Nghiên cứu dạy học những kiến thức vật lý đại cương ứng dụng trong y học ở trường cao đẳng y tế cần thơ luận văn thạc sỹ vật lý

Giả thuyết khoa học Nếu khai thác được những kiến thức Vật lý đại cương ứng dụng trong yhọc và tổ chức được quá trình dạy học đảm bảo tính khoa học thì có thể nângcao được chất lượng đà

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Gần một thế kỷ đi qua từ khi con người biết vận dụng kiến thức vật lývào việc chữa trị cũng như phát hiện các bệnh mà bình thường không chuẩnđoán được từ việc ra đời máy chụp X-Quang tương tự (analog) cho đến máychụp X-Quang kỹ thuật số hay Phương pháp chụp mạch máu để chữa cácbệnh về mạch máu cho đến máy X-Quang cắt lớp vi tính (máy CT) ra đời từnhững năm 1972 đã giúp cho con người chuẩn đoán được các bệnh tật bêntrong cơ thể gần như là chính xác

Nhưng việc giảng dạy Vật lý đại cương cho sinh viên ở các trường caođẳng không chuyên lý đặc biệt là cho sinh viên nghành y tế là rất khó khănbởi vì theo quan niệm của các sinh viên học những môn không chuyên ngànhcủa mình và không có ứng dụng vào chuyên môn của mình sau này nên các

em không chuyên tâm vào học Vật lý đại cương chỉ học một cách đối phó chocho đủ các môn theo nhà trường yêu cầu mà không có thái độ học tập nghiêmtúc Vì vậy khi nghiên cứu đề tài này chúng tôi muốn giúp các em thấy đượctầm ứng dụng của vật lý trong y học: những kiến thức về cơ học và nhiệt họcliên quan đến sự vận động của các bộ phận trên cơ thể con người, đặc biệt làtrong các thiết bị y tế như: máy chụp X-Quang, máy chụp cộng hưởng từ,máy chụp CT Từ đó giúp các sinh viên thấy được tầm ứng dụng vật lý trong

y học, giúp các em có thái độ đúng đắng trong học tập các môn đại cương đặcbiệt môn Vật lý

Với những lí do trên, chứng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu dạy học những kiến thức Vật lý đại cương ứng dụng trong y học ở trường Cao đẳng y tế Cần Thơ” nghiên cứu nhằm góp phần nâng cao chất lượng đào

tạo nghề ở trường Cao đẳng y Cần Thơ

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu khai thác giảng dạy những kiến thức Vật lí đại cương ứngdụng trong y học nhằm nâng cao chất lượng học tập của sinh viên trường Caođẳng y tế Cần Thơ

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

- Quá trình đào tạo sinh viên ở trường Cao đẳng y tế Cần Thơ

- Quá trình dạy môn Vật lí đại cương

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Dạy học những kiến thức Vật lí đại cương (phần cơ học và nhiệt học)ứng dụng trong y học đối với sinh viên cao đẳng y tế Cần Thơ

4 Giả thuyết khoa học

Nếu khai thác được những kiến thức Vật lý đại cương ứng dụng trong yhọc và tổ chức được quá trình dạy học đảm bảo tính khoa học thì có thể nângcao được chất lượng đào tạo sinh viên ở trường Cao đẳng y tế Cần Thơ

5 Nhiệm vụ nghiên cứu

5.1 Nghiên cứu lý luận dạy học ở trường cao đẳng, đại học

5.2 Nghiên cứu những kiến thức vật lý ứng dụng trong y học

5.3 Thiết kế nội dung dạy học những kiến thức Vật lý đại cương cho sinh

viên cao đẳng y tế Cần thơ

5.4 Thực nghiệm sư phạm

6 Phương pháp nghiên cứu

6.1 Phương pháp nghiên cứu lý luận

6.2 Phương pháp nghiên cứu thực tiển

6.3 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

6.4 Phương pháp thống kê toán học

7 Kết quả đóng góp của đề tài

8 Cấu trúc luận văn

Ngoài phần Mở đầu, Kết luận, Phụ lục và Tài liệu tham khảo, luận văn

có 3 chương sau:

Chương 1 Cơ sở lý luận của đề tài

Chương 2 Dạy học những kiến thức Vật lí đại cương ứng dụng trong y học

Chương 3 Thực nghiệm sư phạm

1.1 Nghiên cứu vật lý và dạy học vật lý

1.1.1 Khái quát về nghiên cứu của vật lý

Vật lý là một môn học thuộc lĩnh vực tự nhiên có nhiều ứng dụng trongcuộc sống con người, vật lý học là một ngành khoa học nghiên cứu về tựnhiên nó nghiên cứu các sự vật hiện tượng xảy ra trong tự nhiên mà con ngườigặp phải trong cuộc sống hằng ngày con người nghiên cứu và vận dụng nóvào trong cuộc sống bắt tự nhiên phục vụ lại con người và con người cải tạo

tự nhiên ngày càng tốt hơn, vật lý học chia ra làm hai lĩnh vực: vật lý lýthuyết và vật lý thực nghiêm Từ thế kỷ 20 các nhà vật lý tập trung đi sâu vàonghiên cứu những lĩnh vực chuyên sâu và nhiều ngành vật lý mới đã đượchình thành, khó có thể kể hết, như vật lý chất rắn, vật lý nhiệt độ thâp, quanglượng tử, cơ học lượng tử, lý thuyết trường, hạt cơ bản

Trong đó có ngành vật lý y sinh được hình thành và phát triển có nhiềutthành tựu mới về nghiên cứu y học: các xung điện thần kinh hoạt động nhưthế nào Các nguyên tắc hoạt động của một tế bào sống,

1.1.2 Nhiệm vụ dạy học vật lý ở các trường đại học và cao đẳng

Nhìn từ góc độ lý luận dạy học vật lý đại cương ở các trường cao đẳng

và đại học phải đảm tốt thực hiên ba nhiệm vụ sau

- Nhiệm vụ một: trang bị cho sinh viên hệ thống những tri thức khoahọc hiện đại, hệ thống các kỹ năng kỹ sảo tương ứng về một khoa học nhấtđịnh, bước đầu trang bị cho sinh viên phương pháp luận khoa học, cácPhương pháp nghiên cứu và phương pháp tự học liên quan đến nghề nghiệptương lai của họ

- Nhiệm vụ hai; phát triển năng lực hoạt động trí tuệ của sinh viên

- Nhiệm ba: quá trình dạy học phải hình thành thế giới quan khoahọc, nhân sinh quang và phẩm chất đạo tốt đẹp của người cán bộ khoa học

kỹ thuật, có tri thức, có tay nghề, có năng lực thực hành, năng động và sángtạo, có khả năng thích ứng với những thay đổi nghề nghiệp trong nền kinh

tế thị trường, có bản lĩnh tự tạo được việc làm, có ý thức thực hiện nghĩa vụcông dân,…

Trong chương trình đào tạo ở các trường đại học và cao đẳng có bakhối kiến thức: khối kiến thức cơ bản, khối kiến thức cơ sở và khối kiến thứcchuyên ngành

Vật lý đại cương là một trong những môn học của khối kiến thức cơbản, nó có tính quyết định quan trọng tron g quá trình đào tạo của ngành học

Để thực hiện mục tiêu của viêc đổi mới chương trình đào tạo ở bậc đạihọc và cao đẳng thì việc đổi mới nội dung và phương pháp dạy học là nhữngyếu tố có thể nói quyết định chất lượng đào tạo

Để khắc phục tình trạng giảng dạy vật lý đại cương ở các trườngchuyên nghiệp (đại học và cao đẳng) mà đã kéo dài: nhà trường dạy cái chúng

ta có chứ chưa dạy cái mà sinh viên cần trong hoạt động nghề nghiệp của họsau khi ra trường tùy thuộc vào ngành nghề đào tạo mà việc dạy vật lý đạicương ở các trường chuyên nghiệp phải theo hướng: khai thác những kiếnthức vật lý đại cương ứng dụng vào ngành nghề của sinh viên (trong đó cóngành y tế)

1.1.3 Định hướng đổi mới nội dung và Phương pháp giảng dạy các môn học ở các trường đại học và cao đẳng nói chung và môn Vật lý nói riêng

Cách mạng xã hội và cách mạng khoa học công nghệ đang phát triểnvới tốc độ vũ bão đòi hỏi nội dung dạy học vật lý đại cương không ngừng đỏimới và hoàn thiện theo các hướng cơ bản sau:

- Nội dung dạy học phải phù hợp với mục đích dạy học và đào tạo vàcác nhiệm vụ dạy học ở trường nghề

- Nội dung dạy học vật lý đại cương phải bảo đảm tính toàn diện tính

hệ thống, cân đối giữa lý thuyết và thực hành, thống nhất giữa tính khoa học

và tính giáo dục, cập nhật nững thành tựu khoa học, kỹ thuật-công nghệ trênlĩnh vực kinh tế-xã hội của thế giới và trong nước đối với ngành nghề đào tạo

đó chính là phải hiện đại hóa nội dung dạy học

- Nội dung giảng dạy vật lý đại cương phải thể hiện mối quan hệ tươngtác giữa mục đích-nội dung -môi trường và qui trình đào tạo nghề

- Nội dung dạy học vật lý đại cương phải góp phần tích cực vào quátrình đào tạo nghề cho sinh viên và làm cơ sở cho họ có khả năng tự họcsuốt đời

Bên cạnh đổi mới nội dung dạy học vật lý đại cương, việc đổi mớiphương pháp giảng dạy đang là một vấn đề cần phải đổi mới Có thể thấy hệthống các phương pháp dạy học truyền thống sử dụng trong các trường đạihọc và cao đẳng: thuyết trình, diễn giảng, đàm thoại,… thì hệ thống cácphương pháp dạy học hiện đại đã và đang hình thành và phát triển Nhữngphương pháp dạy học tích cực là một thuật ngữ rút gọn, hàm ý chỉ khai thácnhững phương pháp dạy học tiếp cận theo hướng tích cực chủ động sáng tạocủa người học cụ thể là hướng tới hoạt động học, tích cực hóa hoạt động nhậnthức với bốn dấu hiệu cơ bản, đó là:

- Dạy học thông qua tổ chức các hoạt động của người học

- Dạy học chú trọng rèn luyện phương pháp tự học

- Tăng cường học tập cá thể phối hợp với học tập hợp tác

- Kết hợp đánh giá của thầy và tự đánh giá của người học

Mỗi cách tiếp cận này lại đưa ra các phương pháp cụ thể để vận dụngnhư: phương pháp động não, phương pháp đóng vai, phương pháp nghiên cứutình huống, phương pháp thảo luận nhóm, Những năm gần đây trong phongtrào đổi mới phương pháp dạy học đại học và cao đẳng ở Việc Nam nhữngPhương pháp dạy học tích cực đang được áp dụng Về mặc lý luận và thựctiễn dạy học thì không có phương pháp nào là độc tôn, mỗi phương pháp đều

có điểm mạnh và điểm yếu Áp dụng các phương pháp dạy học tích cực (haycòn gọi là các PPDH hiện đại) không có nghĩa là gạt bỏ các PPDH truyềnthống Các phương pháp dạy học ttruyền thống vẫn có những khía cạnh tíchcực của chúng mà không thể thay thế được

Tùy thuộc vào nội dung của môn học và hình thức tổ chức dạy học

mà người thầy lựa chon, sử dụng phương pháp dạy học thích hợp để dạy

có hiệu quả

1.2 Nội dung dạy học vật lý đại cương

Là một hệ thống phản ánh những thuộc tính bản chất của đối tượngnghiên cứu, một tiến trình có những tính chất cơ bản sau đây

a) Tính ứng dụng vào thực tiễn

Khi dạy các kiến thức vật lý đại cương ta có thể lồng ghép các ứngdụng trong thực tiễn vào ngay trong bài học để sinh viên có thể nắm bắt đượcngay vấn đề cần học tập và nghiên cứu

Tính ứng dụng có thể học thấy ngay hoặc thông qua một số quá trìnhkhác nhau mà sinh viên cần phân tích mới thấy rõ ý nhĩa của nó

Trong dạy học vật lý, tính ứng dụng có ý nhĩa quan trọng: sử dụng tínhchất này khi xây dựng học tập và nghiên cứu, sinh viên được rèn luyện mộtloạt các thao tác tư duy, phát triển niềm tin vào mối liên hệ có tính khái quát,nhận thức quy luật của các sự vật hiện tượng đa dạng và phong phú Sử dụngtính chất này còn góp phần nâng cao chất lượng của giờ học, thể hiện trướchết là tính sâu sắc, tính hệ thống của các kiến thức vì nó tạo điều kiện chosinh viên liên hệ cái chưa biết tới cái đã biết, phát hiện những mối liên hệ giữacác hệ thống khác nhau ở các phần khác nhau của vật lý cũng như những dấuhiệu gống nhau và khác nhau của chúng

b) Tính đơn giản

Như ta đã biết thực tế khách quan vô cùng đa dạng và phong phú Mỗiđịnh luật hay định lý chỉ phản ánh được một mặt nào đó của thực tế Trongkhi xây dựng tiến trình ta loại bỏ yếu tố trừu tượng còn lại những thuộc tính

và những mối liên hệ bản chất Như vậy tính đơn giản của tính trình là mộtthuộc tính khác quan

Mặc khác cũng nhờ tính đơn giản này của tiến trình mà nhà nghiên cứu

có thể nắm chắc những vấn đề cơ bản nhất của thực tế khách quan khái quáthóa chúng rút ra những quy luật

c) Tính trực quan

Khi giảng dạy các tính chất có tính ứng dụng trong thực tiễn sinh viên

sẽ dễ dàng tiếp thu được lượng kiến thức được ngay

d) Tính lý tưởng

Kiến thức vật lý xuất phát từ thực tiễn, phản ánh thực tiễn, nhưng khi takhái quát thành một định luật hay định lý tức ta đã trừu tượng hóa, nhưng khi

ta mang nó vào ứng dụng trong những trường hợp cụ thể làm cho đơn giản đi

1.3 Một số phương pháp dạy học ứng dụng kiến thức vật lý

Đó là hệ thống những ký hiệu dùng với tư cách là mô hình: hình vẽ, sơ

đồ, đồ thị, chữ cái, các công thức, phương trình toán học Chúng tôi chú ý đặcbiệt đến hai loại mô hình ký hiệu là mô hình toán học và mô hình đồ thị

a) Mô hình toán học: Là những mô hình có bản chất khác với vật gốc,

chúng diễn tả những đặc tính của vật gốc bằng một hệ thức toán học Chẳnghạn như tất cả những đại lượng q biến thiên thỏa mãn phương trình: q”+ 2q =

0 đều biến thiên theo một quy luật dao động điều hòa Bởi vậy có thể dùngcông thức đó là mô hình của mọi dao động điều hòa không phụ thuộc vào bảnchất của dao động Mục đích của mô hình hóa là thay thế đối tượng nghiêncứu bằng phương trình sao cho có thể thu được những thông tin cần thiết mộtcách dễ dàng nhất Bởi vậy có thể ở giai đoạn đầu của quá trình nhận thức

xuất phát từ những yếu tố quan sát được (lực đàn hồi) để xây dựng mô hìnhdao động cơ học, sau đó dùng mô hình để nghiên cứu dao động điện khôngquan sát trực tiếp được.

Tuy mô hình toán có ưu điểm về sự chặt chẽ của toán học, có thể xéttới những yếu tố ảnh hưởng nhỏ nhất tham dự vào quá trình thực nghiệm,song sự chặt chẽ này đồng thời lại là nhược điểm của mô hình toán, vì nó cókhoảng cách khá xa với tính linh hoạt của các quá trình thực, nhất là các quátrình xã hội

b) Mô hình đồ thị: Chúng tôi đặc biệt quan tâm đến mô hình đồ thị, là

một loại mô hình rất thông dụng trong nghiên cứu vật lý, đặc biệt là trongnghiên cứu thực nghiệm, nhưng chưa được hiểu và sử dụng đúng mức

Vai trò của đồ thị thể hiện rất rõ: Đồ thị biểu diễn một mối quan hệgiữa hai hoặc ba đại lượng vật lý mô tả hiện tượng tự nhiên

Nếu chỉ dừng lại ở việc giải thích hiện tượng theo quan điểm vĩ mô(theo hiện tương luận) thì trong nhiều trường hợp, có thể dựa vào đồ thị đểgiải thích sự diễn biến của hiện tượng Chẳng hạn, người ta thường dựa vàođặc tuyến vôn- ampe của tranzito để chọn điểm làm việc của nó Ngược lạivới một điểm làm việc nhất định, thì dựa vào đặc tuyến vôn- ampe ta có thểbiết trazito hoạt động ở chế độ tuyến tính hay không tuyến tính

Mỗi đồ thị không những chỉ phản ánh đơn thuần mối liên hệ hàm sốgiữa hai đại lượng vật lý, mà nó mang nhiều thông tin quý báu ngoài mối liên

hệ đó đó chính là chức năng tiên đoán của đồ thị Đồ thị của đường đẳng tích

và đường đẳng áp đã cho ta tiên đoán sự tồn tại của độ không tuyệt đối

Nếu một đồ thị có một cực đại (hay một cực tiểu) thì nó sẽ cho ta thấy

có hai yếu tố trái ngược nhau chi phối hiện tượng mà ta xét Đó chẳng hạn làtrường hợp đồ thị thực nghiệm của sự phụ thuộc năng suất phát xạ đơn sắccủa vật đen tuyệt đối và bước sóng

Như vậy, đồ thị vật lý hoàn toàn có đủ tư cách là một mô hình lý thuyếtcủa hiện tượng vật lý

Để cho đồ thị có ý nghĩa như một mô hình độc lập chứ không phải chỉ

là một dạng để biểu diễn một công thức toán học, cần nói rõ cách xây dựng và

sử dụng riêng của đồ thị

c) Mô hình lôgic- toán: Mô hình này dựa trên ngôn ngữ toán học Mô

hình này được sử dụng rộng rãi trên các máy tính điện tử Có thể coi mô hìnhdùng trong máy tính điện tử là mô hình ký hiệu đã được vật chất hóa Nhữnghiện tượng hoặc quá trình cần nghiên cứu được mô hình hóa dưới dạngchương trình của maý tính, nghĩa là hệ thống quy luật đã được mã hóa theongôn ngữ của máy, chương trình này có thể coi như algorit của các hành vicủa đối tượng nghiên cứu

Trong vật lý học những mô hình lý thuyết có tác dụng to lớn đối vớiquá trình nhận thức nên chúng giữ một vị trí quan trọng Mô hình ký hiệu và

mô hình biểu tượng trong sáng tạo khoa học vật lý liên quan mật thiết vớinhau và có ảnh hưởng đến sự phát triển của nhau

Tóm lại, chúng ta có thể xây dựng sơ đồ dạy kiến thức vật lý sau đây:

1.4 Dạy học theo hướng ứng dụng kiến thức vật lý

Những kiến thức vật lý là được các nhà khoa học phát minh từ những

sự vật từ những sự vật hiện tượng rồi tổng hợp và khái quát hóa thành những

định luật những khái niệm, những qui luật chung nhất, Sinh viên nghiêncứu vật lý là hoạt động khám phá ứng dụng vào thực tế cuộc sống kỹ thuật vàcông nghệ.

1.4.1 Cơ sở phương pháp nhận thức theo tính ứng dụng vật lý

Rõ ràng sự suy luận một giả thuyết là những kiến thức mà con ngườithường gặp trong cuộc sống Những giả thuyết đó chỉ trở thành nhận thứckhoa học khi chúng được kiểm tra và xác nhận bằng thực nghiệm và trongthực tiễn

Sở dĩ sự suy luận bằng phép tương tự đạt được những kết quả đáng tincậy trở thành một phương pháp có hiệu lực trong khoa học vì theo Kedrốp: Sựtương tự có nguyên nhân sâu xa là sự thống nhất bản chất bên trong củanhững hiện tượng khác nhau, sự thống nhất có tính tổng quát của các định luậtchung chi phối những định luật riêng

Trước hết chúng tương tự với nhau vì chúng tuân theo những mối quan

hệ nhân quả Dựa trên sự tương tự giữa các hệ quả mà người ta có thể đưa ra

sự tương tự giữa các nguyên nhân và ngược lại D.Didorot đã viết “Trong vật

lý học, tất cả những hiểu biết của chúng ta đều dựa vào sự tương tự nếu sự giống nhau về hệ quả mà không cho phép ta kết luận về sự giống nhau về nguyên nhân thì khoa học vật lý sẽ ra sao? Có cần phải đi tìm nguyên nhân của tất cả các hiên tượng tương tự không loại trừ gì hết? Liệu điều đó có thực hiện được không? Y học và những lĩnh vực thực nghiệm của vật lý sẽ như thế nào nếu không có nguyên lý tương tự đó Có thể rút ra được kết luận gì từ rất nhiều sự kiện, thực nghiệm và quan sát?”.

Trong lịch sử khoa học, nhiều phát minh vĩ đại tất cả điều được ứngdụng vào trong cuộc sống con người Đa số những giả thuyết khoa học ngàynay đều được đề xuất dựa trên những vấn đề con người thường gặp trong tựnhiên và trong cuộc sống

Ngoài những vấn đề trên vật lý học ngày nay không chỉ đơn thuầnnghiên cứu vật lý, mà vật lý học có mối liên hệ mật thiết với các ngành khoa

học khác vật lý - hóa học, vật lý - thiên văn, vật lý - sinh học, vật lý - y học,vật lý - nông học, vật lý - kỹ thuật và công nghệ,

Dựa trên cơ sở phương phấp nhận thức vật lý có tính ứng dụng mà cácnhà sư phạm cũng đã vận dụng chuyển hóa phương pháp nhận thức vật lýthành phương pháp dạy học vật lý [11] trong đó có phương pháp dạy học vật

lý ứng dụng vào các lĩnh vực kỹ thuật, công nghệ,… mà trong lý luận vàphương pháp dạy học vật lý ở trường phổ thông có tên gọi là: giáo dục kỹthuật tổng hợp, tư tưởng dạy học tích hợp hoặc là liên môn

1.4.2 Phương pháp nhận thức tính ứng dụng trong vật lý học

Trong xã hội ngày với việc phát triển của công nghệ đòi tự động hóa

và chuyên môn hóa đòi hỏi người học phải nắm vững kiến thức chuyên mônvững vàng Việc giảng dạy vật lý không chỉ giới hạn trong việc truyền thụcho học sinh những tri thức của bộ môn này, mà điều quan trọng hơn là qua

đó hình thành ở họ năng lực nhận thức sáng tạo đối với thế giới tự nhiên,

năng lực phản ánh thế giới hiện thực Theo Jacques Desautels: “Người thầy dạy khoa học không chỉ truyền cho học sinh một số vốn liếng lý thuyết mà còn hợp thức hoá và giá trị hoá ngay chính hoạt động khoa học” Do đó cần

phải tạo điều kiện để cho hoạt động học tập càng giống càng tốt đối với tiếntrình xây dựng tri thức của các nhà khoa học vật lý Làm được như vậy, sinhviên sẽ vừa tiếp nhận được tri thức, vừa tiếp nhận con đường và nhập cuộcvào con đường xây dựng tri thức vật lý Họ sẽ không mơ hồ trong việc phảivượt qua những trở lực khoa học để hiểu đúng đắn bản chất và vai trò củacác lý thuyết khoa học và biết kiến tạo lý thuyết đó, nhằm hiểu được thế giớixung quanh Xuất phát từ những quan niệm trên đây, các nhà khoa học chorằng cần vận dụng phương pháp dạy học theo tính ứng dụng trong vật lý học

đã và đang được dùng trong các lý thuyết bộ môn Vật lý vào việc giảng dạytrong nhà trường

Trong nghiên cứu khoa học vật lý, phương pháp dạy học theo tính ứng

dụng trong vật lý học có chức năng nhận thức, nó giúp ta phát hiện ra những

đặc tính mới, hiện tượng mới, quy luật mới Nếu xem xét quá trình học tậpcủa sinh là một quá trình hoạt động nhận thức thì mô hình cũng có chức năngnhư trong nghiên cứu khoa học vật lý Phương pháp dạy học theo tính ứngdụng trong vật lý học còn mang chức năng kiểm chứng cho tính đúng đắngcủa giả thuyết của khoa học

Trong khuôn khổ bài học và thời lượng của chương trình không chophép chúng ta tổ chức quá trình học tập sao cho sinh viên tự kiểm tra tínhđúng đắng của các lý thuyết khoa học nhưng cũng hoàn toàn đủ để cho họthấy được tính đúng đắng của lý thuyết

1.4.3 Tổ chức dạy học mang tính ứng dụng vật lý học

Nghiên cứu đặc điểm của hoạt động sáng tạo, chúng tôi thấy cần phảichuẩn bị cho học sinh những điều kiện sau đây khi dạy học theo phương phápdạy học theo tính ứng dụng trong vật lý học

- Về mặt tâm lý: gây hứng thú, nhu cầu nhận thức, vào giải quyếtnhiệm vụ nhận thức Trong lý luận dạy học, đó là đưa sinh viên vào tìnhhuống có vấn đề Vấn đề này được đề cập đến nhiều trong những công trình

về dạy học nêu vấn đề

- Về mặt vốn hiểu biết: đưa ra thực tế là dùng một hệ thống đã biết để

mô tả những đặc tính của đối tượng gốc

1.4.4 Tiến trình dạy học theo tính ứng dụng vật lý vào trong y học

Việc học sinh thông hiểu, áp dụng sáng tạo các kiến thức vào tìnhhuống mới, phụ thuộc trước hết là nội dung của chính môn học Cấu trúc tàiliệu giáo trình và phương pháp trình bày tài liệu có một ý nghĩa to lớn Vấn đềlựa chọn nội dung tài liệu giáo trình, cấu trúc của tài liệu đó và phương pháptrình bày phải tùy theo mục đích dạy học Nếu chúng ta chỉ đơn thuần chosinh viên làm quen với những nguyên lý mới, những định luật mới thì ta chỉthông báo cho sinh viên những kết luận lý thuyết có sẵn mà sinh viên sẽ phải

sử dụng Còn nếu chúng ta đặt vấn đề không những thông báo mà cả giúpsinh viên bồi dưỡng phẩm chất đặc trưng của năng lực sáng tạo là thông hiểukiến thức và áp dụng kiến thức vào tình huống mới, tức là phát triển trí tuệcủa sinh viên trong quá trình dạy học thì không phải bắt đầu việc trình bày tàiliệu giáo trình từ những lý thuyết có sẵn mà không giải thích chúng được rút

ra từ những sự kiện ban đầu nào và tính chất đúng đắn của lý thuyết đượckhẳng định bằng những thực nghiệm nào

Chúng tôi cho rằng cần trình bày nội dung theo chu trình sau “Những

sự kiện khởi đầu lý thuyết khoa học những hệ quả được rút ra một cách lôgic kiểm tra bằng thực nghiệm các kết quả” sẽ có tác dụng tốt trong việc

phát huy năng lực tư duy sáng tạo của học sinh

1.4.5 Thực trạng dạy học theo tính ứng dụng kiến thức vật lý đại cương, nhận xét các giáo trình vật lý đại cương cho sinh viên ngành y tế

Chúng tôi đã tìm hiểu một số giáo trình của các trường Đại học Y dược

Hồ Chí Minh, Đại học Y dược Thái Nguyên, Đại học Y dược Hà Nội thì hầuhết các giáo trình điều tách riêng làm hai phần cơ bản: phần thuần túy là vật

Kết luận chương 1

- Nội dung chương 1, chúng tôi đã hệ thống cơ sở lý luận về dạy họcvật lý đại cương theo hướng khai thác những kiến thức vật lý trong y học

- Với những nội dung chính: mối quan hệ giữa nghiên cứu vật lý và dạyhọc vật lý, nội dung dạy học vật đại cương theo hướng khai thác những kiếnthức vật lý vào quá trình đào tạo nghề ở trường đại học và cao đẳng chuyênnghiệp, những vấn đề về nhận thức tính ứng dụng của vật lý trong quá trìnhdạy học vật lý đại cương và những nội dung chính khai thác những kiến thứcvật lý đại cương trong qua trình dạy học cho sinh viên ngành y

Cơ sở lý luận của chương 1 là nền tảng để giáo viên có thể cấu trúc lạinội dung của giáo trình vật lý đại cương hiện hành theo hướng dạy học vậndụng những kiến thức vật lý vào việc đào tạo nghề ở bậc đại học và cao đẳng

Chương 2

DẠY HỌC NHỮNG KIẾN THỨC VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG

ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC CHO SINH VIÊN TRƯỜNG CAO ĐẲNG Y TẾ CẦN THƠ

Tính chất bảo toàn trạng thái đứng yên hay chuyển động thẳng đều gọi

là quán tính của vật

Ví dụ: Một người đang đứng yên trên con tàu chuyển động thẳng đều.Khi đó người cũng chuyển động với vận tốc v = const Bỗng nhiên, tàu đứnglại, do quán tính người vẫn tiếp tục chuyển động nên người bị ngã về phíatrước Tương tự, người bị ngã về phía sau khi tàu đang đứng yên bắt đầuchuyển động

- Định luật II Niutơn

Tác dụng của vật này lên vật khác được biểu thị bởi một đại lượngvectơ gọi là lực Dưới tác dụng của lực, vật có thể biến đổi vận tốc chuyểnđộng tức là thu được gia tốc, hoặc bị biến dạng tức là thay đổi hình dạng vàkích thước

Khi nhiều lực tác dụng lên một chất điểm: , , , thì tác dụngđồng thời của nhiều lực tương đương với tác dụng của lực tổng hợp

n

F F

Đơn vị lực: Niutơn (ký hiệu N) 1N = 1kg.m/s2

- Định luật III Niutơn:

Khi vật A tác dụng lên vật B một lực thì ngược lại vật B sẽ tác dụnglên vật A một lực có cùng phương, ngược chiều với và có độ lớn bằng

độ lớn của (hai lực và trực đối nhau)

Một trong hai lực gọi là lực tác dụng, lực còn lại gọi là phản lực

Ví dụ: Người bơi lấy tay và chân đẩy nước về phía sau, phản lực củanước đẩy người đó về phía trước

2.2.2 Các lực liên quan đến sự vận động cơ thể

- Định luật vạn vật hấp dẫn

Lực hấp dẫn (lực hút) giữa hai chất điểm bất kỳ tỉ lệ thuận với tíchhai khối lượng của chúng và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cáchgiữa chúng

(1.1)

G = 6,67.10-11 N.m2/kg2 là hằng số hấp dẫn

- Trọng lực

Trường hấp dẫn của Trái Ðất, do khối lượng của Trái Ðất tạo ra ở gần

bề mặt của nó được gọi là trọng trường Trọng trường là nguyên nhân làm chomọi vật phải rơi vào bề mặt của Trái Ðất, giữ cho trái đất có một lớp khíquyển bao quanh; lớp khí nầy bảo vệ mọi sinh vật trên Trái Ðất và Trái Ðấttránh được tác hại do các bức xạ mạnh phát ra từ vũ trụ

Trọng lực tác dụng lên một cơ thể là lực hấp dẫn của Trái Ðất tác dụnglên cơ thể đó và lực ly tâm do chuyển động quay của Trái Đất tạo ra; thông

thường lực ly tâm khá bé so với lực hấp dẫn của Trái Đất nên trọng lực có thểtính là:

Tại gần bề mặt của Trái Ðất gia tốc trọng trường được tính bằng côngthức:

 g = 9,81 m/s2 (1.3)

R, M lần lượt là bán kính và khối lượng của Trái Ðất (R= 6400km;

M = 5,98.1024 kg);

Hằng số hấp dẫn bằng G = 6,67.10-11 m3/kg.s2

Tổng quát, khi xét độ lớn gia tốc trọng trường tại điểm có độ cao là h

so với mặt đất, (1.3) có thể viết lại là:

(1.4) Vậy gia tốc trọng trường tỷ lệ nghịch với độ cao so với tâm Trái Đất;càng lên cao gia tốc trọng trường càng giảm nên g có gía trị cực đại tại mặtđất: gmax = g0

Tính gần đúng g theo ở một độ cao h (nhỏ hơn nhiều so với R) theocông thức:

 gh = g0 (1.5) Nếu h << R ta có thể xem g = g0

Nếu h >> R thì (1.4) cho thấy g0, lực hấp dẫn tại đó có thể bỏ qua, tagọi đó là trường hợp không trọng lực

2 11

) 6380000 8850

(

10 98 , 5 ) / 10

67 , 6 ( )

m m

m

kg kg

Nm h

R

M G

Trọng tâm của cơ thể (điểm đặt toàn bộ trọng lực) cũng sẽ thay đổi theonhững tư thế khác nhau của cơ thể Khi bạn đứng lâu, hai chân bạn bị áp lựccủa toàn bộ cơ thể; mặc khác chân bạn lại bị phản lực của mặt đất tác dụngngược từ dưới lên làm cho các mạch máu dưới lòng bàn chân bị ép lại, bạn sẽcảm thấy tê chân; Tương tự, khi bạn nằm, bạn phải luân phiên thay đổi vị trítiếp xúc của lưng với mặt giường, khi ngủ tránh tạo áp lực của đầu hoặc thânmình lên tay chân; ví dụ gối đầu lên tay sẽ làm hạn chế sự lưu thông máu ởtay; Trong ăn uống, việc đưa thức ăn từ miệng xuống bao tử được thực hiện

dễ dàng nhờ vào tác dụng của trọng lực ở tư thế ngồi hoặc đứng

Ở điều kiện không có trọng lực như khi phi công bay vào chân không,muốn thực hiện việc uống nước, phi công cần dùng một ống hút để hút chấtlỏng vào miệng

- Lực căng cơ

Lực căng là một dạng của lực đàn hồi xuất hiện khi chiều dài của vậtđang xét bị thay đổi Bản chất của lực đàn hồi là lực điện từ (tức là lực đẩy

hay lực hút giữa các hạt tích điện) Xét cụ thể một chất điện môi (phần lớncác bộ phận cơ thể cấu tạo từ chất điện môi) có cấu trúc phân tử lưởng cực(hình 1.2)

Sự liên kết tĩnh điện giữa các đầu của các cực lưỡng được biểu diễngiống như liên kết giữa các lò xo; Khi làm nén hoặc dãn lò xo, lực đàn hồicủa lò xo có tác dụng chống lại ngoại lực và làm cho vật trở lại kích thướcban đầu

Công thức của lực đàn hồi (Ðịnh luật Hoock) có thể viết dưới dạngtổng quát là:

F dh = -kx (1.6)

k được gọi là hệ số đàn hồi có đơn vị là N/m, x là độ lệch của vật so với

vị trí cân bằng (vị trí mặc nhiên mà lò xo không bị nén hoặc dãn)

Hình 1.3 Khi một nhóm cơ co thì nhóm cơ đối diện dãn

Các bộ phận trong cơ thể người và động vật liên kết với nhau bằng các

tế bào cơ mà lực căng, dãn của các tế bào cơ có thể điều khiển được nhờ hệthống thần kinh và các dây thần kinh

Lưu ý rằng tùy thuộc vào tính chất của sự vận động như chạy, nhảy,leo, khiêng, đẩy, kéo mà một số cơ đặc biệt trên các chi sẽ căng hoặc dãn đếnmột mức độ thích hợp cho sự vận động đó

Thực tế, cơ không thể đẩy mà chỉ có kéo, khi cơ kéo, nó trở nên ngắn

và đầy đặn hơn, ta gọi đó là sự co cơ Để kéo xương về vị trí cũ, phải có thêmmột cơ khác nằm ở phía đối diện (hình 1.3) Khi một cơ co thì cơ kia sẽ bịdãn; vì thế cơ phải hoạt động thành từng cặp

Lao động và vận động thường xuyên sẽ giúp cho các cơ mau đạt đượcmức độ căng dãn mong muốn, đó là qúa trình tập luyện Tuy nhiên, vì cơ làmviệc suốt ngày nên nó cũng cần được thư giãn Ngủ đủ giấc trong ngày giúp

cơ mau chóng phục hồi chức năng phương pháp xoa bóp nhẹ các vùng trên

cơ sẽ làm tản máu trong cơ, tăng cường trao đổi oxi giúp cơ có nhiều nănglượng hơn

- Lực ma sát

Lực ma sát xuất hiện khi có sự tiếp xúc và chuyển động tương đối củacác vật tiếp xúc với nhau Hai vật chuyển động tiếp xúc nhau là vật rắn thìsinh ra lực ma sát khô; Nếu một hoặc cả hai vật là chất lưu (chất khí và lỏng)thì sinh ra ma sát nhớt như ma sát giữa máu chảy trong các ống động mạch,tĩnh mạch; ma sát của các luồng khí vận chuyển trong cơ thể khi hô hấp, masát của thức ăn trong bao tử, ruột

Bây giờ ta xét về lực ma sát khô

Lực ma sát f giữa quyển sách và bề mặt gồ ghề ngược với hướng củalực tác dụng F Bởi vì cả hai bề mặt ở đây đều gồ ghề nên sự tiếp xúc chỉ ởmột số điểm như hình phóng đại (a) Độ lớn của lực ma sát tĩnh bằng với độlớn của lực tác dụng (b) Khi độ lớn của lực tác dụng vượt quá độ lớn của lựchơn độ lớn của lực ma sát động thì quyển sách được gia tốc về phía phải (c)

Đồ thị biểu diễn lực ma sát theo lực tác dụng Lưu ý: Lực ma sát nghỉ cực đại

fs,max > fk (hình 1.4)

Hình 1.4 Các tính chất của ma sát khô

Thực nghiệm chứng tỏ răng khi một vật ép vào một bề mặt nào đó (vật

và mặt đều khô và không được bôi trơn) và có một lực làm trượt vật trênmặt này, thì lực ma sát được sinh ra, nó có ba tính chất

Tính chất 1 Nếu vật không chuyển động thì lực ma sát tĩnh vàthành phần song song với bề mặt của lực bằng nhau về độ lớn nhưngngược chiều

Tính chất 2 Độ lớn của có giá trị cực đại xác định bởi

=sN trong đó s là hệ số ma sát tĩnh và N là độ lớn của lực pháp tuyến Nếu

độ lớn của thành phần song song với mặt của vượt quá thì vật bắt đầutrượt trên mặt

Tính chất 3 Nếu vật bắt đầu trượt trên mặt thì độ lớn của lực ma sátgiảm nhanh xuống giá trị được xác định bởi

N

f k  k

trong đó k là hệ số ma sát động Ngay sau đó trong khi vật trượt, độlớn của lực ma sát động được xác định bởi phương trình chuyển động trên.

Các hệ số s và k không có thứ nguyên và được xác định bằng thựcnghiệm Và giá trị của chúng phụ thuộc vào cả vật lẫn bề mặt nên ta thườngnói về chúng với từ “giữa” như trong câu “giá trị s giữa xe và mặt đườngnhựa là 0,5” lệ nghịch với độ lợi cơ học

2.1.3 Khái niệm đại cương về công và công suất

2.1.3.1 Công

Khái niệm công đã có trong đời sống hàng ngày Thực vậy, khi kéo mộtgầu nước, đẩy xe, ta nói đã thực hiện công Lực càng lớn chuyển dời càng xathì công sinh ra càng nhiều

Để đơn giản, ta xét lực không đổi tác dụng lên vật làm vật di chuyểnđoạn đường S Thì công do lực sinh ra được tính bởi:

AF.S

: vectơ dịch chuyển

 cos

.S F

A 

Đơn vị của công: Jun (ký kiệu: J) 1J = 1N.m

Công là đại lượng vô hướng có thể dương, âm hoặc bằng 0

Nếu  < thì A > 0: lực sinh công phát động

Nếu  > thì cos  < 0 nên A < 0: lực sinh công cản

Nếu  = ; cos  = 0 nên A = 0: lực không sinh công

2.1.3.2 Công suất

Để đặc trưng cho sức mạnh của các máy người ta đưa ra khái niệmcông suất Hai máy cùng sinh một công thì máy nào thực hiện công đó trongthời gian ít hơn sẽ mạnh hơn

Định nghĩa: Công suất là đại lượng vật lý về trị số bằng công mà lựcsinh ra trong một đơn vị thời gian

Gọi dA là công mà lực sinh ra trong thời gian dt thì công suất tính bởi:

Năng lượng là thước đo mức độ vận động của vật chất, nó đặc trưngbằng khả năng thực hiện công

Với g = 9,81 m/s2: gia tốc trọng trường

h là độ cao của vật so với vị trí được chọn làm gốc thế năng

Điện năng, hóa năng, quang năng, nhiệt năng, năng lượng hạt nhân

2.1.4 Cơ học chất lưu

Chất lưu - có vai trò trung tâm trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta.

Ta hít thở và uống chúng và một chất lưu “sống còn” hơn nữa đang chảytrong hệ tim mạch của con người

- Chất lưu lý tưởng: là chất lưu hoàn toàn không nén được và trong chất

ấy không có các lực nhớt

2.1.4.2 Những đại lượng cơ bản

- Khối lượng riêng

Để tìm khối lượng riêng của một chất lưu tại một điểm bất kỳ, tatách riêng một nguyên tố thể tích nhở V quanh điểm đó và đo khối lượng mcủa chất lưu chứa trong nguyên tố đó Khi đó khối lượng riêng là:  =

Đơn vị của khối lượng riêng là: kg/m3

Đối với chất lỏng người ta còn dùng khái niệm tỷ trọng

- Tỷ trọng

Tỷ trọng của một chất lỏng nào đó là tỉ số giữa khối lượng riêng củachất lỏng đó với khối lượng riêng của nước nguyên chất ở cùng điều kiệnnhiệt độ và áp suất Tỷ trọng là đại lượng không có đơn vị

Bảng 1.3 Khối lượng riêng của một số chất phổ biến ở nhiệt độ 20 0 C

Vật liệu hoặc vật Khối lượng riêng (kg/m3)

- Áp suất

Khi chúng ta lấy ngón tay khẽ bị lỗ hở của vòi nước ta cảm thấy lựccủa nước đè lên ngón tay Khi lặn sâu trong nước ta cảm thấy tai bị đau, đócũng là do áp lực của nước đè lên màng nhĩ Những ví dụ trên chứng tỏ khimột vật rắn tiếp xúc với một chất lỏng, thì các phân tử của chất lỏng sẽ tácdụng lực vào vật rắn tiếp xúc với nó Lực tác dụng này được phân bố trêntoàn bộ diện tích tiếp xúc

Áp suất là tỷ số của áp lực F (của chất lưu) với toàn bộ diện tích tiếp xúc S của vật rắn.

Các lực vuông góc tác dụng lên vật,

gây áp suất lên vật

Một thiết bị đơn giản dùng để đo áp

suất của chất lưu

Áp suất chính là áp lực trung bình của chất lưu trên một đơn vị diệntích tiếp xúc

Đơn vị của áp suất: N/m2, hay có tên riêng là Pascal (Pa)

Ngoài ra, người ta còn dùng một số đơn vị áp suất khác như:

Atmotphe kỹ thuật (at): 1at = 9,81.104 N/m2 = 9,81.104 Pa

Torr (để lưu niệm Evangelius Torricelli, người sáng chế ra cái phong

vũ biểu thủy ngân năm 1674) được gọi một cách hình thức là milimet thủyngân (mmHg)

1Torr = 1mmHg là áp suất gây bởi cột thủy ngân cao 1mm

a) Trọng lượng không khí trong phòng khách là bao nhiêu?

Giải

Gọi V là thể tích của phòng và  là khối lượng riêng của không khí ở

áp suất 1atm, ta có:

P = mg = Vg = (1,21kg/m3)(3,5m x 4,2m x 2,4m)(9,8m/s2) = 418N  420NTức là cỡ 42 kg Bạn có thể không ngờ rằng không khí trong phòng lạinặng đến thế?

b) Lực do khí quyển tác dụng lên sàn căn phòng là bao nhiêu?

Giải Lực đó bằng:

F = p.S = (1atm) x (3,5m x 4,2m) = 1,5.106 N

Lực này (170 tấn) là trọng lượng của cột không khí chùm lên sàn vàkéo dài đến tận cùng của khí quyển Tại sao một lực khổng lồ như vậy lạikhông làm cho sàn vỡ?

2.1.4.3 Công thức cơ bản của tĩnh học chất lưu

Áp suất trong chất lưu (tĩnh) tăng theo độ sâu bởi vì trọng lượng củaphần nước bên trên Trong chất lưu có khối lượng riêng , chênh lệch áp suất

là P2 - P1, giữa hai điểm cách nhau một độ cao h, cho bởi:

gh p

p2  1  

Áp suất ở một độ sâu y so với mặt nước, khí quyển có áp suất p0:

gh p

Những vị trí có cùng độ cao trong lòng chất lưu sẽ có cùng áp suất

Những ống hình dạng khác nhau nốithông nhau Hình minh hoạ rằng ápsuất như nhau tại mọi điểm trong chấtlỏng có cùng độ sâu (thuộc cùng mộtmặt phẳng ngang)

2.1.4.4 Nguyên lý Pascal và đòn bẩy thủy tĩnh

Khi một lực F1 tác dụng lên bề mặt của một chất lỏng có diện tích A1,khi đó áp suất trong chất lỏng tăng lên một lượng P, cho bởi:

1 1

2 2

2 F

A

A A P

Tỉ số A2 / A1 tương tự như độ lợi cơ học của một đòn bẩy

Nguyên lí này cũng là cơ sở cho cách thao tác của Heimlich, trong đó,một độ tăng áp suất đột ngột tác dụng chính xác vào bụng sẽ được truyền đếncuống họng mà đẩy mạnh một miếng thức ăn tắc nghẽn ở đó

a Vật có khối lượng riêng nhỏ hơnkhổi lượng riêng chất lỏng thì FA >

Fg, lực tổng hợp hướng lên, vật nổitrên mặt chất lỏng

b Nếu khối lượng riêng của vật lớnhơn khối lượng riêng chất lỏng thì

FA < Fg, lực tổng hợp hướng xuống,vật chìm xuống

Chú ý: không nên nhầm lẫn độ lớn của lực đẩy Archimede và độ lớncủa trọng lực

Độ lớn trọng lực là: =

trong đó VR là khối lượng riêng của vật rắn (  )

V VR là thể tích của vật rắn (khi vật chìm một phần trong chấtlưu thì , còn khi vật chìm hoàn toàn trong chất lưu thì )

2 Ứng dụng: Khí cầu, tàu bè, cầu phao, phương pháp trục vớt tàuđắm

Bài tập mẫu 3

Một khí cầu bơm đầy hêli, có bán kính R bằng 12m Khí cầu, cáp trep

và giỏ có khối lượng m bằng 196kg Tải cực đại M mà khí cầu có thể chởđược, là bao nhiêu?

Lấy = 0,16kg/m3 và khkhi = 1,25kg/m3

Quả khí cầu chứa khí nóng Bởi vì không khínóng có mật độ nhỏ hơn không khí lạnh, lựctổng hợp hướng lên tác dụng vào quả khí cầu

trong đó V = là thể tích của khí cầu

Khi cân bằng, theo nguyên lí Archimede

const v

Trong đó: P là áp suất trong chất lưu, h là độ cao,  khối lượng riêng, v

là vận tốc tại một điểm bất kỳ trong dòng chảy Đại lượng đầu tiên trong pt là

thế năng trên một đơn vị thể tích của chất lưu, có được nhờ vào áp suất trongchất lưu Cụm thứ hai là thế năng trọng trường trên một đơn vị thể tích, vàcụm thứ ba là động năng trên một đơn vị thể tích.

Pt Bernoulli phản ánh định luật bảo toàn năng lượng Bởi vị ba cụmtrong pt thể hiện tổng năng lượng trong chất lưu, trong trường hợp không có

ma sát, tổng đó phải bằng hằng số bất kể dòng chảy có thay đổi thế nào

Một ví dụ minh họa đơn giản về cách sử dụng pt Bernoulli:

Xét một dòng chảy qua một ống gồm hai đoạn với các tiết diện lần lượt

là A1 và A2 Thể tích chất lưu chảy qua trong một đơn vị thời gian tại một vị

trí bất kỳ trong ống, được cho bởi tích số giữa tiết diện và vận tốc, A  v Nếu

chất lưu không nén được, trong một đơn vị thời gian bao nhiêu chất lưu chảyvào thì bấy nhiêu chất lưu chảy ra Vì vậy: A1.v1 = A2v2 hay

Trong trường hợp của chúng ta, A1 > A2 nên vận tốc chảy ở đoạn ống 2lớn hơn vận tốc chảy ở đoạn ống 1

Theo pt Bernoulli, mối liên hệ giữa P, , h, và v tại hai điểm 1 và 2 là:

2 2 2

2

2 1 1

1 2

2 1

1 2

A v P

Nhận xét: Ở đoạn ống 2, có vận tốc chảy tăng thì áp suất ở đó giảm.Bài tập mẫu 4

Tiết diện A1 của động mạch chủ (mạch máu lớn nhất từ tim ra) của mộtngười bình thường đang đứng nghỉ là 3cm2 và tốc độ v1 của máu là 30cm/s.Một mao mạch điển hình (đường kính 6m) có tiết diện A2 bằng 3.10 -7 cm2

và có tốc độ dòng v2 = 0,05 cm/s Hỏi một người phải có bao nhiêu maomạch?

Giải

Toàn bộ máu đi qua các mao mạch đều phải đi qua động mạch chủthành thử:

A1v1 = nA2v2trong đó n là số mao mạch Giải theo n, ta được:

9 2

7 2 2

2

1

1 6 10

) / 05 , 0 )(

10 3 (

) / 30 )(

s cm

cm v

A

v A n

 8

Chất lưu Nhiệt độ (0C) Độ nhớt (poise)

0,018,30,01550,000180,04

Có sự khác nhau cơ bản giữa sự chảy không có ma sát và chảy có masát nhớt Chất lưu chảy không ma sát sẽ chảy ổn định mà không cần ngoại lựctác dụng vào nó Điều này được phản ánh trong pt Bernoulli, nếu độ cao vàvận tốc không đổi thì không có sự giảm áp suất dọc theo dòng chảy Nhưngđịnh luật Poiseuille, áp suất giảm (mô tả bằng độ giảm P1 - P2, ứng với lưulượng Q) dọc theo chiều dài L của ống Tích số giữa độ giảm áp suất và điệntích của ống chính là lực đòi hỏi để thắng lực ma sát có xu hướng chống lại sựchảy trong đoạn ống Lưu ý: với một lưu lượng cho trước, độ giảm áp suấtcần thiết để vượt qua tổn thất do ma sát giảm theo lũy thừa bậc 4 của bánkính Vì vậy, mặc dù tất cả các chất lưu là những đối tượng có ma sát, nhưngnếu tiết diện của dòng chảy lớn, tổn hao do ma sát và độ giảm áp suất là nhỏ

có thể bỏ qua Trong những trường hợp này, pt Bernoulli có thể dùng đượcvới sai số nhỏ

Chứng minh công thức Poiseuille

Xét một ống mao quản nằm ngang có chiều dài và bán kính R (xemhình) Giả sử chất lỏng có độ nhớt  và chảy thành lớp trong ống Vận tốcchảy của chất lỏng lớn nhất ở trục ống và bằng 0 ở thành ống Chọn trục xnằm dọc theo trục của ống, gọi áp suất tại x = 0 là p0 và tại x = là

Bây giờ chúng ta xét những lực tác động lên một hình trụ tưởng tượng

có bán kính r tính từ trục ống Độ biến thiên vận tốc tại mọi điểm trên bề mặtcủa hình trụ tưởng tượng này là Lực nội ma sát do lớp nước bên ngoài

hình trụ tác dụng lên lớp nước bên trong là: F = 2r  trong đó 2r là

diện tích xung quanh của hình trụ tưởng tượng Phần nước bên trong hình trụtưởng tượng sẽ chảy với vận tốc lớn hơn phần nước bên ngoài, vì vậy lực nội

ma sát này hướng sang trái (ngược với hướng dòng chảy) Lực gây chảy củakhối trụ tưởng tượng là: r2 ( )

Khi chất lỏng trong khối trụ tưởng tượng chảy ổn định thì có nghĩa làlực gây chảy bằng với lực nội ma sát:

0 2

) ( 0

2   

dr

dv r p

r dr



Trong đó: ( )/ gọi là gradient áp suất của chất lỏng trong ống

rdr p p dv





 2

) ( 0 





) ( 0

C r p p

2 2





2 2

) (

)

0 p R p

Suy ra: 4 ( )

) (p0 p R2 r2

Diện tích hình vành khăn có đoạn dr là:

2 2

dQ 2  Lấy tích phân biểu thức trên ta có lưu lượng chất lỏng chảy qua ống có bánkính r:

dr r R r

p r

vrd

4 2

với pp0  p

dr r rR

( 4

0

4 2

2 r r pR R

p Q

2.1.7 Sự chảy rối

Nếu vận tốc của chất lưu tăng vượt quá một vận tốc tới hạn thì chuyểnđộng thành lớp bị phá vỡ Dòng chảy trở nên rối với những cuộn xoáy phá vỡchuyển động lớp Trong một ống hình trụ vận tốc tới hạn, mà khi trên vận tốc

đó chất lưu sẽ chảy rối, được cho bởi:

Vì vậy, khi chảy rối thì chất lưu chảy qua ống khó khăn hơn

Bài tập mẫu 5

Một người có huyết áp tâm thu là 120 mmHg Anh ta đột ngột phải vậnđộng mạnh (chẳng hạn bị chó rượt) Khi đó lưu lượng máu đòi hỏi phải

tăng lên gấp 5 lần so với trạng thái bình thường

a) Nếu sự tăng lưu lượng chỉ được thực hiện bằng việc tăng huyết áp thìhuyết áp tâm thu lúc bấy giờ phải là bao nhiêu để lưu lượng máu có thể tănglên 5 lần?

b) Nếu sự tăng lưu lượng được thực hiện bằng việc co/dãn mạch máuthì bán kính mạch máu phải giảm xuống hay tăng lên bao nhiêu lần?

Giải

a) Để lưu lượng máu tăng lên 5 lần chỉ bằng cách tăng huyết áp thì đòihỏi huyết áp phải tăng lên 5 lần Do đó huyết áp tâm thu phải đạt đến:5.120mmHg = 600 mmHg, điều này theo sinh lý học là không thể có

b) Theo công thức Poiseuille, ta có: Q = K R4

Với K là hằng số phụ thuộc vào độ giảm áp suất, chiều dài mạch, độnhớt của máu

Gọi r’ là bán kính mạch tương ứng với lưu lượng tăng lên 5 lần

(R’)4 = 5R4

5 , 1

5 4

1 '





R R

Như vậy, chỉ cần tăng bán kính mạch lên 1,5 lần là lưu lượng đã có thểtăng lên 5 lần.

2.2 Nhiệt học

2.2.1 Các hiện tương vận chuyển vật chất trong cơ thể sống - nhiệt động học hệ sinh học

2.2.1.1 Nhiệt và thuyết động học phân tử

Vật chất được cấu tạo từ các nguyên tử và phân tử, chúng luôn chuyểnđộng hỗn loạn không ngừng Trong chất khí, các nguyên tử (hoặc phân tử)hầu như tự do Chúng chuyển động ngẫu nhiên theo mọi hướng, thườngxuyên va chạm với các phân tử khác và với thành bình Ngoài chuyển độngtịnh tiến, khí đa nguyên tử còn thanh gia các chuyển động dao động và quaytheo những hướng ngẫu nhiên Trong chất rắn, các nguyên tử liên kết chặt chẽlẫn nhau, chuyển động ngẫu nhiên rất bị hạn chế

Nội năng của một khối khí lý tưởng được hình thành từ động năng củacác phân tử, và vì vậy động năng trung bình tỉ lệ với nhiệt độ

Động năng trung bình của một phân tử cho bởi:

kT

mv

tb 2

3 2

T (K) = t (0C) + 273,15

k = 1,38 10 -23 (J/hạt.K): hằng số Boltzmann

Mỗi lần một phân tử va chạm với thành bình, động lượng sẽ đượctruyền cho thành bình Sự biến đổi động lượng trong một đơn vị thời gian làlực Áp suất khí tác dụng lên thành bình phụ thuộc vào số phân tử khí N cótrong bình Mối liên hệ giữa áp suất P, thể tích V, và nhiệt độ T, cho bởi:

PV = NkTTrong một bình kính, tổng số phân tử N cố định, vì vậy nếu nhiệt độđược giữ không đổi, tích của áp suất và tiể tích bằng hằng số:

PV = const (định luật Boyle)

2.2.1.2 Các định nhĩa

- Đơn vị nhiệt lượng

Đơn vị của nhiệt lượng là calo Một calo (cal) là nhiệt lượng cần thiết

để làm 1 gam nước tăng lên 1 độ C

1 Cal = 4,184 J

Trong dinh dưỡng, đơn vị thường được dùng là kilocalo (kCal)

1 kcal = 1000 cal

- Nhiệt dung riêng

Nhiệt dung riêng là nhiệt lượng cần thiết để tăng nhiệt độ của một gamvật chất lên 10C

Chất Nhiệt dung riêng (cal/g.0C)