giáo d c, 1978 19 David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker C s v t lý, T p 3: Nhi t h c Nhà xu t b n giáo d c, 2000  ... c a nhi t h c Ch b ng trình bày ph ng pháp, cách th c bao g m ti n trình, c gi ng d y n i dung nhi t h c cho h c sinh kh i chuyên v t lý b ng cách áp d ng v t lý th ng kê thông qua nh ng lu n... ng ph ng pháp v t lý th ng kê gi ng d y n i dung nhi t h c cho h c sinh kh i chuyên v t lý Ch ng 1: C ăS ăC AăPH NGăPHỄPăV TăLụăTH NGăKểă TRONG? ?KH OăSỄTăCỄCăHI NăT 1.1 C ăs ăc aăph ng? ?pháp? ?v tălỦăth... TăLụăTH NGăKểă NH MăNÂNG? ?CAO? ?HI UăQU ăD YăH CăN I? ?DUNG? ?NHI TăH Că TRONG? ?CH NGăTRÌNHăV TăLụăPH ăTHỌNGăHI NăHÀNHă CHO? ?H C? ?SINH? ?KH IăCHUYểNăV TăLụ LU NăV NăTH CăS ăS ăPH MăV TăLụă Chuyên? ?ngƠnh:ăLụăLU