Đề tài " BỒI DƯỠNG NĂNG KHIẾU VẬT LÝ CHO HỌC SINH PHỔ THÔNG BẰNG THÍ NGHIỆM TRÊN CÁC THIẾT BỊ KHOA HỌC RẺ TIỀN TỰ TẠO " docx

Báo cáo Hội nghị Vật lí toàn quốc lần thứ VI, Hà Nội 23-25/11/2005
BỒI DƯỠNG NĂNG KHIẾU VẬT LÝ CHO HỌC SINH PHỔ THÔNG
BẰNG THÍ NGHIỆM
TRÊN CÁC THIẾT BỊ KHOA HỌC RẺ TIỀN TỰ TẠO
Đàm Trung Đồn

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐH QG HN
MỞ ĐẦU
Mục tiêu của của việc mở các lớp chuyên Vật lý là để thúc đẩy việc phát hiện và
bồi dưỡng năng khiếu Vật lý trong học sinh phổ thông trung học, hướng các em đó
phấn đấu theo đường khoa học Tiêu chuẩn quan trọng để đánh giá năng khiếu Vật
lý là trực giác Vật lý. Trực giác vật lý cũng do rèn luyện mà có. Tuy nhiên nếu dựa
vào việc học qua sách vở thì chỉ khi đã đạt độ uyên bác nhất định.mới có được trực
giác vật lý tốt. Học sinh phổ thông chưa có những điều kiện như vậy nên tốt nhất là
phải rèn luyện thông qua thực nghiệm, vì trong thực nghiệm bản chất của hiện tương
được bộc lộ với đủ khía cạnh của nó. Vì thế ở các nước tiên tiến, người ta coi rất trọng
khâu thực nghiệm Vật lý ở các trường trung học. Tại APhO cũng như IPhO, để chọn ra
các học sinh có năng khiếu Vật lý, người ta dành 40% tổng số điểm của bài thi cho bài
thực hành. Tiếc thay ở nước ta tình trạng học Vật lý chay vẫn rất phổ biến và chưa tìm
được cách khắc phục.
Một nhà nghiên cứu động vật hoang dã gần đây đã nhận xét: ”Voi châu Phi
ngày nay ngà ngắn hơn trước”. Tình trạng săn bắn trộm voi lấy ngà đã khiến các cá thể
ngà ngắn có điều kịên sinh tồn tốt hơn, đẩy cả quần thể voi phát triển theo chiều hướng
ấy. Nếu học chay vẫn giúp học sinh dễ dàng vượt qua các kỳ thi để đạt các danh hiệu
học sinh giỏi, thủ khoa v.v, dạy chay vẫn được thừa nhận là hoàn thành tốt nhiệm vụ
của giáo viên, thì không biết quy luật chọn lọc tự nhiên sẽ đưa nền vật lý ở nước ta đến
bến bờ nào?
PHẢI CHĂNG VÌ THIẾU THIẾT BỊ NÊN PHẢI DAY CHAY?
Có người cho rằng ở trường phổ thông phải dạy chay vì thiếu thiết bị hoặc vì
thiết bị không đồng bộ. Thực trạng đó có thật. Nhưng thiếu và không đồng bộ là vì ta
yêu cầu phải làm các thí nghiệm theo cách đã vạch sẵn, với các thiết bị quy định. Thí

nghiệm cách ấy tuy cũng bổ ích cho học sinh đại trà, song nó chỉ là một hình thức minh
họa bài giảng nên dễ thấy nhàm chán. Để khuyến khích tinh thần sáng tạo, kích thích
lòng yêu khoa học trong học sinh yêu thích Vật lý, còn cần những kiểu thí nghiêm
khác. Hội đồng khoa học quốc tế của IPhO và APhO cho rằng học sinh năng khiếu Vật
lý phải như E. Fermi, trong mọi tình huống đều có thể tiến hành thí nghiệm để rút
ra điều mình quan tâm. Vì thế bài thí nghiệm cho các em phải mang sắc thái của một
thí nghiệm chuyên sâu nhưng dùng mọi thiết bị có trong tầm tay, kể cả thiết bị thô sơ,
với cách tiến hành độc đáo. Các bài thi thực hành của IPhO thể hiện rõ điều ấy. Có thể
kể ra đây vài ví dụ:
IPhO 1992: Nghiên cứu hiện tượng đ ánh thủng của không khí ở điều kiện
thường theo khoảng cách giữa các điện cực, dưới hiệu điện thế cao. Như cách nghĩ
thông thường để có thể nghiên cứu sự đánh thủng của không khí (điện trường cỡ
3.10
5
V/m) cần có nguồn cao thế vài ngàn vôn, và các thiết bị an toàn điện hoàn chỉnh.
Báo cáo Hội nghị Vật lí toàn quốc lần thứ VI, Hà Nội 23-25/11/2005
Học sinh phổ thông không thể làm thí nghiêm như thế vì một sai sót nhỏ có thể nguy
hiểm đến tính mạng. Nhưng thí nghiệm ở đây lại rất an toàn, vì dụng cụ được phát chỉ
là 1 miếng gốm áp điện trong bật lửa gas, một máng trượt và một vài quả nặng (
khoảng vài chục gam ). Học sinh phải tự đề ra mô hình của hiện tượng tạo ra cao thế
khi đập nhẹ vào miếng áp điện, và tiến hành thí nghiệm.





IPhO 2000: Nghiên cứu quang phổ kế cách tử phản xạ và áp dụng để đo phổ
quang dẫn của quang trở CdS. Học sinh phải dùng máy đơn sắc dùng cách tử phản
xạ, đo năng lượng ε
λ

dλ của ánh sáng đơn sắc mà máy cung cấp theo bước sóng, để vẽ
được đặc trưng phổ của quang trở )(



d
dR
. Nhưng thiết bi được giao (hình 2) chỉ là
một vài chiếc đồng hồ vạn năng, vài bóng đèn 12V kèm theo nguồn điện, một mảnh đĩa
CD dán trên một thước nhựa và đồ thị của hàm phân bố Plank ở vài nhiệt độ khác
nhau.
Những ví dụ trên cho thấy người ta cố tình không dùng các bộ thí nghiệm đồng
bộ, các dụng cụ đắt tiền, chỉ sử dụng thiết bị thông thường mà hầu hết các trường phổ
thông đều có, và các linh kiện có thể tìm mua dễ dàng trên thị trường, nhờ đó có thể
tuyển được đích thực những học sinh có năng khiếu.
M¸ng trît



Bóa 34,6g


PZT: 2 khèi
ngîc chiÒu
nhau


èc vÝt

Khe
®¸nh
®iÖn


đe
87,5g


H·m
cao su

Sơ đồ thí nghiêm đo thế đánh thủng của không khí tai IPhO 1992
Hình 1
Bỏo cỏo Hi ngh Vt lớ ton quc ln th VI, H Ni 23-25/11/2005

Nhng bi thớ nghim nh th khụng ũi thit b phc tp v ng b. Nhng
dng c nhng bi thớ nghim y phi giỏo viờn phi thnh tho v cỏc phộp o
thụng thng, hiu nguyờn lý ca cỏc loi thit b o c bn, v phi rt linh hot, sỏng
to trong vic thit k cỏc phộp o nhng i lng cha bit. Núi khỏc i, phi cú kh
nng dựng mi th cú trong tm tay lm thớ nghim, v bit trit khai thỏc cỏc
thụng tin m mt thớ nghim cú th em li. ú chớnh l iu m ta cn bi dng cho
hc sinh nng khiu. V ú li l im yu rt rừ nột trong i ng giỏo viờn hin nay.

SO SNH HIU QU O TO VI TH NGHIM BNG DNG C THễNG
THNG V TH NGHIM BNG B DNG C NG B
so sỏnh hiu qu o to ca thớ nghim bng dng c thụng thng v thớ
nghim bng b dng c ng b, ta hóy xột bi thớ nghimquen thuc: nghiờn cu
chuyn ng ca mt ht hỡnh cu trong cht lu v ng dng o nht ca
cht lu. Nguyờn lý ca phộp o da trờn phng trỡnh cõn bng lc tỏc dng lờn ht
hỡnh cu bỏn kớnh R chuyn ng trong cht lng nht vi tc V:
125,0

12,0 V

K



Tấm tôn Nguồn điện

Cục nam châm

Miếng nhựa uốn cong Màn chắn sáng
( vỏ hộp sũa )


Manh đĩa CD
Bóng đèn
50W 12V



Quang trở Ôm kế

S thớ nghiờm nghiờn cu quang ph k dựng cỏch t phn x
hỡnh 2
Báo cáo Hội nghị Vật lí toàn quốc lần thứ VI, Hà Nội 23-25/11/2005
VRgR
LV

6)(
3

4
3
 (1)
Từ phép đo R, V, ρ
V
, ρ
L,
ta suy ra η.
Thiết bị đồng bộ để làm thí nghiệm này (hình 3a) gồm một ống thủy tinh đựng dầu,
hai rơle quang đặt cách nhau khoảng d (cho trước) để cho chạy và dừng một đồng hồ
điện tử chính xác đến 1/100sec, một nam châm điện để thả các viên bi thép bán kính R
và khối lượng riêng đã biết, và hai đèn chiếu sáng cảm biến của rơle quang để xác định
thời điểm viên bi đi ngang qua cảm biến. Làm thí nghiệm với thiết bị này rất nhàn, chỉ
cần bấm nút thả cho bi rơi, đọc số chỉ của đồng hồ, qua đó tính V để suy ra độ nhớt. Do
không đổi được điều kiện thí nghiệm mà phép đo không hấp dẫn, học sinh học được
không nhiều .

Thí nghiệm với đồ dùng thông thường (hình 3b) chỉ có một đồng hồ bấm giây, một chai
nhựa đựng dầu ăn trên đó có đánh dấu 2 vạch chuẩn cách nhau khoảng d, một bơm tiêm
chứa dung dịch nước muối nồng độ thay đổi được.
Học sinh trước tiên phải đo khối lượng riêng của nước muối ρ
V
và của dầu ρ
L
.Dùng
bơm tiêm, nhỏ từng giọt nước muối trong dầu và theo rõi sự rơi của từng giọt trong
Star
t

Sto
p

®ång hå
®iÖn tö

t msec
Laser

Laser

d


DÇu


Bi thÐp

Níc muèi
NC điện
Hình 3a Hình 3b
Báo cáo Hội nghị Vật lí toàn quốc lần thứ VI, Hà Nội 23-25/11/2005
dầu Muốn đo được độ nhớt, học sinh phải kiểm tra lại độ chính xác của phương trình
(1) bằng cách cho R thay đổi ( nhập 2, 3 hoặc 4 giọt nước thành một hạt to ), cho ( ρ
V
–
ρ
L
) thay đổi ( dùng nước muối nồng độ khác nhau ), rồi dùng đồ thị để kiểm tra độ
chính xác của phương trình (1) khi cho cả hai đại lượng trên thay đổi đồng thời.
Ngoài ra học sinh còn có thể đánh giá ảnh hưởng của hình dạng vật rơi đến độ chính
xác của công thức (1) ( hạt nước nhỏ gần dạng cầu, hạt to bị bẹp lại ) v.v. Một thí
nghiệm như thế có ý nghĩa như một tiểu luận nhỏ đối với học sinh, và rõ ràng các em
học được ở đây nhiều điều. Ngoài ra học sinh có thể làm thí nghiệm không cần trang bị
đặc biệt.

Quen với cách làm như thế, học sinh sẽ có nhiều sáng kiến để làm các thí nghiệm chính
xác trong trường hợp không có đủ phương tiện chuẩn. Ví dụ chỉ có cân chính xác đến
0,1g , nguồn điện accu dung lượng 0,5 ampe.giờ, và phải đo điện tích nguyên tố e
bằng phương pháp điện phân. Thông thường ta nghĩ ngay đến việc điện phân dung dịch
CuSO
4
và xác định e theo công thức
mN
q
e
2

 trong đó N là số Avogadro, µ là khối
lượng nguyên tử của Cu, q là điện lượng chạy qua bình điện phân, và m là khối lượng
Cu đọng ở cực âm.
Tính toán đơn giản cho thấy lượng Cu thu được chỉ vào khoảng 0,3g, do đó sai số tỷ
đối của phép cân lên đến 30%. Với phương tiện như thế không thể đo e một cách
chính xác
Nhưng nếu không dùng các cách đo thuờng mô tả
trong sách giáo khoa, mà điện phân dung dịch acit, rồi
đo khối lượng của dung dịch chất điện phân mà H
2

sinh ra đã chiếm chỗ ( hình 4 ), thì tình trạng lại hoàn
toàn khác. Ta thấy thể tích H
2
thu được khi điện phân,
tính ở điều kiện tiêu chuẩn, vào cỡ 100cm
3
. Khối

lượng chất lỏng dời chỗ sẽ vào khoảng 100g.
Như vậy sai số tỷ đối của phép cân chỉ là 0,1%. Và
nếu chỉ yêu cầuđo e với mức chính xác tỷ đối khoảng
1% thì học sinh còn có thể dùng một cân đòn tự tạo
để tiến hành thí nghiệm tại nhà.
Tiến thêm bược nữa, với thiết bị thông thường có trong tầm tay mà học sinh toàn quyền
sử dụng, các em có thể bố trí các thí nghiệm theo nguyên lý hiện đại, làm tăng đáng kể
chất lượng của thí nghiệm. Ví dụ phải đo nhiệt độ nóng chảy của Parafin mà trong
tay chỉ có một lượng nhỏ chất này. Theo cách truyền thống, sẽ phải vẽ đồ thị biểu diễn
nhiệt độ T của parafin theo thời gian trong quá trình đun nóng nó cho tới khi nóng
chẩy.( Hình 5a), và điểm nóng chảy là đoạn ngang của đồ thị T(t). Rất khó tìm được
đoạn ngang như vậy trong thí nghiệm này. Nếu dùng điốt bán dẫn làm nhiệt kế, và bố
trí thí nghiệm kiểu đo nhiệt vi sai (hình 5b) ta có thể tìm điểm nóng chảy rất dễ dàng
trên đồ thị V
21
(V
1
).
Từ những ví dụ trên ta thấy hiệu quả giáo dục của thí nghiệm làm bằng đồ
dùng thông thường rất cao. Do các dụng cụ đó rẻ tiền hoặc có thể tự tạo nên khi thí
nghiệm các em không bị ức chế, và được toàn quyền làm chủ thí nghiệm của mình .
+ _

H
2



H×nh (4)
Bỏo cỏo Hi ngh Vt lớ ton quc ln th VI, H Ni 23-25/11/2005

Cỏc em s dỏm mnh dn thay i cỏch b trớ thớ nghim, iu kin thớ nghim , nh
ú hc hi c nhiu v sỏng kin ny n.








T CH TO THIT B KHOA HOC R TIN
Ch to thit b khoa hc r tin l im mu cht trong cỏch ging dy Vt lý
thc nghim ó núi trờn. Ngy nay cú th t to cỏc thit b ú mt cỏch d dng vỡ k
thut o cỏc i lng bng phng phỏp in ó rt phỏt trin, cỏc loi cm bin u
cú th mua d dng trờn th trng , cỏc b s lý tớn hiu cú th lp rỏp nhanh chúng
bng cỏc vi mch chun, v thit b hin th ( mVk s) giỏ r khụng ng ( 50.000
mt chic ). Tuy cht lng ca thit b t to cha th so sỏnh vi cỏc thit b khoa
hc chớnh thng, nhng hc v thc nghim vt lý v tin hnh cỏc phộp o vi
chớnh xỏc va phi , chỳng hon ton ỏp ng c. Nu dựng cỏc cm bin , vi
mch v thit b hin th cht lng cao, thỡ thit b t to chớnh l cỏc thit b ch
lc trong cỏc h o m nh nghiờn cu thc nghim no cng phi t chun b
cho mỡnh nu mun thu c cỏc kt qu c ỏo. Vỡ th cho hc sinh lm quen ngay
vi nhng thit b nh vy l rt cn thit
minh ha cú th ly mỏy so mu t to v ng cong chun ca nú vi dung
dch xanh methylen lm vớ d (hỡnh 5).

T

t

V
21
~T
2
-
T
1
V
1
V
1


V
21
Dầu Parafin

Điốt

T
2
T
1
Parafin

(a) Đo theo cách thờng
Hình (3)
(b) Đo nhiệt vi sai
Bút Laser Quang trở CdS







Pin 3V Hộp thuỷ tinh dựng chất có màu Ôm kế
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
Nồng độ C. 10
-2
g/ l


LnR(M)

2.0

1/0

-1.0

0.0

-2.0

-3.0

-4.0
Báo cáo Hội nghị Vật lí toàn quốc lần thứ VI, Hà Nội 23-25/11/2005
Ở Australia, người ta cũng đã phát triển cũng đã phát triển một thiết bi tương tự
nhưng đơn giản hơn , và đã chứng tỏ rằng những thíêt bị ấy hoàn toàn có thể dùng
trong các phòng thí nghiệm sinh hóa thay cho các thiết bị đắt tiền. Chỉ tính riêng ý
nghĩa kinh tế của của thiết bị này cũng có thể khiến người ta xửng sốt
Giá mua của một thiết bị so mầu tiêu chuẩn chất lượng trung bình : 1500-3500USD.
Vật tư cần để làm 1 thiết bị so màu tự tạo có thể thay thế các máy đo chuẩn khi
không cần độ chính xác rất cao và giá mua các vật tư ấy ở Hànội hiện nay:
Một đồng hồ vạn năng số 3,5 digit (50.000 đg ). Một bút laser (20.000đ). Một
quang trở CdS ( 10.000đg). Ống nước bằng PVC (2000đg). Một ống nhựa dán ống
nước ( 3000đg). Một đôi pin và giá để pin (15.000đg). Một đọan 6cm nhôm hộp (
thường dùng làm cửa nhôm kính ) ( 1000đg). Một thước nhựa bằng Plexyglass
(3000đg). Kính trong suốt : 10cm
2
. Một miếng giấy ráp ( 1000đg). Tổng cộng :
Ít hơn 10 USD.
Công cụ phải dùng : cưa; rũa.; kéo mỗi thứ một cái; diêm và một ngọn nến.
Thời gian cần để làm 1 thiết bị , đo và vẽ đường cong chuẩn ( do chính tác giả tự
làm từ A đến Z tại nhà) : khoảng 1,5 ngày.
KẾT LUẬN
Phong trào tự làm lấy đồ dùng dạy học đã được ngành giáo dục phát động từ lâu,
nhưng hầu như chỉ dừng ở việc làm giáo cụ trực quan nên không có sức hấp dẫn đối
với thày và trò. Làm thiết bị khoa học rẻ tiền, không đòi hỏi những khoản đầu tư đáng
kể lại gắn mật thiết với việc nâng cao trình độ của thày. Nó thực sụ là một hoạt động
khoa học hấp dẫn đối với học sinh, và qua đó ngay ở các trường rất thiếu máy móc
thiết bị học sinh vẫn có thể bước đầu tập dượt nghiên cứu khoa hoc. Hiệu quả giáo dục
của công việc này lại rất cao vì thế nó có thể dùng làm bước đột phá để đào tạo học

sinh năng khiếu Vật lý.