trong các môi trường”
Qua thực tế khảo sát cho thấy, hầu hết giáo viên tham gia giảng dạy chương trình vật lý lớp 11 đều cho rằng chương “dòng điện trong các môi trường” là một trong những chương “khó dạy” nhất, gây nhiều khó khăn cho cả giáo viên và học sinh. Tôi xin trình bày một số khó khăn ghi nhận được từ quá trình khảo sát như sau:
Thứ nhất là về nội dung kiến thức:
Chương này trình bày về bản chất dòng điện trong năm môi trường với sự khác biệt về loại hạt tải điện, cơ chế tạo hạt tải điện,…nên rất dễ gây nhầm lẫn cho học sinh. Xét về góc độ THPT, hầu hết kiến thức của chương đều được giải thích dựa trên cơ sở vật lý học cổđiển (thuyết electron cổđiển), trong khi trên thực tế, cơ chế của các quá trình diễn ra bên trong các môi trường rất phức tạp và tuân theo các định luật cơ
một số đặc điểm về tính chất điện của các môi trường. Điều này rất dễ gây ra sự nhầm lẫn về mặt nhận thức cho học sinh (đặc biệt là kiến thức về sự dẫn điện của bán dẫn pha tạp chất).
Nhìn chung, nội dung kiến thức về bản chất dòng điện trong các môi trường rất trừu tượng, khó hiểu (ví dụ khái niệm về lỗ trống trong sự dẫn điện của bán dẫn), nhưng lại xảy ra bên trong vật chất, không thể quan sát được nên gây rất nhiều khó khăn cho học sinh trong quá trình chiếm lĩnh kiến thức cũng như giáo viên khi giảng dạy chương này.
Thứ hai là về phương tiện dạy học:
Nhiều kiến thức trong SGK được suy ra từ kết quả thí nghiệm, tuy nhiên, một số
thí nghiệm lại còn mang tính chất tưởng tượng, thiếu tính khả thi hoặc chiếm nhiều thời gian mới có thể thu được kết quả mong muốn. Hơn nữa, thực tế hiện nay tại các trường THPT (ở tỉnh Ninh Thuận) không được trang bị đầy đủ các thiết bị thí nghiệm có liên quan đến chương (chỉ có thí nghiệm về hiện tượng điện phân, thí nghiệm về sự phóng tia lửa điện và bài thí nghiệm thực hành linh kiện bán dẫn).
Vì kiến thức chương khá trừu tượng nên rất cần có các mô hình trực quan hỗ trợ
giảng dạy nhưng hiện nay hầu như các trường đều không được trang bị.
Thứ ba là về phương pháp giảng dạy:
Đa số giáo viên còn dạy chương này theo phương pháp thuyết trình cổ điển, nặng về thuyết giảng, mang tính chất truyền thụ kiến thức một chiều.
Các kiến thức vềứng dụng được giảng dạy sơ sài, thiếu liên hệ thực tế.
Có một số ít giáo viên thiết kế bài giảng điện tử trên nền powerpoint và bổ sung thêm các hình ảnh minh họa cho bài học.
Tóm lại, có thể nói chính những khó khăn trên đã dẫn đến một thực trạng mà theo tôi nghĩ không chỉ có ở Ninh Thuận mà còn ở nhiều địa phương khác trong cả
không tự lực chiếm lĩnh kiến thức cũng như tự lực sáng tạo để tìm ra kiến thức khi học chương “dòng điện trong các môi trường”
2.3 Xây dựng một số mô hình vật lý [7][8][17][18][19][23][24] 2.3.1. Mô hình dòng điện trong kim loại(Mh1)
2.3.1.1. Mô hình mô tả chuyển động của electron trong kim loại(Mh1.1)
a. Mục đích
- Qua khảo sát thực tế cho thấy: HS thường không tự lực mô tả được một cách chính xác chuyển động của các electron trong mạng tinh thể kim loại khi có điện trường ngoài áp vào. (Đa số HS thường bỏ qua hẳn chuyển động nhiệt của các electron, chỉ đề cập đến chuyển động định hướng của electron dưới tác dụng của điện trường ngoài. Đây là một trong những sai lầm mà HS thường mắc phải, vì trên thực tế, chuyển động định hướng của electron là rất nhỏ so với chuyển động nhiệt của nó). - Để khắc phục tình trạng trên, tôi xây dựng mô hình vật lý nhằm giúp HS có thể tự lực mô tả một cách chính xác chuyển động của electron trong mạng tinh thể kim loại khi có điện trường ngoài. Tức là HS có thể tự lực phát biểu được: “các electron vừa chuyển động hỗn loạn vừa định hướng ngược chiều điện trường ngoài”.
b. Phác thảo ý tưởng xây dựng mô hình:
- Bước 1: Thực hiện mô hình chuyển động nhiệt của electron trong mạng tinh thể kim loại khi không có điện trường ngoài:
+ Mô hình (1.1a): mô tả chuyển động hỗn loạn của electron trong mạng tinh thể
3 chiều.
+ Mô hình (1.1a’): mô tả chuyển động hỗn loạn của electron trong mạng tinh thể
theo một mặt cắt vuông góc.
- Bước 2: Áp điện trường ngoài vào mạng tinh thể kim loại, mô hình sẽ thể hiện được chuyển động của các electron: vừa chuyển động hỗn loạn, vừa định hướng ngược chiều
+ Mô hình này được biểu diễn trên một mặt cắt. (Mh1.1b)
+ Ta đã biết tính chất của kim loại được giải thích dựa trên thuyết electron cổ điển (đối với chương trình phổ thông): coi các electron chuyển động tự do trong mạng tinh thể nhưkhí electron. Do đó, ta có thể mô tả chuyển động nhiệt của electron dưới dạng chuyển động Brown, khi có điện trường ngoài, ta viết thêm thuật toán chuyển
động biến đổi đều dưới tác dụng của lực điện trường. c. Hoàn thành mô hình (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
(Mh1.1a’)
2.3.1.2. Mô hình giải thích tính chất điện của kim loại(Mh1.2)
a. Mục đích
- Qua khảo sát thực tế, với phương pháp dạy như hiện nay (thuyết trình, đàm thoại tái hiện là chủ yếu), học sinh gặp nhiều khó khăn trong việc:
+ Tự lực nêu dựđoán về các nguyên nhân gây ra điện trở của kim loại + Tự lực giải thích sự phụ thuộc của R vào nhiệt độ.
- Trên cơ sởđó, tôi xây dựng mô hình nhằm giúp học sinh có thể tự lực nêu dựđoán về
các yếu tố gây cản trở chuyển động của electron (tức nguyên nhân gây ra điện trở, ở đây chỉ nhấn mạnh nguyên nhân chủ yếu là sự va chạm giữa electron và ion ở nút mạng). Ngoài ra, mô hình còn có thể giúp học sinh tự lực giải thích sự phụ thuộc của
điện trở R vào nhiệt độ. Từ đó, học sinh có thể tự lực nêu ra dự đoán về dạng đường
đặc tuyến Volt-Ampere của vật dẫn kim loại khi nhiệt độ tăng, mức cao hơn nữa là có thểđề xuất phương án thí nghiệm kiểm chứng hệ quả trên.
b. Phác thảo ý tưởng xây dựng mô hình:
Bước 1: Sử dụng mô hình (1.1b), điều chỉnh thêm: + Cho các Ion ở nút mạng dao động quanh nút. + Có thể tăng thêm số lượng electron.
Sau khi điều chỉnh ta được mô hình (1.2a).
Bước 2: Thêm vào mô hình (1.2a) yếu tố ảnh hưởng của nhiệt độ để thấy rõ sự va chạm giữa electron và Ion ở nút mạng tăng. Ta được mô hình (1.2b)
c. Hoàn thành mô hình:
(Mh1.2a)
Các mô hình dòng điện trong kim loại vừa xây dựng xong (Mh1.1 và Mh1.2)
(Mh1)
2.3.2. Mô hình dòng điện trong chất điện phân (Mh2)
a. Mục đích:
- Qua việc phân tích logic hình thành kiến thức theo sách giáo khoa hiện hành, cũng như việc khảo sát thực tế, tôi nhận thấy:
+ Học sinh hầu như không tự lực nêu được khái niệm hiện tượng dương cực tan, + Học sinh gặp nhiều khó khăn trong việc tự lực giải thích cơ chế của hiện tượng dương cực tan (vì đây là một quá trình xảy ra bên trong, không quan sát được, hơn nữa giải thích theo hướng dẫn của sách giáo khoa đòi hỏi HS phải có kiến thức vững vàng về hóa học).
- Từ những cơ sở trên, tôi xây dựng mô hình về hiện tượng dương cực tan nhằm giúp
đỡ HS tự lực:
+ Nêu khái niệm về hiện tượng dương cực tan
+ Dựđoán được mối quan hệ giữa U và I khi có hiện tượng dương cực tan.
b. Phát thảo mô hình trên giấy:
Bước 1: Mô tảđiện cực dương dưới dạng ma trận các nguyên tử kim loại (các nguyên tử kim loại cấu tạo nên điện cực xếp thành m hàng, n cột)
Bước 2: Mô tả dung dịch điện phân (CuSO4) dưới dạng các ion Cu2+ (màu đỏ) và SO42-
(màu xanh).
Bước 3: Mô tả các phản ứng phụ xảy ra ởđiện cực (trường hợp cực dương bằng đồng) Nhập thông số cho hiệu điện thế giữa hai cực của bình điện phân, mô hình thể hiện: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
+ Các ion chuyển động có hướng về hai điện cực theo hai dòng dịch chuyển ngược chiều nhau.
+ Tại cực âm: Ion Cu2+ nhận e và bám vào điện cực
+ Tại cực dương: Ion SO42- đập vào điện cực và biến mất, đồng thời làm cho một nguyên tửđồng ởđiện cực biến mất.
Sau một thời gian ngắn, có thể thấy hiện tượng sau:
+ Cực dương bị khuyết dần và cực âm dày thêm (có một lớp màu đỏ) Sau khi thực hiện các bước trên, ta có mô hình được mô tả như sau:
Sau một thời gian điện phân
Bước 4: Thay đổi thông số hiệu điện thế giữa hai cực, mô hình thể hiện sự thay đổi tương ứng của lượng ion đến các điện cực.
2.3.3 Mô hình dòng điện trong chân không(Mh3)
2.3.3.1 Mô hình bản chất dòng điện trong chân không(Mh3.1)
a. Thực trạng và mục đích xây dựng mô hình
Thực tế, HS chưa tự lực:
- Nêu dựđoán về loại hạt tải điện có thể tạo ra trong chân không,
- Giải thích cơ chế phát sinh hạt tải điện trong môi trường chân không - Giải thích tính chất dẫn điện một chiều của ống chân không.
Mục đích của mô hình:
- Giúp HS có thể tự lực nêu dựđoán về loại hạt tải điện có thể tạo ra trong chân không (Tự lực sáng tạo)
- Giúp HS có thể tự lực giải thích cơ chế phát sinh hạt tải điện trong môi trường chân không.
- Giúp HS có thể tự lực giải thích tính chất dẫn điện một chiều của ống chân không. b. Phát thảo mô hình trên giấy
Bước 1: Biểu diễn bản điện cực Katốt (bằng kim loại hay bán dẫn) trong ống chân không dưới dạng mặt cắt mạng tinh thể như bài kim loại.
Bước 2: Cung cấp năng lượng cho Katốt bằng cách áp thông số nhiệt độ thích hợp, khi
đó mô hình sẽ thể hiện có một số hạt thoát ra khỏi Katốt (có thể có một vài hạt chuyển
động về Anốt).
Thông số nhiệt độ trung bình có thể làm bứt electron ra khỏi bề mặt kim loại:
K T o
o 15.000
Nhưng trên thực tế: (vì trong kim loại luôn tồn tại mốt số
electron có năng lượng lớn hơn năng lượng trung bình nhiều.)
K K
T o o
Bước 3: Áp thông số UAK > 0 vào, mô hình thể hiện các hạt tải điện dịch chuyển có hướng về Anốt.
Bước 4: Áp thông số UAK < 0 vào, mô hình thể hiện các hạt tải điện dịch chuyển về lại bề mặt Katốt. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
c. Lựa chọn phần mềm hỗ trợ xây dựng mô hình: Matlab d. Hoàn thành mô hình
2.3.3.2 Mô hình hỗ trợ dựđoán mối quan hệ giữa I và U (Mh3.2)
a. Thực trạng và mục đích
Trên thực tế, học sinh gặp rất nhiều khó khăn khi giải thích mối quan hệ giữa hiệu điện thế và cường độ dòng điện qua ống chân không và hoàn toàn không tự lực nêu dựđoán về dạng đường đặc tuyến Volt – Ampere.
Mục đích của mô hình:
Tùy theo cách sử dụng của GV, mô hình có thể hỗ trợ HS: - Tự lực giải thích được đường đặc tuyến Volt – Ampere
- Hoặc có thể tự lực nêu dự đoán về dạng đường đặc tuyến Volt – Ampere (dành cho lớp khá giỏi).
b. Phác thảo ý tưởng xây dựng mô hình
Bước 1: Sử dụng nền mô hình (3.1), thêm một số yếu tố:
+ Khi UAK > 0 và tăng (<Ub): mô hình thể hiện được số lượng electron về Anốt tăng.
+ Khi UAK > 0 và tăng vượt quá giá trị Ub: mô hình thể hiện toàn bộ electron sinh ra từ Katốt đều chạy về Anốt hết.
Bước 2: Vẫn sử dụng mô hình trên, thêm yếu tố: khi nhiệt độ Katốt tăng, số lượng electron thoát ra ở Katốt cũng tăng theo.
c. Lựa chọn phần mềm xây dựng mô hình: matlab d. Hoàn thành mô hình
2.3.4 Mô hình dòng điện trong chất khí (Mh4)
2.3.4.1 Mô hình mô tả cơ chế phát sinh hạt tải điện (4.1)
a. Thực trạng và mục đích
Thực tế: HS thường gặp nhiều khó khăn trong việc tự lực nêu được dựđoán về
loại hạt tải điện trong chất khí, và giải thích cơ chế tạo các hạt tải điện này. Mục đích của mô hình: giúp HS có thể tự lực:
- Nêu được dựđoán về các loại hạt tải điện có thể có trong chất khí. - Giải thích được cơ chế của quá trình ion hóa chất khí.
b. Phác thảo ý tưởng xây dựng mô hình
Bước 1: Biểu diễn môi trường chất khí bằng vùng không gian giữa hai bản kim loại làm điện cực Anốt và Katốt, trong đó có các phân tử khí trung hòa được biễu diễn bằng các chấm tròn màu xanh da trời.
Bước 2: Khi áp thông số nhiệt độ vào, mô hình thể hiện được cơ chế của quá trình ion hóa: từ trong một số phân tử khí màu xanh da trời, có hạt nhỏ màu đen (electron) bứt ra
và ngay lập tức phân tử trung hòa chuyển thành màu đỏ (ion dương). Tất cả các hạt đều chuyển động hỗn loạn.
Bước 3: Khi các hạt electron bị bứt ra chuyển động hỗn loạn, có một số hạt “chui vào” trong phân tử trung hòa màu xanh làm cho nó biến thành màu tím (ion âm). Lúc này trong không gian giữa hai điện cực có 4 loại hạt:
- Các phân tử khí trung hòa (màu xanh); - Các electron tự do (màu đen);
- Các ion dương (màu đỏ); - Các ion âm (màu tím).
c. Lựa chọn phần mềm xây dựng mô hình: matlab d. Hoàn thành mô hình
2.3.4.2 Mô hình hỗ trợ dựđoán mối quan hệ giữa I và U (4.2)
a. Thực trạng và mục đích
HS thường không thể hoặc rất khó khăn trong việc tự lực phác thảo dựđoán về (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
dạng đường đặc tuyến Volt – Ampere. Mục đích của mô hình:
Tuỳ theo cách sử dụng của GV, mô hình có thể hỗ trợ HS: - Tự lực giải thích được đường đặc tuyến Volt – Ampere
- Hoặc có thể tự lực nêu dự đoán về dạng đường đặc tuyến Volt – Ampere (dành cho lớp khá giỏi).
b. Phác thảo ý tưởng xây dựng mô hình
Bước 1: Trong chất khí đã có sẵn các loại hạt tải điện.
Bước 2: Áp thông số hiệu điện thế giữa hai điện cực vào, mô hình thể hiện:
+ Khi UAK > 0 và tăng (<Ub): mô hình thể hiện được số lượng electron và các ion về các điện cực tăng.
+ Khi Ub < UAK <UC: mô hình thể hiện toàn bộ hạt tải điện sinh ra đều chạy về
+ Khi UAK > UC: mô hình thể hiện quá trình ion hoá do va chạm: electron chuyển động mạnh và hỗn loạn dưới tác dụng của điện trường mạnh đến va chạm với các phân tử khí trung hòa làm bứt ra thêm một electron và phân tử trung hòa biến thành ion dương. Đồng thời các hạt tạo thành đều chuyển động nhanh về các cực.
Bước 3: Biểu diễn đường đặc tuyến Volt – Ampere mô tả cho sự thay đổi của I theo U. c. Lựa chọn phần mềm xây dựng mô hình: matlab
2.3.5 Mô hình dòng điện trong bán dẫn (Mh5)
2.3.5.1 Mô hình về sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết(Mh5.1)
a. Thực trạng và mục đích
Thực tế, HS thường gặp nhiều khó khăn trong việc tự lực nêu dựđoán về loại hạt tải điện trong bán dẫn tinh khiết (ở điều kiện thích hợp). Thông thường, đa số HS chỉ có thể tự lực nêu dự đoán về sự có mặt của electron tự do trong chất bán dẫn dựa trên sự tương tự với dòng điện trong các môi trường đã học, mà khó có thể dự đoán
được sự có mặt của một loại hạt mới – “lỗ trống dương”. Ngoài ra, HS thường rất dễ