Sử dụng ngôn ngữ lập trình mathematica để giải một số bài toán về “năng lượng liên kết và sự phóng xạ của hạt nhân” chương trình sách giáo khoa vật lý lớp 12 ban nâng cao

Sử dụng ngôn ngữ lập trình Mathematica để
giải một số bài toán về “năng lượng liên kết và
sự phóng xạ của hạt nhân” chương trình sách
giáo khoa Vật lý lớp 12 Ban nâng cao

Trần Quí Nam

Trường Đại học Giáo dục
Luận văn Thạc sĩ ngành: Lí luận và phương pháp giảng dạy; Mã số: 60 14 10
Người hướng dẫn: PGS. TS. Bùi Văn Loát
Năm bảo vệ: 2011

Abstract: Nghiên cứu cơ sở lý luận về giải bài tập vật lý, nghiên cứu phần mềm
Mathematíca trong việc tổ chức dạy học vật lý nói chung và trong dạy soạn thảo và
dạy một số bài tập thuộc phần “ năng lượng liên kết và sự phóng xạ của hạt nhân”.
Tìm hiểu những vấn đề ứng dụng công nghệ thông tin vào dạy học vật lý tại các
trường Trung học phổ thông (THPT) nói chung, tại trường THPT Cổ Loa nói riêng
trong việc sử dụng phần mềm Mathematica nhằm hỗ trợ giải các bài tập vật lý.

Keywords: Phương pháp giảng dạy; Vật lý; Trung học phổ thông; Lớp 12; Phóng xạ;
Hạt nhân; Ngôn ngữ lập trình; Sách giáo khoa

Content
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Chúng ta đang ở kỷ nguyên của nền kinh tế tri thức, sự bùng nổ thông tin và sự phát triển
mạnh mẽ của khoa học công nghệ, làm cho mâu thuẫn giữa lượng tri thức cần phải trang bị cho
học sinh với thời lượng có hạn của tiết học ngày càng trở nên gay gắt. Trong bối cảnh đó, phương
pháp dạy học truyền thống mà chủ yếu là thầy thông báo kiến thức trò lắng nghe và ghi chép
không còn phù hợp. Đó là tất yếu khách quan đòi hỏi phải đổi mới phương pháp dạy và học.
Đổi mới phương pháp dạy học không chỉ cung cấp kiến thức mà còn phải xây dựng

năng lực tư duy, năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh đồng thời còn phải rèn luyện cho học
sinh phương pháp nghiên cứu khoa học nói chung và Vật lý học nói riêng. Tuy nhiên, phương
pháp dạy học các bộ môn khoa học tự nhiên nói chung và bộ môn Vật lý nói riêng ở trường
phổ thông vẫn mang nặng tính chất thông báo, tái hiện. Học sinh ít được tạo điều kiện bồi
dưỡng các phương pháp nhận thức, rèn luyện và tư duy khoa học, phát triển năng lực giải
quyết vấn đề.

2
Mặc dù về mặt lý luận và thực tiễn khách quan cho thấy hiệu quả, lợi ích to lớn của
việc dạy học điện tử, nhưng tới nay những công trình nghiên cứu, tài liệu về phương pháp xây
dựng bài giảng điện tử và sử dụng chúng trong quá trình dạy học để nâng cao chất lượng, đảm
bảo cho học sinh nắm vững kiến thức và phát huy óc sáng tạo vẫn chưa được các nhà lý luận
dạy học quan tâm đúng mức, vì vậy việc triển khai còn gặp nhiều khó khăn.
Đổi mới phương pháp dạy học bên cạnh cung cấp kiến thức cho học sinh, cần phải rèn
cho học sinh năng lực tư duy, năng lực giải quyết vấn đề, năng lực làm việc độc lập và năng
lực tự nghiên cứu khoa học.
Tại các trường học phổ thông trên cả nước hiện nay nói chung và trên địa bàn thành
phố Hà Nội nói riêng, học sinh ít được tạo điều kiện rèn luyện tư duy, nhận thức một cách
logic, khoa học, năng lực tự giải quyết vấn đề. Trong đổi mới phương pháp dạy học, chúng ta
cần phải có thời gian để dần chuyển từ phương pháp dạy học truyền thống – giáo viên là trung
tâm, là người truyền đạt kiến thức, người học tiếp thu kiến thức một cách thụ động sang
phương pháp dạy học hiện đại, lấy người học làm trung tâm. Ở đây, giáo viên là người đóng
vai trò hướng dẫn người học chủ động tiếp cận kiến thức một cách khoa học.
Có thể thấy rất rõ điều vô lý là trong khi chúng ta mong muốn đưa người học về vị trí
trung tâm trong giáo dục, ý kiến người học sẽ định hướng cho cách học của chính mình và
cho cả sự phát triển của nền giáo dục thì chúng ta lại không quan tâm tới ý kiến, suy nghĩ của
người học. Tuy chúng ta muốn học sinh, sinh viên, học viên chủ động trong học tập, chủ động
trong nghiên cứu và là trung tâm của giáo dục, nhưng lại tiến hành theo phương thức gò bó,
ép buộc, áp đặt mà không xem xét công việc đó có phù hợp với ý kiến của người học, với thời
đại không.

Việc ứng dụng công nghệ thông tin vào quá trình dạy học trong thời điểm hiện nay là
hoàn toàn phù hợp với xu thế của thời đại, nhất là đối với các trường học ở các thành phố, thị
xã – nơi có điều kiện cơ sở vật chất, nhanh chóng tiếp thu công nghệ. Đặc biệt ở Hà Nội – là
trung tâm văn hóa, kinh tế, chính trị… của cả nước thì việc ứng dụng công nghệ vào dạy học
là hoàn toàn cần thiết và khả thi. Để đáp ứng nhu cầu đó, thì việc sử dụng phần mềm toán học
Mathematica là một giải pháp tối ưu hiện nay vì trình độ tin học của giáo viên chưa cao không
nên chọn phần mềm mạnh nhưng khó sử dụng. Phần mềm Mathematica dễ sử dụng, có đầy đủ
tính năng đồ họa, tính toán và đặc biệt đây là công cụ mạnh trong việc giúp giáo viên xây
dựng các mô hình vật lý một cách dễ dàng, thuận tiện. Đó cũng chính là một trong những lý
do giúp tôi chọn đề tài “Sử dụng ngôn ngữ lập trình Mathematica để giải một số bài toán
về “ năng lƣợng liên kết và sự phóng xạ của hạt nhân” chương trình sách giáo khoa Vật
lý lớp 12 Ban nâng cao” làm đề tài Luận văn thạc sĩ của mình.

3
2. Mục đích nghiên cứu
Vận dụng lý luận về giải bài tập Vật lý và sử dụng hệ thống phần mềm Mathematica
giải một số bài tập thuộc phần “ năng lƣợng liên kết và sự phóng xạ của hạt nhân” sách
giáo khoa lớp nâng cao lớp 12. Tổ chức dạy học hệ thống bài tập đã soạn thảo nhằm góp phần
nâng cao chất lượng dạy học.
3. Đối tƣợng nghiên cứu
Hoạt động dạy, học của giáo viên và học sinh khi có sự hỗ trợ bởi phần mềm toán học
Mathematica trong việc giải bài tập vật lý.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu cơ sở lý luận về giải bài tập Vật lý, nghiên cứu phần mềm Mathematíca
trong việc tổ chức dạy học vật lý nói chung và trong dạy soạn thảo và dạy một số bài tập
thuộc phần “ năng lƣợng liên kết và sự phóng xạ của hạt nhân”.
- Nghiên cứu những vấn đề ứng dụng công nghệ thông tin vào dạy học vật lý tại các
trường Trung học phổ thông (THPT) nói chung, tại trường THPT Cổ Loa nói riêng trong việc
sử dụng phần mềm Mathematica nhằm hỗ trợ giải các bài tập vật lý.
5. Phạm vi nghiên cứu

Luận văn nghiên cứu quá trình dạy học nói chung, dạy vật lý nói riêng trong trường
THPT khi có sự hỗ trợ bởi phầm mềm toán học Mathematica trong việc giải các bài tập vật lý,
cụ thể là giải một số bài tập vật lý trong phần “ năng lượng liên kết và sự phóng xạ của hạt
nhân”. Với mục đích nâng cao khả năng ứng dụng công nghệ thông tin, khả năng giải quyết
vấn đề, khả năng làm việc nhóm, năng lực nhận thức. Giúp người học chủ động giải quyết vần
đề khi gặp phải trong quá trình dạy học và giúp người dạy có thêm công cụ trong việc dạy các
bài tập.
6. Giả thuyết khoa học
Tin học hóa quá trình dạy học đã và đang chiếm ưu thế. Đặc biệt là việc ứng dụng các
phần mềm vào quá trình dạy học, phần mềm Mathematica một cách hợp lý, nó mang lại hiệu
quả cao trong day học.
Xây dựng các mô hình mô phỏng các hiện tượng vật lý, hỗ trợ giảng dạy, từ đó dễ
ràng giúp học sinh đưa ra các phương án giải quyết vấn đề trong phần
“ năng lượng liên kết và sự phóng xạ của hạt nhân”, qua đó giúp cho học sinh thể hiện năng
lực bản thân, rèn luyện, phát triển khả năng tư duy, sáng tạo một cách toàn diện.
7. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý luận

4
Dựa vào tài liệu lý luận dạy học làm sáng tỏ các quan điểm, trong tổ chức, điều khiển
diễn biến quá trình dạy học giải bài tập. Từ đó học sinh giải quyết những vấn đề gặp phải
trong quá trình nhận thức.
Sử dụng phần mềm toán học Mathematica và những tài liệu liên quan trong việc thiết
kế, giải quyết các vấn đề trong giải bài tập vật lý phục vụ quá trình dạy học.
Nghiên cứu chương trình, nội dung sách giáo khoa, sách giáo viên, sách tham khảo,
từ đó xác định chính xác nội dung, các khái niệm, các cách giải bài tập vật lý mà học sinh cần
phải nắm được khi học phần “ năng lượng liên kết và sự phóng xạ của hạt nhân” của chương
hạt nhân nguyên tử.
Phương pháp nghiên cứu thực tiễn
Nghiên cứu quá trình dạy học trong trường THPT nói chung và trường THPT Cổ Loa

nói riêng thông qua các hoạt động: giảng dạy, dự giờ, thảo luận với các đồng nghiệp và đánh
giá của học sinh. Từ đó đánh giá tình hình dạy, học phần “năng lượng liên kết và sự phóng xạ
của hạt nhân” của học sinh phổ thông.
Nghiên cứu quá trình sử dụng máy tính trong việc ứng dụng phần mềm Mathematica
mô phỏng, giải các bài tập vật lý bằng các mô hình, phục vụ công tác giảng dạy ở trường
THPT.
8. Đóng góp của đề tài
Luận văn đã cho thấy lợi ích, tầm quan trọng của việc ứng dụng Công nghệ thông tin
trong dạy học theo phương pháp hiện đại.
Mở ra hướng trong việc kết hợp giữa phương pháp dạy học truyền thống với phương
pháp dạy học hiện đại một cách hiệu quả.
9. Cấu trúc Luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, phụ lục, nội dung chính của luận văn
được trình bày thành 3 chương:
Chương 1: Cơ sở lý luận của đề tài
Chương 2: Những nét cơ bản phần mềm toán học Mathematica. Phân tích một số dạng
bài tập phần “ năng lượng liên kết và sự phóng xạ của hạt nhân”.
Chương 3: Thực nghiệm sư phạm

5
CHƢƠNG 1
CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI

1.1. Khái quát chung và nhiệm vụ của quá trình dạy học
1.1.1. Khái quá chung
1.1.2. Định hướng đổi mới phương pháp dạy học
Đổi mới PPDH là hướng tới hoạt động tích cực, chủ động, chống lại thói quen
học tập thụ động. Đổi mới nội dung và hình thức hoạt động của giáo viên (GV) và học sinh
(HS), đổi mới hình thức tổ chức dạy học, đổi mới hình thức tương tác xã hội trong dạy học.
1.2. Quan điểm chung về đổi mới phƣơng pháp dạy học

1.2.1. Thực trạng của việc dạy và học hiện nay
Ở các trường THPT phương pháp dạy và học vẫn phổ biến đơn thuần chỉ là thông báo
lượng kiến thức được định sẵn trong sách giáo khoa, học sinh học một cách thụ động. Tình
trạng chung trong các trường học hiên nay phổ biến vẫn là “Thầy đọc – Trò chép” hoặc giảng
bài cùng với vấn đáp mang tính tái hiện, minh họa.
1.2.2. Bản chất của công cuộc đổi mới phƣơng pháp dạy học
Phương pháp dạy học cần hướng vào việc tổ chức cho người học học tập trong hoạt
động và bằng hoạt động tự giác, tích cực, chủ động và sáng tạo. Mỗi nội dung dạy học đều liên
hệ với những hoạt động nhất định. Hoạt động liên hệ với các yếu tố: chủ thể, đối tượng, mục
tiêu, phương tiện, kết quả; đối với hoạt động học, còn liên hệ đến một yếu tố quan trọng, đó là
người thầy.
1.2.3. Sự cần thiết phải đổi mới phương pháp dạy học
1.2.4. Đổi mới dạy và học theo quan điểm CNTT
1.2.4.1. Dạy và học theo quan điểm CNTT
1.2.4.3. CNTT với vai trò PTDH, TBDH
1.3. Xu hƣớng đổi mới phƣơng pháp dạy học
1.3.1. Xác định nhu cầu, phong cách học của học sinh
1.3.2. Xây dựng hệ thống mục tiêu dạy học
Mục tiêu dạy học được xây dựng nhằm thực hiện 2 chức năng chính:
- Định hướng trong dạy và học.
- Căn cứ để kiểm tra đánh giá kết quả tiến bộ của học sinh.
1.3.3. Xác định yêu cầu về nội dung bài dạy học
- Quá trình “cấu trúc hóa” lại nội dung cho phù hợp với điều kiện dạy học cụ thể

6
- Việc cấu trúc lại nội dung chương trình dạy học giúp cho giáo viên:
- Tăng khả năng áp dụng đa dạng các phương pháp và hình thức tổ chức dạy học
(trong và ngoài giờ lên lớp).
- Phân bổ thời gian triển khai một cách hợp lý (có thể coi là một trong những giải
pháp “giảm tải” hiện nay).

- Tăng cơ hội dạy học phân hóa (cho toàn lớp/ nhóm/cá nhân).
- Tăng cơ hội học tập tích cực cho học sinh.
- Kích thích tính chủ động của học sinh.
- Thiết kế đa dạng các bài tập thực hành, tình huống có vấn đề, bài tập nghiên
cứu…
1.4. Lí luận về bài tập vật lý
1.4.1. Lí luận về bài tập Vật lí
1.4.2. Sử dụng bài tập Vật lí trong dạy học Vật lí. Những yêu cầu chung trong dạy học bài
tập Vật lí
- Cần dự tính kế hoạch về việc sử dụng bài tập Vật lí trong dạy học.
+ Xác định mục đích sử dụng bài tập:
+ Sắp xếp các bài tập đã chọn thành một hệ thống, định rõ kế hoạch và mục đích sử
dụng trong tiến trình dạy học.
1.4.3. Lựa chọn bài tập Vật lí
- Khi lựa chọn bài tập Vật lí cần phải dựa trên các căn cứ sau:
+ Mục đích sử dụng,
+ Trình độ xuất phát của học sinh,
+ Thời gian cho phép sử dụng,
- Số lượng và nội dung bài tập được lựa chọn cần đáp ứng các yêu cầu sau:
+ Phù hợp với mức độ nội dung các kiến thức cơ bản và các kĩ năng giải bài
tập.
+ Hệ thống bài tập bao gồm nhiều thể loại.
+ Chú ý thích đáng về số lượng và nội dung các bài tập nhằm giúp học sinh
vượt qua những khó khăn chủ yếu, khắc phục những sai lầm phổ biến.
+ Các bài tập đưa ra phải có tính hệ thống.
+ Các bài tập phải đảm bảo tính vừa sức đối với học sinh đại trà, đồng thời có
chú ý đến sự phân hóa học sinh.
1.5. Mục đích giảng dạy một số bài tập về phần “ năng lƣợng liên kết và sự phóng xạ của
hạt nhân” cho học sinh phổ thông với sự hỗ trợ của phần mềm toán học Mathematica

7
1.5.1. Kết hợp phương pháp dạy học tích cực với phần mềm toán học Mathematica trong
giảng dạy phần “ năng lƣợng liên kết và sự phóng xạ của hạt nhân”
- Khi học sinh giải các bài tập “ năng lƣợng liên kết và sự phóng xạ của hạt nhân”,
vì các tính toán tương đối phức tạp nên nhiều học sinh khi giải xong bài tập không biết kết
quả chính xác. Với sự trợ giúp của phần mềm toán học Mathematica học sinh có thể chủ động
kiểm tra được kết quả của mình đúng hay sai từ đó có thể xem xét, điều chỉnh, bổ sung kiến
thức, đồng thời học sinh còn có thể tự thiết kế bài tập sau đó đưa ra phương pháp giải bài tập
đó. Việc làm phát huy tính tích cực chủ động và sáng tạo của học sinh.
1.5.2. Các bước kết hợp hiệu quả giữa phương pháp dạy học tích cực với phần mềm toán
học Mathematica trong giảng dạy bài tập phần “ năng lượng liên kết và sự phóng xạ của
hạt nhân”
Quá trình tiến hành thiết kế bài giảng có sử dụng phần mềm Mathematica phải được
tiến hành theo các bước như:
- Xác định mục tiêu của bài học.
- Xác định kiến thức cơ bản và trọng tâm mà HS cần đạt được trong bài học.
- Xác định vốn kiến thức, kỹ năng và trình độ tư duy của HS.
- Khả năng ứng dụng CNTT của GV và HS. Xác định tình hình cơ sở vật chất của
trường sở tại.
- Mục đích sư phạm cần đạt được sau khi kết thúc bài học.

Chƣơng 2: NHỮNG NÉT CƠ BẢN VỀ PHẦN MỀM TOÁN HỌC MATHEMATICA,
PHÂN TÍCH MỘT SỐ DẠNG BÀI TẬP VỀ PHẦN NĂNG LƢỢNG LIÊN KẾT VÀ SỰ
PHÓNG XẠ CỦA HẠT NHÂN.
2.1. Quá trình hình thành và phát triển của Mathematica
2.2. Vài nét chính về Mathematica
2.2. 1. Mathematica là hệ thống thực hiện các phép tính
2.2.1.1. Các tính toán bằng số
2.2.1.2. Phép tính bằng ký hiệu
2.2.2. Vẽ đồ thị

2.2.3. Mathematica là ngôn ngữ lập trình
2.2.4. Mathematica là hệ thống biểu diễn kiến thức toán học
2.2.5. Mathematica là môi trƣờng tính toán
2.2.6. Các lệnh trong Mathematica
2.2.7. Các lệnh cơ bản của Mathematica trong tính toán bằng số

8
2.2.7.1. Các toán tử số học
2.2.7.2. Các toán tử logic
2.2.7.3. Các thuật toán trong Mathematica
2.2.7.4. Các hàm cơ bản
2.2.8. Đồ họa trong Mathematica
2.2.8.1. Đồ thị hàm một biến
2.2.8.2. Đồ thị hàm hai biến ba chiều
2.2.8.3.Cấu trúc đồ thị
2.3. Phân tích nội dung khoa học kiến thức về phần “ năng lƣợng liên kết và sự phóng xạ
của hạt nhân”
2.3.1. Độ hụt khối ,Năng lƣợng liên kết và năng lƣợng liên kết riêng
Xét một hạt nhân có khối lượng m
X
, khối lượng của proton là m
p
, của notron là m
n
a) Khối lượng của một hạt nhân luôn nhỏ hơn tổng khối lượng của các nuclôn tạo
thành hạt nhân đó.
 
p n X
m Zm A Z m m    
gọi là độ hụt khối của hạt nhân.

b) Năng lƣợng liên kết của một hạt nhân được tính bằng tích của độ hụt khối của hạt
nhân với thừa số
2
c
.
2
lk
W mc
Hay:
 
2
lk p n X
W Zm A Z m m c

   


c) Năng lƣợng liên kết riêng (

lkR
W
lk
W
A
) là năng lượng liên kết tính cho một
nuclôn. Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng càng lớn thì càng bền vững.
2.3.2. Sự phóng xạ
a. Hiện tƣợng phóng xạ
a) Định nghĩa.
b) Các dạng phóng xạ

+ Phóng xạ

: Phát ra tia

, là dòng hạt nhân của nguyên tử hêli (
4
2
He
), theo phản
ứng sau:

A A 4 4
Z Z 2 2
X Y He



 

+ Phóng xạ


: Phát ra tia


, là dòng các hạt êlectron (
0
1
e


), theo phản ứng sau:

A A 0 0
Z Z 1 1 0
X Y e



   

Với


là phản hạt của nơtrinô.
+ Phóng xạ


: Phát ra tia


, là dòng các hạt pôzitron còn gọi là êlectron dương
(
0
1
e

), theo phản ứng sau:

9

A A 0 0
Z Z 1 1 0
X Y e



   
Với

là hạt nơtrinô.
+ Phóng xạ

: Phát ra tia

, là phóng xạ đi kèm theo của phóng xạ

và

. Tia

là
bức xạ điện từ có bước sóng rất ngắn, khả năng đâm xuyên sâu (vài mét trong bê tông
và vài cm trong chì).
b. Định luật phóng xạ
- Đặc tính của quá trình phóng xạ
+ Là quá trình biến đổi hạt nhân.
+ Có tính tự phát và không điều khiển được, không chịu tác động của các yếu tố bên
ngoài.
+ Là một quá trình ngẫu nhiên.
- Định luật phóng xạ

Trong quá trình phân rã, số hạt nhân phóng xạ giảm theo thời gian theo định luật hàm
số mũ.
Trong đó:
o
N
số hạt nhân (số nguyên tử) ban đầu.
N số hạt nhân chưa bị phân rã (số hạt nhân còn lại) sau thời gian t.
T gọi là chu kỳ bán rã, λ gọi là hằng số phóng xạ đều đặc trưng cho chất phóng xạ.
2.3.3. Phản ứng hạt nhân – Năng lƣợng toả hay thu của phản ứng hạt nhân
a. Định nghĩa và đặc tính
- Phản ứng hạt nhân tự phát là quá trình tự phân rã của một hạt nhân không bền vững
thành các hạt nhân khác.
A C D
Trong đó A là hạt nhân mẹ, C là hạt nhân con và
D là tia phóng xạ.
- Phản ứng hạt nhân kích thích là quá trình các hạt nhân tương tác với nhau tạo ra các
hạt nhân khác.
3
1 2 4
1 2 3 4
A
A A A
Z Z Z Z
A B X Y  

b. Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân
+ Bảo toàn điện tích. (
1 2 3 4
Z Z Z Z  
)

+ Bảo toàn số nuclôn (bảo toàn số khối A). (
1 2 3 4
A A A A  
)
+ Bảo toàn năng lượng toàn phần.
+ Bảo toàn động lượng.
c. Năng lƣợng phản ứng hạt nhân Xét phản ứng hạt nhân:
A B C D  

+ Tổng khối lượng nghỉ của các hạt trước tương tác:
t A B
m m m

+ Tổng khối lượng nghỉ của các hạt sau tương tác:
s C D
m m m


10
Nếu
st
mm
thì phản ứng tỏa năng lượng. Nếu
st
mm
thì phản ứng thu năng
lượng.
+ Năng lượng tỏa (thu vào) của phản ứng hạt nhân
2
)( cmmE

st


Nếu
E
> 0 : phản ứng tỏa năng lượng.

E
< 0 : phản ứng thu năng lượng.
+ Có hai loại phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng là phản ứng phân hạch và phản ứng
nhiệt hạch.
2.4. Đặc điểm, cấu trúc nội dung chƣơng “hạt nhân nguyên tử” vật lí 12 Ban nâng cao
2.4.1. Về phân phối chương trình
2.5. Kỹ năng của học sinh khi học chƣơng “hạt nhân nguyên tử”
2.6. Soạn thảo hệ thống bài tập phần “ năng lượng liên kết và sự phóng xạ của hạt nhân”
vật lý 12 ban nâng cao THPT
2.6.1. Nguyên tắc xây dựng hệ thống bài tập
2.6.2. Sử dụng phần mềm Mathematica trong hướng dẫn hoạt động giải bài tập phần
“năng lƣợng liên kết và sự phóng xạ của hạt nhân” vật lý 12 nâng cao
Với đặc thù của phần mềm toán học Mathematica, chúng tôi nhận thấy có thể sử
dụng nó trong việc giải một số loại bài tập phần “ năng lượng liên kết và sự phóng xạ của
hạt nhân ” Vật Lý 12 nâng cao như những dạng bài tập định lượng, với những ưu thế nổi
trội.
Qua nghiên cứu, chúng tôi lựa chọn được hệ thống 6 bài tập điển hình phần “ năng
lượng liên kết và sự phóng xạ cuả hạt nhân” Vật Lý 12 nâng cao có sử dụng phần mềm
Mathematica nhằm góp phần phát huy tính tích cực và tự chủ, bồi dưỡng năng lực sáng
tạo của học sinh.
Cụ thể chúng tôi diễn giải 6 dạng bài tập nhƣ sau
Bài 1: Xác định độ hụt khối, năng lượng liên kết, năng lượng liên kết riêng của hạt nhân, so
sánh tính bền vững của hai hạt nhân đồng khối

Bài 2 : Xác định khối lượng, độ phóng xạ của hạt nhân mẹ và khối lượng của hạt nhân con
tạo thành ở một thời điểm nào đó
Bài 3: Xác định xem hạt nhân cho trước có phân rã anpha hay không nếu có xác định năng
lượng toả ra và động năng của các hạt trong phân rã anpha

11
Bài 4: Xác định khoảng thời gian để tỉ số khối lượng của hạt nhân mẹ và hạt nhân con tạo
thành trong phân rã anpha bằng a và ngược lại
Bài 5: Xác định thể tích khí hêli sinh ra trong sự phân rã anpha ở điều kiện tiêu chuẩn và ở
một điều kiện nào đó.
Bài 6 : Vẽ đồ thị độ phóng xạ của chất phóng xạ giảm theo thời gian
2.6.3. Hƣớng dẫn học sinh giải bài tập phần “ năng lượng liên kết và sự phóng xạ cuả hạt
nhân” Vật Lý 12 nâng cao có sử dụng phần mềm Mathematica
2.6.3.1. Phƣơng pháp
Bước 1: Tìm hiểu đề bài .
Đọc kỹ đề bài, ghi ngắn gọn các dữ liệu ban đầu và các đại lượng phải tìm
Bước 2 : Thiết lập các mối quan hệ cơ bản của các dữ liệu ban đầu và các đại lượng phải tìm
.Sau đó cụ thể hoá bằng các câu lệnh trong chương trình Mathematica.
Bước 3 : Luận giải
Khác với phương pháp giải truyền thống học sinh phải tự giải thì với việc sử dụng phần mềm
hỗ trợ Mathematica, máy tính sẽ giải và cho ta kết quả ra màn hình
Bước 4 : Kiểm tra xác nhận kết quả
Sau khi có kết quả trên màn hình máy tính , học sinh phải căn cứ vào bài toán cụ thể để tìm
được kết quả chính xác
2.6.3.2 .Hƣớng dẫn học sinh
Bài 1: Xác định độ hụt khối, năng lượng liên kết, năng lượng liên kết riêng của hạt nhân, so
sánh tính bền vững của hai hạt nhân đồng khối
Bài toán : Xét một hạt nhân
X
A

Z
có khối lượng m(u)
Cho khối lượng của protôn

p
m
1,007276u
Khối lượng của nơtron

n
m
1,008665u
Lấy 1u = 931,5 MeV/c
2

Tìm độ hụt khối , năng lượng liên kết ,năng lượng liên kết riêng của hạt nhân
Dựa vào đó so sánh sự bền vững của các hạt nhân
Bài 2 : Xác định khối lượng, độ phóng xạ của hạt nhân mẹ và khối lượng của hạt nhân con
tạo thành ở một thời điểm nào đó
Bài 3: Xác định xem hạt nhân cho trước có phân rã anpha hay không nếu có xác định năng
lượng toả ra và động năng của các hạt trong phân rã anpha

12
Bài toán : Cho độ hụt khối (
m
) hoặc năng lượng liên kết(
lkR
W
), năng lượng liên kết riêng
(W

lkr
=

)của các hạt. Tìm năng lượng toả ra.Tìm động năng các hạt sinh ra (không kèm tia

)
Bài 4: Xác định khoảng thời gian để tỉ số khối lượng của hạt nhân mẹ và hạt nhân con tạo
thành trong phân rã anpha bằng a và ngược lại
Bài toán : Cho hạt nhân mẹ X phóng xạ

tạo thành hạt nhân con Y
YX
A
Z
A
Z
4
2





Biết chu kỳ bán rã của hạt nhân mẹ sau một khoảng thời gian t nào đó thì tỉ số khối lượng
giữa hạt nhân mẹ và hạt nhân con là một hằng số a .Tìm thời gian t nếu biết chu kỳ bán rã
và hằng số a ?
Bài 5: Xác định thể tích khí hêli sinh ra trong sự phân rã anpha ở điều kiện tiêu chuẩn và ở
một điều kiện nào đó ?
Bài toán : Hạt nhân mẹ
1

1
A
Z
X phóng xạ

tạo thành hạt nhân con
2
2
A
Z
Y
Cho khối lượng ban đầu của hạt nhân mẹ là m
0
chu kỳ bán rã là T, sau khoảng thời gian t thể
tích khí Heli sinh ra ở điều kiện tiêu chuẩn hoặc ở một điều kiện có nhiệt độ và áp suất bất
kỳ nào đó
Bài 6: Vẽ đồ thị của độ phóng xạ (hoạt độ phóng xạ)theo thời gian của một chất phóng xạ
Cho một chất phóng xạ có chu kỳ bán rã T. Hoạt độ phóng xạ là H, nhập các hoạt độ phóng
xạ ở các thời điểm theo công thức
t
eHH



0
vẽ đồ thị hoạt độ phóng xạ theo thời gian
CHƢƠNG 3. THỰC NGHIỆM SƢ PHẠM
3.1. Mục đích của thực nghiệm sƣ phạm
- Đánh giá tính khả thi của tiến trình dạy học đã soạn với việc sử dụng phần mềm toán
học Mathematica hướng dẫn học sinh giải các giải các BTVL, làm cơ sở để sửa đổi bổ sung

và hoàn thiện hơn.
- Sau khi tiến hành thực nghiệm sẽ tiến hành so sánh, đối chiếu kết quả của lớp thực
nghiệm với lớp đối chứng để đánh giá chất lượng của hoạt động dạy học theo tiến trình đã
soạn.
3.2. Đối tƣợng thực nghiệm sƣ phạm

13
Việc thực nghiệm sư phạm được tiến hành tại trường THPT Cổ Loa – Đông Anh – Hà
nội với đối tượng là học sinh lớp 12 Ban nâng cao.
Lớp đối chứng là lớp 12A4 có 47 học sinh, dạy theo tiến trình cũ, truyền thống,
không có sự hỗ trợ của phần mềm toán học Mathematica.
Lớp thực nghiệm là lớp 12A1 có 47 học sinh, dạy theo tiến trình đã soạn thảo có
sử dụng phần mềm toán học Mathematica để giảng dạy giải BTVL.
Trình độ học tập môn Vật lý của 2 lớp gần như tương đương nhau.
3.3. Phƣơng pháp thực nghiệm sƣ phạm
Lớp đối chứng là lớp 12A4 có 47 học sinh, dạy theo tiến trình cũ, truyền thống,
không có sự hỗ trợ của phần mềm toán học Mathematica.
Lớp thực nghiệm là lớp 12A1 có 47 học sinh, dạy theo tiến trình đã soạn thảo có
sử dụng phần mềm toán học Mathematica để giảng dạy giải BTVL.
Ở lớp đối chứng, chúng tôi dự giờ ghi chép lại mọi hoạt động của giáo viên và học
sinh diễn ra trong tiết học.
Khi dạy lớp thực nghiệm, chúng tôi ghi hình tiết học, sau đó phân tích tiết học đó
để rút kinh nghiệm, đánh giá tính khả thi của tiến trình đã soạn thảo, chỉ ra những điều
chưa phù hợp của tiến trình soạn thảo, bổ sung, sửa đổi những điều cần thiết.
Cuối đợt thực nghiệm, chúng tôi đã giao cho học sinh một bài kiểm tra 20 phút để sơ
bộ đánh giá hiệu quả của việc sử dụng phần mềm Mathematica trong việc dạy giải bài tập Vật
Lý phần “ năng lượng liên kết và sự phóng xạ cuả hạt nhân” dựa trên hệ thống bài tập đã
soạn thảo đối với việc nâng cao chất lượng nắm vững kiến thức và phát huy tính tích cực, tự
chủ, sáng tạo của học sinh sau khi học chương học này.
3.4. Thời điểm thực nghiệm 15/2/2011 đến 30/3/2011

3.5. Phân tích kết quả thực nghiệm sƣ phạm
3.5.1. Tiêu chí để đánh giá
- Đánh giá tính khả thi của phương án thiết kế:
+ Căn cứ vào số bài học sinh giải đúng.
+ Căn cứ vào khả năng sử dụng phần mềm Mathematica.
+ Căn cứ vào thời gian để hoàn thành một bài tập của học sinh.
- Đánh giá căn cứ vào khả năng tích cực của học sinh khi tham gia hoạt động giải bài tập:

14
+ Khả năng phân tích hiện tượng vật lý cho trong bài tập để từ đó chỉ ra các mối liên hệ
giữa các đại lượng vật lý trong lớp hiện tượng đang xét. (Học sinh nêu được câu hỏi thắc mắc
như “Tại sao sử dụng phần mềm Mathematica lại cho phép giải được BTVL nhanh hơn?”).
+ Khả năng vận dụng linh hoạt kiến thức về phần “ năng lượng liên kết và sự phóng xạ
cuả hạt nhân” và kiến thức về phần mềm Mathematica.
+ Kết quả làm việc của nhóm: Đưa ra kết quả cuối cùng.
- Đánh giá kết quả học tập của học sinh bằng các chỉ số thống kê:
+ Phân tích các tham số đặc trưng,
+ So sánh kết quả từ đồ thị phân bố tần suất và tần suất luỹ tích,
+ Kiểm định giả thuyết thống kê.
3.5.2. Diễn biến thực nghiệm sư phạm
- Tại lớp đối chứng
Dạy học theo phương pháp thông thường, không có sự hỗ trợ phần mềm Mathematica.
- Tại lớp thực nghiệm
Để chuẩn bị cho tiến trình thực nghiệm sư phạm diễn ra trong phần “ năng lượng liên
kết và sự phóng xạ cuả hạt nhân” Vật Lý 12 nâng cao, chúng tôi yêu cầu học sinh đọc tài liệu
tham khảo về phần mềm Mathematica và tiến hành cài đặt, hướng dẫn học sinh sử dụng phần
mềm Mathematica trong 2 tiết.
3.5.3. Sơ bộ đánh giá hiệu quả của tiến trình dạy học đã soạn thảo với việc ôn tập củng cố
kiến thức, phát huy tính tích cực, tự chủ, tư duy, sáng tạo của học sinh
* Tình hình học tập ở lớp đối chứng:

Không khí học tập không sôi nổi, các em chỉ thụ động ngồi nghe, ghi chép, không tự
tin khi vận dụng các kiến thức đã học.
* Tình hình học tập ở lớp thực nghiệm:
Chúng tôi tiến hành thực nghiệm sư phạm trên đối tượng là học sinh đã được làm quen
với phương pháp mới, nên khi làm việc theo phương pháp học tập của chúng tôi thì học sinh
rất vui vẻ và hứng thú.
Tuy nhiên học sinh vẫn còn nhiều bỡ ngỡ và rụt rè. Khả năng hoạt động, tư duy trong
học tập vẫn chậm, nhiều em còn lười suy nghĩ, không chịu nghe hướng dẫn về phần mềm
Mathematica. Chúng tôi đã dùng nhiều cách động viên như: Tạo không khí học tập thoải mái
trong lớp, khuyến khích học sinh hoạt động, khen ngợi học sinh đúng lúc. Với những cách
này, chúng tôi thấy rằng học sinh dường như đã mạnh dạn hơn, sôi nổi hơn, một số em đã
dám đưa ra ý kiến tranh luận với các bạn trong nhóm, trong lớp, tích cực xung phong trình
bày kết quả hiển thị trên màn hình máy tính. Khi đã bắt đầu quen với phương pháp học mới

15
do chúng tôi đưa ra, học sinh rất tự tin, thích thú học tập, chịu khó suy nghĩ để đề xuất ý kiến.
Học sinh đã chủ động, tích cực hơn trong hoạt động của mình.
3.5.4. Kiểm tra, đánh giá chất lượng kiến thức của học sinh
3.5.4.1. Mục đích kiểm tra
Đánh giá chất lượng nắm vững kiến thức của học sinh. Qua đó, đánh giá tính xác thực
của giả thuyết khoa học đã nêu trong đề tài.
3.5.4.2. Đối tượng kiểm tra và hình thức kiểm tra
Chúng tôi cho toàn bộ học sinh của lớp thực nghiệm và lớp đối chứng làm cùng một
đề kiểm tra trong thời gian 20 phút.
3.5.4.3. Nội dung và thang điểm kiểm tra
Nội dung bài kiểm tra (20 phút)
Pôlôni
210
84
Po là một chất phóng xạ có chu kì bán rã 138 ngày đêm. Hạt nhân pôlôni phóng xạ

sẽ biến thành hạt nhân chì (Pb) và kèm theo một hạt . Ban đầu có 42mg chất phóng xạ
pôlôni.
a) Sau khoảng thời gian bao lâu thì tỉ số khối lượng của hạt nhân mẹ và hạt nhân con là 0,5.
b) Sau khoảng thời gian 276 ngày thì thể tích khí heli sinh ra ở điều kiện tiêu chuẩn là bao
nhiêu?
Kết luận : Từ bảng tổng hợp các tham số thống kê, đồ thị các đường luỹ tích và kết quả
các phép tính thống kê ở trên cho phép chúng tôi rút ra kết luận:
- Điểm trung bình cộng của học sinh lớp thực nghiệm (5,30) cao hơn lớp đối chứng
(4,55) Hệ số biến thiên giá trị điểm số của lớp thực nghiệm (21,5%) nhỏ hơn lớp đối chứng
(33,4%) nghĩa là: độ phân tán về điểm số quanh điểm trung bình của lớp đối chứng lớn hơn so
với lớp thực nghiệm.
- Đồ thị tần số tích luỹ của lớp thực nghiệm nằm bên phải và phía dưới đồ thị tần số luỹ
tích của lớp đối chứng, điều đó cho thấy kết quả học tập ở lớp thực nghiệm cao hơn lớp đối
chứng.
Như vậy việc tổ chức tiến hành dạy và giải bài tập vật lý phần độ hụt khối, năng lượng
liên kết, sự phóng xạ chương “Hạt nhân nguyên tử” sách giáo khoa Vật Lý 12 nâng cao,
bằng việc sử dụng phần mềm toán học Mathematica đã đem lại hiệu quả bước đầu trong
việc nâng cao chất lượng nắm vững kiến thức của học sinh thể hiện ở kết quả học tập của
lớp thực nghiệm cao hơn so với lớp đối chứng.

16
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ
Đối chiếu với mục đích nghiên cứu, đề tài luận văn đã cơ bản hoàn thành các nhiệm
vụ đặt ra:
- Nghiên cứu các quan điểm dạy học hiện đại về dạy học, đặc biệt chú trọng về cơ sở
lý luận của việc dạy giải bài tập vật lý, nghiên cứu tài liệu về phần mềm toán học
Mathematica, nghiên cứu nội dung và phân phối chương trình các kiến thức chương “Hạt
nhân nguyên tử” sách giáo khoa Vật Lý 12 nâng cao và các tài liệu có liên quan nhằm xác
định được mức độ nội dung các kiến thức cơ bản và các kỹ năng học sinh cần đạt được.
- Tìm hiểu thực tế dạy học phần kiến thức chương “Hạt nhân nguyên tử” sách giáo

khoa Vật Lý 12 nâng cao nhằm phát hiện những khó khăn của giáo viên và học sinh, những
sai lầm phổ biến của học sinh. Từ đó đề xuất một số nguyên nhân của các khó khăn và nêu
các biện pháp khắc phục.
- Soạn thảo hệ thống bài tập có sử dụng phần mềm toán học Mathematica để giải và sử
dụng hệ thống bài tập này vào việc tổ chức dạy học một số bài tập ở trong chương “Hạt nhân
nguyên tử” sách giáo khoa Vật Lý 12 nâng cao không những giúp học sinh vận dụng được
kiến thức, kĩ năng đã biết, mà còn giúp học sinh hình thành kiến thức, kĩ năng mới và phát
triển năng lực giải quyết vấn đề.
- Tiến hành thực nghiệm sư phạm theo tiến trình dạy học đã soạn thảo để đánh giá
hiệu quả của hệ thống bài tập đã xây dựng và việc đưa phần mềm toán học Mathematica vào
hướng dẫn hoạt động giải bài tập.
Như vậy, với việc sử dụng phần mềm toán học Mathematica trong việc dạy giải bài
tập vật lý chương “Hạt nhân nguyên tử” sách giáo khoa Vật Lý 12 nâng cao, luận văn đã làm
rõ được một số bài tập về độ hụt khối, năng lượng liên kết, sự phóng xạ mà các vấn đề đó
khó làm được trong thực tế với phương pháp giải bài tập thông thường hiện nay. Dựa vào đó
học sinh có thể nhận thấy một hạt nhân có phân rã anpha hay không,và dễ dàng so sánh được
hạt nhân nào bền vững hơn. Hơn nữa với việc sử dụng phần mềm toán học Mathematica,
giáo viên đã tạo cho học sinh có nhiều cơ hội tiếp cận với công nghệ thông tin, có cơ hội trao
đổi các vấn đề với giáo viên, giúp đơn giản hoá các vấn đề trừu tượng trong chương “Hạt
nhân nguyên tử” sách giáo khoa Vật Lý 12 nâng cao, góp phần phát huy tính tích cực và tự
chủ, bồi dưỡng năng lực sáng tạo của học sinh. Các kết quả nghiên cứu có thể xem là một tài
liệu tham khảo về phương pháp dạy học cho các giáo viên Vật Lý ở trường THPT.
Tuy nhiên, đề tài vẫn tồn tại một số hạn chế sau:
- Khi thực hiện bài giảng có sự hỗ trợ của phần mềm toán học Mathematica thì thời
gian chuẩn bị tương đối nhiều, đòi hỏi giáo viên phải có kiến thức nhất định về CNTT, đặc

17
biệt phải có kỹ năng lập trình phần mềm toán học Mathematica để giải các bài tập vật lý phổ
thông.
- Tính ứng dụng của luận văn sẽ được phát huy tối đa khi các thiết bị công nghệ dạy

học được trang bị đầy đủ, như máy tính chạy phần mềm, máy chiếu Projector… Do đó nếu
không được đáp ứng các nhu cầu trên, đề tài của luận văn khó phát huy được ưu thế.
Do điều kiện về thời gian, không gian và khuôn khổ thực hiện của luận văn nên chắc
chắn không thể tránh khỏi thiếu sót, tôi rất mong nhận được các ý kiến đóng góp của các Thầy
Cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn của tôi được hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành
cảm ơn!

References
Tài liệu tham khảo Tiếng Việt
[1]. Tôn Tích Ái. Phương pháp số, NXB ĐHQG Hà Nội, 2001.
[2]. Tôn Tích Ái. Phần mềm toán cho kỹ sư, NXB ĐHQG Hà Nội, 2005.
[3]. Tôn Tích Ái. Sử dụng phần mềm Mathematica trong vật lý phổ thông, NXB ĐHQG Hà
Nội, 2001.
[4]. Dƣơng Trọng Bái, Nguyễn Thƣợng Chung, Đào Văn Phúc, Vũ Quang. TLGK Vật lý
12. NXB Giáo dục, 1993.
[5]. Nguyễn Ngọc Bảo. Phát huy tính tích cực, tự lực của học sinh trong quá trình dạy học.
Vụ Giáo viên, Hà Nội, 1995.
[6]. Lƣơng Duyên Bình. Vật lý đại cương. NXB Giáo dục, 1998.
[7]. Vũ Cao Đàm. Phương pháp luận nghiên cứu Khoa học, NXB KH&KT, Hà Nội, 1998.
[8]. Nguyễn Văn Đồng (chủ biên). Phương pháp giảng dạy Vật Lý ở trường phổ thông, tập 1
và tập 2, NXBGD Hà Nội, 1979.
[9]. Phó Đức Hoan. Phương pháp giảng dạy Vật lý ở trường phổ thông trung học, Trường
Đại học Sư phạm Hà Nội, 1993.
[10]. Nguyễn Thế Khôi (Tổng chủ biên), Vũ Thanh Khiết (chủ biên), Nguyễn Đức Hiệp,
Nguyễn Ngọc Hƣng, Nguyễn Đức Thâm, Phạm Đình Thiết, Vũ Đình Tuý, Phạm Quý
Tƣ. Vật Lý 12 nâng cao, NXBGD, 2008.
[11]. Nguyễn Thế Khôi, Vũ Thanh Khiết (Đồng chủ biên), Nguyễn Đức Hiệp, Nguyễn
Ngọc Hƣng, Nguyễn Đức Thâm, Phạm Đình Thiết, Vũ Đình Tuý, Phạm Quý Tƣ. Bài tập
Vật Lý 12 nâng cao, NXBGD, 2008.

18
[12]. Ngô Diệu Nga. Bài giảng chuyên đề phương pháp nghiên cứu khoa học dạy học Vật Lý,
2003.
[13]. Phạm Xuân Quế. Sử dụng máy tính hỗ trợ việc xây dựng mô hình trong dạy học vật lý,
Tạp chí Nghiên cứu Giáo dục, số 4/2000.
[14]. TS. Đinh Thị Kim Thoa, Bài giảng phương pháp và công nghệ dạy học hiện đại,
ĐHGD – ĐHQGHN, 2001.
[15]. Phạm Hữu Tòng. Bài tập phương pháp dạy bài tập vật lý, NXBGD, Hà Nội, 1994.
[16]. Đỗ Hƣơng Trà, Bài giảng chuyên đề phương pháp dạy học Vật Lý, Hà Nội, 2008.
[17]. Bùi văn Loát , Địa Vật Lý hạt nhân, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội, 2009.
[18]. Bùi văn Loát , Thống kê và sử lý số liệu thực nghiệm Vật Lý hạt nhân, Nhà xuất bản
ĐHQG Hà Nội, 2011.