Tài liệu Cải tiến chƣơng trình giảng dạy vật lý lý thuyết cho sinh viên khoa vật lý, trƣờng đại học sƣ phạm tp. hcm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM TP. HCM BÁO CÁO TỔNG KẾT Đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp trƣờng Cải tiến chƣơng trình giảng dạy vật lý lý thuyết cho sinh viên khoa Vật lý, trƣờng Đại học Sƣ phạm TP. HCM Mã số: CS.2005.23.91 Chủ nhiệm đề tài: TS Đỗ Xuân Hội TP. Hồ Chí Minh – 2008 DANH SÁCH NHỮNG NGƢỜI THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI PGS TS Nguyễn Khắc Nhẹp, Khoa Vật Lý, Trƣờng ĐHSP TP. HCM TSKH Lê Văn Hoàng, Khoa Vật Lý, Trƣờng ĐHSP TP. HCM ThS Lê Nam, Khoa Vật Lý, Trƣờng ĐHSP TP. HCM CN Nguyễn Thành Trung, Khoa Vật Lý, Trƣờng ĐHSP TP. HCM CN Nguyễn Ngọc Ty, Khoa Vật Lý, Trƣờng ĐHSP TP. HCM 1 TÓM TẮT Trong công trình này, một chƣơng trình giảng dạy vật lý lý thuyết mới đƣợc đề nghị sau khi các tác giả của công trình đã nghiên cứu, tham khảo một số chƣơng trình giảng dạy các bộ môn này ở một số truờng đại học trong và ngoài nuớc, đáng kể là của Đại học Khoa học tự nhiên (ĐHQG TP. HCM) va của MIT (Massachusetts Institute of Technology). Chƣơng trình đƣợc xây dựng phù hợp với kế hoạch giảng dạy các bộ môn vật lý lý thuyết do Bộ Giáo dục và Đào tạo quy định, đồng thời, đảm bảo cho sinh viên của Khoa vật lý, trƣờng ĐHSP TP. HCM có đƣợc một kiến thức vững chắc, hiện đại của các bộ môn cơ học lý thuyết, điện động lực học, cơ học lƣợng tử và vật lý thống kê. Chƣơng trình đƣợc xây dựng cũng chú trọng đến nguyên lý kế thừa của giáo dục khi mối quan hệ giữa nội dung của các học vật lý đại cƣơng và các môn học vật lý lý thuyết đƣợc đặc biệt nêu rõ. ABSTRACT In this work, a new curriculum of theoretical physics is proposed after a careful study of the ones taught at some Vietnamese and forein universities, notably the University of Natural Science of HCM City (HCMC National University) and MIT. The curriculum is constructed in good agreement with regulations of the Vietnamese Minister of Education and Trainning, and insure at the same time that the students of the faculty of physics of HCMC University of Education have the solid and modern knowledge of theoretical mechanics, electrodynamics, quantum mechanics, and statistical physics. In constructing the curriculum, the authors have considered carefully the principle of inheritance of the general education when insisting on the relationship between the contents of the general physics that the students have studied before and the ones of the theoretical physics. 2 MỤC LỤC I. KHÁI NIỆM CHƢƠNG TRÌNH HỌC VẤN ........................................................................ 4 II. CÁC BỘ MÔN VẬT LÝ LÝ THUYẾT ............................................................................... 5 III. MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC BỘ MÔN VẬT LÝ LÝ THUYẾT VÀ VẬT LÝ ĐẠI CƢƠNG ..................................................................................................................................... 8 1. Cơ học đại cƣơng và cơ học lí thuyết cổ điển .................................................................... 8 2. Điện từ học đại cƣơng, quang học đại cƣơng, cơ học đại cƣơng và điện động lực học .. 10 3. Cơ học lƣợng tử và vật lý nguyên tử và hạt nhân ............................................................ 12 4. Vật lý thống kê và nhiệt học đại cƣơng ........................................................................... 14 IV. NỘI DUNG CÁC MÔN HỌC VẬT LÝ LÝ THUYẾT ĐƢỢC GIẢNG DẠY TẠI KHOA VẬT LÝ, TRƢỜNG ĐHSP TP. HCM .................................................................................... 16 1. Khái quát .......................................................................................................................... 16 2. Nội dung chƣơng trình vật lí lí thuyết.............................................................................. 16 V. HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .............................................................................. 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................................... 29 PHỤ LỤC A: CHƢƠNG TRÌNH VẬT LÝ ĐẠI CƢƠNG ..................................................... 30 PHỤ LỤC B: CHƢƠNG TRÌNH VẬT LÝ LÝ THUYẾT ..................................................... 44 PHỤ LỤC C: CHƢƠNG TRÌNH MIT (2005) ....................................................................... 49 PHỤ LỤC D: CHƢƠNG TRÌNH ĐẠI HỌC PIERRE & MARIE CURIE (PARIS VI, PHÁP) .................................................................................................................................................. 54 PHỤ LỤC E: CHƢƠNG TRÌNH GIẢNG DẠY VẬT LÝ LÝ THUYẾT KHOA VẬT LÝ, TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN (ĐHQG TP.HCM) ...................................... 60 3 I. KHÁI NIỆM CHƢƠNG TRÌNH HỌC VẤN Có nhiều định nghĩa khác nhau về chương trình học vấn ( curriculum ). Theo nghĩa rộng thì chƣơng trình học vấn có thể đƣợc hiểu nhƣ "là tất cả những hoạt động của người học đã được kế hoạch hoá và được chỉ đạo bởi nhà trường nhằm đạt được những mục tiêu của ngành giáo dục " ( Hilda Taba, Curriculum development: Theory and practice, New York, Harcount Brace Jovanovich, 1962) hoặc là "một loạt các hoạt động nhằm giúp phát hiện những khả năng của mỗi người học hoặc có chủ đích làm hoàn thiện người học " ( Franklin Bobbitt, How to Make a Curriculum, New York, Houghton Mifflin, 1924 ). Tuy nhiên, ở đây, ta có thể hiểu một cách đơn giản hơn rằng chƣơng trình học vấn là một hệ thống những khoa học hoặc môn học mà sinh viên cần phải đƣợc trang bị nhằm mục đích có thể thực hiện tốt nhất công việc của mình sau khi tốt nghiệp đại học. Theo định nghĩa trên thì chƣơng trình học vấn của khoa Vật lý, trƣờng Đại học Sƣ phạm TP. HCM phải đƣợc kiến tạo sao cho đạt đƣợc yêu cầu là sinh viên của Khoa, một khi đã tốt nghiệp trƣớc hết là phải đủ khả năng để giảng dạy bộ môn vật lý ở một trƣờng trung học phổ thông. Khái niệm " đủ khả năng " ở trên nhất thiết phải đƣợc hiểu theo nghĩa là sinh viên mới tốt nghiệp không những có một kiến thức vững chắc về vật lý mà còn phải đƣợc trang bị các phƣơng pháp và các kỹ năng giảng dạy hiệu quả, và quan trọng là phải có thể tiếp tục tự đào tạo để đáp ứng những thay đổi không ngừng của yêu cầu giáo dục trong nhà trƣờng phổ thông. Để sinh viên của khoa có thể hoàn thành đƣợc vai trò của mình trong tƣơng lai, khoa Vật lý, trƣờng ĐHSP TP. HCM đã lên kế hoạch xây dựng chƣơng trình giảng dạy phù hợp với các yêu cầu mới của ngành giáo dục đại học mà giảng dạy theo tín chỉ sẽ là một trong những yêu cầu quan trọng nhất. Theo kế hoạch trên, tổ bộ môn vật lý lý thuyết của khoa đã đƣợc giao nhiệm vụ thiết kế một chƣơng trình giảng dạy các môn học vật lý lý thuyết nhằm đáp ứng tốt nhất cá yêu cầu chung của khoa. Trên cơ sở chƣơng trình giảng dạy đã đƣợc thực hiện từ trƣớc của các môn vật lý lý thuyết ( xem Phụ lục B ), đồng thời, có tham khảo chƣơng trình giảng dạy các môn vật lý đại cƣơng cho các năm thứ nhất và năm thứ hai đại học ( xem Phụ lục A ), các thành viên của tổ bộ môn đã cùng nhau thực hiện công trình nghiên cứu khoa học " CẢI TIẾN CHƢƠNG TRÌNH GIẢNG DẠY VẬT LÝ LÝ THUYẾT CHO SINH VIÊN KHOA VẬT LÝ, TRƢỜNG ĐHSP TP. HCM ". 4 II. CÁC BỘ MÔN VẬT LÝ LÝ THUYẾT Vật lí lý thuyết là ngành học có mục đích tìm hiểu thế giới tự nhiên bằng cách thiêt lập một mô hình toán học trừu tƣợng của thực tại, sử dụng để lí luận, giải thích, và tiên đoán các hiện tƣợng vật lí nhờ vào một lí thuyết vật lí. (Một lý thuyết vật lý có thể đƣợc hiểu theo Stefan Havvking, là một hệ thống các kiên thức có thế đáp ứng đƣợc hai yêu cầu : thứ nhất, phải mô tả chính xác đƣợc một loạt những quan sát trên cơ sở một mô hình bao gồm một số yếu tố nhiệm ý. thứ nhì, phải đƣa ra một số tiên đoán về kết quả của những quan sát thực hiện đƣợc trong tƣơng lai). Có bốn môn học cơ sở của vật lí lí thuyết (không kể lí thuyết tương đối tổng quát và lí thuyết tương đối hẹp - môn học sau này đƣợc giảng dạy nhƣ là phần tiếp theo của giáo trình đện động lực học) là cơ học cổ điển, điện động lực học, cơ học lượng tử, và vật lí thống kê đƣợc giảng dạy trong khoa Vật lí, trƣờng Đại học Sƣ phạm TP. HCM. Cơ học cổ điển có mục đích khảo sát chuyển động của các vật thể vĩ mô, từ viên đạn cho đến tên lửa, hành tinh, sao, và thiên hà. Là một trong những khoa học có từ lâu đời nhất và có đối tƣợng nghiên cứu rộng rãi nhất trong khoa học và công nghệ, môn cơ học cung cấp cho chúng ta những kết quả rất chính xác. Cơ học Lagrange là phƣơng pháp tiếp cận khác của cơ học, có cùng đối tƣợng nghiên cứu nhƣ cơ học cổ điển, nhƣng sử dụng lộ trình được cực tiếu hoa để tìm phƣơng trình quỹ đạo của vật thể. Cơ học Hamilton cũng là một cách tiếp cận khác, sử dụng các phương trình chính tắc liên quan đến các hàm năng lƣợng để giải quyết bài toán cơ học. Trƣờng điện từ đƣợc khảo sát bởi môn điện động lực học cổ điển. Môn học này trình bày lí thuyết về tƣơng tác điện từ trong một thể thống nhất, bởi vì các lực điện trƣờng và lục từ trƣờng xuất hiện đồng thời. Sự thống nhất điện từ đƣợc biểu thị bởi các phương trình Maxwell. Các phƣơng pháp nghiên cứu lí thuyết của điện động lực học cổ điển dẫn đến các hệ quả quan trọng, ví dụ nhƣ sự khám phá ra một trong hai bản chất của ánh sáng, bản chất sóng, và dẫn đến sự khảo sát sóng điện từ, hoặc là dẫn đến sự phát triên của lí thuyết tương đối hẹp. Môn cơ học lượng từ đƣợc xem nhƣ cơ bản hơn các môn cơ học cổ điển và điện động lực học, theo nghĩa là môn học này cung cấp cho chúng ta một mô tả chính xác của nhiều hiện tƣợng ở cấp độ nguyên tử và hạ nguyên tử, mà hai môn học sau này không thể giải thích. Đƣợc trang bị bởi các công cụ toán học chặt chẽ, cơ học lƣợng tử cho phép ta tiên đoán các trạng thái của các hạt vi mô, hay ít nhất, các dụng cụ đo lƣờng các trạng thái này. Cấu trúc của các hệ vật lí vi mô nhƣ nguyên tử, phân tử chỉ có thể đƣợc mô tả thích hợp bởi cơ học lƣợng tử, điều mà cơ học cổ điển và điện động lực học hoàn toàn bất lực. Trong cơ học lƣợng tử, mỗi trạng thái vật lí đƣợc xem nhƣ là một vectơ trang thái, hay cụ thể hơn, một hàm sóng (cũng đƣợc gọi là vân đạo-orbital đối với trƣờng hợp elctron trong nguyên tử). Đối tƣợng toán học trừu tƣợng này cho phép la tính toán đƣợc xác suất của nhiều quá trình thực nghiệm cụ thể. 5 Môn vật lí lí thuyết khác mà các sinh viên đƣợc học là môn vật lí thống kê. Trong môn học này, lí thuyết thống kê, công cụ toán học để xử lí những trƣờng hợp số đông, đƣợc áp dụng trong lĩnh vực cơ học, là môn học liên quan đến chuyển động của các hạt hay vật thể khi chịu tác dụng của các lực. Vật lí thống kê cung cấp cơ sở để hiểu đƣợc mối quan hệ giữa các hệ vi mô và quá trình vĩ mô, đƣợc quan sát thấy trực tiếp bới con ngƣời, do đó, có thể giải thích đƣợc các hiện tƣợng nhiệt động lực nhƣ là kết quả tự nhiên của sự phối họp giữa cơ học và thống kê học. Cơ học thống kê và nhiệt động lực học liên hệ nhau qua khái niệm trung tâm là en tropy. Tuy nhiên, nếu khái niệm en tropy đƣợc định nghĩa một cách kinh nghiệm trong nhiệt động lực học thì trong cơ học thống kê, đƣợc định nghía nhƣ hàm của phân bố các trạng thái vi mô. Mối quan hệ giũa vật lí lí thuyết với vật lí đại cƣơng là sự mở rộng, tổng quát hóa các khái niệm, định luật, và tính chất của hệ vật lí, đồng thời, các phƣơng pháp mới cũng đƣợc khảo sát nhằm giới thiệu cho sinh viên có đƣợc các quan điểm rộng hơn, các công cụ nghiên cứu khoa học đa dạng, phong phú hơn. (Xem SƠ ĐỒ 1) 6 SƠ ĐỒ 1 7 III. MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC BỘ MÔN VẬT LÝ LÝ THUYẾT VÀ VẬT LÝ ĐẠI CƢƠNG 1. Cơ học đại cƣơng và cơ học lí thuyết cổ điển Trong khi sinh viên tìm thấy trong môn cơ học đại cƣơng cách trình bày truyền thống: từ động học chất điểm đến động lực học chất điểm với sự giới thiệu các định luật Newton, các định luật bảo toàn động lƣợng và định luật bảo toàn năng lƣợng. Sau đó, trƣờng hấp dẫn và cơ học vật rắn đƣợc giới thiệu. Cách trình bày này đồng quy với chƣơng trình vật lí giảng dạy ở bậc phổ thông và nhƣ vậy, có thể xem nhƣ thích hợp với sinh viên đại học sƣ phạm. Trong môn cơ học lý thuyết, cơ học Newton đƣợc trình bày một cách tổng hợp : tính chất của chuyển động đƣợc suy ra từ mối quan hệ hàm giữa lực và thời gian, vị trí, hay vận tốc của chất điểm. Phƣơng pháp tiếp cận cơ học giải tích đƣợc trình bày tiếp theo đó : bao gồm hệ hình thức Lagrange và hệ hình thức Hamilton. Chuyển động trong trƣờng xuyên tâm dƣới tác dụng của lực hấp dẫn đƣợc xem là một ứng dụng quan trọng, cũng nhằm mục đích chứng minh các định luật Kepler để suy ra các tính chất của chuyển động của các thiên thể, và giải thích một số hiện tƣợng liên quan đến lực hấp dẫn nhƣ hiện tƣợng thủy triều. Các dao động nhỏ đƣợc khảo sát nhằm mục đích kép: ứng dụng cụ thể của cơ học trong một lớp quan trọng của chuyển động để giúp sinh viên đào sâu, nắm vững hơn phƣơng pháp cơ học Newton, mặt khác, để chuẩn bị kiến thức để sinh viên có thể theo dõi dễ dàng hơn các môn học khác của vật lý lý thuyết: cơ học lƣợng tử, vật lý thống kê, và vật lý chất rắn. Chuyển động trong hệ quy chiểu phi quán tính cũng đƣợc đề cập, đặc biệt chú ý đến những trƣờng hợp chƣa đƣợc giải quyết triệt để trong chƣơng trình cơ học đại cƣơng nhƣ trƣờng hợp lực Coriolis chẳng hạn. Cuối cùng, chuyển động của vật rắn đƣợc khảo sát với công cụ toán học cao và phức hợp hơn so với công cụ đƣợc sử dụng ở trình độ đại cƣơng; các khảo sát Euler của chuyển động quay đƣợc giới thiệu với sinh viên nhằm cung cấp cho sinh viên một cái nhìn tổng quát hơn. (Xem SƠ ĐỒ 2) 8 SƠ ĐỒ 2 9 2. Điện từ học đại cƣơng, quang học đại cƣơng, cơ học đại cƣơng và điện động lực học Cũng tƣơng tự mối tƣơng quan giữa cơ học đại cƣơng và cơ học lí thuyết cổ điển, ta nhận thấy có một mức độ nâng lên tổng quát và đào sâu kiến thức một cách rõ rệt giữa môn điện và từ đại cƣơng và điện động lực học cổ điển. Trong khi cách trình bày, bố cục của nội dung các chƣơng trong điện và từ học đại cƣơng rất chú trọng đến trình tự lịch sử của môn học cũng nhƣ sự phân bố kiến thức ở chƣơng trình vật lý bậc phổ thông trung học và nhƣ vậy, điều tất yếu là lí thuyết về trƣờng điện từ thống nhất chỉ đƣợc đề cập đến ở phần cuối cùng của môn học, thì trong môn điện động lực học, sinh viên đƣợc giới thiệu ngay từ đầu sự thống nhất về trƣờng điện từ trong chân không và trong môi trƣờng vật chất. Sau đó, các trƣờng hợp đặc biệt về sự độc lập đối với thời gian của điện trƣờng và từ trƣờng (và trƣờng hợp chuẩn dừng sau đó) mới đƣợc khảo sát riêng rẽ. Sau đó một chƣơng đƣợc dành riêng cho lý thuyết sóng điện từ và một chƣơng về hiện tƣợng bức xạ điện từ đƣợc giới thiệu cho sinh viên. Đặc biệt, trong chƣơng trƣớc, mối quan hệ giữa điện từ học và quang học sóng (hiện tƣợng phản xạ, hiện tƣợng khúc xạ) cũng đƣợc khảo sát nhằm bổ sung và tổng quát hoá. Tƣơng tự nhƣ vậy, ta cũng thấy mối quan hệ giữa điện động lực học và cơ học đại cƣơng qua chƣơng cuối cùng, nghiên cửu về lý thuyết tƣơng đối hẹp, là sự tiếp tục của phần động lực học tƣơng đối tính trong học phần cơ học đại cƣơng. Điều này là hoàn toàn hợp lý nếu ta nhớ lại một trong những nguyên tắc đầu tiên, quan trọng là tính lặp lại của việc giảng dạy một kiến thức. (Xem SƠ ĐỒ 3) 10 SƠ ĐỒ 3 11 3. Cơ học lƣợng tử và vật lý nguyên tử và hạt nhân Theo chƣơng trình chính thức của khoa Vật lý, trƣờng Đại học Sƣ phạm TP.HCM, môn học vật lý nguyên tử và hạt nhân đƣợc bố trí thành một môn học chuyên đề, theo tinh thần của một môn học đại cƣơng, trong đó, các kiến thức sơ bộ về cơ học sóng đƣợc giới thiệu với sinh viên thông qua một số các dữ kiện thực nghiệm đƣợc trình bày theo quan điểm lịch sử; các ý tƣởng của Thompson, Rutherford, Bohr, và De Broglie đƣợc trình bày lần lƣợt để dẫn đến sự cần thiết phải sáng tạo ra một môn khoa học mới là cơ học lượng tử, cụ thể là phƣơng trình Schrodinger. Các ví dụ đơn giản nhất của chuyển động một chiều là chuyển động trong hố thế, qua hàng rào thế của một hạt vi mô đƣợc khảo sát sơ lƣợc và hai ứng dụng quan trọng nhất đƣợc nhấn mạnh là chuyển động trong trƣờng hấp dẫn xuyên tâm của một hay nhiều electron trong nguyên tử. Liên kết phân tử cũng đƣợc trình bày. Qua môn học này, sinh viên sƣ phạm đƣợc trang bị một kiến thức đại cƣơng về cấu trúc của nguyên tử và phân tử, cần thiết để có thể giảng dạy những kiến thức óc liên quan ở chƣơng trình phổ thông trung học. Theo cách trình bày truyền thống của môn cơ học lƣợng tử, các ý tƣởng vật lý ban đầu làm phát sinh ngành khoa học này cũng đƣợc giới thiệu ngay trong chƣơng đầu cho sinh viên. Tuy nhiên, điều khác biệt nổi bật của nội dung của hai môn học đƣợc nhận thấy ngay ở chƣơng thứ hai của chƣơng trình cơ học lƣợng tử. Ở đây, tƣ tƣởng của một môn học vật lý lý thuyết đƣợc soi sáng bởi một hệ thống kiến thức thuần tuý toán học, đƣợc sử dụng nhƣ công cụ duy nhất để có thể hiểu đƣợc nội dung của môn học cơ học lƣợng tử này: phép tính toán tử, bài toán trị riêng, trạng thái vật lý của một hệ vật lý đƣợc biểu thị bởi một vectơ trong không gian vectơ trạng thái; là một tổng quát hoá khái niệm hàm sóng mà sinh viên đã gặp trong giáo trình vật lý nguyên tử và hạt nhân đại cƣơng. Phần các tiên đề của cơ học lượng tử đƣợc thảo luận nhƣ là một minh chứng cho tinh thần của một môn vật lý lý thuyết, phƣơng trình Schrodinger đƣợc trình bày nhƣ một "nguyên tắc cơ bản", và nguyên lý bất định Heisenberg cũng đƣợc chứng minh. Sau những áp dụng đầu tiên và quan trọng của phƣơng trình Shrodinger trong chuyển động một chiều (đƣợc đào sâu bởi việc sử dụng công cụ toán học phức hợp hơn), một lần nữa, một cách trình bày trừu tƣợng và cô đọng của phƣơng trình trị riêng dƣới dạng công cụ đại số tuyến tính đƣợc giới thiệu: đó là dạng ma trận của bài toán trị riêng. Ký hiệu Dirac cũng đƣợc đƣa vào để phát biểu các nguyên tắc của cơ học lƣợng tử dƣới dạng cô đọng và tiện lợi hơn. Cũng nhằm minh họa các nguyên lý chung của môn học vào những tình huống cụ thể và thực tế, phần lý thuyết nhiễu loạn dừng và phụ thuộc thời gian đƣợc trình bày một cách tổng quan. Một đặc tính nội tại của hạt vi mô là spin đƣợc đƣa vào từ những dữ kiện thực nghiệm, phát xuất từ tính spin của electron trong nguyên tử và cuối cùng, các tính chất của hệ nhiều hạt fermion và boson và ứng dụng đầu tiên cũng đƣợc khảo sát cho nguyên tử hêli. (Xem SƠ ĐỒ 4) 12 SƠ ĐỒ 4 13 4. Vật lý thống kê và nhiệt học đại cƣơng Trong chƣơng trình nhiệt học đại cƣơng, khái niệm trung tâm của nhiệt học là nhiệt độ đƣợc giới thiệu đầu tiên và sau đó là phát biểu của các nguyên lý của nhiệt động lực học. Chỉ sau đó, mối quan hệ giữa entropy và các nguyên lý này mới đƣợc khảo sát. Cuối cùng, một số tính chất của chất khí, chất lỏng, và chất rắn đƣợc đề cập. Tính thống kê của hệ nhiều hạt chỉ đƣợc trình bày thông qua lý thuyết động học phân tử, và dĩ nhiên, chỉ ở mức độ thông báo. Trong một quan điểm tổng quát hơn và cơ bản hơn, đồng thời đối tƣợng cũng nhƣ mục đích nghiên cứu của môn vật lý thống kê cũng đƣợc xác định là thiết lập mối quan hệ giữa những tính chất vi mô - vốn là đối tƣợng của môn cơ học lƣợng tử với những đặc tính vĩ mô, khái niệm trọng tâm của vật lý hệ nhiều hạt, là số trạng thái vi mô khả dĩ đƣợc đề cập đến ngay từ chƣơng đầu tiên, và sau đó là phần nhắc lại những kiến thức cần thiết của xác suất và thống kê mà sinh viên năm thứ tƣ khoa Vật lý, trƣờng ĐHSP TP. HCM đã đƣợc học trong một học phần trƣớc đó. Tiếp theo, khái niệm entropy thống kê tổng quát trong lý thuyết thông tin và khái niệm entropy nhiệt động lực đƣợc định nghĩa nhƣ một trƣờng hợp riêng của ngành vật lý thống kê. Với phƣơng pháp đƣợc đặt ra để nghiên cứu môn học là phƣơng pháp vật lý lý thuyết, các tiên đề cơ bản của vật lý thống kê đƣợc phát biểu và trên cơ sở đó, các phân bố thống kê vi chính tắc, chính tắc, và chính tắc lớn lần lƣợt đƣợc khảo sát. Các ứng dụng của các phân bố cổ điển cũng nhƣ phân bố lƣợng tử đƣợc chú ý thích đáng, xem nhƣ là các minh hoa sinh động của sự thành công của khoa học vật lý thống kê, trong đó, các thống kê lƣợng tử Fermi-Dirac và Bose-Einstein đƣợc đặc biệt chú ý. Thứ nhất, vì đó là những ví dụ quan trọng nhất để khảo sát các mô hình gắn với các thực thể vật lý nhƣ hệ khí electron trong kim loại hoặc hệ khí photon cân bằng. Đặc biệt, sự khác biệt nổi bật giữa vật lý thống kê và nhiệt học đại cƣơng là trong môn học trƣớc, phần nhiệt động lực chỉ đƣợc xem nhƣ là các hệ quả đƣơng nhiên của hệ thống các tiên đề của cơ học thống kê, trong khi đối với môn học sau, thì các nguyên lý của nhiệt động lực học phải đƣợc chấp nhận.Ngoài ra, trong khi các định luật của khí lý tƣởng đƣợc xem nhƣ các định luật thực nghiệm trong môn nhiệt học thì, khi học vật lý thống kê, sinh viên sẽ thấy đó cũng chỉ là những hệ quả hoàn toàn chứng minh được. Cũng vậy, khi nghiên cứu hệ khí photon cân bằng, sinh viên sẽ có dịp thấy đƣợc rằng sau định luật Planck đã đƣợc suy ra từ những nguyên tắc chung của cơ học thống kê, một loạt các định luật thực nghiệm nhƣ định luật Rayleigh-Jeans. định luật Wien, định luật dời chuyển Wien, và định luật Stefan-Boltzmann đều đƣợc chứng minh nhƣ chỉ là các hệ quả tất yếu. (Xem Sơ Đồ 5) 14 SƠ ĐỒ 5 15 IV. NỘI DUNG CÁC MÔN HỌC VẬT LÝ LÝ THUYẾT ĐƢỢC GIẢNG DẠY TẠI KHOA VẬT LÝ, TRƢỜNG ĐHSP TP. HCM 1. Khái quát Trên cơ sở của các nhận định trên, về lí do tự tồn tại nhƣ một bộ môn khoa học góp phân nâng cao khả năng lí luận của ngƣời học, về mục đích mở rộng và đào sâu những kiến thức mà sinh viên đã học ở các bộ môn vật lí đại cƣơng để có đƣợc một kiến thức vững vàng khi trở thành ngƣời giáo viên giảng dạy chƣơng trình vật lí phổ thông sau này, cũng nhƣ hƣớng dẫn cho sinh viên phƣơng pháp luận của các ngành vật lí lí thuyết, tổ bộ môn vật lí lí thuyết, khoa vật lí, trƣờng ĐHSP TP. HCM, đã tổ chức thảo luận, tham khảo tƣ liệu trong nƣớc cũng nhƣ tƣ liệu nƣớc ngoài, soạn thảo một chƣơng trình giảng dạy các môn học vật lí lí thuyết bao gồm cơ học lí thuyết, điện động lực học, cơ học lƣợng tử, và vật lí thống kê đáp ứng những yêu cầu của Bộ Giáo dục & Đào tạo, đồng thời, phù hợp với tình hình thực tế giảng dạy của khoa liên quan tới nhân lực, vật lực, thời gian,... Chƣơng trình đề nghị này đã lƣu tâm thích đáng đến tính liên tục với chƣơng trình vật lí đại cƣơng đã đƣợc giảng dạy cho sinh viên trong các học phần trƣớc, tính kế thừa trong mỗi môn học của chƣơng trình vật lí lí thuyết, nhƣng đồng thời, cũng quan tâm thích đáng đến tính độc lập trong phân bố kiến thức của mỗi môn học, hầu mỗi môn học có thể sẽ đƣợc giảng dạy sau này theo hệ thống tín chỉ. 2. Nội dung chƣơng trình vật lí lí thuyết Chƣơng trình sau đây đƣợc trích từ chƣơng trình giảng dạy của khoa vật lí, trƣờng ĐHSP TP. HCM. 16 ĐỀ CƢƠNG CHI TIẾT HỌC PHẦN: CƠ HỌC LÝ THUYẾT 1. Số đơn vị học trình: 4 đvht 2. Trình độ: cho sinh viên năm thứ ba 3. Phân bổ thời gian: - Lý thuyết: 40 tiết - Bài tập : 20 tiết 4. Điều kiện tiên quyết: 5. Mục tiêu học phần: Một mặt làm cho sinh viên hiểu sâu thêm phần cơ học đại cƣơng nhằm phục vụ tốt cho việc giảng dạy phần cơ ở trƣờng THPT, mặt khác làm cơ sở để sv học tiếp các môn vật lý lý thuyết khác nhƣ điện động lực,vật lý thống kê, cơ lƣợng tử. 6. Mô tả vắn tắt nội dung học phần: Hệ thống lại các kiến thức cơ bản của cơ học làm cơ sở cho hai mục tiêu chính: - Xây dựng các phép tính quan trọng trong trƣờng xuyên tâm và giả thuyết bài toán tìm quỹ đạo khi chuyển động trong trƣờng - Xây dựng các cơ sở của phần cơ giải tích , các hàm Lagrange, Hamilton và ứng dụng các phƣơng trình tƣơng ứng để thành lập PTVP của cơ hệ có nhiều bậc tự do 7. Nhiệm vụ của sinh viên - Dự lớp - Bài tập - Seminar 8. Tài liệu học tập: - Sách, giáo trình chính:  Nguyễn Hữu Mình, Giáo trình cơ học lý thuyết, NXBGD, 1986 - Sách tham khảo:  Lê Minh Hoa, Giáo trình cơ học lý thuyết, ĐHSP TP.HCM, 2002  Landau - Lifshit, Cơ lý thuyết, NXB MOSCOW, 1975 (Bản tiếng Nga)  L. Chow, Classical Mechanics, Jonh Wiley & Sons, 1995  M. Olsson, Classical Mechanics, Me Graw - Hill, 1995 9. Tiêu chuẩn đánh giá sinh viên: - Kiểm tra giữa học phần: 30% - Thi kết thúc học phần: 70% 10. Thang điểm: 10 11. Nội dung chi tiết học phần : Chƣơng I : Phƣơng trình Newton: 9 (6,3) 1.1 Chuyển động dƣới tác dụng của lực là hàm của thời gian 1.2 Chuyển động dƣới tác dụng của lực là hàm của vận tốc 1.3 Chuyển động dƣới tác dụng của lực là hàm của vị trí hạt ⃗⃗ = ⃗⃗ (r) 1.4 Chuyển động của hệ có khối lƣợng thay đổi (Rocket - Motion) (Chuyển động của tên lửa) Chƣơng 2: Phƣơng trình Lagrange: 12 (7, 5) 2.1 Tọa độ suy rộng 17 2.2 Phép biến phân trong cơ học - Nguyên lý tác dụng tối thiểu Hamilton (nguyên lý Hamilton) và các phƣơng trình Lagrange 2.3 Các phƣơng trình chính tắc Hamilton 2.4 Ngoặc Poisson Chƣơng 3: Chuyển động trong trƣờng xuyên tâm: 9 (5,4) 3.1 Bài toán hai vật 3.2 Chuyển động trong trƣờng xuyên tâm nói chung - Các dạng quỹ đạo 3.3 Các định luật Kepler Chƣơng 4: Dao động : 10 (6,4) 4.1 Dao động chịu tác dụng của lực ma sát 4.2 Dao động cƣỡng bức có ma sát 4.3 Dao động phi tuyến của con lắc toán học - Tích phân ellipse 4.4 Tọa độ chuẩn - Các kiểu dao động chuẩn (Normal Modes) Chƣơng 5: Chuyển động trong hệ qui chiếu không quán tính: 10 (6, 4) 5.1 Chuyển động trong hệ qui chiếu có gia tốc tịnh tiến 5.2 Chuyển động trong hệ qui chiếu quay - Lực quán tính ly tâm, lực Coriolis 5.3 Chuyển động của vật ở gần bề mặt quả đất 5.4 Con lắc Foucault Chƣơng 6: Chuyển động của vật rắn: 6 (6,0) 6.1 Khối tâm - Động lƣợng toàn phần - Momen động lƣợng toàn phần -Momen xoắn (Total torque) 6.2 Các góc Euler 6.3 Hiệu ứng Gyrocope - Con quay hồi chuyển 6.4 Tenxơ mômen quán tính 6.5 Các phƣơng trình Euler cho vật rắn Chƣơng 7: Hấp dẫn Newton: 4 (4,0) 7.1 Lực hút của vật hình cầu - Định lý Newton 7.2 Hiện tƣợng thủy triều - Ảnh hƣởng của Mặt Trăng và Mặt Trời lên thủy triều 7.3 Vận tốc vũ trụ cấp I, II, III (7,9km/s; 1l,2km/s; 16,6km/s) ĐỀ CƢƠNG CHI TIẾT HỌC PHẦN: ĐIỆN ĐỘNG LỰC HỌC 1. Số đơn vị học trình: 5 đvht 2. Trình độ: cho sinh viên năm thứ ba 3. Phân bổ thời gian: - Lý thuyết: 50 tiết - Bài tập: 25 tiết 4. Điều kiện tiên quyết: Các môn học cần học trƣớc là: Giải tích vectơ, Điện từ học, Cơ học lý thuyết. 5. Mục tiêu của học phần: Cho sinh viên một bức tranh tƣơng đối hoàn chỉnh về điện từ trƣờng cùng các quy luật biến đổi; tƣơng tác giữa các điện từ trƣờng với vật chất; bản chất của sóng điện từ. Ngoài ra, cơ sở của lý thuyết tƣơng đối hẹp cũng đƣợc xây dựng nhƣ một hệ quả của lý thuyết điện từ. 18