Giải chuyên đề học tập Vật lí 10 Cánh diều bài 1: Sự hình thành và phát triển của vật lí học

MỞ ĐẦU

Câu hỏi: Vật lí hiện hữu trong các tình huống hằng ngày. Hầu hết mọi thứ bạn thấy trong phòng khách nhà mình hay trong một bệnh viện hiện đại đều liên quan tới vật lí. Vật lí giúp bạn biết không nên cho vật bằng kim loại vào lò vi sóng hay người phải mang máy điều hòa nhịp tim thì cần tránh xa các thiết bị thu – phát sóng điện từ.

Vật lí học nghiên cứu các quy luật cơ bản mà tất cả các quá trình tự nhiên tuân theo. Vật lí khám phá các quy luật vận hành vũ trụ, vì vậy nó được sử dụng bởi nhiều ngành khoa học. Những bước tiến của vật lí là cơ sở cho sự phát triển của các ngành khoa học, kĩ thuật và công nghệ. Và vì thế, bạn sẽ gặp ứng dụng của vật lí trong hầu hết các lĩnh vực, ngành nghề từ những ngành kĩ thuật cho tới những ngành nghệ thuật ít liên quan. Hãy nêu một ứng dụng của vật lí trong đời sống mà bạn thấy ấn tượng.

Hướng dẫn trả lời:

Một số ứng dụng khác của Vật lí trong đòi sống hằng ngày:

- Sản xuất ô tô điện: hiện nay con người đã và đang dần thay thế các dòng xe ô tô chạy bằng xăng, dầu sang dòng xe chạy bằng điện để nâng cao hiệu suất sử dụng và bảo vệ môi trường ít bị ô nhiễm bởi khí thải.

- Sử dụng internet để trao đổi thông tin: thông tin được truyền đi nhanh chóng, chính xác.

- Ứng dụng Vật lí vào sản xuất nông nghiệp: nâng cao hiệu quả sản xuất, không phụ thuộc vào sức người.

- Ứng dụng Vật lí vào khám, chữa bệnh.

I. VẬT LÍ HỌC CỔ ĐIỂN

Câu hỏi 1: Hãy nêu một định luật khoa học và thời điểm mà định luật đó được khám phá.

Định luật vạn vật hấp dẫn của Newton:thường được phát biểu rằng mọi hạt đều hút mọi hạt khác trong vũ trụ với một lực tỷ lệ thuận với tích khối lượng của chúng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa các tâm của chúng.

Đây là một định luật vật lý tổng quát rút ra từ những quan sát thực nghiệm của cái mà Isaac Newton gọi là suy luận quy nạp. Nó là một phần của cơ học cổ điển và được xây dựng trong công trình của Newton “Các nguyên lý toán học của triết học tự nhiên” ("Principia"), xuất bản lần đầu vào ngày 5 tháng 7 năm 1687. Khi Newton trình bày Quyển 1 của văn bản chưa được xuất bản vào tháng 4 năm 1686 cho Hiệp hội Hoàng gia, Robert Hooke tuyên bố rằng Newton đã ăn trộm ý tưởng về định luật nghịch đảo bình phương từ ông.

Câu hỏi 2: Bạn hãy tìm hiểu và trình bày sơ lược (khoảng 1 trang A4) về sự ra đời và những thành tựu ban đầu của vật lí thực nghiệm do một số nhà vật lí tiêu biểu trong thời kì này tạo ra.

Toàn bộ lý thuyết trừu tượng và rắc rối về màu sắc của thời Baroque đã bị Isaac Newton (Nhà vật lý, thiên văn học, triết học, toán học, thần học và nhà giả kim thuật người Anh – nhà khoa học vĩ đại và có tầm ảnh hưởng lớn nhất, 1642-1721) lật nhào bằng thí nghiệm tán sắc ánh sáng vào năm 1671. Newton phát hiện ra rằng chùm ánh sáng trắng khi đi qua một lăng kính thì bị tách ra thành bảy chùm ánh sáng có màu đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm và tím. Bảy chùm ánh sáng đơn sắc này sau khi đi qua một lăng kính lộn ngược thì lại hợp nhất thành chùm ánh sáng trắng..

Newton cũng chứng minh được rằng các chùm ánh sáng có màu khác nhau trong quang phổ khi chiếu qua vật chất thì bị khúc xạ theo một góc khác nhau.Ông phát hiện ra rằng khi đi qua lăng kính, ánh sáng màu đỏ sẽ bị lệch ít hơn trong khi ánh sáng màu tím bị lệch nhiều hơn. Kết quả quan sát này đã khiến Newton tin rằng mỗi màu được tạo ra từ các thành phần thiết yếu duy nhất. Thành phần tạo nên sắc đỏ của màu đỏ khác với thành phần tạo nên sắc tím của màu tím. Mặc dù Newton đã chọn hướng đi đúng nhưng ông đã đưa ra giả thuyết sai rằng những ánh sáng gồm những hạt nhỏ di chuyển trên một đường thẳng xuyên qua một loại ether và hình thành nên “lý thuyết hạt”. Tuy nhiên cuối cùng, cái mà ông gọi là “lý thuyết hạt” sau đó được chấp nhận rộng rãi.

Mô tả thí nghiệm tán sắc ánh sáng: Chiếu ánh sáng Mặt trời qua một lăng kính thủy tinh P thấy vệt sáng F’ trên màn M bị dịch xuống phía đáy lăng kính đồng thời bị trải dài thành một dải màu biến thiên, dải màu trên được gọi là quang phổ.

Thí nghiệm với ánh sáng đơn sắc: Vẫn làm thí nghiệm tương tự như thí nghiệm với ánh sáng trắng ở trên. Tuy nhiên chùm sáng đơn sắc sau khi qua lăng kính P tách lấy một ánh sáng đơn sắc (ví dụ như ánh sáng vàng) và tiếp tục cho qua một lăng kính tiếp theo. Khi đó trên màn quan sát M’ nhận thấy chỉ thu được một điểm sáng vàng.

Newton coi cả bảy màu đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm và tím là bảy màu sơ cấp bởi không có màu nào có thể bị đổi sang màu khác bằng khúc xạ và chúng có thể hòa trộn với nhau. Bên cạnh đó, Newton nhận thấy rằng một màu có thể là màu thuần túy hoặc do sự kết hợp của các tia sáng. Newton cũng phát hiện ra rằng khi chiếu ba hoặc bốn chùm ánh sáng đơn sắc chồng lên nhau, chúng có thể hòa thành màu trắng.

Câu hỏi 3: Bạn hãy trình bày vai trò của Newton đối với sự phát triển của vật lí học.

Vai trò:

Thông qua phân tích quang phổ của ánh sáng Isaac Newton là người đầu tiên giúp chúng ta hiểu và xác định được, cầu vồng trên bầu trời có 7 màu sắc khác nhau.

Ông cũng là người đầu tiên đặt ra Định luật chuyển động đặt nền tảng cho cơ học cổ điển. Công trình của ông lần đầu tiên đặt ra ba định luật của chuyển động, gồm: Định luật quán tính, định luật về gia tốc, lực và phản lực. Các định luật của Newton giúp giải thích nhiều hiện tượng xảy ra trong cuộc sống và đặt nền tảng cho cơ học cổ điển.

Định luật vạn vật hấp dẫn và phép tính vi phân, tích phân cũng ghi công của Newton, là cơ sở của cơ học cổ điển cho đến khi có thuyết tương đối của Albert Einstein.

Câu hỏi 4. Liệt kê một số nhánh nghiên cứu chính của vật lí cổ điển.

Hướng dẫn trả lời:

Một số nhánh nghiên cứu chính bao gồm: 

Vật lí thiên văn nghiên cứu các hành tinh, ngôi sao, hiện tượng ngày và đêm, quy luật chuyển động của chúng…

Cơ học cổ điển nghiên cứu các loại chuyển động, các loại lực, sự tương tác giữa chúng…

Nhiệt học (Động cơ nhiệt) nghiên cứu các loại động cơ nhiệt, nghiên cứu về nhiệt độ, áp suất, thể tích mối quan hệ giữa chúng, …

Điện học và từ học nghiên cứu các hiện tượng điện và từ, loại mạch điện, chế tạo máy phát điện, sự liên quan giữa điện và từ, …

Quang học nghiên cứu về cấu tạo, màu sắc, tốc độ,… của ánh sáng.

II. VẬT LÍ HỌC CUỐI THẾ KỈ XIX

Câu hỏi 5: Những vấn đề gì gây nên sự khủng hoảng của vật lí cuối thế kỉ XIX? Vì sao nói sự khủng hoảng đó là tiền đề của vật lí hiện đại? Vì sao nói sự khủng hoảng đó là tiền đề của vật lí hiện đại.

Một số vấn đề gây ra sự khủng hoảng của vật lý cuối thế kỉ XIX.

Vào cuối thế kỉ XIX – đầu thế kỉ XX, trong khoa học tự nhiên bắt đầu diễn ra một cuộc cách mạng thật sự: Người ta tìm ra các tia Rơn – ghen (1895); hiện tượng phóng xạ (1896); điện tử (1897) mà trong quá trình nghiên cứu các đặc tính của điện tử người ta phát hiện thấy rằng khối lượng của nó có thể biến đổi tùy theo tốc độ, … Việc phát hiện ra điện tử đã làm đảo lộn quan niệm thống trị một thời gian dài khi cho rằng nguyên tử là cái nhỏ nhất không thể phân tách được, cái được xem là chân lí thống trị hàng nghìn năm trước đó.

Người ta vẫn cho rằng khái niệm điện, từ, ánh sáng là tồn tại độc lập. Khi áp dụng để nghiên cứu bức xạ nhiệt của các vật đen thì lí thuyết đó không giải thích được các kết quả thực nghiệm. Maxwell đã chứng minh rằng trường điện từ có thể truyền đi trong không gian dưới dạng sóng với tốc độ không đổi là 300 000 km/s và đưa ra giả thuyết rằng ánh sáng là sóng điện từ.

Năm 1879, Stefan (Stê – phan, 1835 – 1893) đã tiến hành thí nghiệm nghiên cứu bức xạ nhiệt của các vật và xác định cường độ bức xạ của một vật đen tuyệt đối bằng vô cùng. Đây là điều vô lí mà lí thuyết của Maxwell đã không giải thích được, người ta còn gọi đây là “ sự khủng khoảng ở vùng tử ngoại” hay “tai biến cực tím”.

Sự khủng hoảng đó là tiền đề của vật lí hiện đại vì:

Sự khủng hoảng này là tiền đề cho sự phát triển của vật lí hiện đại vì khi các nhà khoa học bị bế tắc với các hiện tượng mà vật lí cổ điển không thể giải thích được thì cần phải có những lí thuyết, mô hình mới được phát triển, điều đó dẫn đến một số kiến thức khoa học, lí thuyết mới, phát minh mới ra đời.

Luyện tập: Trong các chất bán dẫn, năng lượng electron không nhận các gá trị thuộc vùng cấm. Việc tốn tại vùng cấm chỉ có thể được giải thích bằng cơ học lượng tử. Khi nghiên cứu bán dẫn, Bardeen đã phát minh ra bóng bán dẫn (transistor). Các transistor được kết hợp thành mạch tích hợp (IC) là nền tảng tạo nên các thiết bị thông minh như điện thoại, máy tính. Hãy kể tên một số thiết bị có sử dụng mạch tích hợp IC.

 Vi mạch, mạch tích hợp (integrated circuit, gọi tắt IC, còn gọi là chip theo thuật ngữ tiếng Anh) là tập các mạch điện chứa các linh kiện bán dẫn (như transistor) và linh kiện điện tử thụ động (như điện trở) được kết nối với nhau, để thực hiện được một chức năng xác định.

Một số thiết bị có sử dụng mạch tích hợp IC.

• IC vi mạch tích hợp
• Máy tính, ti vi, đài, hệ thống báo động

III. VẬT LÍ HIỆN ĐẠI

Câu hỏi 6: Nêu một số lĩnh vực chính của Vật lí hiện đại.

Một số lĩnh vực chính của Vật lí hiện đại.

Vật lí nano nghiên cứu vật chất ở kích thước cực kì nhỏ bé - kích thước nanomet (nm).

Vật lí bán dẫn nghiên cứu những tính chất và cơ chế vật lý xảy ra trong các chất bán dẫn.

Vật lí năng lượng cao nghiên cứu về các hạt sơ cấp chứa trong vật chất và bức xạ, cùng với những tương tác giữa chúng.

Câu hỏi 7: Nêu đối tượng nghiên cứu của vật lí hiện đại.

Đối tượng nghiên cứu của Vật Lí hiện đại là: Các hiện tượng vật lí xảy ra ở các điều kiện đặc biệt: tốc độ lớn có thể so với tốc độ ánh sáng (thuyết tương đối hẹp), khoảng cách nhỏ có thể so sánh với bán kính nguyên tử (cơ học lượng tử), năng lượng rất cao (vật lí năng lượng cao).

Vận dụng: Mặc dù vật lí đã nghiên cứu đến hạt hạ nguyên tử nhưng ứng dụng của các hạt hạ nguyên tử vẫn còn nằm trên lí thuyết. Hiện nay về mặt công nghệ, con người mưới chỉ áp dụng được các kết quả nghiên cứu vật lí ở phạn vi kích thước nanomet ( cỡ vài ngàn nguyên tử) trong thực tiễn. Lĩnh vực vật lí và ứng dijng ở kích thước nanomet là khoa học nano ( Nanoscience) và công nghệ nanno (Nanotechnology), hoạt đọng dựa trên các nguyên lí cơ bản của cơ học lượng tử.

Hãy tìm kiếm và kể tên một số thiết bị có sử dụng công nghệ nano.

Hướng dẫn trả lời:

Một số thiết bị sử dụng công nghệ nano là:

• Máy lọc nước công nghệ nano
• Tủ lạnh sử dụng công nghệ nano
• Dung dịch khử mùi ô tô nano bạc
• Máy bay không người lái nano
• Vệ tinh nano