1.4.1. Đặc điểm của định luật vật lí
Xây dựng đƣợc một khái niệm tức là ta đã nghiên cứu đƣợc từng mặt, từng tính chất của sự vật, hiện tƣợng. Nhiệm vụ của khoa học nói chung và của vật lí học nói riêng khơng phải chỉ nghiên cứu các mặt riêng biệt mà phải nghiên cứu hiện tƣợng, sự vật trong sự vận động của chúng, trong sự phụ thuộc giữa chúng, tìm ra mối liên hệ khách quan, phổ biến ràng buộc chúng với nhau, nghĩa là tìm ra các quy luật, các định luật.
Nhƣ vậy, ta có thể hiểu định luật vật lí là mối liên hệ khách quan, phổ biến giữa các thuộc tính của các đối tƣợng, các quá trình và trạng thái đƣợc mơ tả thơng qua các đại lƣợng vật lí, tồn tại trong những điều kiện xác định và thể hiện khi những điều kiện này xuất hiện, tƣơng đối bền vững và có thể lặp lại. Các định luật vật lí mơ tả những sự vật, hiện tƣợng trong tự nhiên có thể nhận biết đƣợc bởi con ngƣời. Cần chú ý rằng: Không phải mọi mối liên hệ đều là quy luật, định luật. Định luật có tính tất yếu, phổ biến và khách quan, có nghĩa là: Trong những điều kiện nhất định thì định luật nhất thiết có tác dụng, hiện tƣợng nhất định sẽ xảy ra giống nhau, bất kì ở đâu, không phụ thuộc vào ý muốn của con ngƣời.
Quy luật thực tế khách quan tồn tại ngoài ý muốn của con ngƣời. Chúng có từ trƣớc khi lồi ngƣời xuất hiện và sẽ tồn tại cùng với thế giới vật chất. Khoa học do con ngƣời xây dựng nên để phản ánh thực tế khách quan. Những định luật vật lí là do con ngƣời xây dựng lên để phản ánh các quy luật của thực tế khách quan. Sự phản ánh đó khơng thể đầy đủ, chính xác ngay từ đầu mà hồn thiện dần theo trình độ nhận thức của con ngƣời.
Tốn học là một cơng cụ rất quan trọng để biểu diễn các định luật vật lí, vì đa số các định luật vật lí có tính chất định lƣợng. Nhiều nhà vật lí học nổi tiếng tin tƣởng rằng: Tốn học có thể biểu diễn chính xác các quy luật của tự
nhiên và thực tế cho đến nay đã chứng tỏ điều đó. Vì tốn học mơ tả đúng các hiện tƣợng mới mà trƣớc đây loài ngƣời chƣa hề biết đến.
Phân loại các định luật vật lí:
+ Định luật động lực học cho biết một đối tƣợng riêng lẻ trong những điều kiện đã cho sẽ HĐ nhƣ thế nào.
+ Định luật thống kê cho biết một số lớn các đối tƣợng riêng lẻ trong một tập hợp sẽ thể hiện nhƣ thế nào trong những điều kiện xác định đã cho. Ví dụ: Khi khảo sát khí lí tƣởng, ta lập đƣợc phƣơng trình cơ bản của thuyết động học phân tử 1 2
. 3
p m nv , nêu lên mối liên hệ giữa áp suất p của khí với
khối lƣợng phân tử m, số phân tử trong một đơn vị thể tích n và trung bình
của bình phƣơng vận tốc chuyển động của phân tử khí 2
v . Nó là một định luật thống kê, chỉ đúng cho một tập hợp rất lớn các phân tử khí chứa trong bình. Các định luật chất khí, phƣơng trình trạng thái của khí lí tƣởng đƣợc suy ra từ thuyết động học phân tử chất khí và vì thế cũng có thể đƣợc coi là hệ quả của quy luật thống kê.
+ Định luật bảo tồn cho biết có một đại lƣợng vật lí nào đó ln khơng đổi. Số lƣợng các định luật bảo tồn khơng nhiều, nhƣng chúng có ý nghĩa tổng quát cao, có thể bao trùm nhiều lĩnh vực hiện tƣợng, cho nên có vai trị quan trọng trong vật lí học.
1.4.2. Dạy học giải quyết vấn đề về các định luật vật lí
Dựa trên đặc điểm của HĐ nhận thức trong q trình đi tìm chân lí, có thể có 3 con đƣờng cơ bản hình thành các định luật vật lí:
+ Thơng qua quan sát trực tiếp và khái quát hoá thực nghiệm + Thơng qua quan sát trực tiếp và khái qt hố lí thuyết + Xuất phát từ những mệnh đề lí thuyết tổng qt đã biết.
Theo chƣơng trình vật lí phổ thơng, các định luật chất khí đƣợc xây dựng theo con đƣờng quan sát trực tiếp, khái qt hóa lí thuyết. Mặc dù, kiến thức vật
lí cho phép suy ra các định luật này theo con đƣờng xuất phát từ những mệnh đề lí thuyết tổng qt đã biết - đó là thuyết động học phân tử chất khí. Vì thế, trong khn khổ nghiên cứu của luận văn, chúng tơi chỉ phân tích con đƣờng đạt tới định luật thông qua quan sát trực tiếp và khái qt hố lí thuyết.
Mục đích của sự nhận thức khoa học là phải phát hiện ra đƣợc bản chất bên trong của sự vật hiện tƣợng, chứ khơng dừng lại ở nhận thức cảm tính. Điều đó chỉ có thể đạt đƣợc thơng qua sự khái qt hố lí thuyết. Những kết luận của sự khái qt hố lí thuyết cho phép ta phát hiện ra những quy luật có thể giải thích đƣợc những hiện tƣợng đã biết cũng nhƣ tiên đoán những hiện tƣợng mới. Để thực hiện sự khái qt hố lí thuyết, ngồi việc quan sát trực tiếp, còn phải sử dụng các phƣơng pháp của sự nhận thức gián tiếp, đặc biệt là phép suy luận diễn dịch. Phép suy luận diễn dịch giúp ta nhận thấy sự gắn bó bản chất giữa các sự vật, hiện tƣợng riêng lẻ với những mệnh đề tổng quát, những định luật và nhận thấy mỗi hiện tƣợng riêng lẻ là một biểu hiện cụ thể, một trƣờng hợp riêng của một đặc tính chung của giới tự nhiên.
Dạy học giải quyết vấn đề về các định luật vật lí theo con đƣờng quan sát trực tiếp kết hợp với khái quát hố lí thuyết diễn ra theo các pha và ứng với mỗi pha là các giai đoạn cụ thể nhƣ sau:
1.4.2.1. Pha thứ nhất: Chuyển giao nhiệm vụ, bất ổn hoá tri thức, phát biểu vấn đề
Ta chia các HĐ trong pha này thành 3 giai đoạn:
+ Giai đoạn 1: Quan sát nhằm thu thập những cứ liệu thực nghiệm (thông qua quan sát tự nhiên, thông qua TN hay thông qua hiểu biết kinh nghiệm đã tích luỹ đƣợc từ trƣớc). Ở giai đoạn này, HS phải mô tả bằng lời hiện tƣợng quan sát đƣợc và những điều kiện trong đó hiện tƣợng diễn ra.
+ Giai đoạn 2: Khái quát hoá những kết quả quan sát đƣợc, làm nổi bật cái chung, cái bản chất, cái giống nhau trong các sự vật hiện tƣợng cụ thể
khác nhau; phân biệt những điều kiện không cơ bản với những điều kiện cơ bản trong đó hiện tƣợng xảy ra.
+ Giai đoạn 3: Giải thích những kết quả quan sát đƣợc. Ở giai đoạn này, 2 trƣờng hợp có thể xảy ra:
* HS giải thích đƣợc kết quả quan sát nhờ vận dụng những kiến thức, những định luật đã biết. Quá trình nhận thức kết thúc với sự giải thích này. Nhƣ vậy, HĐ nhận thức đi đến giải thích đƣợc một hiện tƣợng mới phát hiện nhƣng không đem lại một định luật mới; nói cách khác, là mở rộng đƣợc phạm vi ứng dụng của định luật đã biết.
* HS đã vận dụng tất cả những kiến thức, những định luật đã biết để giải thích hiện tƣợng nhƣng khơng thành công. Lúc này, vấn đề mới xuất hiện đối với HS. Với sự hƣớng dẫn của GV, vấn đề chính thức đƣợc phát biểu.
1.4.2.2. Pha thứ 2: Học sinh hành động độc lập, tích cực, trao đổi, tìm tịi giải quyết vấn đề
Tiếp tục thực hiện giai đoạn 3 sau khi đã xác định rõ vấn đề nghiên cứu, tiếp theo chuyển sang giai đoạn 4:
+ Giai đoạn 3 (tiếp): Do kiến thức đã biết khơng đủ để giải thích kết quả quan sát đƣợc nên bắt buộc phải đƣa ra một phỏng đoán là: Hiện tƣợng diễn ra do một tính chất mới của sự vật, một quy luật mới của hiện tƣợng mà trƣớc đây ta chƣa biết. Lời phỏng đốn đó là một giả thuyết.
Phát biểu một giả thuyết có nghĩa là phát biểu một mệnh đề dƣờng nhƣ có thể dùng để giải thích đƣợc hiện tƣợng mới quan sát đƣợc. Quá trình nhận thức cần phải đƣợc tiếp tục để xác định xem giả thuyết đó có đúng đắn khơng. Tuy nhiên, cần phải chú ý rằng: Nếu một giả thuyết đƣa ra chỉ để giải thích một hiện tƣợng đã biết thì giả thuyết đó khơng có ý nghĩa khái qt, khơng có giá trị khoa học cao. Mặt khác, giá trị của một giả thuyết cịn là ở chỗ: Có thể giúp ta tiên đoán đƣợc hiện tƣợng xảy ra trong những điều kiện mới, hoàn cảnh mới mà trƣớc đây ta chƣa biết. Điều đó là một bằng chứng để xem giả
thuyết đã phản ánh đúng quy luật của tự nhiên chƣa. Việc đƣa ra đƣợc nhiều giả thuyết khác nhau để giải thích cùng một hiện tƣợng, rồi chọn lấy một giả thuyết có nhiều triển vọng nhất là một đặc trƣng của tƣ duy sáng tạo. Khơng có con đƣờng lơgíc để suy từ những sự kiện thực nghiệm quan sát đƣợc đến những giả thuyết. Ở đây, có vai trị quan trọng của trực giác, của sự nhạy cảm khoa học, một bƣớc nhảy vọt trong tƣ duy, có thể rèn luyện cho HS dựa trên các lí thuyết về sự phát triển tâm lí học của Piaget và Vƣgơtxki.
+ Giai đoạn 4: Kiểm tra sự đúng đắn của giả thuyết. Thực tiễn là tiêu chuẩn của chân lí. Cho nên, việc kiểm tra sự đúng đắn của một giả thuyết chính là kiểm tra xem giả thuyết đó có phù hợp với thực tiễn khơng? Thực tiễn này phải quan sát đƣợc trong tự nhiên hay trong các TN. Có 2 trƣờng hợp thƣờng xảy ra:
* Kiểm tra trực tiếp ngay giả thuyết trong thực tiễn, không thông qua một suy luận trung gian nào cả.
* Kiểm tra thông qua một hệ quả rút ra từ giả thuyết nhờ suy luận toán học hay suy luận lơgíc. Nếu sự suy luận đƣợc thực hiện chặt chẽ, đúng đắn thì giữa giả thuyết và hệ quả có mối liên hệ bản chất. Hệ quả đúng với thực tiễn thì điều đó có nghĩa là: giả thuyết phản ánh đúng thực tiễn, nếu không đúng với thực tiễn thì giả thuyết sai, phải bỏ đi. Điều quan trọng ở đây là: Hệ quả đó phải là những cái có thể quan sát đƣợc trong thực tiễn. Nhƣ vậy, sau khi rút ra hệ quả bằng suy luận lí thuyết, ta phải bố trí TN thích hợp để kiểm tra xem hệ quả dự đốn có xảy ra trong thực tế khơng. Tất nhiên, hệ quả ở đây phải khác với hiện tƣợng ban đầu đã biết, đã đƣợc dùng làm những sự kiện xuất phát để xây dựng giả thuyết. Trong trƣờng hợp TN khẳng định điều dự đốn trong hệ quả thì giả thuyết cũng đƣợc khẳng định và đƣợc coi là chân lí, là định luật.
HS báo cáo kết quả TN, thảo luận về sự phù hợp giữa giả thuyết và thực nghiệm. GV thơng báo bổ sung và thể chế hóa kiến thức, hồn thiện giai đoạn 4 và chuyển sang giai đoạn 5.
+ Giai đoạn 5: Vận dụng định luật vào thực tiễn. Sau khi giả thuyết đã đƣợc xác nhận trong một số TN, ta tiếp tục vận dụng định luật để thử giải thích các hiện tƣợng khác hoặc để suy ra hệ quả mới. Nếu định luật này càng giải thích đƣợc nhiều hiện tƣợng mới, càng dự đoán đƣợc nhiều hiện tƣợng mới phù hợp với thực tế thì định luật này càng có phạm vị áp dụng rộng hơn cho nhiều lĩnh vực, có thể trở thành cơ sở cho một thuyết tổng quát hơn và quá trình nhận thức tiếp tục phát triển sâu sắc hơn.