1 – Vật lí 11

Ảnh: IBM Research

Cái bạn trông thấy ở hình trên là hai ảnh của một mô hình máy tính của một ống nano carbon – một cái ống hút ở cấp độ nguyên tử. Được xây dựng từng nguyên tử một, ống nano này là thí dụ tiêu biểu của một họ máy móc mới, chúng nhỏ bé đến mức không thể trông thấy bằng mắt trần, hoặc thậm chí qua đa số kính hiển vi cũng chẳng thấy. Cực kì bền, nhưng đường kính chỉ một vài nguyên tử, những dụng cụ nhỏ xíu như thế này có thể làm thay đổi kịch tính cuộc sống của chúng ta trong những năm sắp tới. Thật vậy, một số nhà nghiên cứu hàng đầu tin rằng “thời đại nano” đã bắt đầu rồi. Khung hình nhỏ “người phân tử” gồm 28 phân tử carbon monoxide, và “chiếc đàn ghita” ở trang sau là kết quả của việc các nhà nghiên cứu giải trí cùng công nghệ nano.

Công nghệ nano, ngành khoa học và công nghệ mới xuất hiện nghiên cứu xây dựng các dụng cụ cơ giới từ các đơn nguyên tử, tìm cách điều khiển năng lượng và chuyển động ở cấp độ nguyên tử. Một khi đã hoàn thiện, công nghệ nano sẽ cho phép các cỗ máy hiển vi thực hiện những nhiệm vụ phức tạp từng nguyên tử một, từng phân tử một. Hãy tưởng tượng một dụng cụ rô bôt nhỏ xíu có thể lập trình trước để tạo ra những sản phẩm nhất định, như giấy hoặc thép, đơn giản bằng cách trích xuất các nguyên tử cần thiết từ khí quyển, theo kiểu giống hệt như một cây khoai tây hấp thụ các chất dinh dưỡng từ đất, nước và không khí, và tổ chức lại chúng để tạo ra nhiều khoai tây hơn.

Multi-Lab: Tư duy Vật lí!

1.1 Vật lí: Một cánh cửa nhìn vào Vũ trụ

1.2 Chiến lược giải quyết vấn đề

1.3 Khảo sát, Thực nghiệm và Đo lường

Nghiên cứu 1A: Phân tích một con lắc

Nghiên cứu 1B: Phân tích số liệu con lắc

2 – Vật lí 11

Hãy tưởng tượng một cỗ máy có thể sản xuất kim cương bằng cách sắp xếp lại các nguyên tử than đá hoặc sản xuất nước tinh khiết bằng cách ghép các nguyên tử hydrogen và oxygen. Còn một cỗ máy như vậy được lập trình sẵn để làm sạch không khí bằng cách sắp xếp các nguyên tử trong các chất ô nhiễm phổ biến, hoặc hàn kín vết thương bằng cách sửa chữa các tế bào bị hỏng thì sao? Thật khó tìm hiểu sự tác động của một công nghệ như thế đối với cuộc sống của chúng ta, và về vô số các quan hệ hóa học, sinh học và vật lí học, cùng các quá trình chi phối thế giới của chúng ta. Tuy nhiên, có một điều là chắc chắn: công nghệ nano tiêu biểu cho một phương thức mới khai thác và chuyển hóa vật chất và năng lượng, mang lại một ứng dụng quan trọng của ngành khoa học mà chúng ta gọi là vật lí.

Qua khóa học này, bạn sẽ tham gia vào các quá trình làm vật lí. Bạn sẽ nêu các câu hỏi, đề ra các giả thuyết, thiết kế và thực hiện các khảo sát, xây dựng mô hình và sử dụng lí thuyết để giải thích các kết quả của bạn, và giải các bài toán có liên quan đến vật lí. Tóm lại, bạn sẽ học cách suy nghĩ giống như một nhà vật lí. Các hoạt động trong khóa học này sẽ được thực hiện ở nhiều mức độ khó dễ khác nhau. Trong khoa học, cũng như trong các ngành học khác, những câu hỏi và khảo sát đơn giản nhất thường mang lại những câu trả lời thú vị nhất và quan trọng nhất.

3 – Vật lí 11

Một phần việc quan trọng của vật lí học là xây dựng các mô hình cho phép chúng ta phát triển sự giải thích cho các hiện tượng. Các mô hình thật hữu ích trong việc đưa ra các dự đoán dựa trên các quan sát. Hãy thử các thí nghiệm sau đây, xây dựng mô hình riêng của bạn và đưa ra các dự đoán riêng của bạn dựa trên những gì bạn đã biết. Hãy ghi nhớ những ý tưởng này trong trí bạn khi bạn tiếp tục học tiếp các bài sau.

Hộp đen

Hãy kéo các dây trên hộp đen và quan sát xem chuyện gì xảy ra. Hãy thử vài ba lần, để ý đến chuyển động và lực căng của các dây, mọi tiếng ồn mà bạn nghe và bất cứ thứ gì đập vào trước mắt bạn. Hãy ghi lại các quan sát của bạn.

1. Dựa trên các quan sát của bạn, hãy vẽ một mô hình thể hiện xem bạn nghĩ các sợi dây được nối như thế nào bên trong chiếc hộp đen.

2. Kiểm tra sự chính xác của dự đoán của bạn bằng cách kéo các sợi dây trên hộp đen một lần nữa.

3. Thí nghiệm này có thể dùng để giải thích quá trình khảo sát khoa học như thế nào?

Quả bóng bãi biển

Với một người bạn cùng chơi, hãy quan sát cái xảy ra với một quả bóng bãi biển khi bạn ném nó qua lại trong khi tác dụng các chuyển động quay khác nhau. Hãy ghi lại các quan sát của bạn.

1. Hãy mô tả các tác động của mỗi chuyển động quay tròn.

2. Vẽ một mô hình thể hiện cái bạn quan sát thấy.

4 – Vật lí 11

Máy gia tốc Van de Graaff

Đặt các mảnh giấy nhỏ từ một cái kim bấm ba lỗ lên trên một máy phát Van de Graaff như bên hình. Bật công tắc mở máy phát và quan sát cái xảy ra. Ghi lại các quan sát của bạn.

1. Dựa trên các quan sát của bạn, hãy vẽ mô hình thể hiện cái xảy ra đối với mảnh giấy.

Siêu quả cầu

Thả rơi một siêu quả cầu từ một độ cao nhất định. Tiến hành thử nghiệm vài lần, thay đổi các thông số như vận tốc ban đầu của quả cầu và tốc độ quay tròn của nó. Ghi lại các quan sát của bạn. Sau đó hãy phát triển các quy tắc sẽ cho phép bạn dự đoán xem quả cầu, dựa trên vận tốc ban đầu và tốc độ quay tròn của nó, có nảy lên cao hơn điểm xuất phát của nó hay không.

1. Kiểm tra các dự đoán của bạn.

2. Mô tả sự chuyển động của siêu quả cầu bằng một mô hình về sự bảo toàn năng lượng.

Bức xạ kế

Chiếu ánh sáng lên trên một bức xạ kế và quan sát cái xảy ra. Lặp lại quá trình trên dùng máy sấy tóc ở chế độ nóng và chế độ mát. Ghi lại các quan sát của bạn.

1. Cái gì làm cho các cánh quạt quay tròn? Hãy đề ra một giả thuyết.

2. Năng lượng đã được chuyển hóa như thế nào?

3. Có những sự tương đồng gì giữa nhiệt và ánh sáng?

4. Kiểm tra giả thuyết của bạn.

5 – Vật lí 11

Ảnh bội cho bởi hai gương phẳng

Sử dụng một thước đo góc để bố trí một cơ cấu như hình bên. Bố trí các gương và đồng tiền nhà trong ảnh. Sau đó, lập một bảng số liệu như bảng bên dưới. Đếm số lượng ảnh bạn nhìn thấy khi đặt các gương ở những góc nhất định. Ghi lại các quan sát của bạn.

1. Phát triển một phương trình toán học dự đoán số lượng ảnh sẽ xuất hiện khi góc hợp giữa hai gương phẳng đã được cho trước. Gợi ý: một vòng tròn có 360o.

Số lượng vật Góc giữa các gương Số lượng ảnh

1 180o

1 120o

1 90o

1 60o

6 – Vật lí 11

Cái khiến cho vật lí học thật hấp dẫn là bạn sẽ tham gia vào việc suy nghĩ về vũ trụ hoạt động như thế nào và tại sao nó lại hành xử như thế. Khi được yêu cầu định nghĩa khái niệm khoa học, Albert Einstein từng trả lời rằng “khoa học chẳng gì hơn là sự trau chuốt của tư duy hàng ngày”. Nếu bạn thay từ “khoa học” bằng từ “vật lí” trong định nghĩa của Einstein, thì sự trau chuốt mà ông đang nhắc tới đó là gì? Sử dụng ngôn ngữ toán học để xây dựng các mô hình và lí thuyết, vật lí học cố gắng giải thích và dự đoán các tương tác giữa vật chất và năng lượng. Trong vật lí học, sự tìm kiếm bản chất của những mối liên hệ này đưa chúng ta đưa chúng ta đi từ cấu trúc dưới hiển vi của nguyên tử đến cấu trúc siêu vĩ mô của vũ trụ. Tuy nhiên, mọi nỗ lực vật lí học đều có một đặc điểm chung: chúng đều nhắm tới việc thiết lập các sự thật cơ bản về bản chất của vũ trụ.

Nhiệm vụ của bạn trong khóa học này sẽ là phát triển một quá trình tự quyết cho phép bạn đi từ “tư duy hàng ngày” của Einstein đến “sự trau chuốt của tư duy hàng ngày” của ông. Sự trau chuốt này, quá trình thu thập dữ liệu một cách có hệ thống thông qua quan sát, thực nghiệm, tổ chức dữ liệu, và đưa ra các kết luận, thường được gọi là khảo sát khoa học. Phương pháp này bắt đầu với quá trình nêu giả thuyết. Một nhà khoa học giỏi sẽ cố gắng đi tìm bằng chứng không được một mô hình nào hậu thuẫn. Nếu tìm thấy bằng chứng mâu thuẫn, thì mô hình đó là không thỏa đáng.

Trong tài liệu này, bạn sẽ bắt gặp các quan niệm sai lầm được in chữ nhỏ ở hai bên lề trang. Hãy ngẫm xem suy nghĩ hiện tại của bạn có vướng phải những quan niệm sai lầm đó hay không. Sau đó, với việc khảo sát vật lí học qua sự trải nghiệm cùng khóa học, hãy phát triển kiến thức hiểu biết của riêng bạn.

Sự hiểu biết hiện nay của chúng ta về vũ trụ đã bắt đầu như thế nào? Trước thời hiện nay, sự tiến bộ đã diễn ra như thế nào trong những thế kỉ qua? Tư duy mà chúng ta biết đó đã bắt đầu với Artistotle.

Hai mô hình của Artistotle

Hơn 2300 năm trước đây, hai mô hình có liên quan đã được sử dụng làm cơ sở cho việc giải thích nguyên do các vật rơi xuống và chuyển động như chúng vốn như thế. Artistotle (384–328 tCN) đã sử dụng một mô hình để giải thích sự chuyển động của các vật trên Trái đất, và sử dụng một mô hình thứ hai (xem hình) để giải thích sự chuyển động của các ngôi sao và hành tinh trên bầu trời. Ngày nay, chúng ta không chấp nhận những mô hình này là sự giải thích tốt nhất cho sự chuyển động của các vật thể trên Trái đất và trong không gian vũ trụ. Tuy nhiên, vào thời đại ấy, chúng là những giải pháp rất thông minh để giải thích những hiện tượng này khi Aristotle quan sát chúng.

Từ khóa

• vật lí học

• khảo sát khoa học

• quan sát

• định tính

• định lượng

• lí thuyết

• mô hình

Mục tiêu

• Sử dụng các mô hình khoa học thích hợp để giải thích và dự đoán hành trạng của các hiện tượng tự nhiên.

• Nhận dạng và mô tả các ngành nghề có gốc rễ khoa học và công nghệ liên quan đến vật lí học.

7 – Vật lí 11

QUAN NIỆM SAI

Từ tia X đến các xung thần kinh

Nhiều người nghĩ rằng vật lí thật khó và mang tính toán học cao. Trong khi toán học đúng là một phần rất quan trọng đối với vật lí học, nhưng cơ sở của vật lí học thì chẳng gì khó hiểu đâu. Cho dù lĩnh vực nghiên cứu

hứng thú nhất của bạn là gì đi nữa, thì có lẽ các khái niệm vật lí sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn một số phương diện của nó. Bạn có thể đặc biệt hứng thú với một ngành khoa học khác, như sinh học hoặc hóa học chẳng hạn.

Khi sự nghiên cứu khoa học của bạn có bước tiến bộ, bạn sẽ phát hiện ra

rằng mỗi ngành khoa học đều có liên quan lẫn nhau. Thí dụ, các nhà hóa

học sử dụng tia X để nghiên cứu cấu trúc của các phân tử lớn. Các nhà sinh học sử dụng lí thuyết điện để nghiên cứu sự truyền tải các xung

thần kinh.

ĐÔI NÉT LỊCH SỬ

Richard Feynman (1918–1988), nhà khoa học đạt giải Nobel và là cha đẻ

của công nghệ nano, là một trong những nhà vật lí nổi tiếng nhất của thế kỉ thứ 20. Năm 1959, trong khi trình bày một bài báo mang tựa đề

“Có rất nhiều Không gian dưới Tận cùng” nói về các đặc trưng của thế

giới dưới hiển vi khi đó còn ít người hiểu rõ, Feynman đã nhận xét:

“Chẳng có gì ngoài kích cỡ vụng về của chúng ta ngăn chúng ta sử dụng

không gian [đó]”. Khi ông nói ra những lời như thế, công nghệ nano

vẫn còn là một giấc mơ xa vời. Giấc mơ đó ngày nay đã rất gần với thực tại. Thật vậy, ngành y khoa và khoa học máy tính thuộc thế kỉ thứ 21 có thể sẽ chứng kiến những ứng dụng đầu tiên của công nghệ nano, vì cả hai ngành khoa học này đều đang

chạy đua phát triển các công cụ một ngày nào đó sẽ cho phép chúng thao

tác trên từng nguyên tử một.

Hình 1.1 Vũ trụ quan Aristotle, Trái đất nằm tại trung tâm của vũ trụ.

Aristotle và Sự chuyển động

Mô hình giải thích sự chuyển động trên Trái đất xây dựng trên một quan điểm cấp tiến của những người Hi Lạp, sau sự tư duy của Aristotle. Aristotle thừa nhận quan điểm của Empedocles (492–435 tCN) rằng mọi vật có cấu tạo từ bốn nguyên tố hay bốn chất – đất, nước, không khí và lửa. Mọi vật thể được cho là tuân theo những quy luật cơ bản giống nhau tùy thuộc vào các chất mà chúng chứa. Mỗi chất có một vị trí tự nhiên trong trật tự vũ trụ. Vị trí của đất là ở dưới cùng, trên đó là nước, rồi không khí và lửa. Theo mô hình này, mỗi vật trong vũ trụ có cấu tạo gồm những lượng đa dạng thuộc bốn nguyên tố này. Một hòn đá hiển nhiên là đất. Khi được thả rơi, hòn đá rơi xuống nhằm tìm lại vị trí vốn dành cho nó trong trật tự của vạn vật. Lửa thì ở trên cùng trong số các chất. Khi một khúc gỗ bốc cháy, lửa mà nó thu nhận từ mặt trời trong quá trình nó lớn lên được giải phóng và bốc lên vị trí thượng cùng của nó. Theo Aristotle, vạn vật trôi nổi, rơi xuống, hay dâng lên là để trở lại nơi vốn có của nó trong thế giới. Những tác dụng này được phân loại là các chuyển động tự nhiên. Khi một vật chịu tác dụng của một lực, thì nó có thể chuyển động theo những hướng khác ngoài chuyển động tự nhiên đưa chúng trở lại vị trí tự nhiên của chúng. Một hòn đá có thể chuyển động theo phương ngang hoặc thẳng đứng lên cao bằng cách tác dụng một lực theo chiều như mong muốn. Khi lực ngừng tác dụng, thì chuyển động đó dừng lại.

8 – Vật lí 11

Mô hình giải thích sự chuyển động trên bầu trời thì hơi khác một chút. Các nhà thiên văn học Hi Lạp biết rằng có hai loại “sao”, các ngôi sao cố định và các hành tinh (hay kẻ du thực), đồng thời còn có Mặt trời và Mặt trăng. Những vật thể này dường như không bị chi phối bởi các quy luật giống như các vật cấu tạo từ những chất khác. Chúng chuyển động ngang trên bầu trời mà không có lực nào tác dụng lên chúng hết. Người Hi Lạp xếp chúng vào chất thứ năm trong bảng danh mục vật chất của họ. Mọi vật thể thuộc nguyên tố thứ năm được xem là hoàn hảo. Mặt trăng, chẳng hạn, được cho là một quả cầu hoàn hảo. Mô hình của Aristotle giả sử rằng tồn tại những quả cầu hoàn hảo, trong suốt, không nhìn thấy, nâng đỡ cho các thiên thể.

Sau này, khi Ptolemy (87–150) phát triển mô hình vũ trụ địa tâm của ông, ông đã sử dụng quan điểm này làm nền tảng và mở rộng nó để đưa vào các vòng nội luân và ngoại luân nhằm giải thích vì sao các hành tinh thường chuyển động giật lùi. Một chuyển động tròn thôi chỉ có thể giải thích sự chuyển động của Mặt trời và Mặt trăng.

Đối với các nền văn hóa châu Âu, hai mô hình của Aristotle thành công đến mức gần như trong 2000 năm, người ta chấp nhận chúng mà chẳng nghi vấn gì. Chúng vẫn có thể được chấp nhận cho đến khi bị thách thức bởi mô hình mang tính cách mạng của Copernicus (1473–1543) và những khám phá của Galileo Galilei (1564–1642).

Galileo và Phương pháp khảo sát khoa học

Năm 1609, sử dụng một chiếc kính thiên văn nguyên thủy (xem Hình 1.2), Galileo đã quan sát thấy bề mặt của mặt trăng lốm đốm những ngọn núi, các miệng hố, và các thung lũng; Mộc tinh thì có bốn vệ tinh riêng; Thổ tinh thì có vành; thiên hà của chúng ta (Dải Ngân hà) thì gồm nhiều ngôi sao hơn con số trước đây người ta tưởng tượng ra; và Kim tinh, giống như Mặt trăng vậy, có các pha của nó. Dựa trên những quan sát của mình, Galileo cảm thấy ông có thể thừa nhận một giả thuyết mang tính cách mạng – một giả thuyết đã được phát triển bởi một nhà thiên văn học người Ba Lan tên là Nicolaus Copernicus – cho rằng Trái đất, cùng các hành tinh khác trong Hệ Mặt trời, thật sự quay xung quanh Mặt trời.

Cái mà những người Hi Lạp không làm được là kiểm tra các giảng giải dựa trên các mô hình của họ. Khi Galileo quan sát các vật rơi, ông để ý thấy chúng dường như chẳng rơi ở những tốc độ khác nhau gì nhiều. Galileo đã chế tạo ra một thiết bị dùng để đo tốc độ của các vật rơi, ông đã làm các thí nghiệm, và phân tích các kết quả. Cái ông tìm thấy là mọi vật về căn bản rơi ở tốc độ như nhau hết. Tại sao những người Hi Lạp không nhận thấy điều này? Khá đơn giản thôi, khái niệm kiểm tra các mô hình của họ bằng cách làm thực nghiệm chẳng phải là cái được họ cho là hợp lí, hay có lẽ nó không xảy ra với họ.

Sử dụng các tài nguyên điện tử hoặc in ấn, hãy nghiên cứu một bài báo hiện đại hoặc một bài báo lịch sử trình bày một số phương diện của vật lí học. Tóm tắt bài báo đó thành hai hoặc ba đoạn, chú ý vì sao bạn nghĩ chủ đề đó là quan trọng. Hãy cung cấp càng nhiều thông tin về nguồn gốc của bài báo càng tốt.

LIÊN HỆ NGÔN NGỮ

Thậm chí ngày nay, thuật ngữ nguyên tố thứ năm vẫn có ý nghĩa chỉ địa vị cao nhất của sự tồn tại. Bạn hãy sử dụng thuật ngữ này, ở dạng danh từ hoặc tính từ của nó, để mô tả một sự kiện quan trọng hay một người quan trọng trong cuộc đời của bạn.

• Nghĩ thử xem...

Một khúc gỗ nửa chìm nửa nổi trên một hồ nước. Khúc gỗ đó hiển nhiên là bằng gỗ, một chất liệu rõ ràng đã phát triển từ nguyên tố “đất”, và là một chất rắn khá đậm đặc giống như các vật thể bằng đất khác. Nếu bạn là một người Hi Lạp cổ đại tin vào Vũ trụ quan Aristotle, làm thế nào bạn có thể giải thích vì sao khúc gỗ lại nổi bồng bềnh chứ không chìm xuống như các hòn đá hay những vật thể bằng đất khác?

9 – Vật lí 11

Hình 1.2 Chiếc kính thiên văn mà qua nó, Galileo lần đầu tiên quan sát các vệ tinh của sao Mộc và thiên thể khác trong hệ mặt trời của chúng ta.

Aristotle có đúng không?

Có phải các vật nặng thì rơi nhanh hơn các vật nhẹ? Hãy thả rơi đồng thời một cái tẩy chì và một tờ giấy từ mức cao ngang mắt xuống sàn. Cái nào chạm đất trước? Có cái gì trong sự chuyển động của tờ giấy khiến bạn nghĩ rằng đây không phải là một thử nghiệm tốt hay không? Giờ thì hãy vo tròn tờ giấy lại thành một quả cầu nhỏ và lặp lại thí nghiệm trên. Có sự khác biệt đáng kể nào về thời gian cần thiết để chúng chạm xuống sàn nhà hay không? Hãy mô tả các biến cố mà bạn đã cố gắng thử nghiệm.

Kể từ thời kì Galileo, các nhà khoa học trên khắp thế giới đã nghiên cứu các vấn đề theo một kiểu có tổ chức, thông qua quan sát, thực nghiệm có hệ thống, và thận trọng phân tích các kết quả. Từ những phân tích này, các nhà khoa học đưa ra các kết luận, cái sau đó họ đem ra khảo sát lần nữa để đảm bảo tính đúng đắn của chúng.

Khi bạn dõi theo khóa học này, hãy luôn ghi nhớ trong đầu những quan niệm sau đây về các lí thuyết, các mô hình và các quan sát. Hãy sử dụng chúng để kích thích tư duy của bạn, và nêu nghi vấn về những quan niệm hiện nay.

Nghĩ về Khoa học, Công nghệ Xã hội và Môi trường

Vào giữa thế kỉ thứ 20, sự tiến bộ khoa học có những bước tiến rất nhanh lẹ. Sự có mặt của những nhân vật như Albert Einstein đã mang lại cho khoa học nói chung, vật lí học nói riêng, một hơi hướng gần như thần bí. Vật lí học thường xuyên chứng kiến một nghiên cứu thuần túy tách rời khỏi thế giới “thực tế”. Trái với hình ảnh đó, khoa học ngày nay được xem là một bộ phận của thế giới và có trách nhiệm ngang ngửa, hoặc thậm chí còn lớn hơn, đối với thế giới so với bất kì dạng nỗ lực nào khác. Mọi thứ khoa học nghiên cứu có sự tác động lâu dài đối với thế giới. Một phần của khóa học này là tìm hiểu mối quan hệ cộng sinh tồn tại giữa khoa học, công nghệ, xã hội và môi trường (STSE).

Đối với nhiều người, khoa học và công nghệ hầu như là một và là cái giống nhau. Chẳng gì phải nghi ngờ rằng chúng có quan hệ rất mật thiết với nhau. Những khám phá mới trong khoa học rất nhanh chóng được công nghệ đuổi kịp, và ngược lại. Thí dụ, từng được xem là một khám phá tinh xảo nhưng chẳng thực tiễn của vật lí học, laser là một thí dụ kinh điển của sự không thể tách rời của khoa học, công nghệ, xã hội và môi trường. Sự liên quan của laser trong cuộc sống của chúng ta hầu như là một sự xuất hiện hàng ngày. Công nghệ đã nhanh chóng trau chuốt và cải tiến sự hoạt động của nó. Ngày nay, laser được sử dụng rộng khắp. Các máy quét hàng ở siêu thị, dụng cụ trắc địa, thiết bị truyền thông, ảnh nổi ba chiều, máy cắt kim loại, công cụ phẫu thuật, và bút trỏ laser đơn giản chỉ là một vài thí dụ của những đổi mới mà công nghệ đã tìm ra cho laser. Rõ ràng không thể nào tách rời tầm quan trọng của khoa học và công nghệ ra khỏi xã hội. Hình 1.3 ở trang sau trình bày chỉ một vài trong số nhiều ứng dụng của vật lí học trong thế giới ngày nay.

10 – Vật lí 11

Hình 1.3 Một số ứng dụng của các khám phá vật lí

Phẫu thuật mắt bằng laser là một trong nhiều ứng dụng mà công nghệ đã tìm ra cho laser.

ĐÔI NÉT LỊCH SỬ

Các mô hình của Aristotle đã được sử dụng để giải thích bản chất của sự rơi trong hàng thế kỉ. Theo Aristotle, vì một hòn đá lớn thì có nhiều chất “đất” hơn một hòn đá nhỏ, cho nên nó có khuynh hướng quay lại đất lớn hơn. Khuynh hướng này làm cho hòn đá to cân nặng hơn và vì thế nó phải rơi nhanh hơn hòn đá nhỏ. Đây là một áp dụng kinh điển của một mô hình để giải thích một hiện tượng. Tuy nhiên, chẳng có gì bất ngờ với bạn khi biết rằng vì mô hình đó là sai lầm, cho nên sự giải thích dựa trên mô hình đó cũng là sai lầm.

Thường thì những phát triển giống nhau vừa có những tác động tích cực lẫn tiêu cực. Nhu cầu năng lượng không ngừng tăng lên của xã hội chúng ta đã thúc ép môi trường của chúng ta đến những giới hạn của nó. Xã hội, trong khi đòi hỏi năng lượng ngày một nhiều hơn, còn đồng thời đòi hỏi khoa học và công nghệ phải tìm ra các nguồn năng lượng thay thế. Điều này dẫn tới sự phát triển kĩ thuật hạt nhân, mặt trời, gió, nước, địa nhiệt, và nhiên liệu hóa thạch làm nguồn năng lượng. Mối quan hệ của xã hội và môi trường với khoa học và công nghệ giống như là một con dao hai lưỡi.

Vật lí học nghiên cứu các tính chất nhiệt của vật liệu cùng các tiến bộ công nghệ trong lĩnh vực thiết kế cấu trúc kết hợp nhau đã mang lại những ngôi nhà hiệu quả năng lượng, làm giảm đáng kể nhu cầu đốt nhiên liệu của chúng ta.

11 – Vật lí 11

“Chiếc đàn ghita” nhỏ xíu này (kích cỡ chừng bằng một tế bào hồng cầu) được chế tạo bằng công nghệ nano. Công nghệ này sẽ giúp các nhà khoa học khảo sát các quá trình mà nhờ đó các nguyên tử và phân tử có thể được sử dụng riêng lẻ làm những viên gạch cấu trúc dưới hiển vi.

Các cải tiến công nghệ đã mang lại khả năng đưa ngày một nhiều máy vi tính và máy tính ngày một mạnh hơn vào trong một không gian ngày một nhỏ hơn.

Xe lai chạy bằng điện và xăng có thể cắt giảm đáng kể sự phát thải các chất gây ô nhiễm. Xe hơi chế tạo từ vật liệu composite carbon thì nhẹ hơn và bền hơn xe hơi chế tạo từ vật liệu truyền thống. Hệ thống đánh lửa và hệ thống nhiên liệu do máy tính điều khiển làm tăng thêm hiệu suất của động cơ. Toàn bộ những yếu tố này có thể hỗ trợ cho việc bảo vệ môi trường.

Công nghệ đã chạm tới những mặt trần tục nhất trong cuộc sống của chúng ta. Các lớp TeflonTM dày cỡ micro trên lưỡi dao cạo khiến chúng trượt đi nhẹ nhàng hơn trên bề mặt da.

12 – Vật lí 11

Tư duy khoa học

Kiến thức bắt đầu với những quan sát và sự hiếu kì. Các nhà khoa học tổ chức tư duy của họ bằng cách sử dụng các quan sát, các mô hình, và các lí thuyết, như tóm tắt dưới đây.

Lí thuyết

Một lí thuyết là một tập hợp các ý tưởng, được nhiều nhà khoa học công nhận, phù hợp với nhau để giải thích một hiện tượng tự nhiên đặc biệt nào đó. Các lí thuyết mới thường phát sinh từ những lí thuyết cũ, mang lại những cái nhìn mới mẻ, đôi khi thay đổi triệt để, về vũ trụ. Một thí dụ như vậy, vẫn đang trong quá trình phát triển, là GUT, hay Lí thuyết Thống nhất Lớn, đang được nhiều nhà nghiên cứu thuộc nhiều lĩnh vực vật lí khác nhau ngày đêm tìm kiếm. Thông qua GUT, các nhà vật lí hi vọng một ngày nào đó có thể mô tả mọi hiện tượng vật lí trong vũ trụ bằng cách sử dụng cùng những bộ quy luật giống nhau.

Mô hình

Mô hình là sự biểu diễn của hiện tượng, và có thể có nhiều dạng thức khác nhau, bao gồm một danh sách các quy tắc, các nét vẽ bút chì trên một mảnh giấy, một vật thể có thể thao tác được, hoặc một công thức toán học. Một quan sát có thể được giải thích bằng nhiều mô hình; tuy nhiên, trong đa số trường hợp, một loại mô hình nào đó có hiệu quả hơn những loại khác.

Quan sát

Một quan sát là thông tin thu thập bằng cách sử dụng một hoặc nhiều trong năm giác quan của chúng ta. Các quan sát có thể mang lại nhiều sự giải thích, vì những người tham gia cùng một sự kiện thường tường thuật những thứ khác nhau. Phải mất hàng trăm quan sát về một hiện tượng nào đó mới phát triển được một lí thuyết. Có hai loại quan sát có thể thực hiện. Thứ nhất là quan sát định tính, tức là mô tả bằng lời

Hình 1.4 Chắc hẳn bạn đã từng nghe nói đến thuyết tương đối đặc biệt của Einstein. Một phần của lí thuyết trên phát biểu rằng tốc độ ánh sáng, c, là cái duy nhất trong vũ trụ là hằng số. Mọi số đo khác là mang tính tương đối, phụ thuộc vào hệ quy chiếu của nhà quan sát. Công thức (mô hình) nổi tiếng của lí thuyết trên là E = mc2.

Hình 1.5 “Mô hình tấm cao su” này thường được sử dụng để mô tả quan niệm của Albert Einstein về không gian cong. Mô hình cho thấy một khối lượng ở giữa có thể làm cho không gian xung quanh khối lượng đó cong đi.

Hình 1.6 Các quan sát có thể là định lượng hoặc định tính. Người đi xe đạp có thể xác định tốc độ của cô ta bằng cách áp dụng mô hình toán học, v = ∆d/∆t, cho số liệu khoảng cách và thời gian có thể quan sát được của cô ta.

13 – Vật lí 11

thôi: “Một cái lông chim đang rơi từ từ xuống đất”. Thứ hai là quan sát định lượng, tức là sử dụng các con số và đơn vị đo: “Hòn đá rơi với tốc độ 2 m/s”.

Các nghề vật lí

Mục tiêu kĩ năng

• Khởi động và lên kế hoạch

• Tiến hành nghiên cứu

Khi bạn đọc phần giới thiệu này, thế giới trước mắt bạn, từ các chu kì tự nhiên của thời tiết cho đến các linh kiện viễn thông công nghệ cao, đều hoạt động trên các nguyên lí cơ bản của vật lí học. Phạm vi bao quát của vật lí học có thể diễn đạt thành một danh sách rất dài gồm các nghề nghiệp có liên quan đến nghiên cứu vật lí. Thí dụ, bạn có thích đến ngồi trong rạp hát không? Kiến thức về sự hoạt động của các loại đèn là cái không thể thiếu đối với các kĩ thuật thắp sáng phức tạp trong các rạp hát ngày nay. Bạn có phải là một nhạc sĩ không? Bạn có thể thu được những hiệu ứng âm nhạc tốt hơn bằng cách hiểu rõ hơn về bản chất của âm thanh. Hãy nghiên cứu biểu đồ ở bên, lưu ý đến những cơ hội nghề nghiệp thuộc lĩnh vực vật lí học sử dụng phần nhiều kiến thức và kĩ năng mà bạn học được trong khóa học này. Hãy xem xét một hoặc nhiều nghề có thể khiến bạn bị cuốn hút, và bắt đầu tìm hiểu

14 – Vật lí 11

những yêu cầu giáo dục để đạt tới mục tiêu nghề nghiệp đó. Những người thành công và hạnh phúc nhất trong con đường sự nghiệp là những người thật sự yêu thích công việc của mình, chứ không phải vì công việc đó họ làm tốt, bạn hãy ghi nhớ điều đó khi lựa chọn các cơ hội nghề nghiệp cho bản thân mình.

1. Công nghệ nano là gì? Hãy trích dẫn những thí dụ đặc biệt cho thấy công nghệ này có thể ảnh hưởng đến cuộc sống hàng ngày của chúng ta như thế nào.

2. Bạn định nghĩa vật lí như thế nào?

3. Vì sao các nhà khoa học sử dụng phương pháp khảo sát khoa học để nghiên cứu các vấn đề?

4. Sự khác biệt giữa một mô hình, một lí thuyết và một quan sát là gì? Mỗi khái niệm có tầm quan trọng như thế nào?

5. Mô tả sự khác biệt giữa sự quan sát định tính và quan sát định lượng. Cho thí dụ cho mỗi trường hợp.

15 – Vật lí 11

Các kĩ năng giải quyết vấn đề thật quan trọng trong cuộc sống hàng ngày, ở trường học, và tại nơi làm việc. Một số vấn đề, thí dụ như quyết định xem nên đi bộ hay đi xe đạp, thì dễ giải quyết hơn những vấn đề khác. Tuy nhiên, trong mỗi trường hợp, bạn hãy phát triển một quá trình giúp bạn đưa ra quyết định của mình. Trong vật lí học, việc tìm hiểu rõ một khái niệm thì quan trọng hơn là việc đơn giản chỉ làm toán; vì thế đòi hỏi sự sáng tạo và linh hoạt. Khi bạn áp dụng các chiến lược giải quyết vấn đề trình bày trong quyển sách giáo khoa này, hãy nhớ rằng câu trả lời của bạn cho bất kì một câu hỏi nào luôn kém quan trọng hơn sự lí giải mà bạn sử dụng.

Hình 1.7 Cờ vua là một trò chơi chiến thuật phức tạp. Chiến thắng luôn thuộc về

người nào có khả năng hình dung trò chơi sẽ diễn tiến như thế nào trong vài bước đi tiếp sau đó.

Tổ chức vấn đề

Tổ chức vấn đề là một phương pháp thiết lập các thông số (các ranh giới quan trọng) và tổ chức chúng theo một kiểu thích hợp nhất cho một vấn đề đặc biệt nào đó. Hiếm khi nào chỉ có duy nhất một phương pháp để tổ chức một vấn đề, và bạn làm như thế nào là tùy thuộc vào mỗi tình huống cụ thể; bạn phải xác định xem phương pháp nào là tốt nhất đối với bạn, và đối với mỗi vấn đề. Thường thì việc tổ chức vấn đề sẽ giúp cho lời giải trở thành hiển nhiên đối với bạn.

Tổ chức vấn đề, cho dù đó là một câu hỏi vật lí hay một vấn đề nội trợ tiêu biểu, là một quá trình sáng tạo và có hệ thống được thiết kế để làm sáng tỏ cái đã biết, cái hạn chế tồn tại, và mục tiêu cuối cùng là gì. Đa số mọi người đều có một phương pháp tổ chức thông tin ưa thích của mình. Thông thường, phương pháp sử dụng để tổ chức thông tin là đề tài đặc biệt hơn sở thích cá nhân.

Từ khóa

• tổ chức vấn đề

Mục tiêu

• Lựa chọn và sử dụng thích hợp các mode biểu diễn dạng số, dạng kí hiệu, dạng biểu bảng và dạng lí giải để truyền đạt thông tin khoa học.

• Phân tích và tổng hợp thông tin trong quá trình phát triển các kĩ năng giải quyết vấn đề.

16 – Vật lí 11

Hình 1.9 Tổ chức vấn đề và phát triển các chiến lược giải là có thể áp dụng cho mọi loại vấn đề.

Hình 1.8 Ghi nhận các mode tổ chức mà bạn ưa thích sẽ giúp bạn phát triển các chiến lược giải quyết vấn đề của mình.

Ví dụ 1: Tổ chức dữ liệu bằng văn bản

Bạn có thể biểu diễn quá trình tư duy của mình dưới dạng các câu hỏi.

Theo cách này, bạn đã tổ chức vấn đề bằng cách đưa ra các câu hỏi chủ chốt trong thời gian mà bạn có. Lời giải của bạn phải phù hợp với những thông số này.

Một vấn đề điển hình

Một người bạn gọi đến cho bạn lúc 6 giờ tối hôm thứ ba và hỏi bạn có muốn cùng hai người bạn khác nữa tham gia vào một cuộc chơi hai tiếng rưỡi đồng hồ, để chơi một trò mà tất cả các bạn trong nhóm đều rất thích. Bạn của bạn lên kế hoạch bắt đầu lúc 7 giờ tối. Bạn biết mình còn có hai bài tập về nhà phải hoàn thành trước ngày hôm sau. Trước khi cho câu trả lời, bạn cần phải quyết định xem bạn có đủ thời gian để hoàn thành bài tập ở nhà và đi ra ngoài chơi hay không. Bạn cũng cần phải dành ưu tiên cho cảm giác của mình về những lợi ích của việc ra ngoài chơi.

Kịch bản này được tổ chức bằng sơ đồ, sử dụng những chiến lược khác nhau. Khi bạn khảo sát chúng, hãy xét đến tính hiệu quả

của chúng. Hãy phát triển những chiến lược riêng của bạn để tổ chức vấn đề, và thiết lập các thông số hoạt động tốt nhất đối với bạn.

(a) Văn bản viết

Tôi thích chơi trò chơi. Đó là một sự nghỉ ngơi thú vị, nhưng tôi còn có hai bài tập phải làm xong trước sáng ngày mai. Bạn của tôi dự tính chơi trò chơi trong bao lâu chứ? Hai tiếng rưỡi đồng hồ cơ. Bài tập ở nhà của tôi cần bao nhiêu thời gian chứ? Vật lí: ba mươi phút. Toán: chẳng có bài tập nào cho đêm nay. Tiếng Anh: 30 phút. Tôi phải có mặt ở nhà lúc 11 giờ tối.

(b) Danh sách liệt kê

• Trò chơi đang diễn ra

17 – Vật lí 11

• Vui, và mang lại sự thư giãn

• Làm bài tập ở nhà

• Ba mươi phút làm bài tập Vật lí

• Ba mươi phút làm bài tập Tiếng Anh

• Hai tiếng rưỡi đồng hồ

• Có mặt ở nhà lúc 11 giờ tối

Ví dụ 2. Tổ chức dữ liệu bằng sơ đồ

Bạn tổ chức vấn đề bằng cách phác thảo sơ đồ (a) và vạch ra các thông số (b). Đáp án của bạn phải phù hợp với những thông số này.

(a) Sơ đồ dạng cây

(b) Sơ đồ thời gian

18 – Vật lí 11

Các bài toán mẫu

Trong suốt tài liệu này, bạn sẽ bắt gặp một đặc điểm gọi là Bài toán Mẫu. Mỗi một bài toán mẫu trình bày một vấn đề vật lí đặc biệt nào đó và lời giải của nó. Các bài toán mẫu tuân theo phương pháp từng bước giải, giống hệt như bài toán mẫu dưới đây. Hãy làm quen với những bước giải này và tích hợp chúng vào ngân hàng chiến lược giải quyết vấn đề của riêng bạn. Trong tài liệu này, sau các bài toán mẫu là các bài tập giúp bạn rèn luyện các kĩ năng của mình. Hãy trả lời các câu hỏi này tại cuối phần Ôn tập chương.

Nêu một vấn đề.

Tổ chức vấn đề

Phần này mô tả vấn đề và xác định các thông số của lời giải. Hãy xét các phát biểu đưa ra trong phần này thật thận trọng.

Nhận dạng mục tiêu

Thu hẹp sự chú ý của bạn và xác định mục tiêu chính xác.

Các biến số

Có liên quan trong vấn đề

Liệt kê các biến đã đề cập trong phần tổ chức vấn đề.

Đã biết

Liệt kê các biến mà thông tin đã biết rõ hoặc đã có gợi ý.

Chưa biết

Liệt kê các biến chưa biết và phải đi tìm trong lời giải.

Chiến lược

Mô tả từng bước các phép tính toán học có liên quan.

Tính toán

Sử dụng các dữ liệu bạn tích góp được để hoàn thành lời giải. Tối giản các đơn vị cần thiết trong câu trả lời cuối cùng của bạn.

Một phát biểu kết luận xác thực rằng mục tiêu đã được hoàn tất. Số chữ số có nghĩa trong đáp án phải khớp với số chữ số có nghĩa trong đề bài.

Xác thực

Phần này cung cấp cơ hội làm sáng tỏ các bước dùng trong tính toán ra đáp án. Việc xác thực đáp án giúp khắc phục sai số và sai sót trong suy luận.

Gợi ý bài toán

Thường thì bạn sẽ tìm thấy các gợi ý có trong bài toán mẫu. Các gợi ý được thiết kế nhằm chỉ dẫn các chiến lược giúp bạn định hướng thành công một loại vật chất đặc biệt nào đó.

Tốc độ trung bình

Một sinh viên chạy được 15 km trong 1,5 h. Tốc độ trung bình của người sinh viên đó là bao nhiêu?

Tổ chức vấn đề

19 – Vật lí 11

• Người sinh viên có thể dừng lại nghỉ mệt hoặc không, nhưng thuật ngữ trung bình gợi ý rằng cần xét đến tổng thời gian và tổng quãng đường.

• Tốc độ có đơn vị là quãng đường/thời gian.

• Sử dụng thông tin quãng đường/thời gian để giúp xây dựng một công thức cho tốc độ (hoặc xác nhận công thức bạn nhớ trong đầu là chính xác).

• Tổng quãng đường/tổng thời gian sẽ cho tốc độ trung bình.

Nhận dạng mục tiêu

Tốc độ trung bình, vtb.

Các biến và hằng số

Có liên quan trong bài toán

∆d

vtb

∆t

Đã biết

∆d = 15 km

∆t = 1,5 h

Chưa biết

vtb

Chiến lược

Sử dụng công thức tốc độ trung bình

Thay các giá trị đã biết và giải.

Tính toán

tb

dv

t

∆=∆

( )

( )

15 km10 km/h

1,5 htbv = =

Vậy người sinh viên đó chạy với tốc độ trung bình 10 km/h

Xác thực

Giá trị tốc độ cho theo quãng đường (km) trên thời gian (h) là đúng.

Gợi ý

Hãy đảm bảo nhận ra số chữ số có nghĩa cho trong câu hỏi khi chúng biến thiên từ câu hỏi này sang câu hỏi khác. Hãy mang các chữ số có nghĩa thừa qua các phép tính trung gian, và sau đó làm tròn đáp số cuối cùng của bạn đến con số chữ số có nghĩa thích hợp.

20 – Vật lí 11

Sự thành tựu Vật lí

Biểu đồ Thành tựu bên dưới phân chia bốn danh mục kiến thức và kĩ năng khoa học sẽ sử dụng trong mọi khóa học khoa học để ước định và đánh giá sự thành tựu của bạn. Biểu đồ ấy giúp bạn đánh giá quá trình học tập của mình, và lên kế hoạch cải tiến chất lượng, với sự hỗ trợ của thầy cô giáo của bạn.

Trong quyển sách giáo khoa này, bạn sẽ bắt gặp những vấn đề, những nghiên cứu, những hoạt động, những câu hỏi nêu cùng với các kí hiệu chung sau đây: Biết/Hiểu

, Khảo sát , Thảo luận , và Liên hệ . Thí dụ, bạn sẽ bắt gặp những câu hỏi trong quyển sách này đã được cấu trúc dưới một trong những danh mục này để cho phép bạn xác định xem bạn có thu được thành tựu trong mỗi danh mục hay không (một số câu hỏi có thể dễ dàng xếp vào một danh mục khác; với mỗi câu hỏi, chúng tôi đã chọn lọc, xếp chúng vào danh mục phù hợp nhất). Hãy chép lại biểu đồ này trong vở ghi chép của bạn làm cái nhắc nhở bạn về những yêu cầu cần đạt trong khóa học này. (Ngoài ra, các vấn đề liên quan đến tính toán đã được dành riêng cho phần bài tập, hoặc phần ôn tập chương, ôn tập bài, câu hỏi gợi mở).

Logo này cho biết nơi có thể sử dụng ổ cắm điện tử là một phần của thao tác thực hành.

Học liệu điện tử gồm các mô phỏng, các hình động và video clip giúp bạn học tốt hơn.

Bảng 1.1 Biểu đồ thành tựu

Biết và hiểu Khảo sát Thảo luận Liên hệ

Hiểu các khái niệm, các nguyên lí, các định luật và các lí thuyết.

Biết các thực tế và thuật ngữ.

Chuyển đổi các khái niệm sang ngữ cảnh mới.

Hiểu mối liên hệ giữa các khái niệm.

Áp dụng các kĩ năng và chiến lược khảo sát khoa học.

Áp dụng các kĩ năng và thao tác kĩ thuật.

Sử dụng các công cụ, thiết bị và chất liệu.

Thảo luận các thông tin và các ý tưởng.

Sử dụng các thuật ngữ khoa học, các kí hiệu, các quy ước và các đơn vị chuẩn (SI).

Thảo luận trước những người nghe và những mục đích khác nhau.

Sử dụng các dạng thảo luận đa dạng.

Sử dụng công nghệ thông tin cho các mục đích khoa học.

Hiểu mối quan hệ giữa khoa học, công nghệ, xã hội và môi trường.

Phân tích các vấn đề xã hội và kinh tế liên quan đến khoa học và công nghệ.

Đánh giá các tác động của khoa học và công nghệ đối với môi trường.

Đề xuất các khóa thực tập liên quan đến các vấn đề có nguồn gốc khoa học và công nghệ.

21 – Vật lí 11

Cuối mỗi bài học, bạn sẽ có cơ hội củng cố các khái niệm và kĩ năng mà bạn vừa học qua việc hoàn thành một nghiên cứu, một vấn đề, hoặc một dự án. Trong mỗi bài học, một trong những logo dưới đây sẽ nhắc nhở bạn về nhiệm vụ phải làm ở cuối bài học đó. Các ý kiến được cung cấp dưới mỗi logo để giúp bạn chuẩn bị và lên kế hoạch cho công việc. Việc đánh giá công việc của bạn đối với mỗi nhiệm vụ ở cuối bài học, giống như mọi sự đánh giá khác trong khóa học này, sẽ dựa trên biểu đồ thành tựu ở Bảng 1.1.

Kiểm tra Vật lí sẽ cho phép bạn hợp nhất các khái niệm và kĩ năng mà bạn học được từ mỗi đơn vị bài học. Công việc đánh giá cao nhất này sẽ phát triển trong năm, nhưng hoàn tất lúc cuối khóa học. Logo kiểm tra sẽ xuất hiện trong bài học, gợi ý bạn liên hệ những khái niệm và kĩ năng đặc biệt nào đó cho nhiệm vụ cuối khóa của bạn. Các bài học trong quyển sách này trông có vẻ chẳng liên quan gì với nhau. Tuy nhiên, khi nghiên cứu cấu trúc bài kiểm tra, bạn sẽ thấy một số tương tác hấp dẫn giữa nhiều khái niệm. Một lần nữa, hãy sử dụng Biểu đồ Thành tựu ở Bảng 1.1 làm chỉ dẫn cho việc đánh giá công việc của bạn.

1. Giải thích vì sao giải quyết vấn đề là một quá trình sáng tạo. Phát biểu tầm quan trọng của việc tổ chức vấn đề.

2. Phản ánh về kịch bản trò chơi đã nêu trong bài. Phương pháp tổ chức nào phù hợp nhất với quá trình tư duy mà bạn dùng để giải quyết cùng một vấn đề đó?

3. Phát triển một kĩ thuật tổ chức vấn đề khác cho bài toán trò chơi đã nêu. Chia sẻ mô hình của bạn với cả lớp.

4. Bạn được mời làm nhân viên bán hàng bán thời gian vào những ngày cuối tuần. Tuy nhiên, bạn xác định tiếp tục theo đuổi học vấn sau khi tốt nghiệp phổ thông và muốn dành thêm thời gian cho việc học tập. Bạn có nên nhận việc làm đó không? Hãy tổ chức vấn đề để giúp bạn quyết định.

22 – Vật lí 11

5. Một người bạn hỏi bạn rằng nước nóng có đông đặc nhanh hơn nước lạnh hay không. Hãy tổ chức vấn đề đó.

6. Một người bạn khác nói với bạn rằng các nhà du hành vũ trụ không có trọng lượng khi họ bay vòng quanh Trái đất. Bạn biết điều này là không chính xác. Hãy tổ chức vấn đề để giúp bác bỏ quan niệm sai lầm trên.

23 – Vật lí 11

Việc phân tích một hiện tượng thế giới “thực”, như cái bạn sẽ làm trong khóa học này, đòi hỏi khả năng thực hiện các phép đo – từ rất nhỏ cho đến rất lớn. Nó cũng đòi hỏi bạn có thể hình dung dữ liệu theo những cách khác nhau, và để xác định xem những mô hình hiện nay có thể tiên đoán các sự kiện thực tế chính xác như thế nào. Trong phần này, bạn sẽ làm hai thí nghiệm cho bạn cơ hội bắt đầu có kinh nghiệm với việc đo lường những sự kiện thực tế và phân tích dữ liệu phát sinh trong những thí nghiệm đó.

Trong nghiên cứu thứ nhất, bạn sẽ thiết kế thí nghiệm của riêng mình để khảo sát các biến xác định tốc độ đong đưa của một con lắc. Trong nghiên cứu thứ hai, bạn sẽ so sánh các kết quả thí nghiệm của mình từ nghiên cứu thứ nhất với một mô hình hiện có tiên đoán tốc độ đong đưa của con lắc bị chi phối như thế nào. Sau đó, bạn sẽ có cơ hội thực hành sử dụng một số công cụ toán học của một nhà vật lí, so sánh dữ liệu của bạn với những tiên đoán của một mô hình toán học.

Trước khi bạn tiến hành các nghiên cứu ở hai trang sau, hãy suy nghĩ về chuyển động của cái xích đu, giống như cái trong Hình 1.10. Suy nghĩ xem bạn có thể áp dụng các thuật ngữ nhiếp ảnh cho chuyển động của đứa trẻ hay không.

Hình 1.10 Cái xích đu là một thí dụ hay của chuyển động tuần hoàn.

Thời gian cần thiết để hoàn thành một dao động được gọi là chu kì.

Chu kì = khoảng thời gian / 1 vòng chuyển động

Đơn vị SI cho chu kì, T, là giây (s).

Từ khóa

• Chu kì

• Tần số

• Sai số phần trăm

• Độ lệch phần trăm

Mục tiêu

• Lựa chọn và sử dụng thiết bị thích hợp để thu thập dữ liệu khoa học.

• Thiết kế và tiến hành thí nghiệm điều khiển các biến chính.

• Nêu giả thuyết, tiên đoán và kiểm tra các hiện tượng dựa trên các mô hình khoa học.

24 – Vật lí 11

Số dao động trong một khoảng thời gian đặc biệt được gọi là tần số.

f = số dao động / khoảng thời gian

Đơn vị SI cho tần số, f, là 1/s hay Hertz (Hz).

25 – Vật lí 11

Những chiếc đồng hồ cổ không chỉ đơn thuần là vật giữ nhịp thời gian, mà chúng còn là những tác phẩm nghệ thuật. Một chi tiết quan trọng của chiếc đồng hồ cổ là một con lắc lộng lẫy hoa văn đong đưa tới lui.

Bài toán

Phần 1: Những yếu tố nào ảnh hưởng đến chu kì dao động của một con lắc?

Phần 2: So sánh các kết quả của bạn với các tiên đoán của bạn.

Giả thuyết

Hãy xây dựng một giả thuyết liệt kê các biến sẽ ảnh hưởng đến chu kì dao động của một con lắc. Dự đoán xem mỗi biến sẽ ảnh hưởng như thế nào đến chu kì dao động.

Thiết bị

Các quả nặng (50 g đến 100 g)

Dây (1 m)

Đồng hồ đếm giờ

Giá đỡ

Thao tác

1. Với một người hỗ trợ, hãy thiết kế một thí nghiệm xác định các biến sẽ ảnh hưởng đến chu kì dao động của một con lắc. Nghiên cứu tối thiểu là ba biến.

2. Đưa ra các thao tác từng bước một.

3. Dự đoán và ghi lại ảnh hưởng của mỗi biến, và có dự đoán riêng của thầy giáo của bạn.

4. Tuân thủ các quy định an toàn của trường bạn, hãy tiến hành thí nghiệm và ghi lại các quan sát của bạn.

26 – Vật lí 11

Phân tích và kết luận

1. Bạn sử dụng bao nhiêu dao động để xác định chu kì của con lắc?

2. Bạn đã chạy thử bao nhiêu lần trước khi thay đổi các biến? Như vậy đã đủ chưa? Hãy giải thích.

3. Giả thuyết của bạn có nêu chiều dài là một biến không? Nếu có thì tại sao? Nếu không thì tại sao không? Giải thích sự chọn lựa biến của bạn.

4. Xác định sai số trong dữ liệu của bạn bằng cách tính độ lệch phần trăm giữa giá trị cực đại và cực tiểu bạn cho chu kì dao động đối với mỗi biến có điều khiển. Tham khảo mục Kĩ năng 1 để hiểu rõ về độ lệch phần trăm.

5. Theo các kết quả của bạn, thì những biến nào ảnh hưởng đến chu kì dao động của một con lắc? Hãy giải thích, đưa ra càng nhiều chi tiết càng tốt.

27 – Vật lí 11

Các nhà vật lí và thợ chế tạo đồng hồ thường sử dụng kết quả thu từ những thí nghiệm như thí nghiệm trước để phát triển một mối liên hệ giữa chu kì dao động của một con lắc và chiều dài của nó. Mô hình toán học cho mối liên hệ này được cho bởi phương trình sau:

2l

Tg

π=

Trong đó: T = chu kì dao động

l = chiều dài con lắc

g = 9,8 m/s2 (gia tốc trọng trường ở gần bề mặt Trái đất)

Bài toán

Nên phân tích dữ liệu thực nghiệm như thế nào để kiểm tra (a) sai số trong bộ dữ liệu và (b) độ chính xác khi so sánh với một giá trị lí thuyết?

Giả thuyết

Xây dựng một giả thuyết dự đoán xem kết quả thí nghiệm của bạn từ Nghiên cứu 1A phù hợp như thế nào với mô hình toán học giới thiệu ở trên.

Thao tác

1. Lập một bảng số liệu giống như bảng cho bên dưới.

2. Sử dụng phương trình lí thuyết và số liệu mà bạn thu thập trong nghiên cứu trước để hoàn thành bảng số liệu. Tham khảo Kĩ năng 1 để hiểu rõ về độ lệch phần trăm.

3. Nếu chiều dài không phải là một trong các biến mà bạn và người hỗ trợ của mình đã kiểm tra, thì hãy mượn số liệu thí nghiệm do bạn khác trong lớp của bạn tiến hành.

Phân tích và kết luận

1. Vẽ hai đồ thị sau trên cùng một hệ trục tọa độ:

(a) Tthí nghiệm theo l.

(b) Tlí thuyết theo l.

2. Phân tích đồ thị. Có thể nào xác định định lượng xem số liệu thực nghiệm của bạn có giống với các kết quả do lí thuyết dự đoán hay không?

3. Các giá trị độ lệch phần trăm có cho phép bạn xác định định lượng xem số liệu thực nghiệm của bạn có giống với các kết quả do lí thuyết dự đoán hay không? Xem Phụ lục B để tìm giải thích của độ lệch phần trăm.

4. Hãy đề xuất một phương pháp xác định xem độ lệch thực nghiệm của số liệu của bạn có nằm trong những thông số có thể chấp nhận hay không.

28 – Vật lí 11

5. Hãy đề xuất các kĩ thuật nhằm giảm bớt độ lệch thực nghiệm giữa số liệu của bạn và các giá trị chu kì lí thuyết.

6. Giải thích sự khác biệt giữa độ lệch phần trăm và sai số phần trăm. Khi nào thì nên sử dụng đại lượng tương ứng?

Vật lí: Một thành tựu tích cực

Việc tìm hiểu các khái niệm vật lí đòi hỏi phải tiến hành những quan sát và phân tích thật tốt. Vì thế, quyển sách này cung cấp rất nhiều nghiên cứu tích cực, những Thí nghiệm Nhanh yêu cầu một vài chất liệu để thực hiện, và những hoạt động Thử sức bên lề cũng giống như vậy – những hoạt động không mất nhiều thời gian để thực hiện, nhưng sẽ giúp làm những khái niệm sáng tỏ hơn. Bạn sẽ gặp những thiết kế mẫu sau đây trong suốt tập sách:

1. Khi nào sử dụng độ lệch phần trăm để phân tích dữ liệu?

2. Khi nào sử dụng sai số phần trăm để phân tích dữ liệu?

3. Một nhóm sinh viên khoa học nêu giả thuyết rằng tỉ số những hạt đậu đỏ và những hạt đậu xanh là như nhau trong những gói thực phẩm có cùng nhãn hiệu, cho dù gói đậu đó là lớn hay nhỏ. Kết quả của họ được cho trong Bảng 3.

29 – Vật lí 11

Bảng 3. Dữ liệu hạt đậu

a) Tính tỉ số hạt đậu đỏ và hạt đậu xanh trong mỗi gói.

b) Có khuynh hướng chung nào trong dữ liệu hay không?

c) Có tập hợp dữ liệu nào, trong khi ghi chép, ta không nên xét đến khi đi tìm một khuynh hướng chung hay không? Hãy giải thích.

30 – Vật lí 11

� Vật lí là nghiên cứu mối liên hệ giữa vật chất và năng lượng. Là một quá trình khoa học, vật lí giúp chúng ta mang lại lời giải thích cho những cái chúng ta quan sát thấy. Các nhà vật lí nghiên cứu những hiện tượng đa dạng, từ những hạt hạ nguyên tử, cho đến những cái xảy ra hàng ngày, đến những sự kiện thiên văn học.

� Giống như mọi khoa học, vật lí là

1. một sự tìm kiếm kiến thức qua quá trình khảo sát;

2. một quá trình khái quát hóa kiến thức đó thành những định luật có khả năng áp dụng cho một ngưỡng rộng các hiện tượng; và

3. một phương tiện để kiểm tra những định luật đó thông qua thực nghiệm.

� Các mặt biểu hiện của vật lí học được tìm thấy ở nhiều nghề nghiệp đa dạng. Nghiên cứu kĩ thuật và nghiên cứu hàn lâm có lẽ là cái người ta nghĩ tới trước tiên, nhưng lĩnh vực y khoa, công nghệ, khoa học báo chí, và khoa học máy tính, cũng đòi hỏi kiến thức nền của môn vật lí.

� Một lí thuyết là tập hợp những quan điểm thống nhất với nhau để mô tả và dự đoán một hiện tượng tự nhiên đặc biệt nào đó. Những lí thuyết mới thường phát sinh từ những lí thuyết cũ, mang lại những phương pháp mới mẻ, thỉnh thoảng triệt để, để nhìn vào vũ trụ. Giá trị của một lí thuyết được xác định bởi khả năng của nó dự đoán chính xác ngưỡng hiện tượng rộng nhất.

� Mô hình là sự miêu tả của một lí thuyết. Các mô hình có thể có những dạng thức khác nhau, bao gồm những công thức toán học, những hình vẽ minh họa, và những mô phỏng vật lí hay mô phỏng trên máy vi tính.

� Quan sát là thu thập thông tin bằng cách sử dụng một hoặc nhiều trong số năm giác quan. Các mô hình và lí thuyết đều cố gắng dự đoán các quan sát.

� Những thay đổi trong khoa học và công nghệ có thể có những tác động to lớn đối với xã hội của chúng ta và đối với môi trường toàn cầu. Sự hiểu biết vật lí có thể giúp chúng ta ước định một số rủi ro đi cùng với những thay đổi đó, và nhờ đó chỉ dẫn chúng ta trong quá trình đưa ra quyết định của mình. Vì đa số các vấn đề trong thế giới thực thường bao gồm những thành phần kinh tế, chính trị, và xã hội, cho nên việc áp dụng kiến thức khoa học cho những vấn đề đó có thể giúp bạn tách rời thực tế với viễn tưởng.

� Là một kĩ năng học tập, giải quyết vấn đề là một quá trình tư duy đặc trưng cho từng người chúng ta và cho từng vấn đề. Một số kĩ thuật giải quyết vấn đề đã được lập mô hình trong chương này, mỗi kĩ thuật minh họa sự tư duy khái niệm có liên quan trong khuôn khổ những thông số mà đáp án phải thỏa mãn.

� Sự thiết kế thí nghiệm đòi hỏi kiến thức rõ ràng về giả thuyết được kiểm tra. Hễ khi nào bạn thiết kế những thí nghiệm của riêng mình, thách thức của bạn là phải đảm bảo rằng mỗi lần chỉ có một biến được kiểm tra. Số thử

31 – Vật lí 11

nghiệm mà bạn thực hiện tùy thuộc vào những kết quả đó. Thực hiện đủ số thử nghiệm khi có một khuynh hướng rõ ràng trong dữ liệu. Nếu, trong những phân tích của bạn, một khuynh

hướng rõ ràng là không hiển hiện, thì bạn nên thu thập nhiều dữ liệu hơn nữa. Tham khảo Bộ Kĩ năng ở cuối quyển sách này sẽ giúp bạn phân tích dữ liệu tốt hơn.

Kiến thức và Hiểu

1. Mô tả xem công nghệ nano là sản phẩm của sự khảo sát khoa học và công nghệ như thế nào.

2. Mô tả ngắn gọn những yếu tố có liên quan trong nghiên cứu vật lí.

3. Mô tả xem làm thế nào hoạt động Hộp Đen có thể dùng để giải thích quá trình khảo sát khoa học.

4. Phát biểu một định nghĩa của sự khảo sát khoa học.

5. Ai là người đầu tiên trình bày khái niệm công nghệ nano?

6. Auan sát nào khiến Aristotle cho rằng các hành tinh và Mặt trăng cấu tạo từ chất liệu khác với Trái đất?

7. Tại sao Galileo có thể quan sát những ngọn núi và miệng hố trên Mặt trăng, và bốn vệ tinh đang quay xung quanh Mộc tinh?

Khảo sát

8. Trong lúc thưởng ngoạn trăng sao cùng bạn bè, bạn quan sát thấy một ánh sáng kì lạ trên bầu trời. Danh sách quan sát dưới đây liệt kê những thông tin do bạn và bạn bè thu thập được:

� Ánh sáng đi từ đỉnh ngọn đồi mờ xa ở hướng đông sang tòa tháp TV ở đó nằm phía hướng tây.

� Khi ánh sáng di chuyển, dường như nó là là phía trên mặt đất.

� Khi đi từ đông sang tây, ánh sáng thật sự sáng lên rồi sau đó mờ đi trở lại.

� Mất 3 giây để ánh sáng đi từ ngọn đồi đến tháp TV.

� Nó đi từ điểm này sang điểm kia ở tốc độ không đổi, và sau đó dừng lại tức thì.

Nguồn phát ra ánh sáng này là gì? Hãy tổ chức vấn đề bằng hai phương pháp khác nhau; đưa vào những dữ liệu đã cung cấp và bất cứ thông tin nào mà bạn cảm thấy là có liên quan. Bạn không nhất thiết phải đi tới đáp án cuối cùng.

Thảo luận

9. Định nghĩa sự khảo sát khoa học.

10. Hãy nêu hai câu hỏi đặc biệt mà bạn muốn được trả lời qua khóa học vật lí này. Hãy lật xem đơn vị bài học nào có chứa câu trả lời.

11. Mô tả ngắn gọn mục đích của một lí thuyết, một mô hình và một quan sát.

12. Mô tả xem vật lí học đã tiến triển như thế nào và sẽ tiếp tục tiến triển ra sao.

32 – Vật lí 11

13. Tham khảo Bảng 1.1. Cung cấp một hoạt động (thí dụ, kiểm tra, thí nghiệm, thuyết trình, tranh luận) cho phép bạn thể hiện tốt nhất sở trường của mình trong mỗi trường hợp (Kiến thức và Hiểu; Khảo sát; Thảo luận; và Liên hệ).

Liên hệ

14. Có lí thuyết hoặc mô hình khoa học nào mà bạn tin rằng cuối cùng sẽ tỏ ra không đúng không? Hãy giải thích.

15. Đọc qua Bài kiểm tra cuối khóa ở những trang cuối của tập sách. Liệt kê một danh sách gồm những chủ đề mà tin rằng sẽ thích hợp là một nghiên cứu độc lập cho hoạt động này.

Bài tập vận dụng

16. Một học sinh tiến hành một thí nghiệm để xác định khối lượng riêng của một chất liệu chưa biết. Hãy sử dụng dữ liệu thu thập từ hai phép thử để tính ra sai số phần trăm trong phép đo khối lượng riêng đó.

Thử lần 1 19,6 g/mL

Thử lần 2 19,1 g/mL

17. Một học sinh quyết định so sánh giá trị gia tốc trọng trường lí thuyết tại địa điểm chỗ cô (g = 9,808 m/s2) với số liệu thí nghiệm mà cô thu thập bằng một thiết bị rất nhạy. Cô tiến hành 15 lần thử và sau đó tính trung bình các kết quả, tìm được g = 9,811 m/s2.

(a) Hãy tính độ lệch phần trăm trong tính toán của cô học trò.

(b) Độ lệch phần trăm đó có hợp lí không? Hãy giải thích.

18. Dưới đây là số liệu thu thập trong một thí nghiệm.

Tham khảo Bộ Kĩ năng 4 và thực hiện những yêu cầu sau:

(a) Tìm giá trị trung bình của số liệu.

(b) Tìm trung vị của số liệu.

(c) Tìm mode của số liệu.