Khóa luận Cải tiến và sử dụng các thí nghiệm để dạy học một số kiến thức về phóng xạ nhằm khắc phục quan niệm sai lầm về phóng xạ cho học sinh lớp 12

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Nguyễn Minh Duy

CẢI TIẾN VÀ SỬ DỤNG CÁC THÍ NGHIỆM ĐỂ
DẠY HỌC MỘT SỐ KIẾN THỨC VỀ PHÓNG XẠ
NHẰM KHẮC PHỤC QUAN NIỆM SAI LẦM VỀ
PHÓNG XẠ CHO HỌC SINH LỚP 12

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Thành phố Hồ Chí Minh - 2020


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Nguyễn Minh Duy

CẢI TIẾN VÀ SỬ DỤNG CÁC THÍ NGHIỆM ĐỂ
DẠY HỌC MỘT SỐ KIẾN THỨC VỀ PHÓNG XẠ
NHẰM KHẮC PHỤC QUAN NIỆM SAI LẦM VỀ
PHÓNG XẠ CHO HỌC SINH LỚP 12
Chuyên ngành: Sư phạm Vật lí

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TH.S LÊ ANH ĐỨC

Thành phố Hồ Chí Minh - 2020


Lời Cảm ơn
Trong qua trình thực hiện và hồn thành khóa luận, tơi đã nhận được sự quan tâm
và giúp đỡ rất lớn thì q Thầy, Cơ, gia đình và bạn bè. Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu
sắc nhất đến Th.S Lê Anh Đức đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn tôi trong suốt thời
gian nghiên cứu và thực hiện luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, quý Thầy, Cô và các em học sinh
trường Trung Học Thực Hành ĐHSP đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong việc điều tra, khảo
sát và thực nghiệm sư phạm.
Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn bên cạnh, giúp đỡ và hỗ trợ tơi
hồn thành khóa luận của mình.

Chân thành cảm ơn!

1


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1-1: Hiệu ứng quang điện. .............................................................................. 15
Hình 1-2: Tán xạ Compton. ..................................................................................... 16
Hình 1-3: Hiệu ứng tạo cặp. .................................................................................... 17
Hình 1-4: Sơ đồ các quá trình dịch chuyển electron trong tinh thể vơ cơ. .............. 19
Hình 1-5: Sơ đồ cấu tạo của ống nhân quang điện. ................................................. 22
Hình 2-1: Nguyên vật liệu để chế tạo ―Buồng sương Wilson‖ sử dụng đá khơ [1].. 25
Hình 2-2: Sị nóng lạnh đã được nối với phích cắm điện. ....................................... 28
Hình 2-3: Các vệt tia phóng xạ ................................................................................ 29
Hình 2-4: Mặt trước của máy đếm. .......................................................................... 30
Hình 2-5: Đầu dị nhấp nháy Model 44-10 .............................................................. 32

Hình 2-6:Bộ nguồn chuẩn........................................................................................ 32
Hình 2-7: Bộ chứa nguồn......................................................................................... 33
Hình 2-8: Bộ vật liệu che chắn ................................................................................ 33
Hình 2-9: Sơ đồ thí nghiệm ―Khảo sát tính chất đâm xun của tia gamma‖ ........ 34
Hình 3-1: Giáo viên giới thiệu về thí nghiệm ―Khảo sát tính đâm xun của tia
gamma‖. .................................................................................................................... 51
Hình 3-2: Học sinh nhóm A tiến hành thí nghiệm. ................................................. 52
Hình 3-3: Học sinh nhóm B tiến hành thí nghiệm................................................... 52
Hình 3-4: Giáo viên giới thiệu về thí nghiệm ―Buồng sương Wilson‖. .................. 53
Hình 3-5: Giáo viên lắp ráp thí nghiệm ―Buồng sương Wilson‖ ............................ 53

2


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1-1: Kết quả khảo sát quan niệm của học sinh lớp 12.4 về phóng xạ. ............. 4
Bảng 2-1: Thơng tin về nguồn phóng xạ. ................................................................ 33
Bảng 3-1: Tóm tắt tiến trình dạy học. ...................................................................... 50
Bảng 3-2: Kết quả khảo sát quan niệm của học sinh lớp 12.1 về phóng xạ. ........... 54

3


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Nội dung

ĐHSP

Đại học sư phạm

GV

Giáo viên

HS

Học sinh

TNSP

Thực nghiệm sư phạm

TP HCM

Thành phố Hồ Chí Minh

THPT

Trung học phổ thơng

SGK

Sách giáo khoa

TN

Thí nghiệm

PPDH

Phương pháp dạy học

DH

Dạy học

TNTT

Thí nghiệm tự tạo

NQĐ

Nhân quang điện

4


MỤC LỤC
CHƢƠNG I: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA VIỆC XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG THÍ
NGHIỆM TRONG DẠY HỌC BÀI “PHĨNG XẠ” VẬT LÍ 12 ......................... 3
1.1

Các quan niệm về phóng xạ ...............................................................................3

1.1.1 Các quan niệm về phóng xạ của học sinh ngồi nước. ..................................3
1.1.2 Các quan niệm về phóng xạ của học sinh trong nước. ...................................4
1.2 Phân tích nội dung kiến thức bài ―Phóng xạ‖........................................................6
1.3 Thí nghiệm vật lí ...................................................................................................7

1.3.1 Khái niệm thí nghiệm vật lí ............................................................................7
1.3.2 Chức năng của thí nghiệm vật lí .....................................................................7
1.3.3 Một số loại hình thí nghiệm vật lí ..................................................................9
1.4 Các thí nghiệm ứng dụng trong dạy học chương ―Nguyên tử hạt nhân‖. ...........13
1.4.1 Buồng sương Wilson ....................................................................................13
1.4.2 Thí nghiệm ―Khảo sát tính đâm xuyên của tia gamma‖. ............................. 14
CHƢƠNG II. CẢI TIẾN VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC BÀI
“PHĨNG XẠ” VẬT LÍ 12 ..................................................................................... 24
2.1 Thí nghiệm ―Buồng sương Wilson‖ ....................................................................24
2.1.1 Mục đích thí nghiệm .....................................................................................24
2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thí nghiệm ..........................................24
2.1.4 Cải tiến thí nghiệm .......................................................................................25
2.2 Thí nghiệm ―Khảo sát tính đâm xuyên của tia gamma‖......................................30
2.2.1 Mục đích thí nghiệm .....................................................................................30
2.2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thí nghiệm ..........................................30
2.2.3 Các bước tiến hành thí nghiệm .....................................................................34
2.3. Giáo án dạy học chuyên đề phóng xạ .................................................................34
2.3.1 Mục tiêu ........................................................................................................34
2.3.2 Phương pháp dạy học ...................................................................................35
2.3.3 Phương tiện dạy học. ....................................................................................35
2.3.4 Tiến trình dạy học .........................................................................................37
2.3.5 Củng cố .........................................................................................................46
CHƢƠNG III. THỰC NGHIỆM SƢ PHẠM ...................................................... 48
5


3.1 Mục đích thực nghiệm sư phạm ..........................................................................48
3.2 Nhiệm vụ thực nghiệm sư phạm..........................................................................48
3.3 Đối tượng thực nghiệm sư phạm .........................................................................48
3.4 Phương pháp thực nghiệm sư phạm ....................................................................48

3.5 Những thuận lợi và khó khăn gặp phải khi tiến hành thực nghiệm sư phạm ......49
3.5.1 Thuận lợi.......................................................................................................49
3.5.2 Khó khăn ......................................................................................................49
3.6 Kế hoạch dự kiến TNSP ......................................................................................49
3.7 Diễn biến thực nghiệm sư phạm ..........................................................................49
3.8 Kết quả khảo sát của lớp 12.1..............................................................................54
3.9 Đánh giá kết quả TNSP .......................................................................................56

6


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Vật lí là một môn khoa học thực nghiệm. Những định luật hay thuyết vật lí chỉ
được cơng nhận khi được kiểm chứng bằng các TN. Trong dạy học mơn vật lí ở các
trường trung học, TN ln đóng một vai trị cực kì quan trọng, giúp học sinh lĩnh ngộ
và nắm giữ các kiến thức, kĩ năng. Tuy nhiên, việc sử dụng TN trong dạy học vẫn cịn
nhiều khó khăn và hạn chế đặc biệt là chương ―Hạt nhân nguyên tử‖ ở chương trình
vật lí 12.
Bên cạnh đó, đã có những nghiên cứu chỉ ra rằng ở học sinh, sinh viên có nhiều
quan niệm sai lầm về phóng xạ như: ―Phóng xạ là sản phẩm nhân tạo”[18], “Phóng xạ
ln gây nguy hiểm”[22],… dù hầu hết những học sinh, sinh viên này đều ở những quốc
gia có nền cơng nghệ hạt nhân tiên tiến.
Trên thực tế, đã có nhiều cơng trình nghiên cứu về TN phóng xạ có thể thực hiện
tại lớp như ―Chế tạo buồng sương bể cá‖ của Frances[28], ―Chế tạo buồng sương với đá
Gel‖ của Masahiro Kamata and Miki Kubota[29] hay bài luận văn ―Chế tạo và sử dụng
buồng sương Wilson trong dạy học bài ―phóng xạ‖ vật lí 12‖ của Trần Nguyễn Hoàng
Duy[1]. Tuy nhiên, điểm chung của các TN trên là đều sử dụng đá khô hoặc đá Gel,
những dụng cụ này có gây một số khó khăn cho công tác quản lý và sử dụng TN trong
trường học. Do đó, chúng tơi lựa chọn nghiên cứu đề tài ―Cải tiến và sử dụng các thí

nghiệm để dạy học một số kiến thức về phóng xạ nhằm khắc phục quan niệm sai
lầm về phóng xạ cho học sinh lớp 12” với mong muốn góp phần nâng cao hiệu quả
dạy học phóng xạ ở trường học và khắc phục những quan niệm sai lầm của học sinh ở
trường học.
2. Mục đích của đề tài
Cải tiến TN Buồng sương Wilson và ứng dụng TN vào dạy học bài ―Phóng xạ‖
nhằm khắc phục quan niệm sai lầm của học sinh.
3. Giả thuyết khoa học
Nếu xây dựng các tiết học vật lí 12 ở ―Phóng xạ‖ kết hợp với các TN sẽ góp phần
giúp học sinh khắc phục quan niệm sai lầm.
4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
1


4.1 Đối tƣợng nghiên cứu
- Nội dung kiến thức vật lí lớp 12 bài ―Phóng xạ‖.
- Các TN phóng xạ: ―Buồng sương Wilson‖ và ―Khảo sát tính đâm xuyên của tia
gamma‖.
- Phương pháp tổ chức hoạt động dạy học sử dụng TN biểu diễn dạy học mơn vật
lí
4.2 Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu tập trung vào cải tiến TN ―Buồng sương Wilson‖ và xây dựng tiết
học thực nghiệm vật lí ở bài ―Phóng xạ‖.
5. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu cơ sở lí luận và thực tiễn TN vật lí.
- Phân tích mục tiêu về kiến thức, kĩ năng, cấu trúc, nội dung và các lưu ý khi
dạy học bài Phóng xạ - vật lí 12.
- Nghiên cứu về TN ―Buồng sương Wilson‖ và ―Khảo sát tính đâm xuyên của tia
gamma‖
6. Phƣơng pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lí luận dạy học:
+ Nghiên cứu tài liệu về lí luận dạy học TN trong dạy học vật lí.
- Phương pháp thực nghiệm sư phạm:
+ Giảng dạy thực nghiệm bài Phóng xạ vật lí 12.
+ Quan sát, kiểm tra, đánh giá quan niệm của HS qua phiếu khảo sát.
- Phương pháp nghiên cứu thực tiễn.

2


CHƢƠNG I: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA VIỆC XÂY DỰNG VÀ SỬ
DỤNG THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC BÀI “PHĨNG XẠ”
VẬT LÍ 12
1.1 Các quan niệm về phóng xạ
1.1.1 Các quan niệm về phóng xạ của học sinh ngồi nước.
- Quan niệm về phóng xạ của học sinh ngồi nước: Đã có bài báo nghiên cứu về
quan niệm của học sinh ở lưới tuổi THPT về phóng xạ như ―Ba quan điểm sai lầm về
phóng xạ‖ của Susanne Neuman, ―Kiến thức về phóng xạ của học sinh Bồ Đào Nha‖
của Rego và Pelarta,… Các bài báo đều đã chỉ ra rằng có một số quan niệm sai lần ở
học sinh.
- Phóng xạ là nhân tạo. Theo nghiên cứu của Hiệp hội giáo viên vật lí Mỹ, nhiều
sinh viên cho rằng phóng xạ là nhân tạo

[18]

. Ở Bồ Đào Nha hơn 50% sinh viên trẻ và

từ 30% đến 40% những người lớn tuổi tuyên bố chưa bao giờ nghe về phóng xạ tự
nhiên[19] 84% học sinh Anh cho rằng phóng xạ xuất phát từ nhà máy điện hạt nhân [20].
Thực tế phóng xạ có cả nguồn tự nhiên và nhân tạo. Trong tự nhiên, phóng xạ được

tìm thấy trong đất, đá, than đá, nước, khơng khí, gỗ… Gỗ chứa đồng vị Carbon 14C đồng vị phóng xạ của nguyên tố carbon.
- Sợ tiếp xúc với nguồn phóng xạ trong tự nhiên. Phóng xạ có trong nước, khơng
khí, cây gỗ….những thứ mà ta tiếp xúc hằng ngày nhưng hầu như không ai biết về
điều đó. Khi được hỏi về việc tiếp xúc với phóng xạ trong tự nhiên, 36% học sinh nói
rằng họ khơng muốn tiếp xúc vì sợ bị phơi nhiễm phóng xạ [21].
- Phóng xạ ln nguy hiểm. 78% học sinh Anh cho rằng phóng xạ gây nguy hiểm
chết người

[22]

. Phóng xạ nguy hiểm đến con người phụ thuộc vào mật độ phóng xạ.

Tháng 3 năm 2019, Trường Trung học phổ thông Trần Khai Nguyên đã cho học sinh
tiến hành TN quan sát chuyển động của các tia phóng xạ alpha, beta. Trước khi cho
học sinh làm TN, giáo viên trường đã kiểm tra và đảm bảo an toàn cho học sinh.
- Các vật dễ bị nhiễm phóng xạ khi đặt gần nguồn phóng xạ. Một quả dâu tây
được đặt gần nguồn phóng xạ, kết quả của Harrington chỉ ra rằng, 68% sinh viên vật lí
tính tốn nghĩ rằng dâu tây sẽ vẫn phóng xạ khi nguồn đã được gỡ bỏ

[22]

. 70% học

sinh Thổ Nhĩ Kỳ cho rằng dâu tây trở thành một nguồn phóng xạ và do đó có hại [21].
3


1.1.2 Các quan niệm về phóng xạ của học sinh trong nước.
Phóng xạ hiện nay là một qua niệm khá quen thuộc đối với học sinh, sinh viên
Việt Nam. Các thơng tin về phóng xạ được truyền đạt tới mọi người qua báo chí,

truyền hình, mạng internet nhưng hầu hết những thông tin mà mọi người tiếp nhận là
những tiêu cực, nguy hiểm mà phóng xạ mang lại. Từ đó, mọi người có những quan
niệm, cách nhìn nhận khơng đúng về phóng xạ.
Chúng tơi đã tiến hành nghiên cứu quan niệm về phóng xạ của học sinh lớp 12
sau khi các em đã được học về phóng xạ theo bảng phụ lục 1.
Sau khi khảo sát và thống kê thì chúng tôi thu được kết quả như sau:
Bảng 1-1: Kết quả khảo sát quan niệm của học sinh lớp 12.4 về phóng xạ.
Đồng ý

Phân vân

Khơng đồng ý

97%

3%

0%

63%

27%

20%

43%

33%

24%

90%

7%

3%

43%

14%

43%

Câu 2: Ứng dụng của phóng xạ

Đồng ý

Phân vân

Khơng đồng ý

1. Phóng xạ được ứng dụng trong nhà

97%

3%

0%

50%

17%

33%

87%

13%

0%

Câu 1: Nguồn phóng xạ
1. Phóng xạ được phát ra từ lị phản
ứng hạt nhân, phịng thí nghiệm hạt
nhân.
2. Phóng xạ có trong mơi trường tự
nhiên xung quanh chúng ta như đất
đá, nước...
3. Phóng xạ được phát ra từ điện
thoại, laptop, wifi, lị vi sóng...
4. Tia alpha, tia beta, tia gamma là tia
phóng xạ.
5. Tia tử ngoại, tia X (trong chụp Xquang) là tia phóng xạ.

máy điện hạt nhân, lị phản ứng hạt
nhân.
2. Phóng xạ được ứng dụng trong soi
chiếu hành lí, kiểm tra an ninh tại sân
bay.
3. Xạ trị ung thư, điều trị bướu cổ hay

4


chẩn đoán các khối u trong cơ thể...
4. Chiếu xạ thực phẩm diệt khuẩn.

63%

23%

14%

5. Định tuổi các vật liệu khảo cổ.

80%

17%

3%

Đồng ý

Phân vân

Khơng đồng ý

73%

10%

17%

57%

40%

3%

20%

33%

47%

70%

30%

0%

70%

27%

3%

Câu 3: Tác hại của phóng xạ
1. Phóng xạ ln rất nguy hiểm khi
tiếp xúc gần nguồn phóng xạ.
2. Các bác sĩ làm việc ở phịng xạ trị

với tần suất lớn sẽ gây ung thư.
3. Phóng xạ gây chết người ngay lập
tức khi vừa tiếp xúc với nguồn phóng
xạ.
4. Đồng vị phóng xạ nhân tạo được
ứng dụng trong y học để khám, chữa
bệnh.
5. Một trái táo đặt rất gần nguồn
phóng xạ, trái táo đó bị nhiễm phóng
xạ.

Từ kết quả khảo sát, ta có thể thấy một số học sinh còn mắc qua niệm sai lầm
như:
+ 43,3% học sinh cho rằng tia tử ngoại, tia X (trong chụp X-quang) là tia phóng
xạ.
+ 50% học sinh cho rằng phóng xạ đứng ứng dụng trong soi chiếu hành lý, kiểm
tra an ninh trong sân bay.
+ 57% học sinh cho rằng bác sĩ làm việc ở phòng xạ trị với tần suất lớn sẽ bị ung
thư.
+ 70% học sinh cho rằng đặt trái táo gần nguồn phóng xạ, trái táo sẽ bị nhiễm
phóng xạ.

5


1.2 Phân tích nội dung kiến thức bài “Phóng xạ”.
- Phóng xạ là q trình phân rã tự phát của một hạt nhân không bền vững (tự
nhiên hay nhân tạo).
- Quá trình phân rã này kèm theo sự tạo ra các hạt và có thể kèm theo sự phát ra
các bức xạ điện từ. Hạt nhân tự phân rã gọi là hạt nhân mẹ, hạt nhân được tạo thành

sau phân rã gọi là hạt nhân con.
- Tia  thực chất là dòng các hạt 24 He chuyển động với tốc độ cỡ 20.000 km/s.
Quãng đường đi được của tia  trong khơng khí chừng vài xentimét và trong vật rắn
chừng vài micrơmét.
- Tia  thực chất là dịng các hạt êlectron hay dịng các hạt pơzitron



+ Phóng xạ  là quá trình phân rã phát ra tia  . Tia  là dòng các êlectron
0
1


e chuyển động với tốc độ rất lớn, xấp xỉ tốc độ ánh sáng. Tia  truyền đi được vài

mét trong khơng khí và vài milimét trong kim loại.



+ Phóng xạ  là q trình phân rã phát ra tia  . Tia  là dòng các pôzitron

e chuyển động với tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng. Pơzitron có điện tích +e và khối

lượng bằng khối lượng êlectron. Tia  truyền đi được vài mét trong khơng khí và vài
0
1

milimét trong kim loại.
- Tia  có bản chất là sóng điện từ. Các tia  có thể đi qua được vài mét trong bê
tơng và vài xen-ti-mét trong chì.

- Trong quá trình phân rã, số hạt nhân phóng xạ của một nguồn giảm theo quy
luật hàm số mũ. Trong đó, N 0 là số nguyên tử ban đầu của chất phóng xạ, N là số
nguyên tử chất ấy ở thời điểm t,  là hằng số phóng xạ.
- Hệ thức của định luật phóng xạ: N  N 0 .e  t .
- Chu kỳ bán rã T là đại lượng đặc trưng cho chất phóng xạ, được đo bằng thời
gian qua đó số lượng hạt nhân còn lại là 50% (nghĩa là phân rã 50%), được xác định
bởi: T 

ln 2
.


- Ngoài các đồng vị có sẵn trong thiên nhiên gọi là các đồng vị phóng xạ tự nhiên,
người ta cịn tạo ra được nhiều đồng vị phóng xạ khác, gọi là các đồng vị phóng xạ
nhân tạo.
6


- Các đồng vị phóng xạ nhân tạo có nhiều ứng dụng trong sinh học, hoá học, y
học... Trong y học, người ta đưa các đồng vị khác nhau vào cơ thể để theo dõi sự xâm
nhập và di chuyển của nguyên tố nhất định trong cơ thể người. Đây là phương pháp
nguyên tử đánh dấu, có thể dùng để theo dõi được tình trạng bệnh lí. Trong ngành
khảo cổ học, người ta sử dụng phương pháp cacbon 146C , để xác định niên đại của các
cổ vật.
1.3 Thí nghiệm vật lí
1.3.1 Khái niệm thí nghiệm vật lí
Khái niệm TN vật lí được hiểu theo các quan điểm sau:
- Trong vật lí học, TN vừa là nguồn kiến thức và là một phương pháp nghiên cứu.
TN Vật lí trong trường phổ thơng (cịn gọi là TN giáo khoa hay TN học tập) là sự phản
ánh phương pháp nghiên cứu khoa học trong việc nghiên cứu các hiện tượng vật lí, vì

vậy chúng mang những yếu tố cơ bản của TN khoa học vật lí. TN vật lí học tập được
hiểu là sự tái tạo nhờ các dụng cụ đặc biệt, các hiện tượng vật lí trên lớp học, trong
những điều kiện thuận tiện nhất để nghiên cứu chúng. Vì vậy, TN vật lí đồng thời là
nguồn kiến thức, PPDH và là một dạng trực quan.[3]
- Theo Nguyễn Đức Thâm và cộng sự, TN vật lí được hiểu là sự tác động có chủ
định, có hệ thống của con người vào các đối tượng của hiện thực khách quan. Thông
qua sự phân tích các điều kiện mà trong đó đã diễn ra sự tác động và các kết quả của
sự tác động, ta có thể thu nhận tri thức mới. [4]
- Mặt khác, TN là một phương pháp dạy học vật lí. Đó là cách thức, là biện pháp
tổ chức các hoạt động dạy học của người GV thể hiện qua sự cộng tác giữa thầy và trị
trong q trình giảng dạy và học tập nhằm đạt được hiệu quả cao nhất trong việc
truyền thụ, lĩnh hội tri thức vật lí và rèn luyện kĩ năng kĩ xảo thực hành. [5]
1.3.2 Chức năng của thí nghiệm vật lí [6]
- Thí nghiệm là phương tiện thu nhận tri thức.
+ TN là một phương tiện quan trọng của hoạt động nhận thức của con người,
thông qua TN con người đã thu nhận được những tri thức khoa học cần thiết nhằm
nâng cao năng lực của bản thân để có thể tác động và cải tạo thực tiễn. Trong dạy học,
TN là phương tiện của hoạt động nhận thức của HS, nó giúp người học trong việc tìm
kiếm và thu nhận kiến thức khoa học cần thiết.
7


+ Trong dạy học VL, TN được sử dụng như một cơng cụ phân tích hiện thực
khách quan, từ đó HS thu nhận tri thức về đối tượng, nếu ban đầu HS chưa biết hoặc
biết một ít về đối tượng cần nghiên cứu, thì TN được sử dụng để thu nhận những kiến
thức đầu tiên về nó, thơng qua TN, HS có thể trả lời được các câu hỏi về hiện tượng
xảy ra của đối tượng.
+ TN là nguồn cung cấp thơng tin chính xác về các sự vật, hiện tượng và chỉ có
TN thì kiến thức mà HS thu nhận mới đạt chất lượng, hiệu quả và chính việc sử dụng
TN trong dạy học VL mới đem lại cho HS sự tự tin vào kiến thức được lĩnh hội.

- Thí nghiệm là phương tiện kiểm tra tính đúng đắn của những tri thức thu nhận.
+ Trong dạy học VL, TN là một trong những phương tiện tốt để kiểm tra kiến
thức VL đã được khái qt hố từ lí thuyết. Thực tế cho thấy, từ sự khái quát hoá lí
thuyết rồi đưa ra TN để kiểm tra lí thuyết khơng những làm cho hoạt động nhận thức
của HS tích cực hơn mà còn tạo được niềm tin về sự đúng đắn của kiến thức mà HS đã
lĩnh hội.
- Thí nghiệm là phương tiện để vận dụng tri thức vào thực tiễn.
+ Trong dạy học VL, TN khơng những có vai trị rất lớn trong việc tích cực hóa
hoạt động nhận thức của HS, thể hiện ở khía cạnh cung cấp kiến thức, rèn luyện thao
tác chân tay, tác động đến giác quan của HS ..., mà TN cịn có một vai trò rất lớn khác
trong việc giúp HS củng cố và vận dụng kiến thức một cách vững chắc.
+ TN VL giúp cho HS có điều kiện vận dụng những kiến thức đã học vào thực tế
cuộc sống, từ đó xố bỏ dần lối học vẹt, lí thuyết sng đã tồn tại nhiều năm trước đây.
- Thí nghiệm là một bộ phận của các phương pháp nhận thức.
+ Đối với phương pháp thực nghiệm, TN ln có mặt ở nhiều khâu khác nhau:
làm xuất hiện vấn đề nghiên cứu, kiểm tra tính đúng đắn của các giả thuyết,…
+ Trong phương pháp mơ hình, TN giúp ta thu thập các thông tin về đối tượng
gốc làm cơ sở cho việc xây dựng mơ hình.
+ Nhờ những kết quả của các TN được tiến hành trên vật gốc tạo cơ sở để đối
chiếu với kết quả thu được từ mơ hình, qua đó để có thể kiểm tra tính đúng đắn của mơ
hình được xây dựng và chỉ ra giới hạn áp dụng của nó.

8


1.3.3 Một số loại hình thí nghiệm vật lí
- Có nhiều cách phân loại TN trong DH vật lí, tuỳ vào từng tiêu chí khác nhau, sẽ
có các kết quả phân loại khác nhau. Ví dụ: căn cứ vào đối tượng sử dụng, TN vật lí ở
trường phổ thơng có thể chia thành hai loại: TN biểu diễn (TN do GV tiến hành là
chính, tuy có thể có sự hỗ trợ của HS) và TN thực hành (TN do HS tự tiến hành dưới

sự hướng dẫn của GV). [4]
- Căn cứ vào mơi trường trình diễn TN, TN vật lí có thể phân loại thành TN thực
và TN trên máy vi tính.
- Đối với TN thực, tập trung vào hai loại hình chính: TN được trang cấp ở
trường phổ thơng (gọi tắt là TN) và TN tự tạo. Trong phạm vi nghiên cứu, đề tài tập
trung vào các loại hình TN tự tạo.
1.3.3.1 Thí nghiệm biểu diễn
Là phương pháp dạy học vật lí trong đó giáo viên tiến hành các TN vật lí, tác
động lên các đối tượng vật lí nhằm thơng qua đó trình bày lại cho học sinh phương
pháp nghiên cứu và kết quả nghiên cứu đối tượng vật lí. [7]
Các loại TN biểu diễn: [7]
- Thí nghiệm vật lí mở đầu: là những TN đơn giản về dụng cụ và về quá trình
thực hiện. Về thời gian chúng chỉ chiếm khoảng từ 1 đến 2 phút vào đầu tiết học. Mục
đích của loại TN này là nhằm tạo ra một hiện tượng vật lí. Từ đó đặt ra cho học sinh
một vấn đề cần nghiên cứu, giải quyết trong lớp học. Một mục đích khác của loại TN
này là nhằm kích thích học sinh hứng thú giải quyết vấn đề.
- Thí nghiệm nghiên cứu: Là những TN có mức độ và qui mơ lớn (Trong phạm vi
dạy học) về thiết bị, hệ thống các thao tác và thời gian. Chúng thường chiếm phần lớn
thời gian của tiết học trên lớp, hoặc phải tiến hành trên phòng TN với các thiết bị đặc
biệt. Mục đích của TN là tác động trực tiếp lên đối tượng để nghiên cứu những thuộc
tính vật lí của chúng hoặc tìm ra các quy luật vật lí. Trong loại TN này, người ta cịn
phân biệt hai loại là thí nghiệm khảo sát và thí nghiệm kiểm chứng – minh họa.
+ Thí nghiệm khảo sát: Là loại TN được tiến hành theo con đường qui nạp. Từ
những kết quả của nhiều lần TN, trong cùng những điều kiện nhất định mà khái quát
hóa thành một kết luận chung cho các hiện tượng cùng loại.

9


+ Thí nghiệm kiểm chứng minh họa: Là loại TN được tiến hành theo con đường

diễn dịch. Những kết quả của các TN này sẽ kiểm chứng hoặc minh họa cho những kết
luận rút ra theo con đường tiên đề hoặc là từ những suy luận toán học, từ những giả
thuyết.
- Thí nghiệm củng cố: Là loại TN trình bày những ứng dụng của vật lí vào trong
khoa học, kĩ thuật và đời sống hoặc nhưng TN thể hiện những hiện tượng vật lí đã học.
Mục đích của TN này là để học sinh thấy được vai trò của vật lí trong thực tế và để
vận dụng lí thuyết đã học vào việc giải thích chúng, qua đó nắm vững kĩ năng vật lí.
 Kĩ thuật và phương pháp tiến hành biểu diễn: [7]
- Kĩ thuật tiến hành thí nghiệm biểu diễn:
+ TN phải được đặt đúng cách.
+ Phải tìm cách đánh dấu và làm nổi bật những đại lượng thay đổi để học sinh có
thể theo dõi được.
+ Phải làm cho toàn bộ học sinh theo dõi được các dụng cụ và tiến hành TN.
+ Phải cho học sinh theo dõi được số chỉ của các dụng cụ đo.
+ Phải cho học sinh thấy được sự thay đổi của các đại lượng phụ thuộc sự thay
đổi yếu tố nào của TN.
- Phương pháp tiến hành:
+ Bước 1: Nêu rõ mục đích và phương hướng tiến hành TN.
+ Bước 2: Vạch rõ kế hoạch TN.
+ Bước 3: Giới thiệu dụng cụ và lắp đặt TN.
+ Bước 4: Kiểm tra toàn bộ TN trước khi tiến hành.
+ Bước 5: Tiến hành TN theo kế hoạch đã định.
+ Bước 6: Phân tích kết quả và rút ra kết luận.
+ Bước 7: Tổng kết TN.
1.3.3.2 Thí nghiệm thực hành [7]
Là phương pháp dạy học vật lí trong đó giáo viên tổ chức và hướng dẫn cho học
sinh thực hành các TN vật lí nhằm mục đích tác động trực tiếp lên đối tượng vật lí để
nghiên cứu chúng.

10

Các TN thực hành cũng có thể là những TN nghiên cứu trong vật lí, cũng có thể
là những TN lịch sử nhưng đã được cải biến và nhiều TN do các nhà sư phạm thiết kế
nhằm mục đích tổ chức học tập cho học sinh.
Các loại thí nghiệm thực hành:
+ Thí nghiệm thực hành trên lớp: Là loại TN do học sinh thực hiện trên lớp học,
trong giờ học, dưới sự hướng dẫn trực tiếp của giáo viên nhằm mục đích nghiên cứu
một kiến thức vật lí mới.
+ Thí nghiệm thực hành trên phịng thí nghiệm: Là các TN do học sinh thực hiện
trên Các phịng TN vật lí của nhà trường với thời gian nhiều hơn, từ một đến hai tiết
học. Điểm khác biệt của loại TN này là học sinh trước khi tiến hành TN đã nắm được
cơ bản những vẫn đề lí thuyết và hệ thống thao tác nên tự chủ và nâng cao hơn được
khả năng hoạt động độc lập cũng như phát triển được tư duy hơn.
+ Thí nghiệm thực hiện ở nhà: là loại TN do học sinh thực hiện ở nhà dưới sự
hướng dẫn trên lớp của giáo viên. Các loại TN này chủ yếu là quan sát, định tính vì
học sinh không thể tự làm các TN định lượng nếu không có sự hướng dẫn trực tiếp của
giáo viên.
1.3.3.3 Thí nghiệm tự tạo
Trong quá trình nghiên cứu thiết kế, chế tạo và sử dụng TNTT, các tác giả đã đưa
ra những định nghĩa khác nhau về TNTT.
Theo tác giả Hans-Joachim Wilke (Đức) “Thí nghiệm tự tạo là những thí nghiệm
được dùng trong dạy học vật lí và được tự tạo ra với những vật liệu và dụng cụ phổ
biến trong đời sống hằng ngày”. [25]
Các tác giả H. Joachim Schlichting, C. Berthold, D. Binzer, M. Herfert, H.
Hilscher, J. Kraus, C. Möller... cho rằng: “Thí nghiệm tự tạo là những thí nghiệm được
tạo ra với phương tiện chủ yếu là bàn tay với những vật liệu trong đời sống hằng
ngày”. [23,24]
Theo tác giả Lê Cao Phan: “Thí nghiệm tự làm là thí nghiệm do giáo viên hoặc
học sinh thực hiện bằng các ngun vật liệu dễ tìm kiếm, rẻ tiền, sẵn có ở địa phương,

phù hợp với hoàn cảnh của nhà trường và học sinh”. [8]

11


Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, khái niệm TNTT đã được
phát triển. TNTT không chỉ được tạo ra bằng những nguyên vật liệu rẻ tiền, có sẵn mà
có thể được tạo ra từ những thiết bị, linh kiện điện tử tinh vi.
Theo tác giả Nguyễn Hồng Anh: ―Thí nghiệm tự tạo là những thí nghiệm từ đơn
giản đến phức tạp được tạo ra chủ yếu bằng tay từ những nguyên vật liệu thiết bị, linh
kiện phổ biến trong đời sống hằng ngày và được sử dụng trong q trình dạy học”. [9]
 Phân loại thí nghiệm tự tạo: [9]
+ Thí nghiệm tự tạo đơn giản: Là những TN được tạo ra từ những vật liệu, dụng
cụ thông dụng dễ kiếm như: vỏ lon, gỗ,… TNTT đơn giản thường là những TN định
tính.
+ Thí nghiệm tự tạo phức tạp: Là những TN được tạo ra từ các dụng cụ thơng
dụng nhưng có q trình gia cơng, chế tạo dụng cụ TN phức tạp hơn so với TNTT đơn
giản.
+ Thí nghiệm tự tạo hiện đại: Là những thí nghiệm được tạo ra trong đó có sử dụng
các loại thiết bị và linh kiện điện tử hiện đại như: vi điều khiển, mạch điện tử, bo
mạch,… Những TN này thường là những thiết bị tự động.
 Các yêu cầu đối với việc tự tạo thí nghiệm [9]
- Về mặt khoa học
+ Các TNTT được xây dựng phải đảm bảo khi tiến hành TN phải thành công, tạo
ra hiện tượng rõ ràng, đúng với bản chất vật lí và điều khiển được các yêu tố tác động.
+ Quá trình thiết kế, chế tạo cần ứng dụng các thành tựu mới trong khoa học; có
câu tạo gọn nhẹ, thuận tiện trong q trình sử dụng (tháo lắp, bố trí và tiến hành TN);
Đảm bảo an toàn trong sử dụng, dễ sửa chữa, bảo quản và vận chuyển.
 Về mặt sư phạm
+ TNTT có thể được sử dụng ở các giai đoạn khác nhau trong quá trình dạy học

như: sử dụng trong đề xuất vấn đề nghiên cứu, sử dụng trong hình thành kiến thức mới
và sử dụng trong củng cố, vận dụng kiến thức.
+ Kết quả của TNTT phải gắn liền với nội dung bài học, xuất hiện đúng lúc trong
tiến trình DH, đồng thời kết quả TN phải được sử dụng cho mục đích DH một cách hợp lí,

logic và không gượng ép.
 Về mặt thẩm mĩ
12


+ Các dụng cụ TNTT phải có kích thước đủ lớn, đảm bảo cho cả lớp quan sát
nhằm giúp cho HS dễ theo dõi diễn biến của TN để có thể rút ra được những kết luận
cần thiết. TN phải có màu sắc thích hợp và hình dáng đẹp đẽ lôi cuốn sự chú ý của HS,
đặc biệt là cần làm nổi bật bộ phận cần quan sát.
 Quy trình tự tạo TN trong dạy hoc vật lí [9]
- Bước 1: Xác định mục tiêu dạy học.
- Bước 2: Nghiên cứu nội dung bài học.
- Bước 3: Tìm hiểu thực trạng cơ sở vật chất, thiết bị TN.
- Bước 4: Đề xuất, lựa chọn phương án TN.
- Bước 5: Chuẩn bị các vật liệu, dụng cụ và linh kiện cần thiết.
- Bước 6: Gia công, chế tạo dụng cụ TN.
- Bước 7: Lắp ráp TN.
- Bước 8: Tiến hành TN.
- Bước 9: Hồn thiện TN.
1.4 Các thí nghiệm ứng dụng trong dạy học chƣơng “Nguyên tử hạt nhân”.
1.4.1 Buồng sương Wilson
1.4.1.1 Cơ sở khoa học [10]
- Cơ sở khoa học để tạo ra thiết bị này là kết quả công trình nghiên cứu sự tạo
thành những đám mây hay sương mù. Trước Wilson, trong các điều kiện phòng TN,
người ta đã chỉ ra rằng hơi bão hịa có thể bị ngưng tụ và tạo thành những giọt chất

lỏng, nếu trong thể tích đã cho có các tâm ngưng tụ.
- Wilson đã chỉ ra rằng các ion có thể là tâm ngưng tụ của hơi bão hòa. Hơn nữa
các giọt chất lỏng đươc tạo thành sẽ phát triển đến kích thước nhìn thấy được. Có thể
quan sát và chụp ảnh được chúng một cách dễ dàng.
1.4.1.2 Lịch sử thí nghiệm [11]
Năm 1897, Wilson chứng minh được rằng trong những điều kiện xác định, mỗi
ion tích điện đều trở thành tâm ngưng tụ hơi nước. Vì thế có thể nhận ra sự hiện diện
của các ion bằng mắt thường. Đầu năm 1911, Wilson là người đầu tiên nhìn thấy và
chụp ảnh vết của các hạt alpha, beta và các electron riêng biệt. Từ những lý thuyết trên,
năm 1912 ông đã phát minh ra một dụng cụ để theo dõi và chụp ảnh các vết của điện
tích (sau này được gọi là buồng Wilson).
13


Buồng Wilson còn được gọi là buồng sương. Theo lời của nhà vật lí người Anh
Ernest Rutherford, buồng sương là một ―dụng cụ độc đáo và đáng ngạc nhiên nhất‖ để
ghi lại hoạt động của các hạt. Các nhà khoa học giải thích rằng để tạo ra sương cần có
các tâm ngưng tụ. Wilson phát hiện ra rằng các tâm ngưng tụ của hơi nước có thể là
các ion tạo thành khi hơi nước bão hòa bị chiếu rọi bởi các tia X hoặc các bức xạ khác
như các tia alpha, beta và gamma. Sau khi tiến hành nghiên cứu trong nhiều năm, ông
đã chế tạo ra một dụng cụ có thể ghi nhận các hạt. Đến năm 1923, buồng sương được
hồn thiện và dẫn đến có hai bài báo kinh điển của ơng về vết của các electron.
1.4.2 Thí nghiệm “Khảo sát tính đâm xuyên của tia gamma”. [12],[13],[14]
1.4.2.1 Tương tác của tia gamma với môi trường vật chất
a) Giới thiệu tia gamma
Bản chất của bức xạ gamma là sóng điện từ có bước sóng nhỏ hơn 10

-8

cm, được

tạo ra khi hạt nhân nguyên tử ở trạng thái kích thích có mức năng lượng cao chuyển về
trạng thái có mức năng lượng thấp hơn và dần chuyển về trạng thái cơ bản phát ra
lượng tử có mức năng lượng đúng bằng hiệu hai mức năng lượng mà nó chuyển đổi và
có dạng phổ vạch thì nó được gọi là bức xạ gamma.
hf  Ei  Ek

Trong đó: h là hằng số Planck ( h  6,625.1034 ), f là tần số sóng điện từ, Ei , Ek
lần lượt là năng lượng liên kết của electron của lớp điện tử thứ i, k trong nguyên tử.
Bức xạ gamma khi tương tác với vật chất có tính chất cơ bản là tương tác với mơi
trường vật chất theo các q trình hấp thụ hay tán xạ và mất dần năng lượng theo quy luật

suy giảm hàm mũ, được mô tả theo cơng thức:
I  I 0 e  mrx

Trong đó: I 0 là cường độ chùm tia gamma ban đầu; I là cường độ chùm tia
gamma khi đi qua lớp vật chất có bề dày x; m là hệ số suy giảm tuyến tính và r là mật
độ khối của vật chất suy giảm.
Trong quá trình hấp thụ: Tia gamma truyền tồn bộ năng lượng cho vật chất.

Năng lượng đó làm cho các hạt thứ cấp chuyển động trong môi trường đồng thời tia
gamma biến mất.

14


Trong quá trình tán xạ: Tia gamma truyền một phần năng lượng cho các hạt vật
chất và thay đổi phương chuyển động đồng thời giảm năng lượng.
Lượng tử gamma không tích điện do đó q trình làm chậm của lượng tử gamma
trong môi trường vật chất không được thực hiện liên tục như những hạt tích điện vì khi

tương tác với electron và nguyên tử của môi trường, lượng tử gamma tương tác theo
các cơ chế hấp thụ (mất toàn bộ năng lượng) hoặc tán xạ (mất một phần năng lượng).
Trong thực tế, để ghi nhận được bức xạ gamma khi nó tương tác với vật chất, ba
hiệu ứng sau đây là quan trọng và có ý nghĩa mà chúng ta cần quan tâm:
+ Hiệu ứng quang điện.
+ Tán xạ Compton.
+ Hiệu ứng tạo cặp trong trường hạt nhân sinh ra electron và positron.
b) Hiệu ứng quang điện
Hiệu ứng quang điện xảy ra khi chùm bức xạ gamma tới có năng lượng thấp (<
0,511 MeV) tương tác với môi trường vật chất. Khi đó, lượng tử gamma biến mất khi
truyền toàn bộ năng lượng cho các electron trong nguyên tử của ngun tố vật chất cấu
thành mơi trường mà nó truyền qua. Hay nói cách khác là bứt các electron ra khỏi
nguyên tử. Năng lượng của electron được xác định từ hệ thức:
Te  Eg  I i

Trong đó: E g là năng lượng của lượng tử gamma tới; I i là năng lượng ion hóa
của lớn điện tử thứ i (K, L, M,…).
Từ hệ thức này, ta thấy rằng hiệu ứng quang điện chỉ có thể xảy ra khi Eg  I i .
Tuy nhiên, hiệu ứng quang điện xảy ra chủ yếu ở lớp điện tử K.

Hình 1-1: Hiệu ứng quang điện.
c) Tán xạ Compton
15


Khi năng lượng hf của bức xạ gamma tới lớn hơn năng lượng liên kết của điện tử
trong nguyên tử và nằm trong khoảng 0.511 Mev đến 5 Mev tương đương với bước
sóng < 1 Ao thì hiệu ứng hấp thu quang điện trở thành thứ yếu. Khi đó, sự va chạm
đàn hồi giữa một photon (gamma) với một electron tạo ra một electron có năng lượng
lớn hơn năng lượng nghỉ của nó (0.511 Mev).

Bức xạ gamma sau khi tán xạ sẽ lệch khỏi phương ban đầu một góc  và có
năng lượng bị giảm (bước sóng tăng) cịn electron Compton bị bắn ra dưới một góc 
đó là hiệu ứng Compton.

Hình 1-2: Tán xạ Compton.
Điện tử Compton (các electron giật lùi) thu được năng lượng càng lớn nếu góc
tán xạ của photon càng lớn. Nó thu năng lượng cực đại khi photon va chạm chính diện
với electron, phần năng lượng được truyền phụ thuộc vào năng lượng của photon tới.
Photon tới có năng lượng nhỏ thì năng lượng của điện tử Compton sẽ nhỏ, điều này
cho phép ta phân biệt các điện tử Compton và các quang điện tử. Tóm lại, phần năng
lượng truyền cho điện tử Compton phụ thuộc vào năng lượng và góc tương tác của
photon tới.
d) Hiệu ứng tạo cặp
Lượng tử gamma trong điện trường của electron hoặc hạt nhân có thể tạo ra cặp
electron – positron khi năng lượng của chùm tia bức xạ gamma tới. Khi đó, lượng tử
gamma bị hấp thu hồn tồn, năng lượng của nó truyền hết cho cặp electron – positron
và nhân giật lùi. Quá trình tạo cặp phải thoả mãn định luật bảo tồn động lượng, do đó
nó khơng thể xảy ra trong chân không.

16


Gọi TA là năng lượng của hạt nhân giật lùi, từ định luật bảo tồn năng lượng, ta
có:

hf  m c 2  m c 2  TA
Trong đó: m c 2 là năng lượng của electron sinh ra, m c 2 là năng lượng của
positron sinh ra.
Các positron khi sinh ra sẽ thoát khỏi nhân (do lực đẩy coloumb) còn các
electron sinh ra sẽ bị hãm lại. Khi các nguyên tử có bậc số nguyên tử Z càng lớn thì sự

khác nhau đó càng rõ nhưng khơng phụ thuộc một cách tuyến tính.
Hiệu ứng tạo cặp chỉ có thể xảy ra khi năng lượng của chùm tia gamma lớn hơn
tổng năng lượng nghỉ của cặp electron – positron. hiệu ứng tạo cặp là chủ yếu ở vùng
2

năng lượng cao, nó tỉ lệ với Z . Cặp electron – positron có thể được sinh ra trong
trường của điện tử, tuy nhiên trong trường của điện tử sự hấp thụ tia gamma sẽ yếu
hơn nhiều vì tiết diện tương tác có giá trị nhỏ.

Hình 1-3: Hiệu ứng tạo cặp.
1.4.2.2 Dectector nhấp nháy
Sự tìm ra các bức xạ ion thơng qua các ánh sáng nhấp nháy phát ra từ một số vật
chất nào đó là một kỹ thuật đã được biết đến. Q trình nhấp nháy cịn là một trong
những phương pháp hữu ích nhất trong việc dị tìm và phân loại quang phổ của các
bức xạ.
a) Nguyên tắc hoạt động
Khi một hạt mang điện đi vào bản nhấp nháy sẽ kích thích các ngun tử hay
phân tử. Sau đó với sự dịch chuyển về trạng thái cơ bản chúng sẽ phát ra một ánh sáng
nhấp nháy, đó là các photon. Qua một lớp dẫn sáng các photon đập vào bộ phận nhân
quang điện (NQĐ) và ở lối ra của NQĐ xuất hiện một tín hiệu điện có biên độ khá lớn,
17