Sử dụng phương pháp vật lý thống kê nhằm nâng cao hiệu quả dạy học nội dung nhiệt học trong chương trình vật lý phổ thông hiện hành cho học sinh khối chuyên vật lý

I H C QU C GIA HÀ N I
KHOAăS ăPH M

NGUY NăTR

NGăGIANG

S ăD NGăPH
NGăPHỄPăV TăLụăTH NGăKểă
NH MăNÂNGăCAOăHI UăQU ăD YăH CăN IăDUNGăNHI TăH Că
TRONGăCH
NGăTRÌNHăV TăLụăPH ăTHỌNGăHI NăHÀNHă
CHOăH CăSINHăKH IăCHUYÊN V TăLÝ

LU NăV NăTH CăS S ăPH MăV TăLụă

HÀăN Iă- 2008


I H C QU C GIA HÀ N I
KHOAăS ăPH M

S ăD NGăPH
NGăPHỄPăV TăLụăTH NGăKểă
NH MăNÂNGăCAOăHI UăQU ăD YăH CăN IăDUNGăNHI TăH Că
TRONGăCH
NGăTRÌNHăV TăLụăPH ăTHỌNGăHI NăHÀNHă
CHOăH CăSINHăKH IăCHUYểNăV TăLụ

LU NăV NăTH CăS ăS ăPH MăV TăLụă
ChuyênăngƠnh:ăLụăLU NăVÀăPH

NGăPHỄPăD YăH C
(B ăMỌNăV TăLụ)
Mƣăs :ă60ă14ă10

H căviên:ăNguy năTr ngăGiang
Cao h c ngành S ph m V t lý Khóa 1
Cánăb ăh

ngăd n:ăGS.TSăNguy năQuangăBáu

HÀăN Iă- 2008


L IăC Mă N
hoàn thành đ
s h

c lu n v n Th c s này ngoài s n l c c a b n thân tôi còn đ

ng d n giúp đ tr c ti p c a GS.TS Nguy n Quang Báu v ph

c

ng pháp và n i dung

ki n th c trình bày. Qua đó tôi xin bày t lòng bi t n chân thành và sâu s c đ n th y GS.TS
Nguy n Quang Báu, nh ng gi h

ng d n, nh ng gi h c lý thú mà sâu s c và r t uyên thâm

mà th y truy n đ t đã gieo vào lòng tôi ni m h ng say, s yêu thích môn v t lý.
C ng cho phép tôi bày t lòng bi t n chân thành và sâu s c c a mình t i t p th các
th y cô giáo, các cán b c a Khoa S ph m,
nh ng ki n th c b ích v lý lu n và ph

i h c Qu c gia Hà N i đã cung c p cho tôi

ng pháp gi ng d y, t o đi u ki n r t nhi u cho tôi

hoàn thành lu n v n này.
Dù đã có r t nhi u c g ng nh ng ch c ch n lu n v n này còn có nh ng khi m khuy t
nh ng tôi tin r ng nó s r t h u ích trong vi c xây d ng n i dung và ph

ng pháp gi ng d y

h c v n v t lý b c trung h c ph thông cho h c sinh kh i chuyên v t lý. Tôi s r t vui m ng
đón nh n nh ng ý ki n góp ý c a th y cô và các b n đ ng nghi p nh m b sung hoàn thi n
n i dung v nh ng v n đ tôi đã trình bày qua đó đ lu n v n th c s nâng cao hi u qu gi ng
d y v t lý cho h c sinh kh i chuyên lý.
Xin chân thành c m n.
Hà N i, tháng 6 n m 2008
Tác gi

Nguy năTr

ngăGiang


M ă

U

1. LỦădoăl aăch năđ ătƠi.
Khi nghiên c u v t lý nhi t h c
l n lao đ hình thành
nghiên c u đ

b c trung h c ph thông có kh n ng

h c sinh nh ng quan ni m v nh ng ph

ng pháp

c s d ng trong l nh v c khoa h c này, đ phát tri n th gi i

quan khoa h c c a h c sinh. Vi c nghiên c u trong giáo trình v t lý các hi n
t

ng nhi t theo quan đi m vi mô cho phép gi i thi u v i h c sinh các quy lu t

th ng kê và nh ng đ c đi m c a chúng so v i các quy lu t đ ng l c h c, đi u
này chu n b cho vi c nghiên c u các đ nh lu t c a t nhiên

m c đ cao h n,

m i v ch t. Khi đó h c sinh s làm quen v i v n đ là trong khoa h c có nhi u
ph

ng pháp khác nhau đ cùng nghiên c u m t hi n t

ng.

V đ c đi m n i dung thì khi gi i thích các hi n t
t

ng đ

ng v m t nguyên t c c a ph

ng nhi t, luôn có s

ng pháp nhi t đ ng l c h c và ph

pháp đ ng h c phân t (th ng kê). M i ph

ng

ng pháp (tùy thu c vào m c đích s

d ng và nghiên c u) đ u có nh ng u vi t và nh ng thi u xót c a mình, không
th đánh giá quá cao giá tr c a ph
pháp kia. Ph

ng pháp nào trong chúng so v i ph

ng pháp nhi t đ ng l c h c đ

ch t t ng quát c a các hi n t

ng

c s d ng khi nghiên c u các tính

ng nhi t và d a vào các đ nh lu t th c nghi m

n n t ng (các nguyên lý nhi t đ ng l c h c), có xét đ n nh ng s ki n th c
nghi m khác.
Trong các sách giáo trình v t lý đ i h c, thuy t nhi t đ ng l c h c và
thuy t đ ng h c phân t v các hi n t

ng nhi t đ

c trình bày tách bi t nhau.

i u này là s c n thi t nghiên c u m t cách có h th ng và c n b n các thuy t
v t lý trong tr

ng đ i h c. Trong vi c gi ng d y v t lý

v i các qu c gia nh
ng nhi t đ

ng ph thông, đ i

c, Liên Xô,…l a ch n theo m t con đ

y u t nhi t đ ng l c h c và v t lý th ng kê đ
hi n t

tr

ng khác: Các

c nghiên c u đ ng th i, các

c đ a ra cùng lúc theo quan đi m nhi t đ ng l c h c và

đ ng h c phân t . S d nh v y là vì

tr

ng trung h c ph thông h c sinh ch


tìm hi u t t

ng c a các ph

chúng trong các tr
ch

ng pháp này và nh ng minh h a c a vi c áp d ng

ng h p đã đ

c ch

ng trình v t lý trung h c ph thông
- Ch gi i thi u s l

Vi t Nam:

c c s c a thuy t đ ng h c phân t và thuy t nhi t

đ ng l c h c nh ng không làm rõ đ
gi i thích các hi n t

ng trình quy đ nh. Tuy nhiên, trong

c tính đ ng th i c a 2 thuy t trong vi c

ng nhi t.

- Trong ph n v t lý nhi t h c, h c sinh v n ti p t c tìm hi u các quy lu t
đ ng l c h c nh ng không đ

c hình thành

mình nh ng quan ni m v quy

lu t th ng kê. Ta bi t r ng khi h c ph n c h c, h c sinh đã đ
nh ng quá trình thu n ngh ch ch t n t i trong các đi u ki n lý t

c làm quen v i
ng, còn trong

v t lý phân t h c sinh kh o sát c nh ng quá trình không thu n ngh ch (s
chuy n hóa c n ng thành n i n ng khi có ma sát,…). Chính đi u này đã làm
cho h c sinh không có đ

c quan ni m v chuy n đ ng nhi t so v i chuy n

đ ng c h c nh là m t d ng chuy n đ ng m i c a v t ch t, h c sinh không th
có s phân bi t nh ng d ng chuy n đ ng này c a v t ch t khác nhau

ch

chuy n đ ng c h c di n ra m t cách có tr t t , còn chuy n đ ng nhi t thì x y ra
m t cách h n lo n.
Thuy t đ ng h c phân t ch t khí, do s d ng các quan ni m c a v t lý
th ng kê nên đã ph i h p đ

c tính thu n ngh ch c a chuy n đ ng c h c c a

m i phân t v i tính không thu n ngh ch c a các hi n t
đã ch ra đ

ng nhi t xét toàn b ,

c tính không th quy d ng chuy n đ ng nhi t c a v t ch t v d ng

chuy n đ ng c h c. Chính nh các quan ni m c a v t lý th ng kê v ch t khí,
do phát hi n đ

c c ch không thu n ngh ch c a nh ng quá trình v t lý trong

các h phân t mà đã gi i thích đ
đ

c hi n t

ng khuy ch tán và do phát hi n

c c ch h n lo n c a chuy n đ ng nhi t nên đã gi i thích đ

c s xu t hi n

th ng giáng mà rõ nét nh t chính là chuy n đ ng Brown.
V i nh ng ý ngh a to l n c a v t lý th ng kê ta hoàn toàn có th dùng nó
đ gi i thích t

ng t n các hi n t

ng nhi t, đi u đó s giúp cho h c sinh hình


thành và phát tri n t duy v t lý, hình thành các con đ

ng khác nhau đ gi i

thích các k t qu v t lý.
2. L chăs ănghiênăc u.
Các hi n t

ng nhi t trong ch

ng trình v t lý ph thông đ

c kh o sát

và gi i thích d a trên các k t qu c a thuy t đ ng h c phân t , các c s c a
nhi t đ ng l c h c m t cách đ n gi n

m c đ c s , không gi i thích và ch rõ

nh ng k t qu c th c a các v n đ nhi t h c.
chuy n đ ng Brown, các ph

ó là s áp d ng đ gi i thích

ng trình tr ng thái khí lý t

ng, các nguyên lý c a

nhi t đ ng l c h c,…V i vi c áp d ng các k t qu c a v t lý th ng kê ta s ch
rõ đ

c nh ng k t qu c th c a các hi n t

các ph

ng trình tr ng thái khí lý t

ng nhi t nh chuy n đ ng Brown,

ng, …

3. M cătiêuănghiênăc u.
C t lõi c a vi c dùng v t lý th ng kê đ gi i thích các hi n t
chính là vi c hình thành nh ng quan ni m th ng kê, nh ng đ i l

ng nhi t

ng đ c tr ng

c a th ng kê và áp d ng vào các quá trình nhi t. Tuy nhiên đ hình thành nh ng
quan ni m th ng kê c n ph i liên h ch t ch v i nh ng v n đ c b n c a n i
dung v t lý trung h c ph thông, ch ng h n cùng v i vi c rút ra công th c áp
su t ch t khí, hay kh o sát s chuy n đ ng h n lo n c a các phân t khí,…
4. Kháchăth vƠăph măvi nghiênăc u.
it

ng chúng ta kh o sát

đây chính là nh ng đ i l

ng c b n đ c

tr ng c a v t lý th ng kê.
V i vi c kh o sát nh v y, chúng ta s xem xét:
- Các đ i l
- Các hi n t

ng c b n c a v t lý th ng kê.
ng nhi t xem xét trên quan đi m th ng kê đ thu đ

k t qu đã bi t.
5. V năđ ănghiênăc u.
Có 2 v n đ c n nghiên c u đó là:
- Các lu n đ , các đ i l

ng đ c tr ng c b n c a v t lý thông kê.

c các


- Các hi n t
các k t qu thu đ

ng nhi t đ

c nghiên c u d a trên quan đi m th ng kê, và

c khi áp d ng các k t qu th ng kê.

6. Gi ăthuy tănghiênăc u.
Gi i thích các hi n t
7. Ph

ng nhi t trên quan đi m c a v t lý th ng kê.

ngăphápăch ngăminhăgi ăthuy t.
- B ng vi c trình bày các đ i l

rõ đ

ng đ c tr ng c a v t lý th ng kê ta s ch

c các giá tr tham s mô t h vi mô.
- B ng vi c dùng các tham s vi mô kh o sát các hi n t

gi i thích th a đáng các k t qua thu đ

ng nhi t ta s

c c a nhi t h c nh chuy n đ ng Brown,

ng trình tr ng thái khí, …

ph

8.ăC uătrúcăc aălu năv n.
C u trúc c a lu n v n bao g m ph n m đ u trình bày lý do l a ch n đ
tài, l ch s , m c tiêu và v n đ nghiên c u, gi thuy t và ph

ng pháp ch ng

minh gi thuy t nghiên c u.
Ch

ng 1 trình bày gi thuy t và ph

ng pháp chúng minh gi thuy t. C

th là vi c xây d ng các lu n đ c b n c a v t lý th ng kê, và dùng các lu n đ
đó đ xây d ng các ki n th c c a nhi t h c và gi i thích các k t qu c a nhi t
h c.
Ch
b

ng 2 trình bày ph

ng pháp, cách th c bao g m các ti n trình, các

c gi ng d y n i dung nhi t h c cho h c sinh kh i chuyên v t lý b ng cách áp

d ng v t lý th ng kê thông qua nh ng lu n đi m đã xây d ng

ch

ng 1.

Cu i cùng là đ a ra k t lu n, nh ng đ xu t và ki n ngh trong vi c s
d ng ph

ng pháp v t lý th ng kê gi ng d y n i dung nhi t h c cho h c sinh

kh i chuyên v t lý.
Ch

ng 1: C ăS ăC AăPH

NGăPHỄPăV TăLụăTH NGăKểă

TRONGăKH OăSỄTăCỄCăHI NăT
1.1. C ăs ăc aăph

ngăphápăv tălỦăth ngăkê.

NGăNHI T

1.1.1. Lu n đ c b n c a v t lý th ng kê.
it

ng nghiên c u c a v t lý th ng kê là các h v mô, t c là các h

nhi u phân t (h t) đi n hình ta xét là ch t khí.

mô t h m t cách đ y đ ta

ph i bi t thông tin v tr ng thái đ ng h c c a t ng ph n t c u thành h

t ng

th i đi m xác đ nh. Và đ đ c tr ng cho đi u đó ta g i đó là tr ng thái vi mô c a
h .
Do s t
xung l

ng tác và chuy n đ ng không ng ng c a các phân t , v trí và

ng c a chúng luôn luôn bi n đ i, nói khác đi tr ng thái vi mô c a h

luôn bi n đ i. Ta không th xác đ nh đ

c tr ng thái vi mô c a h vì lý do:

 H nhi u h t do đó đ xác đ nh tr ng thái vi mô c a h c n thi t l p h v i
s l

ng l n các ph

ng trình.

 Ta không các đ nh đ
l

c đi u ki n ban đ u các ph n t có t a đ , xung

ng nh th nào.
Nh v y s ph c t p và bi n đ i không ng ng c a tr ng thái vi mô khi n

cho ph

ng pháp c h c thu n túy không th áp d ng đ

c. Tuy nhiên chính s

ph c t p c a h v mô l i là c s đ chúng ta ti p c n theo ph
kê. Theo đó: N u ta bi t đ
sát đ

ng pháp th ng

c xác su t c a tr ng thái vi mô thì các giá tr quan

c c a các tham s vi mô (áp su t, nhi t đ , th tích,…) đ

c tính nh

giá tr trung bình c a chúng theo các tr ng thái vi mô [2, tr.52].
1.1.2. Mô hình toán h c c a v t lý th ng kê.
V t lý thông kê b t ngu n t khái ni m xác su t. Ta s xem xét d a trên
quan đi m xác su t.
Xét ví d kinh đi n sau đây: Gi s có 1 đ ng ti n, có 2 m t s p và ng a
khác nhau. Khi gieo đ ng ti n r t nhi u l n ta th y r ng s l n s p và ng a là
x p x nh nhau, và do đó xác su t đ đ ng ti n khi gieo có m t s p ho c ng a
là ½. Khi nói nh v y là ta đã đ nh ngh a WA c a 1 s ki n riêng l A là t s
c a l n quan sát th y s ki n này NA và t ng s l n quan sát N.
WA 

NA
(1.1)
N


Nh v y

trên khi nói v xác su t đ x y ra s ki n A ta quan ni m r ng

có m t ranh gi i rõ nét gi a s ki n A và s ki n không ph i là A. Tuy nhiên
trong v t lý thì đi u đó là không th . L y ví d : Ta không th xác đ nh đ
su t đ 1 phân t khí có v n t c theo ph

c xác

ng x là ux vì:

- Giá tr c a ux là luôn có sai s , sai s l n hay nh tùy thu c vào m c đ

chính xác c a thí nghi m.
- T t c các thí nghi m xác đ nh ux dù có hi n đ i, đ m b o tin c y đ n
đâu đi ch ng n a thì c ng m c sai s tuân theo h th c b t đ nh Heisenberg.
Do đó trong tr

ng h p này ta ch có th xem xét xác su t đ ph n t có

v n t c ux sai kém dux mà thôi. Và nh v y thì xác su t này là hàm c a u x, và
càng l n n u dux càng l n. M t khác các phân t khí là hoàn toàn t

ng đ

ng

nhau nên ta có th coi chúng là t p h p đ c tr ng cho tr ng thái c a 1 phân t
các th i đi m khác nhau. Do đó ta có:
W(u x )du x 

dN
(1.2)
N

W(ux): hàm m t đ xác su t, t c là xác su t đ ph n t có v n t c theo
ph

ng x là ux sai kém 1 đ n v .
1.1.3. Nh ng lý do s d ng ph

các hi n t

ng pháp v t lý th ng kê trong kh o sát

ng nhi t.

Sau khi đã trình bày nh ng lu n đi m c a v t lý th ng kê và mô hình toán
h c c a chúng ta s đi tìm lý do t i sao l i áp d ng ph
cho vi c kh o sát hi n t

ng nhi t.

Ta chú ý r ng vi c kh o sát các hi n t
ch t khí lý t

ng pháp v t lý th ng kê

ng bao g m m t s l

ng nhi t, v b n ch t ta đang kh o sát h
ng r t l n các phân t c u thành mà ta g i

là h t.
M i m t phân t khí đ u chuy n đ ng không ng ng. Ta hãy xem xét m t
phân t chuy n đ ng, gi s

th i đi m ta kh o sát nó đang chuy n đ ng v

phái bên ph i, n u nh trên đ

ng đi c a mình nó không g p c n tr gì thì t t

nhiên nó s ti p t c chuy n đ ng v i v n t c nh c và theo h

ng ban đ u. Tuy


nhiên trên th c t , khi di chuy n nó đã g p vô s các phân t khác, và t t nhiên
là x y ra va ch m, s va ch m di n ra r t nhi u và khi này đ t ra 1 câu h i: Sau
va ch m phân t mà chúng ta kh o sát s chuy n đ ng theo h

ng nào ? t c đ

c a nó còn gi nguyên giá tr c hay không ? M i kh n ng đ u có th x y ra,
b i vì các va ch m có th x y ra theo m i h

ng, bên trái, bên ph i, phía tr

c,

phía sau,…c đ m nh, y u,… Nh th ta th y r ng vi c g p ph i nh ng va
ch m l n x n nh trên mà phân t ta kh o sát s chuy n đ ng theo m i ph
Bên c nh đó ta c ng không th bi t đ

c quãng đ

ng.

ng phân t ta kh o sát đã đi

qua mà không b va ch m dài bao nhiêu?…
Quá trình kh o sát nh trên cho chúng ta th y r ng các phân t c u thành

nên ch t khí luôn luôn chuy n đ ng, và chuy n đ ng là h n lo n, đó chính là
tính ph bi n c a các hi n t
Nh đã xét
t

ng nhi t.

trên, chuy n đ ng c a m t s r t l n các phân t l i x y ra

ng tác v i nhau đi n ra m t cách h t s c ph c t p và r c r i. Vi c tính toán

xem m i phân t khí chuy n đ ng nh th nào là đi u hão huy n do tính ph c
t p. Và chính vì không th ti n hành th c hi n các phép toàn c n thi t nên chúng
ta ph i tìm ra 1 ph

ng pháp khác cho phép mô t chuy n đ ng c a các phân t .

Trên quan đi m đó khái ni m “xác su t” đã đ

c xu t hi n và c ng chính

là l n đ u tiên “tính ng u nhiên” đã xâm nh p trong v t lý.


TÀIăLI UăTHAMăKH O
1. Nguy năQuangăBáu. M t s v n đ phát tri n c a Nhi t h c ph thông
(Tài li u dùng cho l p b i d
h c T nhiên,

ng giáo viên hè n m 2004). Tr

ng

i h c Khoa

i h c Qu c gia Hà N i, 2004.

2. Nguy nă Quangă Báu,ă Bùiă B ngă oan,ă Nguy nă V nă Hùng. V t lý
th ng kê. Nhà xu t b n
3, L

i h c Qu c gia Hà N i, 2005.

ngăDuyênăBình,ăNguy năXuơnăChi,ăTôăGiang,ăTr năChíăMinh,ă

V ăQuang,ăBùiăGiaăTh nh. V t lý l p 10. Nhà xu t b n giáo d c, 2007.
4. Tr nă

căChi n. Ch đ xác su t trong ch

ng trình THPT. T p chí

Giáo d c s 116, tháng 6 n m 2005.
5. Nguy năTh ăH i. M t s đ i m i v quan đi m, quy trình biên so n tài
li u đào t o và b i d

ng giáo viên ph thông hi n nay. T p chí Giáo d c s

115, tháng 6 n m 2005.
6. V ăV năHùng. V t lý th ng kê. Nhà xu t b n

7. Nguy năTh ăKhôi,ăPh măQuỦăT ,ăL

i h c S ph m, 2006.

ngăT tă

Nguy năNg căH ng,ăPh mă ìnhăThi t,ăLêăTr ngăT

t,ăLêăCh năHùng,ă

ng. V t lý l p 10 nâng

cao. Nhà xu t b n giáo d c n m 2007.
8. Nguy năTh ăThanhăMai. D y h c v “Công th c tính nhi t l
“Ph

ng trình cân b ng nhi t” theo h

ng” và

ng phát tri n ho t đ ng nh n th c tích

c c, sáng t o c a h c sinh. T p chí Giáo d c s 182 k 2 tháng 01 n m 2008.
9. Nguy năTh ăL ăL c. Ng

i giáo viên th k 21: Sáng t o – Hi u qu .

T p chí D y và H c ngày nay s 7, tháng 5 n m 2003.
10. Nguy năHuyăSinh. Giáo trình Nhi t h c. Nhà xu t b n giáo d c 2006.
11. Nguy nă

Tòng. Ph

că Thơm,ă Ană V nă Chiêu,ă V ă Ơoă Ch nh,ă Ph m H u

ng pháp gi ng d y v t lý trong các tr

C ng hòa Dân ch

ng ph thông

c, t p 2. Nhà xu t b n giáo d c, 1984.

Liên Xô và


12. Nguy năC nhăToƠn. Ph
trong giáo d c d

ng châm: “C b n, hi n đ i và Vi t Nam”

i ánh sáng c a th c ti n hi n nay. T p chí Giáo d c s 117,

tháng 7 n m 2007.
13.ăPh măQuỦăT . Chuyên đ B i d

ng h c sinh gi i v t lý trung h c

ph thông, t p 4 : Nhi t h c và V t lý phân t . Nhà xu t b n giáo d c n m 2005,
14. Ph mă QuỦă T . Di n đàn v ch
đ nh lu t v ch t khí áp d ng đ

ng trình và sách giáo khoa: Các

c cho nh ng quá trình nào. T p chí V t lý và

Tu i tr , s 16 tháng 6 n m 2004.
15. Ph măQuỦăT . Tìm hi u sâu thêm V t lý s c p: Tránh 1 đi u ng
nh n khi đ c sách giáo khoa thí đi m v t lý 10A. T p chí V t lý và Tu i tr , s
11 tháng 7 n m 2004.
16. Ph mă QuỦă T . Di n đàn v ch
t

ng trình và sách giáo khoa: L c

ng tác phân t và c u t o ch t. T p chí V t lý và Tu i tr , s 43 tháng 3 n m

2007.
17. Tr nhă Th ă H iă Y n,ă Nguy nă Ph
m i ph

ngă H ng. Nh ng gi i pháp đ i

ng pháp d y h c V t lí. T p chí Giáo d c s 54 tháng 3 n m 2003.

18. A.V. Muraviép. D y th nào cho h c sinh t l c n m ki n th c v t lý.
Nhà xu t b n giáo d c, 1978.
19. David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker. C s v t lý, T p 3:
Nhi t h c. Nhà xu t b n giáo d c, 2000.