8. Các chữ viết tắt trong đề tài
2.3. Phương pháp hình thành thuyết vật lí
2.3.1 Trong khoa học.
Như ta đã phân tích ở trên, sự hình thành một thuyết vật lý là một quá trình lâu dài và phức tạp, bao gồm tất cả các giai đoạn của chu trình nhận thức khoa học. Quá trình này có thể không liên tục về mặt lịch sử vì phải trải qua những cuộc đấu tranh quyết liệt giữa những tư tưởng cơ bản mới với tư tưởng cũ. Quá trình đó gồm các giai đoạn điển hình sau:
Thực tiển → Vấn đề → Giả thuyết → Định luật → Thuyết → Hệ quả → Thực tiễn.
2.3.2 Trong dạy học.
Do điều kiện thời gian và sự hạn chế về trình độ tư duy của học sinh nên không có khả năng để cho học sinh tự lực thực hiện tất cả các giai đoạn khi nghiên cứu một thuyết vật lý. Nhưng nếu ta chỉ thong báo cho học sinh nội dung “hạt nhân của thuyết” thì học sinh cũng không thể hiểu được vai trò, tác dụng của thuyết đó trong khoa học và trong thực tiễn, càng không thể phát triển, nâng cao được năng lực nhận thức của họ. Bởi vậy, cần phải cho học sinh hiểu được những yếu tố cơ bản trong cả ba thành phần cấu trúc của thuyết.
2.3.2.1 Tìm hiểu những cơ sở của thuyết.
Chỉ khi học sinh hiểu được cơ sở cuar thuyết thì họ mới hiểu được thuyết mới phải ra đời để giải quyết vấn đề gì. Tốt nhất là cho học sinh quan sát những thí nghiệm cơ bản và yêu cầu họ giải thích hiện tượng xảy ra trong thí nghiệm đó bằng những kiến thức đã có.Sự bế tắc trong việc giải thích này đòi hỏi phải xây dựng một thuyết mới. Ví dụ: khi quan sts chuyển động của các hạt Braonơ (hạt phấn hoa rất nhỏ trong nước), nếu coi nước có cấu tạo liên tục như mắt ta thường thấy thì không thể
Trang 36
nào giải thích chuyển động hỗn loạn của những hạt phấn hoa nhỏ, trong khi đó những hạt lớn lại đứng yên. Càng nêu ra nhiều cơ sở thực nghiệm càng tốt. Bởi vậy, để xây dựng thuyết động học phân tử, có thể đưa ra thêm hiện tượng khuếch tán trong chất khí, chất lỏng và chất rắn.
Tuy nhiên, những thí nghiệm cơ bản dùng làm cơ sở cho một thuyết nhiều khi rất khó thực hiện trong nhà trường phổ thông. Ví dụ: thí nghiệm Rudơpho bắn phá lá vàng bằng hạt anpha, trường hợp đó, giáo viên có thể dùng phương pháp kể chuyện lịch sử hoặc mô tả tương đối tỷ mỷ thí nghiệm và kết quả thu được.
2.3.2.2 Xây dựng hạt nhân của thuyết.
Hạt nhân của mổi thuyết vật lý nhiều khi rất phong phú và sâu sắc, không thể trong một bài, một chương trình hoặc một phần của phương trình vật lý mà hiểu được. Bước đầu, chỉ có thể nêu ra những điều cơ bản, định tính. Về sau, khi có điều kiện, sẽ bổ sung, hoàn chỉnh thêm. Việc đưa ra thuyết mới phải dựa trên sự phân tích những sự kiện thực nghiệm trong phần cơ sở của thuyết đã nêu trên. Tuy nhiên, việc đề ra thuyết mới có thể giải thích thành công những sự kiện mới đòi hỏi một sự sáng tạo mới ở trình độ cao. Trong nhiều trường hợp, học sinh không có khả năng thực hiện tự lực. Giáo viên có thể trình bày cách suy nghĩ của giáo viên, lập luận của giáo viên. Ở đây, quan trong trước hết là ở tư tưởng mới là quan niêm mới, còn những công thức định lượng, những phương trình toán học có thể bổ sung sau này khi có điều kiện. Ví dụ: hiện tượng khuếch tán và chuyển động Braonơ là những sự kiện thực nghiệm mà thuyết về cấu tạo liên tục của chất không thể giải thích được. Điều đó dẫn tới ý nghĩ cho rằng: vật chất có cấu tạo từ những hạt riêng biệt gián đoạn gọi là phân tử. Nhưng các phân tử hoạt động như thế nào để có thể xen lẫn vào nhau trong hiện tượng khuếch tán? Theo quan điểm cũ thì phải có cái gì tác dụng vào thì các phân tử mới chuyển động được. Ở đây, có một quan niệm mới: các phân tử vốn tự nó chuyển động hỗn loạn của các phân tử thì có liên quan gì đến chuyển động Braonơ? Điều này phải giàu trí tưởng tượng và giàu kinh nghiệm thực tế mới nhận thấy được. Nhiều khi giáo viên phải làm một mô hình chuyển động Braonơ (dùng các hòn bi nhỏ, các vật tròn lớn hơn làm hạt Braonơ và sử dụng một cơ chế phụ để làm cho các hòn bi chuyển động hỗn loạn, một số viên đến va trạm vào vật tròn). Nếu vật tròn không lớn lắm thì nó cũng sẽ chuyển động hỗn loạn vì số hòn bi đến đập vào vật tròn không bằng nhau từ mọi phía. Còn nếu vật tròn khá to, khi bị rất nhiều hòn bi va chạm từ mọi phía thì hầu như các tác dụng đó cân bằng nhau nên vật tròn lại đứng yên.
Ta cũng có thể căn cứ vào quan sát cơ sở thực nghiệm để đưa ra quan niệm là giữa các phân tử có lực hút và lực đẩy tồn tại song song. Nhưng những lực đó tồn tại như thế nào? Lúc nào lực hút chiếm ưu thế, lúc nào lực đẩy mạnh hơn thì ở trường phổ thông chưa có khả năng làm rõ điều đó.
Có một thành phần quan trọng của thuyết động học phân tử là phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử thì lại cần đến khái niệm vận tốc trung bình của phân tử, khái niệm này là một khái niệm có tính thống kê, áp dụng cho một tập hợp rất lớn các hạt. Cho nên, chỉ đối với những đối tượng học sinh giỏi, có trình độ tư duy tốt, mới có thể xây dựng được phương trình này.
Mối quan hệ giữa nhiệt độ tuyệt đối (nhiệt độ Kelvin) với động năng trung bình cũng là một bộ phận quan trọng của thuyết động học phân tử, nhưng cũng chỉ có thể thông báo, chứ chưa có khả năng giúp cho học sinh xây dựng được nó.
Tóm lại, trong dạy học, có nhiều điểm trong hạt nhân của thuyết chưa thể xây dựng hoàn chỉnh mà chỉ là bước đầu, chủ yếu là định tính. Để học sinh có thể tin được sự đúng đắn của những hạt nhân của thuyết, giáo viên cần chú ý ddeens việc vận dụng những hạt nhân đó để suy ra các hệ quả ở giai đoạn sau.
Trang 37
Vận dụng hạt nhân của thuyết để giải thích những sự kiện thực nghiệm trong cơ sở của thuyết là bước đầu làm cho học sinh tin tưởng ở sự đúng đắn của thuyết, nhưng chưa đủ. Giáo viên cần tận dụng những trường hợp có thể được để suy ra các hệ quả. Do sự hạn chế trình độ toán học của học sinh nên nhiều khi chỉ có thể suy ra các hệ quả định tính hay bán định lượng. Tuy vậy, điều đó cũng rất bổ ích để học sinh hiểu rõ ý nghĩa thực tế của các thuyết trừu tượng, đồng thời cũng tạo điều kiện để học sinh phát triển khả năng suy luận diễn dịch. Ví dụ: đối với thuyết động học phân tử, ta có nhiều cơ hội vận dụng thuyết đó để giải thích các định luật của chất khí, hiện tượng truyền nhiêt, hiện tượng biến đổi trạng thái vì nhiệt…
2.4 Nghiên cứu một số thuyết trong chương trình vật lí THPT 2.4.1 Thuyết động học phân tử chất khí 2.4.1 Thuyết động học phân tử chất khí
2.4.1.1 Cơ sở kinh nghiệm.
Thuyết động học phân tử là một trong những thuyết vật lý ra đời sớm nhất. Nó kế thừa những quan điểm cổ đại về cấu tạo vật chất và kết quả của cuộc đấu tranh kéo dài nhiều thế kỷ giữa những tư tưởng đối lập nhau về bản chất của nhiệt.
a) Vật chất liên tục hay gián đoạn?
Xu hướng lớn nhất trong sự phát triển của vật lý học là đi sâu vào cấu trúc bên trong của vật chất. Xu hướng này đã có ngay từ thời cổ đại. Các nhà khoa học thời kỳ này có những quan điểm rất khác nhau về cấu tạo vật chất. Tuy nhiên có thể xếp những quan điểm này theo hai dòng tư tưởng triết học đối lập nhau: vật chất được cấu tạo một cách liên tục từ một số chất cơ bản và vật chất được cấu tạo một cách gián đoạn từ các hạt.
Nguyên tử luận ủa Demoktitos và những người phát triển nó thực ra mới chỉ là những quan điểm triết học, chưa phải là một giả thuyết khoa học. Tuy nhiên nó vẫn là mầm mống ban đầu của thuyết phân tử về cấu tạo vật chất sau này.
b) Nhiệt là gì?
Ngay từ thời cổ đại người ta đã biết những biểu hiện đơn giản của tác dụng nhiệt như sự bay hơi, sôi, nóng chảy, đông đặc… Tuy nhiên những cố gắng nhằm giải thích các hiện tượng này đã không đem lại kết quả nào đáng kể. Chỉ đến thế kỷ thứ 17 khi đã chế tạo và hoàn thiện được nhiệt kế, nhờ đó có thể khảo sát một các định lượng nhiều hiện tượng nhiệt, vấn đề bản chất của nhiệt trở thành cấp thiết đối với các nhà khoa học thời bấy giờ.
Có hai quan điểm đối lập nhau về bản chất của nhiệt: nhiệt là một chất lỏng đặc biệt và nhiệt là kết quả chuyển động của các hạt vật chất.
Giả thuyết về “chất nhiệt” lần đầu tiên được wolf (Vôn fơ) trình bày một cách có hệ thống vào năm 1721. Đó là một chất lỏng đặc biệt, vô hình, không trọng lượng, thấm sâu vào mọi vật và có thể truyền dể dàng từ vật này sang vật khác.
Cùng với mô hình cơ học trên người ta gán cho chất nhiệt thuộc tính cơ bản là bảo toàn: chất nhiệt không sinh ra cũng không mất đi, chỉ truyền từ vật này sang vật khác. Dựa trên mô hình chất nhiệt và nguyên lý bảo toàn chất nhiệt người ta xây dựng hàng loạt khái niệm cơ bản của nhiệt, vẫn còn dung tới ngày nay, như nhiệt lượng, nhiệt dung, tỷ nhiệt, nhiệt hóa hơi, nhiệt nóng chảy… Những khái niệm này cho phép thiết lập các phương trình, trong đó nổi bật là các phương trình cân bằng nhiệt không những có thể dung để giải thích mà còn có thể dùng để tiên đoán chính xác nhiệt độ của hỗn hợp. Nhờ những thành tựu này mà thuyết chất nhiệt được phổ biến rộng rãi và chiếm địa vị thống trị trong suốt thế kỷ thứ 18.
Trang 38
Giả thuyết cho nhiệt là do chuyển động của các hạt vật chất ra đời trước giả thuyết về “chất nhiệt”. Từ những quan sát hàng ngày người ta đã sớm phát hiện ra mối quan hệ khắng khít giữa nhiệt và chuyển động. Nhưng cũng phải đến thế kỷ thứ 17 mới có sự phối hợp thực sự giữa những kết quả quan sát này và nguyên tử luận về cấu tạo vật chất đưa đến giả thuyết “hạt” về bản chất của nhiệt.
Trong số những nhà khoa học ủng hộ giả thuyết này là Hooke, Boyle (Bôi lơ), Newton, Lomonosov (Lowma-nôxốp)… Tất cả điều cho rằng nhiệt là cho chuyển động của các hạt vật chất sinh ra, nhưng cấu tạo và quy luật chuyển động của các hạt thì mỗi người quan niệm khác nhau.
Giả thuyết cho nhiệt là do chuyển động của các hạt vật chất tuy nhiên còn mang nhiều tính chất cảm tính, thiếu cơ sở thực nghiệm và nhất là không đưa ra được những biểu thức định lượng xác định. Do đó nó bị chìm đi trong bản hợp xướng ồn ào tán đồng thuyết “chất nhiệt”.
Nguyên lý cơ bản của thuyết chất nhiệt là sự bảo toàn chất nhiệt. Vậy nếu bằng cách nào đó chứng minh được rằng có thể tạo ra chất nhiệt nhiều bao nhiêu cũng được thì tòa lâu đài của thuyết chất nhiệt sẽ sụp đổ hoàn toàn. Rumford là người đầu tiên làm việc đó.
Năm 1798 trog khi quan sát quá trình khoan nòng súng ông thấy nhiệt độ của nòng súng lên rất cao mặt dù ở đây không có sự truyền chất nhiệt nào. Sự nghi ngờ về “chất nhiệt” đã thúc đẩy ông tiến hành những thí nghiệm cụ thể hơn. Ông lấy kim loại đút một thỏi hình trụ có khoan một lổ nhỏ và đặt vào đó một mũi khoan cùng. Dùng hai con ngựa làm mũi khoan quay thật nhanh ông thấy chỉ có một khoảng thời gian rất ngắn nhiệt độ bên ngoài đã lên tới 700C. Nếu nhúng một thiết bị trên vào nước thì chỉ một, hai giờ sau nước đã sôi lên sùng sục. Thuyết chất nhiệt không giải thích nổi những hiện tượng này.
Tuy nhiên cũng phải chờ đến thế kỷ thứ 19 khi định luật bảo toàn năng lượng ra đời thì thuyết chất nhiệt mới hoàn toàn bị phủ nhận và thuyết động học phân tử về bản chất của nhiệt mới ra đời.
c) Nguyên tử luận trong hóa học.
Những thành tựu của nguyên tử luận trong hóa học đã góp phần quan trọng đến sự ra đời của thuyết động học phân tử. Các nhà hóa học bước đầu đã giải quyết được cuộc tranh luận không phân thắng bại từ nhiều thế kỷ về tính liên tục và gián đoạn của vật chất nhờ ở khá nhiều dữ kiện thực nghiệm về tính chất của các chất mà họ đã tích lũy được.
Một trong những người đã có công đầu là nhà hóa học người Anh Dalton (Đan tơn). Theo ông mọi chất đều cấu tạo từ một số rất lớn những hạt rất nhỏ không thể phân chia được gọi là nguyên tử. Nguyên tử có khối lượng xác định, khối lượng này thay đổi từ nguyên tử của nguyên tố này sang nguyên tử của nguyên tố khác. Các đơn chất bao gồm những ngyên tử giống hệt nhau, còn các hợp chất là sự kết hợp các nguyên tử thuộc những loại khác nhau.
Lý thuyết nguyên tử của Dalton đã giải thích thành công các định luật cơ bản của hóa học như định luật thành phần xác định và định luật thành phần tỷ lệ.
Cùng với các công trình của Dalton, các công trình của Avogadro đã đưa lý thuyết nguyên tử tiến lên một bước mới.Avogadro là người đưa ra khái niệm phân tử, phân tử gam và chứng minh được rằng phân tử gam của những chất khác nhau đều chứa cùng một số phân tử.
Việc xác định được số Avogadro cho phép xác định được khối lượng của từng nguyên tử.Thế là bước đầu người ta hình dung được sự nhỏ bé của thế giới các nguyên tử.Nguyên tử từ chỗ là sản phẩm đơn thuần của trí tưởng tượng của con người đã dần dần trở thành một thực thể vật lý thực sự.Đó chính là một trong những động lực quan trọng quyết định sự ra đời của thuyết động học phân tử.
2.4.1.2 Cơ sở thực nghiệm
Trang 39
Có thể coi tất cả những công trình thực nghiệm nhằm phát triển quan điểm hạt về cấu tạo vật chất và về các hiện tượng nhiệt là những cơ sở thực nghiệm của thuyết động học phân tử.Tuy nhiên những sự kiện thực nghiệm có quan hệ trực tiếp đến sự ra đời của thuyết động học phân tử là các công trình nghiên cứu về chất khí của Boyle (Bôilơ ) và Mariotte (Ma riôt), Charles (Sác lơ) và Gay-Lussac (Ghê-luyt xăc).
Năm 1662 Boyle và sau đó ít lâu Mariotte đã dùng thí nghiệm chứng minh được rằng trong quá trình đẳng nhiệt áp suất của một khối lượng khí tỉ lệ nghịch với thể tích của nó.
Các công trình thực nghiệm của Charles và Gay-Lussac công bố vào năm 1802 chứng minh rằng hệ số giãn nở của chất khí là một hằng số.Các định luật Boyle Mariotte và Charles-Lussac đã được Clapeyron (Clapêrông) thâu tóm vào năm 1834 trong một định luật tổng quát thường gọi là phương trình trạng thái của chất khí. Viết cho một phân tử gam chất khí phương trình này có dạng
pV=RT
Trong đó T là nhiệt độ chất khí, R là hằng số khí. Chính trong quá trình cố gắng giải thích bản chất của các định luật thực nghiệm trên người ta đã xây dựng thành công thuyết động học phân tử về chất khí.
b) Chuyển động Brown.
Những định luật đầu tiên của thuyết động học phân tử xuất hiện trước khi tìm ra chuyển động Brown. Tuy nhiên chuyển động Brown là hiện tượng phản ánh trực tiếp sự tồn tại và chuyển động của các phân tử, là cái mốc quan trọng có tính chất quyết định trong toàn bộ quá trình phát triển của thuyết động học phân tử. Do đó người ta vẫn coi chuyển động Brown là một trong những cơ sở thực nghiệm