Xây dựng và sử dụng hệ thống bài tập thí nghiệm phần điện điện từ vật lí 11 nhằm bồi dưỡng học sinh giỏi vật lí

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC VI BIÊN CƯƠNG XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG HỆ THỐNG BÀI TẬP THÍ NGHIỆM PHẦN “ĐIỆN - ĐIỆN TỪ” VẬT LÍ 11 NHẰM BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI VẬT LÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ SƯ PHẠM VẬT LÍ HÀ NỘI – 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC VI BIÊN CƯƠNG XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG HỆ THỐNG BÀI TẬP THÍ NGHIỆM PHẦN “ĐIỆN - ĐIỆN TỪ” VẬT LÍ 11 NHẰM BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI VẬT LÍ CHUYÊN NGÀNH: LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP DẠY HỌC (BỘ MƠN VẬT LÍ) Mã số: 60 14 10 LUẬN VĂN THẠC SĨ SƯ PHẠM VẬT LÍ Người hướng dẫn khoa học: TS NGƠ DIỆU NGA HÀ NỘI - 2013 LỜI CẢM ƠN Bằng tất lịng kính trọng biết ơn sâu sắc, tác giả xin gửi lời cám ơn trân thành đến: Ban Lãnh đạo thầy cô giảng dạy lớp cao học khóa – Trường ĐHGD – ĐHQGHN truyền thụ cho chúng em kiến thức kinh nghiệm quý báu Đặc biệt TS Ngô Diệu Nga tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, động viên tác giả lúc khó khăn Cảm ơn dành thời gian công sức dẫn hướng giúp tác giả hoàn thành tốt luận văn Xin cảm ơn Ban giám hiệu, thầy cô giáo tổ Lý, em học sinh trường THPT Chuyên Nguyễn Tất Thành – Tỉnh Yên Bái tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả thực đề tài Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình, bạn bè động viên hỗ trợ tác giả suốt thời gian qua Hà Nội,tháng 12 năm 2013 Tác giả Vi Biên Cương i BẢNG GHI CHÚ CÁC CHỮ VIẾT TẮT ii MỤC LỤC TRANG i ii ii vi Lời cảm ơn Danh mục kí hiệu, chữ viết tắt Mục lục 6 6 8 10 10 11 11 11 12 11 12 14 16 18 19 22 22 Danh mục bảng, đồ thị MỞ ĐẦU Chương 1: CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ CƠ SỞ THỰC TIỄN CỦA VIỆC XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG BÀI TẬP THÍ NGHIỆM NHẰM BỒI 22 DƯỠNG HỌC SINH GIỎI VẬT LÍ 1.1 Hoạt động nhận thức phát triển tư học sinh dạy học vật lí 1.1.1 Khái niệm nhận thức: 1.1.2 Rèn luyện thao tác tư trình dạy học Vật lí 1.2 Vấn đề bồi dưỡng học sinh giỏi vật lí trường THPT 1.2.1 Quan niệm học sinh giỏi 1.2.2 Tầm quan trọng việc bồi dưỡng học sinh giỏi 1.2.3 Những phẩm chất lực cần có học sinh giỏi vật lí 1.2.4 Những lực giáo viên cần có bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lí 1.3 Cơ sở lí luận tập thí nghiệm dạy học vật lí 1.3.1 Khái niệm tập thí nghiệm 1.3 Cơ sở lí luận tập thí nghiệm dạy học vật lí 1.3.1 Khái niệm tập thí nghiệm 1.3.2 Đặc điểm tập thí nghiệm 1.3.3 Phân loại tập thí nghiệm 1.3.4 Phương pháp giải tập thí nghiệm 1.3.5 Xây dựnghệ thống tập thí nghiệm 1.3.6 Sử dụng BTTN bồi dưỡng học sinh giỏi dạy học vật lí 1.3.7 Các hình thức sử dụng BTTN dạy học vật lí THPT 1.4 Quan hệ việc giải BTTN Vật lí phát triển tư HS 1.4.1 Rèn luyện thao tác tư cho HS 1.4.2 Tạo điều kiện cho HS tiếp cận với phương pháp thực nghiệm iii 1.5 Thực trạng hoạt động sử dụng tập thí nghiệm bồi dưỡng HSG Vật lí trường THPT Chuyên Nguyễn Tất Thành trường THPT Nguyễn Huệ TP Yên Bái 23 Kết luận chương 25 Chương 2: XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG HỆ THỐNG BÀI TẬP THÍ NGHIỆM PHẦN“ĐIỆN-ĐIỆN TỪ”VẬT LÍ 11 NHẰM BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI VẬT LÍ 26 2.1 Phân tích nội dung mục tiêu dạy học phần “Điện-Điện từ” Vật lí 11 26 2.1.1 Vị trí, đặc điểm phần “Điện-Điện từ” Vật lí 11 26 2.1.2 Cấu trúc nội dung phần “Điện-Điện từ” vật lí 11 26 2.1.3 Mục tiêu dạy học phần “Điện-Điện từ học” vật lí 11 27 2.2 Xây dựng hệ thống BTTN phần “Điện - Điện từ” Vật lí 11 38 2.2.1 Quy trình xây dựng hệ thống BTTN phần “Điện - Điện từ”nhằm bồi dưỡng học sinh giỏi 38 2.2.2 Hệ thống tập thí nghiệm phần “Điện - Điện từ” Vật lí 11 40 2.3 Sử dụng thí nghiệm “Điện-Điện từ” Vật lí 11 bồi dưỡng học sinh giỏi 45 2.3.1 Kế hoạch sử dụng thí nghiệm phần “Điện-Điện từ học” Vật lí 11 45 2.3.2 Hướng dẫn hoạt động giải thí nghiệm “Điện-Điện từ học” Vật lí 11 dạy học bồi dưỡng học sinh giỏi 46 Kết luận chương 73 Chương :THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM 74 3.1 Mục đích nhiệm vụ thực nghiệm sư phạm 74 3.1.1 Mục đích thực nghiệm 74 3.1.2 Nhiệm vụ thực nghiệm 74 3.2 Đối tượng nội dung thực nghiệm sư phạm 74 3.2.1 Đối tượng thực nghiệm 74 3.2.2 Nội dung thực nghiệm 74 3.3 Phương pháp thực nghiệm sư phạm 75 3.4 Đánh giá kết thực nghiệm sư phạm 75 iv 3.4.1 Lựa chọn tiêu chí đánh giá 75 3.4.2 Phân tích kết thực nghiệm 76 Kết luận chương 85 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 86 Kết luận: 86 Khuyến nghị hướng phát triển đề tài 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 PHỤ LỤC 89 v DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 3.1: Đánh giá tỉ lệ trả lời câu hỏi kiểm tra 15 phút 79 Bảng 3.2: Kết kiểm tra 15 phút 80 Bảng 3.3: Thống kê kết điểm kiểm tra 45 phút 80 Bảng 3.4: Bảng phân phối tần suất 81 Bảng 3.5: Bảng phân bố tần suất tích luỹ 81 Bảng 3.6: Bảng thơng số thống kê tốn 83 DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ Đồ thị 3.1: Đường phân bố tần suất 81 Đồ thị 3.2: Đường phân bố tần suất tích luỹ 82 vi MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Sự xuất kinh tế toàn cầu hóa kinh tế tri thức đưa xã hội lồi người tới kỉ ngun đòi hỏi hệ thống giáo dục phương pháp giáo dục cho thích nghi với môi trường xã hội thay đổi Việt Nam không thể đứng ngồi xu Đổi phương pháp dạy học (PPDH) mục tiêu lớn nghành giáo dục đào tạo đặt giai đoạn mục tiêu nghị TW 2, khóa VIII rõ “Đổi mạnh mẽ phương pháp giáo dục - đào tạo, khắc phục lối truyền thụ chiều, rèn luyện nếp tư sáng tạo người học Từng bước áp dụng phương pháp tiên tiến phương tiện đại vào trình dạy học, đảm bảo điều kiện thời gian tự học, tự nghiên cứu cho học sinh …” [5] Nghị Đại hội Đảng toàn quốc lần thứ XI khẳng định "Đổi bản, toàn diện giáo dục Việt Nam theo hướng chuẩn hoá, đại hố, xã hội hóa, dân chủ hóa hội nhập quốc tế, đó, đổi chế quản lí giáo dục, phát triển đội ngũ giáo viên cán quản lí giáo dục khâu then chốt” “Giáo dục đào tạo có sứ mệnh nâng cao dân trí, phát triển nguồn nhân lực, bồi dưỡng nhân tài, góp phần quan trọng xây dựng đất nước, xây dựng văn hóa người Việt Nam" [4] Chiến lược phát triển kinh tế - xã hội 2011 - 2020 định hướng "Phát triển nâng cao chất lượng nguồn nhân lực, nhân lực chất lượng cao đột phá chiến lược" [3] Chiến lược phát triển Giáo dục 2001 - 2010 (ban kèm định số 201/2001/QĐ - TTg ngày 28 tháng 12 năm 2001 thủ tướng phủ) mục 5.2 ghi rõ: “Đổi đại hóa phương pháp giáo dục Chuyển từ việc truyền thụ tri thức thụ động thầy giảng trò ghi sang hướng dẫn người học chủ động tư trình tiếp cận tri thức; dạy cho người học phương pháp tự học, tự thu nhận thơng tin cách có hệ thống, có tư phân tích tổng hợp; phát triển lực cá nhân; tăng cường tính chủ động tích cực học sinh, sinh viên q trình học tập,…” [2] Trong trình đổi phương pháp dạy học, phương tiện dạy học đóng c UMN = UMA +U AN = −U AM +U AN 94 Mà: U AM = ε1 − I.r1 = 4,8(V );U AN = I2.R2 = 2,4(V ) ⇒ UMN = −2,4(V ) Câu 2: điểm: phần điểm - Điện trở bóng đèn: RD§ = U2 = 12(Ω) P - Giả sử bóng nắc thành n hàng, hàng m bóng nối tiếp Suy số bóng đèn là: x = m.n (1) - Để đèn sáng bình thương thì: ID§ = 0,5( A);UD = 6(V ) ⇒ Rn = 12 m n ; Ic = 0,5.n( A) Mặt khác: IC = Từ (1) (2) ta đươc phương trình: m2 − 4.m + 0,5.x = (3), Để phương trình có nghiệm: ∆ ≥ ⇒ x ≤ Vậy có thể mắc tối đa bóng đèn để chúng sáng bình thường b Với x = thay vào phương trình (3) ta được: m2 − 4.m + = ⇒ m = 1; n = Hoặc m = 3; n = Vậy có cách mắc: Cách 1: Mắc bóng thành hàng, hàng bóng Với cách mắc thì: H1 = U ε = 24 = 25% Cách 2: Mắc bóng thành hàng, hàng bóng nối tiếp Với cách mắc thì: H1 = 3.U D ε = 18 24 = 75% Câu điểm: - Cơ sở lí thuyết: Từ biểu thức định luật ơm toàn mạch: I = R ε +r Khi R = 0, cường độ dịng lớn, tượng đoản mạch Người ta ứng dụng tượng để khởi động xe máy, ôtô - Giải thích hoạt động phận đề xe máy: Khi ta ấn nút đề (nút để khởi động xe) mạch điện bị nối tắt Trong cuận khởi động động xẽ xuất dòng lớn, giúp động xe máy hoạt động 95 PHỤ LỤC BÀI KIỂM TRA SỐ ( Thời gian làm 15 phút) Câu 1: Từ trường không tác dụng lực lên: A Nam châm khác đặt B Dây dẫn tích điện đặt C Hạt mang điện chuyển động có hướng đặt D Một vịng dây mang dịng điện đặt Câu 2: Trong thiết bị điện tử, dây điện mang dòng điện nhau, ngược chiều thường lại với nhằm mục đích là: A Làm tăng hiệu ứng từ B Làm giảm hiệu ứng từ C Làm tăng hiệu ứng điện D Một lí khác Câu 3: Cho ba dây dẫn thẳng mang dịng điện có cường độ đặt vng góc với mặt phẳng giấy ba vị trí A, B, C tạo thành tam giác vng cân A Hình vẽ sau xác định phương, chiều lực từ tác dụng lên dây dẫn thứ ba đặt A? A B C D Câu Lực sau ứng dụng để điều khiển tia điện tử qt khắp hình bóng đèn hình máy thu hình (tivi) A Lực từ Ampe B Lực tĩnh điện Cu-lông C.Trọng lực D Lực Lorenxơ Câu Một khung dây có diện tích 5cm gồm 50 vịng dây Đặt khung dây từ trường có cảm ứng từ B quay khung theo hướng Từ thơng qua khung có -3 giá trị cực đại 5.10 Wb Cảm ứng từ B có giá trị nào? A 0,2 T B 0,02T C 2,5T D Một giá trị khác Câu 6* Thiết bị điện sau ứng dụng tác dụng có lợi dịng điện Fu-cô ? A Công tơ điện B Quạt điện 96 C Máy bơm nước (chạy điện) D Biến Câu 7* Hiện tượng bóng đèn điện hộ gia đình sáng bừng lên trước tắt hẳn gặp cố điện có nguyên nhân đâu? A Do tượng tự cảm B Do tượng cảm ứng điện từ C Do tượng đoản mạch C Một nguyên nhân khác Câu 8* Trong ngăn bàn có hai bề ngồi nhìn y hệt nhau, sắt mềm thép có từ tính? Làm để phân biệt hai thanh? Đáp án bảng điểm B B Câu 8: - Đặt đầu vào phần Nếu thứ hai nam châm khơng hút thứ đường chung hịa qua điểm năm châm thẳng Nếu có xảy hút thứ nam châm - Tuy nhiên, người ta có thể làm từ hóa thẳng cho có cực thanh, chẳng hạn cực nam, hai đầu cực bắc (thanh loại có thể xem hai năm châm gắn cực Nam vào nhau) Trong trường hợp cần phải dịch đầu dịch theo Nếu thấy liên tục có lực hút thứ nam châm buộc phải mang cực đầu Nhưng trình đó, lực hút quan sát số điểm thứ hai nam châm 97 PHỤ LỤC MỘT SỐ BTTN PHẦN “ĐIỆN - ĐIỆN TỪ” Bài 1: Cho dụng cụ sau: - bóng thổi - mảnh vải Hãy tiến hành TN để quan sát tượng nhiễm điện cọ sát? Bài giải: - Cọ xát mảnh vải vào bóng - Đưa bóng chạm vào tường Bài Cho dụng cụ sau:  bóng bị dính vào tường (như hình) - Vịi nước chảy - ống hút nhựa - mảnh vải len Hãy tiến hành TN để quan sát tượng nhiễm điện cọ sát? Bài giải: - Cọ xát mảnh vải len vào ống hút - Mở vòi cho nước chảy thành dòng nước nhỏ - Đưa ống hút lại gần dòng nước chảy nhựa  dòng nước bị hút đầu ống hút Bài Có hai điện trở có giá trị khác nhau, cục pin ( nguồn điện không đổi), vôn kế Hãy nêu cách so sánh giá trị của điện trở Bài giải: - Mắc mạch điện hình vẽ - Đọc số giá trị hai vôn kế so sánh giá trị chúng - Đưa kết luận giá trị 98 Bài Có nguồn điện, vơn kế, điện trở biết giá trị Hãy tiến hành thí nghiệm để xác định giá trị điện trở khác? Bài giải: - Mạch điện mắc hình vẽ U R -U1=I.R1,U2 =I.R2⇒ = ⇒R2 U2 R2 U =R1U2 - Đo giá trị U1 U ,U - Thay vào biểu thức giá trị R1 , U1 từ suy giá trị R2 Bài Có điện trở chưa biết giá trị, số điện trở biết giá trị xác, biến trở, nguồn điện chiều, ampe kế Hãy đưa phương án, tiến hành thí nghiệm xác định giá trị điện trở chưa biết Bài giải: Ta có thể dựa vào tính chất mạch cầu cân để xác định giá trị điện trở chưa biết Mạch cầu mạch điện gồm điện trở mắc với hình vẽ Khi cường độ dịng điện qua R5, IA = ta có tính chất sau: R R2 = R R4 Như vậy, để xác định giá trị điện trở Rx, ta mắc mạch điện sau: Điều chỉnh giá trị biến trở R3, Ampe kế giá trị Khi mạch cầu trạng thái cân Ta có hệ thức: R1 R Rx = ⇒R R Thay giá trị điện trở biết vào biểu thức, ta suy giá trị Rx Bài 5: Cho nguồn điện chiều, hai ampe kế giống có điện trở nhỏ, điện trở biết trị số R , điện trở chưa biết trị số R x , dây nối, khóa K Hãy đề xuất phương án xác định giá trị điện trở R x ? Bài giải - Mắc mạch điện hình vẽ, đóng khóa K, đọc số ampe kế 99 - Thế giá trị vào cơng thức R X = - Vì điện trở ampe kế bé nên mắc ampe kế vào mạch có thể bỏ qua điện trở ampe kế Khi đó, mạch ngồi cịn R0 mắc song song với Rx Ta có U0 = I0 R , Ux = Ix R x Bài 6: Dùng Ôm kế đo điện trở bóng đèn 220V-100W chưa mắc vào nguồn điện 30 Ω , dùng cơng thức tính R = lại có mâu thuẫn lí thuyết thực nghiệm? Bài giải: Khơng mâu thuẫn Giá trị 30 Ω điện trở bóng đèn khơng làm việc Khi đèn sáng, nhiệt độ dây tóc bóng đèn tăng nhanh sau ổn định (khoảng 2000 C) điện trở bóng đèn tăng lên nhanh R=484 Ω điện trở tương ứng với bóng đèn làm việc bình thường Bài Cho điện trở biết trị số R0, điện trở chưa biết trị số R x , hai ampe kế có điện trở nhỏ, nguồn điện chiều, dây nối, khóa K Hãy lập phương án xác định cơng suất tiêu thụ R x ? Bài giải: -M ắ c m c h đ iện hình vẽ, đóng khóa K, đọc số ampe kế - Thế giá trị vào R0 A R x A K + - H.7 100 Thay biểu thức: R = I0 R I x Bài Có hai nguồn điện có suất điện động khác Nêu phương án thiết bị cần thiết để so sánh suất điện động chúng Bài giải: - Mắc mạch điện hình vẽ: - Lần lượt thay nguồn điện hai nguồn mà đề cho - Ở lần, đọc số vôn kế Giá trị U1 U - So sánh giá trị U1 U , từ suy kết tập Bài Khi mắc mạch điện theo sơ đồ hình H.9, HS mắc nhầm vôn kế vào chỗ ampe kế ampe kế vào chỗ vơn kế Khi có tượng xảy với dụng cụ đo này? Tại sao? * Kết quả: Các dụng cụ ampe kế, vơn kế khơng bị hỏng * Giải thích: - Khi (Rd //RA) nt RV điện trở tương đương mạch lớn (do R V lớn) nên cường độ dịng điện mạch nhỏ Vì vậy, số vơn kế, ampe kế có giá trị nhỏ Bài 10 Từ hộp nối điện thoại đến gia đình cách L(km) có đường dây điện thoại gồm hai dây dãn song song cách điện với nhau, điện trở mét chiều dài ρ ( Ω /m) Tại vị trí đường dây lớp nhựa cách điện hai dây bị hỏng có khả dẫn điện ( có điện trở) Với dụng cụ: - Một pin có suất điện động điện trở biết - Một ampe kế có điện trở nhỏ khơng đáng kể Hãy tìm cách xác định vị trí chỗ bị hỏng điện trở * Bài giải: - Thiết kế mạch điện hình vẽ ( H.10a) 101 + Tách rời dây dẫn cuối đường dây, quan sát ghi số ampe kế I1, áp dụng định luật Ôm ta có : I1 = + Nối hai dây dẫn cuối đường dây(đóng K) , quan sát ghi số ampe kế I2 áp dụng định luật Ôm: I2= - Rút x từ (1) thay vào (2) ta phương trình bậc hai ẩn R, giá trị I 1, I2 đọc ampe kế, E, r, ρ biết Sau xác định R ta xác định x Bài 11 Một người sử dụng điện chiều muốn biết nguồn điện nằm phía đường dây ( gồm hai dây dẫn ) Chỉ sử dụng vôn kế điện trở trình bày cách làm * Bài giải: - Trước hết mắc điện trở vào hai điểm đường dây ( H.11) - Mắc vôn kế vào hai điểm C D, đọc số vôn kế ( có giá trị U1 ) A C - Mắc vôn kế vào hai điểm C D, đọc số V vơn kế ( có giá trị U2 ) + Trường hợp 1: Nếu U1> U2 nguồn điện nằm D B phía bên trái hai điểm A, B H.11 + Trường hợp 2: Nếu U1< U2 nguồn điện nằm bên phải A B * Giải thích: E áp dụng định luật Ơm cho tồn mạch : I2 = r + Rtm ( khơng đổi ) E => U = I.RN = r + Rtm RN Khi RN tăng U tăng, RN giảm U giảm Trường hợp thứ nhất, di chuyển vôn kế từ A,B đến C,D số vôn kế giảm điện trở RN giảm 102 Chú ý: - Phải sử dụng vơn kế có độ nhạy cao để ghi nhận thay đổi nhỏ HĐT di chuyển từ A,B đến C,D Bài 12 Có hai bóng đèn điện áp định mức, bóng Đ1 có cơng suất định mức cao cơng suất định mức bóng đèn Đ2 Mắc nối tiếp hai bóng đèn mắc vào nguồn điện Làm TN quan sát độ sáng hai bóng đèn vài giải thích kết quan sát? Hướng dẫn giải: + Tiến hành mắc mạch điện hình vẽ Hai bóng đèn loại 12V-3W 12V- 12W, nguồn điện chiều loại ε = 12V + Đóng khóa K quan sát, ta thấy bóng đèn Đ2 sáng + Giải thích: - Từ giá trị hiệu điện định mức cơng suất định mức, ta tính điện trở hai bóng đèn theo biêu thức: R = - Do hai bóng đèn mắc nối tiếp với nên cường độ dịng điện qua hai bóng đèn - Áp dụng định luật Jun- Lenxơ, ta suy cơng st tỏa nhiệt hai bóng đèn xác định theo công thức: P = I R Như R2 > R1 nên, P2 > P1 đèn Đ2 sáng đèn Đ1 103 Hình ảnh thực nghiệm sư phạm 104 105 ... sở lí luận sở thực tiễn việc xây dựng sử dụng tập thí nghiệm nhằm bồi dưỡng học sinh giỏi Chương 2: Xây dựng sử dụng hệ thống tập thí nghiệm phần “ Điện – Điện từ? ?? Vật lí 1 1nhằm bồi dưỡng học sinh. .. dựng hệ thống BTTN phần “ Điện - Điện từ? ?? vật lí 11 vào việc bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lí - Tiến hành sử dụng hệ thống tập thí nghiệm xây dựng vào việc bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lí trường... 2: XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG HỆ THỐNG BÀI TẬP THÍ NGHIỆM PHẦN“ĐIỆN-ĐIỆN TỪ”VẬT LÍ 11 NHẰM BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI VẬT LÍ 26 2.1 Phân tích nội dung mục tiêu dạy học phần ? ?Điện- Điện từ? ?? Vật