Sử dụng phương pháp tương tự nhằm nâng cao hiệu quả dạy học phần điện học chương trình vật lí đại cương khối các trường cđspkt

Giả thuyết khoa học Có thể sử dụng ph-ơng pháp t-ơng tự vào việc giảng dạy phần ''Điện học'' để làm cho ng-ời học: hình thành năng lực phân tích, so sánh, tổng hợp, khái quát hoá để có

Bộ giáo dục & đào tạo Tr-ờng Đại học Vinh

- *** -

Đặng Minh Ch-ởng

Sử dụng ph-ơng pháp t-ơng tự nhằm nâng cao hiệu quả dạy học phần "điện học "

ch-ơng trình vật lý đại c-ơng khối các tr-ờng CĐSPKT

Chuyên ngành: Lý LUậN Và PH-ơNG PHáP DạY HọC VậT Lý

Mã Số : 60 14 10

Luận văn thạc sĩ GIáO dụC HọC

NGƯời h-ớng dẫn khoa học PGS.TS.Nguyễn Quang Lạc

vinh-2002

Mở đầu

I Lý do chọn đề tài

Các cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật đã và đang xảy ra với một tốc độ nhanh chóng Ngày nay sự bùng nổ của công nghệ thông tin, sự ra đời và phát triển liên tục của khoa học công nghệ, đòi hỏi nền giáo dục phải đào tạo ra những con ng-ời lao động sáng tạo Họ phải là những ng-ời có khả năng nắm bắt những thành tựu khoa học một cách nhanh chóng, ứng dụng chúng có hiệu quả, thậm chí có khi phải nhanh chóng học thêm nghề, đổi nghề cho phù hợp với đòi hỏi của thực tiễn Họ phải là những ng-ời biết giải quyết

đúng, nhanh, sáng tạo các cảnh huống, các vấn đề xảy ra trong đời sống Chính cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật, sự phát triển của công nghệ thông tin, công nghệ sinh học đã tác động toàn diện và sâu sắc đến sự phân công lao động trong xã hội Chúng còn đề ra những yêu cầu rất cao đối với

đội ngũ cán bộ khoa học kỹ thuật với số l-ợng ngày một

đông Họ phải có những năng lực cơ bản: Năng lực giải quyết những vấn đề về kỹ thuật, về tổ chức và quản lý do thực tiễn đề ra, năng lực dự đoán xu thế phát triển của các ngành khoa học, năng lực tiếp cận công nghệ mới, năng lực hoạt động xã hội chính trị, năng lực đổi mới tri thức cho phù hợp với sự phát triển của xã hội, năng lực nghiên cứu khoa học, Song muốn đào tạo đ-ợc một đội ngũ cán bộ khoa học kỹ thuật nh- xã hội hiện nay đặt ra thì cần phải đổi mới t- duy giáo dục nói chung, giáo dục trong các Tr-ờng kỹ thuật nói riêng Cụ thể các tr-ờng s- phạm kỹ thuật là ''Máy cái'' cần đào tạo ra một đội ngũ giáo viên kỹ thuật ở đó, trong một con ng-ời có hai con ng-ời: Con ng-ời s- phạm

và con ng-ời khoa học kỹ thuật

Những đòi hỏi trên đặt ra động lực thúc đẩy các Tr-ờng

s- phạm kỹ thuật nhanh chóng đổi mới về mặt nội dung

ch-ơng trình đào tạo, cải tiến về mặt tổ chức và tìm ra

những ph-ơng pháp phù hợp với mục đích đặt ra để nâng

cao chất l-ợng giảng dạy trong nhà tr-ờng

Dạy học trong các Tr-ờng s- phạm kỹ thuật cần tìm ra

các ph-ơng pháp dạy học theo h-ớng hiện đại hóa là nhu

cầu cấp bách của thực tại Chính vì vậy, chúng tôi mạnh dạn

đ-a ra và tiến hành nghiên cứu đề tài: Sử dụng ph-ơng

pháp t-ơng tự nhằm nâng cao hiệu quả dạy học phần "

Điện học" ch-ơng trình vật lý đại c-ơng - khối các

Tr-ờng CĐSPKT

II Mục đích nghiên cứu

Vận dụng ph-ơng pháp t-ơng tự để xây dựng tiến trình

giảng dạy một số chủ đề trong phần ''Điện học'' nhằm nâng

cao chất l-ợng giảng dạy phần ''Điện học'' trong các Tr-ờng

CĐSPKT

III Giả thuyết khoa học

Có thể sử dụng ph-ơng pháp t-ơng tự vào việc giảng dạy

phần ''Điện học'' để làm cho ng-ời học: hình thành năng lực

phân tích, so sánh, tổng hợp, khái quát hoá để có thể nhìn

nhận đ-ợc sự t-ơng tự, sự liên hệ hữu cơ giữa các kiến thức

Vật lý, hình thành đ-ợc một ph-ơng pháp nghiên cứu hay

-Tìm hiểu nội dung và cấu trúc của ph-ơng pháp t-ơng tự cả trong nghiên cứu vật lý cũng nh- trong dạy học vật lý

-Tìm tòi sự t-ơng tự giữa phần ''Điện học'' với các phần khác

-Vận dụng ph-ơng pháp t-ơng tự để giảng dạy một số chủ

đề thuộc phần ''Điện học''

- Chuẩn bị và tiến hành thực nghiệm s- phạm

- Xử lý và đánh giá kết quả thu đ-ợc

V Ph-ơng pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý luận: +Tổng hợp các tài liệu liên quan đến ph-ơng pháp t-ơng tự trong nghiên cứu khoa học, trong dạy học; + Nghiên cứu các công trình đã công bố liên quan đến việc hình thành năng lực t- duy suy luận t-ơng tự cho ng-ời học; +Xây dựng cơ sở lý luận cho việc vận dụng PPTT vào dạy học vật lý

- Nghiên cứu tình hình thực trạng trên đối t-ợng cụ thể: Nội dung của phần "Điện học" trong ch-ơng trình vật lý đại c-ơng ở khối các Tr-ờng cao đẳng s- phạm kỹ thuật, quá trình giảng dạy và học tập ch-ơng trình này tại Tr-ờng CĐSP KT Vinh

- Thực nghiệm s- phạm: Tiến hành giảng dạy một số chủ

đề trọng điểm theo các giáo án soạn thảo, tham gia trao đổi với các giáo viên trong tổ, kiểm tra mức độ nắm bắt kiến thức đối với sinh viên (so sánh kết quả các lớp thực nghiệm với các lớp đối chứng khi tiến hành kiểm tra cùng một nội dung, từ đó thu thập và xử lý kết quả và đ-a ra kết luận)

VI Đối t-ợng nghiên cứu

- Ph-ơng pháp t-ơng tự: trong nghiên cứu vật lý và trong dạy học vật lý

- Hoạt động dạy và học vật lý đại c-ơng của giảng viên và sinh viên ở khối các Tr-ờng cao đẳng s- phạm kỹ thuật

- Hoạt động dạy và học phần ''Điện học'' ch-ơng trình vật

lý đại c-ơng Tr-ờng CĐSP KT Vinh

VII Cấu trúc và nội dung của luận văn

A Mở đầu

B Nội dung

Ch-ơng I Cơ sở lý luận của đề tài

Ch-ơng II Vận dụng ph-ơng pháp t-ơng tự để giảng

dạy một số chủ đề thuộc phần ''Điện học'' ở khối các Tr-ờng

Ch-ơng 1 - Cơ sở lý luận của đề tài

Các sự vật, hiện t-ợng của thế giới khách quan tuy đa

dạng và phong phú nh-ng giữa chúng có mối liên hệ khách

quan, có những dấu hiệu giống nhau và khác nhau Vì vậy,

con ng-ời có thể tận dụng những hiểu biết của mình về sự

vật, hiện t-ợng này trong quá trình tìm hiểu sự vật, hiện

t-ợng khác và có thể so sánh, sắp xếp chúng vào cùng một

hệ thống Để mô tả các mối quan hệ trên do con ng-ời phát

hiện một cách có ý thức trong quá trình nhận thức của mình,

ng-ời ta đã sử dụng các khái niệm ''t-ơng tự'', ''suy luận

t-ơng tự'', và ''ph-ơng pháp t-ơng tự ''

1.1 Sự t-ơng tự

-Sự t-ơng tự là sự giống nhau với các mức độ khác nhau

giữa hai hoặc nhiều đối t-ợng (đối t-ợng vật chất hoặc đối t-ợng

mô hình lý t-ởng) về các dấu hiệu xác định, chẳng hạn: Các

tính chất, mối quan hệ, cấu trúc, tiến trình hình thành, chức

năng

Sự t-ơng tự không chỉ ở mặt bên ngoài mà nó nằm ngay

trong bản chất của sự vật, hiện t-ợng Sự t-ơng tự giữa các

đối t-ợng có nguyên nhân sâu xa là sự thống nhất về tính

tổng quát của các quy luật chi phối chúng Những sự t-ơng

tự giữa thế giới vi mô và thế giới vĩ mô, giữa giới vô sinh và

giới hữu sinh, giữa tự nhiên và xã hội, giữa toán học và kỹ

thuật… đều có ý nghĩa sâu xa nói trên

1.2 Suy luận t-ơng tự (SLTT)

Suy luận t-ơng tự là một ph-ơng pháp suy luận logic

từ sự giống nhau về các dấu hiệu xác định của hai hoặc nhiều đối t-ợng, suy ra sự giống nhau về các dấu hiệu khác của chúng Suy luận t-ơng tự có thể đ-ợc diễn tả bằng sơ đồ sau:

Giả sử đối t-ợng mẫu (đối t-ợng so sánh) A có các dấu hiệu (M1 , M2, M3, , Mn+1), còn đối t-ợng B là đối t-ợng

đang nghiên cứu có các dấu hiệu (M1, M2, , Mn)

A: M1, M2, , Mi, Mn, Mn+1

B: M1, M2, ,Mi, Mn,

Ta có thể kết luận ngay là: đối t-ợng B cũng phải có dấu hiệu Mn+1, nếu tr-ớc đó ta đã có một quy luật gắn bó sự tồn tại của các dấu hiệu M1, M2, Mi , Mn, Mn+1

Tuy nhiên, sơ đồ trên không bao quát hết suy luận t-ơng tự, chẳng hạn sự t-ơng tự về mặt cấu trúc giữa định luật vạn vật hấp dẫn và định luật Culông, tr-ờng hấp dẫn và tr-ờng tĩnh điện chỉ có sự giống nhau về mặt cấu trúc của các ph-ơng trình, biểu thức diễn tả hai định luật đó, còn khác nhau ở cả các đặc điểm khác Song, ng-ời ta vẫn có thể từ các hiện t-ợng nhất định, trong tr-ờng hấp dẫn, bằng suy luận t-ơng tự rút ra hiện t-ợng t-ơng tự trong tr-ờng tĩnh điện

Hay sự t-ơng tự về mặt giả thuyết của mô hình cấu tạo nguyên tử và mô hình hệ mặt trời Mặc dầu ở hai phạm vi khác nhau (hiện t-ợng vi mô và hiện t-ợng vĩ mô) nh-ng ng-ời ta đã xây dựng thành công mô hình cấu tạo nguyên tử

và đã giúp cho chúng ta hình dung đ-ợc mô hình nguyên tử

đ-ợc dễ dàng

1.2.1 Các dạng suy luận t-ơng tự

Có các dạng suy luận t-ơng tự chủ yếu sau:

- Suy luận t-ơng tự về các tính chất của các đối t-ợng

- Suy luận về sự t-ơng tự giữa các mối liên hệ của các

T1, T2, , Tn và đối t-ợng A còn có tính chất Tn + 1 thì có thể suy luận rằng: Đối t-ợng B cũng có thể có tính chất Tn + 1 Nh- vậy, cấu trúc của dạng suy luận này phù hợp với cấu trúc cơ bản của suy luận t-ơng tự đã nêu trên Dạng suy luận này đã đ-ợc sử dụng từ thời Arixtốt

các đối t-ợng

- Cấu trúc hình thức của dạng suy luận này là:

A = B

Suy luận về sự t-ơng tự các mối quan hệ có thể đ-ợc tiến hành nếu hai đối t-ợng A và B là cùng lọai Nếu A có mối quan hệ q với C thì có thể suy luận rằng: B cũng có thể có mối quan hệ q với C

Mối quan hệ q có thể là:

* Quan hệ nhân quả, nghĩa là: C là nguyên nhân của A hoặc C

là kết quả của A

* Quan hệ đích -ph-ơng tiện, nghĩa là : C là ph-ơng tiện để đạt

đích A hoặc C là đích đạt đ-ợc nhờ ph-ơng tiện A

* Quan hệ mô hình, nghĩa là: C là mô hình của A

* Quan hệ điều kiện, nghĩa là: C là điều kiện cho quá trình xuất hiện A

* Quan hệ giữa các yếu tố của hai đối t-ợng khác nhau

a) Suy luận t-ơng tự về mối quan hệ nhân quả

- Suy luận t-ơng tự về mối quan hệ nhân quả là: Các nguyên nhân cùng loại (hoặc t-ợng tự nhau) d-ới những

điều kiện nh- nhau, có thể gây ra những kết quả cùng loại (hoặc t-ơng tự nhau)

- Cấu trúc hình thức của dạng suy luận về sự t-ơng tự nguyên nhân:

(A = B) Kết quả A = Kết quả B

CN A SLTT CN B

Nguyên nhân C SLTT Nguyên nhân C

Các đối t-ợng A và B có thể xem là cùng loại Nếu C là nguyên

nhân của A thì có thể suy luận rằng: C cũng có thể là nguyên

nhân của B

Ví dụ: Ta quan sát tác dụng của một nam châm (vĩnh cửu) lên

một kim nam châm (hiện t-ợng A) và tác dụng của một dây dẫn

có dòng điện chạy qua lên một kim nam châm (hiên t-ợng B),

nhận thấy: Kim nam châm đều bị lệch đi ở tr-ờng hợp đầu, ta đã

biết từ tr-ờng nam châm vĩnh cữu (C) là nguyên nhân làm lệch

kim nam châm Ta có thể SLTT rằng: Dây dẫn có dòng điện chạy

qua cũng tạo ra xung quanh nó một từ tr-ờng, chính từ tr-ờng

này đã làm lệch kim nam châm

Lệch kim nam châm Lệch kim nam

* CN (A; B) Nguyên nhân 1 = Nguyên nhân 2

A (D) SLTT B(D)

Kết quả SLTT Kết quả

Các đối t-ợng A và B cùng lọai và cùng chứa nguyên nhân C Nếu ở A chỉ ra có kết quả (hiệu ứng) D thì có thể suy luận rằng ở B cũng có thể có kết quả (hiệu ứng) D

Ví dụ: Ta đã biết xung quanh nam châm vĩnh cửu hay

xung quanh dây dẫn có dòng điện đều có từ tr-ờng (C) Do

đó nam châm tác dụng từ lên dây dẫn khác có dòng điện chạy qua (kết quả D) Thì ta có thể suy luận rằng: Dây dẫn

có dòng điện sẽ tác dụng ''từ '' lên dây dẫn có dòng điện khác

b) Suy luận t-ơng tự về quan hệ giữa đích và

ph-ơng tiện

- Suy luận t-ơng tự này dựa trên kinh nghiệm là: Các

đích giống nhau có thể thực hiện đ-ợc nhờ các ph-ơng tiện giống nhau và ng-ợc lại

- Cấu trúc hình thức của dạng suy luận về sự t-ơng tự

đích:

Ph-ơng tiên 1 = Ph-ơng tiện 2

Đích SLTT Đích

- Cấu trúc hình thức của dạng suy luận về sự t-ơng tự ph-ơng tiện

Đích 1 = Đích 2

Ph-ơng tiện SLTT Ph-ơng tiện

c) Suy luận t-ơng tự về sự t-ơng ứng

- Ngoài sự t-ơng tự về các mối quan hệ giữa các đối t-ợng khác nhau đ-ợc xét một cách toàn bộ, còn có thể tồn tại sự t-ơng tự về các mối quan hệ giữa các yếu tố của các đối t-ợng này

- Suy luận t-ơng tự về sự t-ơng ứng là sự truyền (gán) mối quan hệ tồn tại giữa các yếu tố của đối t-ợng này sang cho các yếu tố t-ơng ứng của một đối t-ợng khác

- Cấu trúc hình thức dạng đối t-ợng này:

(a1, a2, an ) t (b1 , b2 , bn )

q (a, a2, , an) SLTT q (b1 , b2 , bn ) Nếu các yếu tố của đối t-ợng A (a1 , a2 , an ) có sự t-ơng ứng t với các yếu tố của đối t-ợng B (b1 , b2 , bn )

và giữa các yếu tố của đối t-ợng A tồn tại một mối quan hệ

q thì có thể suy luận rằng: Giữa các yếu tố của đối t-ợng B cũng có thể tồn tại mối quan hệ q

Bởi vì mối quan hệ giữa hai hoặc nhiều đối t-ợng nh- là cái toàn bộ không tách rời với các mối quan hệ nhất định giữa các yếu tố của chúng, nên sự t-ơng tự về t-ơng ứng th-ờng là cơ sở cho các sự t-ơng tự giữa các đối t-ợng

đ-ợc xét một cách toàn bộ và dạng suy luận t-ơng tự này th-ờng xuyên đ-ợc sử dụng:

Ví dụ : Dựa trên cơ sở sự t-ơng tự : Vật có khối l-ợng m

đặt trong tr-ờng lực hấp dẫn của trái đất thì có thế năng hấp dẫn Do đó, điện tích điểm q0 đặt trong tr-ờng tĩnh

điện của điện tích q cũng tồn tại thế năng tĩnh điện

Mặt khác, ta biết công của tr-ờng lực thế thực hiện lên vật, làm cho vật dịch chuyển trong nó không phụ thuộc vào dạng đ-ờng đi mà chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối của quá trình dịch chuyển đó và công này chính bằng độ giảm thế năng giữa điểm đầu so với điểm cuối:

2.1.3 Suy luận về sự t-ơng tự cấu trúc và chức năng của đối t-ợng

2 1

12

4

14

1

r

q q r

q q

Đây là một dạng cơ bản của suy luận t-ơng tự Để thể hiện đ-ợc tính thống nhất biện chứng giữa cấu trúc và chức năng của đối t-ợng, ng-ời ta chia dạng suy luận này thành hai loại: Suy luận t-ơng tự về cấu trúc - chức năng và suy luận về t-ơng tự chức năng - cấu trúc

* Suy luận về sự t-ơng tự cấu trúc - chức năng là dạng suy luận trìu t-ợng hoá khỏi các tính chất cụ thể, dựa vào sự giống nhau t-ơng tự hoàn toàn hoặc một phần cấu trúc của hai đối t-ợng, rút ra kết luận về sự có thể giống nhau về mặt chức năng của chúng

Ví du: Tuy lực hấp dẫn và lực tĩnh điện đ-ợc gây ra bởi

những nguyên nhân khác nhau về mặt bản chất vật lý, không cho phép đồng nhất chúng nh-ng có sự giống nhau

về dạng của hai biểu thức biểu diễn định luật vạn vật hấp dẫn và định luật Culông:

2 2 1 2

2 1

r

m m G F

o td

Xuất phát từ định luật vạn vật hấp dẫn, Niutơn đã chỉ ra

đ-ợc chuyển động của các hành tinh phù hợp với hai định luật Kêplơ đ-ợc rút ra từ thực nghiệm tr-ớc đó T-ơng tự nh- vậy, xuất phát từ định luật Culông, cũng có thể tính toán đ-ợc chuyển động của các điện tích điểm trong tr-ờng tĩnh điện Sử dụng suy luận t-ơng tự rút ra kết luận: Chuyển động của các điện tích điểm trong tr-ờng tĩnh điện cũng tuân theo hai định luật Kêplơ

* Suy luận về sự t-ơng tự chức năng - cấu trúc là dạng suy luận dựa trên sự giống nhau (hoặc t-ơng tự) về mặt chức

năng của hai đối t-ợng, rút ra kết luận sự giống nhau (hoặc t-ơng tự ) về mặt cấu trúc

ý nghĩa của suy luận về sự t-ơng tự cấu trúc - chức năng: Sự t-ơng tự cấu trúc - chức năng và sự t-ơng tự chức năng - cấu trúc có ý nghĩa hết sức quan trọng trong

điều khiển học và đã đ-ợc vận dụng trong việc nghiên cứu

lý thuyết các hệ thống khác nhau cũng nh- trong việc thiết

kế các mô hình điều khiển trong thực tiễn

Ví dụ: Dựa vào mô hình kết cấu vững chắc của x-ơng

động vật để thiết kế mô hình trụ các công trình xây dựng, trụ các bộ phận máy móc , dựa vào hệ thần kinh của động vật để thiết kế hệ điều khiển ng-ời máy, máy điện tử điều khiển từ xa

Đối với quá trình nhận thức khoa học, có ý nghĩa cơ bản

là kết luận đ-ợc rút ra từ SLTT, chứ không phải là việc sắp xếp SLTT đang tiến hành vào một dạng nào đó trong các dạng SLTT nói trên Tuy nhiên, sự trình bày khái quát về các dạng SLTT nh- trên vẫn là điều cần thiết để hiểu sâu

về SLTT và để có biện pháp thích hợp bồi d-ỡng kỷ năng SLTT cho ng-ời học

1.2.2 Đặc điểm của suy luận t-ơng tự

Sự SLTT không có đủ bằng chứng xác nhận quy luật chi phối các lớp hiện t-ợng của đối t-ợng đem so sánh, chúng có chắc chắn chi phối các lớp

hiện t-ợng của đối t-ợng cần nghiên cứu hay không, cho nên những kết luận rút ra bằng SLTT chỉ có tính chất giả

thuyết, nghĩa là mang tính chất xác suất (có thể đúng nh-ng cũng có thể sai) Chẳng hạn nh-: Trong suy luận t-ơng tự nhân quả, nhiều tr-ờng hợp cùng một kết quả nh-ng lại đ-ợc gây ra bởi nhiều nguyên nhân khác nhau, trong suy luận về sự t-ơng tự cấu trúc - chức năng, nhiều khi cùng một chức năng nh-ng lại có thể thực hiện bởi nhiều cấu trúc khác nhau Vì vậy, những kết luận rút ra bằng suy luận t-ơng tự nhất thiết phải đ-ợc kiểm tra bằng thực nghiệm trên chính đối t-ợng cần nghiên cứu

Để làm tăng mức độ xác suất (mức độ tin cậy) của các kết luận rút ra bằng suy luận t-ơng tự cũng giống nh- suy luận quy nạp (không đủ), cần phải đáp ứng những điều kiện sau:

a) Tăng số l-ợng các dấu hiệu đ-ợc xem xét của các đối

t-ợng (số l-ợng các dấu hiệu càng nhiều càng tốt)

b) Lựa chọn một cách ngẫu nhiên các dấu hiệu và xem

xét chúng một cách bình đẳng, không định kiến

Các dấu hiệu giống nhau càng phong phú thì mức độ xác suất của kết luận càng cao, vì các đối t-ợng đem so sánh

đ-ợc xem xét đầy đủ, toàn diện hơn

c) Cần gắn quá trình tìm kiếm các dấu hiệu giống nhau

với việc phát hiện các dấu hiệu bản chất của các đối t-ợng

đem so sánh để tìm các dấu hiệu bản chất chung của chúng Các dấu hiệu bản chất chung càng nhiều thì mức độ xác suất của kết luận rút ra bằng suy luận t-ơng tự càng cao, vì sẽ phát hiện đ-ợc chính xác mối quan hệ có tính quy luật của các đối t-ợng này

1.3 Ph-ơng pháp t-ơng tự (PPTT)

PPTT là ph-ơng pháp nhận thức khoa học với việc sử dụng sự t-ơng tự và phép SLTT nhằm thu nhận tri thức mới Các giai đoạn cơ bản của PPTT:

1 Tập hợp các dấu hiệu về đối t-ợng cần nghiên cứu và dấu hiệu về đối t-ợng đã có những hiểu biết phong phú

định đem đối chiếu

2 Tiến hành phân tích những dấu hiệu giống nhau và khác nhau giữa chúng Kiểm tra xem các dấu hiệu giống nhau

có đồng thời là các dấu hiệu bản chất của các đối t-ợng này hay không

3 Truyền các dấu hiệu của đối t-ợng đã biết cho đối t-ợng cần nghiên cứu bằng suy luận t-ơng tự

4 Kiểm tra tính đúng đắn của các kết luận rút ra (hoặc các

hệ qủa của chúng) có tính chất giả thuyết đó ở chính đối t-ợng cần nghiên cứu

Nếu các kết luận rút ra không đúng đối với đối t-ợng cần nghiên cứu thì phải trở lại b-ớc một ( lựa chọn đối t-ợng khác để đem so sánh)

Thực nghiệm có vai trò quan trọng trong PPTT Nhờ đó,

ta phát hiện đ-ợc sự tồn tại các dấu hiệu giống nhau (t-ơng tự) của các đối t-ợng, làm cơ sở cho việc lựa chọn đối

t-ợng đem so sánh và cũng nhờ nó, kiểm tra đ-ợc tính

đúng đắn của những kết luận (hệ quả) rút ra đ-ợc bằng suy luận t-ơng tự

Ví du: Trong quá trình xây dựng mô hình hành tinh

nguyên tử thông qua thực nghiệm, các nhà khoa học đã nghiên cứu đ-ợc các vấn đề về cấu trúc của hệ mặt trời (các định luật về chuyển động trong tr-ờng lực xuyên tâm), các vấn đề về hệ nguyên tử (các kết quả thu đ-ợc trong việc nghiên cứu sự tán xạ tia  trên lá vàng, khái niệm về êlectrôn, hiện t-ợng phóng xạ, ), từ

đó tìm đ-ợc những dấu hiệu t-ơng tự : Sự giống nhau về dạng các biểu thức của lực vạn vật hấp dẫn và lực Culông, hình dung đ-ợc sự chênh lệch về kích th-ớc, khối l-ợng giữa các hành tinh với mặt trời, giữa êlectrôn với hạt nhân nguyên tử , sự bền vững của hệ mặt trời và hệ nguyên tử làm cơ sở để suy luận t-ơng tự rút ra giả thuyết về cấu trúc nguyên tử

1.3.1 Ph-ơng pháp t-ơng tự trong nghiên cứu vật

lý

Ph-ơng pháp t-ơng tự có giá trị to lớn trong nhận thức khoa học cũng nh- trong hoạt động thực tiễn của con ng-ời

- Trong lịch sử phát triển của vật lý học ng-ời ta cho rằng ''sự t-ơng tự là một sự dẫn đ-ờng cho việc nghiên cứu'' và việc sử dụng ph-ơng pháp t-ơng tự cho phép xây dựng

đ-ợc các mô hình, các lý thuyết mới, đề xuất những t- t-ởng mới

- Quang hình học đ-ợc xây dựng trên cơ sở sự t-ơng tự giữa tia sáng và một chùm hạt Với quan niệm ánh sáng là những hạt rất nhỏ bay ra từ nguồn sáng với vận tốc rất lớn (c), Niutơn đã giải thích tính bản chất của ánh sáng trong

sự phản xạ, khúc xạ, phân cực và tán sắc nhờ sự chuyển

động của các hạt rất nhỏ này

- Quang học sóng đ-ợc xây dựng trên cơ sở sự t-ơng tự giữa sóng ánh sáng và sóng trên mặt n-ớc, sóng trong một môi tr-ờng đàn hồi Huy ghen đã phát hiện sự t-ơng tự giữa sự lan truyền âm và lan truyền ánh sáng, vận dụng lý thuyết về sóng cơ học (cụ thể là sóng âm) để nghiên cứu

ánh sáng và đã giải thích đ-ợc nhiều hiên t-ợng quang học,

mở đ-ờng cho sự phát triển của quang học và điện động lực học

-Macxoen cũng đã sử dụng sự t-ơng tự với chuyển động của chất lỏng trong nghiên cứu về điện tr-ờng và từ tr-ờng,

đ-a ra các khái niệm t-ơng tự với các khái niệm về chuyển

động của chất lỏng (ống dòng, điện thông, từ

thông, nguồn ) Ông cũng rút ra bản chất sóng của các hiện t-ợng điện từ, từ sự lan truyền sóng ánh sáng

- Các mô hình nguyên tử của Rudơpho và của Bo đều đ-ợc xây dựng dựa trên sự t-ơng tự giữa hệ mặt trời và hệ nguyên tử

-Một ví dụ điển hình của việc sử dụng PPTT là việc xây dựng cơ học l-ợng tử Ng-ời ta đã xây dựng cơ học sóng (một hình thức của cơ học l-ợng tử) xuất phát từ sự t-ơng

tự cơ - quang, sự t-ơng tự giữa quang hình và cơ học cổ

điển

-Quá trình so sánh t-ơng tự các đối t-ợng, ngay cả khi so sánh các đặc điểm bên ngoài không những giúp làm sáng

tỏ các hiện t-ợng ở nhiều lĩnh vực khác nhau, phát hiện

đ-ợc cái cụ thể, cái riêng mà còn giúp làm bộc lộ những

đặc điểm bản chất và chung của một chuỗi các đối t-ợng, thâu tóm các mối quan hệ giữa chúng, tạo thành các lớp

đối t-ợng để từ đó, khái quát hoá thành các nguyên lý Các mối quan hệ, định luật càng có tầm khái quát thì càng phải

sử dụng đến PPTT Việc đã so sánh quá trình điều khiển trong kỹ thuật với các quá trình trong các cơ thể sống và đã

đi tới kết luận trong các đối t-ợng đó: Có những quy luật nh- nhau tồn tại Cách so sánh t-ơng tự này đã tạo nên cơ

sở (cho điều khiển học) nh- là một ngành khoa học mới, bao quát rất nhiều lĩnh vực tri thức khác nhau (lý thuyết thông tin, lý thuyết các máy tính và các hệ tự điều chỉnh) Chúng chi phối những đối t-ợng rất khác nhau nh-ng t-ơng tự nhau: Các cơ chế máy móc, các cơ quan của sinh vật, máy móc, bộ óc

-Tuy nhiên, khi v-ợt quá phạm vi cho phép suy luận t-ơng tự lại làm kìm hãm b-ớc tiến nhận thức của con ng-ời và do vậy suy luận t-ơng tự dễ tạo ra những đ-ờng mòn, những thói quen cản trở sự hình thành những t- t-ởng mới, những ph-ơng pháp mới

Ví du: Sự t-ơng tự giữa sóng ánh sáng và sóng cơ học có

vai trò tích cực trong quá trình hình thành quang học sóng nh-ng sau đó thì sự t-ơng tự đó và khái niệm ête vũ trụ đã trở ngại cho sự phát triển thuyết t-ơng đối và thuyết l-ợng

lý

- Trong quá trình ng-ời học sử dụng PPTT để giải quyết các vấn đề học tập, ng-ời học phải rèn luyện một loạt các thao tác t- duy, đ-ợc phát triển niềm tin vào mối liên hệ có tính khái quát, có tính quy luật của các sự vật, hiện t-ợng

tự nhiên đa dạng và phong phú

- Việc sử dụng PPTT góp phần nâng cao hiệu quả của bài học, giờ lên lớp, thể hiện tr-ớc hết ở tính sâu sắc, tính hệ thống cuả các kiến thức vì nó tạo điều kiện cho học sinh liên kết cái ch-a biết với cái đã biết, phát hiện những mối liên hệ dấu hiệu giống nhau và khác nhau của chúng

- Việc sử dụng PPTT còn làm cho ng-ời học dễ hình dung các hiện t-ợng, các quá trình vật lý không thể quan

sát trực tiếp đ-ợc (Ví du: T-ơng tự dòng điện với dòng n-ớc, hiệu điện thế t-ơng tự nh- hiệu độ cao; chênh lệch

điện thế nh- chênh lệch độ cao )

-Dạy học ở các tr-ờng Đại học và Cao đẳng, giảng viên chủ yếu chỉ ra cho sinh viên con đ-ờng đi tìm tri thức khoa học, thời gian ở lớp ít nh-ng

kiến thức lại nhiều Chính vì vậy mà sinh viên cần phải tự học, tự tìm cho mình một ph-ơng pháp tiếp cận tri thức để chiếm lấy tri thức Do đó ở mức độ này sinh viên cần phải

sử dụng đúng mức, có hiệu quả ph-ơng pháp t-ơng tự trong quá trình học tập, nghiên cứu

Khả năng sử dụng sự t-ơng tự và PPTT trong dạy học vật

lý

Có thể sử dụng sự t-ơng tự ở các giai đoạn khác nhau của quá trình dạy học, nh-ng có giá trị hơn cả là việc sử dụng PPTT để xây dựng kiến thức mới, ngay cả trong những tr-ờng hợp mà điều kiện thiết bị thí nghiệm ch-a đủ

để tiến hành, kiểm tra các giả thuyết rút ra bằng suy luận t-ơng tự

Ví du: Rút ra đ-ợc tính chất thế của tr-ờng tĩnh điện

t-ơng tự nh- tính chất thế của tr-ờng hấp dẫn bằng cách xây dựng biểu thức độ giảm thế điện năng khi điện tích

điểm thử q0 đi từ vị trí này đến vị trí khác trong điện tr-ờng thì bằng công của lực tĩnh điện làm dịch chuyển

điện tích trong sự dịch chuyển đó

Trong tr-ờng hấp dẫn: Công của trọng lực làm dịch

chuyển chất điểm không phụ thuộc vào dạng đ-ờng dịch

chuyển của chất điểm, chỉ phụ thuộc vị trí điểm đầu và vị

trí điểm cuối của quá trình dịch chuyển, bằng độ giảm thế

năng của chất điểm trong quá trình dịch chuyển đó:

Trong tr-ờng tĩnh điện: Xét công của lực tĩnh điện (do

điện tích điểm q gây ra) tác dụng lên điện tích điểm q0

trong một quá trình dịch chuyển từ vị trí (1) đến vị trí (2):

  * 1 1 4

1 4

1 4

1

2 1 0 2

0 1

Điện tích điểm đặt trong tr-ờng điện tr-ờng t-ơng tự nh-

chất điểm đặt trong tr-ờng hấp dẫn và ta có thể đặt:

c r

2 2

2 2

1 1

2 2

2 2

1

1 t2

h h

R

h GmM

h R

mMh G

h R

mMh G

Ap

h1, h2 lần l-ợt là độ cao của chất

điểm tr-ớc và sau quá trình dịch chuyển

là thế năng tĩnh điện của điện tích q0 trong điện tr-ờng của điện tích q, c là một hằng số

tr-ờng hấp dẫn là một tr-ờng lực thế

khi đó ta có thể viết công lực tĩnh điện nh- sau:

Vậy, tr-ờng tĩnh điện là một tr-ờng lực thế

2.2 Những khó khăn chính khi giảng dạy phần Điện

học ở khối các Tr-ờng CĐSPKT

Việc giảng dạy các kiến thức phần điện học cho

ng-ời học tiếp thu đ-ợc, hiểu đ-ợc sâu sắc là vấn đề hết

sức khó khăn đối với giảng viên Bởi vì, các khái niệm, các

đại l-ợng, các hiện t-ợng trong phần điện học đều mang

tính trừu t-ợng cao Chúng lại đ-ợc xét trên các đối t-ợng

Từ tr-ờng không đổi

Cảm ứng

điện từ

Định luật Culông

Định luật Ampe

Các định luật cảm ứng điện từ

Điện dung

của vật dẫn

Điện tr-ờng véctơ c-ờng độ

điện tr-ờng

Từ tr-ờng Véctơ cảm ứng từ

niệm điện thế, khái niệm điện dung của vật dẫn, các khái niệm thuộc phần từ tr-ờng, đều là những khái niệm trừu t-ợng, ng-ời học khó hình dung, khó t-ởng t-ợng ra

Đặc biệt với đối t-ợng ng-ời học là sinh viên khối các Tr-ờng CĐSPKT thì mức độ nhanh nhạy trong việc tĩnh hội tri thức khoa học, khả năng tự suy luận, t- duy sáng tạo của họ còn hạn chế hơn so với sinh viên các tr-ờng Đại học

và khối các Tr-ờng CĐSP

Mặt khác về phần tài liệu chủ yếu dùng tài liệu dành cho Đại học, khối l-ợng kiến thức nhiều, cách trình bày sâu, rộng Mà thời l-ợng lên lớp của giảng viên chỉ gói gọn trong bốn đơn vị học trình dành cho lý thuyết của toàn bộ nội dung vật lý đại c-ơng (khối các Tr-ờng CĐSPKT) Do

đó mà khả năng tự học của sinh viên là khó khăn Cách lên lớp của giảng viên để có hiệu quả trong thời gian ít ỏi đó là vấn đề khó và cần phải đ-ợc khắc phục dần

2.3 Một số nội dung chính của phần Điện học ch-ơng trình vật lý đại c-ơng khối các Tr-ờng CĐSPKT

2.3.1 Định luật Culông

Là định luật cơ bản của tĩnh điện học để khảo sát t-ơng tác giữa các hạt điện tích nhỏ bé đứng yên, sử dụng định luật này cùng với tính cộng đ-ợc của lực tĩnh điện để đi tìm sự t-ơng tác giữa các vật tích điện có kích th-ớc

Về mặt hình thức, biểu thức của định luật Culông có dạng t-ơng tự với biểu thức của định luật vạn vật hấp dẫn

là lực tác dụng của điện tích q1 lên điện tích q2.

T-ơng tự , biểu thức lực tác dụng của điện tích q2 lên

điện tích q1 là:

21 3

2 1

r

q q k

Khái niệm điện tr-ờng: Điện tr-ờng là môi tr-ờng

vật chất tồn tại xung quanh các điện tích đứng yên, chính

điện tr-ờng là nhân tố trung gian, để lực t-ơng tác tĩnh điện

đ-ợc truyền dẫn từ điện tích này tới điện tích kia, nghĩa là

t-ơng tác tĩnh điện truyền đi với vận tốc hữu hạn

12 3

2 1

r

q q k







*Véctơ c-ờng độ điện tr-ờng:

Khi đặt điện tích điểm q0 tại điểm M nào đó trong

điện tr-ờng thì điện tr-ờng tác dụng lực F 

q0 mà chỉ phụ thuộc vào vị trí điểm M Nghĩa là tại mỗi

điểm xác định trong điện tr-ờng tỷ số:

E 

là véctơ đặc tr-ng về ph-ơng diện tác dụng lực của

điện tr-ờng tại điểm M (khả năng tác dụng lực điện)

Suy ra: F 

= E qo ; Khi q0 = +1 thì E 

= F 

E

đ-ợc gọi là véctơ c-ờng độ điện tr-ờng

''Véctơ c-ờng độ điện tr-ờng tại một điểm là một đại l-ợng véctơ có trị số bằng lực tác dụng của điện tr-ờng lên một đơn vị điện tích d-ơng đặt tại vị trí đó''

Véctơ c-ờng độ điện tr-ờng gây ra bởi điện tích điểm

q tại điểm M cách nó một đoạn r là:

r

q q

F E

o o

F E

r r

q E

, ng-ợc lại nếu q là điện tích âm (q

< 0) thì véctơ c-ờng độ điện tr-ờng E

do nó gây ra sẽ ng-ợc h-ớng với h-ớng bán kính véctơ r 

.

* Véctơ c-ờng độ điện tr-ờng gây ra bởi một hệ vật

mang điện Nguyên lý chồng chất điện tr-ờng

F F

là lực tác dụng của điện tích qi lên điện tích điểm

qo đặt tại điểm M, theo định nghĩa véctơ c-ờng độ điện tr-ờng là;

n

i i

o

E q

F q

F E

1 0

E E

q

F E







với

bởi từng điện tích của hệ Đây chính là phát biểu của

nguyên chồng chất điện tr-ờng''

Kết quả đó có thể áp dụng cho tr-ờng hợp hệ điện tích

đ-ợc phân bố liên tục Khi đó ta chia vật tích điện thành

nhiều phần nhỏ mỗi phần nhỏ mang điện tích dq sao cho

có thể coi nh- một điện tích điểm Nếu gọi là véctơ

c-ờng độ điện tr-ờng gây ra bởi điện tích dq tại một điểm

M cách dq

một khoảng r và r 

bán kính véctơ h-ớng từ dq tới vị trí

đang xét M, khi đó véctơ c-ờng độ điện tr-ờng do vật tích

điện gây ra tại điểm M bằng:

r r

dq E

d

3 0

tr-ờng thay đổi đột ngột và dẫn đến đ-ờng sức điện tr-ờng

bị gián đoạn ở mặt phân cách gữa hai môi tr-ờng đó Để

tránh đ-ợc sự gián đoạn đó ng-ời ta đ-a ra khái niệm

E

Điện thông : Để thiết lập mối liên hệ giữa véctơ cảm

Định lý O-G : Điện thông gửi qua một mặt kín S

bằng tổng đại số các điện tích đặt trong mặt kín ấy

Công của lực tĩnh điện trong sự dịch chuyển điện tích

qo trong điện tr-ờng (do điện tích điểm q gây ra) không phụ thuộc vào dạng của đ-ờng cong dịch chuyển mà chỉ

s d D

d  

 



phụ thuộc vào vị trí điểm đầu và vị trí điểm cuối của quá

trình dịch chuyển đó

N o

o M

o

o MN

r

q q r

q q A

Thế điện năng của điện tích điểm qo đặt ở vị trí M

trong tr-ờng điện tr-ờng của điện tích q là:

r

q q

gây ra điện tr-ờng và vị trí đang xét trong điện tr-ờng đó

q q W

M o

o

o r

Nếu c-ờng độ điện tr-ờng E 

đặc tr-ng cho điện tr-ờng về ph-ơng diện tác dụng của lực thì điện thế V đặc

tr-ng cho điện tr-ờng về ph-ơng diện khả năng năng

2.3.5 Điều kiện cân bằng tĩnh điện

Điều kiện cân bằng tĩnh điện

-Véctơ c-ờng độ điện tr-ờng tại mọi điểm bên trong

- Vật dẫn cân bằng tĩnh điện là một khối đẳng thế, mặt vật dẫn là một mặt đẳng thế

- Điện tr-ờng trong lòng vật dẫn bằng không

- Toàn bộ điện tích vật dẫn phân bố ở trên mặt ngoài của vật dẫn

2.3.6 Điện dung của vật dẫn

''Điện dung của một vật dẫn cô lập là một đại

l-ợng về giá trị bằng điện tích cần truyền cho vật dẫn

để điện thế của của vật dẫn tăng lên một đơn vị điện thế''

Q = C.V; khi Q=+1 và V=+1 thì C=1

Hay có thể phát biểu một cách khác: ''Điện dung của vật dẫn cô lập là một đại l-ợng về giá trị bằng điện tích mà vật dẫn tích đ-ợc khi điện thế của nó bằng một đơn vị điện thế''

C = Q/V ; Trong hệ đơn vị SI, đơn vị của

điện dung là Fara kí hiệu là F với 1Fara = 1Vôn/1Culông Điện dung của một quả cầu kim loại mang điện Q, bán kính R, đặt trong một môi tr-ờng đồng nhất có hằng số

điện môi  Theo tính chất của vật dẫn tích điện Q đ-ợc phân bố đều trên bề mặt quả cầu kim loại đó nên có điện thế :

q V

0

4 



2.3.7 Năng l-ợng điện tr-ờng

Điện tích điểm q2 đặt trong điện tr-ờng của điện tích

điểm q1 thì thế điện tĩnh của q2 là:

12

2 1 12

4

1

r

q q W

T-ơng tự ta có thể viết lại đ-ợc thế điện tĩnh của

điện tích q1 trong điện tr-ờng q2 :

12

2 1 21

4

1

r

q q W

12

2 1

12 21

4 4

2

1

r

q q

r

q q

W W

q  



V1 là điện thế ở vị trí đặt q1

V2 là điện thế ở vị trí đặt q2Tổng quát, năng l-ợng t-ơng tác điện (gọi tắt năng l-ợng điện) của toàn bộ hệ điện tích điểm : q1; q2; q3 ; qn

cho bởi công thức:

i n

i

iV q

2

1

Trong đó Vi là điện thế ở vị trí đặt điện tích qi

2.3.8.Định luật Ampe về tác dụng từ Các đại l-ợng cơ bản

về từ tr-ờng

Định luật Ampe về tác dụng từ: Định luật Ampe là

định luật mô tả t-ơng tác giữa hai phần tử dòng điện Phần

tử dòng điện là một đoạn ngắn trên dòng điện, kí hiệu là

dl I Idl

và I0d l 0

 là góc hợp bởi véctơ r

Có độ 3

) (

r l Id l

d I F

3

) (

r l Id l

d I F

3 0

Có véctơ lực từ

3

) (

r l Id l

d I F

Nguyên lý chồng chất từ tr-ờng :

''Véctơ cảm ứng từ  do một dòng điện bất kỳ gây ra tại một điểm M bằng tổng các véctơ cảm ứng từ d do tất cả các phần tử nhỏ của dòng điện gây ra tại điểm ấy''

1 2

Theo định nghĩa : Véctơ cảm ứng từ do dòng điện gây

ra phụ thuộc vào độ từ thẩm  của môi tr-ờng Vì vậy, nếu

đi từ môi tr-ờng này sang môi tr-ờng khác do độ từ thẩm

 



d B

của chúng khác nhau, dẫn đến véctơ cảm ứng từ  biến đổi

đột ngột ở mặt phân cách giữa hai môi tr-ờng đó Để tránh

đ-ợc sự biến đổi đó ng-ời ta đ-a ra khái niệm véctơ c-ờng

Xét diện tích khá nhỏ dS đặt trong từ tr-ờng sao cho véctơ cảm ứng từ tại mọi điểm của diện tích ấy có thể coi

là một véctơ nằm theo h-ớng pháp tuyến n

Từ định lý này ta thấy từ tr-ờng có tính chất xoáy

2.3.10.Định lý Ampe về dòng điện toàn phần

L-u số véctơ c-ờng độ từ tr-ờng

L-u số của véctơ c-ờng độ từ tr-ờng dọc theo đ-ờng cong kín (c) là đại l-ợng về giá trị bằng tích phân của

l d

H 

dọc theo toàn bộ đ-ờng cong đó:

Định lý Ampe về dòng điện toàn phần

) (

.

l d H dl

H l

d

l d

H   (c)

H 