(SKKN 2022) phát triển tư duy loogic của học sinh bằng phương pháp so sánh trường hấp dẫn và trường tĩnh điện để giảng dạy khái niệm điện thế

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁTRƯỜNG THPT HÀM RỒNG    ---SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM ---***---PHÁT TRIỂN TƯ DUY LÔGIC CỦA HỌC SINH BẰNG PHƯƠNG PHÁP SO SÁNH TRƯỜNG HẤP DẪN VÀ TRƯỜNG TĨ

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ

TRƯỜNG THPT HÀM RỒNG

  

-SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

-*** -PHÁT TRIỂN TƯ DUY LÔGIC CỦA HỌC SINH BẰNG PHƯƠNG PHÁP SO SÁNH TRƯỜNG HẤP DẪN VÀ TRƯỜNG TĨNH ĐIỆN ĐỂ GIẢNG DẠY KHÁI NIỆM ĐIỆN THẾ

Người thực hiện: Nguyễn Quyết Tiến Chức vụ: Giáo viên

SKKN thuộc lĩnh vực môn: Vật Lí

THANH HÓA, NĂM 2022

MỤC LỤC 1

Danh mục các đề tài đã được hội đồng khoa học đánh giá 16

1 Mở đầu

1.1 Lí do chọn đề tài

Thực tế cho thấy việc dạy và học của thầy và trò phải được kết hợp một cách đồng bộ Sự “đồng bộ” ở đây chỉ xin được nói tới một khía cạnh nhỏ, đó là cách thức dạy và học Thầy cô giáo phải có những phương pháp, cách thức hợp

lý, đơn giản và hệ thống để giải quyết những vấn đề cơ bản của chương trình từ

đó người học dưới sự định hướng của thầy Trên cơ sở và tinh thần như vậy, đứng trước vấn đề, thì việc liên hệ các kiến thức vật lí là việc cần thiết, góp phần phục vụ cho việc dạy và học của giáo viên và học sinh đối với phần vật lý phổ thông được tốt hơn, hệ thống hơn Trong các môn khoa học, Vật lý được coi là môn khoa học của thực tế giúp chúng ta nhiều trong việc rèn luyện các phương pháp suy nghĩ, phương pháp suy luận, phương pháp so sánh, phương pháp học tập, phương pháp giải quyết các vấn đề, giúp chúng ta rèn luyện trí thông minh

và sáng tạo Khi giảng dạy và học tập khái niệm điện trường là một vấn đề khó

nhưng khái niệm “điện thế” vật lý 11 lại càng khó hơn, bởi vì khi đưa ra một vấn

đề vật lí mang tính trừu tượng không những người dạy gặp khó khăn về việc xây dựng vấn đề , mà học sinh khi tiếp nhận kiến thức vừa nêu trên lại mơ màng, dẫn đến tiếp nhận một cách thụ động Tôi quyết định đưa ra sáng kiến nhỏ trong quá trình giảng dạy: “Phát triển tư duy lôgíc của học sinh bằng phương pháp

so sánh trường hấp dẫn và trường tĩnh điện để giảng dạy khái niêm điện thế”.

Với phương pháp này nhằm mục tiêu giúp cho người dạy đưa ra đơn vị kiến thức một cách đơn giản và mang tính lôgic, đặc biệt là làm cho học sinh tiếp thu

dễ dàng, nhớ lai kiến thức đã học vận dụng vào để xây dựng đơn vị kiến thức mới, vấn đề này rất phù hợp với sự phát huy tính tích cực của học sinh và có thể học sinh tự xây dựng đơn vị được kiến thức mới, qua đó tạo niềm tin cho bản thân để có thể phát huy tính tự học, tự nghiên cứu tạo tiền đề cho việc học và nghiên cứu khoa học sau này

1.2 Mục đích đề tài

Để thực hiện tốt chương trình sách giáo khoa mới môn vật lí và dạy - học theo phương pháp đổi mới đạt hiệu quả cao thì đòi hỏi giáo viên phải nghiên

cứu, tìm tòi để đưa ra được những phương pháp giảng dạy học có hiệu quả nhằm hướng dẫn học sinh phát triển tư duy lôgíc để lĩnh hội kiến thức nhằm đáp ứng yêu cầu xu thế của giáo dục và xã hội ngày nay

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu : Giảng dạy khái niệm điện thế bằng phương pháp so

sánh giữa trường hấp dẫn và trường tĩnh điện

- Phạm vi nghiên cứu: Học sinh lớp 11B5;11B8;11B10 và 11B12 trường THPT

Hàm Rồng

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Trong quá trình nghiên cứu tôi đã sử dụng một số phương pháp sau

- Phương pháp so sánh

- Phương pháp điều tra giáo dục

- Phương pháp quan sát sư phạm

- Phương pháp thông kê, tổng hợp

- Phương pháp vật lí

2 NỘI DUNG

2.1 Cơ sở lý luận

Trong cuộc sống hằng ngày, mỗi chúng ta ai cũng có sự so sánh, phán đoán Suy luận trên cơ sở các ý niệm, khái niệm về hiện tượng, sự vật xung quanh Đó chính là tư duy lôgic Tư duy lôgic là suy nghĩ, nhận xét, đánh giá một cách chính xác, lập luận có căn cứ về một vấn đề Như vậy tính lôgic là bắt buộc đối với mọi khoa học cũng như đối với cuộc sống hằng ngày Vật lý là môn khoa học gắn liền với cuộc sống mà lý thuyết được phát triển dựa trên cơ

sở tuân thủ nghiêm ngặt các quy luật của tư duy

Vì vậy một trong những nhiệm vụ quan trọng bậc nhất của việc giảng dạy

vật lý ở trường phổ thông đó là “Dạy suy nghĩ” phải có suy nghĩ phù hợp, hệ

thống và lôgic thì mọi hoạt động mới mang lại hiệu quả như mong muốn vì vậy rèn luyện khả năng tư duy lôgic cho học sinh trong quá trình dạy vật lý là vấn đề rất đáng được nghiên cứu và đầu tư Quá trình dạy học bao gồm nhiều thành phần khác nhau, có mối tác động qua lại lẫn nhau

- Dạy học tương tác tạo điều kiện và hỗ trợ mạnh mẽ các hoạt động tương tác đa dạng định hướng vào người học, coi trọng vốn kiến thức, kinh nghiệm của người học, đặt họ vào vị trí trung tâm của quá trình dạy học

- Nội dung học tập gắn với tình huống thực tiễn, mang tính phức hợp, phù hợp với hứng thú người học

- Các nhiệm vụ học tập hỗ trợ phát triển năng lực vận dụng tri thức vào thực tiễn, giải quyết các vấn đề phức hợp, sáng tạo

- Phương tiện dạy học hỗ trợ quá trình tự tìm tòi tri thức của người học, tạo điều kiện cho sự tương tác

- Phương pháp dạy học phát huy tính tích cực và tự lực, tự điều khiển của người học

2.2 Thực trạng của việc tổng hợp kiến thức chương vật lí 11 ở trường THPT

Qua thực tế khi dạy kiến thức mới đa phần là các giáo viên dùng phương pháp nêu vấn đề và nêu và giải quyết vấn đề dẫn đến các em không hứng thú học tập, khó ghi nhớ và chưa phù hợp với mục tiêu giáo dục hiện nay, do đó dẫn đến hiệu quả học tập của các em là không cao

Khi dạy khái niệm “điện thế” người dạy rất khó truyền thụ vấn đề mang

tính trừu tượng này, khi đó làm cho học sinh hiểu rất lan man và không thuyết

phục dẫn đến sự hoài nghi về khái niệm điện thế.

Trong quá trình giảng dạy đơn vị kiến thức mới, giáo viên thường sử dụng phương pháp chia nhóm để học sinh thảo luận, vấn đáp và tìm ra kết luận cho các đơn vị kiến thức mới khi đó giáo viên thường kết luận và không giải thích gì

thêm Từ những thực trạng trên tôi quyết định đưa ra đề tài “Phát triển tư duy

lôgíc của học sinh bằng phương pháp so sánh trường hấp dẫn và trường tĩnh điện để giảng dạy khái niêm điện thế”.

Trước khi đưa vào vận dụng thì tôi đã vận dụng vào năm học 2019-2020

và 2020-2021 thì thấy có hiệu quả vì vậy để kiểm chứng, năm học 2021-2022 tôi tiến hành khảo sát ở bốn lớp khối 11 tại trường THPT Hàm Rồng theo bảng sau:

Bảng số liệu khảo sát trước khi vận dụng

Lớp Số

lượng

Dự định:

- Đối với lớp 11B10 và 11B12 tôi dạy theo phương pháp truyền thống

- Đối với lớp 11B5 và 11B8 tôi vận dụng: Giảng dạy khái niệm điện thế bằng phương pháp liên hệ giữa trường hấp dẫn và trường tĩnh điện”

2.3 Giải pháp thực hiện

Để xây dựng được khái niệm điện thế trong chương trình vật lý 11 người dạy cần hình thành thế giới quan khoa học và các khái niệm về công cơ học từ

đó xây dựng kiến thức công của lực, nhằm chỉ ra tính chất “ thế ” của trường hấp dẫn; dẫn đến khái niệm thế năng tương tác tĩnh điện và cuối cùng đưa ra khái niệm về “Điện thế ”.

Chương trình vật lí THPT phần cơ học được trình bày trước phần điện học, chính vì vậy, có thể dùng các mô hình cơ học để mô tả hiện tượng đồng thời đi sâu vào phân tích, nghiên cứu bản chất vấn đề

2.3.1.Mối liên hệ giữa trường tĩnh điện và trường hấp dẫn

Lực hấp dẫn:

0 2

.

hd

m m

r



Lực tĩnh điện:



o 2

q q

F = k

r

Cường độ trường hấp dẫn:

2

m

g G r



Cường độ điện trường:

 2

q

E = k

r

Tính cộng của lực:







n

F F

1

Tính cộng của lực:







n

F F

1

Nguyên lý chồng chất của cường độ

trường hấp dẫn:







n i i g g

1

Nguyên lý chồng chất của cường độ

điện trường:







n i i E E

1

- Thế năng hấp dẫn

- Cơ thế tại một điểm trong

trường hấp dẫn

- Thế năng tương tác tĩnh điện

- Điện thế tại một điểm trong điện trường

Hình 1 Sơ đồ liên hệ.

2.3.2 Biện pháp tổ chức thực hiện

a.Thực hiện tiến trình xây dựng kiến thức theo sơ đồ sau:

Tương tác hấp dẫn

Chất điểm m

Lực hấp dẫn:

Công làm dịch chuyển chất

điểm trong trường lực thế:

A1,2 =Wt1 – Wt2

Trường lực của Trái Đất là

trường lực thế

Thế năng của chất điểm m1,

m2, m3 ở vị trí tương ứng

là: Wt1; Wt2 ,Wt3

Tỉ số : ( i = 1, 2 , )

Tỉ số: ở mỗi điểm nhất định

trong trường lực là đại lượng

đặc trưng về khả năng tương

tác của trường tại điểm đó

Tương tác tĩnh điện

Điện tích điểm q

Lực tĩnh điện:

Công của trường tĩnh điện của điện tích q làm dịch chuyển điện tích q0:

Trường tĩnh điện là trường lực thế

Thế năng tĩnh điện của điện tích thử

q1, q2, q3 , tương ứng là: Wt1,

Wt2 ,Wt3

Tỉ số : ( i = 1 , 2, 3, )

Tỉ số: ở mỗi điểm nhất định trong trường tĩnh điện là đại lượng đặc trưng về khả năng dự trữ năng lượng

Khái niệm điện thế tại một điểm xác định :

Từ sơ đồ (Hình1) ta thấy rằng cả hai đều là định luật nghịch đảo bình

phương khoảng cách, tính cộng và tuân theo nguyên lý chồng chất, đều giống nhau về mặt toán học

Hình 2 Sơ đồ liên hệ giữa lực hấp dẫn và lực tỉnh điện.

Từ (Hình 2) cho thấy lực hấp dẫn và lực tĩnh điện đều là nghịch đảo bình

phương khoảng cách

Như vậy, cái mà ta suy ra về trường hấp dẫn bằng cách phân tích định luật đều có thể chuyển sang trường tĩnh điện với sự logic hoàn toàn chấp nhận

về tính chất, và việc cần làm chỉ việc thay đổi kí hiệu đồng thời chuyển sang xây dựng khái niệm

b Nhắc lại cho học sinh nhớ về trường lực thế

Trường lực thế là trường lực mà công làm dịch chuyển trong trường không phụ thuộc vào hình dạng đường đi mà chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối của quá trình dịch chuyển

Công làm dịch chuyển vật trong trường lực thế chính là độ giảm thế năng trong quá trình đó

A 1,2 = Wt 1 – Wt 2

Khi chỉ ra một trường lực thế quen thuộc, đó là trường lực của Trái Đất, đồng thời liên hệ với trường tĩnh điện

Hình 3 Sơ đồ liên hệ giữa trường lực thế và trường tĩnh điện.

Công làm dịch chuyển chất

điểm trong trường lực thế:

A 1,2 = W t 1 – W t 2

Công của trường tĩnh điện do điện tích q làm dịch chuyển điện tích thử

q0:

Mô hình tương tác giữa hai đơn vị kiến thức

- Từ hình 4: Cho thấy vật m rơi tự do dưới tác dụng của trọng lực từ độ

cao h1 xuống độ cao h2: khi vật rơi từ vị trí (1) xuống vị trí (2) khi đó trọng lực thực hiện một công:

A = mgh 1 – mgh 2 = Wt 1 – Wt 2

- Từ (hình 5): Cho thấy sự tương đương trong trường tĩnh điện, một điện

tích thử qO trong điện trường Vậy điện trường đã thực hiện một công lên điện tích thử dưới tác dụng của lực điện trường, làm điện tích đó dịch chuyển từ vị trí (1) đến vị trí (2) trong điện trường qo, công này gọi là công của lực tĩnh điện

2.3.3 Xây dựng biểu thức công của lực tĩnh điện do điện tích q sinh ra và

đã thực hiện công, làm điện tích q o dịch chuyển

Trong quá trình dịch chuyển từ vị trí (1) đến vị trí (2)

Từ (Hình 5): ta có: 1,2 02 02

A

Từ biểu thức này ta thấy công của lực tĩnh điện, trong quá trình dịch chuyển điện tích không phụ thuộc hình dạng đường đi mà chỉ phụ thuộc vào vị trí điểm đầu và vị trí điểm cuối trong quá trình dịch chuyển nó trong điện trường Kết hợp với lực thế ta đi đến kết luận sau:

h 1

Hình 4 Vật m trong trường trọng lực

h 2

p

(1)

(2)

q

Hình 5 Điện tích điểm trong trừơng tĩnh điện

q 0

q 0

r 2

r 1

Trường tĩnh điện tồn tại xung quanh điện tích là trường lực thế Tương

tự như trường trọng lực của của Trái Đất Khi đó rút ra khái niệm công của lực tĩnh điện và kết luận Trường tĩnh điện là Trường lực thế

* Khi học sinh đã nắm được trường tĩnh điện là trường lực thế có nghĩa là công

của điện trường làm dịch chuyển điện tích từ vị trí (1) đến vị trí (2) bằng độ giảm thế năng tương tác của điện tích trong quá trình dich chuyển đó

A 1,2 = Wt 1 – Wt 2 (*)

Wt 1 : thế năng tương tác tĩnh điện của điện tích q o ở vị trí (1).

Wt 2 : thế năng tương tác tĩnh điện của điện tích q o ở vị trí (2).

Từ đó học sinh thấy sự tương tự như lực hấp dẫn cũng là một lực bảo toàn Bây giờ ta chuyển từ định nghĩa giữa hiệu thế năng tĩnh điện của một điện tích thử qo ở hai điểm sang định nghĩa thế năng điện do điện tích thử ở một điểm duy nhất Để làm như vậy, ta thực hiện hai điểm tùy ý và độc lập với nhau:

Ta lấy một điểm ban đầu i là điểm chuẩn có giá trị đã biết là M ta gán một giá trị tùy ý cho thế năng của điện tích thử q o ở điểm đó Đặc biệt ta chọn điểm i

nằm ở rất xa (ở vô cực) tất cả các điện tích mà ta gán gía trị, không cho thế năng của một điện tích thử nào đó ở điểm ấy Khi đó thế năng tương tác tĩnh điện

bằng công làm dịch chuyển điện tích q 0 từ vị trí vô cực (r1 = ) trở về vị trí mà

ta đang xét trong điện trường:

Từ (*) ta có: 2 Wt2 0 Wt

M

q k A

r



Ta có thể nói: thế năng W t của một điện tích thử q 0 ở một điểm nào đó bằng

trừ công AM thực hiện trên một điện tích làm nó dịch chuyển từ vô cực đến điểm M đang xét Bằng phép so sánh, học sinh có thể hình dung được sự biến đổi của một đại lượng có tính trừu tượng như thế năng tương tác tĩnh so với thế năng của trường trọng lực Trái Đất tác dụng lên vật

Sau khi xây dựng hoàn chỉnh thế năng tương tác tĩnh điện của điện tích đặt trong điện trường, trở về biểu diễn trường trọng lực của Trái Đất

10

Thế năng của chất điểm m1, m2, m3 ở vị

trí tương ứng là: W t1, W t2 ,W t3

Tỉ số : ( i = 1, 2 , 3, )

Thế năng tĩnh điện của điện tích thử

q1, q2, q3, tương ứng là: W t1,

W t W t

Hình 6 Sơ đồ liên hệ.

Mô hình tương tác

mi

qi

P

Giả sử xét một vị trí N cố định nằm cách mặt Đất một khoảng h

(Hình 7), ta lần lượt đặt các chất điểm có khối lượng tương ứng là: m1, m2, m3

mn khi đó thế năng tương ứng của các chất điểm này ở vị trí đó là: Wt1, Wt2, Wt3 .Wtn

Xét tỉ số:

i

i m

Wt

(i = 1,2, 3, n )

Tỉ số trên có giá trị nào? và nó có phụ thuộc vào mi hay không? (trong đó n là số vật đặt thử, mi là vật thứ i)

Kêt luận: Đại lượng này chỉ phụ thuộc vào khối lượng của Trái Đất, vị trí điểm

N so với tâm Trái Đất hoàn toàn không phụ thuộc vào khối lượng của các vật mi đặt ở điểm N Từ đó ta rút ra một công thức giả kiến:

W ti = k o m i

(K o : là hệ số đặc trưng về mặt năng lượng của trường trọng lực tại M)

Nói cách khác, tỉ số giữa thế năng và khối lượng của mỗi giá trị ở mỗi điểm nhất định trong trường lực là đại lượng đặc trưng về khả năng tương tác trường tại điểm đó

Hình 7 Trường hấp dẫn

Hình 8 Trường tĩnh điện

r

r

q 0

E

F

Wti

Tương tự biểu diễn một vị trí điểm M trong điện trường của điện tích điểm

q (Hình 8)

Giả sử gửi đến điểm M các điện tích thử q1, q2, q3 .qn khi đó thế năng tương tác tĩnh điện tương ứng của chúng lần lượt là: Wt1,Wt2,Wt3 Wtn Tiếp tục nêu lên vấn đề tỉ số : q i ti

W

( i = 1, 2, 3, n ) Khi đó học sinh thấy rằng tỉ số này cũng không phụ thuộc vào độ lớn của

điện tích thử q i mà chỉ phụ thuộc vào vị trí điểm M và nguồn gốc sinh ra điện

trường này, đó là điện tích q

Thật vậy, tương tự như xét ở trường trọng lực, tỉ số này là đại lượng vật lí đặc trưng về mặt năng lượng của điện trường (dự trữ năng lượng hay phân bố

năng lượng trong điện trường) Giá trị này gọi là “điện thế” ở một điểm xác

định

Tức là thế năng trên một đơn vị điện tích ở một điểm trong điện trường gọi là

điện thế V M ở điểm đó: M M

o

A V

q



 (1)

V M : là điện thế tại điểm M:

Định nghĩa: Điện thế tại một điểm M trong điện trường là đại lượng đặc trưng riêng cho điện trường về phương diện tạo ra thế năng khi đặt tại đó một điện tích q Nó được xác định bằng thương số của công của lực điện tác dụng lên q khi q di chuyển từ M ra vô cực và độ lớn của q 0 và được xác định bởi biểu thức Nhận xét: Điện thế ở vô cực bằng không và sau này khi xây dựng khái niệm về

hiệu điện thế thì làm cho học sinh nắm bắt một cách nhanh tróng và nhẹ nhàng

hơn rất nhiều

2.4.Hiệu quả

2.4.1 Kết quả từ thực tiễn

Như vậy, bằng phép liên hệ và so sánh, giúp học sinh có thể tiếp thu khái

niệm điện thế một cách nhẹ nhàng và hiểu rõ ý nghĩa vật lí của đại lượng này.

2.4.2 Kết quả thực nghiệm

Thông qua tiến hành nghiên cứu và thực hiện trên bốn lớp với đề tài trên tôi đã thu được kết quả theo bảng số liệu sau: