Cải tiến chương trình giảng dạy vật lý lý thuyết cho sinh viên khoa vật lý, trường đại học sư phạm tp hcm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM TP HCM BÁO CÁO TỔNG KẾT Đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ cấp trƣờng Cải tiến chƣơng trình giảng dạy vật lý lý thuyết cho sinh viên khoa Vật lý, trƣờng Đại học Sƣ phạm TP HCM Mã số: CS.2005.23.91 Chủ nhiệm đề tài: TS Đỗ Xuân Hội TP Hồ Chí Minh – 2008 DANH SÁCH NHỮNG NGƢỜI THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI PGS TS Nguyễn Khắc Nhẹp, Khoa Vật Lý, Trƣờng ĐHSP TP HCM TSKH Lê Văn Hoàng, Khoa Vật Lý, Trƣờng ĐHSP TP HCM ThS Lê Nam, Khoa Vật Lý, Trƣờng ĐHSP TP HCM CN Nguyễn Thành Trung, Khoa Vật Lý, Trƣờng ĐHSP TP HCM CN Nguyễn Ngọc Ty, Khoa Vật Lý, Trƣờng ĐHSP TP HCM TĨM TẮT Trong cơng trình này, chƣơng trình giảng dạy vật lý lý thuyết đƣợc đề nghị sau tác giả cơng trình nghiên cứu, tham khảo số chƣơng trình giảng dạy mơn số truờng đại học nuớc, đáng kể Đại học Khoa học tự nhiên (ĐHQG TP HCM) va MIT (Massachusetts Institute of Technology) Chƣơng trình đƣợc xây dựng phù hợp với kế hoạch giảng dạy môn vật lý lý thuyết Bộ Giáo dục Đào tạo quy định, đồng thời, đảm bảo cho sinh viên Khoa vật lý, trƣờng ĐHSP TP HCM có đƣợc kiến thức vững chắc, đại môn học lý thuyết, điện động lực học, học lƣợng tử vật lý thống kê Chƣơng trình đƣợc xây dựng trọng đến nguyên lý kế thừa giáo dục mối quan hệ nội dung học vật lý đại cƣơng môn học vật lý lý thuyết đƣợc đặc biệt nêu rõ ABSTRACT In this work, a new curriculum of theoretical physics is proposed after a careful study of the ones taught at some Vietnamese and forein universities, notably the University of Natural Science of HCM City (HCMC National University) and MIT The curriculum is constructed in good agreement with regulations of the Vietnamese Minister of Education and Trainning, and insure at the same time that the students of the faculty of physics of HCMC University of Education have the solid and modern knowledge of theoretical mechanics, electrodynamics, quantum mechanics, and statistical physics In constructing the curriculum, the authors have considered carefully the principle of inheritance of the general education when insisting on the relationship between the contents of the general physics that the students have studied before and the ones of the theoretical physics MỤC LỤC I KHÁI NIỆM CHƢƠNG TRÌNH HỌC VẤN II CÁC BỘ MÔN VẬT LÝ LÝ THUYẾT III MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC BỘ MÔN VẬT LÝ LÝ THUYẾT VÀ VẬT LÝ ĐẠI CƢƠNG Cơ học đại cƣơng học lí thuyết cổ điển Điện từ học đại cƣơng, quang học đại cƣơng, học đại cƣơng điện động lực học 10 Cơ học lƣợng tử vật lý nguyên tử hạt nhân 12 Vật lý thống kê nhiệt học đại cƣơng 14 IV NỘI DUNG CÁC MÔN HỌC VẬT LÝ LÝ THUYẾT ĐƢỢC GIẢNG DẠY TẠI KHOA VẬT LÝ, TRƢỜNG ĐHSP TP HCM 16 Khái quát 16 Nội dung chƣơng trình vật lí lí thuyết 16 V HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO 29 PHỤ LỤC A: CHƢƠNG TRÌNH VẬT LÝ ĐẠI CƢƠNG 30 PHỤ LỤC B: CHƢƠNG TRÌNH VẬT LÝ LÝ THUYẾT 44 PHỤ LỤC C: CHƢƠNG TRÌNH MIT (2005) 49 PHỤ LỤC D: CHƢƠNG TRÌNH ĐẠI HỌC PIERRE & MARIE CURIE (PARIS VI, PHÁP) 54 PHỤ LỤC E: CHƢƠNG TRÌNH GIẢNG DẠY VẬT LÝ LÝ THUYẾT KHOA VẬT LÝ, TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN (ĐHQG TP.HCM) 60 I KHÁI NIỆM CHƢƠNG TRÌNH HỌC VẤN Có nhiều định nghĩa khác chương trình học vấn ( curriculum ) Theo nghĩa rộng chƣơng trình học vấn đƣợc hiểu nhƣ "là tất hoạt động người học kế hoạch hoá đạo nhà trường nhằm đạt mục tiêu ngành giáo dục " ( Hilda Taba, Curriculum development: Theory and practice, New York, Harcount Brace Jovanovich, 1962) "một loạt hoạt động nhằm giúp phát khả người học có chủ đích làm hồn thiện người học " ( Franklin Bobbitt, How to Make a Curriculum, New York, Houghton Mifflin, 1924 ) Tuy nhiên, đây, ta hiểu cách đơn giản chƣơng trình học vấn hệ thống khoa học môn học mà sinh viên cần phải đƣợc trang bị nhằm mục đích thực tốt cơng việc sau tốt nghiệp đại học Theo định nghĩa chƣơng trình học vấn khoa Vật lý, trƣờng Đại học Sƣ phạm TP HCM phải đƣợc kiến tạo cho đạt đƣợc yêu cầu sinh viên Khoa, tốt nghiệp trƣớc hết phải đủ khả để giảng dạy môn vật lý trƣờng trung học phổ thông Khái niệm " đủ khả " thiết phải đƣợc hiểu theo nghĩa sinh viên tốt nghiệp khơng có kiến thức vững vật lý mà phải đƣợc trang bị phƣơng pháp kỹ giảng dạy hiệu quả, quan trọng phải tiếp tục tự đào tạo để đáp ứng thay đổi không ngừng yêu cầu giáo dục nhà trƣờng phổ thơng Để sinh viên khoa hồn thành đƣợc vai trị tƣơng lai, khoa Vật lý, trƣờng ĐHSP TP HCM lên kế hoạch xây dựng chƣơng trình giảng dạy phù hợp với yêu cầu ngành giáo dục đại học mà giảng dạy theo tín yêu cầu quan trọng Theo kế hoạch trên, tổ môn vật lý lý thuyết khoa đƣợc giao nhiệm vụ thiết kế chƣơng trình giảng dạy môn học vật lý lý thuyết nhằm đáp ứng tốt cá yêu cầu chung khoa Trên sở chƣơng trình giảng dạy đƣợc thực từ trƣớc môn vật lý lý thuyết ( xem Phụ lục B ), đồng thời, có tham khảo chƣơng trình giảng dạy môn vật lý đại cƣơng cho năm thứ năm thứ hai đại học ( xem Phụ lục A ), thành viên tổ mơn thực cơng trình nghiên cứu khoa học " CẢI TIẾN CHƢƠNG TRÌNH GIẢNG DẠY VẬT LÝ LÝ THUYẾT CHO SINH VIÊN KHOA VẬT LÝ, TRƢỜNG ĐHSP TP HCM " II CÁC BỘ MÔN VẬT LÝ LÝ THUYẾT Vật lí lý thuyết ngành học có mục đích tìm hiểu giới tự nhiên cách thiêt lập mơ hình tốn học trừu tƣợng thực tại, sử dụng để lí luận, giải thích, tiên đốn tƣợng vật lí nhờ vào lí thuyết vật lí (Một lý thuyết vật lý đƣợc hiểu theo Stefan Havvking, hệ thống kiên thức đáp ứng đƣợc hai u cầu : thứ nhất, phải mơ tả xác đƣợc loạt quan sát sở mơ hình bao gồm số yếu tố nhiệm ý thứ nhì, phải đƣa số tiên đốn kết quan sát thực đƣợc tƣơng lai) Có bốn mơn học sở vật lí lí thuyết (khơng kể lí thuyết tương đối tổng qt lí thuyết tương đối hẹp - mơn học sau đƣợc giảng dạy nhƣ phần giáo trình đện động lực học) học cổ điển, điện động lực học, học lượng tử, vật lí thống kê đƣợc giảng dạy khoa Vật lí, trƣờng Đại học Sƣ phạm TP HCM Cơ học cổ điển có mục đích khảo sát chuyển động vật thể vĩ mô, từ viên đạn tên lửa, hành tinh, sao, thiên hà Là khoa học có từ lâu đời có đối tƣợng nghiên cứu rộng rãi khoa học công nghệ, môn học cung cấp cho kết xác Cơ học Lagrange phƣơng pháp tiếp cận khác học, có đối tƣợng nghiên cứu nhƣ học cổ điển, nhƣng sử dụng lộ trình cực tiếu hoa để tìm phƣơng trình quỹ đạo vật thể Cơ học Hamilton cách tiếp cận khác, sử dụng phương trình tắc liên quan đến hàm lƣợng để giải toán học Trƣờng điện từ đƣợc khảo sát môn điện động lực học cổ điển Mơn học trình bày lí thuyết tƣơng tác điện từ thể thống nhất, lực điện trƣờng lục từ trƣờng xuất đồng thời Sự thống điện từ đƣợc biểu thị phương trình Maxwell Các phƣơng pháp nghiên cứu lí thuyết điện động lực học cổ điển dẫn đến hệ quan trọng, ví dụ nhƣ khám phá hai chất ánh sáng, chất sóng, dẫn đến khảo sát sóng điện từ, dẫn đến phát triên lí thuyết tương đối hẹp Môn học lượng từ đƣợc xem nhƣ môn học cổ điển điện động lực học, theo nghĩa môn học cung cấp cho mơ tả xác nhiều tƣợng cấp độ nguyên tử hạ nguyên tử, mà hai môn học sau giải thích Đƣợc trang bị cơng cụ tốn học chặt chẽ, học lƣợng tử cho phép ta tiên đốn trạng thái hạt vi mơ, hay nhất, dụng cụ đo lƣờng trạng thái Cấu trúc hệ vật lí vi mơ nhƣ ngun tử, phân tử đƣợc mơ tả thích hợp học lƣợng tử, điều mà học cổ điển điện động lực học hoàn toàn bất lực Trong học lƣợng tử, trạng thái vật lí đƣợc xem nhƣ vectơ trang thái, hay cụ thể hơn, hàm sóng (cũng đƣợc gọi vân đạo-orbital trƣờng hợp elctron nguyên tử) Đối tƣợng toán học trừu tƣợng cho phép la tính tốn đƣợc xác suất nhiều q trình thực nghiệm cụ thể Mơn vật lí lí thuyết khác mà sinh viên đƣợc học mơn vật lí thống kê Trong mơn học này, lí thuyết thống kê, cơng cụ tốn học để xử lí trƣờng hợp số đông, đƣợc áp dụng lĩnh vực học, môn học liên quan đến chuyển động hạt hay vật thể chịu tác dụng lực Vật lí thống kê cung cấp sở để hiểu đƣợc mối quan hệ hệ vi mơ q trình vĩ mơ, đƣợc quan sát thấy trực tiếp bới ngƣời, đó, giải thích đƣợc tƣợng nhiệt động lực nhƣ kết tự nhiên phối họp học thống kê học Cơ học thống kê nhiệt động lực học liên hệ qua khái niệm trung tâm en tropy Tuy nhiên, khái niệm en tropy đƣợc định nghĩa cách kinh nghiệm nhiệt động lực học học thống kê, đƣợc định nghía nhƣ hàm phân bố trạng thái vi mô Mối quan hệ giũa vật lí lí thuyết với vật lí đại cƣơng mở rộng, tổng quát hóa khái niệm, định luật, tính chất hệ vật lí, đồng thời, phƣơng pháp đƣợc khảo sát nhằm giới thiệu cho sinh viên có đƣợc quan điểm rộng hơn, công cụ nghiên cứu khoa học đa dạng, phong phú (Xem SƠ ĐỒ 1) SƠ ĐỒ III MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC BỘ MÔN VẬT LÝ LÝ THUYẾT VÀ VẬT LÝ ĐẠI CƢƠNG Cơ học đại cƣơng học lí thuyết cổ điển Trong sinh viên tìm thấy mơn học đại cƣơng cách trình bày truyền thống: từ động học chất điểm đến động lực học chất điểm với giới thiệu định luật Newton, định luật bảo toàn động lƣợng định luật bảo toàn lƣợng Sau đó, trƣờng hấp dẫn học vật rắn đƣợc giới thiệu Cách trình bày đồng quy với chƣơng trình vật lí giảng dạy bậc phổ thơng nhƣ vậy, xem nhƣ thích hợp với sinh viên đại học sƣ phạm Trong môn học lý thuyết, học Newton đƣợc trình bày cách tổng hợp : tính chất chuyển động đƣợc suy từ mối quan hệ hàm lực thời gian, vị trí, hay vận tốc chất điểm Phƣơng pháp tiếp cận học giải tích đƣợc trình bày : bao gồm hệ hình thức Lagrange hệ hình thức Hamilton Chuyển động trƣờng xuyên tâm dƣới tác dụng lực hấp dẫn đƣợc xem ứng dụng quan trọng, nhằm mục đích chứng minh định luật Kepler để suy tính chất chuyển động thiên thể, giải thích số tƣợng liên quan đến lực hấp dẫn nhƣ tƣợng thủy triều Các dao động nhỏ đƣợc khảo sát nhằm mục đích kép: ứng dụng cụ thể học lớp quan trọng chuyển động để giúp sinh viên đào sâu, nắm vững phƣơng pháp học Newton, mặt khác, để chuẩn bị kiến thức để sinh viên theo dõi dễ dàng môn học khác vật lý lý thuyết: học lƣợng tử, vật lý thống kê, vật lý chất rắn Chuyển động hệ quy chiểu phi quán tính đƣợc đề cập, đặc biệt ý đến trƣờng hợp chƣa đƣợc giải triệt để chƣơng trình học đại cƣơng nhƣ trƣờng hợp lực Coriolis chẳng hạn Cuối cùng, chuyển động vật rắn đƣợc khảo sát với công cụ tốn học cao phức hợp so với cơng cụ đƣợc sử dụng trình độ đại cƣơng; khảo sát Euler chuyển động quay đƣợc giới thiệu với sinh viên nhằm cung cấp cho sinh viên nhìn tổng quát (Xem SƠ ĐỒ 2) ... ĐẠI HỌC SƢ PHẠM TP HCM BÁO CÁO TỔNG KẾT Đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ cấp trƣờng Cải tiến chƣơng trình giảng dạy vật lý lý thuyết cho sinh viên khoa Vật lý, trƣờng Đại học Sƣ phạm TP HCM. .. trình nghiên cứu khoa học " CẢI TIẾN CHƢƠNG TRÌNH GIẢNG DẠY VẬT LÝ LÝ THUYẾT CHO SINH VIÊN KHOA VẬT LÝ, TRƢỜNG ĐHSP TP HCM " II CÁC BỘ MÔN VẬT LÝ LÝ THUYẾT Vật lí lý thuyết ngành học có mục đích... Vật Lý, Trƣờng ĐHSP TP HCM CN Nguyễn Thành Trung, Khoa Vật Lý, Trƣờng ĐHSP TP HCM CN Nguyễn Ngọc Ty, Khoa Vật Lý, Trƣờng ĐHSP TP HCM TĨM TẮT Trong cơng trình này, chƣơng trình giảng dạy vật lý