Đề tài Liệu có cần phải giải toán vật lí hay không? Vận dụng chiến lược giải toán loại ”Phương trình cân bằng nhiệt” ở lớp 8

Phòng GDĐT lộc bình -----------------@&?------------------ Z Báo cáo sáng kiến Liệu có cần phải giải toán vật lí hay không? Vận dụng chiến lược giải toán loại “Phương trình cân bằng nhiệt” ở lớp 8 Tác giả : Lương Mạnh Hùng Nghề nghiệp: Dạy học Chức vụ: Chuyên viên Phòng Giáo dục và Đào tạo Xuân Trường ngày 15 tháng 04 năm 200i9 1/ Tên sáng kiến: Liệu có cần phải giải toán vật lí hay không? Vận dụng chiến lược giải toán loại ”Phương trình cân bằng nhiệt” ở lớp 8 2/ Tác giả : Trần Thị Sơn 3/ Trình độ chuyên môn : Đại học Vật lý - Tin học 4/Nơi công tác : Phòng GD&ĐT Lộc Bình 5/Đơn vị áp dụng sáng kiến: Huyện Lộc bình 6/ Giải pháp: A. Điều kiện, hoàn cảnh tạo ra sáng kiến: Bạn đang có trong tay bản báo cáo sáng kiến: “Hướng dẫn về phương pháp giải toán Vật lí”. Bạn có thể nghĩ, ngày nay đã có biết bao nhiêu cuốn sách nói về chuyện này, giúp học sinh dễ dàng tìm được gần như bất kì bài toán vật lí nào có trong chương trình học và thi ở nhà trường THCS. Vậy lí do gì mà tôi lại còn viết ra và liệu nó có thể giúp ích được gì cho bạn?... Tôi xin nói ngay rằng, vấn đề tôi đề cập tới khác hẳn những cuốn sách giải bài tập vật lí đã có, vì mục đích của tôi không phải chỉ là hướng đến đáp số của các bài toán vật lí, một việc không dễ dàng đối với mọi học sinh – vì bạn có “trăm phương ngàn kế” để tìm cho ra đáp số của một bài toán! Bản báo cáo sáng kiến này tuy có tên là giải toán vật lí, nhưng thực chất là nói đến phương pháp học vật lí, một việc mà tôi cho là luôn quyết định mọi thứ trong đó có việc giải toán. Nếu bạn không thích học vật lí hoặc học chỉ để trả bài cho thầy, cô giáo hay chỉ vì cha mẹ bạn cho bạn đến trường thì bạn phải học thì mọi cuốn sách dạy giải toán vật lí đối với bạn cũng đều vô ích… B. Các giải pháp thực hiện: Dù chỉ là giải các bài toán trong sách giáo khoa về vật lí thì bất kì một học sinh nào cũng có thể gặp nhiều hoặc ít khó khăn trong khi vận dụng tri thức đã học. Trừ một số không nhiều bài toán luyện tập đơn giản để ghi nhớ công thức biểu diễn một định luật vật lí với yêu cầu chủ yếu là thay thế các trị số của các đại lượng trong công thức và tìm trị số của một đại lượng chưa biết. Còn đối với các bài toán vật lí phải vận dụng nhiều định luật vật lí (thường gọi là các bài toán tổng hợp) học sinh luôn luôn cảm thấy khó khăn. Những bài toán vật lí gọi là bài toán định tính, yêu cầu giải thích khía cạnh vật lí của hiện tượng mô tả trong bài toán luôn khiến cho nhiều học sinh bối rối, dù những bài toán này được đề ra ngay sau khi vừa học lí thuyết, tức là học sinh đã biết trước rằng có thể vận dụng tri thức nào để giải thích hiện tượng đã được yêu cầu. Ví dụ: Sau khi học về quán tính ở lớp tám và qua sách giáo khoa cũng như qua lời giảng của giáo viên.Tuy học sinh đã biết hiện tượng vẩy mực ở ngòi bút cũng tương tự như giũ bụi ở quần áo, nhưng không phải mọi học sinh đều có thể giải thích được cặn kẽ hiện tượng văng đi của các hạt bụi khi giũ bụi quần áo. Nếu khi vẩy bút mực, chiếc bút dừng lại đột ngột thì khi giũ bụi, cái áo không chỉ dừng lại mà còn thay đổi hướng chuyển động. Nếu học sinh lại phải giải tiếp bài toán vật lí định tính giải thích một cách giũ bụi khác là dùng gậy đập vào một tấm thảm dày chẳng hạn thì có thể họ còn gặp nhiều khó khăn hơn nữa, tấm thảm bị gậy đập di chuyển, còn các hạt bụi do quán tính giữ nguyên trạng thái đứng yên nên rơi xuống. Vẫn là tri thức về quán tính, nhưng nếu đến lớp mười học sinh gặp một bài toán định tính như: Giải thích câu ngạn ngữ “Dao sắc không bằng chắc kê” thì chắc chắn học sinh sẽ còn lúng túng nhiều hơn nữa bởi vì trước hết họ phải diễn tả lại câu ngạn ngữ đó thành một đề toán vật lí thực thụ. Ví dụ như: “Từ lâu người ta đã biết rõ, khi chặt, đẽo các vật bằng dao thì sử dụng dao sắc không quan trọng bằng cái đòn kê thật vững chắc. Do đó ngạn ngữ mới nói: Dao sắc không bằng chắc kê. Hãy giải thích điều này bằng hiểu biết về quán tính” C. Kết quả cụ thể: Tình trạng lúng túng, vướng mắc của học sinh trong giải toán vật lí là tình trạng chung vì đáng tiếc là học sinh có thể đến lớp với một số quan điểm sai trái về vấn đề giải toán như sau: - Vừa đọc qua bài toán đã “cho là” thấy rõ ngay con đường giải bài toán, - Không tiến hành “thử” hoặc “cứ loay hoay” với những cách khác nhau tiếp cận bài toán, - (Cho rằng) chỉ có một con đường đúng để giải bài toán, - (Cho rằng) không thể thay đổi bài toán để làm cho nó trở thành đơn giản hơn, - (Cho rằng) việc giải toán luôn luôn diễn biến theo một cách thức thẳng tắp, lô gíc, - Không nghĩ đến việc giải toán theo lối phỏng đoán và đi đường vòng. Theo xu thế chung của dạy học hiện nay, người ta coi trọng việc dạy cho học sinh chiến lược giải toán, không những hữu ích đối với việc giải các bài toán trong sách giáo khoa mà còn cần thiết hình thành cho học sinh một phong cách hoa học tiếp cận bài toán nói chung, một điều vô cùng quan trọng đối với hoạt động lao động trong tương lai của họ. Học ngay từ lúc khởi đầu việc giải toán sẽ giúp khắc phục những quan điểm sai trái vừa nêu, nảy sinh một mặt do tâm lí của người mới học bộ môn. Khi đứng trước một bài toán vật lí thường chú ý ưu tiên đến việc tìm ra lời giải đúng cho bài toán, và mặt khác còn do chưa hiểu rằng giải toán là một quá trình tiếp cận vấn đề được tổ chức để thực hiện việc thu thập và sử lí thông tin theo từng giai đoạn. Giải toán muốn đạt kết quả, chắc chắn phải là một hành động được tổ chức một cách có kế hoạch chặt chẽ và có hiệu quả nhằm đạt một mục đích xác định. Tôi xin được mạnh dạn đưa ra các bước (hay giai đoạn) trong chiến lược giải toán vật lí như sau: 1. Diễn đạt thành lời bài toán: Thái độ của học sinh đối với việc giải toán là nhân tố chính quy định sự thành công hoặc thất bại của họ. 2. Định rõ tính chất của bài toán: Tức là phân tích thông tin đã cung cấp và xác định cái gì đã biết và cái gì cần biết để giải được bài toán. Chính vì không có thói quen và kĩ năng phân tích thông tin được cung cấp trong bài toán mà các em học sinh thường hấp tấp lao vào việc giải toán ngay sau khi vừa đọc lướt qua đề bài và tưởng lầm là mình đã hiểu rõ nó. 3. Khám phá: Tức là động não tìm các chiến lược tổ chức thông tin đã cho và tìm cho được cái cần biết. Học khám phá trong giải toán vật lí có nghĩa là bạn học cách đối chiếu các thông tin đã cho (dữ kiện) với các thông tin yêu cầu phải tìm (đáp số) để đạt tới lời giải của bài toán. Đó cũng là quá trình bạn phải đi đến những thông tin mới có giá trị gợi mở, cho mình phương hướng tìm tòi khai thác giữ kiện hữu ích, tìm ra các con đường có thể đi theo để đạt kết quả. 4. Kế hoạch: Tức là quyết định chọn một chiến lược hoặc một nhóm chiến lược và lập các bước giải hoặc các bước phụ cho chiến lược đã chọn. Lập kế hoạch giải toán thường đòi hỏi phải trù liệu không những các bước đi cụ thể trong một chiến lược đã chọn mà còn phải tính cả đến các khả năng điều chỉnh các bước, bổ sung những chi tiết hành động ứng với những thay đổi nhất định về điều kiện, phương tiện giải toán hiện hữu. 5. Thực thi kế hoạch: Là một bước quan trọng quyết định chất lượng của việc giải toán. Với những bài toán vật lí tính toán, bạn nên tập thành thói quen giải trên các biểu thức bằng chữ và chỉ đến kết quả cuối cùng mới thay các giá trị bằng số vào để tính đáp số. Cách này giúp bạn dễ dàng kiểm tra lại cách thức vận dụng kiến thức để giải toán và phát hiện những sai lầm có thể mắc trong khi thực thi kế hoạch. Học sinh cũng cần rèn luyện kĩ năng tính toán cụ thể bao gồm cả kĩ năng ước lượng kết quả các phép tính và tính toán gần đúng. Còn với những kế hoạch giải toán có thể tiến hành thí nghiệm hoặc lập mô hình, vẽ đồ thị … thì kĩ năng thực hành đóng vai trò quan trọng quyết định sự thành công trong thực thi kế hoạch. Trong quá trình thực hành phải đặc biệt tuân thủ kĩ thuật an toàn và các trình tự thao tác theo đúng yêu cầu của từng công tác thực hành, đảm bảo mỗi bài toán loại này là một dịp tốt để rèn luyện kĩ năng thực hành về vật lí, chuẩn bị tích cực cho việc giải những bài toán vật lí có nội dung thực tế và kĩ thuật. 6. Đánh giá: Tức là khẳng định điều đã làm được, khẳng định đã giải xong bài toán và tại sao giải được hoặc tại sao không giải được. Đánh giá việc giải toán cũng là một việc rất quan trọng quyết định chất lượng của việc giải toán. Nếu do hướng tâm lí không đúng trước việc giải toán nhiều em học sinh thường coi việc đi đến đáp số của bài toán là mục đích cuối cùng của quá trình giải toán cho nên thường thỏa mãn với một kết quả nào đó mà thiếu kĩ năng và thói quen đánh giá kết quả. Từ đó một số học sinh đã bỏ lỡ một cơ hội rất thuận lợi thông qua việc đánh giá kết quả đã thu được để phát triển khả năng giải toán của mình. Trước một đáp số phi lí, ví dụ như tìm được nhiệt độ nóng chảy của một vật liệu dân dụng thông thường tới…hàng ngàn độ nếu bạn cho qua không một chút băn khoăn ngờ vực thì bạn đã bỏ lỡ một cơ hội đánh giá chính cái đề toán hoặc các số liệu mà đề toán đã cung cấp cho bạn. Một đáp án đúng vẫn đòi hỏi bạn phải đánh giá nó: ví dụ như tìm con đường khác hay hơn hoặc tương đương cũng đạt tới kết quả ấy, hoặc gợi ý cho bạn đề ra những bài toán khác bổ ích hơn...Đánh giá việc giải toán trong trường hợp không làm được toán lại càng cần thiết, đặc biệt là khi phải tiến hành các phép tính toán phức tạp hoặc các khâu thực nghiệm, xây dựng mô hình, vễ đồ thị, lập bảng….Bạn hãy sử dụng việc đánh giá quá trình giải toán như một phương tiện hữu hiệu tự kiểm tra việc học tập môn vật lí của mình. D. Đề suất áp dụng sáng kiến vào chiến lược giải toán loại “Phương trình cân bằng nhiệt” ở lớp tám: Những bài toán vật lí định lượng phải sử dụng phương trình cân bằng nhiệt (một trường hợp riêng của định luật bảo toàn năng lượng) thuộc một loại toán vật lí quan trọng trong chương trình Nhiệt học bậc THCS và có mối quan hệ với một lớp bài toán bao quát hơn về bảo toàn năng lượng. Chiến lược bao gồm những gợi ý sau: 1. Tất cả các bài toán thuộc loại này đều được giải dựa trên việc lập phương trình cân bằng nhiệt: Tổng các nhiệt lượng nhường = Tổng các nhiệt lượng nhận Trong đó nhiệt lượng được tính cho từng vật nhờ các công thức (1) hoặc (2) Công thức (1) dùng để tính nhiệt lượng nhường Hoặc nhiệt lượng nhận Qua nhiệt dung riêng của vật liệu ứng với vật có khối lượng m Công thức (2) áp dụng chung cho cả trường hợp có sự đốt cháy nhiên liệu và có sự chuyển thể, với L là năng suất tỏa nhiệt, nhiệt nóng chảy hoặc nhiệt hóa hơi. 2. Tổng quát hơn có thể viết dưới dạng tổng đại số: Ghi nhớ rằng, mỗi nhiệt lượng Q sẽ mang dấu (-) khi nó là Q nhường và mang dấu (+) khi là Q nhận. Dùng tổng đại số thì sẽ luôn là nhiệt độ cuối trừ nhiệt độ đầu của mỗi vật. Khi cần tìm một nhiệt độ chưa biết thì dùng kí hiệu đại số t và khi đó nếu một vật có nhiệt độ đầu là 200C và nhiệt độ cuối cần tìm là t thì ta phải viết (t - 200C) ở biểu thức tính nhiệt lượng Q của nó. 3. Trong những bài toán có sự chuyển thể thì phải cẩn thận về vai trò của nhiệt lượng chuyển thể trong sự trao đổi nhiệt, tức là phải cẩn thận về dấu của các Q chuyển thể. Khi nước đá tan thì nhiệt lượng nóng chảy là Q nhận (có dấu + trong công thức đại số), nhưng khi nước đóng băng thì nhiệt lượng nóng chảy là Q nhường (có dấu -). Riêng trường hợp đốt cháy nhiên liệu thì Q luôn là Q nhường (dấu -). 4. Có thể gặp trường hợp (chỉ cho học sinh giỏi THCS) không biết trước là tất cả hay chỉ một phần vật liệu tham gia chuyển thể trong quá trình trao đổi nhiệt. Cần tính cho cả hai trường hợp, rồi sẽ loại bỏ trường hợp nào cho kết quả phi lí theo dữ kiện bài toán và tính lại cho đến khi đạt được kết quả hợp lí. 5. Nếu sự trao đổi nhiệt diễn ra có hao phí, tức là chỉ có một phần nhiệt lượng nhường chuyển thành nhiệt lượng nhận thì phải tính đến hiệu suất H của quá trình, biểu diễn bằng tỉ số phần trăm giữa phần nhiệt lượng nhường đã chuyển Q1 trên toàn bộ nhiệt lượng nhường trong quá trình: .100% 6. Một số bài toán nói đến sự chuyển hóa nội năng thành cơ năng đòi hỏi vận dụng cả kiến thức về công cơ học và công suất. Do chương trình THCS chưa đề cập được tới nguyên lí thứ hai của nhiệt động lực học cho nên những bài toán loại này bao giờ cũng phải dùng đến khái niệm hiệu suất của động cơ, vì chỉ có phần nhiệt lượng hữu ích (hay số đo phần nội năng hữu ích) là chuyển thành (tức là bằng) công cơ học của động cơ: Qcó ích = A * Vận dụng chiến lược để giải ví dụ sau: Ví dụ: Một chủ nhà hàng phục vụ cà phê cho khách đã rót nước cà phê ở nhiệt độ 1000C vào những cái tách bằng sứ ở nhiệt độ 200C. Nếu mỗi cái tách có khối lượng 0,3kg và người chủ rót vào mỗi tách 0,1kg nước cà phê thì khi đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt thì nhiệt độ cân bằng sẽ là bao nhiêu, biết rằng nhiệt dung riêng của sứ là 1900J/kg.độ và coi như nước cà phê cũng có nhiệt dung riêng như nước? Giải: Ta sẽ lần lượt sử dụng cả phương trình cân bằng nhiệt dưới dạng giá trị tuyệt đối và dạng tổng đại số. Để tránh sự lẫn lộn ta sẽ tách riêng việc tính toán các nhiệt lượng nhường và nhận thành hai cột: Nhiệt lượng nhường Nhiệt lượng nhận Nước cà phê Khối lượng: mN = 0,1kg Nhiệt dung riêng: cN = 4200J/kg.K Nhiệt độ đầu: t2 = 1000C Nhiệt độ cuối: t = ? Nhiệt lượng nhường: Tách bằng sứ Khối lượng: mT = 0,3kg Nhiệt dung riêng: cT = 1900J/kg.K Nhiệt độ đầu: t2 = 200C Nhiệt độ cuối: t = ? Nhiệt lượng nhận: Phương trình cân bằng nhiệt là: CN.mN.(100 – t) = cT.mT.(t – 20) 4200.0,1.(100 – t) = 1900.0,3.(t – 20) 42000 – 420t = 570t – 11400 t = 53,940C Nếu lập tổng đại số các nhiệt lượng nhường và nhận thì nhiệt độ cuối cho cả hai vật đều là t, còn nhiệt độ đầu của nước cà phê là 1000C và của tách bằng sứ là 200C. Do đó: Nhiệt lượng nhường là: = 4200.0,1(t – 100) Nhiệt lượng nhận là: = 1900.0,3(t – 20) Lập tổng đại số và viết phương trình cân bằng nhiệt, ta có: Q1 + Q2 = 0 4200.0,1(t – 100) + 1900.0,3(t – 20) = 0 420t – 42000 + 570t – 11400 = 0 t = 53,940C Cả hai cách viết phương trình cân bằng nhiệt đều cho cùng một kết quả. Có thể thấy ngay cách viết tổng đại số đã đơn giản hóa việc ghi biểu thức (t2 – t1) cho cả vật nhường nhiệt và vật nhận nhiệt, nó luôn là hiệu số giữa nhiệt độ cuối và nhiệt độ đầu (kí hiệu chung là ) E. Vài điều tôi muốn gửi tới bạn đọc và đồng nghiệp: Bây giờ giải toán vật lí sẽ chẳng còn là một nhiệm vụ học tập đơn thuần, thậm chí là một ghánh nặng chán ngắt, mà nó sẽ trở nên một thứ kích thích niềm hứng thú nhận thức, tạo ra nhu cầu hoạt động trí tuệ và đồng thời là phương tiện có hiệu quả hình thành nên phong cách tư duy theo khoa học nơi bạn. Dĩ nhiên không phải lúc nào bạn cũng cần học giải toán vật lí qua đủ tất cả những giai đoạn như trên. Điều cốt yếu tôi muốn nhấn mạnh với bạn là đừng bao giờ bạn chỉ hài lòng với việc giải những bài toán trong sách giáo khoa quen thuộc đến mức trở thành bối rối khi bất ngờ gặp một bài toán vật lí không truyền thống. Ví dụ một bài toán thiếu dữ kiện hoặc cho nhầm giữ kiện, thậm trí bối rối cả khi gặp một bài toán vật lí không giống như những bài toán mẫu mà các thầy cô giáo đã đề ra và dạy cho bạn cách giải. Các bài toán giáo khoa nói chung và bài toán vật lí nói riêng, tuy rất quan trọng với cuộc đời học sinh của bạn, nhưng chúng chỉ chiếm chỗ trong tâm chí của bạn nhiều lắm là mười hai năm trung học và bốn hoặc năm năm đại học, chỉ trừ những người sau này trở thành giáo viên dạy vật lí, tôi dám chắc rằng không có mấy ai ghi nhớ những bài toán giáo khoa ấy lâu qúa gấp hai lần thời gian đi học. Trong suốt cuộc đời lao động dài của tất cả chúng ta, ai cũng phải đối mặt với những bài toán đa dạng và phức tạp hơn hẳn nhiều lần những bài toán giáo khoa. Bạn sẽ trở nên một người lao động thành đạt, và biết đâu còn có thể trở thành một nhà khoa học hay một nhà kĩ thuật giàu tài sáng tạo, nếu bạn học được cách giải những bài toán nói chung và toán vật lí nói riêng một cách thông minh sáng tạo. Bản báo cáo sáng kiến này chắc chắn còn nhiều thiếu sót, tôi thành thực chờ đón ý kiến chỉ bảo của các bạn đồng nghiệp để có thể sửa chữa được hoàn hảo hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Đánh giá xếp loại của cơ quan Xuân Trường,ngày 15 tháng 04 năm2009 Tác giả sáng kiến Trần Thị Sơn