Sáng kiến kinh nghiệm " BỒI DƯỠNG NĂNG KHIẾU VẬT LÝ CHO HỌC SINH PHỔ THÔNG BẰNG THÍ NGHIỆM TRÊN CÁC THIẾT BỊ KHOA HỌC RẺ TIỀN TỰ TẠO " pot

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
Báo cáo Hội nghị Vật lí toàn quốc lần thứ VI, Hà Nội 23-25/11/2005
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.
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.

Báo cáo Hội nghị Vật lí toàn quốc lần thứ VI, Hà Nội 23-25/11/2005




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.
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 vớ d trờn cho thy ngi ta c tỡnh khụng dựng cỏc b thớ nghim ng
b, cỏc dng c t tin, ch s dng thit b thụng thng m hu ht cỏc trng ph
thụng u cú, v cỏc linh kin cú th tỡm mua d dng trờn th trng, nh ú cú th
tuyn c ớch thc nhng hc sinh cú nng khiu.

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

Những bài thí nghiệm như thế không đòi thiết bị phức tạp và đồng bộ. Nhưng để
dựng được những bài thí nghiệm ấy phải giáo viên phải thành thạo về các phép đo
thông thường, hiểu nguyên lý của các loại thiết bị đo cơ bản, và phải rất linh hoạt, sáng
tạo trong việc thiết kế các phép đo những đại lượng chưa biết. Nói khác đi, phải có khả
năng dùng mọi thứ có trong tầm tay để làm thí nghiệm, và biết triệt để khai thác các
thông tin mà một thí nghiệm có thể đem lại. Đó chính là điều mà ta cần bồi dưỡng cho
học sinh năng khiếu. Và đó lại là điểm yếu rất rõ nét trong đội ngũ giáo viên hiện nay.

SO SÁNH HIỆU QUẢ ĐÀO TẠO VỚI THÍ NGHIỆM BẰNG DỤNG CỤ THÔNG
THƯỜNG VÀ THÍ NGHIỆM BẰNG BỘ DỤNG CỤ ĐỒNG BỘ
Để so sánh hiệu quả đào tạo của thí nghiệm bằng dụng cụ thông thường và thí
nghiệm bằng bộ dụng cụ đồng bộ, ta hãy xét bài thí nghiệmquen thuộc: “ nghiên cứu
chuyển động của một hạt hình cầu trong chất lưu và ứng dụng để đo độ nhớt của
chất lưu”. Nguyên lý của phép đo dựa trên phương trình cân bằng lực tác dụng lên hạt
hình cầu bán kính R chuyển động trong chất lỏng độ nhớt η với tốc độ V:
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
Báo cáo Hội nghị Vật lí toàn quốc lần thứ VI, Hà Nội 23-25/11/2005
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 .














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
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
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
Báo cáo Hội nghị Vật lí toàn quốc lần thứ VI, Hà Nội 23-25/11/2005
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 .

Các em sẽ dám mạnh dạn thay đổi cách bố trí thí nghiệm, điều kiện thí nghiệm , nhờ
đó học hỏi được nhiều và sáng kiến nảy nở.
+ _

H
2



H×nh (4)
Báo cáo Hội nghị Vật lí toàn quốc lần thứ VI, Hà Nội 23-25/11/2005





TỰ CHẾ TẠO THIẾT BỊ KHOA HOC RẺ TIỀN
Chế tạo thiết bị khoa học rẻ tiền là điểm mấu chốt trong cách giảng dạy Vật lý
thực nghiệm đã nói trên. Ngày nay có thể tự tạo các thiết bị đó một cách dễ dàng vì kỹ
thuất đo các đại lượng bằng phương pháp điện đã rất phát triển, các loại cảm biến đều
có thể mua dễ dàng trên thị trường , các bộ sử lý tín hiệu có thể lắp ráp nhanh chóng
bằng các vi mạch chuẩn, và thiết bị hiển thị ( mVkế số) giá rẻ không ngờ ( 50.000đ
một chiếc ). Tuy chất lượng của thiết bị tự tạo chưa thể so sánh với các thiết bị khoa
học chính thống, nhưng để học về thực nghiệm vật lý và tiến hành các phép đo với độ
chính xác vừa phải , chúng hoàn toàn đáp ứng được. Nếu dùng các cảm biến , vi
mạch và thiết bị hiển thị chất lượng cao, thì thiết bị tự tạo chính là các thiết bị chủ
lực trong các hệ đo mà nhà nghiên cứu thực nghiệm nào cũng phải tự chuẩn bị
cho mình nếu muốn thu được các kết quả độc đáo. Vì thế cho học sinh làm quen ngay
với những thiết bị như vậy là rất cần thiết
T

t

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


V
21
DÇu Parafin

§ièt

T
2
T
1
Parafin

(a) §o theo c¸ch thêng
H×nh (3)

(b) §o nhiÖt vi sai
Bỏo cỏo Hi ngh Vt lớ ton quc ln th VI, H Ni 23-25/11/2005
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).





Australia, ngi ta cng ó phỏt trin cng ó phỏt trin mt thit bi tng t
nhng n gin hn , v ó chng t rng nhng thớờt b y hon ton cú th dựng
trong cỏc phũng thớ nghim sinh húa thay cho cỏc thit b t tin. Ch tớnh riờng ý
ngha kinh t ca ca thit b ny cng cú th khin ngi ta xng st
Giỏ mua ca mt thit b so mu tiờu chun cht lng trung bỡnh : 1500-3500USD.
Vt t cn lm 1 thit b so mu t to cú th thay th cỏc mỏy o chun khi
khụng cn chớnh xỏc rt cao v giỏ mua cỏc vt t y Hni hin nay:
Mt ng h vn nng s 3,5 digit (50.000 g ). Mt bỳt laser (20.000). Mt
quang tr CdS ( 10.000g). ng nc bng PVC (2000g). Mt ng nha dỏn ng
nc ( 3000g). Mt ụi pin v giỏ pin (15.000g). Mt an 6cm nhụm hp (
thng dựng lm ca nhụm kớnh ) ( 1000g). Mt thc nha bng Plexyglass
(3000g). Kớnh trong sut : 10cm
2
. Mt ming giy rỏp ( 1000g). Tng cng :
t hn 10 USD.
Cụng c phi dựng : ca; ra.; kộo mi th mt cỏi; diờm v mt ngn nn.
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
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.