Giải chuyên đề học tập Vật lí 10 KNTT bài 1: Sơ lược về sự phát triển của Vật lí học

• Sự ra đời của Vật lí học gắn với xã hội Hy Lạp cổ đại, khi xã hội chiếm hữu nô lệ ở Hy Lạp đã đạt đến mức độ phồn vinh, tạo điều kiện thuận lợi cho khoa học ra đời và phát triển.
• Quá trình phát triển của Vật lí học:

I. Sự ra đời và những thành tựu ban đầu của vật lí thực nghiệm

Câu hỏi 1. Aristotle quan niệm các vật nặng rơi nhanh hơn các vật nhẹ, nhưng Galilei không tin như thế, ông đã làm thí nghiệm tại tháp nghiêng Pisa (Pi – da) và đưa ra kết luận: Không có sức cản của không khí (hoặc sức cản rất nhỏ so với trọng lượng của vật) thì các vật rơi như nhau (Hình 1.1).

Hãy nêu sự khác nhau trong nghiên cứu của Aristotle và Galilei.

Sự khác nhau trong nghiên cứu của Aristotle và Galilei.

Câu hỏi 2. Các nhà triết học tự nhiên Hy Lạp cổ đại sử dụng những phương pháp nghiên cứu nào để nghiên cứu thế giới tự nhiên?

Các nhà triết học tự nhiên Hy Lạp cổ đại đã sử dụng phương pháp quan sát và phương pháp quy nạp để nghiên cứu thế giới tự nhiên.

Câu hỏi 3. Phương pháp thực nghiệm có vai trò như thế nào đối với quá trình phát triển của Vật lí học và các cuộc cách mạng công nghiệp?

Phương pháp thực nghiệm ra đời đã giải quyết những vấn đề thực tiễn mà Aristotle không giải quyết được. Kể từ khi phương pháp thực nghiệm ra đời, các nhà vật lí đi tìm chân lí khoa học không phải bằng những cuộc tranh luận triền miên mà bằng cách tiến hành các thí nghiệm, phát triển các công thức định lượng có thể kiểm tra bằng thực nghiệm. Từ đó, thúc đẩy quá trình phát triển của Vật lí học và các cuộc cách mạng công nghiệp.

Câu hỏi 4. Hãy nêu vai trò của vật lí thực nghiệm đối với sự phát triển của Vật lí học.

Sử dụng phương pháp thực nghiệm và định lượng giúp phát hiện ra các quy luật, các định luật vật lí và kiểm chứng các lí thuyết mới. Sự tiến triển của Vật lí học thường bước sang chương mới khi các nhà thực nghiệm phát hiện ra những hiện tượng mới, hoặc khi một lí thuyết mới tiên đoán kết quả mà các nhà thực nghiệm có thể thực hiện được các thí nghiệm kiểm chứng mang lại kết quả ủng hộ lí thuyết mới.

Câu hỏi 5. Vật lí thực nghiệm có vai trò như thế nào trong việc phát minh ra máy hơi nước?

Vật lí thực nghiệm tạo ra bước tiến đáng kể về Nhiệt học, các nghiên cứu về dãn nở vì nhiệt là cơ sở để sáng chế ra máy hơi nước, hình thành nhiệt động lực học và mở đầu cho cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ nhất.

Câu hỏi 6. Việc sáng chế ra máy phát điện và động cơ điện có tác động như thế nào đến sản xuất?

• Máy phát điện và động cơ điện dùng để chuyển đổi ngược điện năng sang cơ năng.
• Máy phát điện tạo ra được một dòng điện hiệu quả hơn pin điện hóa.
• Việc dùng động cơ điện thuận tiện cho truyền tải điện năng đi xa và đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Các thiết bị điện thay thế cho thiết bị sử dụng động cơ hơi nước đã giảm thiểu rất nhiều những nguy hiểm từ các thiết bị cũ trong nhà ở, nhà máy và tạo ra các dây chuyền sản xuất.

Câu hỏi 7. Hãy kể ra một số thành tựu khác của vật lí thực nghiệm.

Một số thành tựu của Vật lí thực nghiệm có thể kể đến như:

• Galilei chế tạo thành công kính thiên văn vào năm 1609 và mở đầu cho kỉ nguyên nghiên cứu vũ trụ.
• Newton nghiên cứu hiện tượng tán sắc ánh sáng, chứng minh ánh sáng trắng không phải là ánh sáng đơn sắc mà là tập hợp của vô số ánh sáng đơn sắc khác nhau có màu trải dài liên tục từ đỏ đến tím. Ngoài ra, Newton cũng nêu ra giả thuyết ánh sáng có tính chất hạt.
• Michael Faraday (Mai-cơn Pha-ra-đây) (1791 – 1867) nghiên cứu các hiện tượng về điện từ và mối quan hệ tương hỗ giữa điện và từ hay còn gọi là hiện tượng cảm ứng điện và từ. Đây là cơ sở cho sự ra đời của máy phát điện xoay chiều.
• Thomas Young (Tho-mát Y-âng) (1773 – 1829) thực hiện thí nghiệm giao thoa ánh sáng, từ đó chứng minh ánh sáng có tính chất sóng.

Câu hỏi 8. Hãy nói về một số ảnh hưởng của cơ học Newton đối với sự phát triển của Vật lí học.

• Isaac Newton đã xây dựng nên hệ thống các định luật về chuyển động và định luật vạn vật hấp dẫn. Hệ thống các định luật này đã tạo cơ sở lí luận và toán học vững chắc cho sự ra đời và phát triển của cơ học cổ điển khi có thể giải thích được không chỉ chuyển động của các vật thể trong cuộc sống hằng ngày, mà còn cả các hành tinh và các vật thể trong vũ trụ.
• Cơ học Newton mang lại một giá trị rất lớn về mặt tư tưởng khoa học. Nhờ vào hệ thống cơ học Newton, nhà khoa học Edmond Halley (Ét-mơn Ha-lây) (1656 – 1742) đã dự đoán được sự xuất hiện của một sao chổi. Sao chổi này được đặt tên là Halley để ghi nhớ thành tích khoa học của ông. Lần đầu tiên, một vật thể bên cạnh các hành tinh được chứng minh là quay quanh Mặt Trời. Đây được xem như bằng chứng thực nghiệm đầu tiên khẳng định sự đúng đắn của cơ học Newton và là một trong những thành tựu vĩ đại nhất trong lịch sử nhân loại.
• Dựa trên các định luật Newton và công cụ giải tích toán học, nhà khoa học Tsiolkovsky (Sai-ô-cốp-ki) (1857 – 1935) đã xây dựng thành công phương trình mô tả chuyển động của vật thể có khối lượng thay đổi theo thời gian. Kết quả quan trọng này đã đặt nền móng cho sự hình thành và phát triển của ngành chế tạo tên lửa và từ đó mở ra kỉ nguyên du hành vũ trụ trong nửa sau của thế kỉ XX.

=> Mặc dù vào thế kỉ XX, sự ra đời của cơ học lượng tử và thuyết tương đối đã dần thay thế các định luật về chuyển động của Newton. Tuy nhiên, cơ học Newton vẫn giải thích chính xác chuyển động của vật thể trong thế giới tự nhiên ở một phạm vi nhất định, ngoại trừ các vật thể rất nhỏ như electron hoặc các vật thể chuyển động với tốc độ tương đương tốc độ ánh sáng trong chân không. Do đó, cơ học Newton chính là một bước đột phá trong lịch sử Vật lí, đặt nền móng cho Vật lí cổ điển, đóng vai trò thúc đẩy những lí thuyết chính xác hơn và vẫn giữ được giá trị to lớn trong lĩnh vực khoa học ngày nay.

Hoạt động 1. Vẽ sơ đồ tư duy mô tả các nhánh nghiên cứu của cơ học cổ điển.

Hoạt động 2. Kể tên một số nghiên cứu của các nhánh nghiên cứu của cơ học cổ điển.

Cơ học cổ điển có thể chia thành cơ học vật rắn và cơ học chất lưu.

• Một số nghiên cứu của cơ học vật rắn
• Thuyết nhật tâm của Copernic
• Ba định luật Kepler
• Một số nghiên cứu của cơ học chất lưu
• Lực đẩy Archimedes
• Nghiên cứu chất thể lỏng, khí và hơi.

Hoạt động 3. Vì sao âm học được coi là một nhánh của cơ học?

Âm học được coi là một nhánh của cơ học vì âm thanh được phát ra là do vật dao động, âm thanh truyền đi mọi nơi trong môi trường là do chuyển động của các hạt hay phân tử trong các môi trường rắn, lỏng, khí lan truyền gây ra sóng âm.

Hoạt động 4. Thảo luận với bạn về vai trò của các nhánh chính của vật lí cổ điển đối với sự phát triển khoa học công nghệ.

Vai trò của các nhánh chính của vật lí cổ điển với sự phát triển khoa học công nghệ là vật lí cổ điển đóng góp vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu, khám phá, chế tạo nên các đồ dùng, thiết bị, phương tiện hiện đại, đóng góp vào sự phát triển khoa học công nghệ.

Một số ví dụ như sau:

• Cơ học vật rắn, cơ học đất và cơ học kết cấu... là lí thuyết nền tảng cho các kĩ sư thiết kế công trình xây dựng. Bộ môn vật lí kiến trúc bao gồm lí thuyết về âm học, ánh sáng, nhiệt... giúp thiết kế công trình một cách tối ưu, chống tiếng ồn, nâng cao khả năng cách nhiệt và bố trí đèn chiếu sáng hiệu quả.
• Ngành khí động lực học giúp các kĩ sư hàng không thiết kế máy bay tốt hơn cũng như thực hiện các mô phỏng trước khi cho sản xuất hàng loạt.
• Ngành nhiệt động lực học giúp chế tạo ra các động cơ nhiệt, …
• Ngành điện từ học giúp chế tạo ra máy phát điện, …

II. Sự ra đời của Vật lí hiện đại

Câu hỏi 9. Kể tên một số phát hiện quan trọng tạo ra sự khủng hoảng của vật lí 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”.

Hoạt động 5. Tìm hiểu trên internet những thông tin về thuyết tương đối, thảo luận các vấn đề:

• Tầm quan trọng của thuyết tương đối.
• Ứng dụng trong khoa học và đời sống.

Tầm quan trọng của thuyết tương đối:

Thuyết tương đối làm nên cuộc cách mạng về sự hiểu biết không gian và thời gian cũng như những hiện tượng liên quan mà vượt xa khỏi những ý tưởng và quan sát trực giác. Những hiện tượng này đã được miêu tả bằng những phương trình toán học chính xác và xác nhận đúng đắn bằng thực nghiệm.

Ứng dụng của thuyết tương đối trong khoa học và đời sống

• Hệ thống định vị toàn cầu (GPS).
• Laser
• Máy tính lượng tử

Hoạt động 6. Hãy vẽ sơ đồ tư duy mô tả các nhánh nghiên cứu của vật lí hiện đại.