VIII. Cấu trúc của đề tài
2.3.2 Đặc điểm của chƣơng lƣợng tử ánh sáng
2.3.2.1. Kiến thức chương:
Theo phân phối chƣơng trình của Bộ Giáo Dục và Đào Tạo, số tiết học dành cho chƣơng là 12 tiết trong đó có 8 tiết lí thyết, 3 tiết bài tập, 1 tiết kiểm tra. Số bài học của chƣơng là 7 bài trong đó 6 bài lí thuyết và 1 bài tập. Cụ thể gồm các bài sau:
- Hiện tƣợng quang điện ngoài. Các định luật quang điện. - Thuyết lƣợng tử ánh sáng. Lƣỡng tính sóng hạt của ánh sáng. - Bài tập về hiện tƣợng quang điện.
- Hiện tƣợng quang điện trong. Quang điện trở và pin quang điện. - Mẫu nguyên tử Bo và quang phổ vạch của nguyên tử hiđro. - Hấp thụ và phản xạ lọc lựa ánh sáng. Màu sắc các vật. - Sự phát quang. Sơ lƣợc về laze.
2.3.2.2. Mục tiêu của chương.
* Kiến thức
- Trình bày đƣợc thí nghiệm Héc về hiện tƣợng quang điện ngoài và nêu đƣợc hiện tƣợng quang điện ngoài là gì.
- Phát biểu đƣợc ba định luật quang điện.
- Nêu đƣợc nội dung cơ bản của thuyết lƣợng tử ánh sáng và viết đƣợc công thức Anh-xtanh về hiện tƣợng quang điện ngoài.
- Nêu đƣợc ánh sáng có lƣỡng tính sóng - hạt.
- Nêu đƣợc hiện tƣợng quang dẫn là gì và giải thích đƣợc hiện tƣợng này bằng thuyết lƣợng tử ánh sáng.
- Nêu đƣợc hiện tƣợng quang điện trong là gì và một số đặc điểm cơ bản của hiện tƣợng này.
- Nêu đƣợc quang điện trở là gì.
- Nêu đƣợc pin quang điện là gì, nguyên tắc cấu tạo và giải thích quá trình tạo thành hiệu điện thế giữa hai cực của pin quang điện.
- Nêu đƣợc hiện tƣợng hấp thụ ánh sáng là gì và phát biểu đƣợc định luật hấp thụ ánh sáng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
- Nêu đƣợc quang phổ hấp thụ của một chất là gì, các đặc điểm, công dụng của quang phổ hấp thụ và cách thu quang phổ đó.
- Nêu đƣợc phản xạ lọc lựa là gì.
- Phát biểu đƣợc định luật Stốc về sự phát quang.
- Mô tả đƣợc các dãy quang phổ vạch của nguyên tử hiđrô và nêu đƣợc cơ chế tạo thành các dãy quang phổ vạch phát xạ và hấp thụ của nguyên tử này.
- Nêu đƣợc laze là gì và một số ứng dụng của laze.[14]
* Kĩ năng
- Vận dụng đƣợc thuyết lƣợng tử ánh sáng để giải thích ba định luật quang điện. - Giải đƣợc các bài tập về hiện tƣợng quang điện.
- Giải thích đƣợc tại sao các vật có màu sắc khác nhau.
- Giải đƣợc các bài tập về tính bƣớc sóng các vạch quang phổ của nguyên tử hiđrô.
Quan sát các hiện tƣợng và các quá trình vật lí trong tự nhiên, trong đời sống hàng ngày, trong các thí nghiệm, điều tra, sƣu tầm, tra cứu tài liệu từ các nguồn khác nhau để thu thập các thông tin cần thiết cho việc học tập.
- Sử dụng các dụng cụ đo phổ biến của vật lí, tiến hành các thí nghiệm.
- Phân tích, tổng hợp và xử lí các thông tin thu đƣợc để rút ra kết luận, đề ra các dự đoán đơn giản về mối quan hệ hay bản chất các hiện tƣợng hoặc các quá trình vật lí, cũng nhƣ đề xuất phƣơng án thí nghiệm đã kiểm tra dự đoán đã nêu ra.
- Vận dụng kiến thức để mô tả và giải thích các hiện tƣợng và quá trình vật lí. - Sử dụng các thuật ngữ vật lí, các biểu, bảng, đồ thị để trình bày rõ ràng, chính xác những hiểu biết.[14]
* Thái độ
- Có hứng thú học vật lí, yêu thích tìm tòi khoa học, trân trọng với những đóng góp của vật lí học cho sự tiến bộ của khoa học và đối với các công lao của các nhà khoa học.
- Có thái độ khách quan, trung thực, có tác phong tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác và có tinh thần hợp tác trong việc học tập, cũng nhƣ trong việc áp dụng các hiểu biết đã đạt đƣợc.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
- Có ý thức vận dụng những hiểu biết vật lí vào đời sống nhằm cải thiện điều kiện sống, học tập cũng nhƣ để bảo.
2.3.2.3. Phân tích nội dung kiến thức chƣơng
Ánh sáng là sóng điện từ. Năng lƣợng ánh sáng đƣợc truyền đi liên tục theo sóng ánh sáng và tỉ lệ với cƣờng độ sóng. Nhƣ vậy, dù ánh sáng rọi tới kim loại có bƣớc sóng nhƣ thế nào đi nữa, nhƣng miễn có cƣờng độ lớn thì nó cũng cung cấp cho electron nhiều năng lƣợng và nó sẽ giải phóng đƣợc electron khỏi kim loại. Vì thế thuyết điện từ về ánh sáng không thể giải thích nổi tại sao có giới hạn quang điện cũng nhƣ không thể giải thích nổi tại sao động năng cực đại của các electron quang điện lại không phụ thuộc vào cƣờng độ của chùm sáng. Thuyết điện từ ánh sáng đã không giải thích đƣợc các định luật quang điện.
Đó là những bất lực của thuyết điện từ ánh sáng trong việc giải thích hiện tƣợng quang điện. Để giải quyết khó khăn này, thuyết lƣợng tử ánh sáng đã ra đời, góp phần đƣa vật lí phát triển thêm một bƣớc quan trọng trong việc hình thành các ngành vật lí hiện đại.
Năm 1900, nhà vật lí Planck đã đề xƣớng giả thuyết về lƣợng tử năng lƣợng nhằm giải thích sự phát xạ và hấp thụ bức xạ của các vật đặc biệt là các vật bức xạ nhiệt. Giả thuyết của Planck đã đƣợc kiểm nghiệm qua nhiều thực nghiệm là đúng và là một cơ sở của thuyết lƣợng tử ánh sáng.
Phát triển lí thuyết lƣợng tử bức xạ của Planck, năm 1905, Einstein đã nêu lên thuyết lƣợng tử ánh sáng nhằm giải thích hiện tƣợng quang điện.
Hiệu ứng quang điện ngoài là sự giải phóng electron khỏi bề mặt của một vật dƣới tác dụng của ánh sáng. Xảy ra ở vật rắn, lỏng và khí. Các kết quả thực nghiệm về hiện tƣợng quang điện đƣợc thể hiện trong ba định luật quang điện. Định luật quang điện thứ nhất nêu lên điều kiện để xảy ra hiện tƣợng quang điện. Định luật quang điện thứ hai đƣợc ứng dụng trong các máy đo ánh sáng. Khi đo cƣờng độ dòng quang điện, suy ra đƣợc cƣờng độ chùm sáng cần đo. Định luật quang điện thứ ba nói lên sự phụ thuộc của động năng ban đầu cực đại của quang electron.
Hiệu ứng quang điện ngoài đƣợc dùng để chế tạo các tế bào quang điện, ống nhân quang điện...Tế bào quang điện là dụng cụ rất chính xác và thực tế không có
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
quán tính nhƣng cồng kềnh và dễ vỡ nên ứng dụng bị hạn chế. Trong trắc quang, trong nghiên cứu khoa học, nghiên cứu vũ trụ, ngƣời ta thƣờng dùng các dụng cụ quang điện bán dẫn hay còn gọi là quang điện trong. Dựa trên hiệu ứng quang điện trong, ngƣời ta chế tạo các dụng cụ nhƣ quang điện trở và in quang điện...
Năm 1913, khi vận dụng thuyết lƣợng tử để giải thích sự tạo thành quang phổ của nguyên tố đơn giản nhất là hidro. Bo đã bổ sung vào mẫu hành tinh nguyên tử của Rơ-dơ-pho hai giả thuyết về sau đƣợc gọi là các tiên đề của Bo. Tiên đề về trạng thái dừng và tiên đề về sự bức xạ và hấp thụ năng lƣợng của nguyên tử. Thành công quan trọng của mẫu nguyên tử Bo là giải thích đầy đủ quang phổ vạch của hidro và các ion tƣơng tự hidro. Nhƣng thuyết Bo đã không giải thích đƣợc nguyên tử He có đủ hai electron, chƣa nói gì đến các nguyên tử có nhiều electron hơn.
Dùng thuyết lƣợng tử ánh sáng ta có thể giải thích đƣợc đặc điểm của sự phát quang là bƣớc sóng của ánh sáng phát quang dài hơn bƣớc sóng của ánh sáng kích thích. Có hai loại phát quang: Sự huỳnh quang và sự lân quang. Các loại hiện tƣợng phát quang có rất nhiều ứng dụng trong khoa học, kĩ thuật và đời sống nhƣ đèn tuýp, màn hình của dao động kí điện tử, tivi, máy tính, sơn phát quang trên các biển báo giao thông,...
Năm 1958, Baxop và Prokhorop, Savalop va Taunx đã dựa vào thuyết lƣợng tử ánh sáng, nghiên cứu độc lập với nhau và đã chế tạo thành công Laze đầu tiên. Laze là một loại nguồn sáng mới, có tính chất đặc biệt khác hẳn với nguồn sáng thông thƣờng. Nên nó đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
2.3.2.4. Sơ đồ cấu trúc nội dung chương.
Thuyết lƣợng tử ánh sáng HT quang điện ngoài HT quang điện trong Mẫu nguyên tử Bo Sự phát quang Laze Quang điện trở Pin quang điện
Sự tạo thành quang phổ vạch của nguyên tử Hidro
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2.3.3. Thƣ̣c trạng dạy học các thuyết trong chƣơng : Sóng ánh sáng và Lƣợng tử ánh sáng trong vật lí 12 nâng cao.
2.3.3.1. Mục đích
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, chúng tôi điều tra, khảo sát thực trạng dạy học các thuyết ánh sáng với mục đích:
- Tìm hiểu việc sử dụng các phƣơng pháp dạy học của giáo viên khi dạy các thuyết ánh sáng, các phƣơng tiện dạy học hiện đại hỗ trợ hoạt động dạy học của giáo viên THPT nhƣ việc sử dụng CNTT trong dạy học vật lí.
- Trên cơ sở điều tra thực tế, phân tích hạn chế, khó khăn để tìm ra nguyên nhân, biện pháp khắc phục nhằm phát triển tƣ duy của học sinh qua các thuyết ánh sáng. 2.3.3.2. Phƣơng pháp
Để đạt đƣợc mục đích nói trên, chúng tôi đã sử dụng các phƣơng pháp: - Trao đổi với lãnh đạo nhà trƣờng, tổ trƣởng tổ chuyên môn, tham quan các phòng dạy giáo án điện tử.
- Điều tra qua giáo viên: Trao đổi trực tiếp, dùng phiếu điều tra, hỏi ý kiến, xem giáo án, dự giờ.
- Điều tra qua học sinh: Trao đổi trực tiếp, dùng phiếu điều tra. 2.3.3.3 Kết quả điều tra
Chúng tôi đã thực hiện điều tra, trao đổi với giáo viên và học sinh lớp 12 THPT ở các trƣờng trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên và Yên Bái: Trƣờng THPT Lƣơng Phú Thái Nguyên, trƣờng PT Vùng cao Việt Bắc Thái Nguyên , trƣờng THPT Lê Quí Đôn Yên Bái. Căn cứ vào thông tin thu nhận đƣợc qua điều tra, chúng tôi rút ra một số nhận xét sau đây:
* Về điều kiện cơ sở vật chất, thiết bị dạy học
Hiện nay, Sở GD và ĐT các trƣờng THPT đã đầu tƣ nhiều vào cơ sở vật chất, trang thiết bị dạy học cho nên điều kiện dạy học khá thuận lợi. Phòng học đảm bảo chất lƣợng, hầu nhƣ các trƣờng đều có phòng học chuyên môn, phòng học giáo án điện tử, phòng thí nghiệm. Qua trao đổi với lãnh đạo của một số trƣờng, chúng tôi nhận thấy các thiết bị dạy học hiện đại nhƣ máy vi tính, máy chiếu Projector, máy chiếu camera, một số phần mềm dạy học,… đã đƣợc trang bị. Lãnh đạo các nhà trƣờng đều khuyến khích giáo viên sử dụng công nghệ thông tin và sƣu tầm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
những thông tin để phục vụ cho bài giảng, phổ biến cho đồng nghiệp các phần mềm dạy học, phim học tập, đồng thời các trƣờng cũng đang tiếp tục xây dựng, bố trí tăng cƣờng các phòng học sử dụng công nghệ thông tin.
* Đối với giáo viên:
- Thuyết ánh sáng mang tính trừu tƣợng, tổng hợp kiến thức cao nên để dạy hay phần này giáo viên cần phải đầu tƣ thời gian, đầu tƣ trí tuệ cho bài dạy. Phần lớn giáo viên chủ yếu dạy theo sách giáo khoa, hầu nhƣ là sử dụng phƣơng pháp truyền thống: Nhƣ là phƣơng pháp thuyết trình kết hợp với đàm thoại, chƣa nảy sinh đƣợc tình huống có vấn đề cho HS. Cách đặt câu hỏi chƣa có chất lƣợng: ví dụ nhƣ đƣa ra các câu hỏi chƣa hợp lí, thƣờng quá đơn giản hoặc quá khó, nhiều câu hỏi chƣa định hƣớng đƣợc sƣ phát triển tƣ duy cho HS… Do đó chƣa phát huy đƣợc tính tích cực, tự lực nhận thức để giải quyết vấn đề cơ bản của bài học.
- Hầu hết các giáo viên Vật lí ở THPT đã có sự tìm hiểu và vận dụng phƣơng pháp dạy học mới, nhƣ đàm thoại, phát hiện và giải quyết vấn đề, tổ chức hoạt động nhóm, … Tuy nhiên, năng lực sƣ phạm của mỗi giáo viên là khác nhau nên kết quả đem lại cũng khác nhau.
- Việc sử dụng các phƣơng tiện dạy học hiện đại trong dạy học Vật lí vẫn đang còn là vấn đề cần đƣợc quan tâm. 25% giáo viên đƣợc hỏi ý kiến cho trả lời “chƣa bao giờ sử dụng các phƣơng tiện kĩ thuật hiện đại”. Khoảng 20% giáo viên đã sử dụng thành thạo và sử dụng thƣờng xuyên các thiết bị nhƣ máy vi tính, máy chiếu Projector, máy chiếu camera, phần mềm dạy học… Số còn lại cũng đã biết sử dụng các phƣơng tiện trên nhƣng chỉ dùng chủ yếu trong các giờ thao giảng, thi giáo viên giỏi. Mặc dù vậy, tất cả giáo viên đƣợc hỏi đều ý thức đƣợc rằng việc sử dụng phƣơng tiện hiện đại vào dạy học Vật lí là rất hữu ích.
Đó là tình hình dạy học của giáo viên đối với môn vật lí nói chung. Với phần kiến thức thuyết ánh sáng thì phƣơng pháp dạy học chủ yếu của giáo viên vẫn là truyền thụ kiến thức một chiều, trong đó hình thức hoạt động chủ yếu của giáo viên vẫn là thông báo, giảng giải nhấn mạnh nội dung quan trọng để học sinh ghi nhớ. Trong giờ dạy cũng có một số giáo viên tìm cách tích cực hoá hoạt động nhận thức của học sinh với những câu hỏi phát vấn, yêu cầu học sinh suy nghĩ giải quyết, nhƣng phần lớn những câu hỏi đó ít đòi hỏi ở học sinh sự phân tích, suy luận, tìm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
tòi mà chủ yếu yêu cầu học sinh sự tái hiện thông thƣờng nên chƣa phát triển đƣợc tƣ duy của học sinh trong quá trình học tập.
Phần lớn giáo viên khi dạy các kiến thức phần này đều không có thí nghiệm ảo mà chỉ mô tả thí nghiệm bằng lời nói và hình vẽ. Thi thoảng giáo viên cũng đƣa ra thí nghiệm ảo nhƣng chủ yếu đƣợc sử dụng trong những đợt thao giảng.
* Đối với học sinh: (thống kê trên tổng số 300 học sinh đƣợc hỏi ý kiến)
- Về hứng thú học tập môn Vật lí: Chỉ có khoảng 25% học sinh thích học môn Vật lí, thích tìm hiểu ý nghĩa của các kiến thức Vật lí và vận dụng vào thực tiễn cuộc sống. Khoảng 30% học sinh cho rằng vật lí là môn học trừu tƣợng, khó hiểu, học là do bắt buộc dẫn đến là học sinh không hứng thú học tập, không yêu thích môn Vật lí và chƣa bao giờ quan tâm đến việc vận dụng kiến thức vào thực tiễn. Số còn lại chỉ coi môn Vật lí là môn học bình thƣờng, thỉnh thoảng mới để ý tới tính ứng dụng thực tiễn của các kiến thức Vật lí đƣợc học.
- Về năng lực tự lực học tập: 20% học sinh tự đánh giá khả năng tự học của mình ở mức khá hoặc tốt, đó chính là những học sinh thích học môn Vật lí và học khá giỏi bộ môn này. 55% học sinh đánh giá mình có khả năng tự lực học tập ở mức trung bình, thể hiện việc chuẩn bị bài ở nhà của các em chỉ là học lí thuyết và làm các bài tập (dễ và trung bình) của bài đã học. Số còn lại tự đánh giá lực học yếu, ở nhà các em chỉ học thuộc lòng lí thuyết và làm những bài tập dễ đƣợc giao.
- Về việc học tập với sự hỗ trợ của các phương tiện dạy học hiện đại: 55% học sinh thích đƣợc học các giờ học sử dụng phƣơng tiện dạy học hiện đại vì dễ hiểu bài