Chơng VII Phơng pháp hình thành khái niệm Một nhiệm vụ khoa học tự nhiên tìm hiểu chất tợng tự nhiên mô tả chúng cách logic Để làm đợc điều khoa học phải tập hợp kiện, quan sát thực nghiệm, vạch dấu hiệu đặc trng chúng, xếp phân loại chúng, khám phá mối quan hệ liên hệ chúng, hệ thống hoá diễn đạt chúng khái niệm Khái niệm tế bào, thành phần để xây dựng nên toàn hệ thống tri thức Hình thành khái niệm vấn đề trung tâm giáo dục học môn Có thể nói, chất lợng giảng dạy học tập môn có tốt hay không phần lớn tuỳ thuộc vào việc ông thầy có nắm vững vấn đề hay không "Khái niệm hình thành chúng" vấn đề lớn khó Muốn hiểu đợc vấn đề này, kiến thức khoa học ngời thầy phải có kiến thức định giáo dục học, tâm lý học, lôgic học triết học vật biện chứng I Một số vấn đề chung Khái niệm gì? Trớc đa định nghĩa tổng quát khái niệm, phân biệt ý nghÜa cđa tõ: Nhµ, bµn, ghÕ, ma, giã lµ tên gọi để vật, tợng Nhà, bàn, ghế, ma, gió tên gọi để khái niệm vật, tợng Nh vậy, tên gọi (một từ), nhng đối tợng khách quan, phản ánh (sự hiểu biết, 52 nhận thức) đối tợng vào óc ngêi (kh¸i niƯm) VËy, kh¸i niƯm, theo nghÜa réng hiểu biết, phản ánh dấu hiệu thuộc tính chất chung vật hay tợng, mối liên hệ cã tÝnh chÊt quy lt gi÷a chóng Nh÷ng dÊu hiƯu thuộc tính chất, mối liên hệ quan hệ chất (có tính quy luật), mà nhờ vật, tợng thuộc loại phân biệt đợc với vật, tợng thuộc loại khác Những dấu hiệu hay thuộc tính chất, mối liên hệ, quan hệ chất hợp lại thành nội dung khái niệm Thí dụ: Ampe kế: Dấu hiệu chất chung là: dụng cụ để đo cờng độ dòng điện Dấu hiệu không chất: kích thớc, màu sắc Những vật có chung dấu hiệu chất đợc gọi Ampe kế Ampe kế khác vật thuộc loại khác nh: Nhiệt kế, vôn kế dấu hiệu chất Những vật đợc xếp vào loại, loại Ampe kế chẳng hạn, tất nhiên có quan hệ với Cơ sở mối quan hệ sở xếp loại chung dấu hiệu chất Nh thế, khái niệm Ampe kế chứa đựng dấu hiệu chất chung cờng độ dòng điện xếp loại dựa dấu hiệu chất chung Điện trở: Tính cản trở truyền dòng điện thuộc tính chất chung dây dẫn điện Những vật có thuộc tính đợc xem có mối quan hệ với đợc xếp vào loại gọi vật dẫn điện Vậy, khái niệm điện trở chứa đựng thuộc tính chất mối quan hệ dựa có chung thuộc tính vật dẫn 53 Chuyển động học: Dấu hiệu chất chung thay đổi vị trí vật so với vật khác đợc coi đứng yên Dựa dấu hiệu ta thiết lập mối quan hệ số tợng, nghĩa xếp số tợng vào loại gọi chuyển động học Chẳng hạn nh: ngời đi, chim bay, ô tô chạy tợng đợc xem có quan hệ với chuyển động học Định luật khúc xạ: Mối liên hệ phụ thuộc vị trí tia sáng tới tia sáng khúc xạ mối liên hệ chất chung Một số tợng đợc xem có quan hệ với sở mối liên hệ chung đợc xếp vào loại tợng, gọi tợng khúc xạ ánh sáng Định luật Acsimet: Mối quan hệ chất chung vật đợc thả vào bình nớc nớc bình, đợc diễn tả khái niệm lực Acsimet định luật Acsimet Những mối quan hệ khác nh vật bỏ vào bình nhanh hay chậm, ngâm nông hay sâu nớc, mối quan hệ không chất Chúng khác trờng hợp cụ thể khác Những đặc điểm khái niệm Khái niệm có đặc điểm: Tính chất (tính trừu tợng, tính chủ yếu) Tính khái quát (tính chung) Tính biến đổi Đặc điểm thứ khái niệm chất (hay tính trừu tợng, tính chủ yếu) Khái học bao gồm dấu hiệu hay chất, mối liên hệ, quan hệ chất vật hay tợng Khi hình thành khái niệm, ngẫu nhiên, riêng lẻ hay bề tính niệm khoa thuộc tính ta bá qua ChÝnh nhê nh÷ng dÊu hiƯu hay thc tính chất, mối liên hệ, quan hệ chÊt mµ ta cã thĨ xÕp mét 54 sè vËt hay tợng vào loại đồng thời lại phân biệt đợc vật ấy, tợng với vật, tợng thuộc loại khác Đặc điểm thứ hai khái niệm tính khái quát hay tính chung Những dấu hiệu hay thuộc tính chất, mối liên hệ, quan hệ chất đồng thời chung cho loại vật hay tợng Có đợc khái niệm nhờ khái quát hoá nhiều tợng, vật riêng lẻ, bỏ qua ngẫu nhiên, thứ yếu, bề ngoài, tách giữ lại chủ yếu, chất chung cho số tợng, vật Chúng ta cần biết chung dùng vào việc nhận thức riêng cách sâu sắc hơn, toàn diện Lênin coi chung nh "một bớc để tới nhận thức cụ thể" Mỗi ngành khoa học khái quát tợng giới khách quan cách dựa vào khái niệm phản ánh nhóm định tợng Trong Vật lý học, khái niệm nh: lực, khối lợng, lợng, điện tử Trong Sinh học, khái niệm nh tế bào, nguyên sinh chất, gen, di truyền, biến dị Trong Hoá học, khái niệm nh nguyên tố, đơn chất, hoá trị, phản ứng hoá học, Đặc điểm thứ ba khái niệm tính biến đổi hay tính phát triển mềm dẻo, linh động Nó chống lại khái niệm cứng đờ, Lênin nói "Khi mà tợng tự nhiên xã hội có liên quan với nhau, linh động đổi thành kia, tất nhiên khái niệm chép cách trung thành, thực với điều kiện khái niệm phải linh động, mềm dẻo nh vậy" Trong trình tìm hiểu cải tạo giới quan, ngời ngày sâu vào chất giới 55 hoàn thiện khái niệm khoa học, làm cho chúng phản ánh vật tợng cách đắn hơn, sâu sắc Bởi thế, khoa học, với vận động, phát triển biến đổi học thuyết, khái niệm khoa học biến đổi phát triển mặt nội dung Sự biến đổi phát triển diễn theo nhiều chiều hớng khác - Có khái niệm biến đổi theo hớng khái quát hoá Thí dụ, khái niệm "vận tốc" "gia tèc" khoa häc Trong khoa häc, ngêi ta ®a khái niệm lần nghiên cứu chuyển động thẳng Khi đó, khái niệm đợc hiểu khái niệm vô hớng Sau đó, ngời ta chuyển sang nghiên cứu chuyển động cong Muốn mở rộng phạm vi nghiên cứu hai khái niệm này, ngời ta phải mở rộng thêm nội dung chúng: coi chúng đại lợng véctơ Khái niệm "Vận tốc" đợc dùng để đặc trng cho nhanh chậm chuyển động mà để phơng chiều chuyển động nữa, khái niệm "gia tốc" đợc dùng để đặc trng cho thay đổi vận tốc độ lớn mà phơng chiều Khái niệm công: Sự khái quát hoá khái niệm diễn nh sau: Trong trờng hợp đơn giản, lực tác dụng vào vật làm cho vật dịch chuyển theo phơng chiều lực, ta có biểu thức tính công A = F.S Khi nghiên cứu trờng hợp tổng quát hơn, lực tác dụng không phơng với chuyển động vật dới tác dụng lực đó, biểu thức tính công A = FScos Biểu thức áp dụng đợc cho trờng hợp đơn giản nêu ( = 0=> cos =1 => A=F.S) tổng quát Khái niệm "máy" Nó vốn dùng để hệ thống ngời chế tạo nhằm biến đổi dạng 56 lợng thành dạng lợng khác để có đợc hiệu có ích để sinh công có ích Hiện máy móc đợc ứng dụng rộng rãi, đặc biệt thiết bị điều khiển học, khái niệm cũ trở thành hẹp Nhiệm vụ đợc đề cho nhà khoa học phải khái quát hoá khái niệm "máy" cho bao gồm máy - Có khái niệm biến đổi theo hớng thay đổi hẳn nội dung cò b»ng néi dung míi, nghÜa lµ theo híng chÝnh xác Thí dụ: khái niệm "nguyên tử" Các nhà triết học tự nhiên cổ đại cho vật chất nguyên tử cấu tạo nên Nguyên tử, theo họ phần tử nhỏ bé vật chất, chia nhỏ đợc (chính có tên gọi nguyên tử!) Mãi đến cuối kỷ 19 đầu kỷ 20, với việc phát triển tợng điện nói chung điện tử nói riêng, ngời xây dựng đợc học thuyết đắn cấu tạo nguyên tử vật chất: vật chất đợc cấu tạo nguyên tử Nguyên tử gồm có hạt nhân mang điện tích dơng điện tử mang điện tích âm chuyển động xung quanh Từ nội dung khái niệm lại đợc phát triển thêm theo hớng xác hoá với mẫu nguyên tử sơmmớcfin, Bo, Thuộc vào loại khái niệm có khái niệm khác nh nhiệt lợng, nhiệt dung, điện trờng, từ trờng, tính chất sóng hạt ánh sáng - Có khái niệm bị loại bỏ hẳn trình phát triển khoa học nh: chất nhiệt, chất điện, từ khối, ête Vật lý - Có khái niệm biến đổi theo hớng phân hoá 57 Khái niệm đợc hình thành kết phân tách khái niệm cũ Thí dụ: Khái niệm nguyên tử xa tách thành hai khái niệm: nguyên tử phân tử Khái niệm nhiệt xa tách thành hai khái niệm: nhiệt lợng nhiệt độ Anhstanh viết: lịch sử, khoa học cần thời gian lâu dài tởng tợng để phân biệt hai khái niệm Nhng phân chia đợc thực đẩy khoa học phát triển nhanh chóng Có thể nói, số lợng chất lợng khái niệm khoa học phản ánh bỊ s©u cđa sù chinh phơc vò trơ cđa t tëng ngêi ë thÕ kû 17, 18 loµi ngêi biết đến khái niệm nh: chuyển động, vận tốc, gia tốc, công, lợng kỷ 19, ngời ta biết thêm khái niệm phân tử, điện tÝch, ®iƯn tư Sang thÕ kû 20 chóng ta lại biết thêm hàng loạt khái niệm nh hạt nhân nguyên tử, lợng nguyên tử, phôtôn, sóng điện từ, bán dẫn, laze, lợng tử ánh sáng, vi điện tử Khái niệm ngôn ngữ Ngôn ngữ, tiếng nói, chữ viết dấu hiệu để vật chất hoá t tởng, để diễn đạt t tởng Mác nói "Ngôn ngữ thực trực tiếp t tởng Ngôn ngữ tiếng nói có ghi dấu chữ viết Mỗi tiếng nói, từ dấu hiệu để khái niệm Cho nên, phía lôgic khái niệm phía ngôn ngữ từ" Thí dụ, mặt phẳng nghiêng Đó khái niệm Đó từ, tên gọi khái niệm Khái niệm nội dung, ý nghĩa từ Quan hệ khái niệm ngôn ngữ, khái niệm từ mật thiết với nhau, nhng mà nhầm lẫn khái niệm với từ, cho khái niệm từ chẳng có khác Khái niệm khách quan, từ mà 58 ngời qui ớc Do đó, có khái niệm có nhiều tên gọi: điện tử hay electron, lợng tử ánh sáng hay phôtôn, hạt hay hạt sơ cấp, Nói nh để khẳng định khác khái niệm từ, để tuỳ tiện đặt từ để gọi khái niệm khoa học Chúng ta phải tôn trọng thuật ngữ khoa học đợc giới khoa học nớc công nhận phải có ý thức rèn luyện cho HS sử dụng thờng xuyên thuật ngữ đợc học Khái niệm khoa học Trên ta đề cập đến khái niệm với nghĩa rộng từ Trong phạm vi khoa học, ta chia khái niệm làm hai phận lớn: - Các khái niệm thông thờng Thí dụ: nhà cửa, cây, ngời, vật, bàn, ghế, phải, trái, trên, dới, nhanh, chậm, lớn, nhá, tèt, xÊu - C¸c kh¸i niƯm khoa häc Thí dụ: thực nghiệm, giả thuyết, thuyết, mô hình, quy tắc, định luật, chuyển động học, khuyếch tán, thăng giáng, quán tính, lực Ngoài ra, phải kể đến số khái niệm vừa thông thờng, vừa khoa học nh nở, sôi, bay hơi, nhiệt độ, điện, phản ứng, Việc chuyển số ngày nhiều khái niệm khoa học sang khái niệm thông thờng biểu nâng cao trình độ khoa học nhân dân Khái niệm Vật lý hiểu biết (sự phản ánh) dấu hiệu, thuộc tính Vật lý chủ yếu chung nhóm vật hay tợng Vật lý mối quan hệ "cùng dấu hiệu thuộc tính chung đó" vật hay tợng nhóm Thí dụ khái niệm khối lợng phản ánh: 59 - Thuộc tính Vật lý chủ yếu chung: quán tính vật thể - Quan hệ "có quán tính" vật thĨ nhãm Nhãm nµy gåm cã ngêi, vËt, đồ vật, trái đất, mặt trăng, Khái niệm gia tốc: - Thuộc tính Vật lý phản ánh chủ yếu chung: biến thiên vận tốc độ lớn, phơng chiều - Mối quan hệ "cùng có biến thiên vận tốc" tợng đợc xếp vào nhóm Nhóm gồm tợng riêng nh: bi lăn nhanh dần chậm dần mặt phẳng nghiêng, tàu hoả tiến dần vào ga, mặt trăng chuyển động quanh trái đất, lắc dao động, Nói cách khác, tợng bề khác tởng nh "dính dáng" ®Õn nhau, nhng thùc l¹i cã quan hƯ víi nhau, xếp chung vào loại gọi chuyển động có gia tốc Vì ta nói khái niệm gia tốc có mối quan hệ Đại lợng Vật lý Căn vào số từ điển, số sách giáo khoa số sách giáo dục học môn, ta định nghĩa đại lợng nh sau: "Đại lợng tính chất thay đổi cách định lợng (tăng lên hay giảm đi), đo đợc" Nh phải hiểu trớc hết "đại lợng" tên gọi, từ dùng để thuộc tính khách quan số tợng, vật (nghĩa đối tợng nhận thức) Những thuộc tính Vật lý thay đổi cách định lợng, đo đợc gọi đại lợng Vật lý Thí dơ: chiỊu dµi, diƯn tÝch, thĨ tÝch, thêi gian, vËn tốc, nhiệt độ, lực, thuộc tính cụ thể riêng biệt vật, tợng Những thuộc tính cụ thể riêng biệt lại có thuộc tính chung thay đổi cách định lợng (tăng lên 60 hay giảm đi) đo đợc Vì chúng đại lợng Nhng mặt khác, thuộc tính lại có đặc trng Vật lý khác (mặt định tính khác nhau) đó, chúng đại lợng Vật lý khác (khác loại, khác chất, khác mặt định tính) Đối với loại đại lợng Vật lý có cách đo riêng Bởi vậy, ta định nghĩa đại lợng Vật lý nh sau: "Đại lợng Vật lý đại lợng đặc trng cho thuộc tính Vật lý mặt định lợng nh mặt định tính" Thí dụ: Khối lợng đại lợng đặc trng cho mức quán tính vật Quán tính thuộc tính vật thể Nó có biểu định tính nh định lợng Đó nghĩa thứ từ "đại lợng" Với ý nghĩa đó, ta hiểu câu "điện trở đại lợng đặc trng cho tính cản trở truyền dòng điện dây dẫn" nh sau: điện trở tên gọi dùng để thuộc tính Vật lý dây dẫn, thuộc tính đợc xác định cách định lợng, đo đợc Ngời ta hiểu từ (tên gọi) "đại lợng" dùng để khái niệm thay đổi cách định lợng đo đợc Nói cách khác, từ "đại lợng" dùng để hiểu biết (sự nhận thức) ngời đối tợng khách quan Muốn hiểu thuật ngữ khoa học đợc dùng với nghĩa cần vào văn cảnh cụ thể Thí dụ nh, " gia tốc khái niệm" "gia tốc đại lợng" hai cách nói có ý nghĩa khác đợc dùng trờng hợp khác Nhng có ttrờng hợp nói hiểu cách Thí dụ nh: Ta không nói Mà nói - Định nghĩa đại lợng vận tốc - Định nghĩa khái niệm vận tốc 61 Dây dẫn AB Hiệu điện U (V) CD 6 Cêng ®é I (A) 0,5 1,5 0,25 0,5 0,75 Tû sè U/I (V/A) 4 8 KÕt qu¶ cđa thí nghiệm chứng tỏ rằng: tỷ số hiệu điện cờng độ dòng điện dây dẫn đại lợng không đổi Trong thí nghiệm trên, dây dẫn AB 4V/A, dây dẫn CD 8V/A Đại lợng đặc trng cho tính chất dây dẫn, tính chất gọi điện trở Điện trở dây dẫn đại lợng Vật lý Để tìm điện trở dây dẫn, cần chia hiệu điện cho cờng độ dòng điện: Điện trở = Hiệu điện thế/ Cờng độ dòng điện Hay dới dạng công thức: R = U I giáo viên phân tích vấn đề rõ nữa: Cùng hiệu điện hai đầu dây, nhng dây dẫn AB có tỷ số U/I để dòng điện truyền qua nhỏ so với dây dẫn CD Nh đến kết luận khác: U/I dây dẫn khác khác Dây dẫn có đại lợng nhỏ, dây dẫn cản trở truyền dòng điện Dây dẫn có đại lợng lớn, dây dẫn cản trở nhiều truyền dòng điện Kết luận "xa" kết ban đầu hơn, nhng lại "gần" chất vật (vai trò t trừu tợng hoá) Thật vậy, cách vận dụng thao tác t (phân tích, so sánh, trừu tợng hoá) ta từ số liệu đo đợc, ghi đợc thí nghiệm, tìm đợc: dây dẫn khác có tính chất cản trở truyền dòng điện với mức độ khác đại l- 94 ợng U/I dùng đại lợng Vật lý dụng thao tác t quan hệ bề dây dẫn để đặc trng cho tính chất Do đó, đợc gọi ®iƯn trë Nh vËy lµ nhê vËn duy, ta ®i từ dấu hiệu bề ngoài, (U, I, U/I) đến thuộc tính chất Tiếp giải thích chất điện trở theo quan điểm vi mô: Dòng điện dòng chuyển động có hớng điện tích Trong kim loại, điện tử chuyển ®éng nh vËy, t¸c dơng cđa ®iƯn trêng, c¸c điện tử tơng tác với ion mạng tinh thể Tác dụng giống nh tác dụng lực cản (lực ma sát) làm chậm dần chuyển động điện tử Do làm giảm cờng độ dòng điện dây dẫn Kết luận: qua thÝ nghiƯm vµ sù suy ln khoa häc ta thấy cờng độ dòng điện không phụ thuộc vào hiệu điện mà phụ thuộc vào điện trở dây dẫn Do nhận thức vị trí khái niệm cha sâu sắc, nên số giáo viên giảng trọng đến quan hệ số lợng, nặng truyền đạt định luật, xem nhẹ phần vận dụng thao tác t duy, suy luận, xem nhẹ phần xây dựng khái niệm điện trở Rất đáng tiếc có giáo viên, cấp II cha hiểu rõ môn Vật lý môn khoa học thực nghiệm, cha hiểu rõ nội dung phơng pháp này, dạy "chay" có làm thí nghiệm cha theo trình tự phơng pháp thực nghiệm (chẳng hạn nh dùng thí nghiệm để kiểm chứng mà thôi) Dạy Vật lý nh đem lại kết đa sè häc sinh kh«ng hiĨu, kh«ng nhí, kh«ng vËn dơng đợc kiến thức Vật lý Gần đây, nhận xét tình hình giảng dậy môn Vật lý Pháp giáo s A.Kastler có nói: "ở bậc trung học, cần 95 phải coi trọng vai trò khoa học thực nghiệm, đặc biệt khoa học Vật lý Hiện nay, số đông trí thức Pháp coi thờng ngành khoa học thực nghiệm, xem khinh lao động chân tay, khinh kỹ thuật Đây biểu thiển cận đáng tiếc Sự phát triển cđa trÝ t ®i theo víi sù khÐo lÐo cđa chân tay Nếu coi thờng rèn luyện bàn tay lâu dài tức làm tàn phế óc Khoa học giáo dục cần ý đến điều Muốn HS phát triển cách hài hoà không đợc rèn luyện trí óc cách đáng, mà phải phối hợp mật thiết rèn luyện trí óc với khéo léo chân tay, với khả thực nghiệm Trong chơng trình trung học nay, khoa học Vật lý trở thành thứ Toán học phụ thuộc (sous Mathematiques) Quá trình nghiên cứu phát triển kiện bị bỏ qua lý thuyết Vật lý trở thành dây tính toán "định luật" từ trời rơi xuống Ngời ta dựa trình độ Toán học để chọn HS gọi có khả học ngành khoa học mà không ý đến khả phán xét, khéo léo thực nghiệm khả phản ứng trớc vấn đề cụ thể Cần chấn chỉnh lại tình trạng trên, cần làm cho khoa học Vật lý chiếm vị trí u tiên việc đào tạo bậc trung học" Tình hình giảng dạy Vật lý ta có nhiều nét tơng tự ý kiến giáo s Vật lý A.Kastler đáng suy nghĩ Cần ý là, việc hình thành khái niệm đại lợng thờng không tách rời với mối liên hệ khách quan có tính quy luật số tợng Vật lý (thể mối liên hệ có tính quy luật số đại lợng Vật lý) Do hình thành tốt khái niệm định lợng tạo điều kiện dễ dàng cho việc phát biểu định luật Vật lý Ta thấy điều thí dụ điện trở: khái niệm điện trở đợc hình thành dựa 96 định luật Ôm mối liên hệ khách quan ba đại lợng hiệu điện thế, cờng độ dòng điện điện trở Dùng phơng pháp quan sát thực nghiệm để phát mối liên hệ đó, làm sở cho việc phát thuộc tính Vật lý có mặt định lợng Trong lý thuyết nhận thức, điều quan trọng phải phân biệt rõ mối liên hệ có sẵn đối tợng mối liên hệ hình thức lôgic mối liên hệ tồn t phù hợp trực tiếp thân đối tợng Mối liên hệ hình thức mối liên hệ chứa định nghĩa khái niệm đại lợng Thí dụ: Cần phân biệt khác công thức định nghĩa điện trở R = U U công thức định luật I = I R Về mặt Toán học, chúng khác nhau, nhng mặt Vật lý chúng lại khác Công thức R = U biểu thị I mối liên hệ hình thức (lôgic) tổng quát, nghĩa áp dụng để tính điện trở phần tử mạch điện: đoạn dây dẫn, đèn điện tử chân không hay bán dẫn Trái lại, công thức định luật Ôm biểu thị mối liên hệ khách quan tồn thân đối tợng, đại lợng I, U, R hay mối liên hệ phụ thuộc tuyến tính cờng độ dòng điện hiệu điện thế: U =const Vì mối I liên hệ tuyến tính phần tử mạch điện, có đoạn mạch dây dẫn kim loại hay chất điện phân, định luật Ôm không tổng quát, không áp dụng cho chất khí, cho đèn điện tử chân không hay bán dẫn Vì mối liên hệ hình thức mối liên hệ phản ánh trình tự lôgic trình nhận thức vật, tợng, nên trình tự lôgic thay đổi kéo theo thay đổi mối liên hệ lôgic Chẳng hạn nh xây dựng khái niệm điện trở dựa tác dụng nhiệt dòng điện định luật JunLenxơ 97 R= Q It Mối liên hệ phơ thc cđa nhiƯt vµo tÝch I 2t lµ mèi liên hệ có tính quy luật, khách quan nội dung định luật Jun-Lenxơ Dựa vào mối liên hệ đó, ta hình thành khái niệm điện trở R= Q It Công thức định nghĩa điện trở nói chứa mối liên hệ lôgic khái niệm điện trở cha biết, với khái niệm biết nhiệt lợng cờng độ dòng điện Sự phân tích không điện trở mà với nhiều đại lợng Vật lý khác nữa: Đại lợng * Vận tốc Mối liên hệ khách quan cã tÝnh quy lt - Mèi liªn hƯ phơ thc tuyến tính S vào t chuyển động * Gia tốc (a) - Mối liên hệ V t * Lực - Định luật I định luật III Niutơn * Nhiệt lợng - Định luật II nhiệt động lực học (thực chất ĐL BT lỵng) t t1 m2 * NhiƯt dung - Mèi liên hệ m1 t t1 lợng * Công NL - Định luật bảo toàn2 * Động lợng - Định luật bảo toàn động lợng * Điện tích, - Định luật Culông điện trờng, E - Chiết suất - Định luật khúc xạ Trên ta phân biệt mối liên hệ hình thức định nghĩa mối liên hệ khách quan định luật Từ ta thấy vào công thức định nghĩa R = U I mà phát biểu "điện trở dây dẫn tỷ lệ thuận với hiệu điện hai đầu dây tỷ lệ 98 nghịch với cờng độ dòng điện dây" Thật vậy, điện trở đại lợng Vật lý đặc trng cho thuộc tính Vật lý dây dẫn Mỗi dây dẫn có điện trở định, giá trị không phụ thuộc vào việc có dòng điện qua dây dẫn hay không Ta phát biểu "cờng độ dòng điện qua dây dẫn tỷ lệ thuận với hiệu điện hai đầu dây dẫn tỷ lệ nghịch với điện trở dây" Đó mối liên hệ phụ thuộc khách quan có thân tợng truyền dòng điện cách phát biểu nội dung định luật Ôm 3.3 Hình thành khái niệm phơng pháp lý thuyết Chúng ta trình bày phơng pháp nghiên cứu vĩ mô vật tợng Vật lý với phơng pháp hình thành khái niệm theo quan điểm vĩ mô Một hớng phát triển chủ yếu Vật lý ngày sâu vào cấu tạo vật chất Vì thế, số ngời nói lịch sử phát triển Vật lý học xem lịch sử phát triển thuyết Vật lý: Thuyết động lực học phân tử vật chất, thuyết trờng, thuyết điện tử, thuyết cấu tạo nguyên tử, thuyết lợng tử, Cùng với hình thành phát triển thuyết diễn việc trình bày lại kiến thức Vật lý theo c¸ch suy diƠn: Tõ mét sè Ýt c¸c kiện kinh nghiệm, xây dựng mô hình hƯ thèng VËt lý, vỊ thÕ giíi VËt lý, nghiªn cứu mô hình rút số hệ kiểm nghiệm lại thực nghiệm Sau sơ đồ tổng quát thuyết Vật lý C¬ së kinh nghiƯm: kiÕn thøc cò, thÝ nghiệm tảng T tởng thuyết: thí dụ, vật chất cấu tạo gián đoạn (hạt), hay liên tục? ánh sáng hạt sóng? 99 Xây dựng mô hình Gắn với mô hình số định luật, số khái niệm hệ thống ngôn ngữ tơng ứng Giải thích tiên đoán: hệ quả, thí nghiệm định Qua sơ đồ ta thấy, khái niệm Vật lý tồn phát triển thuyết gắn với việc xây dựng mô hình giới khách quan Với cách trình bày kiến thức theo cách suy diễn, khái niệm gắn bó với cách logic thực tạo nên hệ thống khái niệm Phơng pháp ngày đợc coi träng ë cÊp trung häc C¸c kh¸i niƯm nh ¸p suất, nhiệt độ, nhiệt lợng đợc trình bày lại dới ánh sáng thuyết động học phân tử Các khái niệm nh cờng độ dòng điện, điện trở, điện trở suất định luật Ôm, đợc trình bày theo thuyết điện tử Đó cách khảo sát vi mô đại lợng định luật vĩ mô Các khái niƯm nh cêng ®é cđa trêng, hiƯu thÕ cđa trêng, lợng trờng, đợc hình thành phát triển thuyết trờng Dới trình bày khái niệm định lợng cờng độ dòng điện, điện trở, điện trở suất định luật ôm theo quan điểm vi mô Cơ sở kinh nghiệm: - Thuyết động học phân tử - Các định luật học Niutơn., - Thuyết trờng tơng tác điện tích - Sự phát điện tử - Định luật ôm 100 Xây dựng mô hình: Mô hình điện tử tự dây dẫn kim loại Khí điện tử tù cã tÝnh chÊt gièng nh khÝ lý tëng, khí áp dụng luận điểm thuyết động học phân tử Chuyển động điện tử kim loại xẩy theo quy luật học cổ điển, bỏ qua tơng tác điện tử; tơng tác điện tử với ion xem nh va chạm đàn hồi Nghiên cứu mô hình: Theo định nghĩa I = q/t, q điện lợng điện tử chuyển qua tiết diện dây dẫn q =en.Sl, e điện tích điện tử, n mật độ điện tử, S tiết diện thẳng, l đoạn đờng ®iƯn tư ®i ®ỵc theo chiỊu cđa ®iƯn trêng thêi gian t Suy I = q/t = en.Sv Vận tốc dịch chuyển v điện tử xấp xỉ 0,7 mm/s Dới tác dụng lực điện trờng, ®iƯn tư kim lo¹i thu mét gia tèc a = F/m = e E/m, ban đầu điện tử chuyển động theo chiều điện trờng khoảng thời gian hai va chạm, điện tử thu đợc vận tốc VT=a.T=eET/m Trong T khoảng thời gian hai va chạm điện tử ion mạng Vì điện tử chuyển động hỗn loạn, nên xem điện tử thời gian thu đợc vận tốc dịnh chuyển trung bình V=eET/2m Để đơn giản coi điện trờng dây dẫn dều, E = U/d, d chiều dài dây dẫn Ta có: I= e2nT U Đó định luật Ôm 2md R= 2md e2nT điện trở dây dẫn 101 = 2m e2nT điện trở suất dây Qua công thức ta thấy đại lơng vĩ mô "điện trở" "điện trở suất" phụ thuộc vào tham số vi mô m, n, e, T đặc trng cho khí điện tử kim loại 3.4 Hình thành khái niệm suy luận Toán học-Lôgic hình thức Bên cạnh khái niệm ta gặp số khái niệm đợc hình thành phơng pháp suy luận Toán học Đó khái niệm có chất Toán học, không đụng chạm trực tiếp đến tính chất Vật lý cụ thể đối tợng khách quan Những khái niệm thuộc loại là: vận tốc trung bình chuyển động biến đổi, điện trở tơng đơng, cờng độ hiệu dụng hiệu điện hiệu dụng dòng điện xoay chiều, Thí dụ, khái niệm điện trở tơng đơng: Đặt vấn đề: Giả sử tìm đợc ®iƯn trë cho cïng mét ®iỊu kiƯn vỊ hiệu điện (U nhau), cờng độ dòng điện qua điện trở tổng cờng độ dòng điện qua mạch rẽ Nói cách khác, ta thay điện trở mạch rẽ điện trở mà không làm thay đổi phân bố hiệu điện đoạn mạch Điện trở thay gọi điện trở tơng đơng Nó tơng đơng với điện trở mạch rẽ phơng diện tải điện Giải vấn đề: Tìm giá trị điện trở tơng đơng Xuất phát từ định nghĩa điện trở tơng đơng nh trên, ta viết I = I1 + I2 I cờng độ dòng điện qua điện trở tơng đơng R0 I mạch I I2 cờng độ dòng điện qua mạch rẽ R R2 áp dụng định luật ôm cho đoạn mạch, ta viết: 102 I= U U1 U R0 R1 R 1 => R R R ý nghĩa điện trở tơng đơng chỗ nhờ có khái niệm đó, ta thay mạch điện phức tạp mạch điện tơng đơng đơn giản hơn, để tính dễ dàng cờng độ dòng điện mạch độ giảm mạch điện cờng độ dòng điện mạch rẽ Do coi việc hình thành khái niệm điện trở tơng đơng trọn vẹn thông qua vài tập có chọn lọc Cần làm cho học sinh thấy điện trở tơng đơng (cũng nh vận tốc trung bình chuyển động biến đổi, cờng độ dòng điện hiệu dụng, hiệu điện hiệu dụng, ) sản phẩm t khoa học, nhằm đáp ứng nhu cầu thực tiễn Nó không đặc trng cho thuộc tính Vật lý cụ thể dây dẫn 3.5 Hình thành khái niệm phơng pháp tơng tự Trong tự nhiên có số tợng khác phơng diện Vật lý nhng lại có số mặt giống nhau, từ nẩy sinh việc dùng phơng pháp tơng tự để hình thành số khái niệm Dới vài thí dụ: Các tợng dao động cơ, điện, quang có chất Vật lý khác nhng lại có chế chung, tuân theo định luật định lợng giống Do đó, để đơn giản cách trình bày đồng thời làm sáng tá sù thèng nhÊt cđa thÕ giíi vËt chÊt, ta dùng phơng pháp quan sát thực nghiệm để nghiên cứu dao động sóng cơ, hình thành khái niệm liên quan đến dao động nh chu kỳ, tần số, biên độ pha dao động Sau xem dao động sóng nh mô hình trực quan dao động điện sóng điện từ, sóng ánh sáng, Các công thức định lợng dao động áp dụng cho dao động sóng khác với lời giải thích cần thiết Thí dụ: 103 Biểu thức ®éng häc cđa dao ®éng ®iỊu hoµ x = A Sin( 2 t ) cã thÓ nh sau: T Dao động học Dao động điện * x ®é dêi cđa vËt dao ®éng kĨ tõ vÞ trÝ cân thời điểm * T chu kỳ dao động vật * x cờng độ dòng điện tức thời hay hiệu điện tức thời * T chu kỳ dao động dòng điện xoay chiều * pha dao động điện * pha dao động Trờng hấp dẫn trờng tĩnh điện có sè tÝnh chÊt gièng nhau, ®ã cã thĨ dïng phơng pháp tơng tự để hình thành khái niệm điện điện trờng, công điện trờng, Nói nh nghĩa trờng hợp kể hay số trờng hợp khác, hình thành khái niệm cách dùng phơng pháp tơng tự, so sánh cách hoàn toàn hình thức tợng có chất Vật lý hoàn toàn khác Phải có phơng pháp tơng tự phơng pháp bổ trợ cho phơng pháp khác Việc lạm dụng phơng pháp tơng tự lịch sử khoa học nhiều lần dẫn đến thất bại, hiểu sai đối tợng khách quan Đó trờng hợp cđa thut chÊt láng nhiƯt, chÊt láng tõ, chÊt láng điện Đó trờng hợp thuyết từ khối, Trong trình bày kiến thức phổ thông, việc lạm dụng phơng pháp tơng tự có đa đến hiểu sai kiến thức 3.6 Các bớc tổng quát hình thành khái niệm Vật lý Những công trình nghiên cứu s phạm thực tế giảng dạy chứng minh việc lĩnh hội khái niệm phải trải 104 qua chặng đờng phức tạp lâu dài, khái niệm khó Con đờng đắn để hình thành khái niệm Vật lý trờng phổ thông phải đờng phản ánh đợc trình nhận thức Con đờng ®êng lý ln g¾n liỊn víi thùc tiƠn, häc ®i đôi với hành Căn vào đó, ta vạch bớc tổng quát để hình thành khái niệm Vật lý sau đây: Đặt vấn đề tổ chức quan sát (và đo có) Tách dấu hiệu hay thuộc tính chung chất vật hay tợng nghiên cứu Định nghĩa khái niệm Củng cố lĩnh hội khái niệm, vận dụng khái niệm vào thực tiễn Sau nội dung bớc: Bớc 1: Theo lý luận dạy học, khái niệm khoa học thờng đợc trình bày theo đờng quy nạp Phải cho khái niệm đợc dẫn đợc trình bày rõ ràng sở tài liệu mang tính chất kiện đầy đủ quen thuộc học sinh, đợc rút từ sống hàng ngày hay đợc thu thập qua thí nghiệm Do đó, nhiệm vụ bớc tổ chức quan sát hay tái điều quan sát Phải chọn thí dụ điển hình số lợng thí dụ mà lại đủ để khái quát hoá Phải tránh thiếu sót thờng mắc phải khái niệm đợc "rút cách quy nạp từ kiện", điều làm cho khái niệm trở nên nghèo nàn tạo cho học sinh ấn tợng sai lầm điều làm để đạt đợc tri thức khoa học Đối với hai loại khái niệm khác (định tính định lợng) việc sử dụng phơng pháp quan sát thực nghiệm có nét khác nhau: 105 Đối với khái niệm định tính, việc sử dụng phơng pháp quan sát thực nghiệm nhằm tạo trớc mắt học sinh vật hay tợng cần nghiên cứu, có dấu hiệu, thuộc tính chủ yếu lẫn thứ yếu Còn khái niệm định lợng, việc hình thành chúng, nh biết, thờng không tách rời mối liên hệ khách quan, có tính quy luật tợng, vật Do đó, việc dùng phơng pháp quan sát thực nghiệm nhằm tạo mối liên hệ đó, làm sở cho việc phát thuộc tính Vật lý cần nghiên cứu Nói cách khác, việc hình thành khái niệm loại thờng không tách rời việc hình thành định luật Bớc 2: Sau tổ chức tốt việc quan sát thu thập tài liệu quan sát, giáo viên hớng dẫn học sinh vận dụng tổng hợp thao tác t suy lý, phán đoán để tách dấu hiệu chung chất hay để tìm thuộc tính bớc này, giáo viên phải làm lên vai trò t lôgic, t Vật lý trí tởng tợng Thiếu đó, khái niệm "từ trời rơi xuống" Những khái niệm định lợng khái niệm trừu tợng mức độ cao, khó tiếp thu thờng quan trọng Trong chuỗi lôgic chung trình bày rõ bớc khái niệm này, hầu nh có bớc ngoặt lôgic khó học sinh, nhng lại quan trọng để giúp em nắm vững khái niệm Trong trờng hợp đó, trình bày tài liệu phải đặc biệt có sức thuyết phục mặt kiện nh tính xác, lôgic lập luận Bớc ngoặt xẩy chuyển từ mối quan hƯ sè lỵng sang mèi quan hƯ chÊt lỵng, nhằm phát định luật Vật lý Bớc 3: Cần phân biệt hai cách định nghĩa ứng với hai loại khái niệm Đối với khái niệm định lợng, trờng hợp có thể, cần vạch rõ ý nghĩa khái niệm trớc đa định nghĩa 106 Bíc 4: HƯ thèng ho¸ kh¸i niƯm Kh¸i niƯm cần đợc đặt chỗ hệ thống khái niệm học sinh hiểu cách xác lúc cần nhớ lại đợc kịp thời Việc luyện tập, vận dụng khái niệm cần theo tinh thần sau đây: tập vận dụng không cần nhiều, mà cần xếp theo hệ thống từ dƠ ®Õn khã, tõ lý thut ®Õn thùc tiƠn, tõ chỗ gần với dạng điển hình đến chỗ có nhiều sai khác, từ chỗ đơn áp dụng định nghĩa, công thức, sử dụng khái niệm, đến chỗ phối hợp nhiều công thức nhiều khái niệm khác Cần luyện tập thờng xuyên việc sử dụng ngôn ngữ khái niệm thay dần ngôn ngữ thông thờng Hiện nay, ë rÊt nhiỊu giê häc viƯc kiĨm tra vµ củng có lĩnh hội khái niệm sơ sài, phiến diện Việc kiểm tra thờng dừng định nghĩa khái niệm vận dụng công thức đơn giản, thờng nặng ghi nhớ máy móc, nhẹ suy luận, nặng ý mà nhẹ diễn đạt, nặng lý thuyết, nhẹ việc vận dụng khái niệm thực tiễn Đó nhợc điểm cần khắc phục 107 Tài liệu tham khảo Vũ Quang Bàn khái niệm Vật lý Nội san Viện Khoa häc Gi¸o dơc TËp t liƯu VËt lý sè 1978 (Tài liệu Ronio) Lê Văn Hồng (Chủ biên) Tâm lý học lứa tuổi tâm lý học S phạm NXB "Đại học Quốc gia" HN.2001 (Phần "Sự hình thành khái niệm" (tr.120 - 130) Lê Nguyên Long - Nguyễn Đức Thâm Phơng pháp giảng dạy Vật lý NXB "Giáo dục" 1966 (tr17 -21) Nguyễn Đức Thâm (Chủ biên) - Nguyễn Ngọc Hng Phạm Xuân Quế Phơng pháp dạy học Vật lý trờng phổ thông - HN 2002 (tr 268-275) 108