Giải bài tập Chuyên đề Vật lí 10 Bài 1: Sơ lược về sự phát triển của vật lí
Chuyên đề Vật lí 10 trang 5
Mở đầu trang 5 Chuyên đề Vật lí 10: Trong bài 1 sách giáo khoa Vật lí 10 các em đã tìm hiểu khái quát về đối tượng, mục tiêu và một số phương pháp nghiên cứu vật lí cũng như ảnh hưởng của vật lí đến các lĩnh vực khác nhau trong đời sống hàng ngày. Để đạt được những thành tựu và ảnh hưởng sâu rộng như hiện nay vật lí đã trải qua những giai đoạn phát triển và vượt qua những khó khăn nào? Trong những thập niên đầu của thế kỷ XXI, vật lí đã đạt được những thành tựu nổi bật nào và một số lĩnh vực của vật lí hiện đại là gì?
Lời giải:
Để đạt được những thành tựu và ảnh hưởng sâu rộng như hiện nay vật lí đã trải qua những giai đoạn phát triển:
– Vật lí thực nghiệm.
– Vật lí cổ điển.
– Vật lí hiện đại.
Và vượt qua những khó khăn:
– “Khủng hoảng vùng tử ngoại (ultraviolet catastrophe)”trong quá trình nghiên cứu về bức xạ của vật đen tuyệt đối, các kết quả tính toán và lý thuyết điện từ cho kết quả sai lệch hoàn toàn so với kết quả thực nghiệm ở vùng bước sóng tử ngoại. Ngoài ra các tính toán lý thuyết còn đưa ra một kết quả vô lý khi cho rằng năng lượng của vật đen tuyệt đối là vô cùng.
Vào thế kỷ XVII nhà vật lí Christiaan Huyghens (1629 – 1695) đã giải thích thành công hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng khi cho rằng bản chất của ánh sáng là sóng. Tuy nhiên sau các thí nghiệm Albert Michelson và Edward Morley cho thấy vấn đề về môi trường truyền sóng ánh sáng chưa được giải quyết một cách triệt để.
Trong những thập niên đầu của thế kỷ XXI, vật lí đã đạt được những thành tựu nổi bật phát hiện sóng hấp dẫn tạo ra do sự sáp nhập của hai hố đen vũ trụ và laser.
Một số lĩnh vực của vật lí hiện đại là
– Vật lí hạt nhân.
-Vật lí laser.
-Vật lí nguyên tử, phân tử và quang học.
-Vật lí kĩ thuật: cơ khí, điện – điện tử.
-Vật lí thiên văn và vũ trụ.
-Vật lí nano.
-Vật lí tính toán lượng tử.
-Vật lí vật chất ngưng tụ.
-Vật lí bán dẫn, công nghệ vật liệu.
-Vật lí y học, vật lí sinh học.
-Vật lí cơ bản và năng lượng cao.
1. Sơ lược về lịch sử hình thành của Vật lí thực nghiệm và một số thành tựu
Câu hỏi 1 trang 5 Chuyên đề Vật lí 10:Trình bày một số kết quả nổi bật của vật lí thực nghiệm từ đó phân tích được vai trò của vật lí thực nghiệm trong sự phát triển của vật lí.
Lời giải:
– Galilê chế tạo thành công kính thiên văn vào năm 1609 và mở đầu cho kỉ nguyên nghiên cứu vũ trụ.
– Newton tìm ra định luật cơ bản về chuyển động đặt nền móng cho cơ học cổ điển.
– 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 dải màu liên tục từ đỏ đến tím. Ngoài ra Newton cũng nêu ra giả thuyết ánh sáng có tính chất hạt.
– Michael Faraday (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.
– Sự ra đời của động cơ hơi nước vào năm 1765 của James Watt (1736 -1819) là thành tựu quan trọng của vật lí thực nghiệm trong cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ nhất.
– Thomas Young (1773 – 1829) thực hiện thí nghiệm giao thoa ánh sáng từ đó chứng minh ánh sáng có tính chất sóng.
Vậy vật lí thực nghiệm có vai trò quan trọng trong sự phát triển của vật lý. Khẳng định hoặc bác bỏ cho những lí thuyết trước đó, cơ sở để vật lí làm tiền đề cho các cuộc cách mạng khoa học, công nghiệp, kĩ thuật,… chế tạo các thiết bị máy móc phục vụ vào cuộc sống, sinh hoạt, sản xuất, …
Chuyên đề Vật lí 10 trang 6
Câu hỏi 2 trang 6 Chuyên đề Vật lí 10:Tiến hành thí nghiệm để chứng minh quan điểm vật nặng rơi nhanh hơn vật nhẹ của Aristotle là không chính xác.
Lời giải:
Ta tiến hành các thí nghiệm:
Thí nghiệm 1: Thả rơi hai tờ giấy giống nhau, nhưng một tờ được vo tròn, một tờ để phẳng. Ta thấy hai vật nặng như nhau lại rơi nhanh, chậm khác nhau.
Thí nghiệm 2: Thả một viên phấn nhỏ và một tấm bìa phẳng (nặng hơn viên phấn) ta thấy vật nhẹ rơi nhanh hơn vật nặng.
Vậy quan điểm vật nặng rơi nhanh hơn vật nhẹ của Aristotle là không chính xác.
Luyện tập trang 6 Chuyên đề Vật lí 10:Nêu vai trò của vật lí thực nghiệm trong quá trình phát triển của khoa học
Lời giải:
Vai trò của vật lí thực nghiệm trong quá trình phát triển của khoa học là
– Vật lí thực nghiệm ra đời mở đầu cho kỉ nguyên nghiên cứu vũ trụ.
– Là cơ sở cho sự ra đời ngành điện xoay chiều.
– Là cơ sở cho sự ra đời của ngành nhiệt động lực học.
– Là cơ sở cho sự ra đời của sóng ánh sáng và lượng tử ánh sáng.
2. Vai trò của cơ học Newton trong sự phát triển của vật lí
Chuyên đề Vật lí 10 trang 7
Câu hỏi 3 trang 7 Chuyên đề Vật lí 10: Tìm hiểu và trình bày những đóng góp quan trọng của Newton trong các lĩnh vực nghiên cứu khác
Lời giải:
Những đóng góp quan trọng của Newton trong các lĩnh vực nghiên cứu khác
– Isaac Newton đã xây dựng nên hệ thống các định luận về chuyển động và định luật vạn vật hấp dẫn. Hệ thống các định luật này đã tạo cơ sở lý luận và Toán học vững chắc cho sự ra đời và phát triển của cơ học cổ điển khi có thể giải thích không chỉ các chuyển động của các vật thể trong cuộc sống hàng ngày mà còn cả các hành tinh và các vật thể trong vũ trụ.
– Newton đã chế tạo kính thiên văn phản xạ thực tế đầu tiên và phát triển một lý thuyết phức tạp về màu sắc dựa trên quan sát rằng một lăng kính phân tách ánh sáng trắng thành các màu của quang phổ nhìn thấy
– Ông cũng đưa ra định luật thực nghiệm về sự tiêu tán nhiệt, thực hiện phép tính lý thuyết đầu tiên về tốc độ âm thanh và đưa ra khái niệm về chất lỏng Newton .
– Ngoài ra Newton đã phát minh công cụ toán học có tên gọi là phép tính vi phân và tích phân để phục vụ cho những phép tính của mình. Sau này các phép tính vi phân và tích phân trở thành một ngành nghiên cứu quan trọng của toán học được gọi là giải tích.
3. Một số nhánh nghiên cứu chính của vật lí cổ điển
Chuyên đề Vật lí 10 trang 8
Câu hỏi 4 trang 8 Chuyên đề Vật lí 10: Quan sát hình 1.4 và kết nối với từng trường hợp với những nhánh nghiên cứu chính của vật lí cổ điển
Lời giải:
Hình 1.4 a luồng khí qua ô tô: cơ học (cụ thể là khí động lực học).
Hình 1.4 b chuyển động của các hành tinh trong hệ Mặt Trời: cơ học cổ điển (cụ thể là các lực tương tác).
Hình 1.4 c than củi đang cháy: nhiệt động lực học.
Hình 1.4 d cầu vồng: quang học.
Hình 1.4 e sạc điện cho xe: điện và từ học.
Hình 1.4 f nhà máy nhiệt điện: nhiệt động lực học.
Chuyên đề Vật lí 10 trang 9
Luyện tập trang 9 Chuyên đề Vật lí 10: Hệ thống hóa các nhánh nghiên cứu chính của vật lý cổ điển bằng sơ đồ tư duy trong đó nêu rõ ví dụ thực tiễn để minh họa cho từng nhánh nghiên cứu.
Lời giải:
Vận dụng trang 9 Chuyên đề Vật lí 10:Tìm hiểu và viết một bài luận ngắn về một thành tựu của vật lí cổ điển mà em tâm đắc
Lời giải:
Nicolaus Copernicus đã phá vỡ quan niệm Trái đất nằm ở trung tâm của vũ trụ tồn tại suốt nhiều thế kỷ. Bằng những lập luận sắc bén trong thuyết nhật tâm, ông đề xuất rằng Trái đất và các hành tinh khác quay xung quanh Mặt trời.
Bén duyên với thiên văn học
– Nicolaus Copernicus được sinh ra tại Torun, một thành phố ở phía bắc trung tâm của Ba Lan, vào ngày 19/2/1473. Cha của Copernicus là một thương nhân giàu có, nhưng ông qua đời sớm khi Copernicus lên 10 tuổi. Kể từ đó, Copernicus chuyển tới sống với người cậu Lucas Watzenrode. Sau khi được phong chức Giám mục Warmia, Watzenrode trở thành người bảo trợ quan trọng cho cháu trai của mình. Ngay từ nhỏ, Copernicus được tiếp xúc với một nền giáo dục tốt nhất thời bấy giờ để chuẩn bị sẵn sàng cho sự nghiệp về giáo luật. Năm 1491, Copernicus học giáo dục khai phóng (liberal arts) tại Đại học Krakow, bao gồm các môn thiên văn học và chiêm tinh học. Vài năm sau, giống nhiều người Ba Lan thuộc tầng lớp xã hội của mình, Copernicus được gửi sang Italy để nghiên cứu y học và luật.
Nicolaus Copernicus. Ảnh: Alamy
– Khi học tại Đại học Bologna (Italy), Copernicus từng sống một thời gian trong nhà của Domenico Maria de Novara, nhà thiên văn nổi tiếng nhất của trường đại học này. Vào thời điểm đó, thiên văn học cũng như chiêm tinh học có mối liên hệ chặt chẽ và được coi trọng như nhau. Novara chịu trách nhiệm đưa ra các tiên đoán chiêm tinh cho những người cai trị và giới quý tộc của thành phố Bologna. Copernicus đôi khi hỗ trợ thầy quan sát bầu trời, và Novara đã hướng dẫn học trò về phản biện trong chiêm tinh, cũng như các khía cạnh của hệ thống Ptolemaic (thuyết địa tâm), xem Trái đất là trung tâm của vũ trụ.
– Copernicus sau đó học tại Đại học Padua, và nhận bằng tiến sĩ giáo luật của Đại học Ferrara vào năm 1503. Copernicus quay lại Ba Lan, nơi ông chịu trách nhiệm quản lý công việc của một nhà thờ, đồng thời là bác sĩ chữa bệnh cho người dân. Vào thời gian rảnh rỗi, Copernicus dành hết tâm huyết cho hoạt động nghiên cứu học thuật, bao gồm thiên văn học. Năm 1514, danh tiếng của Copernicus trên cương vị một nhà thiên văn học đã vang xa, giúp ông trở thành người tư vấn cho các lãnh đạo giáo hội trong việc cải tổ lịch Julius.
– Ngành vũ trụ học châu Âu đầu thế kỷ 16 cho rằng, Trái đất đứng yên và nằm bất động ở trung tâm của một số mặt cầu xoay tròn, mang theo các thiên thể như Mặt trời, Mặt trăng, những hành tinh đã biết và các ngôi sao. Lý thuyết này do nhà thiên văn học Ptolemy đề xuất từ đầu thế kỷ thứ 2 sau công nguyên trong cuốn sách Almagest. Để giải thích chuyển động giật lùi của nhiều hành tinh trên bầu trời, Ptolemy đã sử dụng một hệ thống các vòng ngoại luân (epicycles) – theo đó các hành tinh phải chuyển động trên những vòng tròn nhỏ hơn gắn với các mặt cầu tương ứng của chúng. Mô hình của Ptolemy phù hợp với hầu hết quan sát thiên văn, đồng thời tạo ra được một hệ thống tương đối chính xác để tiên đoán vị trí các thiên thể trên bầu trời. Lý thuyết của Ptolemy được các nhà khoa học châu Âu chấp nhận trong hơn 1.000 năm.
Sự ra đời của thuyết nhật tâm
– Đến thời Copernicus, các bằng chứng thiên văn đủ nhiều cho thấy một số lý thuyết của Ptolemy không chính xác. Một số nhà thiên văn học không còn nhất trí với thứ tự của các hành tinh tính từ Trái đất, và đó là vấn đề mà Copernicus muốn tập trung giải quyết.
– Trong giai đoạn từ năm 1508 đến năm 1514, Copernicus viết một chuyên luận thiên văn ngắn gọi là “Commentariolus”, đặt nền tảng cho hệ thống nhật tâm. Tác phẩm này không được công bố khi Copernicus còn sống, nhưng ông đã lưu hành một số bản viết tay và gửi cho bạn bè. Trong chuyên luận, Copernicus xác định chính các thứ tự của các hành tinh đã biết vào thời kỳ đó. Ông cho rằng, các hành tinh chuyển động quanh Mặt trời, trong khi Mặt trời đứng yên. Sử dụng kết quả quan sát của mình và nhiều nhà nghiên cứu khác, Copernicus đã ước tính chu kỳ quỹ đạo của mỗi hành tinh quay quanh Mặt trời tương đối chính xác: Sao Thủy (88 ngày), Sao Kim (225 ngày), Trái đất (một năm), Sao Hỏa (1,9 năm), Sao Mộc (12 năm), và Sao Thổ (30 năm).
– Đối với Copernicus, lý thuyết nhật tâm của ông không hẳn là một bước ngoặt, bởi vì nó tạo ra nhiều vấn đề lớn cần phải giải quyết. Ví dụ, các vật thể nặng luôn được cho là rơi xuống mặt đất vì Trái đất là trung tâm của vũ trụ. Vậy tạo sao chúng lại rơi xuống đất trong một hệ thống lấy Mặt trời làm trung tâm? Copernicus vẫn giữ niềm tin cổ xưa cho rằng, sự chuyển động của các hành tinh tuân theo những quỹ đạo tròn. Nhưng dữ liệu quan sát thực tế của ông cho thấy, các hành tinh và ngôi sao không quay quanh Mặt trời theo quỹ đạo tròn. Do đó, Copernicus đã trì hoãn xuất bản công trình thiên văn lớn nhất của mình mang tên “De revolutionibus orbium coelestium”, tạm dịch là “Bàn về sự chuyển động quay của các thiên thể”. Cuốn sách hoàn thành vào năm 1530, nhưng nó không được công bố cho đến khi Copernicus qua đời năm 1543.
– Trong tác phẩm này, Copernicus lập luận rằng Trái đất tự quay quanh trục của nó mỗi ngày trong lúc quay quanh Mặt trời. Độ nghiêng của trục quay tạo ra các mùa trên Trái đất và sự tiến động của các điểm phân (precession of the equinoxes). Sai sót lớn trong công trình của Copernicus bao gồm khái niệm Mặt trời là trung tâm của toàn vũ trụ, chứ không chỉ riêng hệ Mặt trời. Việc Copernicus chưa xác định được quỹ đạo hình elip của các hành tinh đã khiến ông buộc phải kết hợp nhiều vòng ngoại luân vào hệ thống của mình, giống như Ptolemy. Do chưa có những hiểu biết về trọng lực, nên Copernicus giả định Trái đất và các hành tinh quay xung quanh Mặt trời trên những mặt cầu khổng lồ trong suốt.
– Trong lời đề tặng của cuốn sách De revolutionibus orbium coelestium, Copernicus ghi chú rằng “toán học được viết ra dành cho các nhà toán học”. Nếu tác phẩm dễ tiếp cận hơn, chắc hẳn sẽ có nhiều người phản đối khái niệm phản Kinh thánh về vũ trụ của ông và xem nó là dị giáo. Suốt nhiều thập kỷ, tác phẩm của Copernicus không được nhiều người biết đến, ngoại trừ một số nhà thiên văn học giỏi nhất. Hầu hết những người này, dù ngưỡng mộ một số lập luận của Copernicus, đã bác bỏ cơ sở thuyết nhật tâm của ông. Phải đến đầu thế kỷ 17, Galileo Galilei và Johannes Kepler mới hoàn thiện và phổ biến lý thuyết của Copernicus – điều này đã khiến Galileo phải đối mặt với Tòa án dị giáo La Mã. Sau khi công trình cơ học thiên thể của Isaac Newton vào cuối thế kỷ 17 được công bố, sự chấp nhận thuyết nhật tâm lan truyền nhanh chóng ở các quốc gia ngoài Công giáo, và đến cuối thế kỷ 18, nó gần như được chấp nhận rộng rãi.
4. Sự khủng hoảng của vật lí cuối thế kỉ XIX và sự ra đời của vật lí hiện đại
