Sử dụng phương pháp vật lý thống kê nhằm nâng cao hiệu quả dạy học nội dung nhiệt học trong chương trình vật lý phổ thông hiện hành cho học sinh khối chuyên vật lý

LỦădoăl aăch năđ ătƠi... Kháchăth vƠăph măvi nghiênăc u... Ch ng 1 trình bày gi thuy t và ph ng pháp chúng minh gi thuy t.. Nguy nă Quangă Báu,ă Bùiă B ngă oan,ă Nguy nă V nă Hùng.. Ch đ

I H C QU C GIA HÀ N I

KHOAăS ăPH M

NH MăNÂNGăCAOăHI UăQU ăD YăH CăN IăDUNGăNHI TăH Că

CHOăH CăSINHăKH IăCHUYÊN V TăLÝ

LU NăV NăTH CăS S ăPH MăV TăLụă

HÀăN Iă- 2008

I H C QU C GIA HÀ N I

KHOAăS ăPH M

NH MăNÂNGăCAOăHI UăQU ăD YăH CăN IăDUNGăNHI TăH Că

CHOăH CăSINHăKH IăCHUYểNăV TăLụ

LU NăV NăTH CăS ăS ăPH MăV TăLụă

(B ăMỌNăV TăLụ) Mƣăs :ă60ă14ă10

H căviên:ăNguy năTr ngăGiang

Cao h c ngành S ph m V t lý Khóa 1

Cánăb ăh ngăd n:ăGS.TSăNguy năQuangăBáu

HÀăN Iă- 2008

L IăC Mă N

hoàn thành đ c lu n v n Th c s này ngoài s n l c c a b n thân tôi còn đ c

s h ng d n giúp đ tr c ti p c a GS.TS Nguy n Quang Báu v ph ng pháp và n i dung

ki n th c trình bày Qua đó tôi xin bày t lòng bi t n chân thành và sâu s c đ n th y GS.TS Nguy n Quang Báu, nh ng gi h ng d n, nh ng gi h c lý thú mà sâu s c và r t uyên thâm

mà th y truy n đ t đã gieo vào lòng tôi ni m h ng say, s yêu thích môn v t lý

C ng cho phép tôi bày t lòng bi t n chân thành và sâu s c c a mình t i t p th các

th y cô giáo, các cán b c a Khoa S ph m, i h c Qu c gia Hà N i đã cung c p cho tôi

nh ng ki n th c b ích v lý lu n và ph ng pháp gi ng d y, t o đi u ki n r t nhi u cho tôi hoàn thành lu n v n này

Dù đã có r t nhi u c g ng nh ng ch c ch n lu n v n này còn có nh ng khi m khuy t

nh ng tôi tin r ng nó s r t h u ích trong vi c xây d ng n i dung và ph ng pháp gi ng d y

h c v n v t lý b c trung h c ph thông cho h c sinh kh i chuyên v t lý Tôi s r t vui m ng đón nh n nh ng ý ki n góp ý c a th y cô và các b n đ ng nghi p nh m b sung hoàn thi n

n i dung v nh ng v n đ tôi đã trình bày qua đó đ lu n v n th c s nâng cao hi u qu gi ng

d y v t lý cho h c sinh kh i chuyên lý

Xin chân thành c m n

Hà N i, tháng 6 n m 2008

Tác gi

Nguy năTr ngăGiang

M ă U

1 LỦădoăl aăch năđ ătƠi

Khi nghiên c u v t lý nhi t h c b c trung h c ph thông có kh n ng

l n lao đ hình thành h c sinh nh ng quan ni m v nh ng ph ng pháp nghiên c u đ c s d ng trong l nh v c khoa h c này, đ phát tri n th gi i quan khoa h c c a h c sinh Vi c nghiên c u trong giáo trình v t lý các hi n

t ng nhi t theo quan đi m vi mô cho phép gi i thi u v i h c sinh các quy lu t

th ng kê và nh ng đ c đi m c a chúng so v i các quy lu t đ ng l c h c, đi u này chu n b cho vi c nghiên c u các đ nh lu t c a t nhiên m c đ cao h n,

m i v ch t Khi đó h c sinh s làm quen v i v n đ là trong khoa h c có nhi u

ph ng pháp khác nhau đ cùng nghiên c u m t hi n t ng

V đ c đi m n i dung thì khi gi i thích các hi n t ng nhi t, luôn có s

t ng đ ng v m t nguyên t c c a ph ng pháp nhi t đ ng l c h c và ph ng pháp đ ng h c phân t (th ng kê) M i ph ng pháp (tùy thu c vào m c đích s

d ng và nghiên c u) đ u có nh ng u vi t và nh ng thi u xót c a mình, không

th đánh giá quá cao giá tr c a ph ng pháp nào trong chúng so v i ph ng pháp kia Ph ng pháp nhi t đ ng l c h c đ c s d ng khi nghiên c u các tính

ch t t ng quát c a các hi n t ng nhi t và d a vào các đ nh lu t th c nghi m

n n t ng (các nguyên lý nhi t đ ng l c h c), có xét đ n nh ng s ki n th c nghi m khác

Trong các sách giáo trình v t lý đ i h c, thuy t nhi t đ ng l c h c và thuy t đ ng h c phân t v các hi n t ng nhi t đ c trình bày tách bi t nhau

i u này là s c n thi t nghiên c u m t cách có h th ng và c n b n các thuy t

v t lý trong tr ng đ i h c Trong vi c gi ng d y v t lý tr ng ph thông, đ i

v i các qu c gia nh c, Liên Xô,…l a ch n theo m t con đ ng khác: Các

y u t nhi t đ ng l c h c và v t lý th ng kê đ c nghiên c u đ ng th i, các

hi n t ng nhi t đ c đ a ra cùng lúc theo quan đi m nhi t đ ng l c h c và

đ ng h c phân t S d nh v y là vì tr ng trung h c ph thông h c sinh ch

tìm hi u t t ng c a các ph ng pháp này và nh ng minh h a c a vi c áp d ng chúng trong các tr ng h p đã đ c ch ng trình quy đ nh Tuy nhiên, trong

ch ng trình v t lý trung h c ph thông Vi t Nam:

- Ch gi i thi u s l c c s c a thuy t đ ng h c phân t và thuy t nhi t

đ ng l c h c nh ng không làm rõ đ c tính đ ng th i c a 2 thuy t trong vi c

gi i thích các hi n t ng nhi t

- Trong ph n v t lý nhi t h c, h c sinh v n ti p t c tìm hi u các quy lu t

đ ng l c h c nh ng không đ c hình thành mình nh ng quan ni m v quy

lu t th ng kê Ta bi t r ng khi h c ph n c h c, h c sinh đã đ c làm quen v i

nh ng quá trình thu n ngh ch ch t n t i trong các đi u ki n lý t ng, còn trong

v t lý phân t h c sinh kh o sát c nh ng quá trình không thu n ngh ch (s chuy n hóa c n ng thành n i n ng khi có ma sát,…) Chính đi u này đã làm cho h c sinh không có đ c quan ni m v chuy n đ ng nhi t so v i chuy n

đ ng c h c nh là m t d ng chuy n đ ng m i c a v t ch t, h c sinh không th

có s phân bi t nh ng d ng chuy n đ ng này c a v t ch t khác nhau ch chuy n đ ng c h c di n ra m t cách có tr t t , còn chuy n đ ng nhi t thì x y ra

m t cách h n lo n

Thuy t đ ng h c phân t ch t khí, do s d ng các quan ni m c a v t lý

th ng kê nên đã ph i h p đ c tính thu n ngh ch c a chuy n đ ng c h c c a

m i phân t v i tính không thu n ngh ch c a các hi n t ng nhi t xét toàn b ,

đã ch ra đ c tính không th quy d ng chuy n đ ng nhi t c a v t ch t v d ng chuy n đ ng c h c Chính nh các quan ni m c a v t lý th ng kê v ch t khí,

do phát hi n đ c c ch không thu n ngh ch c a nh ng quá trình v t lý trong các h phân t mà đã gi i thích đ c hi n t ng khuy ch tán và do phát hi n

đ c c ch h n lo n c a chuy n đ ng nhi t nên đã gi i thích đ c s xu t hi n

th ng giáng mà rõ nét nh t chính là chuy n đ ng Brown

V i nh ng ý ngh a to l n c a v t lý th ng kê ta hoàn toàn có th dùng nó

đ gi i thích t ng t n các hi n t ng nhi t, đi u đó s giúp cho h c sinh hình

thành và phát tri n t duy v t lý, hình thành các con đ ng khác nhau đ gi i thích các k t qu v t lý

2 L chăs ănghiênăc u

Các hi n t ng nhi t trong ch ng trình v t lý ph thông đ c kh o sát

và gi i thích d a trên các k t qu c a thuy t đ ng h c phân t , các c s c a nhi t đ ng l c h c m t cách đ n gi n m c đ c s , không gi i thích và ch rõ

nh ng k t qu c th c a các v n đ nhi t h c ó là s áp d ng đ gi i thích chuy n đ ng Brown, các ph ng trình tr ng thái khí lý t ng, các nguyên lý c a nhi t đ ng l c h c,…V i vi c áp d ng các k t qu c a v t lý th ng kê ta s ch

rõ đ c nh ng k t qu c th c a các hi n t ng nhi t nh chuy n đ ng Brown, các ph ng trình tr ng thái khí lý t ng, …

3 M cătiêuănghiênăc u

C t lõi c a vi c dùng v t lý th ng kê đ gi i thích các hi n t ng nhi t chính là vi c hình thành nh ng quan ni m th ng kê, nh ng đ i l ng đ c tr ng

c a th ng kê và áp d ng vào các quá trình nhi t Tuy nhiên đ hình thành nh ng quan ni m th ng kê c n ph i liên h ch t ch v i nh ng v n đ c b n c a n i dung v t lý trung h c ph thông, ch ng h n cùng v i vi c rút ra công th c áp

su t ch t khí, hay kh o sát s chuy n đ ng h n lo n c a các phân t khí,…

4 Kháchăth vƠăph măvi nghiênăc u

i t ng chúng ta kh o sát đây chính là nh ng đ i l ng c b n đ c

tr ng c a v t lý th ng kê

V i vi c kh o sát nh v y, chúng ta s xem xét:

- Các đ i l ng c b n c a v t lý th ng kê

- Các hi n t ng nhi t xem xét trên quan đi m th ng kê đ thu đ c các

k t qu đã bi t

5 V năđ ănghiênăc u

Có 2 v n đ c n nghiên c u đó là:

- Các lu n đ , các đ i l ng đ c tr ng c b n c a v t lý thông kê

- Các hi n t ng nhi t đ c nghiên c u d a trên quan đi m th ng kê, và các k t qu thu đ c khi áp d ng các k t qu th ng kê

6 Gi ăthuy tănghiênăc u

Gi i thích các hi n t ng nhi t trên quan đi m c a v t lý th ng kê

7 Ph ngăphápăch ngăminhăgi ăthuy t

- B ng vi c trình bày các đ i l ng đ c tr ng c a v t lý th ng kê ta s ch

rõ đ c các giá tr tham s mô t h vi mô

- B ng vi c dùng các tham s vi mô kh o sát các hi n t ng nhi t ta s

gi i thích th a đáng các k t qua thu đ c c a nhi t h c nh chuy n đ ng Brown,

ph ng trình tr ng thái khí, …

8.ăC uătrúcăc aălu năv n

C u trúc c a lu n v n bao g m ph n m đ u trình bày lý do l a ch n đ tài, l ch s , m c tiêu và v n đ nghiên c u, gi thuy t và ph ng pháp ch ng minh gi thuy t nghiên c u

Ch ng 1 trình bày gi thuy t và ph ng pháp chúng minh gi thuy t C

th là vi c xây d ng các lu n đ c b n c a v t lý th ng kê, và dùng các lu n đ

đó đ xây d ng các ki n th c c a nhi t h c và gi i thích các k t qu c a nhi t

h c

Ch ng 2 trình bày ph ng pháp, cách th c bao g m các ti n trình, các

b c gi ng d y n i dung nhi t h c cho h c sinh kh i chuyên v t lý b ng cách áp

d ng v t lý th ng kê thông qua nh ng lu n đi m đã xây d ng ch ng 1

Cu i cùng là đ a ra k t lu n, nh ng đ xu t và ki n ngh trong vi c s

d ng ph ng pháp v t lý th ng kê gi ng d y n i dung nhi t h c cho h c sinh

kh i chuyên v t lý

1.1 C ăs ăc aăph ngăphápăv tălỦăth ngăkê

1.1.1 Lu n đ c b n c a v t lý th ng kê

i t ng nghiên c u c a v t lý th ng kê là các h v mô, t c là các h nhi u phân t (h t) đi n hình ta xét là ch t khí mô t h m t cách đ y đ ta

ph i bi t thông tin v tr ng thái đ ng h c c a t ng ph n t c u thành h t ng

th i đi m xác đ nh Và đ đ c tr ng cho đi u đó ta g i đó là tr ng thái vi mô c a

h

Do s t ng tác và chuy n đ ng không ng ng c a các phân t , v trí và xung l ng c a chúng luôn luôn bi n đ i, nói khác đi tr ng thái vi mô c a h luôn bi n đ i Ta không th xác đ nh đ c tr ng thái vi mô c a h vì lý do:

 H nhi u h t do đó đ xác đ nh tr ng thái vi mô c a h c n thi t l p h v i

s l ng l n các ph ng trình

 Ta không các đ nh đ c đi u ki n ban đ u các ph n t có t a đ , xung

l ng nh th nào

Nh v y s ph c t p và bi n đ i không ng ng c a tr ng thái vi mô khi n cho ph ng pháp c h c thu n túy không th áp d ng đ c Tuy nhiên chính s

ph c t p c a h v mô l i là c s đ chúng ta ti p c n theo ph ng pháp th ng

kê Theo đó: N u ta bi t đ c xác su t c a tr ng thái vi mô thì các giá tr quan

sát đ c c a các tham s vi mô (áp su t, nhi t đ , th tích,…) đ c tính nh giá tr trung bình c a chúng theo các tr ng thái vi mô [2, tr.52]

1.1.2 Mô hình toán h c c a v t lý th ng kê

V t lý thông kê b t ngu n t khái ni m xác su t Ta s xem xét d a trên quan đi m xác su t

Xét ví d kinh đi n sau đây: Gi s có 1 đ ng ti n, có 2 m t s p và ng a khác nhau Khi gieo đ ng ti n r t nhi u l n ta th y r ng s l n s p và ng a là

x p x nh nhau, và do đó xác su t đ đ ng ti n khi gieo có m t s p ho c ng a

là ½ Khi nói nh v y là ta đã đ nh ngh a WA c a 1 s ki n riêng l A là t s

c a l n quan sát th y s ki n này NAvà t ng s l n quan sát N

N N

WA  A (1.1)

Nh v y trên khi nói v xác su t đ x y ra s ki n A ta quan ni m r ng

có m t ranh gi i rõ nét gi a s ki n A và s ki n không ph i là A Tuy nhiên trong v t lý thì đi u đó là không th L y ví d : Ta không th xác đ nh đ c xác

su t đ 1 phân t khí có v n t c theo ph ng x là ux vì:

- Giá tr c a ux là luôn có sai s , sai s l n hay nh tùy thu c vào m c đ chính xác c a thí nghi m

- T t c các thí nghi m xác đ nh ux dù có hi n đ i, đ m b o tin c y đ n đâu đi ch ng n a thì c ng m c sai s tuân theo h th c b t đ nh Heisenberg

Do đó trong tr ng h p này ta ch có th xem xét xác su t đ ph n t có

v n t c ux sai kém dux mà thôi Và nh v y thì xác su t này là hàm c a ux, và càng l n n u dux càng l n M t khác các phân t khí là hoàn toàn t ng đ ng nhau nên ta có th coi chúng là t p h p đ c tr ng cho tr ng thái c a 1 phân t các th i đi m khác nhau Do đó ta có:

N

dN du

u

W ( x) x  (1.2)

W(ux): hàm m t đ xác su t, t c là xác su t đ ph n t có v n t c theo

ph ng x là uxsai kém 1 đ n v

1.1.3 Nh ng lý do s d ng ph ng pháp v t lý th ng kê trong kh o sát các hi n t ng nhi t

Sau khi đã trình bày nh ng lu n đi m c a v t lý th ng kê và mô hình toán

h c c a chúng ta s đi tìm lý do t i sao l i áp d ng ph ng pháp v t lý th ng kê cho vi c kh o sát hi n t ng nhi t

Ta chú ý r ng vi c kh o sát các hi n t ng nhi t, v b n ch t ta đang kh o sát h

ch t khí lý t ng bao g m m t s l ng r t l n các phân t c u thành mà ta g i

là h t

M i m t phân t khí đ u chuy n đ ng không ng ng Ta hãy xem xét m t phân t chuy n đ ng, gi s th i đi m ta kh o sát nó đang chuy n đ ng v phái bên ph i, n u nh trên đ ng đi c a mình nó không g p c n tr gì thì t t nhiên nó s ti p t c chuy n đ ng v i v n t c nh c và theo h ng ban đ u Tuy

nhiên trên th c t , khi di chuy n nó đã g p vô s các phân t khác, và t t nhiên

là x y ra va ch m, s va ch m di n ra r t nhi u và khi này đ t ra 1 câu h i: Sau

va ch m phân t mà chúng ta kh o sát s chuy n đ ng theo h ng nào ? t c đ

c a nó còn gi nguyên giá tr c hay không ? M i kh n ng đ u có th x y ra,

b i vì các va ch m có th x y ra theo m i h ng, bên trái, bên ph i, phía tr c, phía sau,…c đ m nh, y u,… Nh th ta th y r ng vi c g p ph i nh ng va

ch m l n x n nh trên mà phân t ta kh o sát s chuy n đ ng theo m i ph ng Bên c nh đó ta c ng không th bi t đ c quãng đ ng phân t ta kh o sát đã đi qua mà không b va ch m dài bao nhiêu?…

Quá trình kh o sát nh trên cho chúng ta th y r ng các phân t c u thành

nên ch t khí luôn luôn chuy n đ ng, và chuy n đ ng là h n lo n, đó chính là

tính ph bi n c a các hi n t ng nhi t

Nh đã xét trên, chuy n đ ng c a m t s r t l n các phân t l i x y ra

t ng tác v i nhau đi n ra m t cách h t s c ph c t p và r c r i Vi c tính toán xem m i phân t khí chuy n đ ng nh th nào là đi u hão huy n do tính ph c

t p Và chính vì không th ti n hành th c hi n các phép toàn c n thi t nên chúng

ta ph i tìm ra 1 ph ng pháp khác cho phép mô t chuy n đ ng c a các phân t

Trên quan đi m đó khái ni m “xác su t” đã đ c xu t hi n và c ng chính

là l n đ u tiên “tính ng u nhiên” đã xâm nh p trong v t lý

T ÀIăLI UăTHAMăKH O

1 Nguy năQuangăBáu M t s v n đ phát tri n c a Nhi t h c ph thông

(Tài li u dùng cho l p b i d ng giáo viên hè n m 2004) Tr ng i h c Khoa

h c T nhiên, i h c Qu c gia Hà N i, 2004

2 Nguy nă Quangă Báu,ă Bùiă B ngă oan,ă Nguy nă V nă Hùng V t lý

th ng kê Nhà xu t b n i h c Qu c gia Hà N i, 2005

3, L ngăDuyênăBình,ăNguy năXuơnăChi,ăTôăGiang,ăTr năChíăMinh,ă

V ăQuang,ăBùiăGiaăTh nh V t lý l p 10 Nhà xu t b n giáo d c, 2007

4 Tr nă căChi n Ch đ xác su t trong ch ng trình THPT T p chí

Giáo d c s 116, tháng 6 n m 2005

5 Nguy năTh ăH i M t s đ i m i v quan đi m, quy trình biên so n tài

li u đào t o và b i d ng giáo viên ph thông hi n nay T p chí Giáo d c s

115, tháng 6 n m 2005

6 V ăV năHùng V t lý th ng kê Nhà xu t b n i h c S ph m, 2006

7 Nguy năTh ăKhôi,ăPh măQuỦăT ,ăL ngăT tă t,ăLêăCh năHùng,ă

Nguy năNg căH ng,ăPh mă ìnhăThi t,ăLêăTr ngăT ng V t lý l p 10 nâng

cao Nhà xu t b n giáo d c n m 2007

8 Nguy năTh ăThanhăMai D y h c v “Công th c tính nhi t l ng” và

“Ph ng trình cân b ng nhi t” theo h ng phát tri n ho t đ ng nh n th c tích

c c, sáng t o c a h c sinh T p chí Giáo d c s 182 k 2 tháng 01 n m 2008

9 Nguy năTh ăL ăL c Ng i giáo viên th k 21: Sáng t o – Hi u qu

T p chí D y và H c ngày nay s 7, tháng 5 n m 2003

10 Nguy năHuyăSinh Giáo trình Nhi t h c Nhà xu t b n giáo d c 2006

11 Nguy nă că Thơm,ă Ană V nă Chiêu,ă V ă Ơoă Ch nh,ă Ph m H u

Tòng Ph ng pháp gi ng d y v t lý trong các tr ng ph thông Liên Xô và

C ng hòa Dân ch c, t p 2 Nhà xu t b n giáo d c, 1984