1. Trang Chủ
  2. Khoa học xã hội
  3. Khóa luận tốt nghiệp: Xây dựng tài liệu tham khảo các kiến thức cơ học lượng tử cho học sinh trung học phổ thông

Khóa luận tốt nghiệp: Xây dựng tài liệu tham khảo các kiến thức cơ học lượng tử cho học sinh trung học phổ thông

Bài nghiên cứu này tập trung xây dựng nội dung cho tài liệu tham khảo về cơ học lượng tử cơ bản cho học sinh trung học phổ thông. Nội dung nghiên cứu: Tâm lí học sinh, nội dung kiến thức cơ học lượng tử, các ứng dụng cơ học lượng tử. Mời các bạn cùng tham khảo! BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÍ TRƯƠNG HUÊ BẢO KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP XÂY DỰNG TÀI LIỆU THAM KHẢO CÁC KIẾN THỨC CƠ HỌC LƯỢNG TỬ CHO HỌC SINH TRUNG HỌC PHỔ THÔNG Chuyên ngành: Lí lu

Thể loại Tài liệu miễn phí Khoa học xã hội

Số trang 64

Ngày tạo 10/15/2021 9:26:11 PM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước 1.39 M

Tên tệp

Tải Khóa luận tốt nghiệp: Xây dựng tài liệu tham khảo ... (.pdf)

Xem mẫu

  1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÍ TRƯƠNG HUÊ BẢO KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP XÂY DỰNG TÀI LIỆU THAM KHẢO CÁC KIẾN THỨC CƠ HỌC LƯỢNG TỬ CHO HỌC SINH TRUNG HỌC PHỔ THÔNG Chuyên ngành: Lí luận và phương pháp dạy học bộ môn Vật lí TP. HỒ CHÍ MINH, 2019
  2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÍ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP XÂY DỰNG TÀI LIỆU THAM KHẢO CÁC KIẾN THỨC CƠ HỌC LƯỢNG TỬ CHO HỌC SINH TRUNG HỌC PHỔ THÔNG Người thực hiện: TRƯƠNG HUÊ BẢO Người hướng dẫn khoa học: TS. ĐỖ VĂN NĂNG TP. HỒ CHÍ MINH, 2019
  3. i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn TS. ĐỖ VĂN NĂNG - người đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện khóa luận này. Tôi xin chân thành cảm ơn Trường, Phòng Đào tạo, các thầy cô trong khoa Vật lí - Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện khóa luận này. Tôi cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy Trần Thanh Bình, hiệu trưởng trường THPT Võ Văn Kiệt đã tạo điều kiện cho tôi thực hiện khảo sát thực trạng tại trường. Qua đây, tôi cũng xin bày tỏ lòng cảm ơn đến gia đình, người thân và bạn bè đã giúp đỡ tôi trong thời gian thực hiện khóa luận này. TP. Hồ Chí Minh, ngày 08 tháng 5 năm 2019 SINH VIÊN TRƯƠNG HUÊ BẢO
  4. ii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1.Mô hình vật đen thường được dùng trong phòng thí nghiệm. .............. 16 Hình 2.2.Phổ bức xạ của vật đen ứng với các nhiệt độ khác nhau. ..................... 17 Hình 2.3.Các loại quang phổ. ............................................................................... 18 Hình 2.4.Hố thế năng chữ nhật vuông góc thành cao vô hạn bề rộng 𝑎. ............. 21 Hình 2.5.Rào thế bậc thang chiều cao 𝑉0. ........................................................... 22 Hình 2.6.Đường cong thể hiện sự phụ thuộc vào nhiệt độ của nhiệt dung riêng của mạng tinh thể một số chất. .................................................................................... 33 Hình 2.7.Sự khác nhau giữa các vùng năng lượng. ............................................. 35 Hình 2.8.Sự tạo ảnh phóng đại qua kính hiển vi quang học. ............................... 37 Hình 2.9.Máy tính lượng tử của hãng D-wave. ................................................... 39
  5. iii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1.Một số đặc điểm của hạt Pion ............................................................... 36 Bảng 3.1.Số liệu thống kê về đánh giá các kiến thức........................................... 41 Bảng 3.2.Điểm trung bình và mức độ phù hợp của các kiến thức ....................... 42 Bảng 3.3.Số liệu thống kê về đánh giá tài liệu ..................................................... 43 Bảng 3.4.Điểm trung bình và các mức độ khảo sát về tài liệu ............................. 44
  6. iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. I DANH MỤC HÌNH ẢNH ......................................................................................... II DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... III MỤC LỤC ...........................................................................................................IV PHẦN MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1 I. Giới thiệu tổng quan ............................................................................................ 1 II.Mục tiêu thực hiện của đề tài .............................................................................. 2 III.Giả thuyết khoa học ........................................................................................... 2 IV.Đối tượng nghiên cứu ........................................................................................ 3 V.Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................ 3 VI.Nhiệm vụ nghiên cứu ........................................................................................ 3 VII.Phương pháp nghiên cứu .................................................................................. 3 CHƯƠNG 1. XÂY DỰNG TÀI LIỆU KIẾN THỨC CƠ HỌC LƯỢNG TỬ CHO MÔN VẬT LÍ BẬC TRUNG HỌC PHỔ THÔNG .................................................... 4 1.1.Cơ sở xây dựng hệ thống kiến thức cơ học lượng tử môn vật lí bậc trung học phổ thông ............................................................................................................. 4 1.1.1. Một số đặc điểm về tâm lí học của học sinh trung học phổ thông ..........4 1.1.2. Công cụ toán học ở bậc trung học phổ thông ..........................................6 1.1.3. Một số kiến thức vật lí ở bậc trung học phổ thông ..................................7 1.1.4. Đặc điểm kiến thức cơ học lượng tử ở bậc trung học phổ thông ............9 1.1.5. Các tiêu chí lựa chọn kiến thức trong tài liệu ........................................10 1.2.Quy trình xây dựng hệ thống kiến thức cơ học lượng tử cho môn vật lí bậc trung học phổ thông .............................................................................................. 10 1.2.1. Phân tích các đặc điểm cơ bản của kiến thức vật lí bậc trung học phổ thông ...............................................................................................................10 1.2.2. Xác định mục tiêu chung của tài liệu ....................................................12 1.2.3. Xây dựng cấu trúc các nội dung kiến thức ............................................13 1.2.4. Thiết kế nội dung chi tiết cho từng bài học ...........................................13 1.2.5. Thực hiện khảo sát, đánh giá .................................................................13
  7. v CHƯƠNG 2. NỘI DUNG TÀI LIỆU THAM KHẢO KIẾN THỨC CƠ HỌC LƯỢNG TỬ CHO HỌC SINH TRUNG HỌC PHỔ THÔNG ................................ 14 2.1.Khái quát về cơ học lượng tử.......................................................................... 14 2.1.1. Khái niệm về cơ học lượng tử ...............................................................14 2.1.2. Các khái niệm ........................................................................................15 2.1.3. Các lí thuyết lượng tử cơ bản ................................................................23 2.2.Các ứng dụng của cơ học lượng tử ................................................................. 31 2.2.1. Giải thích sự phụ thuộc của nhiệt dung chất rắn vào nhiệt độ ..............32 2.2.2. Xây dựng lí thuyết để phân biệt kim loại, chất bán dẫn và điện môi ....34 2.2.3. Tiên đoán hạt meson ..............................................................................35 2.2.4. Kính hiển vi quét xuyên hầm lượng tử (STM) ......................................36 2.2.5. Máy tính lượng tử ..................................................................................38 CHƯƠNG 3. KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ TÀI LIỆU THAM KHẢO CƠ HỌC LƯỢNG TỬ CHO HỌC SINH TRUNG HỌC PHỔ THÔNG ................................ 40 3.1.Mục tiêu khảo sát, đánh giá ............................................................................ 40 3.2.Phạm vi và đối tượng khảo sát, đánh giá ........................................................ 40 3.2.1. Phạm vi ..................................................................................................40 3.2.2. Đối tượng ...............................................................................................40 3.3.Tiến trình khảo sát, đánh giá........................................................................... 40 3.3.1. Lập phiếu khảo sát, đánh giá .................................................................40 3.3.2. Lấy ý kiến khảo sát, đánh giá ................................................................40 3.4.Kết quả khảo sát, đánh giá .............................................................................. 40 3.4.1. Về các nội dung kiến thức được truyền tải trong tài liệu tham khảo ....40 3.4.2. Về đánh giá tổng quát tài liệu ................................................................43 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 47 PHỤ LỤC ........................................................................................................ PL1 Phụ Lục 1 ........................................................................................................ PL1 Phụ lục 2 ........................................................................................................ PL3 Phụ lục 3 ........................................................................................................ PL5
  8. 1 PHẦN MỞ ĐẦU I. Giới thiệu tổng quan Thế giới chúng ta đã và đang trải qua bốn cuộc cách mạng công nghiệp lớn. Các cuộc cách mạng công nghiệp này ít nhiều đều liên quan đến lĩnh vực vật lí. Trong đó, vật lí hiện đại đã đóng góp một phần quan trọng trong cuộc cách mạng công nghiệp lần Thứ Tư. Điều này đã một phần khẳng định rằng vật lí ngày càng mở rộng và ngày càng phát triển lớn mạnh, đi sâu vào đời sống thường ngày của mọi người. Điển hình như máy tính lượng tử, một ứng dụng của vật lí hiện đại đang rất được quan tâm, được đánh giá là một “bước nhảy vọt” của công nghê thông tin thế kỉ XXI. [5] Như vậy, các kiến thức vật lí hiện đại đang được mọi người tập trung chú ý tới, đặc biệt là cơ học lượng tử – kiến thức nền tảng cho vật lí hiện đại. Chương trình học môn vật lí bậc trung học phổ thông hiện nay chỉ dừng lại ở việc cung cấp các kiến thức vật lí ở mức độ cổ điển. Các kiến thức này đã được phát triển và được đưa vào giảng dạy từ rất nhiều năm trước. Ngày nay, cùng với mạng xã hội và các thiết bị công nghê thông tin, học sinh có thể dễ dàng tiếp cận các kiến thức vật lí này. Trong khi đó, các kiến thức vật lí hiện đại, cụ thể là cơ học lượng tử đang rất được quan tâm vì có nhiều sản phẩm và giải pháp hiện đại phục vụ đời sống và khoa học kỹ thuật, tiêu biểu như máy tính lượng tử, kính hiển vi quét xuyên hầm lượng tử, … Nhờ các lí thuyết cơ học lượng tử mà chúng ta có thể hiểu hơn và giải thích rõ hơn về các quy luật, hiện tượng vật lí liên quan. Đồng thời, các lý thuyết này cũng giúp con người hiểu biết hơn về thế giới và cuộc sống. Nhìn chung, cơ học lượng tử đang đóng một vai trò không nhỏ đối với khoa học kĩ thuật và đời sống nhưng chương trình môn Vật lí ở Việt Nam hiện tại vẫn chưa đề cập tới các kiến thức này. Nên điều cấp thiết là phải giới thiệu được cho học sinh những kiến thức vật lí hiện đại, đặc biệt là cơ học lượng tử, một cách đơn giản nhất để giúp học sinh vừa tiếp cận được những điều mới, vừa có thể tạo nên niềm yêu thích khoa học ở mỗi học sinh. Việc truyền tải một số kiến thức vật lí hiện đại, bao gồm cơ học lượng tử đã được nền giáo dục của nhiều quốc gia phát triển quan tâm. Đã có nhiều công trình nghiên cứu để đưa cơ học lượng tử đến gần hơn với trẻ em, tiêu biểu cho các tác phẩm
  9. 2 này gồm có “Quantum Mechanics for Babies” (tạm dịch: Cơ học lượng tử cho Trẻ nhỏ), “Quantum Computing for Babies” (tạm dịch: Điện toán lượng tử cho Trẻ nhỏ), “Quantum Entanglement for Babies” (tạm dịch: Vướn víu lượng tử cho Trẻ nhỏ) và nhiều sách khác của tác giả Chris Ferrie. Trong đó, sách “Quantum Mechanics for Babies” chỉ đơn thuần giúp cho các bé biết rằng thế giới nguyên tử luôn chuyển động liên tục. Tác giả giới thiệu một cách hài hước, dễ hiểu với những hình vẽ minh hoạ để trẻ nhỏ có thể biết một phần nào đó về vật lí hiện đại. Nhưng, kiến thức mà các tác phẩm này cung cấp chỉ dừng lại ở mức độ đơn giản, vì đối tượng nhắm đến là các em nhỏ. Và hiện nay, chưa có một tài liệu nào để cung cấp kiến thức cơ học lượng tử bậc trung học phổ thông. Một cuộc khảo sát nhỏ được diễn ra để hỏi thăm ý kiến của học sinh và giáo viên về sự mong muốn tài liệu này (phiếu khảo sát được cung cấp ở phụ lục 1 và phụ lục 2), kết quả cho thấy học sinh có mong muốn được tìm hiểu thêm các ứng dụng liên quan đến cơ học lượng tử, từ đó, các em muốn đọc thêm tài liệu để có thể mở mang kiến thức. Trước thực tế đó, việc xây dựng một tài liệu tham khảo về kiến thức vật lí hiện đại, cụ thể hơn là cơ học lượng tử là một điều cần thiết. Do vậy, nghiên cứu này tập trung xây dựng nội dung cho tài liệu tham khảo về cơ học lượng tử cơ bản cho học sinh trung học phổ thông. II. Mục tiêu thực hiện của đề tài Xây dựng được một tài liệu tham khảo về cơ học lượng tử ở mức độ cơ bản cho học sinh trung học phổ thông. III. Giả thuyết khoa học Nếu chỉ ra và sử dụng được các đặc điểm cần thiết của các kiến thức cơ học lượng tử cho học sinh Trung học Phổ thông thì sẽ xây dựng được tài liệu tham khảo về cơ học lượng tử cho bậc Trung học Phổ thông một cách phù hợp với nhận thức của học sinh; góp phần cập nhật các kiến thức vật lí hiện đại; cung cấp được một số ứng dụng trong đời sống và khoa học kĩ thuật; vun đắp thêm niềm đam mê khoa học cho học sinh.
  10. 3 IV. Đối tượng nghiên cứu Những kiến thức cơ học lượng tử, các ứng dụng của cơ học lượng tử và đặc điểm tâm lí, nhu cầu nhận thức của học sinh trung học phổ thông. V. Phạm vi nghiên cứu Địa bàn nghiên cứu: Học sinh, sinh viên và giáo viên thuộc thành phố Hồ Chí Minh. Nội dung nghiên cứu: Tâm lí học sinh, nội dung kiến thức cơ học lượng tử, các ứng dụng cơ học lượng tử. VI. Nhiệm vụ nghiên cứu − Nhiệm vụ 1: Tìm hiểu các kiến thức cơ học lượng tử và viết lại một cách đơn giản, dễ hiểu; sắp xếp theo một trình tự hợp lí, logic. − Nhiệm vụ 2: Tìm hiểu cơ sở xây dựng tài liệu tham khảo kiến thức (đặc điểm tâm sinh lí, công cụ toán, kiến thức vật lí). − Nhiệm vụ 3: Tìm hiểu cách xây dựng tài liệu tham khảo kiến thức (cơ sở, quy trình). − Nhiệm vụ 4: Viết tài liệu. − Nhiệm vụ 5: Chỉnh sửa các sai sót. Hoàn thiện sản phẩm. − Nhiệm vụ 6: Khảo sát, đánh giá sản phẩm. VII. Phương pháp nghiên cứu − Phương pháp phân tích và tổng hợp lí thuyết. − Phương phân loại hệ thống hoá lí thuyết. − Phương phân tích và tổng hợp kinh nghiệm. − Phương pháp kiểm tra, đánh giá.
  11. 4 CHƯƠNG 1. XÂY DỰNG TÀI LIỆU KIẾN THỨC CƠ HỌC LƯỢNG TỬ CHO MÔN VẬT LÍ BẬC TRUNG HỌC PHỔ THÔNG 1.1. CƠ SỞ XÂY DỰNG HỆ THỐNG KIẾN THỨC CƠ HỌC LƯỢNG TỬ MÔN VẬT LÍ BẬC TRUNG HỌC PHỔ THÔNG 1.1.1. Một số đặc điểm về tâm lí học của học sinh trung học phổ thông 1.1.1.1. Hoạt động học tập – hướng nghiệp của học sinh trung học phổ thông Hoạt động học tập - hướng nghiệp là một hoạt động chủ đạo của học sinh trung học phổ thông. Hoạt động này rất quan trọng đối với các em và chi phối hầu hết đến sự hình thành và phát triển nhân cách. Ở tuổi này các em đã hình thành xu hướng nghề nghiệp. Đây là một nét cấu tạo tâm lí mới của học sinh trung học phổ thông. Nhờ có xu hướng nghề nghiệp mà học sinh có những động lực nhằm thúc đẩy bản thân các em cố gắng học tập và tìm kiếm những phương pháp để rèn luyện bản thân mình. Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến việc chọn nghề của học sinh như ý kiến của phụ huynh, khả năng tự đánh giá bản thân, tác động từ bạn bè, sự hướng dẫn của thầy cô giáo, … Chọn nghề là một công việc có ý nghĩa trong cuộc đời của học sinh, do đó, nhà trường, giáo viên cùng phối hợp với phụ huynh học sinh để định hướng tốt cho các em sau này. [4] Các ngành nghề liên quan đến vật lí ít nhiều đều phải học về cơ học lượng tử. Do đó, việc xây dựng tài liệu tham khảo về cơ học lượng tử để giới thiệu cho học sinh một phần nào đó giúp các em đỡ bỡ ngỡ khi phải học môn này trên giảng đường đại học, cũng như vun đắp thêm cho học sinh niềm đam mê khoa học, không ngừng tìm tòi cái mới. 1.1.1.2. Hoạt động nhận thức của học sinh trung học phổ thông a. Tri giác Ở lứa tuổi trung học phổ thông, tri giác đã phát triển hơn nhiều. Các em tri giác có chủ định, có mục đích hơn, vừa tri giác vừa suy xét. Học sinh khi tri giác một vấn
  12. 5 đề mới luôn tự đặt ra câu hỏi như “Học làm gì?”, “Có ý nghĩa gì với đời sống?”, “Có liên quan gì đến những cái mình đã học không?”. [4] Do đó, việc xây dựng tài liệu tham khảo về cơ học lượng tử sẽ dựa trên kiến thức vật lí mà các em đã được giới thiệu, thông qua đó nêu lên những ứng dụng thực tế để các em cảm thấy kiến thức gần gũi hơn với đời sống hằng ngày. [4] b. Trí nhớ Cũng như tri giác, việc ghi nhớ của học sinh trung học phổ thông là ghi nhớ có chủ định, nó phát triển mạnh mẽ và đóng vai trò rất quan trọng trong việc phát triển nhận thức của học sinh. Ngoài ra, việc ghi nhớ có ý nghĩa ở lứa tuổi này phát triển mạnh mẽ và tạo nên tính logic, mang tính hệ thống cao trong nhận thức của học sinh. [4] Do đó, tài liệu về cơ học lượng tử sẽ đưa ra những nội dung chính, những nội dung quan trọng và cơ bản nhất của cơ học lượng tử giới thiệu cho học sinh. Ngoài ra, cách sắp xếp bố cục cũng sẽ hợp lí để các em có thể nhớ lâu hơn. Hệ thống kiến thức cơ học lượng tử sẽ đưa vào những hình ảnh minh hoạ để học sinh có thể hình dung được bài học dễ dàng hơn. c. Tư duy Phát triển tư duy cho học sinh là một trong những mục tiêu quan trọng của nền giáo dục hiện nay. Việc phát triển tư duy cho học sinh, đặc biệt là học sinh trung học phổ thông sẽ giúp học sinh phát triển hoàn thiện về nhận thức và tạo ra niềm tin, sự tự tin cho các em khi gặp một vấn đề mới cần được giải quyết. Ở lứa tuổi trung học phổ thông, tư duy trừu tượng phát triển mạnh và giữ vai trò quan trọng. Ngoài ra, các phẩm chất tư duy như tính độc lập, tính lập luận, tính phê phán, tính linh hoạt, … cũng phát triển mạnh mẽ. Hơn nữa, tư duy lí luận giúp các em có thể giải quyết các vấn đề học tập cũng như làm cơ sở để có thể học tiếp ở bậc học cao hơn, hình thành thế giới quan khoa học ở chính bản thân các em. [4] Do đó, tài liệu cơ học lượng tử sẽ được xây dựng tối ưu để có thể phát triển tư duy cho học sinh, từ đó hình thành thế giới quan khoa học cho các em. Tài liệu này
  13. 6 sẽ dựa trên kiến thức mà học sinh đã biết và dùng các phương pháp đối chiếu, so sánh, … để đưa ra kiến thức mới. 1.1.2. Công cụ toán học ở bậc trung học phổ thông Toán học là một công cụ rất cần thiết cho bộ môn vật lí. Toán học vừa là công cụ để có thể giải quyết những bài toán khó, mặt khác, toán học là một cách thể hiện về mặt kí hiệu của các định luật, định lí của vật lí. Hiểu biết được ý nghĩa toán học sẽ giúp chúng ta hiểu sâu hơn về vật lí từ đó hiểu được thế giới chúng ta nhiều hơn. Do vậy, toán học là một công cụ không thể thiếu cho việc xây dựng các kiến thức vật lí. Ở Việt Nam, học sinh đã bước đầu làm quen với những con số từ mẫu giáo, và việc học toán đã đi theo các em từ Tiểu học, đến hết bậc Trung học phổ thông. Mỗi cấp bậc cung cấp cho các em các kiến thức toán học cơ bản và càng nâng cao hơn cả các bậc học khác. Xét ở bậc trung học phổ thông, toán học đã tách thành ba mảng khác nhau để các em có thể phân biệt được: Đại Số, Giải Tích và Hình học. Các em được giới thiệu rất nhiều về các kiến thức toán học cơ bản như hàm số, đồ thị hàm số và các ý nghĩa của hàm số. Các tính chất của hàm số như tính liên tục, tính đồng biến, nghịch biến. Hàm số mà các em đã được giới thiệu là một phần quan trọng của cơ học lượng tử, các em cần các kiến thức này để có thể liên hệ với hàm sóng. Ngoài ra, các em còn được học về đạo hàm, tích phân, vi phân, đây cũng là những phần toán học quan trọng và rất hữu ích cho đời sống, cũng như trong vật lí nói riêng. Hầu hết các toán tử trong vật lí ít nhiều đều liên quan đến đạo hàm của hàm số (toán tử xung lượng, toán tử moment động lượng, …). Do đó, các em đã có cơ sở về các phép tính giải tích để phần nào hiểu biết rõ hơn về cơ học lượng tử. Tính đến lớp 12, các em cũng đã được làm quen đến số mũ, hàm e mũ và các công thức lượng giác cơ bản. Như vậy, nhìn chung, bậc trung học phổ thông đã cung cấp cho học sinh các công cụ cần thiết cho việc học vật lí ở mức độ cơ bản. Nhưng để có thể học tốt cơ học lượng tử, các em cần phải dùng đến công cụ toán mới là toán tử. Toán tử là một công cụ toán khó dùng và học sinh chưa được giới thiệu ở bậc trung học phổ thông. Do đó, trong giới hạn của tài liệu tham khảo cơ học
  14. 7 lượng tử này sẽ không đề cập đến các bài toán cũng như công thức toán học khó nhằn, tài liệu chỉ đề cập tới những vấn đề định tính để giới thiệu một cách cơ bản nhất về cơ học lượng tử cho học sinh. 1.1.3. Một số kiến thức vật lí ở bậc trung học phổ thông 1.1.3.1. Một số kiến thức phần cơ học Cơ học là một phần rộng và rất khó trong vật lí học, đây lại là nền tảng kiến thức cho các phần khác. Do đó, trong việc giảng dạy vật lí, cơ học luôn được quan tâm và giành được thời lượng khá nhiều để giới thiệu cho học sinh. Các lí thuyết cơ học đại cương được giới thiệu cho các em qua các khối lớp như lớp 6, lớp 8 và lớp 10. Lên tới lớp 12, cơ học vẫn được chương trình vật lí giới thiệu nhưng ở mức độ cao hơn bao gồm các chuyển động phức tạp, các ứng dụng thực tiễn. Nhưng, có thể nói, phần cơ học lớp 10 đã bao hàm và nâng cao hơn phần cơ học của lớp 6 và lớp 8. Trong đó, có một số kiến thức quan trọng cần được các học sinh ghi nhớ như khái niệm chất điểm, ba định luật Newton, sự bảo toàn và chuyển hoá năng lượng. a. Khái niệm chất điểm Mở đầu phần Cơ học lớp 10 là chương “Động học chất điểm”, chương này sẽ giúp học sinh khảo sát chuyển động của một chất điểm khi chưa quan tâm đến nguyên nhân gây ra chuyển động. Như vậy, khái niệm chất điểm sẽ được nhắc đến đầu tiên và sẽ theo sát học sinh cho đến hết lớp 12. Theo sách giáo khoa Vật lí lớp 10, chất điểm được định nghĩa như sau “Một vật chuyển động được coi là một chất điểm nếu kích thước của nó rất nhỏ so với độ dài đường đi (hoặc so với những khoảng cách mà ta đề cập đến).” Khái niệm chất điểm giúp các em dễ dàng tiếp cận về sự vật và hiện tượng. Lúc này, các em không cần quan tâm đến hình dạng của vật thể như thế nào, mà chỉ cần quan tâm đến sự chuyển động của nó. Đây là một khái niệm quan trọng trong cơ học nói chung và trong cơ học lượng tử nói riêng. Do cơ học lượng tử là cơ học của những hạt vi mô, do đó, một cách tương tự, các hạt vi mô này có thể được xem là chất điểm, và cũng do đó, một số tính chất về chuyển động của chất điểm có thể áp dụng cho các hạt vi mô này.
  15. 8 b. Ba định luật Newton Ba định luật Newton được xem là ba định luật nền tảng của cơ học cổ điển cũng như vật lí học cổ điển. Ba định luật này giải thích được nhiều vấn đề liên quan đến chuyển động trong đời sống. Chương trình giới thiệu các định luật Newton trong ở lớp 10, nếu ở chương trình chuẩn thì chỉ giới thiệu vỏn vẹn trong 1 bài với 2 tiết học, nhưng với chương trình nâng cao thì được giới thiệu trong 3 tiết liên tục. Nhìn chung chương trình cũng đã cung cấp đủ hàm lượng kiến thức cơ bản liên quan về ba định luật Newton để các em có thể hiểu được về cách phát biểu cũng như hiện tượng. Một điều quan trọng là ba định luật này lại không còn đúng trong thế giới vi mô, đòi hỏi các nhà khoa học phải tìm ra các định luật, phương trình cụ thể có ý nghĩa tương tự với ba định luật Newton để có thể mô tả trạng thái chuyển động của các hạt vi mô. c. Định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng Định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng là một định luật đơn giản và cơ bản nhất trong vật lí học. Mọi quá trình vật lí đều phải tuân thủ theo định luật này dù ở vĩ mô hay vi mô. 1.1.3.2. Sóng ánh sáng Chương trình vật lí lớp 12 đã cung cấp cho học sinh các kiến thức cụ thể và đơn giản về sóng ánh sáng. Sau khi học xong, học sinh có thể dễ dàng nhìn nhận được bản chất của ánh sáng dưới dạng sóng thông qua các thí nghiệm nhiễu xạ và giao thoa (tương tự như sóng cơ các em đã được học ở chương 2 sách giáo khoa Vật lí lớp 12). Các kiến thức về sóng ánh sáng học sinh được cung cấp chỉ ở mức độ cơ bản như là giới thiệu cho các em dãy bước sóng điện từ, trong đó có dãy hồng ngoại, khả kiến và tử ngoại; giúp các em biết được các ứng dụng của tia hồng ngoại, tử ngoại. 1.1.3.3. Hiện tượng quang điện Song hành với sóng ánh sáng, hiện tượng quang điện được đưa vào chương trình vật lí lớp 12 để thể hiện tính chất khác của ánh sáng, đó là tính hạt. Chương trình vật lí 12 chỉ đơn giản cung cấp cho các em về hiện tượng, thuyết ánh sáng của Einstein và định luật quang điện để các em có thể biết thêm được về tính chất hạt của ánh
  16. 9 sáng. Như vậy, sau khi học xong hai chương “Sóng ánh sáng” và “Lượng tử ánh sáng”, học sinh sẽ có một cái nhìn tổng quát hơn về ánh sáng, đó là lưỡng tính sóng - hạt. Sau này, de Broglie tổng quát tính chất lưỡng tính sóng - hạt này cho các hạt vật chất, và ta đã có được lí thuyết hàm sóng rất quan trọng trong cơ học lượng tử. 1.1.3.4. Mẫu nguyên tử Rutherford và mẫu nguyên tử Bohr Chương trình vật lí 12 giới thiệu một số mẫu nguyên tử cho học sinh như mẫu nguyên tử Rutherford và mẫu nguyên tử Bohr. Về mẫu nguyên tử Rutherford, chương trình chỉ nhắc đến đó là mẫu hành tinh nguyên tử và vẫn còn nhiều khó khăn khi sử dụng mẫu này như là không giải thích được tính bền vững của nguyên tử và sự tạo thành quang phổ vạch của nguyên tử. Sau đó, chương trình giới thiệu tiếp về mô hình nguyên tử Bohr bằng cách đưa thêm hai tiên đề vào để hạn chế hai khó khăn mắc phải ở mô hình của Rutherford. 1.1.4. Đặc điểm kiến thức cơ học lượng tử ở bậc trung học phổ thông Kiến thức cơ học lượng tử bậc trung học phổ thông được đề cập trong tài liệu này sẽ có một số đặc điểm cơ bản sau đây: a. Tính giản đơn: kiến thức cơ học lượng tử bậc trung học phổ thông không đề cập đến những vấn đề phức tạp sâu xa trong cơ học lượng tử mà chỉ giới thiệu những gì cơ bản nhất của cơ học lượng tử như các lí thuyết tiền lượng tử, các hiệu ứng lượng tử của hạt khi chuyển động trong các hố thế hoặc rào thế một chiều, ... Các kiến thức lượng tử đưa ra chỉ nhằm mục đích giúp học sinh nhận thấy được những khác biệt cơ bản giữa cơ học cổ điển và cơ học hiện đại. b. Tính định tính: do công cụ toán học bậc trung học phổ thông còn rất hạn chế và khó để có thể khảo sát định lượng các tính chất của cơ học lượng tử. Do vậy, các kiến thức cơ học lượng tử ở bậc trung học phổ thông chỉ dừng lại ở mức định tính, không cung cấp các công thức toán học phức tạp cho học sinh. c. Tính thực tiễn: tài liệu cơ học lượng tử này sẽ cung cấp cho học sinh một số ứng dụng của cơ học lượng tử vào đời sống như máy tính lượng tử, kính hiển vi lượng tử. Ngoài ra cũng sẽ vận dụng các hiệu ứng lượng tử cũng như các nguyên lí trong cơ
  17. 10 học lượng tử để giải thích một số điều liên quan đến cuộc sống, con người từ đó dạy học đạo đức cho học sinh. 1.1.5. Các tiêu chí lựa chọn kiến thức trong tài liệu Tiêu chí đầu tiên để lựa chọn các kiến thức cơ học lượng tử cho tài liệu này là các kiến thức phải ở mức độ đơn giản, dễ hiểu, dễ hình dung. Ví dụ như các lí thuyết tiền lượng tử, các lí thuyết này nếu đi sâu, cụ thể sẽ rất khó hiểu vì liên quan đến toán học và những hiểu biết sâu xa của vật lí, nhưng nếu chỉ dừng lại ở việc cung cấp những thực nghiệm, những khó khăn khi sử dụng lí thuyết cổ điển để giải thích và sau đó giới thiệu lí thuyết mới thì lại khá đơn giản. Tiêu chí thứ hai là các kiến thức này phải phù hợp với nhận thức của học sinh trung học phổ thông. Tiêu chí thứ ba là các kiến thức cơ học lượng tử này có ứng dụng. Việc cung cấp các kiến thức vật lí hiện đại cho học sinh phải kèm theo các ứng dụng vào bài để các em có thể hiểu rằng vật lí hiện đại không chỉ là một lí thuyết suôn, khô khan mà còn có nhiều ứng dụng không những trong đời sống mà còn trong khoa học kĩ thuật. Ví dụ như kính hiển vi quét xuyên hầm lượng tử là một thành tựu của việc ứng dụng hiệu ứng xuyên hầm lượng tử của hạt khi chuyển động qua rào thế. Hay máy tính lượng tử hoạt động dựa trên sự chồng chất trạng thái vi mô của các hạt. Tiêu chí phụ: Các kiến thức này phải có sự so sánh đối lập với vật lí cổ điển để các em vừa củng cố kiến thức cổ điển cũng như được tìm hiểu thêm về kiến thức hiện đại. 1.2. QUY TRÌNH XÂY DỰNG HỆ THỐNG KIẾN THỨC CƠ HỌC LƯỢNG TỬ CHO MÔN VẬT LÍ BẬC TRUNG HỌC PHỔ THÔNG 1.2.1. Phân tích các đặc điểm cơ bản của kiến thức vật lí bậc trung học phổ thông Vật lí bậc trung học phổ thông được giới thiệu cụ thể thông qua 3 khối lớp, trải dài từ cơ, nhiệt, điện - từ, quang cho đến một số kiến thức của vật lí hiện đại như hạt nhân, quang lượng tử.
  18. 11 Các kiến thức được sắp xếp theo một trình tự logic, theo diễn tiến của lịch sử vật lí và phù hợp với tâm lí học sinh, và với các bộ môn khoa học khác như toán, hoá. Vật lí bậc trung học phổ thông đưa các kiến thức vật lí ở bậc trung học cơ sở lên một mức độ cao hơn. Nếu ở bậc cơ sở, học sinh được giới thiệu chủ yếu về hiện tượng vật lí, các thí nghiệm kiểm chứng chỉ dừng ở mức định tính thì ở bậc phổ thông, các em được học hỏi và được tìm hiểu nhiều hơn về mặt định lượng, được ứng dụng nhiều công thức toán học để có thể giải quyết các bài tập khó. Mở đầu cho vật lí bậc trung học phổ thông là phần Cơ học với 4 chương. Cơ học của lớp 10 đánh mạnh vào các vấn đề cơ bản của vật lí, nhưng vẫn rất thực tế. Đây chính là nền tảng kiến thức để các em có thể vận dụng vào các phần sau và phát triển nên sau này. Tiếp sau phần Cơ, chương trình giới thiệu về Nhiệt học, chủ yếu ở lớp 10, các em được giới thiệu về thuyết động học phân tử chất khí, các định luật về trạng thái chất khí và được tìm hiểu thêm các nguyên lí của nhiệt động lực học. Ngoài ra, chương trình còn cung cấp một số thông tin về chất rắn, chất lỏng nhưng chỉ dừng lại ở một mức độ cơ bản về các hiện tượng thường gặp. Đến lớp 11, học sinh sẽ được học về phần Điện - Từ và Quang. Mở đầu cho chương trình vật lí lớp 11 là Điện học. Các em được giới thiệu thế nào là điện trường, điện tích, được học về dòng điện, nguồn điện, mạch điện thường gặp trong đời sống từ đó phát triển lên thành các dòng điện trong các môi trường thường gặp. Tiếp sau đó các em được giới thiệu về Từ, cũng chỉ dừng lại ở mức cơ bản các kiến thức về từ trường, cảm ứng từ và hiện tượng quan trọng cảm ứng điện từ với nhiều ứng dụng trong đời sống. Cuối chương trình vật lí 11, các em được học về Quang, và cụ thể hơn chính là Quang hình học với sự bổ sung định luật Khúc xạ ánh sáng. Từ đó dẫn dắt ra sự tạo ảnh của một vật qua lăng kính và qua các loại thấu kính khác nhau và ứng dụng của chúng vào trong đời sống và khoa học kĩ thuật như các kính trị tật về mắt, kính lúp, kính hiển vi, kính thiên văn, v…v… Lớp 12, các em được học sâu hơn về các ứng dụng đời sống với các kiến thức ở mức độ cao hơn nhiều so với lớp 10 và 11. Mức độ cao hơn ở đây không chỉ về hiện tượng vật lí mà còn về các công cụ toán học. Vật lí ở lớp 12 học sinh sẽ phải
  19. 12 dùng nhiều công cụ toán hơn để có thể giải quyết vấn đề chứ không chỉ dừng lại ở các phép toán đơn giản như 10 và 11. Nhưng nhìn chung, vật lí 12 đưa ra được những kiến thức sát với thực tế hơn và đề cập đến nhiều vấn đề của cuộc sống vào trong chương trình như sự cộng hưởng cơ, cộng hưởng điện, điện xoay chiều, quang sóng, … Đặc biệt hơn, nếu lớp 10 và lớp 11, các kiến thức vật lí chỉ trọng tâm vào những kiến thức vật lí cổ điển đã có hơn 200 năm thì lớp 12 đã đề cập được tới những vấn đề của vật lí hiện đại, nhưng cũng chỉ dừng lại ở một mức độ đơn giản. Như vậy, chương trình vật lí phổ thông hiện hành đã đáp ứng đủ về việc cung cấp các kiến thức vật lí nền tảng cho học sinh sau này. Nhưng khi nhìn nhận lại thì các kiến thức này đã có mặt trên thế giới tận hơn 200 năm, và hiện tại chương trình vật lí phổ thông Việt Nam và trên thế giới chưa có sự cập nhật, bổ sung các vấn đề của vật lí hiện đại. Nhìn chung, chương trình vật lí hiện hành chú trọng nhiều vào vật lí cổ điển, chưa cập nhật nhiều kiến thức về vật lí hiện đại hoặc các kiến thức vật lí hiện đại vẫn chưa đủ cơ sở để giải thích một số ứng dụng trong thực tế. Do đó, cần một tài liệu để có thể giúp học sinh có thể tìm hiểu thêm về vật lí hiện đại, dù chỉ đơn giản, chỉ dừng lại ở mức độ định tính. 1.2.2. Xác định mục tiêu chung của tài liệu a. Kiến thức − Biết được bức xạ của vật đen và lí thuyết Planck. − Biết được hiện tượng quang điện và lí thuyết Einstein. − Biết được mẫu nguyên tử Bohr và lí thuyết Bohr. − Nêu được định nghĩa về thế giới vi mô. − Biết được về lưỡng tính sóng hạt của hạt vật chất. − Biết được một số hiệu ứng của hạt chuyển động một chiều. − Phát biểu được nguyên lí chồng chất sóng vật chất. − Phát biểu được nguyên lí bất định Heisenberg. b. Kĩ năng
  20. 13 − So sánh được chuyển động của hạt một chiều trong cơ học lượng tử với cơ học cổ điển. − Vận dụng hiệu ứng xuyên hầm lượng tử giải thích hoạt động của kính hiển vi quét xuyên hầm lượng tử. − Vận dụng nguyên lí chồng chất giải thích đơn giản hoạt động máy tính lượng tử. 1.2.3. Xây dựng cấu trúc các nội dung kiến thức Các nội dung kiến thức trong tài liệu tham khảo này được xây dựng và sắp xếp dựa trên hệ thống các kiến thức cơ học lượng tử của bậc đại học, loại bỏ những công thức toán học phức tạp, chỉ những lại những cốt lỏi quan trọng, cơ bản nhất về cơ học lượng tử để giới thiệu cho học sinh. Nội dung kiến thức sẽ được xây dựng phù hợp với học sinh bậc trung học phổ thông, cung cấp thêm những kiến thức mới dựa trên nền tảng vật lí mà các em đã được học. 1.2.4. Thiết kế nội dung chi tiết cho từng bài học Tài liệu tham khảo về cơ học lượng tử cho học sinh trung học phổ thông sẽ có bao gồm các phần sau đây: Khái quát về cơ học lượng tử, Các ứng dụng của cơ học lượng tử và Cơ học lượng tử trong cuộc sống. Trong đó, phần Khái quát về cơ học lượng tử giới thiệu cho học sinh những khái niệm mới và những lí thuyết cũng như các nguyên lí cơ bản trong cơ học lượng tử. Phần “Các ứng dụng của cơ học lượng tử” đưa ra ứng dụng của cơ học lượng tử phục vụ xây dựng những lí thuyết khó hoặc những ứng dụng thực tế. Phần “Cơ học lượng tử trong cuộc sống” nêu lên một số điều về cách sống dựa trên những lí thuyết, nguyên lí của cơ học lượng tử. 1.2.5. Thực hiện khảo sát, đánh giá Sau khi hoàn thành xong tập tài liệu cơ học lượng tử, tài liệu sẽ được cung cấp cho các giáo viên phổ thông đọc, làm phiếu đánh giá và đưa ra những góp ý, phản hồi.
nguon tai.lieu . vn
Thạc sĩ - Tiến sĩ - Cao học Công nghệ thông tin Kinh tế - Thương mại Tài chính - Ngân hàng Kiến trúc - Xây dựng Điện-Điện tử-Viễn thông Cơ khí - Chế tạo máy Công nghệ - Môi trường Báo cáo khoa học Quản trị kinh doanh Khoa học xã hội Khoa học tự nhiên Nông - Lâm - Ngư Y khoa - Dược