Khóa luận Phân loại và phương pháp giải bài tập điện động lực vĩ mô

TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG KHOA SƯ PHẠM BỘ MÔN VẬT LÝ -- -- LÊ THỊ MỸ DUYÊN LỚP: DH5L KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC SƯ PHẠM NGÀNH VẬT LÝ PHÂN LOẠI VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP ĐIỆN ĐỘNG LỰC VĨ MÔ Giảng viên hướng dẫn: Th.S VŨ TIẾN DŨNG Long Xuyên, Tháng 5 năm 2008 Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu trường Đại Học An Giang, Ban chủ nhiệm Khoa Sư Phạm và các giáo viên trong Tổ Bộ Môn Vật Lý đã tạo điều kiện để tôi được làm khóa luận. Đặc biệt, tôi xin cảm ơn giáo viên Th.s Vũ Tiến Dũng đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn để tôi có thể hoàn thành khóa luận. Ngoài ra, tôi xin cảm ơn những người bạn, người thân đã luôn động viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian tôi làm khóa luận. Mặc dù đã có nhiều cố gắng, nhưng không thể tránh khỏi những thiếu sót, mong quý thầy cô cùng các bạn đọc nhận xét, góp ý thêm. Phần một: Mở đầu I. Lý do chọn đề tài Bài tập vật lý có vai trò đặc biệt quan trọng trong quá trình nhận thức và phát triển năng lực tư duy của người học, giúp cho người học ôn tập đào sâu mở rộng kiến thức, rèn luyện kỹ năng, kỹ xảo ứng dụng vật lý vào thực tiễn, góp phần phát triển tư duy sáng tạo. Vì vậy, phân loại và đề ra phương pháp giải bài tập vật lý là việc làm rất quan trọng và cần thiết đối với sinh viên sư phạm. Vật lý học hình thành bằng con đường thực nghiệm nên tính chất cơ bản của nó là thực nghiệm. Và để biểu diễn các quy luật vật lý, trình bày nó một cách chính xác, chặt chẽ trong những quan hệ định lượng phải dùng phương pháp toán học. Vật lý lý thuyết là sự kết hợp giữa phương pháp thực nghiệm và toán học. Như vậy, vật lý lý thuyết có nội dung vật lý và phương pháp toán học. Điện động lực học là một môn học của vật lý lý thuyết, nên cũng có những đặc điểm đó. Điện động lực vĩ mô nghiên cứu và biểu diễn những quy luật tổng quát nhất của trường điện từ và tương quan của nó với nguồn gây ra trường. Sau khi học xong học phần Điện động lực, tôi cảm thấy đây là môn học tương đối khó. Nguyên nhân, đây là môn học mới, có nhiều hiện tượng, khái niệm, định luật,… mới. Ngoài ra, muốn làm được bài tập Điện động lực, chúng ta phải biết được quy luật, bản chất vật lý và phải biết sử dụng phương pháp toán học (phương trình, hàm số, phép tính vi tích phân, các toán tử, phương pháp gần đúng,…). Trong khi vốn kiến thức về toán học thì hạn chế. Nên việc tìm ra một phương pháp giải cho bài tập Điện động lực là khó khăn. Với mục đích tìm hiểu sự tương ứng giữa những hiện tượng vật lý có tính quy luật (được biểu diễn dưới dạng những bài tập) với những mô hình toán học cụ thể, để qua đó xây dựng khả năng đoán nhận ý nghĩa vật lý của các mô hình toán học trong Điện động lực học nói riêng và vật lý lý thuyết nói chung mà tôi đã chọn đề tài: ”Phân loại và phương pháp giải bài tập Điện động lực học vĩ mô”. II. Đối tượng nghiên cứu Hệ thống các bài tập Điện động lực vĩ mô và các mô hình toàn học tương ứng với các mức độ nhận thức. III. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu 1. Mục đích nghiên cứu • Trang bị cho bản thân nội dung lý thuyết về quy luật nhận thức. • Phân loại bài tập dựa theo mức độ nhận thức. • Tìm phương pháp giải cho các loại bài tập. • Soi sáng nội dung lý thuyết, áp dụng thực tế. 2. Nhiệm vụ nghiên cứu • Tìm hiểu các quy luật của quá trình nhận thức và mức độ nhận thức. • Sưu tầm hệ thống bài tập liên quan nội dung lý thuyết được học. • Xác định nội dung lý thuyết tương ứng với các mức độ nhận thức. 1 • Xây dựng các tiêu chí để phân loại bài tập. • Đưa ra phương pháp giải chung và áp dụng phương pháp chung cho một số bài tập. • Một số bài tập đề nghị. IV. Phạm vi nghiên cứu Hệ thống các bài tập thuộc ba chương (Trường tĩnh điện, Trường tĩnh từ, Trường chuẩn dừng) của Điện động lực vĩ mô thuộc học phần Điện động lực học. V. Giả thuyết khoa học Căn cứ vào mức độ nhận thức, nếu phân loại và đề ra phương pháp giải bài tập Điện động lực học phù hợp với chương trình đào tạo giáo viên trung học phổ thông thì giúp nâng cao được chất lượng học tập của sinh viên. VI. Phương pháp nghiên cứu 1. Phương pháp đọc sách và nghiên cứu tài liệu. 2. Phương pháp lấy ý kiến của chuyên gia. 3. Phương pháp gần đúng. 4. Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết. VII. Đóng góp của đề tài • Xây dựng hệ thống bài tập theo mức độ nhận thức phần Điện động lực vĩ mô. • Làm tài liệu tham khảo cho sinh viên đặc biệt là sinh viên ngành vật lý. Nhằm nâng cao chất lượng học tập học phần Điện động lực học của sinh viên. VIII. Cấu trúc khóa luận Phần I: Mở đầu. I. Lý do chọn đề tài. II. Đối tượng nghiên cứu. III. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu. IV. Phạm vi nghiên cứu. V. Giả thuyết khoa học. VI. Phương pháp nghiên cứu. VII. Đóng góp của đề tài. VIII. Cấu trúc khóa luận. IX. Kế hoạch nghiên cứu. Phần II: Nội dung. Chương I: Cơ sở lý luận của đề tài. Chương II: Phân loại phương pháp giải. Phần III: Kết luận. 2 IX. Kế hoạch nghiên cứu • 7- 12/10/2007: Lựa chọn đề tài và nhận nhiệm vụ từ giảng viên hướng dẫn. • 13- 20/10/2007: Sưu tầm tài liệu cho đề tài. • 21- 26/10/2007: Xây dựng tiêu chí để phân loại bài tập. • 27/10- 2/11/2007: Xây dựng đề cương chi tiết. • 3- 16/11/2007: Hoàn thành đề cương chi tiết. • 17/11/2007-5/5/2008: Hoàn thành khóa luận. 3 Phần hai: Nội dung Chương I Cơ sở lý luận của đề tài 1. Lý luận về hoạt động nhận thức 1.1. Khái niệm hoạt động nhận thức Hoạt động nhận thức là quá trình tâm lý phản ánh hiện thực khách quan và bản thân con người thông qua các giác quan và dựa trên kinh nghiệm hiểu biết của bản thân. Việc nhận thức thế giới có thể đạt những mức độ khác nhau: từ đơn giản đến phức tạp, từ thấp đến cao. Vì thế, hoạt động nhận thức chia thành: nhận thức cảm tính và nhận thức lý tính. 1.2. Nhận thức cảm tính: là mức độ nhận thức đầu tiên, thấp nhất của con người. Trong đó con người phản ánh những thuộc tính bên ngoài, những cái đang trực tiếp tác động đến giác quan của họ. Nhận thức cảm tính bao gồm: cảm giác và tri giác. • Cảm giác: là quá trình nhận thức phản ánh từng thuộc tính riêng lẻ, bề ngoài của sự vật, hiện tượng và trạng thái bên trong của cơ thể khi chúng đang trực tiếp tác động vào giác quan của ta. • Tri giác: là quá trình nhận thức phản ánh một cách trọn vẹn các thuộc tính của sự vật, hiện tượng khi chúng trực tiếp tác động vào các giác quan của ta. 1.3. Nhận thức lý tính: là mức độ nhận thức cao ở con người, trong đó con người phản ánh những thuộc tính bên trong, những mối quan hệ có tính quy luật của hiện thực khách quan một cách gián tiếp. Nhận thức lý tính bao gồm: tư duy và tưởng tượng. • Tư duy: tư duy là một quá trình nhận thức phản ánh những thuộc tính bản chất, những mối liên hệ và quan hệ bên trong có tính quy luật của sự vật và hiện tượng trong hiện thực khách quan mà trước đó ta chưa biết. • Tưởng tượng: là một quá trình nhận thức phản ánh những cái chưa từng có trong kinh nghiệm của cá nhân bằng cách xây dựng hình ảnh mới trên cơ sở những biểu tượng đã có. 2. Lý luận về bài tập vật lý 2.1. Khái niệm bài tập vật lý Bài tập vật lý là một vấn đề đặt ra đòi hỏi người học phải giải quyết nhờ những suy luận logic, những phép tính toán và những thí nghiệm dựa trên cơ sở các định luật và các phương pháp vật lý. 2.2 Tác dụng của bài tập vật lý • Bài tập vật lý giúp người học ôn tập, đào sâu, mở rộng kiến thức. • Bài tập vật lý là điểm khởi đầu để dẫn tới kiến thức mới. • Giải bài tập vật lý có tác dụng rèn luyện kỹ năng, kỹ xảo vận dụng lý thuyết vào thực tiễn, rèn luyện thói quen vận dụng kiến thức khái quát. • Giải bài tập vật lý có tác dụng rèn luyện cho người học làm việc tự lực. 4 • Giải bài tập vật lý có tác dụng phát triển tư duy sáng tạo của người học. • Giải bài tập vật lý có tác dụng kiểm tra mức độ nắm vững kiến thức của người học. 3. Lý luận về phân loại bài tập vật lý Có nhiều kiểu phân loại bài tập vật lý: phân loại theo mục đích, phân loại theo nội dung, phân loại theo cách giải, phân loại theo mức độ nhận thức…Tùy theo mục đích sử dụng mà ta chọn cách phân loại phù hợp. ¾ Phân loại theo nội dung: có thể phân ra làm 4 loại. o Phân loại theo phân môn vật lý: chia các bài tập theo các đề tài của tài liệu vật lý. Bài tập về cơ học, bài tập về nhiệt học, bài tập về điện học,… Sự phân chia có tính quy ước. o Phân loại theo tính chất trừu tượng hay cụ thể của nội dung bài tập. Nét đặc trưng của những bài tập trừu tượng là nó tập trung làm nổi bản chất vật lý của vấn đề cần giải quyết, bỏ qua những yếu tố phụ không cần thiết. Những bài toán như vậy dễ dàng giúp người học nhận ra là cần phải sử dụng công thức hay định luật hay kiến thức vật lý gì để giải. Các bài tập có nội dung cụ thể, là nó gắn với cuộc sống thực tế và có tính trực quan cao. Khi giải các bài tập vật lý này người học nhận ra tính chất vật lý của hiện tượng qua phân tích hiện tượng thực tế, cụ thể của bài toán. o Phân loại theo tính chất kỹ thuật: đó là các bài toán có nội dung chứa đựng các tài liệu về sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, về giao thông, vận tải, thông tin liên lạc… o Phân loại theo tính chất lịch sử: đó là những bài tập chứa đựng những kiến thức có đặc điểm lịch sử: những dữ liệu về các thí nghiệm vật lý cổ điển, về những phát minh, sáng chế hoặc về những câu chuyện có tính chất lịch sử. ¾ Phân loại theo cách giải: có thể phân ra làm 4 loại. o Bài tập câu hỏi (bài tập định tính): là loại bài tập mà việc giải không đòi hỏi phải làm một phép tính nào hoặc chỉ phải làm những phép tính đơn giản có thể tính nhẩm được. Muốn giải bài tập này phải dựa vào những khái niệm, những định luật vật lý đã học, xây dựng những suy luận logic, để xác lập mối liên hệ phụ thuộc về bản chất giữa các đại lượng vật lý. o Bài tập tính toán (bài tập định lượng): là loại bài tập mà việc giải đòi hỏi phải thực hiện một loạt các phép tính. Được phân làm hai loại: bài tập tập dượt và bài tập tổng hợp.Bài tập tập dượt là loại bài tập tính toán đơn giản, muốn giải chỉ cần vận dụng một vài định luật, một vài công thức. Loại này giúp củng cố các khái niệm vừa học, hiểu kỷ hơn các định luật các công thức và cách sử dụng chúng, rèn luyện kỹ năng sử dụng các đơn vị vật lý và chuẩn bị cho việc giải các bài tập phức tạp hơn. Bài tập tổng hợp là loại bài tập tính toán phức tạp, muốn giải phải vận dụng nhiều khái niệm, nhiều công thức có khi thuộc nhiều bài, nhiếu phần khác nhau của chương trình. Loại bài tập này có tác dung đặc biệt trong việc mở rông, đào sâu kiến thức giữa các thành phần khác nhau của chương trình và bài tập này giúp cho người học biết tự mình lựa chọn những định luật, nhiều công thức đã học. o Bài tập thí nghiệm: là những bài tập đòi hỏi phải làm thí nghiệm mới giải được bài tập. Những thí nghiệm mà bài tập này đòi hỏi phải tiến hành được ở phòng thí nghiệm hoặc ở nhà với những dụng cụ thí nghiệm đơn giản mà người học có thể 5 tự làm, tự chế. Muốn giải phải biết cách tiến hành thí nghiệm và biết vận dụng các công thức cần thiết để tím ra kết quả. Loại bài tập này kết hợp được cả tác dụng của các loại bài tập vật lý nói chung và các loại bài thí nghiệm thực hành. Có tác dụng tăng cường tính tự lực của người học. o Bài tập đồ thị: là loại bài tập trong đó các số liệu được dùng làm dữ liệu để giải, phải tìm trong các đồ thị cho trước hoặc ngược lại, đòi hỏi người học phải biểu diễn quá trình diễn biến của hiện tượng nêu trong bài tập bằng đồ thị. ¾ Phân loại theo mức độ nhận thức: dựa vào thang đo nhận thức Bloom, ta có thể phân loại bài tập theo các mức độ: o Bài tập vận dụng, tái hiện tái tạo: là khả năng ghi nhớ và nhận diện thông tin. o Bài tập hiểu áp dụng: là khả năng hiểu, diễn dịch, diễn giải, giải thích hoặc suy diễn. o Bài tập vận dụng linh hoạt: là khả năng sử dụng thông tin và kiến thức từ một sự việc này sang sự việc khác. o Bài tập phân tích, tổng hợp: phân tích là khả năng nhận biết chi tiết, phát hiện và phân biệt các bộ phận cấu thành của thông tin hay tình huống; tổng hợp là khả năng hợp nhất nhiều thành phần để tạo thành vật lớn, khả năng khái quát. o Bài tập đánh giá: là khả năng phán xét giá trị hoặc sử dụng thông tin theo các tiêu chí thích hợp. 4. Lý luận về phương pháp giải bài tập vật lý 4.1 Phương pháp giải bài tập vậy lý Xét về tính chất của các thao tác tư duy khi giải các bài tập vật lý, người ta thường dùng phương pháp phân tích và phương pháp tổng hợp. • Giải bài tập bằng phương pháp phân tích Theo phương pháp này xuất phát điểm của suy luận là đại lượng cần tìm. Người giải phải tìm xem đại lượng chưa biết có liên quan gì với những đại lượng vật lý nào, và khi biết được sự liên hệ này thì biểu diễn nó thành những công thức tương ứng. Nếu một vế của công thức là đại lượng cần tìm còn vế kia chỉ gồm những dữ kiện của bài tập thì công thức ấy cho ta đáp số của bài tập. Nếu trong công thức còn những đại lượng khác chưa biết thì đối với mỗi đại lượng, cần tìm một biểu thức liên hệ nó với các đại lượng vật lý khác, cứ làm như thế cho đến khi nào biểu diễn được hoàn toàn đại lượng cần tìm bằng những đại lượng đã biết thì bài toán đã được giải xong. Như vậy theo phương pháp này ta có thể phân tích một bài toán phức tạp thành những bài toán đơn giản hơn rồi dựa vào những quy tắc tìm lời giải mà lần lượt giải các bài tập đơn giản này, từ đó tìm ra lời giải của bài tập phức tạp trên. • Giải bài tập bằng phương pháp tổng hợp Theo phương pháp này suy luận không bắt đầu từ đại lượng cần tìm mà bắt đầu từ các đại lượng đã biết, có nêu trong đề bài. Dùng công thức liên hệ các đại lượng này với các đại lượng chưa biết, ta đi dần tới công thức cuối cùng, trong đó chỉ có một đại lượng chưa biết là đại lượng cần tìm. Nhìn chung giải bài tập vật lý ta phải dùng chung hai phương pháp phân tích và tổng hợp. Phép giải bắt đầu bằng phân tích các điều kiện của bài toán để hiểu đề bài, 6 phải có sự tổng hợp kèm theo ngay để kiểm tra lại mức độ đúng đắn của các sự phân tích ấy. Muốn lập được kế hoạch giải phải đi sâu phân tích nội dung vật lý của bài tập, tổng hợp những dữ kiện đã cho với những quy luật vật lý đã biết, ta mới xây dựng được lời giải và kết quả cuối cùng. Vậy ta đã dùng phương pháp phân tích và tổng hợp. 4.2 Trình tự giải bài tập vật lý • Bước 1: Tìm hiểu đề bài - Đọc, ghi ngắn gọn các dữ liệu xuất phát và các vần đề phải tìm. - Mô tả lại tình huống đã nêu trong đề bài, vẽ hình minh họa. - Nếu đề bài cần thì phải dùng đồ thị hoặc làm thí nghiệm để thu được các dữ liệu cần thiết. • Bước 2: Xác lập những mối liên hệ cơ bản của các dữ liệu xuất phát và các cái phải tìm. - Đối chiếu các dữ liệu xuất phát và cái phải tìm, xem xét bản chất vật lý của những tình huống đã cho để nghĩ đến các kiến thức, các định luật, các công thức có liên quan. - Xác lập các mối liên hệ cơ bản, cụ thể các dữ liệu xuất phát và các vấn đề phải tìm. - Tìm kiếm lựa chọn các mối liên hệ tối thiểu cần thiết sao cho thấy được mối liên hệ của cái phải tìm với các dữ liệu xuất phát, từ đó có thể rút ra vấn đề cần tìm. • Bước 3: Rút ra kết quả cần tìm Từ các mối liên hệ cần thiết đã xác lập, tiếp tục luận giải, tính toán để rút ra kết quả cần tìm. • Bước 4: Kiểm tra, xác nhận kết quả để có thể xác lập kết quả cần tìm, cần kiểm tra lại việc giải theo một hoặc một số cách sau: - Kiểm tra xem đã tính toán đúng chưa. - Kiểm tra xem thứ nguyên có phù hợp không. - Kiểm tra kết quả bằng thực nghiệm xem có phù hợp không. - Giải bài toán theo cách khác xem có cho cùng kết quả không. 4.3 Lựa chọn bài tập vật lý Lựa chọn một hệ thống bài tập thỏa mãn các yêu cầu sau: • Các bài tập phải từ dễ đến khó, đơn giản đến phức tạp, giúp người học nắm được phương pháp giải các bài tập điển hình. • Hệ thống bài tập cần bao gồm nhiều thể loại bài tập. Bài tập giả tạo và bài tập có nội dung thực tế, bài tập luyện tập, bài tập sáng tạo, bài tập thừa hoặc thiếu dữ kiện, bài tập có tính chầt ngụy biện và nghịch lý, bài tập có nhiều cách giải khác nhau, bài tập có nhiều lời giải tùy thuộc những điều kiện cụ thể của bài tập. • Lựa chọn chuẩn bị các bài tập nêu vấn đề để sử dụng trong tiết dạy nghiên cứu tài liệu mới nhằm kích thích hứng thú học tập và phát triển tư duy của người học. 7 • Lựa chọn những bài tập nhằm củng cố, bổ sung, hoàn thiện những kiến thức cụ thể đã học, cung cấp cho học sinh những hiểu biết về thực tế, kỹ thuật có liên quan với kiến thức lý thuyết. • Lựa chọn, chuẩn bị các bài tập điển hình nhằm hướng dẫn cho người học vận dụng kiến thức đã học để giải những loại toán cơ bản, hình thành phương pháp chung để giải các bài tập đó. 5. Tóm tắt nội dung lý thuyết 5.1. Trường điện từ Trường điện từ là một dạng đặc biệt của vật chất. Nó có tính hai mặt là liên tục dưới dạng sóng và gián đoạn dưới dạng lượng tử (hạt photon). Trường điện từ thể hiện sự tồn tại và vận động qua tương tác với các hạt mang điện đứng yên hay chuyển động những lực phụ thuộc khoảng cách và vận tốc của chúng. Tính liên tục của trường điện từ thể hiện ở cấu trúc sóng. Trong chân không trường điện từ lan truyền với vận tốc không đổi độc lập với tần số của trường và có giá trị bằng vận truyền của ánh sáng trong chân không. Tính gián đoạn của trường điện từ thể hiện ở cấu trúc lượng tử (hay hạt). Trường điện từ có tính hai mặt là sóng và hạt đồng thời, nhưng tùy thuộc phạm vi không gian khảo sát nghiên cứu nó mà đặc tính này hay đặc tính kia thể hiện rõ rệt hơn. Trong phạm vi vĩ mô thì trường điện từ thể hiện đặc tính sóng là chính. Còn trong phạm vi vi mô đặc tính hạt của trường điện từ lại nổi trội. Trường điện từ biểu hiện rõ ở hai dạng là điện trường và từ trường khác nhau nhưng liên quan chặt chẽ với nhau. Điện trường biến đổi sinh ra từ trường và ngược lại từ trường biến đổi sinh ra điện trường. 5.2. Tính chất của trường điện từ Trường điện từ là trường vectơ và có thể biểu diễn qua các đường sức của trường. Trường điện từ mang năng lượng. 5.3. Nguồn của trường điện từ: là điện tích và dòng điện được đặc trưng bởi đại lượng: điện tích Q hoặc mật độ điện tích ρ, dòng điện I hoặc mật độ dòng điện J . 5.4. Các đại lượng vật lý đặc trưng cho trường điện từ 5.4.1. Vectơ cường độ điện trường E Trường do các điện tích đứng yên hoặc chuyển động (dòng điện) sinh ra. Để đặc trưng cho trường điện từ về dạng trường, người ta dùng đại lượng vật lí là: vectơ cường độ điện trường E . Điện trường được đặc trưng bởi lực tác dụng lên điện tích đặc trong trường theo biểu thức: F = qE (1) F là lực tác dụng của điện trường có cường độ E lên điện tích q đặt trong trường tại một điểm nào đó, q là điện tích thử. Nếu điện tích thử là dương và có giá trị bằng một đơn vị điện tích (q=1C) thì: 8 F E = = F q Cường độ điện trường E tại một điểm nào đó là một đại lượng vectơ có trị số bằng lực tác dụng lên một điện tích dương đặt ở điểm đã cho. Từ biểu thức (1) và định luật Coulomb ta xác định được cường độ điện trường E do điện tích điểm Q tạo ra: F Qro E = = 2 q 4πε o r Quy ước: Điện tích Q là dương thì đường sức của điện trường E của nó sẽ hướng theo bán kính vectơ đơn vị ro từ điểm đặt nguồn ra ngoài, còn khi Q âm thì hướng của E sẽ đổi chiều ngược lại. Trong chân không hay không khí, có N điện tích điểm riêng rẽ, thì theo nguyên lí chồng chất điện trường: N N 1 Qk E = ∑ Ek = ∑ rok . k =1 4πε o k =1 rk Điện trường do các dây, mặt và thể tích tích điện được tính: 1 ρ dl E = l r l ∫ 2 o 4πε o l r 1 ρ dS E = S r S ∫ 2 o 4πε o S r 1 ρ dV E = V r V ∫ 2 o 4πε o V r 5.4.2. Vectơ cảm ứng điện D Trong chân không vectơ cường độ điện trường E đủ để mô tả trạng thái của điện trường.