Giúp học sinh tìm hiểu về hệ thống đo lường quốc tế được sử dụng trong bộ môn vật lý ở trường phổ thông

Khi nền sản xuất phát triển, khi sự giao lưu văn hóa, kinh tế, ...trong mọi lĩnh vực của các vùng miền, dân tộc, quốc gia được mở rộng thì nhucầu phải có một hệ thống đo lường quốc tế kh

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HÓA

TRƯỜNG THPT BA ĐÌNH

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

GIÚP HỌC SINH TÌM HIỀU VỀ HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG QUỐC TẾ ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG BỘ MÔN VẬT

MỤC LỤC TRANG

2 Nội dung sáng kiến kinh nghiệm 2 2.1 Cơ sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm 2 2.2 Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến

1 Mở đầu

1.1 Lí do chọn đề tài

Xã hội loài người muốn tồn tại phải sản xuất ra của cải vật chất, muốn sảnxuất phải có kiến thức khoa học kỹ thuật cho dù là ở trình độ sơ đẳng nhất,những kiến thức đó giúp con người tính toán được hiệu quả kinh tế của côngviệc mình làm và đề ra những kế hoạch cho sản xuất, thu hoạch, tiêu thụ, Những tính toán đó tiến hành với những biểu thị về “độ lớn” của các đại lượngđặc trưng cho từng công việc, cho các hiện tượng, sự vật liên quan tới công việc,

kế hoạch đang tiến hành Những con số, kết quả tính toán đó có được là nhờ conngười ta tiến hành đo lường với những dụng cụ đo lường ghi khắc theo nhữngđơn vị đo lường đã được quy định Trong lịch sử nền văn minh của loài người,mỗi nơi, mỗi địa phương, mỗi dân tộc đều có những đại lượng, đơn vị đo lườngriêng của mình Khi nền sản xuất phát triển, khi sự giao lưu văn hóa, kinh tế, trong mọi lĩnh vực của các vùng miền, dân tộc, quốc gia được mở rộng thì nhucầu phải có một hệ thống đo lường quốc tế khoa học và hiện đại để đáp ứng nhucầu trên của xã hội là bức thiết và phải có, chính vì những lí do trên tôi chọn đề

tài “Giúp học sinh tìm hiểu về hệ thống đo lường quốc tế được sử dụng trong

bộ môn vật lý ở trường phổ thông”.

1.2 Mục đích nghiên cứu

Trong giảng dạy và học tập bộ môn vật lý nói riêng và các bộ môn khoahọc khác nói chung thì chúng tôi nhận thấy rằng: Việc học tập, giảng dạy vànghiên cứu bộ môn vật lý không thể thiếu hiểu biết về các đại lượng, đơn vị, đặcbiệt là các đại lượng, đơn vị, hằng số vật lý giúp cho người giảng dạy cũng nhưhọc sinh học tập được thuận lợi và có hiệu quả cao hơn

1.3 Đối tượng nghiên cứu

- Phương pháp dạy học và bài tập Vật lí ở trường trung học phổ thông

- Những yêu cầu nâng cao chất lượng dạy và học Vật lí ở trường trung họcphổ thông

- Học sinh lớp cấp trung học phổ thông

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:

+ Nghiên cứu các tài liệu lý luận dạy học để làm sáng tỏ về mặt lý luận cácvấn đề có liên quan đến đề tài

+ Nghiên cứu chương trình sách giáo khoa, sách bài tập, các tài liệu thamkhảo để phân tích cấu trúc logic, nội dung của các kiến thức liên quan đếnđơn vị

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm sư phạm: Kiểm tra giả thuyết khoa học của đề tài

2 Nội dung sáng kiến kinh nghiệm

2.1 Cơ sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm

- Thời cổ đại

+ Ở AI CẬP

Cách ta 6000 năm đã sử dụng các đơn vị độ dài như thước “nhà vua” (Giátrị vào khoảng nửa mét) Đơn vị diện tích ruộng đất như “Arua” (Diện tích hìnhvuông có cạnh 100 thước nhà vua, vào cỡ 2756 m2) Đơn vị đo dung tích là

“Khô tiên” bằng một nửa “thước khối” nhà vua Và đơn vị đo khối lượng là

“Tiên” vào khoảng 91 gam

+ Ở BABYLON

Cách đây hơn 4000 năm, người ta sử dụng một hệ khá hoàn chỉnh về đơn vị độdài, dung tích, khối lượng, thời gian Tại hệ này đơn vị thời gian lần đầu tiêntrong lịch sử loài người được quy định chặt chẽ từ năm xuống giây

Về dung tích: Đấu (vào cỡ 10 lít)

Về khối lượng: cân (1 cân cỡ 600 gam)+ Ở VIỆT NAM

Thời kỳ phong kiến Trung Quốc liên hệ về hệ đo lường cổ của hai nền vănhoá Trung Quốc và Ấn Độ, các đơn vị đo lường dùng trong xã hội Việt Nam ta

có ảnh hưởng nhất định từ hai nền văn hoá này Ví dụ, thời vua Lê Huyền Tông(năm 1664) quy định đơn vị đo dung tích theo đề nghị của Phạm Công Trứ: Ônglấy trong ống Hoàng Truy chứa được 1200 hạt thóc làm một thược, rồi cứ thếtính lên:

10 thược làm 1 cáp

10 thăng làm 1 đấu

2.2 Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm

Trong quá trình giảng dạy chúng tôi thấy: Trong dạy học người giáo viên

chúng tôi cần hiểu thêm một số hệ đơn vị đo lường đặc biệt là hệ đơn vị SI, làmột hệ đơn vị hợp pháp của nước ta Đối với học sinh cũng cần có được cácthông tin chính xác về các đơn vị, đại lượng, thông số, hằng số vật lý để từ đócác em vận dụng trong việc giải các bài toán vật lý nhanh chóng, thuận tiện vàchính xác hơn Thực thế cho thấy học sinh phổ thông khi làm toán rất lúng túngtrong việc sử dụng và quyết định các đơn vị đo của một đại lượng vật lý nào đó

Ví dụ: Đại lượng áp suất, khi các em làm ra đáp số bài toán, cũng như đọc đềtoán của một số bài toán vật lý nào đó, khi thì thấy đơn vị tính bằng “N/m2”, khithì “Pa”, lúc lại “mmHg”, lúc lại “atm” hay “at” Liệu là viết cái gì cho đúng,gọi tên thế nào là hợp lí và chuyển đổi giữa chúng ra sao Và còn nhiều các đạilượng vật lý khác đang cần chúng ta đưa ra một cách có hệ thống và chuẩn xác

để các em học sinh theo đó hiểu sâu sắc về các đơn vị, đại lượng hay hằng sốchuẩn mực cấp quốc tế, từ đó các em học tốt hơn gây cho hoc sinh có một mức

độ tin tưởng cao và cảm giác hứng thú hơn đối với bộ môn vật lý này

25 mm

sinh có trong tay một căn cứ pháp lý về hệ đo lường thông dụng mà chúng ta sẽdùng trong học tâp và đời sống

Người ta đã tiến hành đo đạc từ 1792 đến 1799: Tiến hành việc đo cungcủa kinh tuyến đi qua Pari: Từ Doongkéc đến Bacxơlôn Người ta đã tính độ dàicủa mét từ cung đó Hai thước giống nhau đã được sản xuất ra, bằng chất Platin,

để thể hiện mét Tên mét lấy từ chữ HyLạp: Mêtrôn (Kích thước)

Người ta định nghĩa: Kilôgam là khối lượng của một đêximét khối nướctinh khiết ở nhiệt độ xấp xỉ 40C, kilôgam cũng được thể hiện bằng hai khối hìnhtrụ giống nhau làm bằng Platin

Cũng từ đó thể tích của một kilôgam nước tinh khiết ở nhiệt độ xấp xỉ 40Cđược gọi là “lít” (Từ chữ Litron của một đơn vị dung tích cũ).

Sau này vật lý hiện đại đã xác định các định nghĩa và chuẩn kể trên làkhông được chính xác do nhiều nguyên nhân, ví dụ Trái đất không phải bất biến,môi trường, nhiệt độ, làm cho các đại lượng và vật chuẩn trong thực tế khôngkhớp với định nghĩa

Nhu cầu phải có đơn vị chuẩn có tính khoa học và giao lưu quốc tế nên vàonăm 1870 một “Uỷ ban quốc tế về mét” được thành lập và năm 1872 uỷ ban này

đã quyết định bỏ các định nghĩa đầu tiên của mét và kilôgam Sản xuất ra chuẩnmới, tốt hơn, của mét và kilôgam dựa trên mét và kilôgam của viện lưu trữ làmchuẩn tương lai của hệ mét

Năm 1875 một “Hội nghị ngoại giao quốc tế về mét” tiến hành tại Pari,gồm có đại biểu 18 nước Ngày 20/05/1875 hội nghị đã thông qua “Công ước vềmét” thành lập một uỷ ban gồm có 12 thành viên đại diện cho 12 quốc gia khácnhau Nhiệm vụ của uỷ ban là giữ các chuẩn quốc tế về mét và kilôgam và sảnxuất ra các “chuẩn sao” (copies) chính xác hơn, so sánh các chuẩn của hệ métvới các chuẩn của hệ khác Hệ mét là một hệ đo lường rất thực dụng và khoahọc, vì vậy tới nay nó là một hệ đo lường có số nước tham gia sử dụng lớn nhất

II CÁC HỆ ĐO LƯỜNG HÌNH THÀNH SAU HỆ MÉT

1 Hệ đơn vị từ trường của Gauxơ (Mang tên nhà bác học người Đức Gauss)

Do nhà bác học Gauxơ đề xướng vào năm 1832 tại một hội nghị khoa họctại “Hội khoa học Gớttinhghen” (một thành phố của Đức có nhiều trường đạihọc và hội khoa học nổi tiếng) Trong đó Gauxơ chứng minh rằng sự giải các bài

lý thuyết và thực nghiệm của từ học sẽ đơn giản đi nhiều, nếu ta dùng nhữngđơn vị chọn lần lượt theo những nguyên lý nhất định nào đó, và tập hợp nhữngđơn vị đó được gọi là một hệ đơn vị đo lường về từ học

2 Hệ CGS Gauxơ

Do Vêbe nhà bác học người Đức Vào năm 1863 ông đã bổ sung vào hệđơn vị đo Gauxơ đã nêu ở trên về một số đơn vị trong các lĩnh vực: cơ, nhiệt,quang,…

Các hệ đo lường kể trên đây ít nhiều đều có hạn chế và không phải là một

hệ vạn năng Nhu cầu khoa học, sản xuất phát triển như vũ bão đòi hỏi phải có 1

hệ vạn năng, khoa học và thống nhất trên toàn thế giới Vào năm 1954 đại hội

“Cân đo quốc tế” lần thứ 10 thông qua kiến nghị: Uỷ nhiệm cho một tiểu bannghiên cứu một hệ vạn năng dựa trên 6 đơn vị cơ bản là: Mét, kilôgam, giây,ampe, độ Kenvin và Canđela Uỷ ban này đã làm việc trong sáu năm và sau đó

đã trình lên Đại hội “Cân đo quốc tế” lần thứ 11 (tháng 10/1960) thông qua “Hệquốc tế về đơn vị”, Đại hội này đã đặt cho nó tên SI (Chữ Pháp: SystèmeInternational: Hệ quốc tế)

Đại hội đã duyệt các định nghĩa mới của mét, dựa trên sự bức xạ trong chânkhông của nguyên tử Krypton 86, của giây, dựa trên năm Trôpíc(Trôpíc: lấy từchữ Hylạp Trôpikos: Nó quay) có liên hệ với sự quay của trái đất quanh mặttrời, của độ Kenvin, dựa trên tính ổn định của điểm ba của nước, còn kilôgamgiữ định nghĩa cũ từ 1889, Ampe được định nghĩa từ đơn vị cơ, như đã đề nghị

từ 1935 và Canđêla giữ định nghĩa từ đại hội lần thứ 9 (1948) đã thông qua

Hệ SI về cơ học là một hệ MKS, về điện từ học là một hệ GioocgiMKSAhợp lý hoá, về nhiệt học là một hệ MKS0K (0K độ Kenvin), về quang học là một

Hệ SI là con đẻ cuối cùng và xuất sắc nhất của hệ mét, Ưu điểm của nó sovới các hệ khác có phần vượt trội, và khuyết điểm được khắc phục nhiều.

Sau khi hệ SI ra đời, nhiều nước trên thế giới đã lần lượt sửa chữa luật pháp

về đơn vị đo lường của mình, đưa ít hay nhiều các tiến bộ của hệ SI vào phápluật của họ

Hệ Mét được quốc hội Pháp trân trọng đề tặng “Cho tất cả các thời đại, cho

tất cả các dân tộc” và các hệ con đẻ của hệ mét trong đó có hệ SI đã đang và sẽtiếp tục thúc đẩy sự phát triển của khoa học kỹ thuật, căn bản vì cỡ thực dụngcủa các đơn vị của nó, vì tính chất thập phân đơn giản mà thần tình của nó và vì

sự hợp tác quốc tế đã được phát huy cao độ trong việc xây dựng lên nó

Mét, kilôgam, giây, ampe, độ Kenvin, Cađela - mà ta lấy làm cơ sở cho đơn

vị Việt Nam, vẫn sẽ tiếp tục đóng vai trò tích cực trong sự phát triển khoa học,

kỹ thuật của các nước, cũng như của nước Việt Nam Xã hội chủ nghĩa

III CÔNG ƯỚC QUỐC TẾ VỀ MÉT

Đại hội cân đo đầu tiên họp ở Pari(1889) đã duyệt y các chuẩn quốc tế củamét và kilôgam Đại hội lần thứ 11(1960) đã thông qua hệ SI Qua các kỳ Đạihội người ta đã ký các “Công ước về mét” Nhưng cũng rất nhiều nước khôngtham gia ký mà vẫn sử dụng hệ mét (Ví dụ như nước Việt Nam), và có nhữngnước ký nhưng không đưa hệ mét vào đo lường hợp pháp của nước mình (Ví dụnhư: Anh, Mỹ, )

Các hội nghị quốc tế về đo lường thường xuyên được tổ chức trên thế giới,nhiều tổ chức về đo lường được thành lập nhằm duy trì, phát triển và chuẩn mựchoá về đo lường

Trong đó xã hội Việt Nam thời mở cửa này thường hay nghe quảng bá sảnphẩm hàng hoá bằng những ký hiệu ISO 9000 hay ISO 9001

Vậy ISO là gì ?

ISO là chữ viết tắt của “Tổ chức tiêu chuẩn hoá quốc tế”( InternationalStandardisation Orgonisation)

IV GIỚI THIỆU VỀ HỆ SI

(SI: đọc là Etxơ-i hay đọc theo thói quen là Ét-i)

1 Ưu điểm

- Là một hệ vạn năng, đã và có thể mở rộng cho nhiều lĩnh vực

- Là một hệ nhất quán

- Là một hệ thực dụng

- Là một hệ dựa trên các đơn vị quen thuộc

- Là một hệ đã được nhiều nước trên thế giới thử nghiệm và sử dụng rộng rãi

- Là một hệ thập phân với nhiều tiếp đầu ngữ mới và tiện dụng

- Là một hệ rất tiện dụng cho khoa học

- Là một hệ có các định nghĩa, các đơn vị cơ bản phản ánh những thành tựukhoa học hiện đại (Tính tới năm 1960) của khoa học kỹ thuật đo lường

Hệ đo lường SI hiện nay trên thế giới là một phương tiện giao lưu khôngthể, không có ai là không biết đến Nước ta từ năm 1964 đã công nhận nó làm hệ

đo lường duy nhất hợp pháp cho mọi lĩnh vực khoa học và đời sống Các đơn vị

đo lường dùng trong hệ SI cũng là một nét hiện đại hoá các đơn vị đo lường ởnước ta

Chính phủ của nước Việt Nam dân chủ cộng hoà đã ban hành nghị định số

186 - CP ngày 26/12/1964 về đơn vị đo lường hợp pháp của nước Việt Nam dânchủ cộng hoà

V ĐƠN VỊ ĐO LƯỜNG HỢP PHÁP HIỆN NAY CỦA VIỆT NAM

Các tiêu chuẩn Việt Nam về đơn vị của nước ta

Vào cuối những năm 1980 để phù hợp với sự thay đổi và phát triển của hệ

SI trên thế giới, đồng thời để đáp ứng những yêu cầu mới về đo lường ở nước tachính phủ Việt Nam đã cho xây dựng và ban hành các tiêu chuẩn Việt Nam(TCVN) về đại lương và đơn vị của các đại lượng đó Các TCVN này được xâydựng trên cơ sở kế thừa và phát huy những ưu việt, tinh thần khoa học, tinh thầnhội nhập quốc tế của bảng đơn vị 1964 và trên cơ sở Bộ tiêu chuẩn quốc tế ISO

31 công bố năm 1982

Các TCVN đó là: TCVN 4520 - 88, TCVN 4521 - 88, TCVN 4522 - 88, cho đến nay có TCVN 5560 - 91

Vào năm 1992 Bộ tiêu chuẩn quốc tế ISo 31 về đơn vị và đại lượng đã lạiđược “Tổ chức tiêu chuẩn hoá quốc tế” rà soát và công bố lần thứ 3(lần thứ nhất

là năm 1964, lần thứ 2 vào năm 1982), theo đó có một số thay đổi dưới đây:

- Hệ SI có thêm đơn vị thứ bảy là mol

- Tên và ký hiệu một vài đơn vị đã có sự thay đổi, như: Độ Kenvin(0K)thành Renvin(K) ; Niutơn trên mét vuông(N/m2) thành Pascan(Pa)

- Bảng đơn vị hợp pháp đã quy định gần 400 đơn vị cho khoảng 300 đạilượng thuộc 10 lĩnh vực khác nhau

- Các tiếp đầu ngữ để lập đơn vị ước và bội đã từ 14 tăng lên 16(vào năm1982) và 20 (vào năm 1992) Đó là:

39 mm

VI ĐỊNH NGHĨA CÁC ĐƠN VỊ CƠ BẢN CỦA HỆ SI

1 Đơn vị độ dài: (mét, ký hiệu là: m)

Mét là độ dài quãng đường ánh sáng đi được trong chân không trongkhoảng thời gian bằng 299.7921 .458giây

(Định nghĩa này được đại hội cân đo quốc tế (CGPM) lần thứ XVII năm

1983 đưa ra)

Định nghĩa này có độ chính xác cao hơn nhiều định nghĩa cũ và đặc biệt đãnêu lên được mối liên hệ giữa vận tốc ánh sáng trong chân không và mét là c =299.792.458 (m/s) Định nghĩa này dễ dàng cho việc bảo quản và tái tạo lạichuẩn mét ở bất cứ nơi nào, quốc gia nào

2 Đơn vị khối lượng: (Kilôgam, ký hiệu là: kg)

Các quả Kilôgam chuẩn được chế tạo như sau:

Người ta làm một hộp hình lập phương có mỗi cạnh dài là 1 decimet vàkhối lượng nước tinh khiết được đổ vào đầy hộp ấy ở nhiệt độ 40C (đúng là3,990C) gọi là 1 kilôgam bằng 1000gam Đơn vị khối lượng “kilôgam” được chếtạo theo một hình trụ tròn, thẳng, bằng platin với chiều cao và đường kính đềubằng 39mm, nặng bằng khối lượng nước kể trên Vào năm 1884 người ta chế tạo

2 quả

Sau khi kiểm tra kỹ càng thì một quả được lưu giữ ở “Viện lưu trữ Pháp” và gọitên là “kilôgam của viện lưu trữ’’ còn quả kia đưa đến phòng vĩ độ (Bureau deslongitudes), các kilôgam chuẩn bằng platin có khối lượng thay đổi thất thường

do nhiều nguyên nhân: nhiệt độ, do lau chùi, làm sạch v.v Vào năm 1889 tại

“Viện cân đo quốc tế” đã chế tạo ra 40 chuẩn kilôgam nữa bằng Platin - Iridi(90% là Platin và 10% là Iridi) những quả kilôgam này hoàn toàn giống nhau.Sau khi so sánh, đong đo kỹ lưỡng người ta đã phân phối những quả kilôgamnày cho các nước bằng cách rút thăm Liên Xô (cũ) nhận hai quả số 26 và số 12,Đức nhận quả số 22, v v

Cho đến ngày nay, khi hệ số SI ra đời, định nghĩa của kilôgam so với trướccũng không có gì thay đổi: kilôgam vẫn là khối lượng của chuẩn gốc quốc tế củakilôgam chế tạo từ 90% Platin và 10% Iridi kể trên

Những sự nghiên cứu kéo dài nhiều năm cho thấy khối lượng chuẩn quốc tếkilôgam kể trên ở tất cả các quả chuẩn quốc tế và quốc gia đều có sự biến đổi vềmặt khối lượng, do nhiều nguyên nhân gây ra: Đây là một nhược điểm quantrọng về khối lượng mà cho đến ngày nay chưa có cách khắc phục Tuy nhiênsai số là không nhiều lắm nên người ta vẫn phải bằng lòng sử dụng nó Trongkhi các nhà bác học vẫn tích cực đi tìm giải pháp mới Ví dụ: Khi theo dõi khốilượng chuẩn thì thấy thông thường khối lượng tăng nhiều hơn khoảng 1g/thángvào tháng thứ 3 từ sau khi làm sạch Tiếp đó giảm xuống trung bình cỡ 1

g/năm với những chu kỳ quan sát dài

3 Đơn vị thời gian: (giây: ký hiệu là s)

Đại hội cân đo quốc tế lần thứ XIII năm 1967 đã công nhận định nghĩa mớicủa giây dựa trên cơ sở bức xạ của các nguyên tử Xêsi 133 thay vì định nghĩadựa trên độ dài của năm trôpic Theo đó định nghĩa giây như sau: Giây làkhoảng thời gian bằng 9.192631770 chu kỳ bức xạ ứng với sự chuyển giữa haimức siêu tinh tế (F = 4; mF = 0; và (F = 3; mF = 0) của nguyên tử Xêsi 133 khikhông bị nhiễu loạn bởi trường ngoài

Việc thể hiện định nghĩa trên đây được tiến hành bằng cách sử dụng chuẩntần số Xêsi trong phòng thí nghiệm Độ chính xác vào khoảng 3.10-14