Bồi dưỡng năng khiếu vật lý cho học sinh phổ thông bằng thí nghiệm trên các thiết bị khoa học rẻ tiền tự tạo

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 3.105V/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 ελ 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 tr­ît Bóa 34,6g PZT: 2 khèi ng­îc 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 Báo cáo Hội nghị Vật lí toàn quốc lần thứ VI, Hà Nội 23-25/11/2005 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. 125,0 12,0 V KΩ TÊm t«n Nguån ®iÖn Côc nam ch©m MiÕng nhùa uèn cong Mµn ch¾n s¸ng ( vá hép sòa ) Manh ®Üa CD Bãng ®Ìn 50W 12V Quang trë ¤m kÕ Sơ đồ thí nghiêm nghiên cứu quang phổ kế dùng cách tử phản xạ hình 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, ρV , ρL, 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 N­íc 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 ρV và của dầu ρL.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 ( ρV – ρL) 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 CuSO4 và xác định e theo công thức mN qe 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 H2 sinh ra đã chiếm chỗ ( hình 4 ), thì tình trạng lại hoàn toàn khác. Ta thấy thể tích H2 thu được khi điện phân, tính ở điều kiện tiêu chuẩn, vào cỡ 100cm3. 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 V21(V1). 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. + _ H2 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 V21~T2-T1 V1 V1 V21 DÇu Parafin §ièt T2 T1 Parafin (a) §o theo c¸ch th­êng H×nh (3) (b) §o nhiÖt vi sai Báo cáo Hội nghị Vật lí toàn quốc lần thứ VI, Hà Nội 23-25/11/2005 Để minh họa có thể lấy máy so màu tự tạo và đường cong chuẩn của nó với dung dịch xanh methylen làm ví dụ (hình 5). 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 : 10cm2. 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. Bót Laser Quang trë CdS Pin 3V Hép thuû tinh dùng chÊt cã mµu ¤m kÕ 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Nång ®é C. 10-2g/ l LnR(MΩ) 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.