8. Cấu trúc của đề tài
2.3.2. Hƣớng dẫn HS giải BTST nhằm bồi dƣỡng năng lực sáng tạo cho học
sinh.
Khi giải BTST, HS sẽ đứng trƣớc vấn đề mới mà các em sẽ phải giải quyết để thu nhận kiến thức.Do đó, họ giống nhƣ nhà khoa học phát minh, sáng chế ra một kiến thức hay một sản phẩm mới có ích cho nhân loại.
Khi khảo sát chu trình sáng tạo khoa học, chúng ta cần biết rằng hai giai đoạn khó khăn hơn cả đòi hỏi sự sáng tạo là giai đoạn từ sự kiện khởi đầu đến việc xây dựng mô hình giả thuyết trừu trƣợng và giai đoạn chuyển từ tiền đề lí thuyết và những quy luật nhất định của những hiện tƣợng sang việc kiểm tra bằng thực nghiệm. Tƣ duy HS khi giải BTST cũng trải qua các giai đoạn trong chu trình sáng tạo khoa học.
Vậy nên bồi dƣỡng năng lực sáng tạo cho HS ta cần chú ý bồi dƣỡng các năng lực:
- Phát hiện đƣợc vấn đề mới và nêu đƣợc dự đoán có căn cứ (nhìn nhận vấn đề dƣới nhiều góc độ khác nhau, phát hiện đƣợc vấn đề mà cá nhân có nhu cầu giải quyết).
- Đề xuất đƣợc giải pháp giải quyết vấn đề (đề xuất đƣợc phƣơng án thí nghiệm để kiểm tra dự đoán hoặc nêu đƣợc một số phƣơng án giải bài tập)
- Phân tích, đánh giá ƣu nhƣợc điểm của các giải pháp nhằm lựa chọn đƣợc những giải pháp tối ƣu để giải bài tập hoặc giải quyết vấn đề đặt ra trong bài toán.
- Thực hiện thành công theo phƣơng án hoặc giải pháp đã lựa chọn hoặc có cải tiến so với mô hình đã xây dựng.
Khi hƣớng dẫn HS giải các BTST, chúng ta cần thực hiện các bƣớc cơ bản để hƣớng dẫn HS khi giải bài tập vật lí. Các bƣớc cơ bản gồm:
Bƣớc 1: Nghiên cứu kĩ đề bài; điều kiện của bài toán (Giải thích các thuật ngữ, các dữ kiện, các hình vẽ (nếu có)...)
Bƣớc 2- Xác định kiến thức lí thuyết nào phục vụ cho việc giải bài tập đó. Bƣớc 3- Xác định cụ thể hơn công thức nào , định luật nào, quy tắc nào.... Bƣớc 4- Tiến hành giải bài toán. Trong giai đoạn này đặc biệt cần lƣu ý HS sử dụng các kiến thức, các quy tắc ...ở dạng cơ bản nhất.
Bƣớc5- Biện luận nhận xét kết quả.
Tuy nhiên, với loại bài tập sáng tạo ta cần đặc biệt chú ý một số khía cạnh sau: - Các bài tập thể hiện sự sáng tạo rõ nhất là các bài tập thiết kế, các bài tập có lời giải độc đáo, sáng tạo. Khi hƣớng dẫn HS giải các bài tập thiết kế cần chú ý rằng chỉ sau khi HS hình dung ra đƣợc quá trình đó, các em mới có thể suy nghĩ đến việc sử dụng các kiến thức nào để phục vụ cho công việc thiết kế hoặc giải thích các nguyên lí hoạt động của cơ cấu đó.
- Trong các bài tập nghiên cứu, mặc dù HS vẫn phải dùng các kiến thức lí thuyết cơ bản mà các em đã có, nhƣng trong đại bộ phận các bài tập này, các kiến thức cơ bản đó không thể hiện ra một cách rõ ràng, mà thƣờng “ẩn” sau các kiến thức cơ bản đó.
Sau đây chúng tôi sẽ trình bày một số gợi ý mang tính hướng dẫn trong quá trình dẫn dắt HS giải các BTST để làm ví dụ:
Loại bài tập nghiên cứu (từ bài 1 đến bài 4)
Đây là loại bài tập đòi hỏi sự sáng tạo, mang tính khảo sát nghiên cứu. Tất nhiên là bài tập nghiên cứu có dạng khác với các dạng bài tập mà SGK đƣa ra. Mặc dù đƣợc trang bị đầy đủ kiến thức để làm bài tập nhƣng để giải bài tập này HS phải tƣ duy sáng tạo mới có thể giải đƣợc bài tập này.
Bài 1. Phân tích bài toán
Với các em HS thí nghiệm “cân xoắn Coulomb” còn chƣa đƣợc làm trực tiếp nên rất khó hình dung độ xoắn của sợi dây treo để từ đó mới dẫn đến những dự đoán của HS. em có thể đƣa ra nhiều dự đoán khác nhau liên quan đến tƣơng tác điện.
Hƣớng dẫn
Trực giác thể hiện ở dự báo về sự phân chia điện tích khi cho các quả cầu giống hệt nhau tiếp xúc với nhau( ngày nay gọi là tính đối xứng). Cần nhớ là ở thời điểm đó chƣa có dụng cụ đo nào để định lƣợng điện tích (đơn vị Coulomb khi này còn chƣa ra đời).
Bài 2. Phân tích bài toán
Ở bài tập này HS dựa vào nội dung định luật Coulomb để suy luận và đƣa ra kết luận.
Hƣớng dẫn
Khi cho que nhiễm điện lại gần lá của điện nghiệm thì các điện tích từ đầu dƣới của trục điện nghiệm cũng nhƣ của lá điện nghiệm dịch chuyển lên phía trên làm cho điện trƣờng trong điện nghiệm giảm đi, các lá cụp lại( ở thời điểm điện trƣờng triệt tiêu thì các lá cụp lại hoàn toàn) . Khi tiếp tục tiến lại gần nữa thì đầu dƣới của trục điện nghiệm xuất hiện điện tích cùng dấu với điện tích của que. Trong điện nghiệm lúc này xuất hiện điện trƣờng và các lá của điện nghiệm lại tiếp tục xòe rộng ra.
Bài 3. Phân tích bài toán
Đây là tình huống đƣợc đƣa ra từ khi các em HS làm quen với môn vật lí ( vật lí lớp 7-THCS). Nhƣng SGK chƣa nói rõ nguyên nhân tại sao các vật nhiễm điện lại hút đƣợc các vật nhẹ nhƣ mẩu giấy. Phải chăng ở đây không liên quan đến sự tƣơng tác giữa các vật nhiễm điện? Hs sẽ khó tìm ra câu trả lời cho thỏa đáng. Thực vậy ngay cả trong GV cũng có một số không để ý đến vấn đề này khi lên lớp.
Hƣớng dẫn
Khi ta cọ xát một thanh nhựa hay thanh thủy tinh vào len, dạ thì chúng bị nhiễm điện ( do một số electron di chuyển từ vật này sang vật khác nên gây ra hiện tƣợng nhiễm điện). Khi đem các vật đã nhiếm điện này lại gần một mẩu giấy nhỏ. Do sự phân cực điện môi của giấy khi đặt gần điện tích nên mẩu giấy đã bị nhiễm điện. Vì vậy đƣa hai vật đã nhiễm điện lại gần nhau thì chúng sẽ tƣơng tác với nhau.
Bài 4. Phân tích bài toán
Đây là tình huống có vấn đề; HS sẽ thấy có vẻ vô lí vì lập luận dòng điện sẽ đi từ nơi có điện thế cao về nơi có điện thế thấp, mà không để ý ở đây tồn tại hai loại điện trƣờng (điện trƣờng do sự chênh lệch điện thế và điện trƣờng bên trong sợi dây dẫn). HS sẽ lúng túng chƣa biết dùng kiến thức nào để giải thích cho hợp lí.
Hƣớng dẫn
Điện thế ở A cao hơn ở B trƣớc khi đƣa sợi dây vào. Khi đƣa dây vào trong sợi dây có sự dịch chuyển điện tích (electron) và ở đầu B mang điện dƣơng còn đầu A mang điện âm. Trong AB hình thành một điện trƣờng hƣớng từ B sang A ngƣợc với hƣớng với điện trƣờng thứ nhất. Trong dây AB tồn tai hai điện trƣờng, hai điện trƣờng này triệt tiêu nhau nên không có dòng điện.
HS có thể dùng thí nghiệm để kiểm tra tính chính xác của hiện tƣợng này.
Loại bài tập yêu cầu đề ra phương pháp giải mới hoặc có nhiều lời giải độc đáo ( từ bài 5 đến bài 13)
Những bài tập này là những bài tập sáng tạo nhằm đƣa ra cách giải quyết mới, tối ƣu; trong SGK chƣa có “mẫu sẵn”. Để giải đƣợc bài tập này ngƣời giải ngoài việc phải nắm chắc kiến thức SGK thì phải có tƣ duy sáng tạo, luôn linh hoạt trong việc vận dụng các định luật vật lí phù hợp để đƣa ra cách giải mới tối ƣu.
Bài 5. Phân tích bài toán
Để giải quyết bài toán này HS cần dựa vào các loại nhiễm điện và sự tƣơng tác giữa các điện tích. Tuy nhiên để thỏa mãn yêu cầu bài toán thí HS cần phải có cái nhìn tổng quan để đƣa ra phƣơng án thích hợp.
Để B và C nhiễm điện có độ lớn bằng nhau thì ban đầu phải cho chúng tiếp xúc với nhau, rồi đƣa vật A lại gần B (hoặc C), khi đó B (hoặc C) sẽ nhiễm điện do hƣởng ứng từ A. Sau đó tách B và C ra. Khi tiếp xúc nhau thì electron tự do di chuyển từ B sang C hoặc ngƣợc lại. Khi đó hai quả cầu B và C nhiễm điện trái dấu và có độ lớn bằng nhau.
Bài 6. Phân tích bài toán
Nhiều học sinh sẽ nhầm tƣởng rằng với quả cầu có điện tích lớn hơn thì góc lệch giữa dây treo với phƣơng thẳng đứng sẽ lớn hơn. Do vậy sẽ gặp sai lầm đáng tiếc.
Hƣớng dẫn: Ở đây ta thấy tác dụng vào mỗi quả cầu có trọng P
, lực căng
T
và lực tƣơng tác tĩnh điện F .
Ta có góc lệch của dây treo quả cầu 1 đƣợc tính: tan
1 1 1 P F góc lệch của dây treo quả cầu 2 đƣợc tính: tan
2 2 2 P F Do P1 = P2, F1= F2 nên 1 2.
Bài 7. Phân tích bài toán
Đối với bài toán này HS sẽ không biết vận dụng kiến thức nào, công thức nào để tính toán. Trƣớc hết các em phải sử dụng định luật bảo toàn điện khi cho hai quả cầu tiếp xúc nhau, sau đó sử dụng công cụ toán học để tính lực tƣơng tác lớn nhất.
Hƣớng dẫn: Khi cho chúng tiếp xúc nhau thì chúng sẽ có điện tích bằng nhau và cùng dấu ( nhiễm điện do tiếp xúc), nên chúng sẽ đẩy nhau với một lực
2 2 2 1 ) /4 ( R q q k F
Áp dụng bất đẳng thức côsi Fmax khi hai điện tích bằng nhau và bằng 2 2 1 q q F là lực đẩy và lớn hơn F0.
Bài 8. Phân tích bài toán
Ở bài toán này HS phải biện luận đƣợc điều kiện cân bằng của hệ, rồi suy ra Q ở trong hay ở ngoài khoảng hai điện tích kia. Nhiều HS sẽ quên không đƣa ra điều
kiện cân bằng để chọn nghiệm nên dẫn đến kết quả sai hoặc không có kết quả. HS cần phải suy xét và tính toán thật chính xác để giải quyết bài toán này.
Hƣớng dẫn: Do q và 4q cùng dấu, nên để hệ cân bằng thì Q phải nằm trong khoảng hai điện tích q và 4q và trái dấu với q.
gọi khoảng cách từ q đến Q là r1, khoảng cách từ 4q đến Q là r2: ta có: r1 + r2 = r (1)
và xét điều kiện để q cân bằng: 2
2 2 1 4 r qq k r Qq k (2)
từ (1) và (2) r1 = r/3. Vậy để hệ ba điện tích nằm cân bằng thì Q trái dấu với q ,đặt giữa 2 điện tích và cách q một khoảng r/3.
Bài 9. Phân tích bài toán
Bài toán này đòi hỏi tƣ duy tốt để nhận định khi đột ngột thay đổi chiều điện trƣờng thì hiện tƣợng gì xảy ra, lúc đó lực điện trƣờng sinh công nhƣ thế nào. HS vận dụng kiến thức về công cơ học lớp 10 để áp dụng cho biểu thức tính công của lực điện trƣờng.
Hƣớng dẫn.
Áp dụng ĐLBT năng lƣợng. Chọn gốc thế năng ở vị trí O mgl(1cos)qEd mgl(1cos) (1)
Với d d1d2 lsinlsin (2) Thay (2) và (1) ta đƣợc : 0 90 3 Xét tại N: Vật đứng yên N mg qE mg T F P T đ 3 2 10 . 67 , 8 3 10 . 5 , 1 3 sin cos 0
Bài 10. Phân tích bài toán
Đây là loại bài toán ghép tụ sau khi chúng đã tích điện, Với HS khái niệm này còn mới, khó hình dung. HS sẽ rất khó xử lí, cần đòi hỏi sự phán đoán từ những lập luận logic để có hƣớng giải quyết bài toán.
Hƣớng dẫn:
1) Cb=C1+C2; Qb=Q1+Q2; Hai tụ ghép song song :Ub=Qb/Cb=U1‟=U2‟ = 500/3 Q1‟ = C1U1= 500/3 C; Q2‟= C2U2=1000/3 C
* Tính năng lƣợng trƣớc: W=C1U12/2+ C2U22/2; năng lƣợng sau: W‟=CbUb2/2; Q=W-W‟
2) Làm tƣơng tự chỉ khác Qb=Q2-Q1; Cb=C1+C2 , lức này hai tụ ghép song song nhƣng có sự phân bố lại điện tích trên các tụ.
Ub=Qb/Cb=U1‟=U2‟ = 100 V
* Tính điện tích của bộ tụ lúc trƣớc và sau rồi tính q=q2-q1>0. Năng lƣợng của tụ tăng vì nguồn đã thực hiện công A để đƣa thêm điện tích đến tụ: A=q.U. Theo ĐLBTNL: A=W+Wtiêu hao
Từ đó tính đƣợc Wtiêu hao
Bài 11. Phân tích bài toán
Bài toán này sự sáng tạo cao trong tƣ duy, HS sẽ nhận tháy khi nhúng tụ vào điện môi có sự nhiễm điện do hƣởng ứng nên nó sẽ tạo cho ta bộ tụ ghép nối tiếp hoặc song song, tụ điện môi hay tụ không khí. Sự lập luận chặt chẽ sẽ dẫn tới những ý tƣởng độc đáo, phát triển tƣ duy HS ở mức độ cao.
Hƣớng dẫn
a. Khi nhúng các bản thẳng đứng ta đƣợc hai tụ ghép song song: tụ 1 là tụ không khí; tụ 2 là tụ điện môi có điện dung lần lƣợt là: C1 = C/2; C2 =3C/2.
Cb =2C.
b. Khi nhúng các bản nằm ngang tạo thành hai tụ ghép nối tiếp tụ 1 là tụ không khí có điện dung C1=2C; Tụ 2 là tụ điện môi có điện dung C2 =6C ; Cb= 3C/2
Bài 12. Phân tích bài toán
Đây là bài toán dựa vào công thức tính điện dung của bộ tụ ghép nối tiếp hoặc song song để suy luận; chú ý để số tụ dùng là ít nhất thì cần phải thực hiện lập luận từng bƣớc để tìm cách ghép tối ƣu thỏa mãn yêu cầu bài toán. Do vậy với HS cần sự sáng tạo trong tƣ duy và sự tính toán chính xác tuyệt đối.
Hƣớng dẫn.
Lập luận nếu Cb < C thì ghép nối tiếp, còn Cb >C thì ghép song song. ta tìm đƣợc số tụ ít nhất là 4 tụ; cách ghép : [ (C//C)ntC]//C C C C C Hình vẽ 2.6 Bài 13.
Phân tích bài toán
Bài toán này thuộc loại bài tập tƣ duy ở mức độ cao. Cần HS phân tích, đáng giá rồi đƣa ra ý kiến trƣớc tập thể nhóm xem xét. Dùng kiến thức của tập thể để lựa chọn phƣơng án đúng nhất, tối ƣu nhất. Với những HS thể hiện đƣợc tình huống này là những HS tiêu biểu, có sự sáng tạo rất cao. Tuy nhiên với tình huống này cần có sự hỗ trợ, tƣ vấn của GV.
Hƣớng dẫn.
Bộ tụ đƣợc ghép bản B với D tạo tụ C1 ; bản A với B tạo tụ C2; bản E với D tạo tụ C3 ; ba tụ đƣợc ghép nhƣ hình 2.7
C1//(C2ntC3) Cb = 2C1; Qb=24C1.
Ngắt tụ khỏi nguồn điện tích của bộ tụ không đổi.
a. Nối A với B ta còn C1//C3 E D
B D
Cb‟ =3C1 UBD = 8 V Hình 2.8
b. Không nối A với B bộ tụ gồm: C1‟//(C2ntC3) Cb‟ =4C1 UBD = 6 V
Hình 2.9
Loại bài tập thiết kế chế tạo ( từ bài 14 đến bài 20)
Đây là loại bài tập thể hiện tính sáng tạo rõ nhất. Để giải các bài tập loại này , HS phải vận dụng một cách tổng hợp các kiến thức lí thuyết và thực nghiệm, khả năng hoạt động trí óc và chân tay, vốn hiểu biết kĩ thuật để tự xây dựng phƣơng án, lựa chọn hoặc chế tạo phƣơng tiện, thực hiện thí nghiệm để thu thập xử lí các số liệu thì mới giải quyết đƣợc. Tuy nhiên với môi trƣờng giáo dục trong nƣớc thì đa số HS còn rất hạn chế ở những loại bài tập này, cần thiết phải phát huy rất tích cựu các bài tập này để HS Việt Nam ngang tầm với các HS ở các nƣớc phát triển trên thế giới.
Bài 14. Hƣớng dẫn
Hình vẽ 2.10
Giả sử vật A nhiễm điện dƣơng. Đƣa lại gần nó (không tiếp xúc) hai vật B và C đƣợc treo trên hai sợi chỉ cách điện và tiếp xúc với nhau nhƣ hình vẽ. Do hiện tƣợng cộng hƣởng điện mà trên hai vật B và C xuất hiện điện tích. Ở mặt ngoài của B mang điện tích âm còn mặt ngoài của C mang điện dƣơng. Nếu bây giờ ta tách B và C ra xa nhau thì các điện tích trên chúng bị giữ lại. Bằng cách này có thể làm nhiễm điện với độ lớn bất kì cho các vật mà không làm thay đổi điện tích của vật A.