Bài giảng Phân tích chương trình Vật lý phổ thông

Nội dung text: Bài giảng Phân tích chương trình Vật lý phổ thông

1. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - đại học huế tr−ờng đại học s− phạm Lê công triêm - LÊ THúC TUấN bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lý phổ thông huế- 2004
2. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 Ch−ơng I Mở đầu I. Đối t−ợng và nhiệm vụ của bộ môn “Phân tích ch−ơng trình vật lý phổ thông” là một phần quan trọng của chuyên ngành Ph−ơng pháp dạy học vật lý ở tr−ờng phổ thông nhằm nghiên cứu cấu trúc ch−ơng trình, nội dung kiến thức đ−ợc trình bày trong sách giáo khoa vật lý phổ thông và cách tổ chức dạy cho học sinh một số kiến thức cụ thể. Nh− vậy, đối t−ợng của Phân tích trình vật lý phổ thông là ch−ơng trình và sách giáo khoa vật lý phổ thông. Nhiệm vụ chính của Phân tích ch−ơng trình là nghiên cứu cấu trúc ch−ơng trình, nội dung kiến thức, cách thể hiện nội dung kiến thức đó trong sách giáo khoa vật lý, tức là nắm đ−ợc ý đồ của tác giả sách giáo khoa và tổ chức dạy học một số kiến thức cụ thể. Cơ sở nghiên cứu của Phân tích ch−ơng trình, tr−ớc hết là khoa học vật lý bao gồm các kiến thức về vật lý đại c−ơng, vật lý lý thuyết và vật lý kỹ thuật; những kiến thức về lý luận dạy học bộ môn, những kiến thức về triết học, về tâm lý học và về giáo dục học. II. Những vấn đề lý luận chung trong việc xây dựng ch−ơng trình vật lý phổ thông Ch−ơng trình vật lý phổ thông của hầu hết các n−ớc trên thế giới kéo dài từ 5 đến 7 năm và bắt đầu từ lứa tuổi 13, 14, tức là từ lớp 6 hoặc lớp 7. Cấu trúc ch−ơng trình, nội dung kiến thức trong các giáo trình vật lý phổ thông hoàn toàn khác nhau đ−ợc quy định bởi hệ thống giáo dục phổ thông, nhiệm vụ bộ môn và truyền thống giáo dục của từng quốc gia đó. Tuy vậy, ng−ời ta cũng tìm đ−ợc những nét chung về mặt cấu trúc, về cách thể hiện các quan điểm nhận thức của vật lý học và các khuynh h−ớng đặc tr−ng trong việc xây dựng ch−ơng trình và sách giáo khoa. 2.1. Cấu trúc ch−ơng trình Nhìn lại lịch sử của việc xây dựng ch−ơng trình và quá trình phát triển của sách giáo khoa nói chung, trong đó có sách giáo khoa vật lý, chúng ta thấy các tác giả đã sử dụng nhiều kiểu cấu trúc khác nhau. Đó là kiểu cấu trúc đ−ờng thẳng, cấu trúc đồng tâm và cấu trúc bậc. 1
3. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 2.1.1. Cấu trúc đ−ờng thẳng Cấu trúc ch−ơng trình theo đ−ờng thẳng là kiểu cấu trúc mà trong đó nội dung kiến thức đ−ợc sắp xếp theo một trật tự logic chặt chẽ từ đầu đến cuối. Tất cả kiến thức của vật lý học dự định đ−a vào sách giáo khoa chỉ đ−ợc trình bày một lần mà không bao giờ có sự lặp lại kiến thức. Ưu điểm của kiểu cấu trúc này là tiết kiệm đ−ợc thời gian học tập. Nh−ng nh−ợc điểm lớn nhất của nó là không thể trình bày trọn vẹn những kiến thức “ban đầu” của vật lý học cho những học sinh lớp d−ới do khả năng nhận thức của các em còn rất hạn chế và do công cụ cần thiết của toán học ch−a đ−ợc trang bị đầy đủ. Chính vì vậy mà kiểu cấu trúc này đ−ợc sử dụng rất ít trong các tr−ờng phổ thông. 2.1.2. Cấu trúc đồng tâm Cấu trúc đồng tâm là kiểu cấu trúc mà trong đó nội dung kiến thức đ−ợc sắp xếp theo “các vòng tròn đồng tâm” Theo kiểu cấu trúc này, ở các lớp d−ới, học sinh đ−ợc học toàn bộ kiến thức vật lý đ−ợc trình bày một cách đơn giản phù hợp với khả năng nhận thức của các em. Những nội dung kiến thức đó lại đ−ợc trình bày cho học sinh ở các lớp cuối cấp nh−ng ở mức độ sâu hơn, hoàn thiện hơn trên cơ sở học sinh đã nắm đ−ợc những kiến thức về hóa học và sử dụng đ−ợc các công cụ toán học cần thiết trong việc nghiên cứu định l−ợng các khái niệm, các định luật, các thuyết vật lý một cách chính xác. Ưu điểm lớn nhất của kiểu cấu trúc này là kiến thức đ−ợc lặp đi lặp lại, tạo điều kiện cho học sinh hiểu kỹ hơn và nhớ lâu hơn. Tuy nhiên, kiểu cấu trúc này đã sớm bộc lộ nh−ợc điểm lớn. Đó là sự hao phí quá nhiều về thời gian học tập; khi kiến thức cũ đ−ợc lặp lại làm mất hứng thú học tập ở nhiều học sinh khá giỏi. Chính vì lý do đó mà trong những thập niên gần đây, các chuyên gia xây dựng ch−ơng trình và các tác giả sách giáo khoa không còn sử dụng cấu trúc này. 2.1.3. Cấu trúc bậc Để khắc phục nh−ợc điểm vốn có của hai kiểu cấu trúc trên, các nhà ph−ơng pháp dạy học và các tác giả sách giáo khoa đã đ−a ra kiểu cấu trúc mới: cấu trúc bậc. Theo kiểu cấu trúc này, ch−ơng trình vật lý phổ thông đ−ợc chia thành hai hoặc ba bậc (thông th−ờng là hai bậc). ở bậc học d−ới, những kiến thức vật lý đơn giản đ−ợc trình một cách hoàn thiện, không lặp lại ở bậc học trên. Bậc học trên dành để bổ sung, hoàn thiện những nội dung kiến thức mà không thể hoàn thiện ở bậc d−ới đ−ợc. Với những −u điểm nh− vậy nên kiểu cấu trúc bậc đã đ−ợc hầu hết các nhà khoa học, các chuyên gia sử dụng ch−ơng trình và viết sách giáo khoa. 2
4. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 2.2. Các khuynh h−ớng khác nhau trong việc xây dựng ch−ơng trình vật lý phổ thông Ch−ơng trình vật lý phổ thông của tất cả các n−ớc trên thế giới đ−ợc xây dựng theo ba khuynh h−ớng khác nhau. Đó là các khuynh h−ớng: chú trọng tính thực tiễn, tính logic vốn có của vật lý học và tính logic của quá trình nhận thức của học sinh. 2.2.1. Khuynh h−ớng chú trọng tính thực tiễn Khuynh h−ớng chú trọng tính thực tiễn không đề cập đến tính toàn vẹn của tri thức vật lý mà chỉ cung cấp những kiến thức rất đại c−ơng cần thiết cho nhiều ngành nghề sau này. Những kiến thức sâu hơn về vật lý sẽ đ−ợc trình bày ở bậc đại học hoặc trong các tr−ờng nghề liên quan đến vật lý học. Điển hình của khuynh h−ớng này là ch−ơng trình vật lý PSSC (Physical Science Study Committee) của Mỹ. Ch−ơng trình này gồm bốn phần và đ−ợc trình bày nh− sau: Phần 1: Vũ trụ Ch−ơng 1: Nhập môn vật lý học Ch−ơng 2: Thời gian và đo thời gian Ch−ơng 3: Không gian và phép đo không gian Ch−ơng 4: Hàm số và cách lập các thang đo Ch−ơng 5: Chuyển động trên đ−ờng thẳng Ch−ơng 6: Chuyển động trong không gian Ch−ơng 7: Khối l−ợng và các nguyên tố Ch−ơng 8: Nguyên tử và phân tử Ch−ơng 9: Bản chất chất khí Ch−ơng 10: Sự đo đạc Phần 2: Quang học và sóng Ch−ơng 11: ánh sáng c− xử nh− thế nào ? Ch−ơng 12: Sự phản xạ và ảnh Ch−ơng 13: Sự khúc xạ Ch−ơng 14: Mô hình hạt của ánh sáng Ch−ơng 15: Nhập môn về sóng Ch−ơng 16: Sóng và ánh sáng Ch−ơng 17: Sự giao thoa Ch−ơng 18: Sóng ánh sáng Phần 3: Cơ học Ch−ơng 19: Định luật chuyển động của Newton Ch−ơng 20: Chuyển động trên bề mặt trái đất Ch−ơng 21: Sự hấp dẫn vạn vật và hệ mặt trời Ch−ơng 22: Động l−ợng và sự bảo toàn động l−ợng Ch−ơng 23: Công và động năng 3
5. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 Ch−ơng 24: Thế năng Ch−ơng 25: Nhiệt, chuyển động phân tử và sự bảo toàn năng l−ợng Phần 4: Điện học và cấu trúc nguyên tử Ch−ơng 26: Một vài sự kiện định tính về điện Ch−ơng 27: Định luật Culon và điện tích Ch−ơng 28: Năng l−ợng và chuyển động của điện tích trong điện tr−ờng Ch−ơng 29: Mạch điện Ch−ơng 30: Từ tr−ờng Ch−ơng 31: Cảm ứng điện từ và sóng điện từ Ch−ơng 32: Sự khai phá nguyên tử Ch−ơng 33: Foton và sóng vật chất Ch−ơng 34: Các hệ l−ợng tử và cấu trúc nguyên tử Nhìn qua cấu trúc và nếu có điều kiện đi sâu vào nội dung kiến thức, chúng ta sẽ thấy PSSC thể hiện đ−ợc vật lý là một khoa học thống nhất, sinh động và không ngừng phát triển; chứng minh đ−ợc sự tác động qua lại giữa tự nhiên và lý thuyết trong quá trình phát triển của vật lý học. PSSC đã đ−a ra cho học sinh một bức tranh tổng quát của vật lý học, đồng thời cung cấp cho họ nền móng vững chắc làm cơ sở cho các ngành học khác hoặc tạo tiền đề tốt cho việc học vật lý chuyên sâu sau này. PSSC quan niệm rằng, vật lý phổ thông không phải dành cho đào tạo kỹ s−, lại càng không phải đào tạo nghề. Chính vì vậy PSSC đã bỏ qua các yếu tố kỹ thuật trong ch−ơng trình nh− các máy nhiệt, máy điện, máy vô tuyến và điện tử 2.2.2. Khuynh h−ớng chú trọng tính logic của vật lý học Theo khuynh h−ớng này, nội dung của vật lý học đ−ợc trình bày tuân theo quá trình phát triển của vật lý học và chia vật lý học ra các phần tách biệt: Cơ học, Nhiệt học, Điện và từ học, Quang học, Vật lý nguyên tử và hạt nhân Khuynh h−ớng này đ−ợc nhiều n−ớc dùng làm cơ sở để xây dựng ch−ơng trình vật lý phổ thông. Đại diện cho khuynh h−ớng này một cách điển hình là ch−ơng trình và sách giáo khoa vật lý của Liên Xô (cũ). Ch−ơng trình của nhiều n−ớc Đông Âu và n−ớc ta tr−ớc đây đã dựa vào khuynh h−ớng này. Cho đến nay, nhiều nhà khoa học, các chuyên gia xây dựng ch−ơng trình và tác giả sách giáo khoa vẫn cho nh− vậy là hợp lý. Ng−ời ta cho rằng, nghiên cứu vật lý nên bắt đầu khảo sát các dạng chuyển động đơn giản nhất của vật chất, đó chính là chuyển động cơ học. Phải lấy việc nghiên cứu cơ học làm nền tảng để tiếp tục nghiên cứu các hiện t−ợng nhiệt, điện, từ, quang sau này. Tuy nhiên cái khó nhất mà ngày nay ai cũng thấy đ−ợc là rất khó khăn khi truyền thụ cho học sinh các lớp d−ới những khái niệm quan trọng của cơ học nh− vận tốc, gia tốc, lực, khối l−ợng Các hiện t−ợng tuần hoàn có những đặc tr−ng giống nhau và vì vậy nên xếp chung vào một phần để tiện cho việc truyền thụ cũng nh− tiếp thu kiến thức của học sinh. Mặt khác, theo kiểu phân chia này, học sinh cảm nhận rằng hầu nh− các hiện t−ợng 4
6. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 vật lý không thống nhất với nhau: cơ năng, nhiệt năng, điện năng, quang năng hầu nh− không có mối quan hệ với nhau; từ tr−ờng và điện tr−ờng là hai dạng tr−ờng khác nhau; sóng điện từ khác sóng ánh sáng .v.v Những cảm nhận đó gây ra khó khăn không ít trong việc tiếp thu kiến thức của học sinh. 2.2.3. Khuynh h−ớng chú trọng tính logic trong quá trình nhận thức của học sinh Các nhà khoa học, các nhà s− phạm theo khuynh h−ớng này nhìn toàn bộ ch−ơng trình vật lý là một thể thống nhất không nhất thiết phải phân chia một cách tách bạch thành các phần cơ, nhiệt, điện, quang Những hiện t−ợng vật lý, những quá trình vật lý, những khái niệm vật lý nào dễ trình bày, dễ tiếp thu thì đ−a lên tr−ớc, kiến thức nào khó thì đ−a vào sau. Điển hình của khuynh h−ớng này là ch−ơng trình vật lý của các n−ớc châu Âu. D−ới đây là ch−ơng trình vật lý phổ thông của một trong m−ời sáu bang của CHLB Đức. Lớp 6: 1. Giờ học vật lý 2. Cơ học - Tính chất của vật thể - Chuyển động của vật thể - Lực và tác dụng lực lên vật thể - Khối l−ợng của một vật thể - Khối l−ợng riêng của vật chất - Cấu tạo của vật chất 3. Nhiệt học - Nhiệt độ của một vật thể - Sự thay đổi thể tích của vật thể theo nhiệt độ - Sự thay đổi trạng thái - Sự truyền nhiệt - Cấu tạo của nguyên tử và các hạt mang điện 4. Đối t−ợng và ph−ơng pháp nhận thức của vật lý học 5. Quang hình - Nguồn sáng và sự lan truyền ánh sáng - Sự phản xạ của ánh sáng - Sự khúc xạ của ánh sáng - Sự tạo ảnh nhờ sự khúc xạ và phản xạ của ánh sáng - Dụng cụ quang học Lớp 7: 1. Lực, công và công suất trong cơ học - Lực - Ròng rọc, Palăng, mặt phẳng nghiêng 5
7. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 - Đòn bẩy - Công cơ học - Công suất cơ học 2. Năng l−ợng trong tự nhiên và kỹ thuật - Năng l−ợng, các dạng năng l−ợng, vật mang năng l−ợng - Sự truyền và chuyển hóa năng l−ợng - Hiệu suất - Định luật bảo toàn năng l−ợng 3. Cơ học chất khí và chất lỏng - áp suất chất khí trong bình kín - áp suất chất lỏng trong bình kín và thiết bị thủy lực - Sức đẩy trong chất lỏng và chất khí đứng yên - Dòng chất khí và chất lỏng Lớp 8: 1. Nhiệt động lực học - Nhiệt độ - Đặc tr−ng vĩ mô của các vật thể - Năng l−ợng và nhiệt l−ợng - Sự truyền năng l−ợng nhờ nhiệt l−ợng - Sự biến đổi nhiệt - Động cơ đốt trong, tuabin hơi n−ớc và sự sử dụng hợp lý nguồn năng l−ợng 2. Điện học - Dòng điện - Sự tích điện và dòng điện tích - C−ờng độ dòng điện và hiệu điện thế - Điện trở - Mối quan hệ giữa c−ờng độ dòng điện, hiệu điện thế và điện trở - Điện trở kỹ thuật - Điện năng và công suất điện Lớp 9: 1. Điện học - Tr−ờng tĩnh điện - Cảm ứng điện từ tr−ờng - Quá trình dẫn điện 2. Cơ học - Động học - Động lực học Lớp 10: 6
8. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 1. Cơ học - Sự hấp dẫn - Chuyển động cơ học - Sóng cơ học 2. Điện học - Dòng điện xoay chiều - Khung dao động - Sóng Hertz 3. Quang học - Quang tia sáng - Quang sóng 4. Vật lý hạt nhân - Hạt nhân nguyên tử và tia hạt nhân - Chuyển hóa hạt nhân nhân tạo Lớp 11: 1. Cơ học - Công, Năng l−ợng và định luật bảo toàn năng l−ợng - Sự va chạm, Động l−ợng và định luật bảo toàn động l−ợng. Quá trình va chạm - ứng dụng của các định luật bảo toàn 2. Nhiệt động lực học - Những quan sát động học thống kê - Các định luật cơ bản của nhiệt động lực học - Quan hệ nhiệt động lực học của vật chất 3. Quang học - Quang tia - Tính chất sóng của ánh sáng - Sự hấp thụ và phát xạ l−ợng tử của ánh sáng, hành vi sóng-hạt của hạt vi mô Lớp 12: 1. Cơ học - Động học của chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay - Động lực học của chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay 2. Điện học - Tr−ờng - Quá trình dẫn điện 3. Một số kết quả của thuyết t−ơng đối 4. Năng l−ợng hạt nhân 7
9. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 Iii. Mục TIÊU, Định H−ớng Và NGUYÊN Tắc Đổi Mới CHƯƠNG Trình Và Sách Giáo KHOA Của Giáo Dục Phổ THÔNG 3.1. Mục tiêu đổi mới ch−ơng trình và sách giáo khoa Mục tiêu của việc đổi mới ch−ơng trình giáo dục phổ thông lần này nh− Nghị quyết 40 của Quốc hội đã chỉ ra là: “Xây dựng nội dung ch−ơng trình, ph−ơng pháp giáo dục, sách giáo khoa phổ thông mới nhằm nâng cao chất l−ợng giáo dục toàn diện thế hệ trẻ, đáp ứng yêu cầu phát triển nguồn nhân lực phục vụ công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất n−ớc, phù hợp với thực tiễn và đời sống Việt Nam; tiếp cận trình độ giáo dục phổ thông ở các n−ớc phát triển trong khu vực và thế giới. Việc đổi mới ch−ơng trình giáo dục phổ thông phải quán triệt mục tiêu, yêu cầu về nội dung, ph−ơng pháp giáo dục của các bậc học, cấp học quy định trong Luật Giáo dục; khắc phục những mặt còn hạn chế của ch−ơng trình, sách giáo khoa hiện hành; tăng c−ờng tính thực tiễn, kỹ năng thực hành, năng lực tự học coi trọng kiến thức khoa học xã hội và nhân văn; bổ sung những thành tựu khoa học và công nghệ hiện đại phù hợp với khả năng tiếp thu của học sinh. Bảo đảm sự thống nhất, kế thừa và phát triển của ch−ơng trình giáo dục; tăng c−ờng tính liên thông giữa giáo dục phổ thông với giáo dục nghề nghiệp; giáo dục đại học; thực hiện phân luồng trong hệ thống giáo dục quốc dân để tạo sự cân đối về cơ cấu nguồn nhân lực; đảm bảo sự thống nhất về chuẩn kiến thức và kỹ năng, có ph−ơng án vận dụng ch−ơng trình, sách giáo khoa phù hợp với hoàn cảnh và điều kiện của các địa bàn khác nhau. Đổi mới nội dung ch−ơng trình, sách giáo khoa, ph−ơng pháp dạy và học phải đ−ợc thực hiện đồng bộ với việc nâng cấp và đổi mới trang thiết bị dạy học, tổ chức đánh giá, thi cử, chuẩn hóa tr−ờng sở, đào tạo, bồi d−ỡng giáo viên và công tác quản lý giáo dục”. 3.2. Định h−ớng đổi mới ch−ơng trình và sách giáo khoa Việc đổi mới ch−ơng trình và sách giáo khoa của giáo dục phổ thông trong giai đoạn từ nay đến năm 2020 sẽ theo các định h−ớng sau: 3.2.1. Chăm lo giáo dục toàn diện, đảm bảo sự giáo dục hài hòa về đức, trí, thể, mỹ, các kỹ năng cơ bản, chú ý định h−ớng nghề nghiệp, hình thành và phát triển cơ sở ban đầu của hệ thống phẩm chất, năng lực cần thiết cho lớp ng−ời lao động phục vụ sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất n−ớc (định h−ớng này đ−ợc thể hiện trong các mục tiêu đào tạo của từng cấp, bậc học, từng môn học và hoạt động). 3.2.2. Nội dung ch−ơng trình phải cơ bản, tinh giản, thiết thực và cập nhật sự phát triển khoa học- công nghệ, kinh tế- xã hội, tăng c−ờng thực hành vận dụng, gắn bó với thực tiễn Việt Nam, phát huy thế mạnh vốn có của giáo dục phổ thông Việt Nam, tiến kịp trình độ phát triển chung cả ch−ơng trình giáo dục phổ thông của các n−ớc phát triển trong khu vực và trên thế giới. Đảm bảo một tỷ lệ thích 8
10. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 đáng về khối l−ợng, thời l−ợng cho khoa học xã hội, nhân văn do ý nghĩa và tầm quan trọng của nó. Quán triệt quan điểm thích hợp qua các môn học theo các mức độ cần thiết, phù hợp với cấp bậc học. 3.2.3. Đẩy mạnh đổi mới ph−ơng pháp dạy học, giúp học sinh biết cách tự học và hợp tác trong học tập, tích cực, chủ động, sáng tạo trong phát hiện và giải quyết vấn đề để tự chiếm lĩnh tri thức mới; giúp học sinh tự đánh giá năng lực của bản thân. Chú ý tăng c−ờng các hoạt động ngoài giờ lên lớp với nội dung và hình thức đa dạng. 3.2.4. Ch−ơng trình và sách giáo khoa phải có tính thống nhất cao, trình độ chuẩn của ch−ơng trình phù hợp với trình độ phát triển chung của số đông học sinh, tạo cơ hội và điều kiện học tập cho mọi trẻ em, phát triển năng lực của từng đối t−ợng học sinh, góp phần phát hiện và bồi d−ỡng những học sinh có năng lực đặc biệt. Tôn trọng các đặc điểm của địa ph−ơng, vùng miền trong khi chọn lựa tri thức, phân phối ch−ơng trình và biên soạn tài liệu h−ớng dẫn dạy học hoặc các tài liệu phục vụ giáo dục ở vùng, miền, đảm bảo tính khả thi của ch−ơng trình và sách giáo khoa trong điều kiện rất đa dạng của đất n−ớc. 3.2.5. Đổi mới quan niệm và cách soạn thảo ch−ơng trình và sách giáo khoa. - Ch−ơng trình không chỉ nêu nội dung và một số yêu cầu chung khi dạy học và thời l−ợng dạy học mà phải mang ý nghĩa của một kế hoạch hành động s− phạm, kết nối mục tiêu giáo dục với các lĩnh vực nội dung và ph−ơng pháp giáo dục, ph−ơng tiện dạy học và cách thức đánh giá kết quả học tập của học sinh, đảm bảo sự liên tục giữa các cấp học, bậc học đảm bảo tính liên thông giữa giáo dục phổ thông với giáo dục chuyên nghiệp. - Sách giáo khoa không chỉ là tài liệu thông báo các kiến thức có sẵn mà là tài liệu giúp học sinh tự học, tự phát hiện và giải quyết các vấn đề để chiếm lĩnh và vận dụng kiến thức mới một cách linh hoạt, chủ động và sáng tạo. Ch−ơng trình và sách giáo khoa đ−ợc thể chế hóa theo Luật Giáo dục và đ−ợc quản lý, chỉ đạo đánh giá theo yêu cầu cụ thể của giai đoạn phát triển mới của đất n−ớc, cố gắng giữ ổn định để góp phần không ngừng nâng cao chất l−ợng giáo dục phổ thông, thực hiện tiết kiệm trong xuất bản và sử dụng sách ở các cấp học. 3.3. Nguyên tắc đổi mới ch−ơng trình và SGK giáo dục phổ thông Nguyên tắc cơ bản chỉ đạo đổi mới ch−ơng trình và sách giáo khoa giáo dục phổ thông trong giai đoạn từ nay đến năm 2020 bao gồm 5 nguyên tắc. 3.3.1. Quán triệt mục tiêu giáo dục Ch−ơng trình và sách giáo khoa giáo dục phổ thông phải góp phần quan trọng thực hiện mục tiêu giáo dục quy định trong Luật Giáo dục và đã đ−ợc cụ thể hóa cho từng cấp, bậc học. Các phẩm chất và năng lực nêu trong mục tiêu phải đ−ợc xem là kết quả tổng hợp của việc lĩnh hội các kiến thức, hình thành phát triển hệ thống kỹ năng, các thái độ và hành vi đúng đắn qua quá trình đ−ợc giáo dục và tự giáo dục. Làm đ−ợc nh− vậy thì ch−ơng trình và sách giáo khoa mới đóng góp 9
11. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 một cách hiệu quả vào quá trình chuẩn bị nguồn nhân lực của đất n−ớc trong những thập kỷ đầu của thế kỷ XXI. Với yêu cầu xây dựng mục tiêu đã nêu, ch−ơng trình và sách giáo khoa phải quan tâm đúng mức đến “dạy chữ” và “dạy ng−ời”, định h−ớng nghề nghiệp cho ng−ời học trong hoàn cảnh mới của xã hội Việt Nam hiện đại. 3.3.2. Đảm bảo tính khoa học và s− phạm Ch−ơng trình và sách giáo khoa giáo dục phổ thông phải là công trình khoa học s− phạm, trong đó phải lựa chọn đ−ợc các nội dung cơ bản, phổ thông, cập nhất với những tiến bộ của khoa học công nghệ, của kinh tế- xã hội, gần gũi với đời sống và phù hợp với trình độ nhận thức của học sinh trong từng giai đoạn học tập, gắn bó với thực tế phát triển của đất n−ớc, tích hợp đ−ợc nhiều mặt giáo dục trong từng đơn vị nội dung, nâng cao chất l−ợng thực hành vận dụng theo năng lực đối với từng đối t−ợng học sinh. Một trong những trọng tâm của đổi mới ch−ơng trình và sách giáo khoa của giáo dục phổ thông là tập trung vào đổi mới ph−ơng pháp dạy học, thực hiện dạy học dựa vào hoạt động học tập tích cực, chủ động, sáng tạo của học sinh với sự tổ chức và h−ớng dẫn đúng mức của giáo viên trong việc phát hiện và giải quyết vấn đề góp phần hình thành ph−ơng pháp và nhu cầu tự học, bồi d−ỡng hứng thú học tập, tạo niềm tin và niềm vui trong học tập. Đổi mới ph−ơng pháp dạy học luôn luôn đặt trong mối quan hệ với đổi mới mục tiêu, nội dung dạy học, đổi mới cơ sở vật chất và thiết bị dạy học; đổi mới các hình thức tổ chức dạy học để phối hợp dạy học theo cá nhân và các nhóm nhỏ hoặc cả lớp, giữa dạy học ở trong phòng học và ngoài hiện tr−ờng; đổi mới môi tr−ờng giáo dục để học gắn với thực hành và vận dụng; đổi mới đánh giá kết quả học tập của học sinh với sự khuyến khích học sinh tự đánh giá và sử dụng bộ công cụ đánh giá, phối hợp kiểu đánh giá truyền thống với trắc nghiệm khách quan. Theo nguyên tắc này, ch−ơng trình mới sẽ tích hợp nội dung để tiến đến giảm số môn học, đặc biệt là ở các cấp, bậc học d−ới (chẳng hạn từ 9 môn còn 6 môn ở các lớp 1, 2, 3 ở bậc Tiểu học), tinh giản nội dung và tăng c−ờng mối liên hệ giữa các nội dung, chuyển một số bài học thành hoạt động giáo dục để góp phần giảm nhẹ gánh nặng học tập ở các cấp học mà không giảm trình độ của ch−ơng trình; thay đổi cách biên soạn sách giáo khoa để giúp giáo viên và học sinh thực hiện đổi mới cách dạy và cách học, cách kiểm tra kết quả học tập. Cùng với các ph−ơng pháp dạy học truyền thống sẽ đ−a dần vào nhà tr−ờng các ph−ơng pháp dạy học phát huy tính chủ động và sáng tạo của học sinh, hỗ trợ cho việc hình thành các kỹ năng hợp tác, giao tiếp, phát hiện và giải quyết vấn đề, tập d−ợt nghiên cứu khoa học 10
12. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 3.3.3. Đảm bảo tính thống nhất Ch−ơng trình giáo dục phổ thông phải đảm bảo tính chỉnh thể qua việc xác định mục tiêu, nội dung, định h−ớng ph−ơng pháp từ bậc tiểu học qua trung học cơ sở đến trung học phổ thông với yêu cầu quán triệt các định h−ớng và nguyên tắc xây dựng chung, góp phần hình thành và hoàn chỉnh học vấn phổ thông. Ch−ơng trình và sách giáo khoa phải áp dụng thống nhất trong cả n−ớc, đảm bảo sự bình đẳng thực sự trong giáo dục, đặc biệt ở giai đoạn học tập cơ bản của các cấp, bậc học phổ cập giáo dục. Tính thống nhất của Ch−ơng trình và Sách giáo khoa thể hiện ở: • Mục tiêu giáo dục • Quan điểm khoa học và s− phạm xuyên suốt các môn học, các cấp bậc học. • Trình độ chuẩn của ch−ơng trình trong dạy học và kiểm tra, đánh giá. Do sự phát triển không đồng đều giữa các vùng, giữa các đối t−ợng học sinh nên phải có các giải pháp thích hợp và linh hoạt về các b−ớc đi, về thời l−ợng, về điều kiện thực hiện ch−ơng trình theo từng vùng, miền, từng loại đối t−ợng học sinh; giải quyết một cách hợp lý giữa yêu cầu của tính thống nhất với sự đa dạng về điều kiện học tập của học sinh và những điều kiện khác. 3.3.4. Đáp ứng yêu cầu phát triển của từng đối t−ợng học sinh Ch−ơng trình và sách giáo khoa tạo cơ sở quan trọng để: - Phát triển trình độ giáo dục cơ bản của nguồn nhân lực Việt Nam đáp ứng yêu cầu công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất n−ớc và đủ khả năng hợp tác, cạnh tranh quốc tế. - Phát triển năng lực của mỗi cá nhân, góp phần phát hiện và bồi d−ỡng các tài năng t−ơng lai của đất n−ớc qua ph−ơng thức dạy học cá nhân hóa, thực hiện dạy học các nội dung tự chọn ngay từ các cấp bậc học d−ới và phân hóa theo năng lực, sở tr−ờng ngày càng đậm nét qua các hình thức thích hợp. Theo nguyên tắc này, ch−ơng trình và sách giáo khoa phải giúp cho mỗi học sinh với sự cố gắng đúng mức của mình đều có thể đạt đ−ợc kết quả trong học tập, đều có thể phát triển năng lực và sở tr−ờng của bản thân. Ch−ơng trình và sách giáo khoa của giai đoạn mới không phục vụ cho kiểu dạy học “chồng chất kiến thức”, “bình quân”, “máy móc”, mà tập trung vào dạy cách học để từ một số nội dung cơ bản và tinh giản, mỗi học sinh sẽ học tập theo tốc độ và mức độ (rộng và sâu) của bản thân, giúp học sinh chủ động và sáng tạo trong học và hành. 3.3.5. Đảm bảo tính khả thi Ch−ơng trình và sách giáo khoa không đòi hỏi những điều kiện v−ợt quá sự cố gắng và khả năng của số đông giáo viên, học sinh, gia đình và cộng đồng. Tuy nhiên, tính khả thi của ch−ơng trình và sách giáo khoa phải đặt trong mối t−ơng 11
13. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 quan giữa trình độ giáo dục cơ bản của Việt Nam và của các n−ớc phát triển trong khu vực, giữa giai đoạn tr−ớc mắt và khoảng thời gian từ 10 đến 15 năm tới. Nh− vậy, khi triển khai bộ ch−ơng trình và sách giáo khoa mới cần có sự nỗ lực chung của toàn ngành giáo dục và của các ngành có liên quan, của Nhà n−ớc và nhân dân để đảm bảo những điều kiện tối cần thiết cho việc thực hiện. iV. Một số vấn đề về sách giáo khoa tr−ớc yêu cầu đổi mới hiện nay 4.1. Quan niệm về sách giáo khoa - Điều 25 của Luật Giáo dục đã xác định "Sách giáo khoa để sử dụng chính thức, thống nhất, ổn định trong dạy học, học tập ở nhà tr−ờng và các cơ sở giáo dục khác". - Sách giáo khoa (SGK) tr−ớc hết là sách của học sinh do Bộ Giáo dục và Đào tạo tổ chức biên soạn và đ−ợc ban hành trên cơ sở thẩm định của Hội đồng quốc gia thẩm định SGK để sử dụng chính thức, thống nhất, ổn định trong dạy học, học tập và đánh giá học sinh ở nhà tr−ờng và các cơ sở giáo dục phổ thông khác. - Sách giáo khoa đ−ợc coi là công trình nghiên cứu khoa học giáo dục - Sách giáo khoa là tài liệu học tập chủ yếu dùng cho học sinh học tập đồng thời còn là tài liệu để giáo viên sử dụng trong việc chuẩn bị và tiến hành quá trình dạy học. 4.2. Chức năng chủ yếu của sách giáo khoa 4.2.1. Đối với ng−ời học Cung cấp cho học sinh những kiến thức, kỹ năng cơ bản, hiện đại, thiết thực và có hệ thống theo những quy định trong ch−ơng trình của mỗi môn học. Góp phần hình thành cho học sinh ph−ơng pháp học tập chủ động, tích cực. SGK là tài liệu quan trọng nhất có tác dụng hỗ trợ, tạo điều kiện cho học sinh tự học, tự tiếp thu tri thức cần thiết cho bản thân. Từ đó ng−ời học sẽ có đ−ợc biện pháp cụ thể để bổ sung kiến thức và kỹ năng cho bản thân. Giúp học sinh có thể tự kiểm tra, đánh giá kết quả học tập của mình. Giúp học sinh tra cứu, tham khảo: SGK đ−ợc coi là một công cụ tin cậy, có tính thuyết phục cao đối với học sinh, giúp cho học sinh tìm kiếm đ−ợc những thông tin chính xác, phù hợp với trình độ hiện tại của mình. Góp phần hình thành và phát triển ở học sinh có khả năng ứng xử, có hành vi văn minh, giúp học ý thức đ−ợc vị trí của mình trong phạm vi gia đình, nhà tr−ờng và xã hội. SGK giúp học sinh liên kết những kiến thức, kỹ năng đã học với hành động của các em trong đời sống và sản xuất nhằm nâng cao chất l−ợng cuộc sống cá nhân, gia đình và cộng đồng. 12
14. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 4.2.2. Đối với ng−ời dạy Quy định phạm vi và mức độ kiến thức, kỹ năng mà ng−ời dạy cần phải thực hiện trong quá trình dạy học. Giúp giáo viên có ph−ơng h−ớng hành động thích hợp để cải tiến, đổi mới ph−ơng pháp dạy học (dạy nh− thế nào). Đồng thời có thể giúp ng−ời dạy khơi gợi và phát huy khả năng tự học của ng−ời học. Làm căn cứ chủ yếu để giáo viên chuẩn bị giáo án, tiến hành bài giảng, tổ chức điều khiển lớp học, đánh giá học sinh. SGK còn làm căn cứ để các cấp quản lý giáo dục kiểm tra đánh giá kết quả dạy và học ở tr−ờng phổ thông. Nh− vậy, SGK có tính chất đa năng, tác dụng nhiều mặt. Điều này đảm bảo cho SGK có vai trò chủ yếu và quan trọng nhất trong việc thực hiện mục tiêu giáo dục thông qua thực hiện mục tiêu của môn học trong nhà tr−ờng phổ thông. 4.3. Những yêu cầu đối với việc biên soạn sách giáo khoa trung học phổ thông Ch−ơng trình và sách giáo khoa các cấp bậc học đều đ−ợc xây dựng và biên soạn theo những định h−ớng và nguyên tắc chung cho việc đổi mới ch−ơng trình và SGK phổ thông của Nghị quyết 40/2000/QH10 của Quốc Hội. Căn cứ vào vị trí, nhiệm vụ và đặc điểm của tr−ờng trung học phổ thông hiện nay, quá trình biên soạn SGK cần đảm bảo những yêu cầu sau đây: 4.3.1. Phải xuất phát từ mục tiêu đào tạo của cấp học Mục tiêu giáo dục THPT đã định rõ các phẩm chất và năng lực cần phát triển cho học sinh nhằm h−ớng tới yêu cầu đào tạo nguồn nhân lực trong giai đoạn phát triển kinh tế xã hội mới của đất n−ớc, giai đoạn công nghiệp hoá, hiện đại pháthóa để đến năm 2020 đ−a n−ớc ta trở thành một n−ớc công nghiệp trong bối cảnh toàn cầu hóa, mở rộng giao l−u hội nhập quốc tế với sự hình thành và phát triển của kinh tế tri thức đồng thời đáp ứng yêu cầu phát triển đa dạng của mỗi cá nhân. 4.3.2. Đảm bảo tính hệ thống, chỉnh thể và yêu cầu kế thừa trong việc hoàn thiện nội dung học vấn phổ thông Sách giáo khoa của cấp trung học phổ thông phải bám sát ch−ơng trình các môn học góp phần củng cố nội dung giáo dục của các cấp, bậc học tr−ớc đồng thời bổ sung, phát triển nâng cao hơn nhằm hoàn thiện học vấn phổ thông. Hệ thống kiến thức cần bao gồm các kiến thức nhằm chuẩn bị cho việc đào tạo tiếp tục sau khi tốt nghiệp phổ thông, các kiến thức trực tiếp phục vụ cho cuộc sống hiện tại của ng−ời học, các kiến thức cần thiết cho định h−ớng nghề nghiệp trong t−ơng lai, tăng c−ờng loại kiến thức về ph−ơng pháp, loại kiến thức giàu khả năng ứng dụng. 13
15. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 Với yêu cầu thừa kế cần khai thác tối đa những −u điểm của SGK trung học phổ thông hiện hành, đặc biệt SGK trung học chuyên ban thí điểm. 4.3.3. Đảm bảo yêu cầu cơ bản, hiện đại, sát với thực tiễn Việt Nam Nội dung SGK phải phản ánh đ−ợc những thành tựu khoa học mới (tự nhiên- kinh tế- xã hội và nhân văn- kỹ thuật- công nghệ) của thế giới cũng nh− của n−ớc ta, cùng những vấn đề đang đ−ợc cả loài ng−ời quan tâm (môi tr−ờng, dân số và những vấn đề khác); đồng thời l−u ý tiếp thu có chọn lọc các kinh nghiệm tiên tiến của n−ớc ngoài; đảm bảo mối quan hệ liên môn một cách chặt chẽ để bổ sung, hỗ trợ lẫn nhau, tránh trùng lặp . SGK của những môn học khác nhau có những yêu cầu cần thiết về kiến thức, kỹ năng, về ph−ơng pháp dạy học, về hình thức kiểm tra đánh giá không giống nhau. Do đó trong cách trình bày, trong cấu trúc của bài học, của ch−ơng trong từng cuốn sách giáo khoa cần thể hiện đ−ợc đặc tr−ng của bộ môn và bảo đảm đ−ợc yêu cầu này theo đặc tr−ng của môn học. 4.3.4. Góp phần thực hiện yêu cầu đổi mới ph−ơng pháp và hình thức tổ chức dạy học Đây là một trong những yêu cầu hàng đầu của việc đổi mới giáo dục phổ thông nói chung và đã đ−ợc thể hiện rõ nét trong biên soạn SGK tiểu học và trung học cơ sở mới. Đổi mới ph−ơng pháp dạy học các môn học ở trung học phổ thông cần đ−ợc đẩy mạnh theo định h−ớng chung. Do đặc điểm và trình độ của học sinh ở trung học nên cần chú ý nhiều đến việc phát triển năng lực tự học, đa dạng hóa các hình thức học tập, tạo điều kiện để học sinh tự nghiên cứu, chủ động trong việc phát hiện và giải quyết vấn đề. Cách trình bày trong SGK các môn học cần tránh cách mô tả, liệt kê các kiến thức một cách đơn thuần mà cần trình bày làm sao để tạo điều kiện cho giáo viên khi áp dụng ph−ơng pháp dạy học theo h−ớng tích cực hóa hoạt động của ng−ời học. 4.3.5. Coi trọng vai trò của ph−ơng tiện dạy học Ph−ơng tiện dạy học không chỉ dừng ở mức minh họa nội dung dạy học mà phải trở thành công cụ nhận thức, là một bộ phận hữu cơ cả ph−ơng pháp và nội dung dạy học. Do yêu cầu tăng hoạt động thực hành, thí nghiệm cũng nh− yêu cầu cần ứng dụng nên khi biên soạn SGK cần đặt đúng vị trí của thiết bị dạy học trong quá trình dạy học bộ môn. Khi nêu lên yêu cầu về mặt này trong SGK cần l−u ý kết hợp giữa các thiết bị phải mua sắm với các thiết bị tự tạo. Cần l−u ý tới vai trò của công nghệ thông tin và việc ứng dụng nó vào quá trình dạy học bộ môn. 4.3.6. Góp phần đổi mới đánh giá kết quả học tập SGK từng bộ môn cần thể hiện đ−ợc những yêu cầu về đổi mới đánh giá kết quả môn học. Việc đảm bảo đánh giá khách quan, đủ độ tin cậy sẽ làm cho hoạt động quan trọng này đạt kết quả mong muốn. Đổi mới đánh giá kết quả môn học 14
16. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 bao gồm đổi mới nội dung, hình thức và quy trình đánh giá, kể cả đánh giá ở từng thời điểm và cả quá trình. Cần tạo điều kiện để học sinh và tập thể học sinh tham gia vào quá trình đánh giá kết quả học tập. Khi biên soạn SGK trung học phổ thông cần l−u ý đến việc lựa chọn các kiểu bài tập, kiểu câu hỏi giúp cho học sinh tự kiểm tra đánh giá kết quả học tập của mình. 4.3.7. Chú ý tới tính khả thi và các vấn đề của địa ph−ơng SGK các môn học cần bảo đảm tính khả thi, t−ơng đồng với các điều kiện trang thiết bị của nhà tr−ờng, trình độ dạy và học của giáo viên và học sinh, tình hình kinh tế- xã hội. Trong biên soạn SGK một số môn học cần có phần dành cho địa ph−ơng nhằm trực tiếp góp phần h−ớng việc học tập của học sinh gắn với cộng đồng, với thực tiễn phát triển của cộng đồng vốn hết sức đa dạng trên các vùng miền của đất n−ớc ta. 4.4. Cấu trúc của một bài học trong sách giáo khoa Một bài trong sách giáo khoa có thể dạy một hoặc nhiều tiết. Bài học trong sách giáo khoa THPT th−ờng gồm: 4.4.1. Mở đầu bài học Số thứ tự bài Tên bài học Mở đầu bài học: Nêu ngắn gọn mục tiêu bài học (kiến thức, kỹ năng, kết quả cần đạt đ−ợc) khi nghiên cứu bài học. 4.4.2. Nội dung chính của bài học Th−ờng đ−ợc trình bày thành những đề mục ngắn gọn, rõ ràng. Nội dung chính của một bài học đ−ợc xuất hiện d−ới các hình thức: Cung cấp các t− liệu, các thông tin cần tìm kiếm. Những t− liệu đ−ợc cung cấp, những thông tin cần tìm kiếm là những kiến thức, kỹ năng mới, ý t−ởng mới mà ng−ời học phải phân tích, lý giải, nhận thức. Hình thức cung cấp t− liệu, thông tin đ−ợc trình bày trong sách giáo khoa d−ới dạng kênh chữ hoặc kênh hình. Dẫn dắt xử lý thông tin Sách giáo khoa h−ớng dẫn học sinh ph−ơng pháp xử lý các thông tin đ−ợc cung cấp, giải quyết tình huống vấn đề theo h−ớng tích cực hóa hoạt động của ng−ời học, tạo điều kiện để ng−ời học đ−ợc suy nghĩ, làm việc thực sự, hình thành cho họ ph−ơng pháp tự học, tự nghiên cứu, tự giải quyết vấn đề để chiếm lĩnh những tri thức đ−ợc cung cấp trong sách giáo khoa. Các giải pháp dẫn dắt học sinh xử lý t− liệu, tìm kiếm thông tin có thể là: Một hệ thống các câu hỏi với số l−ợng và mức độ thích hợp để dẫn dắt học sinh tiếp cận đ−ợc tri thức cần tìm. 15
17. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 Một hệ thống các bài tập định tính, định l−ợng để giải đáp hoặc tiếp cận một thông tin nào đó. Một số thí nghiệm không quá phức tạp d−ới dạng nghiên cứu hoặc minh họa cho một vấn đề, một lý thuyết nào đó. Đ−a ra các kết quả cần đạt (nếu cần) Cuối mỗi bài học trong sách giáo khoa của một số môn có thể có phần tóm tắt những kiến thức, kỹ năng cơ bản của bài học. Trong phần tóm tắt nên ghi rõ mức độ yêu cầu đối với ng−ời học từ thấp đến cao, từ biết đ−ợc đến vận dụng đ−ợc. Kết quả cần đạt là phần học sinh phải ghi nhớ, phải nhận thức đ−ợc sau mỗi bài học. Đối với sách giáo khoa THPT đây là phần phải cân nhắc trình bày một cách phù hợp đặc điểm tâm sinh lý học sinh THPT (không nên chỉ là một số dòng tóm tắt đ−ợc đóng trong khung nh− sách giáo khoa THCS). 4.4.3. Phần t− liệu (nếu có) Phần t− liệu của bài học phải có nội dung liên quan mật thiết đến nội dung của bài học. Phần t− liệu có tác dụng góp phần bổ sung, hoàn thiện những hiểu biết của ng−ời học, đồng thời làm cho nội dung bài học đỡ nặng nề, quá tải. Phần t− liệu nên viết ngắn gọn, súc tích, hấp dẫn, in co chữ nhỏ hơn phần bài học. Đ−ơng nhiên phần t− liệu không thuộc phạm trù kiến thức, kỹ năng cơ bản của bài học. 4.4.4. Phần bài tập Cuối bài học là phần bài tập (bao gồm các câu hỏi và bài tập). Tùy môn học, số l−ợng bài tập có thể nhiều ít khác nhau (nên khoảng từ 4 đến 10 bài). Các bài tập trong sách giáo khoa nên đa dạng về loại hình: Bài tập lý thuyết định tính Bài tập định l−ợng Bài tập tra cứu, thu thập thông tin, t− liệu Bài tập trắc nghiệm, bài tập tự luận Tăng tính thiết thực của các bài tập: Nội dung các câu hỏi, bài tập nên h−ớng việc vận dụng những kiến thức cơ bản đã học vào những vấn đề có liên quan trong đời sống và sản xuất. Nên gia tăng những bài tập có tác dụng phát triển trí tuệ, kỹ năng thực hành thí nghiệm cho học sinh. Cần có sự phân hóa mức độ các bài tập. Mức độ các câu hỏi, bài tập cần thể hiện sự phân hóa nhằm đáp ứng những năng lực, trình độ khác nhau của học sinh (trung bình, khá, giỏi). 16
18. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 4.4.5. Phần tự đánh giá Cần có những câu hỏi và bài tập giúp học sinh tự kiểm tra đánh giá đ−ợc kết quả học tập của mình. v. Tổng quát về ch−ơng trình vật lý phổ thông ở n−ớc ta 5.1. Nhiệm vụ chung của dạy học vật lý ở tr−ờng phổ thông Môn Vật lý ở tr−ờng phổ thông góp phần hoàn chỉnh học vấn phổ thông và làm phát triển nhân cách của học sinh, chuẩn bị cho học sinh b−ớc vào cuộc sống lao động, sản xuất, bảo vệ Tổ quốc hoặc tiếp tục học lên. Vật lý phải tạo cho học sinh tiếp cận với thực tiễn kỹ thuật ở trong n−ớc và xây dựng tiềm lực để tiếp thu đ−ợc các kỹ thuật hiện đại của thế giới. Chính vì vậy, môn vật lý ở tr−ờng phổ thông có các nhiệm vụ: 5.1.1. Cung cấp cho học sinh những kiến thức phổ thông, cơ bản, t−ơng đối có hệ thống, toàn diện về vật lý học. Hệ thống kiến thức này phải thiết thực, có tính kỹ thuật tổng hợp và phải phù hợp với những quan điểm hiện đại của vật lý. Những kiến thức này bao gồm: - Những khái niệm t−ơng đối chính xác về các sự vật, hiện t−ợng và quá trình vật lý th−ờng gặp trong đời sống và sản xuất thuộc các lĩnh vực cơ học, nhiệt học và vật lý phân tử, điện từ và điện tử học, quang học, vật lý nguyên tử và vật lý hạt nhân. - Những định luật và nguyên lý vật lý cơ bản, đ−ợc trình bày phù hợp với năng lực toán học và năng lực suy luận logic của học sinh. - Những nét chính về những thuyết vật lý quan trọng nhất nh− thuyết động học phân tử về cấu tạo chất, thuyết điện tử, thuyết ánh sáng, thuyết cấu tạo nguyên tử - Những hiểu biết cần thiết về ph−ơng pháp thực nghiệm, ph−ơng pháp mô hình hóa trong vật lý học. - Những nguyên tắc cơ bản của các ứng dụng quan trọng nhất của vật lý trong đời sống sản xuất. 5.1.2. Rèn luyện cho học sinh những kỹ năng cơ bản sau đây: - Các kỹ năng thu l−ợm thông tin về vật lý từ quan sát thực tế, thí nghiệm, điều tra, s−u tầm tài liệu, tìm hiểu trên các ph−ơng tiện thông tin đại chúng, khai thác mạng internet - Các kỹ năng xử lý thông tin về vật lý nh−: xây dựng bảng, biểu đồ, vã đồ thị, rút ra kết luận bằng suy luận quy nạp, suy luận t−ơng tự, khái quát hóa - Các kỹ năng truyền đạt thông tin về vật lý nh−: thảo luận khoa học, báo cáo viết - Các kỹ năng quan sát, đo l−ờng, sử dụng các công cụ và máy móc đo l−ờng phổ biến và năng lực thực hiện những thí nghiệm vật lý đơn giản. 17
19. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 - Các kỹ năng giải các bài tập vật lý phổ thông. - Các kỹ năng vận dụng những kiến thức vật lý để giải thích các hiện t−ợng đơn giản và những ứng dụng phổ thông của vật lý học trong đời sống và sản xuất. - Các kỹ năng sử dụng các thao tác t− duy logic nh− phân tích, tổng hợp, quy nạp, diễn dịch, trừu t−ợng hóa khái quát hóa và kỹ năng sử dụng ph−ơng pháp thực nghiệm. 5.1.3. Góp phần xây dựng cho học sinh thế giới quan khoa học và đạo đức cách mạng: giáo dục cho học sinh lòng yêu n−ớc và yêu chủ nghĩa xã hội. Rèn luyện cho học sinh những phẩm chất cần thiết của ng−ời lao động mới: tác phong làm việc cẩn thận, chu đáo; óc tìm tòi sáng tạo; tính trung thực, cần cù, ham học hỏi; thái độ đúng đắn đối với lao động và quý trọng thành quả lao động. 5.2. Các quan điểm cơ bản để xây dựng ch−ơng trình vật lý phổ thông 5.2.1. Cũng nh− ch−ơng trình vật lý của các n−ớc, nội dung chủ yếu của ch−ơng trình vật lý phổ thông ở n−ớc ta là vật lý học cổ điển, vì nó là cái nền của toàn bộ vật lý học và là bộ phận hữu cơ của nền học vấn phổ thông. Không thể học vật lý lý thuyết hay vật lý kỹ thuật mà không biết gì về vật lý cổ điển. Mặt khác, trong ch−ơng trình phổ thông, kiến thức vật lý rất cần thiết để học tốt các môn khác mà tr−ớc hết là hóa học, sinh học, toán học, địa lý Vật lý học cổ điển cũng là cơ sở khoa học của đại bộ phận các ngành sản xuất phổ biến ở n−ớc ta hiện nay. 5.2.2. Ch−ơng trình vật lý hiện nay ở n−ớc ta đã đ−ợc hiện đại hóa một b−ớc so với các ch−ơng trình tr−ớc đây. Tính hiện đại đã đ−ợc thể hiện tr−ớc hết ở nội dung kiến thức đ−ợc đ−a vào sách giáo khoa đặc biệt là trong phần điện và trong phần vật lý hạt nhân. Tính hiện đại còn đ−ợc thể hiện ở chỗ sử dụng các quan điểm nhận thức hiện đại về vật lý học trong việc trình bày giải thích các hiện t−ợng vật lý. Quan điểm hiện t−ợng (hay còn gọi là quan điểm vĩ mô) dùng để mô tả các hiện t−ợng vật lý thông qua các thông số vĩ mô. Mối quan hệ giữa các thông số vĩ mô này đ−ợc xác định chủ yếu bằng con đ−ờng thực nghiệm và phát biểu thành các định luật dùng để giải thích, tiên đoán hàng loạt các hiện t−ợng có liên quan và ứng dụng vào thực tế. Theo quan điểm hiện t−ợng, trong Cơ học chất điểm, khi xét lực tác dụng lên vật xem nh− đó là tổng hợp các lực tác dụng lên các phần tử của vật và đ−ợc đặt vào khối tâm của vật. Trong Nhiệt học, chất khí đ−ợc mô tả bằng các thông số vĩ mô áp suất, thể tích, nhiệt độ và khối l−ợng. Mối quan hệ của các thông số này đ−ợc xác định bằng các định luật thực nghiệm Bôilơ-Mariôt, Gay Luysăc , Saclơ m và đ−ợc khái quát băng ph−ơng trình Medêlêep-Clapêrông PV= kT. Các định à luật và ph−ơng trình trên dùng để giải thích, tiên đoán các hiện t−ợng có liên quan đến chất khí và làm cơ sở cho nhiều ứng dụng trong thực tế đời sống và kỹ thuật. 18
20. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 Quan điểm cấu trúc (hay còn gọi là quan điểm cơ chế vi mô) là quan điểm đi sâu vào cấu trúc của vật chất để vạch ra cơ chế vi mô của hiện t−ợng. Để mô tả một hiện t−ợng vật lý, bên cạnh các thông số vĩ mô còn sử dụng các thông số vi mô đặc tr−ng cho hiện t−ợng. Mối quan hệ giữa các thông số này đ−ợc xây dựng bằng con đ−ờng lý thuyết thành các định luật và ph−ơng trình giúp ta tiên đoán các hiện t−ợng về mặt lý thuyết. Quan điểm này xuất phát từ quan niệm vật chất đ−ợc cấu tạo từ các hạt, các hiện t−ợng vật lý có liên quan đến sự chuyển động của các hạt và sự tác dụng giữa các hạt hay các phần tử vật chất với nhau xảy ra bên trong đó Quan điểm năng l−ợng dùng để nghiên cứu các hiện t−ợng, các quá trình nhờ các thông số đặc tr−ng cho năng l−ợng, trên cơ sở của định luật và bảo toàn năng l−ợng. Quan điểm năng l−ợng tỏ ra rất có hiệu quả trong việc trình bày các hiện t−ợng có nhiều ứng dụng trong đời sống và kỹ thuật. Nhiệt động lực học với hai nguyên lý của nó là một ví dụ điển hình về việc nghiên cứu các hiện t−ợng nhiệt theo quan điểm năng l−ợng. 5.2.3. Coi trọng các ph−ơng pháp vật lý tức là đ−a một cách t−ờng minh các ph−ơng pháp vật lý trong việc trình bày kiến thức ở sách giáo khoa. Trong các ph−ơng pháp vật lý, ph−ơng pháp đ−ợc quan tâm nhiều nhất trong ch−ơng trình vật lý phổ thông là ph−ơng pháp thực nghiệm và ph−ơng pháp mô hình. 5.2.4. Quan điểm thực tiễn đ−ợc thể hiện rất đậm nét trong ch−ơng trình và sách giáo khoa vì vật lý học là một ngành khoa học gắn bó chặt chẽ với thực tế sản xuất và đời sống xã hội. Mặc dầu không đi sâu vào các chi tiết cấu tạo và vận hành, nh−ng phải đề cập đến nguyên tắc hoạt động chung. 5.2.5. Quan điểm phân hóa là quan điểm quan trọng trong lý luận dạy học nhằm tạo điều kiện cho mỗi ng−ời học đạt đ−ợc kết quả tốt nhất tùy vào khả năng và trình độ tiếp thu của từng cá nhân. Phân ban cũng chính là tạo điều kiện tốt cho việc phân hóa trong quá trình dạy học. Ch−ơng trình phân ban ở n−ớc ta có hai đặc điểm cơ bản là phân ban sớm và phân ban rộng. Phân ban sớm là phân ban đ−ợc triển khai ngay từ lớp 10 (lớp đầu cấp của trung học chuyên ban). Ưu điểm của sự phân ban sớm là dành đ−ợc nhiều thời gian cho việc đào tạo phân hóa. Tuy nhiên, kiểu phân ban này có nh−ợc điểm là tỷ lệ học sinh chọn nhầm ban có thể lớn vì ngay từ lớp đầu cấp học sinh ch−a bộc lộ hết năng lực, sở tr−ờng và thiên h−ớng riêng của mình. Phân ban rộng là phân ra ít ban. Trong lần phân ban này, ch−ơng trình mới chỉ có hai ban. Ưu điểm của phân ban rộng là không cảm thấy xa lạ so với hệ thống trung học không phân ban nên dễ phù hợp với trình độ quản lý của đội ngũ cán bộ hiện nay ở tr−ờng phổ thông. Mặt khác, vì phân ban rộng nên những h−ớng mà nhà tr−ờng chuẩn bị cho học sinh để đi vào đời hoặc tiếp tục học lên sẽ rộng rãi hơn. Tuy nhiên với sự phân ban rộng, sự phân hóa ch−a đ−ợc thể hiện rõ nét. Số các môn chung và các môn chuyên ban hơi nhiều nên dễ gây ra tình trạng quá tải cho học sinh. 19
21. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 Giáo trình tự chọn đ−ợc đ−a vào với 3 mục đích khác nhau. Đó là làm đậm nét việc phân ban, đáp ứng đ−ợc nguyện vọng học tập của từng đối t−ợng học sinh khác nhau, góp phần vào việc phân luồng học sinh sau khi học xong trung học phổ thông. 5.2.6. Quan điểm đồng cấu trúc thể hiện trong các ch−ơng trình đầu cấp tạo điều kiện chuyển đổi học sinh giữa các ban sau khi đã học xong lớp đầu cấp của ch−ơng trình trung học chuyên ban. 5.3. Cấu trúc ch−ơng trình vật lý phổ thông ở n−ớc ta Ch−ơng trình vật lý của n−ớc ta đ−ợc bắt đầu từ lớp 6, đ−ợc tổ chức theo kiểu cấu trúc bậc và đ−ợc chia thành các phần cơ, nhiệt, điện, quang Ch−ơng trình vật lý bậc trung học đ−ợc thiết kế nh− sau. Lớp 6 : Cơ học, Nhiệt học Lớp 7 : ánh sáng, Âm thanh, Điện học Lớp 8 : Cơ học, Nhiệt học Lớp 9 : Điện học, Điện từ học, Quang học Lớp 10: Cơ học, Nhiệt học Lớp 11: Nhiệt học, Điện học, Điện từ học Lớp 12: Dao động và sóng, Quang học, Vật lý nguyên tử và hạt nhân Ch−ơng trình mới cho bậc trung học phổ thông (dự kiến đ−ợc áp dụng từ năm học 2006-2007) đ−ợc bố trí nh− sau: Lớp 10: Quang học, Cơ học Lớp 11: Nhiệt học, Điện học, Điện từ học Lớp 12: Cơ học, Dao động và sóng, Quang học, Vật lý nguyên tử và hạt nhân, Vũ trụ. 20
22. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 ch−ơng 2 dạy học phần động học chất điểm I. Mở đầu 1.1. Cấu tạo của ch−ơng trình cơ học ở bậc trung học phổ thông Cơ học là một phần của vật lý học nghiên cứu hiện t−ợng chuyển động cơ học của các vật. Chuyển động cơ học của vật thể là sự thay đổi vị trí của nó trong không gian đối với các vật thể khác theo thời gian. Cơ học phải trả lời đ−ợc những vấn đề liên quan đến chuyển động của các vật. Nh− vậy, nhiệm vụ quan trọng nhất của cơ học là xác định vị trí của một vật ở những thời điểm khác nhau trong không gian. Muốn làm đ−ợc việc đó cần phải biết trạng thái ban đầu của vật (vị trí ban đầu, vận tốc ban đầu), những yếu tố ảnh h−ởng đến chuyển động của vật và những định luật chi phối chuyển động. Trong ch−ơng trình vật lý phổ thông, cơ học th−ờng đ−ợc chia thành 5 phần: Động học, Động lực học, Tĩnh học, Các định luật bảo toàn, Dao động và sóng cơ học. Do tính chất đặc biệt của các hiện t−ợng tuần hoàn, nên phần Dao động và sóng cơ học đ−ợc trình bày chung trong phần Dao động và sóng ở lớp cuối cấp. 1.2. Đặc điểm của phần động học Động học là một bộ phận của cơ học chỉ nghiên cứu chuyển động của vật thể mà không đề cập đến nguyên nhân gây ra chuyển động. Nh− vậy, nhiệm vụ cơ bản của Động học là mô tả chính xác các dạng chuyển động của cơ học để biết tr−ớc đ−ợc vị trí của vật trong không gian tại những thời điểm khác nhau. Điều duy nhất có thể quan sát trực tiếp đ−ợc khi một vật chuyển động là sự thay đổi vị trí của nó theo thời gian. Do đó, sự mô tả chuyển động chính là xác định mối quan hệ giữa đ−ờng đi với thời gian. Đối với chuyển động thẳng đều thì mối quan hệ đó rất đơn giản. Nh−ng đối với những chuyển động biến đổi thì mối quan hệ đó liên tục thay đổi theo thời gian, do vậy phải sử dụng các đại l−ợng vi phân và những phép tính tích phân mới mô tả đ−ợc chính xác mối quan hệ ấy. Ngay cả các khái niệm vận tốc, gia tốc là các đại l−ợng đặc tr−ng cho trạng thái chuyển động của một vật chỉ đ−ợc định nghĩa chính xác khi sử dụng các phép tính vi phân: drs dvr d 2 s vr = ar = = t dt dt dt 2 Tuy nhiên, những chuyển động thực ra rất phức tạp. Với những công cụ toán học đã có chúng ta cũng chỉ mô tả đ−ợc những dạng chuyển động trong đó vận 21
23. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 tốc và gia tốc biến đổi theo những quy luật đơn giản: không đổi, là một hàm bậc nhất của thời gian Đối với các nhà khoa học thì việc nghiên cứu cách mô tả một chuyển động trải qua những giai đoạn quanh co: quan sát thực tế, xây dựng công cụ để mô tả, kiểm nghiệm lại trong thực tế, phát triển để chính xác và hoàn thiện hơn. Đối với học sinh, cũng có thể có hai cách tiếp cận: - Quan sát chuyển động trong thực tế rồi tìm cách mô tả thông qua những khái niệm, công thức, ph−ơng trình toán học. - Đ−a ra một dạng chuyển động đã đ−ợc định nghĩa chặt chẽ có tính chất lý t−ởng rồi tiến hành kiểm nghiệm lại trong thực tế. Cách thứ nhất rất khó thực hiện vì trong thực tế các chuyển động xảy ra rất phức tạp, khó nhận biết đ−ợc dạng chuyển động nào là đơn giản nhất để bắt đầu nghiên cứu. Càng khó khăn hơn nếu bắt đầu bằng một chuyển động phức tạp không có quy luật rõ rệt. Cách nghiên cứu thứ hai hạn chế ở một số dạng chuyển động đơn giản điển hình mà các nhà khoa học đã nắm đ−ợc quy luật rồi sử dụng công cụ toán học để mô tả chính xác và kiểm nghiệm lại trong thực tế. Dù theo cách tiếp cận nào thì cũng cần phải có những kiến thức về toán học cơ bản nh− giới hạn, đạo hàm, vi phân, tích phân để mô tả chuyển động một cách chính xác. Chính vì vậy mà trong sắp xếp ch−ơng trình ở nhiều n−ớc, ở các lớp đầu cấp chỉ trình bày chuyển động thẳng đều, còn chuyển động biến đổi và chuyển động cong trình bày ở lớp cuối cấp. Trong ch−ơng trình hiện hành, chúng ta chú ý đến tính logic vốn có của vật lý học nên xếp cơ học vào lớp đầu cấp và coi chuyển động cơ học là dạng chuyển động đơn giản nhất có trong sự vận động của các phần tử vật chất, gây ra nhiều hiện t−ợng thuộc các lĩnh vực khác nhau nh− nhiệt, điện, quang Bởi vậy nghiên cứu ở lớp đầu cấp khá đầy đủ về chuyển động thẳng và chuyển động thẳng biến đổi đều. Mặc dù trong phần động học nặng về sử dụng các ph−ơng pháp suy diễn toán học nh−ng tài liệu giáo khoa cũng chú trọng đến những thí nghiệm nhằm minh họa, kiểm nghiệm những kết luận suy ra từ lý thuyết, nhất là để nhận biết đ−ợc những dạng chuyển động trong thực tế, chuẩn bị cho việc nghiên cứu phần động lực học. II. phân tích nội dung kiến thức và ph−ơng pháp hình thành các khái niệm cơ bản trong sách giáo khoa phổ thông 2.1. Hệ quy chiếu, tính t−ơng đối của chuyển động Hình thành khái niệm chuyển động cơ học không thể thiếu khái niệm hệ quy chiếu, mặc dầu khái niệm này không đ−ợc đ−a một cách t−ờng minh vào sách giáo khoa vật lý phổ thông. Hệ quy chiếu bao gồm một hệ tọa độ và một đồng hồ đo thời gian, chính xác hơn có thể biểu diễn qua công thức: 22
24. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 Hệ quy chiếu = Hệ tọa độ gắn với vật mốc + Gốc thời gian. Hệ quy chiếu ban đầu đ−ợc xây dựng trong cơ học cổ điển Newton là một hệ đứng yên tuyệt đối, còn chuyển động của các vật đối với nó là chuyển động tuyệt đối. Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng sự tồn tại của một hệ quy chiếu tuyệt đối chỉ là ảo giác. Tuy nhiên hệ quy chiếu tuyệt đối của Newton lại không gắn với một vật bất động nào. Nguyên lý t−ơng đối cổ điển đã đ−ợc hình thành ngay từ giai đoạn đầu của sự phát triển cơ học. Lịch sử phát minh của Kôpecnich và cuộc đấu tranh khốc liệt bao quanh ông cũng chính là lịch sử phát minh ra nguyên lý t−ơng đối. Nguyên lý t−ơng đối cổ điển khẳng định rằng không thể nhận biết đ−ợc chuyển động thẳng và đều của một hệ vật bằng cách quan sát các hiện t−ợng cơ học ra trong hệ đó. Theo quan điểm của vật lý học thì điều đó có nghĩa là chuyển động thẳng đều không gây ra một ảnh h−ởng nào đến các quá trình cơ học trong hệ. Tất cả các quá trình vật lý diễn ra trong hệ ấy không phụ thuộc vào hệ đứng yên hay hệ chuyển động thẳng đều. Nguyên lý t−ơng đối nói lên tính không thể phân biệt đ−ợc giữa sự đứng yên và chuyển động thẳng đều gọi là nguyên lý t−ơng đối Galilê. Nguyên lý này đã trở thành một bộ phận thiết yếu của thế giới quan khoa học trong vật lý. Chính vì vậy, tính t−ơng đối của chuyển động phải đ−ợc chú ý th−ờng xuyên trong phần động học, động lực học và cả những phần khác nữa của cơ học. Từ nội dung của nguyên lý t−ơng đối suy ra đ−ợc một số mệnh đề mà học sinh cần nắm vững: - Tọa độ, quỹ đạo, vận tốc là những khái niệm t−ơng đối, - Khoảng cách, khoảng không gian, gia tốc là những đại l−ợng tuyệt đối. Ngoài ra, nguyên lý t−ơng đối còn chứa đựng một nội dung lớn lao hơn, khẳng định tính tuyệt đối của các định luật động lực học: cả ba định luật Newton đều đúng đắn nh− nhau. Vận tốc là một đại l−ợng t−ơng đối, định luật cộng vận tốc cổ điển có quan hệ trực tiếp với tính t−ơng đối của khái niệm vận tốc . Chất điểm luôn luôn chiếm một vị trí xác định trong không gian đ−ợc xác định bởi ba toạ độ của không gian tọaặc bằng bán kính vectơ r ). Nếu nói rằng một chất điểm đồng thời tham gia hai chuyển động là không chính xác vì nh− vậy thì bán kính vectơ r thu đ−ợc đồng thời hai gia số khác nhau: r r r r1 = r + ∆r1 r r r r2 = r + ∆r2 Vậy là ở một thời điểm sau đó, chất điểm đồng thời ở hai vị trí khác nhau (!). Trong tr−ờng hợp này, ta chỉ có thể nói vật đồng thời chuyển động đối với hai hệ quy chiếu khác nhau mà thôi . 23
25. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 Sự chuyển từ hệ quy chiếu này sang hệ quy chiếu khác đ−a tới bài toán cộng r r r vận tốc quen thuộc: V13 = V12 + V23 Đó chính là “từ điển” cho phép chúng ta chuyển từ hệ quy chiếu này sang hệ quy chiếu khác. Nh− vậy, trong một hệ quy chiếu chỉ xảy ra một chuyển động đối với một chất điểm và ở mỗi thời điểm chỉ đ−ợc xác định bằng một vectơ vận tốc. Phép tính vectơ cho phép chúng ta xem rằng một vectơ bất kỳ chính là tổng các vectơ thành phần của vectơ đó trên các trục tọa độ. Bởi vậy, trong các bài toán động học có thể xem vectơ vận tốc là tổng của hai vectơ thành phần trên hai trục tọa độ. Đó chính là cơ sở để giải các bài toán tổng hợp vận tốc. 2.2.Vận tốc 2.2.1. Nội dung của khái niệm vận tốc Trong thực tế, khi quan sát chuyển động cơ học nhất thiết phải đ−a ra một đại l−ợng biểu thị tính chất nhanh hay chậm của chuyển động. Bởi vậy, định nghĩa vận tốc là một đại l−ợng vật lý đặc tr−ng cho tính chất nhanh hay chậm của chuyển động và đ−ợc đo bằng th−ơng số giữa quãng đ−ờng đi đ−ợc và khoảng thời gian để đi hết quãng đ−ờng đó là một định nghĩa hoàn toàn hợp lý. Tuy vậy, với định nghĩa đó, vận tốc ch−a phải là một đại l−ợng có h−ớng. Muốn thêm đặc tính này, ng−ời ta phải biểu diễn vận tốc bằng một vectơ, và nói thêm: Vectơ vận tốc có h−ớng trùng với h−ớng của chuyển động. Việc ghép khái niệm “đ−ờng đi“ với khái niệm “vectơ vận tốc” hoàn toàn thuận lợi đối với chuyển động thẳng đều nh−ng gặp v−ớng mắc đối với chuyển động biến đổi, nhất là đối với chuyển động cong. Trong một chuyển động cong bất kỳ, đ−ờng đi của chuyển động liên tục đổi h−ớng. Nh− vậy không thể dùng đ−ờng đi là một đại l−ợng vô h−ớng để định nghĩa vận tốc là một đại l−ợng vectơ. Để khắc phục điều này, ng−ời ta đã đ−a vào khái niệm “độ dời” thay cho khái niệm đ−ờng đi. Theo định nghĩa, độ dời là một vectơ có gốc là vị trí ban đầu M0 r và ngọn là vị trí cuối M của chất điểm chuyển động: s = M0M Vận tốc đ−ợc định nghĩa theo vectơ độ dời: rs vr = ∆t Định nghĩa vận tốc nh− vậy là chặt chẽ về mặt logic và rất phù hợp với chuyển động thẳng có chiều không đổi, vừa biểu thị đ−ợc tính chất nhanh hay chậm của chuyển động, vừa thể hiện đ−ợc chiều của chuyển động. Nh−ng khi áp dụng định nghĩa này cho chuyển động thẳng có đổi chiều hay chuyển động cong lại gặp khó khăn. Định nghĩa vận tốc theo độ dời nh− trên chỉ cho biết kết quả cuối cùng của sự dịch chuyển chứ không cho biết chuyển động thực trên đ−ờng. Một ô tô chuyển động trên đ−ờng tròn, đi hết một vòng rồi trở về vị trí ban đầu thì độ dời bằng không nh−ng khi đó đ−ờng đi lại rất dài. Vận tốc 24
26. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 định nghĩa theo độ dời bằng không, nh−ng vận tốc định nghĩa theo đ−ờng đi lại có giá trị khác không. Vì những khó khăn trên, nên định nghĩa chính xác nhất của vận tốc phải là: drs vr = ∆t Định nghĩa cuối cùng này thực ra là định nghĩa vận tốc tức thời, phù hợp cho mọi loại chuyển động và chặt chẽ về mặt logic. Nh−ng muốn hiểu định nghĩa này cần phải có kiến thức về giới hạn, đạo hàm, vi phân. Điều này lại gặp phải khó khăn đối với học sinh đầu cấp, vì mãi đến lớp 12 học sinh mới hiểu đ−ợc. Bởi vậy ở nhiều n−ớc ng−ời ta chỉ đề cập đến chuyển động thẳng đều ở lớp đầu cấp, còn chuyển động biến đổi và chuyển động cong đ−ợc đ−a xuống lớp cuối cấp. Do đó toàn bộ động lực học cũng phải đ−a xuống lớp cuối cấp. 2.2.2. Ph−ơng pháp hình thành khái niệm vận tốc ở tr−ờng trung học phổ thông ở tr−ờng trung học phổ thông, khái niệm vận tốc đ−ợc trình bày theo nhiều ph−ơng án khác nhau. Theo ph−ơng án 1, khái niệm vận tốc đ−ợc trình bày theo nhiều giai đoạn. Tr−ớc hết khái niệm vận tốc đ−ợc xây dựng cho chuyển động thẳng đều: “Vận tốc của chuyển động thẳng đều là một đại l−ợng vật lý đặc tr−ng cho sự nhanh hay chậm của chuyển động và đo bằng th−ơng số giữa quãng đ−ờng đi đ−ợc và khoảng thời gian để đi hết quãng đ−ờng đó v = s/t”. Để chặt chẽ hơn sách giáo khoa đ−a thêm vào khái niệm vectơ vận tốc. Giai đoạn tiếp theo là hình thành khái niệm vận tốc trung bình, rồi dựa vào khái niệm vận tốc trung bình để hình thành vận tốc tức thời trong nghiên c−ứ chuyển động thẳng biến đổi đều: “vận tốc tức thời hay vận tốc tại một điểm đã cho trên quỹ đạo là đại l−ợng đo bằng th−ơng số giữa quãng đ−ờng đi rất nhỏ tính từ điểm đã cho và khoảng thời gian rất nhỏ để vật đi hết quãng đ−ờng đó, ký hiệu là vt: vt = ∆s/∆t”. Cách xây dựng nh− vậy là rất đơn giản, thiếu chặt chẽ, nh−ng học sinh có thể hiểu đ−ợc thế nào là vận tốc tức thời. r r s Đối với chuyển động thẳng không đều thì định nghĩa v = có thể thỏa ∆t mãn cả hai yêu cầu: đặc tr−ng cho sự nhanh hay chậm và h−ớng của chuyển động. Bởi vậy, có sách giáo khoa đã chọn ph−ơng án này để định nghĩa vận tốc của chuyển động thẳng đều và vận tốc trung bình trong chuyển động thẳng biến đổi nh−ng có chiều không đổi. Trong những chuyển động đó, độ dời và đ−ờng đi có cùng độ lớn. Sách giáo khoa đó không đi sâu phân biệt độ dời và đ−ờng đi. Khái niệm vận tốc trung bình không có ý nghĩa quan trọng trong việc khảo sát chuyển động, chỉ là khái niệm trung gian để hình thành vận tốc tức thời. Về sau, ở phần động lực học, khi xét đến chuyển động của vật ném xiên sẽ xuất hiện mâu thuẫn giữa định nghĩa vận tốc trung bình theo đ−ờng đi và theo độ dời. Khi 25
27. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 đó chỉ tập trung xét vận tốc tức thời mà thôi. Chỉ có vận tốc tức thời mới đặc tr−ng cho trạng thái chuyển động của vật và tham gia vào ph−ơng trình chuyển động của vật. Việc hình thành vận tốc tức thời ở lớp 10 vẫn còn khó khăn không thể v−ợt qua đ−ợc vì học sinh ch−a có khái niệm về giới hạn. Bởi vậy, học sinh ch−a thể hiểu đ−ợc là tỷ số ∆s/∆t sẽ tiến tới một giới hạn khi ∆t tiến tới không. Chính vì vậy phải chấp nhận một cách định nghĩa mô tả nhằm làm cho học sinh b−ớc đầu hình dung đ−ợc khái niệm: “ Vận tốc tức thời của một vật là vận tốc của vật ở một thời điểm trên quỹ đạo và đ−ợc xác định bằng th−ơng số của độ dời rất nhỏ ∆s tính từ thời điểm đã cho và khoảng thời gian ∆t rất nhỏ để đi hết độ dời đó”. Có thể nói rõ hơn: ∆s và ∆t là rất nhỏ. Đối với những dụng cụ đo mà ta có thì không thể phát hiện ra đ−ợc sự biến đổi của vận tốc trên đoạn đ−ờng đó nên thực tế có thể coi vận tốc trung bình trên đoạn đ−ờng đó bằng vận tốc tức thời ở điểm đầu của đoạn đ−ờng đó. Khái niệm vận tốc tức thời định nghĩa nh− thế thực ra còn rất trừu t−ợng, khó hiểu đối với học sinh, nhất là khi nói rằng vận tốc tức thời cũng đo bằng các đơn vị m/s, km/h Bởi vậy, dựa vào sự phân tích trên có thể đ−a ra thí dụ cụ thể để học sinh dễ hình dung nh− sau: Nói vận tốc tức thời của vật tại một điểm A trên quỹ đạo là 10 m/s có nghĩa là nếu bắt đầu từ điểm A vật tiếp tục chuyển động thẳng đều thì trong một giây vật đi đ−ợc một đoạn đ−ờng là 10 m. Đối với ban khoa học xã hội, do không đ−a vào khái niệm độ dời nên phải chấp nhận ph−ơng án định nghĩa theo đ−ờng đi và đ−a thêm h−ớng của chuyển động vào để hình thành khái niệm vận tốc nh− đã phân tích ở phần trên, tuy có dễ hiểu hơn nh−ng kém chặt chẽ về mặt logic. 2.3. Gia tốc 2.3.1. Nội dung khái niệm gia tốc Cũng t−ơng tự nh− đối với khái niệm vận tốc, những đặc tr−ng đầy đủ của một vectơ gia tốc phải đ−ợc diễn đạt bằng một đạo hàm vectơ: dvr d 2 sr ar = = dt dt 2 Riêng đối với chuyển động thẳng biến đổi thì gia tốc trung bình đ−ợc định nghĩa là: vr − vr ∆vr ar = t 0 = ∆t ∆t Nếu chuyển động là thẳng biến đổi đều thì gia tốc không đổi nên gia tốc trung bình và gia tốc tức thời trùng nhau. Trong tr−ờng hợp tổng quát đối với chuyển động biến đổi, gia tốc có thể biển đổi theo thời gian và công thức gia tốc trình bày ở trên chính là gia tốc tức thời. Vectơ gia tốc có thể phân tích ra hai thành phần: thành phần tiếp tuyến và thành 26
28. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 phần pháp tuyến theo ph−ơng chuyển động. Thành phần tiếp tuyến với quỹ đạo biểu diễn sự thay đổi độ lớn của vận tốc còn thành phần pháp tuyến biểu diễn sự thay đổi ph−ơng của vectơ vận tốc. Trong tr−ờng hợp đặc biệt của chuyển động thẳng thì không có thành phần tiếp tuyến và lúc đó gia tốc chỉ đặc tr−ng cho sự biến thiên nhanh hay chậm của vận tốc. Đối với chuyển động thẳng đều thì gia tốc là một hằng số. Đối với chuyển động tròn đều, chỉ có thành phần pháp tuyến làm thay đổi liên tục ph−ơng của chuyển động. 2.3.2. Ph−ơng pháp hình thành Xuất phát từ sự biến đổi vận tốc trong chuyển động thẳng biến đổi đều, để biểu thị cho tính chất biến đổi nhanh hay chậm của vận tốc, ta xét độ biến thiên của vận tốc ∆vr trong một đơn vị thời gian và định nghĩa gia tốc theo công thức: vr − vr ∆vr ar = t 0 = ∆t ∆t Nh− vậy, vectơ gia tốc ar cùng chiều với vectơ ∆vr . Sau đó xét chiều vectơ gia tốc trong hai tr−ờng hợp chuyển động nhanh dần và chuyển động chậm dần dựa trên phép tính vectơ và đi đến một quy tắc thực hành: - Trong chuyển động nhanh dần không đổi chiều, vectơ gia tốc cùng chiều với vectơ vận tốc. - Trong chuyển động chậm dần không đổi chiều, vectơ gia tốc ng−ợc chiều với vectơ vận tốc. Điều đáng l−u ý là tuy đã xác định đ−ợc vectơ gia tốc rồi nh−ng ch−a có thể xác định chuyển động là nhanh dần hay chậm dần mà còn phải xét đến chiều của vận tốc nữa. III. bài tập và thí nghiệm cho phần động học 3.1. Bài tập động học Ngoài các bài tập mang tính chất luyện tập sau mỗi tiết học, cần chú ý đến các loại bài tập mang tính chất tổng hợp sau. 3.1.1. Bài tập đồ thị Đồ thị là một cách biểu diễn các định luật vật lý nói chung và các quy luật của chuyển động nói riêng. Trong phần động học có rất nhiều điều kiện để sử dụng loại bài tập này. Bài tập đồ thị th−ờng có các loại: 1. Biết một số đại l−ợng đặc tr−ng động học của chuyển động, vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa các đại l−ợng đó rồi lại dùng đồ thị để tìm ra một số yếu tố khác của chuyển động. 2. Cho tr−ớc đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa hai đại l−ợng rồi căn cứ vào đồ thị suy ra một số đặc tr−ng khác của chuyển động. 27
29. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 3. Cho đồ thị biểu diễn hai hoặc một số chuyển động, rồi dựa vào đồ thị so sánh những đại l−ợng đặc tr−ng của chúng. 3.1.2. Bài tập tính toán tổng hợp Đối với loại bài tập này, học sinh th−ờng lúng túng không biết bắt đầu từ đâu. Bởi vậy cần h−ớng dẫn các em suy nghĩ theo sơ đồ chung của việc giải bài tập vật lý. 1. Khi nghiên cứu đầu bài cần chú ý đến chuyển các mệnh đề ban đầu thành ký hiệu toán học hợp lý và chính xác. 2. Phân tích hiện t−ợng phải xác định đ−ợc đó là loại chuyển động nào, xác định các điều kiện ban đầu và cuối cùng của chuyển động. 3. Khi vạch kế hoạch giải th−ờng chia chuyển động thành nhiều giai đoạn tùy theo tính chất của chuyển động. Đối với mỗi bài toán về một giai đoạn của chuyển động có thể làm nh− sau: - Chọn gốc đ−ờng đi (hay gốc tọa độ), và chiều d−ơng của chuyển động (hay chiều của trục tọa độ), - Chọn gốc thời gian thích hợp, - Viết ph−ơng trình chuyển động, - Giải hệ ph−ơng trình, - Biện luận kết quả. 3.2. Thí nghiệm động học Từ tr−ớc đến nay, thí nghiệm nghiên cứu các dạng chuyển động là loại thí nghiệm rất khó thực hiện ở tr−ờng phổ thông vì: - Giáo viên cùng một lúc phải quan sát sự di chuyển vị trí của vật và thời gian di chuyển. Cùng một lúc phải phối hợp hai giác quan là tay và mắt để thực hiện hai thao tác ghi vị trí của vật và ghi thời gian. Do đó thí nghiệm th−ờng mắc sai số lớn. - Thời gian xảy ra của các chuyển động trong các thí nghiệm th−ờng rất ngắn (trong vài ba giây hoặc vài phần m−ời giây) nên giáo viên thao tác không kịp. Để giải quyết khó khăn này ng−ời ta th−ờng dùng ống nhỏ giọt hoặc các bộ phận ghi tự động. Đối với các thí nghiệm trong ch−ơng trình trung học chuyên ban, ng−ời ta đã sử dụng thiết bị gọi là đồng hồ có cần rung hay còn gọi là bộ rung điện có tần số dao động ổn định là 50 Hz, ở đầu cần rung của đồng hồ có gắn một ngòi bút dạ tẩm mực. Khi băng giấy chuyển động qua đó, ngòi bút dạ sẽ chấm lên băng giấy những chấm nhỏ đánh dấu vị trí của vật sau những khoảng thời gian liên tiếp là 0,02 giây. Với thiết bị này có thể khảo sát chuyển động của các vật trên đoạn đ−ờng chuyển động từ 15 đến 30 cm trong thời gian một vài giây. Trên quãng đ−ờng ngắn đó, tính chất của chuyển động khá ổn định. Việc ghi trên băng giấy giúp cho việc quan sát dễ dàng hơn, đo đạc khách quan hơn và 28
30. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 học sinh có thể thực hiện đ−ợc. Tuy nhiên ma sát của chuyển động và sự ghi của bút dạ cũng tạo nên những sai số khi đo đạc. 29
31. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 ch−ơng 3 dạy học phần động lực học chất điểm và tĩnh học I. đặc điểm của phần động lực học và tĩnh học Trong phần động học, để giải quyết bài toán cơ bản của cơ học, chúng ta đã lần l−ợt giải quyết các mắt xích khác nhau: hệ quy chiếu, vận tốc, gia tốc và cuối cùng là đi đến thành lập ph−ơng trình chuyển động. Nh−ng làm thế nào để xác định đ−ợc gia tốc? Sự xuất hiện của gia tốc tuân theo những quy luật nào của tự nhiên? Phần cơ học nghiên cứu nguyên nhân của các chuyển động gọi là động lực học. Nội dung cơ bản của phần động lực học là các định luật về chuyển động, các khái niệm cơ bản: lực và khối l−ợng, các định luật riêng cho từng loại lực trong cơ học và ph−ơng pháp động lực học. Khác với sách giáo khoa của nhiều n−ớc, sách giáo khoa của chúng ta coi các định luật của Newton nh− là các nguyên lý lớn. Những nguyên lý này làm nền tảng cho việc tìm kiếm các định luật vật lý khác cũng nh− cho việc xây dựng và phát triển cơ học. Với quan niệm đó, sách giáo khoa trình bày ba định luật d−ới dạng tiên đề chứ không phải bằng con đ−ờng quy nạp thực nghiệm. Lực và khối l−ợng là hai khái niệm rất cơ bản mà Newton đã sử dụng để khái quát hóa và định l−ợng những kết quả quan sát về hiện t−ợng t−ơng tác giữa các vật cũng nh− về sự chuyển động của chúng. Hai khái niệm này đ−ợc hình thành trong mối liên hệ chặt chẽ với ba định luật Newton. Xét về mặt logic, không thể hình thành đ−ợc khái niệm lực mà không cần đến khái niệm khối l−ợng. Ng−ợc lại, cũng không thể hình thành đ−ợc khái niệm khối l−ợng mà bỏ qua khái niệm lực. Do nhấn mạnh vai trò trực giác trong việc hình thành hai khái niệm lực và khối l−ợng nên sách giáo khoa đã trình bày cách hình thành hai khái niệm này theo hai giai đoạn: giai đoạn trực giác và giai đoạn logic. Phần tĩnh học nghiên cứu trạng thái cân bằng để tìm điều kiện đứng yên cho vật. Theo quan niệm động lực học thì đứng yên chỉ là tr−ờng hợp đặc biệt của trạng thái cân bằng khi vận tốc bằng không. Do vậy, có thể sử dụng các kiến thức của phần động lực học để nghiên cứu điều kiện cân bằng. Chính vì vậy mà phần tĩnh học đ−ợc xếp sau phần động lực học. II. khái niệm quán tính Trong phần động lực học, hầu hết các sách giáo khoa đều đề cập thuật ngữ quán tính. 30
32. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 Thông th−ờng, ng−ời ta hiểu quán tính là tính chất của các vật thể mà định luật I Newton diễn tả: “Mọi vật thể đều có tính chất giữ nguyên trạng thái đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều chừng nào còn ch−a có lực tác dụng lên nó”. Tính chất đó của vật thể gọi là quán tính. Chính do cách hiểu nh− vậy mà ng−ời ta gọi định luật I Newton là định luật quán tính. Nếu theo cách hiểu này thì khái niệm quán tính gắn liền với định luật I Newton và quán tính là một tính chất vốn có với mức độ nh− nhau của tất cả các vật thể vật lý mà không loại trừ một vật thể nào. Quán tính hiểu theo nghĩa đó là một tính chất phổ biến, không đổi và không tách rời mọi vật. Mọi vật đều có quán tính nh− nhau. Vậy thì quán tính không phải là một đại l−ợng vật lý và không thể nói đến “số đo quán tính” nh− chúng ta th−ờng đã nghe. Có thể hiểu quán tính theo một ý nghĩa khác khi nói rằng, một vật thể chịu tác dụng của một lực hãm thì tr−ớc khi dừng lại còn có thể đi hết một khoảng cách nào đó “theo quán tính”. Thuật ngữ quán tính dùng ở đây là nói rằng, để biến đổi vận tốc chuyển động của vật d−ới tác dụng của một vật bất kỳ cần phải có một thời gian xác định, tức là lực xác định gia tốc chứ không phải xác định vận tốc. Theo cách hiểu này, thuật ngữ quán tính gắn liền với định luật II Newton. Với ý nghĩa này, ta có thể đ−a ra đ−ợc số đo định l−ợng, tức là số đo “mức quán tính” của mỗi vật. Bởi vì, d−ới tác dụng của một lực nh− nhau các vật thể khác nhau sẽ đòi hỏi thời gian không nh− nhau để biến đổi vận tốc, tức là thu đ−ợc các gia tốc khác nhau. Chính vì tính chất hai nghĩa của quán tính nên làm cho các chuyên gia rất khó khăn khi trình bày khái niệm này trong sách giáo khoa vật lý phổ thông. Trong khó khăn đó, có ý t−ởng muốn kết hợp cả hai cách lý giải này bằng cách cho rằng “quán tính là xu h−ớng của vật thể bảo toàn vận tốc của nó”, lực tác dụng lên vật thể “đấu tranh” với xu h−ớng đó và “thắng” nó. Trong thực tế, ý t−ởng đó đã bị phê phán một cách rất có lý, bởi vì không nói đ−ợc rằng một vật có xu h−ớng bảo toàn vận tốc nếu nó bắt đầu thay đổi vận tốc d−ới tác dụng của một vật nhỏ nhất. Do những khó khăn không thể khắc phục đ−ợc, nên cho đến nay, các sách giáo khoa vẫn phải bằng lòng sử dụng tính chất hai nghĩa ấy của thuật ngữ quán tính, nh−ng sử dụng có thận trọng hơn. Tính chất “quán tính” hiểu theo cách thứ nhất cùng với định luật I Newton. Để diễn tả hết tính chất của thuật ngữ gắn với định luật II Newton, ng−ời ta dùng đến thuật ngữ “mức quán tính”. Nh− vậy: - Quán tính là tính chất bảo toàn vận tốc của vật thể, hay nói chính xác hơn quán tính là hiện t−ợng bảo toàn vận tốc của vật thể trong chuyển động. - Mức quán tính là tính chất của vật thể thu đ−ợc gia tốc khác nhau d−ới tác dụng của những lực không bằng nhau. Do đó, khối l−ợng của một vật là đại l−ợng đặc tr−ng cho mức quán tính. Do vật thể có quán tính mà nó có mức quán tính. Tuy nhiên hai khái niệm “quán tính” và “mức quán tính” hoàn toàn không đồng nhất với nhau. 31
33. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 III. các định luật về chuyển động 3.1. Định luật I Newton 3.1.1. Nội dung kiến thức Tr−ớc Newton, Aristôt có quan niệm sai lầm cho rằng trạng thái đứng yên là trạng thái tự nhiên của mọi vật khi không có vật nào tác dụng lên nó. Theo ông và các học trò của ông thì chỉ khi kéo một vật, tức là tác dụng vào vật một lực, thì vật mới chuyển động, còn khi thôi kéo (tức là thôi tác dụng) thì vật đứng yên. Mãi sau này Galilê và Newton đã dùng ph−ơng pháp thực nghiệm để bác bỏ cách giải thích trên và đ−a ra một cách giải thích mới về hiện t−ợng đứng yên. Xét về mặt động lực học thì đứng yên chỉ là tr−ờng hợp đặc biệt của tr−ờng hợp chuyển động thẳng đều khi vận tốc ban đầu bằng không. Nếu nhìn lại lịch sử phát triển của vật lý học thì Galilê đ−ợc coi là ng−ời đầu tiên sử dụng ph−ơng pháp thực nghiệm. Ông thả một hòn bi lăn trên một loại máng nghiêng rất nhẵn và nhận thấy hòn bi chuyển động nhanh dần khi lăn xuống máng nghiêng và chuyển động chậm dần khi lăn ng−ợc lên. Ông dùng một mặt phẳng nằm ngang và hai máng nghiêng để thực hiện một thí nghiệm nh− đ−ợc mô tả trên hình vẽ. Thả hòn bi từ độ cao ban đầu h trên máng nghiêng1, hòn bi lăn xuống rồi lại lăn ng−ợc lên máng nghiêng 2. h 1 2 Galilê nhận thấy hình nh− hòn bi muốn lăn lên máng 2 đạt đến độ cao bằng độ cao h ban đầu. Ông càng hạ thấp độ nghiêng của máng thì hòn bi lăn trên máng 2 đ−ợc đoạn đ−ờng dài hơn. Từ những thí nghiệm t−ơng tự nh− vậy, Galilê suy ra rằng nếu thay máng 2 bằng một mặt phẳng nằm ngang, nhẵn lý t−ởng thì hòn bi sẽ lăn với vận tốc không đổi mãi mãi vì chẳng bao giờ có thể đạt đến độ cao ban đầu. Nh−ng định luật I cũng không phải đơn thuần là sản phẩm của ph−ơng pháp thực nghiệm mà còn là sản phẩm của trí t−ởng t−ợng phong phú, của trình độ t− duy cao, và của trực giác thiên tài của Galilê và của Newton. Trong cuốn “Những nguyên lý toán học của triết học tự nhiên”, Newton viết: “Mọi vật giữ nguyên trạng thái đứng yên hay chuyển động thẳng đều trừ phi nó chịu tác dụng của các lực làm thay đổi trạng thái đó”. Đấy chính là nội dung của định luật I Newton. Định luật I nói rằng, khi thôi tác dụng thì vật sẽ bảo toàn vận tốc. Nhờ tin vào điều đó mà Galilê và Newton đã phát hiện ra mọi vật đều có quán tính. Nh−ng ý nghĩa quan trọng mà định luật I mang lại cho khoa học là phát hiện ra hệ quy chiếu quán tính. Thật vậy, theo định luật I Newton thì các vật tự do sẽ đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều. Nếu ta đứng trong hệ quy chiếu gắn với 32
34. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 vật tự do thì sẽ quan sát các vật tự do khác đứng yên hay chuyển động thẳng đều. Có rất nhiều hệ quy chiếu gắn với các vật tự do nh− vậy và chúng đều t−ơng đ−ơng nhau. Những hệ quy chiếu đó gọi là hệ quy chiếu quán tính. Một câu hỏi đã từ lâu đ−ợc nhiều ng−ời quan tâm: định luật I có phải là tr−ờng hợp riêng của định luật II hay không? Nếu nh− vậy thì cần gì phải trình bày định luật I? Về hình thức thì định luật I có thể suy ra từ định luật II. Thật vậy, từ công thức của định luật II F = ma khi F = 0 thì a = 0. Nh−ng định luật I vẫn luôn là một định luật độc lập vì nó bao hàm những nội dung quan trọng nh− vừa trình bày ở trên. Ngoài ra, định luật I còn chứa một nội dung rất quan trọng khác: tính đồng nhất của thời gian, tính đồng chất và đẳng h−ớng của không gian. Thời gian trôi đi nh− nhau trong các hệ quy chiếu quán tính khác nhau. Mọi điểm trong không gian, mọi ph−ơng trong không gian đều bình đẳng nh− nhau. Đây chính là t− t−ởng thống soái làm cơ sở để xây dựng cơ học Newton và vật lý học cổ điển. 3.1.2. Một số l−u ý trong dạy học Nh− trên đã trình bày, định luật I đ−ợc trình bày d−ới dạng tiên đề chứ không giống nh− các định luật vật lý khác là rút ra từ thực nghiệm. Muốn để học sinh tin vào sự đúng đắn của định luật I, giáo viên phải biết chọn lựa để mô tả các thí nghiệm tình huống rồi cho học sinh nhận xét. Tr−ớc đó phải cho học sinh xét xem trong điều kiện nào thì vật sẽ đứng yên hay chuyển động thẳng đều. Thí nghiệm thả viên bi lăn trên máng nghiêng của Galilê là một thí nghiệm điển hình. Có thể mô tả một thí nghiệm khác: Cho một viên bi lăn trên mặt bàn, sau một thời gian viên bi đó sẽ dừng lại do ma sát. Nếu giảm dần ma sát thì chuyển động sẽ xảy ra nh− thế nào? và nếu chuyển động không ma sát? 3.2. Định luật II Newton 3.2.1. Nội dung kiến thức Định luật II cũng đ−ợc trình bày d−ới dạng một nguyên lý chứ không phải d−ới dạng một định luật vật lý thông th−ờng. Phải thừa nhận định luật II nh− một nguyên lý vì nó đ−ợc Newton phát hiện trên cơ sở của việc khái quát hóa từ rất nhiều sự kiện quan sát đ−ợc, kể cả những quan sát trong lĩnh vực thiên văn, kết hợp với trực giác thiên tài của riêng ông. Chính vì thế mà về nguyên tắc, chúng ta không thể tạo ra đ−ợc những thí nghiệm riêng lẻ đủ t− cách để kiểm tra tính đúng đắn của định luật này. Newton viết: “Sự thay đổi chuyển động tỷ lệ với lực chuyển động đặt vào và xảy ra theo h−ớng mà lực tác dụng lên h−ớng đó”. Trong cách phát biểu nguyên thủy này của Newton, chúng ta thấy rằng lực gây nên sự thay đổi chuyển động chứ không phải gây ra chuyển động nh− ng−ời ta nghĩ tr−ớc đây. Nh−ng thuật ngữ “thay đổi chuyển động” là khó hiểu, vì chuyển động là một quá trình chứ đâu phải là một đại l−ợng vật lý. 33
35. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 Cách phát biểu mà ngày nay các nhà khoa học cho là chính xác nhất là: “Lực tác dụng lên vật bằng tích khối l−ợng vật thể nhân với gia tốc mà vật thu đ−ợc”. Đó chính là nội dung của một định luật vì nói lên đ−ợc mối liên hệ của các sự vật tồn tại trong tự nhiên. Mặc dầu vậy, để đặc biệt chú ý đến tính nhân quả của định luật, nội dung của định luật đ−ợc diễn đạt nh− sau: “Gia tốc của một vật thể tỷ lệ thuận với lực tác dụng vào vật và tỷ lệ nghịch với khối l−ợng của nó”. Định luật II Newton là một định luật phổ biến vì luôn luôn đúng cho mọi sự t−ơng tác cho dù bản chất t−ơng tác ấy là hoàn toàn khác nhau, các vật t−ơng tác là hoàn toàn khác nhau. N−ời ta sử đụng định luật II để nghiên cứu chuyển động của viên đạn, của phân tử, của gió, của các vì sao, của một chi tiết cơ khí Định luật II Newton là định luật cơ bản của động lực học vì nhờ định luật đó mà ta tìm đ−ợc gia tốc của chuyển động. Nếu còn biết thêm các điều kiện ban đầu thì hoàn toàn có thể giải quyết đ−ợc bài toán cơ bản về chuyển động của các vật. 3.2.2. Một số l−u ý trong dạy học Cái quan trọng khi dạy học định luật II là phải làm cho học sinh hiểu rõ công r thức F = mar : r - F là tổng hợp của tất cả các lực bên ngoài tác dụng lên vật và khi đó gia tốc mà vật thu đ−ợc chính là gia tốc tổng hợp (mỗi lực riêng lẻ chỉ gây ra các gia tốc thành phần), - m là khối l−ợng của một vật hay của nhiều vật liên kết chặt chẽ với nhau trong quá trình chuyển động d−ới tác dụng của lực, - Công thức trên đúng cho tất các các loại lực và mọi loại chuyển động. Khi trình bày định luật II, nhiều sách giáo khoa có đ−a ra thí nghiệm, nh−ng đó chỉ là những thí nghiệm minh họa chứ không hề có ý định dùng thí nghiệm để rút ra định luật. 3.3. Định luật III Newton 3.3.1. Nội dung kiến thức Định luật III Newton xác định đặc tính t−ơng tác của các vật đ−ợc Newton phát biểu lần đầu rằng: “Tác dụng bao giờ cũng bằng và ng−ợc chiều với phản tác dụng. Nói khác đi, các lực tác dụng của hai vật lên nhau bao giờ cũng bằng nhau và h−ớng về hai phía ng−ợc nhau”. Với cách phát biểu tổng quát nh− thế, định luật III Newton đúng cho mọi tr−ờng hợp t−ơng tác, dù bản chất của lực t−ơng tác là gì và các vật tham gia t−ơng tác chuyển động với vận tốc nh− thế nào đi nữa. Mặc dầu vậy, định luật III chỉ nói đến đặc tính của sự t−ơng tác chứ không đề cập tới nguyên nhân của đặc tính đó, tức là nó chỉ cho biết rằng hễ có lực tác dụng thì nhất thiết phải có lực phản tác dụng, và không cho biết vì sao nh− vậy. 34
36. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 3.3.2. Một số l−u ý trong dạy học Mỗi định luật của Newton là một nguyên lý lớn. Tuy nhiên nếu thừa nhận định luật II thì dùng thí nghiệm về hai vật t−ơng tác, so sánh tỷ số gia tốc mà hai vật thu đ−ợc để từ đó dễ dàng rút ra đ−ợc định luật III. Dĩ nhiên cũng có thể làm ng−ợc lại, từ sự thừa nhận tính đúng đắn của định luật III, dùng thí nghiệm về sự t−ơng tác của hai vật rồi suy ra định luật II. Bởi vì các sách giáo khoa th−ờng trình bày định luật II tr−ớc định luật III, nên định luật III th−ờng đ−ợc trình bày d−ới dạng một định luật rút ra từ thực nghiệm. Mặc dầu có nhiều cách phát biểu khác nhau về nội dung định luật III Newton nh−ng khi dạy học giáo viên phải chú ý nhấn mạnh cho học sinh: - Lực bao giờ cũng xuất hiện từng cặp (lực tác dụng và lực phản tác dụng) và xuất hiện một cách đồng thời. - Cặp lực này bao giờ cũng có cùng bản chất (cùng là lực hấp dẫn, cùng là lực ma sát, cùng là lực đàn hồi, cùng là lực tĩnh điện ). - Hai lực trong cặp lực này đặt vào hai vật khác nhau. - Đây là một cặp lực trực đối (có cùng độ lớn, cùng ph−ơng và ng−ợc chiều). IV. Khái niệm lực và khối l−ợng Lực và khối l−ợng là hai đại l−ợng rất cơ bản của động lực học. Nếu không có hai đại l−ợng này thì không thể nói gì đến các định luật của chuyển động. Mặt khác, hai đại l−ợng này không thể trình bày một cách trọn vẹn tr−ớc khi trình bày các định luật của Newton. 4.1. Khái niệm lực 4.1.1. Nội dung khái niệm Newton cho rằng: “Lực đặt vào là sự tác dụng tiến hành trên vật thể để làm thay đổi trạng thái đứng yên hay là chuyển động thẳng đều của nó”, ý nghĩa của khái niệm lực chính là ở đó. Feyman lại nói rằng: “Lực là cái mà nếu không có nó thì vật sẽ đứng yên hay chuyển động thẳng đều”. Hai cách phát biểu trên chỉ đề cập đến khái niệm chứ ch−a nói rõ lực là một đại l−ợng vật lý để có thể đo và biểu diễn đ−ợc bằng số. Từ tr−ớc đến nay ng−ời ta vẫn cho rằng lực có hai biểu hiện: - Biểu hiện tĩnh học: gây ra biến dạng. - Biểu hiện động lực học: gây ra gia tốc (làm biến đổi chuyển động). Do đó, nhiều sách giáo khoa đã định nghĩa: “Lực là đại l−ợng đặc tr−ng tác dụng của vật này vào vật khác, kết quả là truyền gia tốc cho vật hoặc làm cho vật biến dạng”. Quan điểm hiện đại về lực cho rằng lực chỉ có một tác dụng động lực học là gây ra gia tốc, còn biến dạng là hệ quả của sự biến đổi chuyển động không đều 35
37. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 của các phần tử của vật. Bởi vậy chỉ nên định nghĩa: “Lực tác dụng lên vật là một đại l−ợng vectơ bằng tích của khối l−ợng m với gia tốc a mà vật thu đ−ợc d−ới tác dụng của lực”. r Công thức F = mar vừa là công thức của định luật II Newton nh−ng cũng là công thức định nghĩa lực. Đó là công thức của định luật vì khi đo ba đại l−ợng F, m, a một cách độc lập thì bao giờ ta cũng có đ−ợc mối liên hệ trên (Lực bằng ). Đó là định nghĩa vì cho ta nhận biết đ−ợc một cách chính xác khái niệm lực (Lực là ). 4.1.2. Một số l−u ý khi dạy học Mọi ch−ơng trình và sách giáo khoa th−ờng trình bày khái niệm lực theo hai giai đoạn: giai đoạn trực giác và giai đoạn logic. - Giai đoạn trực giác bắt đầu từ lớp đầu tiên khi học sinh đ−ợc học vật lý. Lực là sự ảnh h−ởng (hay sự tác dụng) của vật này lên vật khác. Nh−ng thế nào là ảnh h−ởng (tác dụng)? ảnh h−ởng (tác dụng) xảy ra nh− thế nào? Ng−ời ta phải bắt đầu từ những thí dụ rất “trực giác”. Vật thể rơi có gia tốc xuống mặt đất là do trái đất ảnh h−ởng (tác dụng) lên nó. Do đặt gần nam châm mà mẫu sắt chuyển động do nam châm ảnh h−ởng (tác dụng) lên nó Phải chăng những ảnh h−ởng (tác dụng) đó là giống nhau và có cùng bản chất. Từ những trực giác sơ khai đó đi dần đến trực giác cao hơn: lực là đại l−ợng vật lý đặc tr−ng cho tác dụng cơ học mà kết quả là truyền gia tốc cho vật hoặc làm cho vật biến dạng. Trong giai đoạn trực giác này, mặc dầu khái niệm lực đ−ợc đề cập còn mơ hồ, ch−a rõ ràng, ch−a xác định nh−ng rất quan trọng để hình thành đ−ợc khái niệm lực một cách chính xác ở giai đoạn logic. r - Giai đoạn lôgic xẩy ra sau khi đã có định luật II Newton F = mar . Từ đó học sinh có đ−ợc định nghĩa định l−ợng về lực. 4.2. Khối l−ợng 4.2.1. Nội dung khái niệm Khái niệm khối l−ợng đã xuất hiện trong hai định luật hoàn toàn độc lập với nhau: định luật thứ II Newton và định luật vạn vật hấp dẫn. Chính vì vậy, trong lịch sử phát triển của vật lý học xuất hiện hai khái niệm: Khối l−ợng quán tính và khối l−ợng hấp dẫn. Hai khái niệm khối l−ợng này hoàn toàn khác nhau về vai trò trong cơ học nh−ng lại trùng nhau đến kỳ lạ. Nhiều công trình nghiên cứu quan tâm đến vấn đề này nh−ng cũng không phân biệt đ−ợc sự khác nhau giữa khối l−ợng quán tính và khối l−ợng hấp dẫn. Hầu hết sách giáo khoa phổ thông các n−ớc chỉ hình thành khối l−ợng quán tính và dùng chung cho cả tr−ờng hợp hấp dẫn. Theo cách hiểu sơ khai của Newton thì khối l−ợng là đại l−ợng chỉ l−ợng vật chất chứa trong vật. Khái niệm này chỉ đ−ợc hiểu chính xác sau khi có định luật II và III Newton. 36
38. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 Qua nhiều thí nghiệm, ng−ời ta nhận thấy rằng, đối với hai vật thể t−ơng tác với nhau thì tỷ số gia tốc mà chúng thu đ−ợc là nh− nhau. Tỷ số này không phụ thuộc vào tính chất t−ơng tác mà chỉ phụ thuộc vào một tính chất đặc biệt nào đó tan biến chính bên trong các vật thể tham gia t−ơng tác. Tính chất ấy là vốn có của mỗi vật thể đ−ợc biểu diễn bằng một đại l−ợng vật lý - khối l−ợng. Thuộc tính vốn có của mọi vật thể biểu hiện khi chúng t−ơng tác mà chúng ta đang nói là: muốn làm thay đổi vận tốc, vật thể cần có thời gian (đó là quán tính). Bởi vậy, khối l−ợng ấy gọi là khối l−ợng quán tính. Vật thể nào có khối l−ợng lớn hơn sẽ có mức quán tính lớn hơn. r a1 m 2 r = a 2 m1 Hệ thức trên cho chúng ta ph−ơng pháp đo khối l−ợng một vật bất kỳ (dù là khối l−ợng to lớn nh− các hành tinh hoặc chỉ nhỏ bé nh− một electron ). Nh−ng cách viết nh− trên chỉ là một cách quy −ớc, tại sao chúng ta lại không viết: ar m 2 1 = 2 r 2 a 2 m1 Nếu chỉ là quy −ớc thì viết nh− vậy không có gì sai? Nh−ng té ra là nếu viết nh− vậy thì khối l−ợng không có tính cộng đ−ợc. Điều đó không phù hợp với định luật bảo toàn khối l−ợng trong cơ học cổ điển. Trong thực tế, để đo khối l−ợng của một vật, ng−ời ta lại dùng một ph−ơng pháp khác - ph−ơng pháp cân. Ph−ơng pháp này liên quan đến định luật vạn vật hấp dẫn. Bởi vậy, khối l−ợng ta nhận đ−ợc ở đây gọi là khối l−ợng hấp dẫn. Nh− vậy, ý nghĩa thực của khối l−ợng là gì? Khối l−ợng chính là số đo mức quán tính của vật. Trong cơ học Newton, khối l−ợng không hề có một ý nghĩa nào khác. 4.2.2. Một số l−u ý khi dạy học Cũng nh− khái niệm lực, khái niệm khối l−ợng đ−ợc trình bày theo hai giai đoạn. ở giai đoạn trực giác, khối l−ợng đ−ợc trình bày theo quan niệm của Newton là l−ợng chất chứa trong vật. Đây là một quan niệm dễ hiểu. Theo cách nói hiện đại “Khối l−ợng của một vật là một số tỷ lệ với mật độ nuclon và thể tích của vật”. Định nghĩa khối l−ợng là l−ợng vật chất, l−ợng nuclon là hoàn toàn hợp lý nh−ng không thật hoàn toàn chính xác. Theo quan niệm này, khối l−ợng là một đại l−ợng vô h−ớng, có giá trị d−ơng, không đổi, đặc tr−ng cho mỗi vật và có tính chất cộng đ−ợc. 37
39. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 Giai đoạn logic đ−ợc hình thành khi đã có định luật II Newton. Từ mối liên F hệ đã biết: m = , ta suy ra khối l−ợng của một vật là đại l−ợng vật lý đặc tr−ng a cho mức quán tính của mỗi vật. V. các lực cơ học Trong ch−ơng trình cơ học phổ thông chỉ đề cập đến ba loại lực, đó là lực hấp dẫn, lực đàn hồi và lực ma sát. Các định luật riêng về lực đều là những định luật thực nghiệm mà cơ sở quan trọng là các định luật Newton. Không có ba định luật Newton thì không có cơ sở để xác định những tính chất riêng của từng loại lực. 5.1. Lực hấp dẫn Từ rất lâu ng−ời ta cho rằng Trái đất là nơi duy nhất có lực hút mọi vật thể trên đó về phía mình. Đến thế kỷ XVII, từ những quan sát thiên văn, Newton liên hệ sự rơi tự do của các vật trên mặt đất với chuyển động của mặt trăng xung quanh trái đất và cho rằng chính do có lực hút của trái đất lên mặt trăng đã làm cho mặt trăng quay xung quanh trái đất. Từ lập luận đó, Newton tiến tới giải thích sự chuyển động của các hành tinh trong hệ mặt trời. Dựa vào những số liệu quan sát thiên văn mà đặc biệt là sự chuyển động của mặt trăng xung quanh trái đất, so sánh gia tốc h−ớng tâm của mặt trăng và gia tốc rơi tự do của các vật ở gần mặt đất và theo cách lập luận của mình Newton cho rằng lực hấp dẫn là một loại lực phổ biến trong toàn vũ trụ. Mọi khối l−ợng đều là nguồn lực hấp dẫn. Khối l−ợng càng lớn thì lực hấp dẫn càng lớn và càng xa tâm hấp dẫn thì lực này càng nhỏ. Từ đó Newton khái quát hóa và nêu lên thành định luật vạn vật hấp dẫn: m m F = G 1 2 r 2 Nm 2 trong đó G = 6,67.10−11 kg 2 Định luật vạn vật hấp dẫn đã đề ra một giả thuyết thực nghiệm: nếu có những lực kế rất nhạy thì ta có thể tạo ra đ−ợc thí nghiệm đo trực tiếp lực hấp dẫn giữa những vật thông th−ờng, miễn là những vật này có khối l−ợng đủ lớn. Cavendish là ng−ời đầu tiên dựng đ−ợc thí nghiệm khá tinh vi để đo trực tiếp lực hấp dẫn và hằng số hấp dẫn. Đó là một thí nghiệm lịch sử không chỉ để kiểm chứng giả thuyết về sự tồn tại lực hấp dẫn giữa các vật bình th−ờng mà còn tìm ra đ−ợc hằng số hấp dẫn, góp phần hoàn chỉnh công thức tính lực hấp dẫn mà ngày nay chúng ta ai cũng biết. Trọng lực chỉ là một tr−ờng hợp riêng của lực hấp dẫn, đó là lực hút của trái đất lên các vật đặt gần mặt đất. Sự kiện đo gia tốc rơi tự do là cơ sở thực nghiệm để xác định những đặc điểm của trọng lực. Những tính chất rất quan trọng của trọng lực là đặt vào vật, h−ớng thẳng đứng xuống d−ới, phụ thuộc vào độ cao và vĩ độ địa lí. 38
40. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 Trọng l−ợng là một khái niệm đang đ−ợc các nhà khoa học và các tác giả sách giáo khoa tranh luận gay gắt và cho đến nay vẫn ch−a thống nhất quan điểm. Quan niệm thứ nhất cho rằng, lực tác dụng lên giá đỡ hay dây treo do có lực tác dụng của trái đất lên vật thì gọi là trọng l−ợng của vật. Khi vật chuyển động trong thang máy, tùy theo gia tốc chuyển động của thang máy khác nhau mà vật có thể tăng, giảm trọng l−ợng hoặc không trọng l−ợng. Nh− vậy trọng l−ợng của vật nh−ng không hề đặt vào vật mà lại đặt vào vật khác (giá đỡ hay dây treo) và bản chất của trọng l−ợng không phải là lực hấp dẫn mà chính là lực đàn hồi. Quan niệm thứ hai xuất phát từ sự kiện là muốn đo lực hút của trái đất vào một vật, tức là muốn đo trọng lực của vật thì ta phải dùng lực kế. Con số đọc đ−ợc trên lực kế chính là trọng l−ợng của vật. Rõ ràng nếu đặt lực kế trong các hệ chuyển động có gia tốc khác nhau thì lực kế chỉ các giá trị khác nhau, nghĩa là trọng l−ợng của vật thay đổi. Theo quan niệm này thì trọng l−ợng của vật cũng chính là lực mà vật tác dụng lên các vật xung quanh. Trong tr−ờng hợp trên chính là lực mà vật tác dụng lên lò xo, tức là t−ơng tác với các vật xung quanh. Quan niệm thứ ba cho rằng trọng l−ợng của vật là hợp lực của trọng lực và lực quán tính tác dụng lên vật. Trong hệ quy chiếu quán tính, mọi vật bị tác dụng bởi trọng lực P=mg và vật cũng có trọng l−ợng bằng P, còn trong hệ quy chiếu không quán tính, mọi vật có trọng l−ợng P + Fqt. Trong sách giáo khoa thí điểm phân ban, có nhóm tác giả lại quan niệm rằng trọng l−ợng của vật chính là độ lớn của trọng lực tác dụng lên vật. Từ đó làm xuất hiện các thuật ngữ trọng lực biểu kiến, trọng l−ợng biểu kiến. 5.2. Lực đàn hồi Lực đàn hồi xuất hiện khi có sự biến dạng của vật thể và có h−ớng ng−ợc với h−ớng có xu h−ớng dịch chuyển t−ơng đối của các phần tử vật chất khi xảy ra sự biến dạng. Chính các định luật Newton làm nảy sinh ra giả thuyết nghiên cứu thực nghiệm về lực đàn hồi và đề ra ph−ơng pháp tiến hành những thí nghiệm cụ thể. Lợi dụng đặc điểm của trọng lực đã biết, ng−ời ta cho tác dụng vào là xo những lực gấp đôi, gấp ba Sự cân bằng lực là cơ sở để xác định độ lớn của lực đàn hồi thông qua lực cân bằng với nó là trọng lực. Định luật Hooker là một định luật thực nghiệm cho thấy: - Biểu thức của lực đàn hồi rất đơn giản F = -kx, - Độ lớn của lực đàn hồi chỉ phụ thuộc vào độ biến dạng x. Định luật Hooker là cơ sở để tạo ra lực kế. 5.3. Lực ma sát Các lực ma sát th−ờng đ−ợc chia làm hai loại: ngoại ma sát và nội ma sát. Lực ngoại ma sát xuất hiện ở bề mặt tiếp xúc giữa hai vật thể. Nội ma sát là lực t−ơng tác theo ph−ơng tiếp tuyến giữa các lớp của cùng một chất khi có xu h−ớng chuyển động đối với nhau. Trong ch−ơng trình vật lý phổ thông, ng−ời ta th−ờng chỉ đề cập đến cái gọi là ma sát khô (ma sát nghỉ, ma sát tr−ợt, ma sát lăn). 39
41. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 5.3.1. Ma sát nghỉ Ma sát nghỉ xuất hiện ở bề mặt tiếp xúc của hai vật rắn khi hai vật rắn đó có xu h−ớng chuyển động đối với nhau. Độ lớn của ma sát nghỉ nhận giá trị từ 0 đến à0N, trong đó à0 là hệ số ma sát nghỉ phụ thuộc vào bản chất vật lý của các chất và độ nhám của các bề mặt tiếp xúc, N là lực nén vuông góc với bề mặt tiếp xúc. 5.3.2. Ma sát tr−ợt Ma sát tr−ợt xuất hiện ở bề mặt tiếp xúc của hai vật rắn khi chúng chuyển động "tr−ợt" lên nhau. Khi các vật chuyển động với vận tốc nhỏ, độ lớn của lực ma sát nghỉ là F = àN, trong đó à là hệ số ma sát tr−ợt (th−ờng thì hệ số ma sát nghỉ à0 lớn hơn hệ số ma sát tr−ợt à đến 25%), N là lực nén vuông góc với bề mặt tiếp xúc. Tuy nhiên, Culon và Amonton đã chỉ ra bằng thực nghiệm rằng độ lớn của lực ma sát tr−ợt còn phụ thuộc vào vận tốc t−ơng đối của chuyển động. 5.3.3. Ma sát lăn Ma sát lăn xuất hiện khi có sự lăn của vật này lên bề mặt của một vật khác, có độ lớn tỷ lệ với hệ số ma sát lăn àl, tỷ lệ với lực nén vuông góc và tỷ lệ nghịch với bán kính của vật lăn. àl có thứ nguyên độ dài. VI. Bài tập động lực học Để giải đ−ợc các bài toán động lực học, chúng ta phải sử dụng ph−ơng pháp động lực học (ĐLH), tức là ph−ơng pháp vận dụng ba định luật Newton và các định luật riêng về từng loại lực vào việc giải các bài tập cơ học. Ph−ơng pháp ĐLH phải đ−ợc coi là một kiến thức quan trọng cần truyền thụ cho học sinh. Khác với các kiến thức về sự vật và hiện t−ợng, kiến thức về ph−ơng pháp bộ môn là một loại kiến thức không t−ờng minh. Thông qua việc giải một hệ thống các bài tập có chọn lọc, mỗi học học tự cảm nhận lấy theo một cách riêng kiến thức về ph−ơng pháp. Ph−ơng pháp ĐLH còn là sự vận dụng ph−ơng pháp tọa độ của toán học vào việc diễn tả các công thức vật lý cũng nh− việc giải các bài tập vật lý. Tuy nhiên, muốn sử dụng chính xác ph−ơng pháp tọa độ thì cần phải thống nhất sử dụng ba loại ký hiệu cho cùng một đại l−ợng vectơ nh− sau: - Ký hiệu F để chỉ vectơ lực - Ký hiệu Fx, Fy để chỉ hình chiếu của vectơ lực lên các trục tọa độ ox, oy - Ký hiệu F để chỉ độ lớn của vectơ lực. Có thể tiến hành giải các bài toán động lực học theo các b−ớc sau: 1. Nghiên cứu đầu bài. Đặc biệt chú ý đến vẽ hình và biểu diễn các lực trên hình vẽ và đổi đơn vị nếu cần thiết. 40
42. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 2. Phân tích hiện t−ợng. Trong phần này th−ờng sử dụng định luật III Newton và các định luật riêng về từng loại lực để phân tích xem có những lực nào tác dụng lên vật. 3. Viết ph−ơng trình của định luật II Newton d−ới dạng vectơ F1 + F2 + = ma 4. Chọn 2 trục tọa độ ox, oy và chiếu ph−ơng trình vectơ đó lên các trục tọa độ để có đ−ợc các ph−ơng trình vô h−ớng. 5. Căn cứ vào các điều kiện ban đầu (v0, x0, y0) xác định dạng chuyển động và viết các ph−ơng trình chuyển động t−ơng ứng. 6. Giải hệ ph−ơng trình. 7. Biện luận kết quả. VII. Thí nghiệm động lực học Tr−ớc đây, ng−ời ta quan niệm các định luật Newton đ−ợc hình thành nh− các định luật vật lý khác, nên đã sử dụng nhiều thí nghiệm khác nhau để hình thành định luật II và định luật III Newton. Ngày nay, quan niệm đó đã đ−ợc thay đổi, với sự trợ giúp của đệm không khí và máy vi tính, ng−ời ta đã tiến hành thành công các thí nghiệm về định luật II và III Newton. Những thí nghiệm này chỉ mang tính chất minh họa. VIII. tĩnh học 8.1. Nội dung kiến thức Nội dung chủ yếu của phần tĩnh học là xét sự cân bằng của vật rắn. Vật rắn là những vật có kích th−ớc đáng kể và hầu nh− không bị biến dạng hoặc bị gãy d−ới tác dụng của lực. Mỗi vật rắn có một điểm đặc biệt gọi là trọng tâm của vật. Cần l−u ý rằng đối với học sinh phổ thông không cần đ−a ra các thuật ngữ khác nh− khối tâm, tâm quán tính, vì mỗi thuật ngữ lại gắn với một nhóm hiện t−ợng vật lý mà những hiện t−ợng này thì vừa khó, vừa không thiết thực đối với đa số học sinh bậc trung học phổ thông. Trong tr−ờng hợp tổng quát, khi chịu tác dụng của một hay nhiều lực thì vật rắn thu gia tốc và chuyển động. Chuyển động của vật rắn rất phức tạp. nó vừa chuyển động tịnh tiến có gia tốc nh− một chất điểm, đồng thời nó vừa quay xung quanh một trục đi qua trọng tâm của vật. Sự có mặt của chuyển động quay là nét đặc tr−ng chuyển động của vật rắn. Ng−ời ta chứng minh đ−ợc rằng, trong tr−ờng hợp tổng quát, hệ lực tác dụng vào một vật rắn có thể rút gọn về một lực đặt ở trọng tâm của vật và một mômen lực. Lực này là tổng các lực chứ không phải hợp lực nh− ở tr−ờng hợp chất điểm. Do đó, điều kiện cân bằng tổng quát là: - Tổng các lực đặt lên vật bằng không - Tổng đại số các mômen lực đối với một trục quay bất kỳ bằng không. 41
43. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bài giảng phân tích ch−ơng trình vật lí phổ thông - 2004 Muốn vật đứng yên thì phải thêm điều kiện vận tốc ban đầu của vật bằng không. 8.2. Một số l−u ý cần thiết Đối với đa số học sinh, ch−ơng trình không yêu cầu cao, tức là không xét sự cân bằng của vật rắn trong tr−ờng hợp tổng quát, mà chỉ xét sự cân bằng trong hai tr−ờng hợp riêng, đơn giản. Đó là tr−ờng hợp cân bằng của một vật có trục quay cố định và tr−ờng hợp cân bằng của một vật khi không có chuyển động quay (cân bằng của một vật không quay đ−ợc). Đối với tr−ờng hợp vật có trục quay cố định d−ới tác dụng của lực, vật không thể chuyển động tịnh tiến đ−ợc. Do đó, vật chỉ có thể quay quanh trục mà thôi. Nói một cách khác, chuyển động tịnh tiến bị khử bởi phản lực của trục quay. Hiểu thế nào là trạng thái cân bằng của một vật khi không có chuyển động quay? Giả sử có hai lực F1 và F2 tác dụng đồng thời vào một vật rắn làm cho nó chuyển động tịnh tiến mạng thái cân bằng của vật gọi là trạng thái cân bằng khi không có chuyển động quay. Một trong những thí à không quay. Muốn thế thì hợp lực của hai lực này phải có giá đi qua trọng tâm của vật. Ta có thể buộc vật đứng yên hay chuyển động tịnh tiến thẳng đều bằng cách đặt thêm vào vật một lực thứ ba trực đối với hợp lực trên đây. Khi đó, ví dụ phổ biến là trạng thái cân bằng của một vật đ−ợc treo vào giá đỡ bằng một, hai sợi dây. Khi không có dây treo, vật sẽ rơi tự do, nghĩa là sẽ chuyển động tịnh tiến (vì vận tốc ban đầu của vật bằng không). Trong tr−ờng hợp đó, dây treo có tác dụng khử chuyển động tịnh tiến của vật. Nh− vậy, trạng thái của vật treo trên dây là trạng thái cân bằng khi không có chuyển động quay. Xét điều kiện cần bằng lúc này thật đơn giản. Đối với tr−ờng hợp do có liên kết mà vật chỉ có thể chuyển động tịnh tiến thì điều kiện cân bằng của vật là tổng các lực tác dụng lên vật bằng không, thí dụ nh− chuyến động của ngăn kéo, của pittông trong xilanh Một trong những nội dung chính của phần tĩnh học là nêu bật đ−ợc sự khác nhau giữa vật rắn với chất điểm để chuẩn bị cho việc nghiên cứu tìm điều kiện cân bằng cho vật. Đó là: - Vật rắn có kích th−ớc đáng kể, do đó các lực đều tác dụng vào vật nh−ng lại không có cùng điểm đặt. - Tác dụng của lực đối với vật rắn sẽ không thay đổi nếu ta di chuyển vectơ lực trên giá của nó. Đối với vật rắn thì điểm đặt không quan trọng bằng giá của lực. - Vật rắn có một điểm đặc biệt gọi là trọng tâm. Trọng tâm là điểm đặt của hợp lực của tất cả các trọng lực nguyên tố tác dụng lên các phần tử nhỏ (nguyên tố) của vật. Trọng tâm có thể nằm ngoài vật. Trọng tâm là điểm rất đặc biệt vì: - Nếu ném một vật rắn lên đệm không khí (chuyển động không có ma sát), thì vật sẽ chuyển động tự do theo tất cả các ph−ơng ngang nh−ng sẽ dễ dàng quan 42