1 Bộ giáo dục và đào tạo Trờng đại học vinh Hồ sỹ linh Xây dựng và sử dụng bài tập sáng tạo dạy học ch- ơng dao động điện dòng điện xoay chiều lớp 12 THPT Luận văn thạc sỹ khoa học giáo dục Chuyên ngành: lý luận và phơng pháp dạy học vật lý Mã số : 60.14.10 Cán bộ hớng dẫn khoa học : TS phạm thị phú Vinh 2005 Chơng 1 Cơ sở lý luận về dạy học bài tập vật lý. 1.1 Vai trò của bài tập vật lý Bài tập vật lý đợc hiểu là một vấn đề đặt ra đòi hỏi phải giải quyết nhờ những suy nghĩ lôgic, những phép toán và thí nghiệm trên cơ sở định luật và các phơng pháp vật lý. - Bài tập vật lý là phơng tiện nghiên cứu tài liệu mới khi trang bị kiến thức mới cho học sinh ở những lớp trên của bậc trung học phổ thông với trình độ toán học đã khá phát triển. Một khi các bài tập đợc vận dụng một cách khéo léo thì có thể dẫn dắt suy nghĩ của học sinh tới các hiện tợng mới từ đó bắt đầu xây dựng khái niệm mới để giải thích đợc hiện tợng mới vừa phát hiện. Nh vậy đảm bảo cho học sinh lĩnh hội đợc kiến thức mới một cách sâu sắc vững chắc. - Bài tập vật lý là một phơng tiện ôn tập, đào sâu, củng có và mở rộng kiến thức. Bài tập vật lý giúp cho học sinh thấy đợc những ứng dụng muôn hình, muôn vẻ trong thực tiễn của các kiến thức đã học. Giúp luyện tập cho học sinh óc phân tích để nhận biết đợc các hiện tợng phức tạp bị chi phối bởi nhiều định luật, nhiều nguyên nhân. Khi giải các bài tập đòi hỏi học sinh không những phải tái hiện các kiến thức mà còn phải vận dụng một cách tổng hợp các kiến thức đã học, do đó học sinh sẽ hiểu rõ hơn và ghi nhớ vững chắc hơn kiến thức đó. - Bài tập vật lý là một phơng tiện giúp học sinh rèn luyện kỹ năng, kỹ xảo vận dụng lý thuyết vào thực tiễn. Rèn luyện thói quen vận dụng kiến thức khái quát. Bằng việc xây dựng các bài tập có nội dung sát với thực tiễn đời sống, trong đó giải đợc nó yêu cầu học sinh phải vận dụng kiến thức đã học để giải thích các hiện tợng hoặc dự đoán các hiện tợng có thể xảy ra với những điều kiện cho trớc. Bài tập vật lý là một phơng tiện có tầm quan trọng đặc biệt trong việc rèn luyện t duy, bồi dỡng phơng pháp nghiên cứu khoa học cho học sinh giải bài tập là một hình thức làm việc tự lực căn bản của học sinh. Do phải tự mình phân tích các điều kiện đã cho trong đề bài, tự xây dựng những lập luận, tự thực hiện các thoa tác tính toán, có khi phải tiến hành các thao tác thí nghiệm để xác định mối quan hệ giữa các đại lợng để kiểm tra các kết luận của mình nên t duy lôgic, t duy sáng tạo của học sinh đợc phát triển, năng lực giải quyết các vấn đề đợc nâng cao. Bài tập vật lý là một phơng tiện có hiệu quả để giáo dục tình yêu lao động, tinh 2 thần tự lập, ý chí kiên trì vợt khó cho học sinh. Bài tâp vật lý là một phơng tiện để kiểm tra, đánh giá kiến thức của học sinh. Tuỳ theo cách thức đặt câu hỏi kiểm tra có thể đánh giá đợc mức độ nắm vững kiến thức của học sinh, đánh giá đợc chất lợng kiến thức học sinh khá chính xác. 1.2 Phân loại bài tập vật lý Các bài tập vật lý đợc phân loại dựa theo nhiều đặc điểm: -Theo nội dung, theo phơng thức cho điều kiện và phơng thức giải, theo phơng pháp nghiên cứu các vân đề, theo yêu cầu luyện tập kỹ năng hay phát triển t duy sáng tạo cho học sinh. - Theo nội dung các bài tập đợc chia theo các tài liệu vật lý, nh bài tập cơ học; bài tập điện học; bài tập quang học; bài tập vật lý hạt nhânsự phân chia này chỉ có tính chất tơng đối. Theo nội dung, ngời ta còn phân biệt các bài tập có nội dung trừu tợng hoạc cụ thể, bài tập có nội dung kỹ thuật tổng hợp, bài tập có nội dung lịch sử, bài tập vui. - Theo phơng pháp nghiên cứu các vấn đề, ngời ta chia ra các bài tập định tính và bài tập định lợng. Các bài tập định tính khi giải chúng chỉ yêu cầu xác lập các mối quan hệ phụ thuộc về bản chất giữa các đại lợng vật lý mà không phải tính toán phức tạp. Các bài tập định lợng khi giải phải xác định mối quan hệ phụ thuộc về lợng giữa các đại lợng phải tìm và kết quả thu đợc là một đáp số định lợng. Khi giải bài tập loại này buộc phải tính toán, không thể có câu trả lời cuối cùng cho câu hỏi đặt nếu không tiến hành các phép toán thích hợp. - Theo phơng pháp cho điều kiện hoặc phơng thức giải, ngời ta phân biệt bài tập miệng, bài tập thực nghiệm, bài tập tính toán, bài tập đồ thị. Sự phân chia này chỉ có tính quy ớc vì khi giải chúng có thể phải sử dụng vài phơng thức. Ví dụ nh khi giải các bài tập thí nghiệm phải lập luận bằng miệng, cũng nh trong nhiều trờng hợp tính toán phải vẽ đồ thị. Các bài tập đợc coi là thực nghiệm thì khi giải phải sử dụng thí nghiệm để đi tới mục đích nào đó. Các bài tập mà trong đó đồ thị đợc sử dụng với mục đích nào đó thì đợc gọi là những bài tập đồ thị. - Theo yêu cầu luyện tập kỹ năng, phát triển t duy học sinh trong quá trình dạy học, ngời ta phân biệt các bài tập luyện tập và bài tập sáng tạo. Các bài tập luyện tập đợc dùng để rèn luyện tạp cho học sinh những kiến thức để giải các bài tập theo mẫu, không đòi hỏi t duy sáng tạo của học sinh mà chủ yếu giúp học sinh rèn luyện để nắm vững phơng pháp giải đối với một loại bài tập nhất định đã đợc chỉ dẫn. Các bài tập sáng tạo khi giải chúng đòi hỏi ở học sinh t duy sáng tạo, có tác dụng hình thành và phát triển năng lực sáng tạo cho học sinh. Ví dụ: Bài tập luyện tập Bài tập sáng tạo 3 Một máy biến thế dùng trong máy thu vô tuyến điện có một cuộn sơ cấp gồm 1000 vòng mắc vào mạng điện 127v và cuộn thứ cấp để lấy ra hiệu điện thế 15v. Tính số vòng dây của cuộn thứ cấp? Cho một máy biến áp. Hãy nêu phơng pháp giản đơn nhất để xác định số vòng dây quấn của máy cho phép dùng thêm vôn kế và dây dẫn phù hợp. *) Với bài tập luyện tập: Học sinh đợc luyện tập kiến thức về máy biến thế thông qua việc vận dụng công thức biến đổi điện áp qua máy: Từ đó dễ dàng tìm ra lời giải cho bài toán Số vòng dây của cuộn thứ cấp đợc xác định: *) Với bài tập sáng tạo: Để giải quyết đợc câu hỏi đặt ra trong bài tập sáng tạo, không những đòi hỏi học sinh phải hiểu sâu sắc về nguyên tắc hoạt động và cấu tạo của máy biến thế mà còn phải đề xuất đợc phơng án cụ thể cùng với việc tự tìm hiểu để lựa chọn dụng cụ thích hợp để thực hiện phơng án đó. + Cụ thể là phải lựa chọn dây đồng có điện trở nhỏ, vôn kế nhạy - Ngắt công tắc nguồn, dùng dây đồng quấn lên một cuộn dây của máy, mắc vôn kế vào hai đầu dây cuộn dây quấn, đếm số vòng cuộn dây quấn n 0 - Bật công tắc nguồn, đọc số chỉ của vôn kế là U o . - Suy ra số vòng dây của máy là: - Thực hiện các thao tác tơng tự cho cuộn dây thứ hai của máy biến áp Nh vậy tức là đòi hỏi ở học sinh t duy sáng tạo và thông qua việc giải bài tập mà năng lực sáng tạo đợc bồi dỡng thêm. 1.3.T duy trong quá trình giải bài tập vật lý 4 2 1 2 1 n n U U = 1 1 2 2 n U U n = )(1181000 127 15 2 vòng == n 0 0 n U U n = Quá trình giải bài tập vật lý chính là quá trình tìm hiểu các dữ kiện đã cho ở trong bài tập, xem xét các hiện tợng vật lý nào đợc đề cập tới và vận dụng những kiến thức vật, kiến thức toán hoạ để tìm ra các mối liên hệ khả dĩ giữa cái đã cho và cái phải tìm. Các mối liên hệ này có thể là gián tiếp hoặc trực tiếp. Từ đó tiếp tục luân giải để chỉ ra đợc mối liên hệ một cách tờng minh giữa cái phải tìm và cái đã cho . Bài tập vật lý rất đa dạng vì vậy mà cách thức giải chúng cũng rất phong phú. Nhìn chung có thể vạch ra một dàn bài chung gồm các bớc sau: - Tìm hiểu đầu bài. - Phân tích hiện tợng. - Xây dựng lập luận. - Biện luận. Trải qua các bớc này học sinh phải thực hiện các thao tác t duy nh: Phân tích, phân tích tổn hợp, so sánh, khái quát hoá, trừu tợng hoá, cụ thể hoá, phán đoán và các thao tác thực hành nh: Xây dựng phơng án thí nghiệm, lựa chọn thiết bị thí nghiệm, quan sát, đo đạc, xử lý số liệu để rút ra kết luận.Đặc biệt là thao tác t duy phân tích, thao tác t duy tổng hợp, thao tác phân tích tổng hợp đợc sử dụng nhiều nhất ở bớc xây dựng lập luận. + Với bài tập định tính thờng có hai dạng là giải thích hiện tợng và dự đoán hiện tợng sẽ xẩy ra. Khi giải học sinh phải thực hiện phép suy luận logic, suy luận diễn dịch trực tiếp, suy luận diễn dịch gián tiếp nh luận ba đoạn, suy luận có điều kiện. Trong đó với dạng thứ nhất tiên đề thứ nhất là một đặc tính chung của sự vật hoặc định luật vật lý có tính tổng quát, tiên đề thứ 2 là những điều kiện cụ thể, còn kết luận chính là hiện tợng đã đợc nêu ra. Với dạng thứ hai học sinh phải thực hiện việc thiết lập một luận 3 đoạn, trong đó mới biết trớc tiên đề thứ hai (phán đoán khẳng định riêng), cần phải đi tìm tiên đề thứ nhất (là phán đoán khẳng định chung) và kết luận(đó là phán đoán khẳng định riêng). + Với bài tập tính toán, để giải nó trớc hết phải hiểu rõ hiện tợng xảy ra vì phần đầu của bài tập tính toán thờng là một bài tập định tính. Khi xây dựng lập luận bằng ph- ơng pháp phân tích thờng bắt đầu bằng việc xác định một định luật, một quy tắc diễn đạt bởi những công thức mà trong đó có chứa các đại lợng cần tìm và một vài đại l- ợng khác cha biết. Tiếp theo là tìm những định luật, quy tắc khác cho biết mỗi quan hệ giữa những đại lợng cha biết này với các đại lợng đã biết trong đề ra. Cuối cùng tìm đợc một công thức trong đó chỉ chứa đại lợng cần tìm với các đại lợng đã biết. Nh vậy phơng pháp phân tích chính là sự phân tích một bài toán phức tạp thành nhiều bài toán đơn giản hơn. Bằng phơng pháp tổng hợp thì việc giải bài tập lại bắt đầu từ những đại lợng đã cho trong bài tập. Vận dụng các định luật, các quy tắc vật lý học sinh phải tìm những 5 công thức mà trong đó có chứa đại lợng đã cho và các đại lợng trung gian mà học sinh dự kiến có liên quan đến đại lợng phải tìm cuối cùng tìm đợc một công thức chỉ chứa đại lợng phải tìm và những đại lợng đã biết. Tuy nhiên trong thực tế giải bài tập vật lý, nhất là những bài tập tính toán tổng hợp, hiện tợng xảy ra do nhiều nguyên nhân, trải qua nhiều giai đoạn nên khi xây dựng lập luận có thể phải phối hợp cả hai phơng pháp để thiết lập đợc những mối liên hệ giữa các đại lợng đã cho, đại lợng trung gian với đại lợng phải tìm để đi tới đích cuối cùng là mối liên hệ trực tiếp giữa đại lợng đã cho với đại lợng phải tìm. Đó chính là câu trả lời cho bài toán đặt ra. Ký hiệu x là đại lợng phải tìm, a, b,. là những đại l- ợng đã cho, 6 cßn 1, 2, …5 lµ nh÷ng ®¹i lîng cha biÕt cã vai trß lµ nh÷ng ®¹i lîng tÝnh to¸n trung gian, ta cã thÓ m« h×nh ho¸ qu¸ tr×nh nµy nh sau[ 22, 24] 7 II 1 III 2 VVI 5 4 IV 3 x f 1 ed g 4 3 54ih k l 5 b 21 c 321ax I II III V IV VI Thí dụ: Cho đoạn mạch có sơ đồ nh hình vẽ: Đặt vào hai đầu đoạn mạch một hiệu điện thế: Đo hiệu điện thế trong mạch bằng một vôn kế xoay chiều( có điện trở rất lớn) ngời ta thu đợc: U AN = U 1 = 200V; U NB = U 2 = 70V 1. Giải thích tại sao: U 1 + U 2 # U 2. Tìm U AM và U MB 3. Biết R = 60. Tính L, C Quá trình lập luận sẽ nh sau: Yêu cầu thứ nhất của bài tập là giải thích tại sao: U 1 + U 2 # U Đây là câu hỏi mà để trả lời nó đòi hỏi học sinh phải vận dụng những kiến thức đã biết nh phơng pháp giản đồ véc tơ cho các loại mạch điện mắc nối tiếp gồm các phần tử R 0 , L và C. ở đây cha yêu cầu việc phải tính toán cụ thể, vì vậy ta có thể xem đây là một bài tập định tính. *) Tiên đề thứ nhất học sinh phải khôi phục đợc là: Gọi u 1 , u 2 là hiệu điện thế tức thời giữa A với N và giữa N với B. Ta có: u = u 1 + u 2 . Biểu diễn các hiệu điện thế tức thời bằng các vec tơ Feresnel ta có: U = U 1 + U 2 .Ta thấy để có: U = U 1 + U 2 thì vec tơ U 1 , U 2 phải cùng h- ớng tức là u 1 , u 2 phải cùng pha. *)Tiên đề thứ hai là: Đoạn mạch AN gồm R và L mắc nối tiếp nên u 1 sớm pha hơn i còn đoạn mạch NB chỉ chứa tụ điện nên u 2 trễ pha /2 so với i. Tức là u 1 , u 2 không cùng pha. Kết luận : Do đó ta có U 1 + U 2 # U 2. ở câu hỏi này cái đã cho là: Cái phải tìm là: 8 A L M R BCN )(100sin2150 Vtu = )3)((70 )2)((200 )1)((150)( 2 22 1 22 VIZUUU VZRIUUU VZZRIIZU CNBC LANLR CL ==== =+=== =+== )5( )4( 22 CRCMB LLAM ZRIUU IZUU +== == (7) (1) (2) (3) U M B Từ các mối liên hệ đã cho (1), (2), (3) bằng t duy toán học, học sinh sẽ tiến hành phân tích các mối quan hệ ấy để rút ra các mối liên hệ mới gần với ẩn số hơn. Đó là: Thay IZ C = 70 (v ) ở (3) vào (6) rút ra IZ L = U AM = 160 (v) (7) Sơ đồ luận giải ở đây sẽ là: Tiếp theo để tìm U MB có thể thay (7) vào (1) và chú ý đến (2). Ta có: Dẫn đến: Sơ đồ luận giải ở đây là: 3. Từ các mối quan hệ (2) và (7) dễ dàng tìm đợc mối liên hệ là: I 2 R 2 = 14400 Theo giả thiết Thế vào (3) và (7) suy ra : 9 175002 17500.2 22 222 1 2 = == CLC CLC IZIZZI IZIZZIUU (1) 2 - (2) 2 (3) U A M )(70 )(160 2150 150)( 22 22222 22222 VUIZ VUIZ ZRIThayU IZIZZIZRI ZZIRI NBC AML CMB CLLC CL == == += +=+ =+ )(1391930070.160.2160150 22 VU MB ==+= )(2 60 14400 60 2 AIR === Sơ đồ luận giải sẽ là: 1.4 Các hình thức dạy học về bài tập vật lý. 1.4.1 Giải bài tập vật lý trong tiết học tài liệu mới. Vào đầu tiết học, các bài tập đợc đa ra cho học sinh nhằm mục đích kiểm tra kiến thức, hoặc để củng cố tài liệu đã học. Giáo viên thờng sử dụng các biện pháp sau: Cho học sinh lên bảng và yêu cầu học sinh giải bài tập do giáo viên ra. Tuỳ thuộc vào mức độ nội dung của bài tập mà có thể cho học sinh lên bảng lần lợt từng em hoặc là đồng thời vài ba em. Cho học sinh giải bài tập vào vở hoặc lên giấy. Trớc khi giảng tài liệu mới, cho cả lớp làm bài viết trong khoảng 10 đến 15 phút. u điểm của các biện pháp này là cho phép kiểm tra một cách linh hoạt kiến thức của học sinh, gây đợc ý thức, trách niệm đối với việc học tập, tiết kiệm đợc thời gian. Nhợc điểm là nhiều khi việc giải bài tập chiếm mất nhiều thời gian học dẫn đến vỡ kế hoạch thi công bài học. Nhất là việc cho học sinh làm bài viết trớc khi giảng tài liệu mới, thực tế giảng dạy cho thấy học sinh sau khi nộp bài viết thờng băn khoăn về kết quả cuỉa bìa làm hay trao đổi thảo luận về bài làm trong một thời gian lâu nên rất ảnh hởng đến công việc tiếp theo. Để phát huy đợc u điểm và hạn chế nhợc điểm nêu trên không nên cho học sinh làm các bài kiểm tra viết vào đầu tiết học. Nên sử dụng các bài tập nhằm mục đích khái quát hoá kiến thức đã cho, nêu đợc vấn đề sắp đợc nghiên cứu trong tiết học. Để đạt đợc yêu cầu đó giáo viên phải tuyển chọn, biên soạn các bài tập vào đầu tiết học không quá phức tạp, đặc biệt lu ý tới các bài tập định tính yêu cầu học sinh giải thích bản chất của các hiện tợng vật lý nêu ra trong bài tập. 10 )(25,0);(91 1 : )(80 2 160 )(35 2 701 H Z LF Z csuyra LZ C Z L C L C == === === à I R I (3) C (7) (2) (R) (4) (I) L