Thực trạng hoạt động dạy giải bài tập vật lí ở một số trƣờng Trung

1.6 .Hƣớng dẫn học sinh giải bài tập vật lí

1.9.Thực trạng hoạt động dạy giải bài tập vật lí ở một số trƣờng Trung

phổ thông hiện nay

1.9.1. Đối tượng và phương pháp điều tra

 Đối tƣợng.

Điều tra, khảo sát thực tế tại một số trƣờng Trung học phổ thông (THPT) trên địa bàn huyện Hoài Đức, Hà Nội : THPT Tân Lập, THPT Phạm Hồng Thái, THPT Đan Phƣợng để tìm hiểu về một số thơng tin.

- Tình hình dạy giải bài tập chƣơng hạt nhân nguyên tử. - Tình hình hoạt động giải bài tập chƣơng hạt nhân nguyên tử.

- Tìm hiểu những khó khăn và sai lầm mà học sinh thƣờng mắc phải khi giải bài tập chƣơng hạt nhân ngun tử, từ đó tìm hiểu những ngun nhân đẫn đến những sai lầm đó của học sinh.

 Phƣơng pháp điều tra

- Điều tra giáo viên: sử dụng phiếu điều tra (số lƣợng giáo viên đƣợc điều tra là 18) trao đổi trực tiếp, dự giờ giảng, xem giáo án.

- Điều tra học sinh: sử dụng phiếu điều tra (số lƣợng học sinh đƣợc điều tra là 99), quan sát hoạt động của học sinh trong giờ học, kiểm tra khảo sát, phân tích kết quả.

1.9.2. Kết quả điều tra

1.9.2.1. Tình hình dạy giải bài tập

Thông qua việc trao đổi cùng giáo viên giảng dạy bộ mơn Vật lí tại ba trƣờng THPT Tân Lập, THPT Đan Phƣợng, THPT Phạm Hồng Thái tại Thành phố Hà Nội và một số đồng nghiệp khác, sơ bộ chúng tôi rút ra đƣợc một số nhận định.

- Số tiết học dành cho việc chữa bài tập cịn ít mà yêu cầu rèn kĩ năng lại nhiều, chính vì thế giáo viên rất khó bố trí thực hiện cho đầy đủ.

- Trình độ học sinh khơng đồng đều vì thế bài chọn chữa rất khó phù hợp: bài khó thì học sinh yếu khơng hiểu nổi, bài dễ lại làm cho các em khá chán.

- Các bài tập trong chƣơng hạt nhân nguyên tử là dạng bài tập có nhiều kiến thức mới, liên quan đến các số liệu nhỏ, lẻ của hạt nhân nguyên tử..., đồng thời có nhiều bài tập tổng hợp, khó.

- Khó đƣa ra một hệ thống các bài tập vừa đảm bảo tính vừa sức đối với học sinh lại vừa đảm bảo yêu cầu mục tiêu của chƣơng trình.

- Mỗi một giáo viên thƣờng chọn riêng cho mình một phƣơng pháp giải và đƣa ra cho học sinh luyện tập, nên rất khó khăn trong công tác kiểm tra đánh giá chất lƣợng học tập trong mơn vật lí của học sinh trong cả khối.

1.9.2.2 Tình hình hoạt động giải bài tập của học sinh

+ Đa số học sinh nhớ máy móc, khơng hiểu bản chất hiện tƣợng vật lí đề cập trong bài tập nên rất khó khăn trong việc giải các bài tập chƣơng hạt nhân nguyên tử. + Trong các giờ bài tập rất nhiều học sinh thụ động, lƣời suy nghĩ, chỉ có một số ít học sinh tích cực tham gia hoạt động giải bài tập.

+ Học sinh rất ngại và sợ các bài tập phần này vì ngồi kiến thức mới, học sinh thƣờng phải cẩn thận trong từng con số hoặc phải vận dụng khá nhiều kiến thức đã học.

+ Học sinh chƣa có ý thức phân loại và xây dựng phƣơng pháp giải cho mỗi loại bài tập.

1.9.2.3. Những khó khăn, sai lầm của học sinh khi giải bài tập chương Hạt nhân nguyên tử

Những khó khăn chủ yếu của học sinh:

+ Kiến thức chƣơng Hạt nhân nguyên tử, vật lí 12 có phần lớn kiến thức mới thuộc thế giới vi mơ của vật chất, học sinh khó hình dung và tiếp nhận,đồng thời giáo viên khi giảng dạy lại khơng có thí nghiệm hay mơ hình để mơ tả.

+ Khó khăn trong việc sử dụng đúng các số liệu bài toán, do số liệu về khối lƣợng các hạt nhân nguyên tử là số lẻ, và có thể cần quy đổi đơn vị.

+ Hạn chế kiến thức tốn học, hóa học trong q trình học về định luật phóng xạ, phản ứng hạt nhân và cách sử dụng máy tính bỏ túi để tính tốn giá trị hàm số e mũ. + Phân biệt điều kiện phản ứng nhiệt hạch và phân hạch.

Những quan niệm sai lầm chủ yếu của học sinh.

+ Đồng nhất khối lƣợng nguyên tử và khối lƣợng hạt nhân.

+ Năng lƣợng liên kết của hạt nhân là năng lƣợng mà hạt nhân dự trữ đƣợc trong sự liên kết giữa các nuclon với nhau.( thực tế, năng lƣợng liên kết là năng lƣợng đƣợc ngƣời ta quy ƣớc )

+ Áp dụng định luật bảo toàn khối lƣợng trong phản ứng hạt nhân.

+ Sử dụng định luật bảo toàn năng lƣợng (ở đây thƣờng là tổng động năng của các hạt tham gia phản ứng) thay vì định luật bảo tồn năng lƣợng tồn phần.

1.9.2.4. Nguyên nhân của những khó khăn, sai lầm của học sinh khi giải bài tập chương hạt nhân nguyên tử và phương hướng khắc phục

 Nguyên nhân

- Giáo viên chƣa lựa chọn đƣợc hệ thống bài tập và phƣơng pháp hƣớng dẫn giải bài tập phù hợp với học sinh.

- Học sinh qn nhiều kiến thức tốn học, hóa học liên quan.

- Học sinh chƣa có phƣơng pháp giải bài tập chƣơng Hạt nhân nguyên tử phù hợp. - Kỹ năng vận dụng hóa học, tốn học vào vật lí cịn hạn chế.

- Học sinh đã quen với các khái niệm trong vật lí cổ điển (định luật bảo toàn khối lƣợng, bảo toàn năng lƣợng) nên khi đi vào vật lí hiện đại (các phản ứng hạt nhân, bảo toàn năng lƣợng toàn phần) học sinh khó thay đổi tƣ duy.

 Đề xuất phƣơng hƣớng khắc phục.

- Lựa chọn đƣợc hệ thống bài tập và phƣơng pháp giải bài tập phù hợp. - Thƣờng xuyên ôn tập kiến thức cho học sinh qua hoạt động giải bài tập.

- Rèn luyện cho học sinh một số kỹ năng vận dụng toán học vào hoạt động giải bài tập vật lí đồng thời nhắc lại các cơng thức hóa học (ví dụ, cách tính số mol, số nguyên tử, phân tử trong một mol) liên quan đến chƣơng này.

KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 Trong chƣơng này, chúng tơi trình bày một số cơ sở lý luận:

 Khái niệm bài tập vật lí, vai trị, tác dụng của bài tập vật lí trong q trình dạy học vật lí THPT

 Tìm hiểu các cách phân loại bài tập vật lí và các phƣơng pháp giải bài tập vật lí, đề xuất phƣơng pháp giải bài tập vật lí chƣơng Hạt nhân ngun tử vật lí 12 THPT nói chung.

 Tƣ duy trong giải bài tập vật lí

 Hƣớng dẫn hoạt động giải bài tập vật lí

 Phát huy tính tích cực, tự chủ và bồi dƣỡng năng lực sáng tạo cho học sinh trong dạy học vật lí.

Ngồi ra, chúng tơi cịn trình bày kết quả điều tra tình hình dạy giải bài tập vật lí ở một số trƣờng Trung học phổ thơng hiện nay. Những luận điểm lí luận và thực tiễn trình bày ở chƣơng này là cơ sở của việc soạn thảo hệ thống bài tập và hƣớng dẫn hoạt động giải bài tập chƣơng Hạt nhân nguyên tử lớp 12 THPT mà chúng tơi trình bày ở chƣơng sau.

Chƣơng 2: HỆ THỐNG BÀI TẬP VÀ HƢỚNG DẪN HOẠT ĐỘNG GIẢI BÀI TẬP CHƢƠNG HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ

2.1. Vị trí chƣơng Hạt nhân nguyên tử lớp 12 Trung học phổ thơng

Mơn vật lí có vai trị quan trọng trong việc thực hiện các mục tiêu của giáo dục phổ thơng. Việc giảng dạy mơn Vật lí nói chung, và chƣơng Hạt nhân nguyên tử lớp 12 Trung học phổ thơng nói riêng có nhiệm vụ cung cấp cho học sinh một hệ thống kiến thức vật lí cơ bản ở trình độ phổ thơng, bƣớc đầu hình thành cho học sinh những kĩ năng thói quen làm việc khoa học; góp phần tạo ra cho học sinh các năng lực nhận thức, năng lực hành động và các phẩm chất về nhân cách mà mục tiêu giáo dục đã đề ra; chuẩn bị cho học sinh tiếp tục tham gia lao động sản xuất, có thể thích ứng với sự phát triển của khoa học – kĩ thuật.

Chƣơng Hạt nhân nguyên tử trình bày một số vấn đề cơ bản của vật lí hạt nhân, các đặc trƣng của hạt nhân nguyên tử (cấu tạo, độ hụt khối, năng lƣợng liên kết), các phản ứng hạt nhân (sự phóng xạ, phản ứng phân hạch, phản ứng hiệt hạch), năng lƣợng hạt nhân, cùng các ứng dụng của phản ứng hạt nhân và đồng vị phóng xạ. Qua những kiến thức trong chƣơng, và thông qua việc giải bài tập của chƣơng, giúp việc rèn luyện cho học sinh tƣ duy lôgic và tƣ duy biện chứng, hình thành ở học sinh niềm tin về bản chất khoa học của các hiện tƣợng tự nhiên cũng nhƣ khả năng nhận thức con ngƣời, khả năng ứng dụng khoa học để đẩy mạnh sản xuất, cải thiện đời sống.

Kiến thức Vật lí trong chƣơng là mảng kiến thức mới, song có mối liên hệ mật thiết với các kiến thức đã học trƣớc đó. Trƣớc khi học chƣơng này, học sinh đã biết một số khái niệm nhƣ cấu tạo hạt nhân nguyên tử, khái niệm nguyên tử khối, phép tính số mol, số nguyên tử hoặc phân tử có trong một mol chất (đã đƣợc giới thiệu trong chƣơng trình hóa học lớp 10). Ngồi ra, cịn có những kiến thức trong phần Động lực học chất điểm: lực, phép phân tích và tổng hợp lực, định luật bảo toàn động lƣợng, định luật bảo toàn năng lƣợng.

2.2. Nội dung kiến thức chƣơng Hạt nhân nguyên tử lớp 12 THPT

2.2.1. Các kiến thức về cấu tạo hạt nhân nguyên tử

2.2.1.1 Cấu tạo hạt nhân nguyên tử

Theo mơ hình Rơ-đơ-pho: Hạt nhân tích điện dƣơng +Ze (Z là số thứ tự trong bảng tuần hồn). Kích thƣớc hạt nhân rất nhỏ, nhỏ hơn kích thƣớc nguyên tử 104  105

+ Hạt nhân của nguyên tố X đƣợc kí hiệu: A ZX

+ Hạt nhân đƣợc tạo thành bởi các nuclơn: Prơtơn (p), điện tích (+e) và nơtron (n), khơng mang điện.

- Số prôtôn trong hạt nhân bằng Z (nguyên tử số) - Tổng số nuclơn trong hạt nhân kí hiệu A (số khối). - Số nơtrôn trong hạt nhân là N : N = A – Z.

+ Kí hiệu này vẫn đƣợc dùng cho các hạt sơ cấp: 1 1p, 1

0n, 0 1e

 .

+ Đơn vị khối lƣợng hạt nhân : Đơn vị u, có giá trị bằng 1/12 khối lƣợng nguyên tử của đồng vị 12

6C.

1u = 1,66055.10-27kg

2.2.1.2.Đồng vị

Các hạt nhân đồng vị là những hạt nhân có cùng số prơtơn Z, khác nhau số khối A. Ví dụ: Hiđrơ có 3 đồng vị : Hiđrô thƣờng 1 1H (99,99%) ; Hiđrơ nặng 2 1H , cịn gọi là đơ tê ri 2 1D (0,015%) và Hiđrơ siêu nặng 3 1H , cịn gọi là triti 3

1T, không bền, thời gian sống khoảng 10 năm.

2.2.1.3. Lực hạt nhân

Lực tƣơng tác giữa các nuclơn gọi là lực hạt nhân (cịn gọi là tƣơng tác hạt nhân hay tƣơng tác mạnh).

 Lực hạt nhân là một loại lực mới truyền tƣơng tác giữa các nuclơn trong hạt nhân, cịn gọi là lực tương tác mạnh.

 Lực hạt nhân chỉ phát huy tác dụng trong phạm vi kích thƣớc hạt nhân (10- 15

m)

2.2.1.4. Độ hụt khối

Khối lƣợng của một hạt nhân luôn luôn nhỏ hơn tổng khối lƣợng của các nuclơn tạo thành hạt nhân đó. Độ chênh lệch khối lƣợng đó gọi là độ hụt khối của hạt nhân, kí hiệu m

m = Z.mp + (A – Z).mn – m( A ZX)

2.2.1.5. Năng lượng liên kết

Năng lƣợng liên kết của một hạt nhân đƣợc tính bằng tích của độ hụt khối của hạt nhân với thừa số c2

   (  )  (A ) 2 lk p n Z E Zm A Z m m X c Hay   2 lk E mc

2.2.1.6. Năng lượng liên kết riêng

Năng lƣợng liên kết riêng, kí hiệu Elk

A , là thƣơng số giữa năng lƣợng liên kết Elk và số nuclôn A.

 Năng lƣợng liên kết riêng đặc trƣng cho mức độ bền vững của hạt nhân.

2.2.2. Các kiến thức về phản ứng hạt nhân

Phản ứng hạt nhân là quá trình biến đổi của các hạt nhân. a. Phản ứng hạt nhân tự phát

Là quá trình tự phân rã của một hạt nhân không bền vững thành các hạt nhân khác.

b. Phản ứng hạt nhân kích thích

Q trình các hạt nhân tƣơng tác với nhau tạo ra các hạt nhân khác. - Đặc tính:

+ Biến đổi các hạt nhân. + Biến đổi các nguyên tố.

+ Khơng bảo tồn khối lƣợng nghỉ.

2.2.2.1. Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân.

a. Bảo tồn điện tích.

b. Bảo tồn số nuclơn (bảo tồn số A). c. Bảo toàn năng lƣợng toàn phần. d. Bảo toàn động lƣợng ví dụ: Xét phản ứng hạt nhân: 3 1 2 4 1 2 3 4 A A A A Z AZ B Z X ZY

- Bảo tồn điện tích: Z1 + Z2 = Z3 + Z4 (Các Z có thể âm)

- Bảo toàn số khối A: A1 + A2 = A3 + A4 (Các A luôn không âm)

- Bảo toàn năng lƣợng toàn phần.

( mA + mB )c2 + WA + WB = ( mC + mD )c2 +WC +WD - Bảo toàn động lƣợng:  pA pB pC  pD

Lưu ý: Khơng có định luật bảo tồn khối lƣợng nghỉ 2.2.2.2. Năng lượng của phản ứng hạt nhân.

Phản ứng hạt nhân có thể toả năng lƣợng hoặc thu năng lƣợng. Gọi mtrƣớc và msau lần lƣợt là tổng khối lƣợng trƣớc và sau phản ứng, thì:

W = (mtrƣớc - msau)c2 + Nếu W > 0 phản ứng toả năng lƣợng.

+ Nếu W < 0  phản ứng thu năng lƣợng.

 Năng lượng phân hạch

- Phản ứng phân hạch: Là sự vỡ của một hạt nhân nặng thành 2 hạt nhân trung bình

(kèm theo một vài nơtrôn phát ra). - Phản ứng phân hạch toả năng lƣợng.

Phản ứng phân hạch 235

92U là phản ứng phân hạch toả năng lƣợng, năng lƣợng đó gọi là năng lƣợng phân hạch.

Ví dụ: 1 235 236 95 138  1 0n 92U 92U* 39Y 53I 30n      1 235 236 139 95 1 0n 92U 92U* 54Xe 38Sr 20n Mỗi phân hạch 235

92U tỏa năng lƣợng 212MeV. - Phản ứng phân hạch dây chuyền

- Giả sử sau mỗi phân hạch có k nơtrơn đƣợc giải phóng đến kích thích các hạt nhân 235

92U tạo nên những phân hạch mới.

Sau n lần phân hạch, số nơtrôn giải phóng là kn

và kích thích kn phân hạch mới. + Khi k < 1: phản ứng phân hạch dây chuyền tắt nhanh.

+ Khi k = 1: phản ứng phân hạch dây chuyền tự duy trì, năng lƣợng phát ra không đổi. + Khi k > 1: phản ứng phân hạch dây chuyền tự duy trì, năng lƣợng phát ra tăng nhanh, có thể gây bùng nổ.

- Phản ứng phân hạch có điều khiển

Đƣợc thực hiện trong các lò phản ứng hạt nhân, tƣơng ứng trƣờng hợp k = 1. Năng lƣợng toả ra không đổi theo thời gian.

 Năng lượng nhiệt hạch.

- Phản ứng nhiệt hạch : Là quá trình trong đó hai hay nhiều hạt nhân nhẹ hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn.

Ví dụ: 2 3 4 1

1H1H2He0n

- Năng lƣợng toả ra bởi các phản ứng nhiệt hạch đƣợc gọi là năng lƣợng nhiệt hạch.

Thực tế chỉ quan tâm đến phản ứng tổng hợp nên Hêli

1 3 4 1H1H 2He 2 2 4 1H1H2He 2 3 4 1 1H1H 2He0n 2.2.3. Các kiến thức về phóng xạ

2.2.3.1. Định nghĩa và đặc điểm của hiện tượng phóng xạ

Phóng xạ là quá trình phân hủy tự phát của một hạt nhân không bền vững (tự nhiên hay nhân tạo), phát ra các tia phóng xạ và biến thành hạt nhân khác.

Quá trình phân hủy này kéo theo sự tạo ra các hạt và có thể kèm theo sự phát ra các bức xạ điện từ. Hạt nhân tự phân hủy gọi là hạt nhân mẹ, hạt nhân đƣợc tạo thành sau phân hủy gọi là hạt nhân con.

Có 3 loại tia phóng xạ: phóng xạ anpha α , phóng xạ bêta β (bao gồm β-

và β+ ), phóng xạ gamma γ.

Bản chất các loại tia phóng xạ: - Tia α: là các hạt nhân nguyên tử Heli 4

2He, đƣợc phóng ra từ hạt nhân với tốc độ cỡ 2.107 m/s2. - Tia β- : dòng các êlectron ( 0 1e  )

Tia β+ : dịng các pơzitron ( 0

1e

 ), là phản hạt của electron.

Tia β đƣợc phóng ra từ hạt nhân với vận tốc xấp xỉ vận tốc ánh sáng.

- Tia γ: là một sóng điện từ có bƣớc sóng ngắn, thƣờng đi kèm theo phóng xạ α và β. Đặc tính của q trình phóng xạ:

- Có bản chất là một q trình biến đổi hạt nhân. - Có tính tự phát và khơng điều khiển đƣợc.

2.2.3.2. Định luật phóng xạ.

Trong q trình phân ra, số hạt nhân phóng xạ giảm theo thời gian theo quy luật hàm số mũ.

 

 0 t

N N e

Trong đó, N0 là số hạt nhân tại thời điểm t=0 ban đầu. N số hạt nhân còn lại sau thời gian t >0