Bài giảng Phương pháp dạy Vật lí ở trường trung học phổ thông

212 trang hapham 1730

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Phương pháp dạy Vật lí ở trường trung học phổ thông", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_phuong_phap_day_vat_li_o_truong_trung_hoc_pho_thon.pdf

Nội dung text: Bài giảng Phương pháp dạy Vật lí ở trường trung học phổ thông

  BÀI GIẢNG PHƯƠNG PHÁP DẠY VẬT LÍ Ở TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG
i h‰c quËc gia hµ nÈi Khoa s≠ phπm Bæ m ìn phïîng phöp - cìng nghØ dõy hπc bµi gi∂ng Ph≠¨ng ph∏p dπy h‰c vÀt l› Î tr≠Íng trung h‰c phÊ th´ng Hè N∂i, 2006
i h‰c quËc gia hµ nÈi Khoa s≠ phπm Bæ m ìn phïîng phöp - cìng nghØ dõy hπc Phπm Kim Chung bµi gi∂ng Ph≠¨ng ph∏p dπy h‰c vÀt l› Î tr≠Íng trung h‰c phÊ th´ng Hè N∂i, 2006
M»c l»c Ch≠¨ng I : ph≠¨ng ph∏p nhÀn th¯c phÊ bi’n cÒa VÀt l› h‰c Î phÊ th´ng 1 1.1. Vai tr¬ c“a V∞t l¿ h∆c 2 1.2. Cö sÕ c“a V∞t l¿ h∆c 3 1.3. V∞t l¿ vù c†c ngùnh khoa h∆c kh†c 4 1.3.1. Ho† h∆c (Chemistry) 5 1.3.2. Sinh h∆c (Biology) 6 1.3.3. Thiòn vñn h∆c (Astronomy) 7 1.3.4. Khoa h∆c v∂ Tr†i úØt (Earth sciences) 8 1.3.5. Tóm lﬁ h∆c (Psychology) 8 1.4. Phõöng ph†p nghiòn cŸu ú´c trõng c“a V∞t l¿ h∆c 9 1.4.1. Phìíng phòp thÀc nghi≠m 10 1.4.2. Phìíng phòp tìíng tÀ 13 1.4.3. Phìíng phòp më hÆnh 15 1.4.4. X» l± sª li≠u trong quò trÆnh nghiên c u V£t l± 20 1.5. H∆c V∞t l¿ vù d°y V∞t l¿ 22 Ch≠¨ng II : Dπy h‰c c∏c kh∏i ni÷m VÀt l›, c∏c Æπi l≠Óng VÀt l› 28 2.1. D°y h∆c c†c kh†i ni∫m V∞t l¿ 29 2.1.1. Khòi ni≠m V£t l± 29 2.1.2. Nh ng con îìΩng hÆnh thïnh khòi ni≠m V£t l± 30 2.1.3. Phìíng phòp dôy h∑c khòi ni≠m v© hi≠n tì¡ng V£t l± 31 2.1.4. V± d∆ v© dôy h∑c khòi ni≠m v© hi≠n tì¡ng V£t l± 34 2.2. D°y h∆c c†c ú°i lõ–ng V∞t l¿ vù c†c úön v¡ V∞t l¿ 36 2.2.1. çôi lì¡ng V£t l± 36 2.2.2. çôi lì¡ng vë hì¿ng vï îôi lì¡ng vectí 38 2.2.3. çín v≤ îo còc îôi lì¡ng V£t l± 40 2.2.4. Con îìΩng hÆnh thïnh còc îôi lì¡ng V£t l± 43 2.2.6. V¿ d’ v∂ d°y h∆c kh†i ni∫m v∂ ú°i lõ–ng V∞t l¿ 46 i
Chïîng III: Dõy hπc cöc ñ¥nh lu•t V•t l≥ 50 3.1. ï¡nh lu∞t V∞t l¿ 51 3.2. C†c lo°i ú¡nh lu∞t V∞t l¿ 53 3.2.1. ç≤nh lu£t îºng lÀc h∑c 53 3.2.2. ç≤nh lu£t thªng kê 55 3.2.3. ç≤nh lu£t bño toïn 55 3.3. C†c con úõÃng hªnh thùnh ú¡nh lu∞t V∞t l¿ 56 3.4. Phõöng ph†p d°y h∆c c†c ú¡nh lu∞t V∞t l¿ 58 3.5. V¿ d’ v∂ d°y h∆c c†c ú¡nh lu∞t V∞t l¿ 59 Chïîng IV: Dõy hπc cöc thuyÆt V•t l≥ 64 4.1. Thuyπt V∞t l¿ 65 4.2. ï´c úi∑m c“a thuyπt V∞t l¿ 68 4.3. CØu tr‘c c“a mÀt thuyπt V∞t l¿ 69 4.4. Con úõÃng hªnh thùnh c†c thuyπt V∞t l¿ 70 4.5. Ki∑m tra thuyπt V∞t l¿ 74 4.6. Phõöng ph†p d°y h∆c c†c thuyπt V∞t l¿ 76 4.7. V¿ d’ v∂ d°y h∆c thuyπt V∞t l¿ 78 Chïîng V: Dõy hπc nhÀng Ãng d»ng k– thu•t c≈a V•t l≥ 83 5.1. ng d’ng k› thu∞t c“a V∞t l¿ 84 5.1.1. Khòi ni≠m v© ng d∆ng kŒ thu£t c√a V£t l± 84 5.1.2. Vai tr≥ c√a vi≠c nghiên c u còc åDKT trong dôy h∑c V£t l±. 84 5.1.3. Bñn ch¢t c√a vi≠c NC còc UDKT c√a VL trong dôy h∑c 86 5.1.4. Còc loôi më hÆnh thìΩng îì¡c s» d∆ng trong dôy h∑c còc åDKT 87 5.2. C†c con úõÃng nghiòn cŸu îDKT c“a V∞t l¿ trong d°y h∆c 90 5.3. V¿ d’ v∂ d°y h∆c c†c Ÿng d’ng k› thu∞t 94 Chïîng VI : Dõy cöc bói t•p V•t l≥ 100 6.1. M’c ú¿ch s◊ d’ng bùi t∞p V∞t l¿ trong d°y h∆c 101 6.2. Phón lo°i bùi t∞p V∞t l¿ 101 6.2.1. Bùi t∞p ú¡nh t¿nh 101 6.2.2. Bùi t∞p t¿nh to†n 102 ii
6.2.3. Bùi t∞p th¿ nghi∫m 102 6.2.4. Bùi t∞p ú« th¡ 102 6.3. Phìíng phòp giñi bïi t£p V£t l± 103 6.3.1. Còc bì¿c giñi bïi t£p V£t l± 103 6.3.2. Giñi bïi t£p V£t l± î≤nh t±nh 104 6.3.4. Giûi bùi t∞p V∞t l¿ t¿nh to†n 104 6.3.5. MÀt s úi∑m lõu ﬁ khi h∆c sinh bùi t∞p vù bùi thi V∞t l¿ 105 6.4. L⁄a ch∆n vù s◊ d’ng bùi t∞p trong d°y h∆c V∞t l¿ 106 6.4.1. LÀa ch∑n bïi t£p 106 6.4.2. S» d∆ng h≠ thªng bïi t£p 107 6.5. Mºt sª v± d∆ v© giñi bïi t£p V£t l± 107 Chïîng ViI: Dõy hπc Th≥ nghiØm V•t l≥ 110 7.1. Th¿ nghi∫m V∞t l¿ 111 7.1.1. Vai tr¬ c“a th¿ nghi∫m V∞t l¿ trong d°y h∆c 111 7.1.2. C†c ú´c úi∑m c“a th¿ nghi∫m V∞t l¿ 111 7.1.3. C†c lo°i th¿ nghi∫m trong d°y h∆c V∞t l¿ 112 7.2. Phõöng ph†p s◊ d’ng th¿ nghi∫m d°y h∆c V∞t l¿ 113 7.2.1. Nhÿng yòu c¨u chung v∂ vi∫c s◊ d’ng th¿ nghi∫m 113 7.2.2. Th¿ nghi∫m bi∑u di∏n c“a gi†o viòn 113 7.2.3. Th¿ nghi∫m tr⁄c di∫n c“a h∆c sinh 114 7.2.4. Th¿ nghi∫m th⁄c hùnh c“a h∆c sinh 114 7.2.5. Th¿ nghi∫m vù quan s†t Õ nhù 115 7.2.6. Còc bïi toòn th± nghi≠m 115 7.3. V¿ d’ s◊ d’ng th¿ nghi∫m V∞t l¿ trong d°y h∆c 115 Chïîng VIII: Ãng d»ng cìng nghØ thìng tin trong DH V•t l≥ 119 8.1. ng d’ng công ngh∫ thông tin trong d°y h∆c V∞t l¿ 120 8.2. C†c h tr– cö bûn c“a ph¨n m∂m trong d°y h∆c n≈i chung 121 8.2. S◊ d’ng m†y vi t¿nh vù c†c ph¨n m∂m trong d°y h∆c V∞t l¿ 122 8.2.1. Më ph¥ng (computersimulation) 122 8.2.2 Xèy dÀng còc më hÆnh l± thuy¨t v© V£t l± (Modelbuilding) 123 iii
8.2.3. H∫ tr¡ trong vi≠c nghiên c u thÀc nghi≠m thëng qua vi≠c phèn t±ch, x» l± còc béng hÆnh ghi quò trÆnh V£t l± thÀc 124 8.2.4. H∫ tr¡ còc th± nghi≠m V£t l± (computer assisted experiment) 125 Chïîng IX: Phën t≥ch chïîng tr∞nh vó ThiÆt kÆ tiÆn tr∞nh dõy hπc V•t l≥ ¿ trïøng phª thìng 129 9.1. Phón t¿ch chõöng trªnh V∞t l¿ Trung h∆c ph» thông 130 9.1.1. C¢u tr≈c chìíng trÆnh V£t l± æ THPT 130 9.1.2. çûc îi™m v© phìíng phòp nghiên c u vï h∑c t£p 131 9.3. Phón t¿ch nÀi dung vù PP d°y h∆c mÀt s ú∂ tùi c’ th∑ 134 9.3.1. çºng h∑c ch¢t îi™m - chuy™n îºng thõng 134 9.3.2. çºng lÀc h∑c ch¢t îi™m - còc lÀc trong cí h∑c 137 9.3.3. Còc î≤nh lu£t bño toïn 140 9.4. Thiπt kπ tiπn trªnh d°y h∆c V∞t l¿ Õ trõÃng THPT 150 9.4.1. Nh ng lìu œ khi thi¨t k¨ ti¨n trÆnh dôy h∑c 150 9.4.2. V± d∆ v© thi¨t k¨ ti¨n trÆnh dôy h∑c V£t l± bïi 12. K±nh thiên vén 151 Chïîng X: Phöt hiØn vó b∫i dï¡ng hπc sinh nêng khiÆu V•t l≥ 163 10.1. H∆c sinh nñng khiπu V∞t l¿ vù nhÿng c†ch thŸc ph†t hi∫n 164 10.1.1. H∑c sinh gi¥i vï h∑c sinh néng khi¨u 164 10.1.2. Nh ng bi≠n phòp phòt hi≠n néng khi¨u V£t l± c√a h∑c sinh 166 10.2. Nhÿng bi∫n ph†p b«i dõŒng h∆c sinh nñng khiπu V∞t l¿ 168 10.3. Nh ng t∏n tôi v© b∏i dìøng h∑c sinh gi¥i æ Vi≠t Nam hi≠n nay 172 PhÙ lÙc 1: ßi“u l÷ vµ Æ“ c≠¨ng c∏c k˙ thi Olym pic VÀt l› Ch©u ∏ 176 PhÙ lÙc 2: Tri’t l˝ cÒa H÷ Tr≠Íng C´ng QuÀn Fairfax v“ Ch≠¨ng tr◊nh Gi∏o dÙc H‰c sinh N®ng khi’u 190 PhÙ lÙc 3: ß“ thi h‰c sinh gi·i VÀt l› quËc t’ 2005 vµ lÍi gi∂i ph«n Quang h‰c 195 iv
Ch≠¨ng I Ph≠¨ng ph∏p nhÀn th¯c phÊ bi’n cÒa VÀt l› h‰c Î phÊ th´ng á Khoa h∑c khëng phñi lï sÀ sìu t£p còc î≤nh lu£t, sÀ tπng h¡p còc hi≠n tì¡ng khëng liên h≠ v¿i nhau. N∂ lï sÀ sòng tôo c√a tr± tu≠ con ngìΩi böng nh ng tì tìæng vï khòi ni≠m îì¡c phòt minh mºt còch tÀ do. Còc lœ thuy¨t v© V£t l± cª tôo nên mºt b c tranh hi≠n thÀc vï thi¨t l£p sÀ liên h≠ gi a n∂ Albert Einstein v¿i th¨ gi¿i rºng l¿n c√a cñm giòcà hõöng nùy ú∂ c∞p nhÿng quan úi∑m cö bûn nhØt v∂ phõöng ph†p B nghiòn cŸu, h∆c V∞t l¿ vù d°y V∞t l¿. NÀi dung kiπn thŸc cö bûn c“a chõöng : Vai tr¬ c“a V∞t l¿ h∆c. Cö sÕ c“a V∞t l¿ h∆c. V∞t l¿ vù c†c ngùnh khoa h∆c kh†c. Phõöng ph†p nghiòn cŸu ú´c trõng c“a V∞t l¿ h∆c. H∆c V∞t l¿ vù d°y V∞t l¿. 1
1.1. Vai trµ c≈a V•t l≥ hπc ()t l± h∑c lï ngïnh khoa h∑c nghiên c u nh ng dông v£n îºng îín giñn nh¢t c√a còc dông v£t ch¢t vï tìíng tòc gi a còc dông v£t ch¢t î∂ vÆ còc dông v£t ch¢t chuy™n îºng vï tìíng tòc - îªi tì¡ng V£t l± h∑c - lôi t∏n tôi trong h≠ v£t ch¢t b¢t kÃ nên V£t l± h∑c lï cí sæ c√a khoa h∑c tÀ nhiên. Ch‘ng ta nghiòn cŸu V∞t l¿ vœi hai lﬁ do: - ThŸ nht: V∞t l¿ lg mÀt nggnh khoa hc cö bn nhØt c“a khoa hc. Nhng nhg khoa h∆c c“a c†c ngùnh ú∂u s dng ﬁ tõÕng c“a V∞t l¿, t H≈a hc nghiòn cŸu cŸu tr‘c c“a phón t◊ tœi c†c nhg c» sinh vt h∆c c g ng t†i t°o l°i bõœc i c“a kh“ng long. Nhng nguyòn lﬁ c“a vt l¿ hc ú≈ng vai tr¬ thiπt yπu truy tªm hi∑u ho°t ng c“a loùi ngõÃi nh huÕng nh th nùo n kh¿ quy∑n vg ú°i dõöng vg trong s tªm kiπm ngu«n nng lõ–ng thay th. Vt l¿ cng lg cö sÕ c“a tØt cû k› thu∞t vg công ngh∫. Không c≈ mÀt k› sõ nùo c≈ th thiπt kπ c†c thiπt b mg không d⁄a tròn c†c nguyòn lﬁ ti∂n ú∂. Không mÀt k› sõ nùo c≈ th thiπt kπ ú¨u DVD, mgn hªnh ph£ng, tùu v” tr’, ho´c th∞m tr¿ mÀt bÆy chuÀt mg không c≈ s⁄ hi∑u biπt v∂ V∞t lﬁ. - ThŸ hai: Nghiòn cŸu V∞t l¿ là mÀt cuÀc phiòu lõu. Ch‘ng ta s tªm thØy s th†ch thc, thnh thoûng là s nûn l¬ng và s hùi l¬ng, th√a mün. N≈ s ¬i h√i kh nñng ph†n úo†n c“a bn nh là s lﬁ giûi thông minh c“a bn. Ch‘ng ta c≈ th chia s nhng lﬁ th‘ c“a c†c ph†t hi∫n c“a V∞t l¿ h∆c khi ch‘ng hc c†ch s dng V∞t l¿ ú∑ giûi quyπt c†c vn ú∂ c“a th⁄c nghi∫m vg thØu hi∑u c†c hi∫n tõ–ng hgng ngùy. Nπu h√i r¢ng, t°i sao b¨u trÃi xanh, s≈ng radio lgm th nùo truy∂n i trong khoûng không, ho´c v tinh nm trong q”y ú°o nh th nùo, cóu tr lÃi chº c≈ th∑ b¢ng c†ch s dng c†c cö sÕ v∞t lﬁ h∆c. 2
TØt cû vØn ú∂ tròn cho thØy vt l¿ hc nh m t thgnh t⁄u v ú°i nht c“a s hi∑u biπt c“a loùi ngõÃi trong ≈ s kh†m ph† c“a n≈ ú∑ hi∑u th giœi c“a ch‘ng ta vg ch¿nh ch‘ng ta. V£t l± h∑c cƒng lï cí sæ l± thuy¨t rºng rói nh¢t c√a k∞ thu£t, s⁄ ph†t tri∑n c“a V∞t l¿ h∆c dÆn tœi s⁄ xuØt hi∫n c“a nhi∂u ngùnh kø thu∞t mœi: kø thu∞t úi∫n, kø thu∞t úi∫n t◊, t⁄ úÀng ho† vù úi∂u khi∑n h∆c, công ngh∫ thông tin. 1.2. Cî s¿ c≈a V•t l≥ hπc S hi™u bi¨t th gi¿i Vt l± c√a ch≈ng ta îì¡c xèy dng trên c s c√a còc nhj khoa hc v îôi nh Galileo, Newton, Maxwell và Einstein và nh ng nh huæng c√a h c≥n i xa hn t khoa hc n còch mà ch≈ng ta s ng và suy ngh. Nghi∫m l°i nhÿng ﬁ tõÕng cö bûn nhØt c“a V∞t l¿ M axwell h∆c - nhÿng hi∫n tõ–ng t⁄ nhiòn mù ch‘ng ta nhªn thØy, nhÿng hi∫n tõ–ng xuØt hi∫n trong khoa h∆c rØt úa d°ng vœi rØt nhi∂u thuÀc t¿nh liòn quan tœi ch¿nh ch‘ng ta. V¿ d’: Nπu ch‘ng ta úŸng bòn bÃ bi∑n vù nhªn xu ng bi∑n, ch‘ng ta thØy s≈ng bi∑n, b∆t nõœc, tiπng ª ùo c“a d¬ng nõœc chuy∑n úÀng, óm thanh, không kh¿, gi≈, móy, m´t trÃi vù †nh s†ng bØt k¤ nöi nùo kh†c trong t⁄ nhiòn c≈ nhÿng úi∂u vù ûnh hõÕng tõöng t⁄, không quan tr∆ng ú≈ lù Õ úóu. T±nh t≥ m≥ î≥i h¥i ch≈ng ta îìa ra còc cèu h¥i, îût m∑i th lôi v¿i nhau, cª hi™u nh ng nßt îa dông cƒng nhì mªi quan h≠ ñnh hìæng c√a còc y¨u tª cí bñn. V¿ d’: C†t kh†c gª vœi ú†? phûi chñng c†t lù vô s c†c h°t úü nh√ t¿ x¿u? M´t trñng c≈ phûi lù tûng ú† kh»ng l«? nπu ch‘ng ta hi∑u biπt v∂ ú†, ch‘ng ta s≥ c≈ th∑ hi∑u c†t vù M´t trñng? vù b¢ng c†ch nùy ch‘ng ta c g•ng phèn t±ch m∑i th , îût nh ng îi©u mï ch≈ng ta quan sòt th¢y khòc bi≠t, v¿i hy v∑ng ch≈ng ta s¶ giñm îì¡c sª nh ng îi©u khòc bi≠t vï hi™u ch≈ng hín. 3
Vùi trñm nñm trõœc, mÀt phõöng ph†p úõ–c ph†t minh ú∑ trû lÃi t÷ng ph¨n c†c cóu h√i nùy. Quan s†t, lﬁ giûi, th¿ nghi∫m t°o nòn phõöng ph†p mù ch‘ng ta g∆i lù phõöng ph†p th⁄c nghi∫m. Minh h∆a cho phõöng ph†p th⁄c nghi∫m, richard Feyman úü n≈i nhõ sau: o>h≈ng ta c∂ th™ tìæng tì¡ng röng t¢t cñ còc chuy™n îºng trên th¨ gi¿i giªng nhì vòn cΩ îang îì¡c chíi bæi còc v≤ thün vï ch≈ng ta quan sòt vòn cΩ nhìng ch≈ng ta khëng hi™u lu£t chíi. N¨u ch≈ng ta quan sòt lèu, ch≈ng ta c∂ th™ r≈t ra mºt sª quy lu£t c√a lu£t chíi. Ch≈ng ta c∂ th™ hi™u, lu£t c√a vòn cΩ nhì lï cí sæ V£t l± h∑c". Richard Feyman Tuy nhiòn, nπu ch‘ng ta hi∑u tØt cû lu∞t chöi, ch‘ng ta vÆn không th∑ hi∑u t°i sao c†c quón cÃ l°i di chuy∑n nhõ thπ, úön thu¨n chº vª n≈ qu† phŸc t°p mù tr¿ tu∫ c“a ch‘ng ta l°i c≈ giœi h°n. Nπu ch‘ng ta úü chöi cÃ, ch‘ng ta hi∑u r¢ng, rØt d∏ ú∑ h∆c tØt cû lu∞t chöi vù rØt kh≈ khñn l⁄a ch∆n bõœc úi t t nhØt ho´c hi∑u t°i sao ngõÃi chöi vœi ch‘ng ta l°i úi nhÿng nõœc nhõ v∞y. T⁄ nhiòn c”ng nhõ thπ, chº c≈ úi∂u lù qu† nhi∂u c†c quy lu∞t vù cu i c—ng ch‘ng ta kh≈ c≈ th∑ hi∑u tØt cû lu∞t chöi. Th⁄c tπ, ch‘ng ta chõa biπt hπt c†c lu∞t ú≈. (TØt cû m∆i thŸ nhõ c†c quón cÃ úang chuy∑n úÀng vù ch‘ng ta vÆn chõa hi∑u hπt ch‘ng). Bòn c°nh vØn ú∂ không biπt tØt cû lu∞t chöi, nhÿng úi∂u mù ch‘ng ta c≈ th∑ giûi th¿ch lù rØt h°n chπ, bÕi vª h¨u hπt c†c tªnh hu ng hπt sŸc phŸc t°p mù ch‘ng ta không th∑ theo k¡p c†c bõœc úi c“a v†n cÃ, ho´c ¿t ra c”ng n≈i lòn úi∂u gª s≥ xûy ra tiπp theo. Ch‘ng ta phûi giœi h°n nhi∂u cóu h√i v∂ lu∞t chöi. Nπu ch‘ng ta hi∑u lu∞t chöi, ch‘ng ta cho r¢ng ch‘ng ta hi∑u thπ giœi. 1.3. V•t l≥ vó cöc ngónh khoa hπc khöc V£t l± lï cí sæ c√a t¢t cñ còc ngïnh khoa h∑c, trõœc úóy n≈ úõ–c g∆i lù triπt h∆c t⁄ nhiòn. Sinh viòn c“a tØt cû c†c ngùnh kh†c ú∂u thØy h∆ úang h∆c V∞t l¿ bÕi vª V∞t l¿ lù cö sÕ ú∑ giûi th¿ch c†c hi∫n tõ–ng. Trong ph¨n nùy ch‘ng ta úi tªm hi∑u ûnh hõÕng c“a V∞t l¿ h∆c tœi ngùnh khoa h∆c kh†c. 4
1.3.1. Hoí h±c (Chemistry) Ngïnh khoa h∑c ch≤u ñnh hìæng sèu î£m c√a V£t l± lï hoò h∑c. L¡ch s◊ cho thØy, nhÿng bu»i ú¨u, ho† h∆c úü úõa th£ng vùo ngùnh h∆c mù nay ta g∆i lù ho† h∆c vô cö, ngùnh ho† h∆c mù ch£ng liòn quan gª úπn c†c th⁄c th∑ s ng. Nhÿng phón t¿ch ú¬i h√i ph†t hi∫n ra s⁄ t«n t°i c“a nhi∂u nguyòn t vù m i quan h∫ giÿa ch‘ng, lùm thπ nùo ú∑ t°o ra ch‘ng t÷ s⁄ kπt h–p rØt úa d°ng c≈ trong ú†, úØt S⁄ t†c úÀng qua l°i c“a V∞t l¿ vù h≈a h∆c lù rØt vø ú°i bÕi vª thuyπt nguyòn t◊ úõ–c ch‘ng minh lù ú‘ng trong rØt nhi∂u c†c th¿ nghi∫m ho† h∆c. Lﬁ thuyπt c“a ho† h∆c, c“a c†c phûn Ÿng úõ–c t»ng h–p trong bûng tu¨n hoùn Mendel¥ev, bûng tu¨n hoùn ú≈ úü úõa ra rØt nhi∂u m i quan h∫ l° l—ng trong s úa d°ng c†c nguyòn t , n≈ c”ng úõa ra quy lu∞t kπt h–p c†c nguyòn t . TØt cû c†c quy lu∞t ú∂u úõ–c giûi th¿ch bÕi cö h∆c lõ–ng t◊. ï≈ lù lﬁ thuyπt ho† h∆c trong V∞t l¿. Ch‘ng ta úü bùn v∂ s⁄ kh†c bi∫t giÿa hi∑u biπt v∂ lu∞t chöi cÃ vù khû nñng c≈ th∑ chöi cÃ. C≈ nghøa lù ch‘ng ta biπt rØt nhi∂u c†c quy lu∞t nhõng ch‘ng ta không th∑ chöi t t. Th∞t lù vô c—ng kh≈ d⁄ úo†n hi∫n tõ–ng gª s≥ xûy ra trong phûn Ÿng ho† h∆c. Tuy nhiòn, trong sóu th£m c“a lﬁ thuyπt ho† h∆c phûi úõ–c kπt th‘c t°i cö h∆c lõ–ng t◊. C”ng c≈ mÀt nh†nh rØt quan tr∆ng c“a V∞t l¿ vù ho† h∆c mù úõ–c úõ–c ph†t tri∑n bÕi cû hai ngùnh, trong ngùnh h∆c ú≈ phõöng ph†p th ng kò úõ–c †p d’ng ú i vœi c†c ú¡nh lu∞t cö h∆c. Trong ho† h∆c, mÀt lõ–ng lœn c†c nguyòn t◊ úõ–c quan tóm. Ch‘ng ta biπt r¢ng c†c nguyòn t◊ chuy∑n úÀng rØt ngÆu nhiòn vù qu› ú°o phŸc t°p. Nπu ch‘ng ta c≈ th∑ phón t¿ch úõ–c t÷ng va ch°m, ch‘ng ta hy v∆ng c≈ th∑ minh ho° úõ–c hi∫n tõ–ng úü xûy ra. Nhõng vœi s lõ–ng c⁄c lœn c†c dØu vπt c“a c†c phón t◊ võ–t kh√i khû nñng c“a bØt k¤ m†y vi t¿nh nùo vù nñng l⁄c c“a bØt k¤ bÀ ≈c nùo, ú¬i h√i ph†t tri∑n mÀt phõöng ph†p ú∑ giûi quyπt nhÿng tªnh hu ng phŸc t°p nhõ thπ. Khoa h∆c v∂ nhi∫t hay nhi∫t úÀng l⁄c h∆c, s⁄ c¨n thiπt c“a ho† h∆c vô cö nhõ lù mÀt ngùnh khoa h∆c úü giûm s‘t, nhõÃng ch cho ngùnh ho† l¿ vù ho† lõ–ng t◊. 5
Ho† l¿ nghiòn cŸu t c úÀ c†c phûn Ÿng c≈ th∑ xûy ra vù nghiòn cŸu chi tiπt c†c hi∫n tõ–ng xûy ra (C†c phón t◊ tõöng t†c nhõ thπ nùo? ph¨n nùo s≥ bay ra ú¨u tiòn? ) vù ho† lõ–ng t◊ gi‘p ch‘ng ta hi∑u úõ–c hi∫n tõ–ng úü xûy ra theo c†c ú¡nh lu∞t V∞t l¿. MÀt ngùnh kh†c c“a ho† h∆c lù ho† h∆c hÿu cö (Organic chemistry), ngùnh ho† h∆c nghiòn cŸu s⁄ kπt h–p c“a c†c th⁄c th∑ s ng. Trong mÀt thÃi gian, ngõÃi ta tin r¢ng s⁄ kπt h–p c“a c†c th⁄c th∑ s ng lù phi thõÃng, ch‘ng ta không th∑ t°o ra úõ–c t÷ c†c v∞t li∫u vô cö. ï≈ lù úi∂u sai l¨m, ch‘ng ta chº c¨n lùm tõöng t⁄ nhõ ho† vô cö nhõng vœi s⁄ kπt h–p phŸc t°p c“a c†c nguyòn t◊. Ho† h∆c hÿu cö quan h∫ m∞t thiπt vœi sinh h∆c, ho† l¿ vù ho† lõ–ng t◊. C≈ th∑ †p d’ng vùo ho† hÿu cö nhõ lù ú i vœi ho† vô cö, tuy nhiòn, vØn ú∂ cö bûn c“a ho† hÿu cö không chº Õ kh¿a c°nh nùy, nhÿng phón t¿ch sóu hön trong h∫ th ng sinh h∆c, trong th⁄c th∑ s ng, úü t÷ng bõœc hªnh thùnh khoa h∆c sinh ho† vù sinh h∆c phón t◊. 1.3.2. Sinh h±c (Biology) ,h ng hi≠n tì¡ng sinh h∑c hüu nhì îì¡c giñi th±ch dì¿i cí sæ c√a còc î≤nh lu£t V£t l±. Sinh h∆c, khoa h∆c nghiòn cŸu v∂ th⁄c th∑ s ng. Bu»i sö khai, sinh h∆c ú i di∫n vœi vØn ú∂ lù phûi tªm ra c†i gª c≈ trong th⁄c th∑ s ng vù r«i h∆ chº phûi úπm nhÿng thŸ nhõ nhÿng c†i lông tròn chón con b∆ ch¥t. Sau nhÿng ch“ ú∂ ú≈ h∆ tªm ra nhÿng úi∂u c⁄c k¤ th‘ v¡, nhÿng nhù sinh h∆c úi sóu vùo nghiòn cŸu nhÿng c m†y cö h∆c bòn trong th⁄c th∑ s ng. C≈ m i quan h∫ rØt th‘ v¡ giÿa sinh h∆c vù V∞t l¿, sinh h∆c gi‘p V∞t l¿ trong vi∫c ph†t hi∫n s⁄ bûo toùn nñng lõ–ng, ú¨u tiòn ph†t hi∫n bÕi Mayer khi nghiòn cŸu m i quan h∫ giÿa nhi∫t thu vù toû c“a mÀt t°o v∞t s ng. Nπu ch‘ng ta nghiòn cŸu qu† trªnh sinh h∆c c“a úÀng v∞t, ch‘ng ta thØy rØt nhi∂u hi∫n tõ–ng V∞t l¿: chu trªnh c“a m†u, hô hØp, huyπt †p ch‘ng ta biπt r¢ng chuy∫n gª xûy ra khi ch‘ng ta bõœc tròn ú† nh∆n, nhÿng thông tin truy∂n úi nhõ thπ nùo lùm ch‘ng ta phûi nhØc chón lòn. T÷ nhÿng nghiòn cŸu 6
v∂ dóy th¨n kinh, nhÿng nhù sinh h∆c úi úπn kπt lu∞n nhÿng dóy th¨n kinh lù nhÿng ng nh√ vœi bŸc tõÃng hoùn hûo vù rØt m√ng. Tròn nhÿng mùng ú≈ c≈ nhÿng ô nh√ nhõ nhÿng c†i böm Ion. Vª r¢ng c≈ Ion dõöng Õ bòn ngoùi vù Ion óm Õ bòn trong nhõ c†i t’ úi∫n. Nhÿng c†i mùng nùy c≈ thuÀc t¿nh rØt th‘ v¡, nπu úõ–c n°p úi∫n Õ mÀt v¡ tr¿, c†c Ion c≈ th∑ di chuy∑n qua v¡ tr¿ ú≈, vª thπ t°i ú≈ úi∫n thπ giûm. C†c electron kπt h–p vœi c†c Ion Õ bòn c°nh, n≈ ûnh hõÕng tœi mùng vù lùm cho c†c úi∑m kπ bòn c”ng ú∑ cho c†c Ion úi qua. Nhõ thπ c≈ mÀt s≈ng lan truy∂n theo c†c mùng, nhÿng s≈ng nùy c≈ gª ú≈ tõöng t⁄ nhõ hi∫u Ÿng Dominoes. Ngùy nay sinh h∆c ph†t tri∑n c†c ngùnh h∆c v∞n d’ng c†c cö sÕ c“a V∞t l¿ nhõ sinh h∆c phón t◊, l¿ sinh Ngoùi ra, V∞t l¿ quan tr∆ng ú i vœi sinh h∆c vù c†c khoa h∆c kh†c bÕi nhÿng l¿ do kh†c nhõ lù k› thu∞t lùm th¿ nghi∫m, nπu ch‘ng ta không ph†t tri∑n c†c th¿ nghi∫m V∞t l¿ thª ngùy nay ch‘ng ta kh≈ mù biπt úõ–c c†c kiπn thŸc sinh h∆c nhõ thπ. 1.3.3. Thiän vàn h±c (Astronomy) Thiên vén h∑c r¢t gün v¿i V£t l±, böng còc phìíng phòp nghiên c u c√a V£t l±, ch≈ng ta nghiên c u îì¡c r¢t nhi©u v£t th™ vƒ tr∆. Thiòn vñn h∆c lóu úÃi sœm hön V∞t l¿. Th⁄c tπ n≈ úõ–c b•t ú¨u bÕi nhÿng nhù V∞t l¿ khi nghiòn cŸu chuy∑n úÀng c“a c†c hùnh tinh, c†c ngôi sao. MÀt ph†t hi∫n ú†ng nhœ nhØt lù c†c vª sao úõ–c t°o bÕi c†c nguyòn t◊ tõöng t⁄ nhõ tròn Tr†i úØt. C†c nguyòn t◊ ph†t x° theo t¨n s , c≈ gª ú≈ tõöng t⁄ nhõ nh°c c’ ph†t ra óm thanh c≈ t¨n s x†c ú¡nh v∞y. Khi ch‘ng ta nghe c†c óm thanh kh†c nhau, ch‘ng ta c≈ th∑ ph†t hi∫n ra, nhõng khi ch‘ng ta nhªn †nh s†ng úõ–c trÀn bÕi c†c mùu, ch‘ng ta không phón bi∫t úõ–c ch‘ng úõ–c t°o bÕi c†c mùu nùo, nhõng vœi m†y quang ph», ch‘ng ta c≈ th∑ phón t¿ch t¨n s c“a s≈ng †nh s†ng vù b¢ng c†ch nùy ch‘ng ta c≈ th∑ biπt úõ–c c†c nguyòn t◊ c“a c†c vª sao kh†c nhau. Th⁄c tπ c≈ hai nguyòn t ho† h∆c úõ–c ph†t hi∫n tròn c†c vª sao sau khi ch‘ng ta ph†t hi∫n ch‘ng tròn Tr†i úØt. 7
Helium (He) úõ–c ph†t hi∫n tròn M´t trÃi, Tecneti (Tc) úõ–c ph†t hi∫n tròn c†c vª sao l°nh gi†. 1.3.4. Khoa h±c v£ Tríi éút (Earth sciences) Ch‘ng ta úπn vœi ngùnh khoa h∆c tr†i úØt (Earth sciences) ho´c ú¡a chØt h∆c (geology). ï¨u tiòn lù kh¿ tõ–ng h∆c vù thÃi tiπt. TØt nhiòn công c’ c“a kh¿ tõ–ng h∆c lù công c’ c“a V∞t l¿. Tuy nhiòn, lœ thuy¨t c√a kh± tì¡ng h∑c chìa bao giΩ îì¡c îòp ng îüy î√ bæi còc nhï V£t l±. Ch‘ng ta biπt s⁄ chuy∑n úÀng c“a không kh¿ nhõng ch‘ng ta chº biπt trong ngùy hôm nay vù ch‘ng ta không th∑ úõa ra bi∑u ú« v∂ không kh¿ trong ngùy mai. ï¨u tiòn, ch‘ng ta không th⁄c s⁄ biπt hπt úi∂u ki∫n không kh¿ ngùy hôm nay, vª r¢ng không kh¿ xo†y vù xo•n vùo nhau Õ m∆i nöi. Ch‘ng ph’ thuÀc vùo qu† nhi∂u yπu t trong kh¿ quy∑n c”ng nhõ môi trõÃng xung quanh ch‘ng ta nhõ úÀ ≠m, n‘i non, sông ng¬i MÀt cóu h√i cö bûn c“a khoa h∆c Tr†i úØt lù nguyòn nhón c“a c†c hi∫n tõ–ng tròn Tr†i úØt lù gª? nhÿng quan s†t trõœc m•t c“a ch‘ng ta không ú“ ú∑ ch‘ng ta hi∑u biπt ch‘ng. Tuy nhiòn, c†c nhù V∞t l¿ h∆c úü vù úang c g•ng tªm ra lﬁ thuyπt t t nhØt giûi th¿ch c†c hi∫n tõ–ng ú≈. 1.3.5. Tâm l h±c (Psychology) Ch–t nghø, c≈ ngõÃi cho r¢ng Tóm lﬁ không phûi lù khoa h∆c, n≈ lù qu† trªnh y h∆c, th∞m tr¿ nhõ lù ma thu∞t, nhÿng lﬁ thuyπt c“a n≈ nhõ lù nguyòn nhón mØt tr¿ nhœ lù gª. V¿ d’: nhÿng ph— thu‹ c≈ lﬁ thuyπt cho r¢ng b∫nh nùy nhõ lù b∫nh s t r¥t ch£ng h°n, nguyòn nhón lù do c†c h«n ma, nπu c≈ ngõÃi b¡ m, ngõÃi ta khuyòn hüy úπn g´p c†c ph— thu‹, nhÿng ph— thu‹ s≥ biπt h¨u hπt c†c b∫nh t∞t, mù ta biπt nhÿng kiπn thŸc c“a c†c ph— thu‹ nùy không phûi lù khoa h∆c. M´t kh†c, nhÿng phón t¿ch c“a tóm lﬁ h∆c không úõ–c ki∑m nghi∫m bÕi c†c th¿ nghi∫m vù không c≈ c†ch nùo ú∑ li∫t kò ra tØt cû c†c trõÃng h–p xûy ra. MÀt nh†nh kh†c c“a Tóm lﬁ h∆c lù Tóm sinh l¿ h∆c. Tóm sinh l¿ nghiòn cŸu nhÿng gª xûy ra trong m•t vù nhÿng gª xûy ra trong bÀ nüo nhõ trõÃng 8
h–p nπu ngõÃi ta hùi l¬ng ho´c không hùi l¬ng. Hi∫n nay mœi chº mÀt s lõ–ng nh√ qu† trªnh th⁄c úõ–c nghiòn cŸu. VØn ú∂ Õ trung tóm bÀ nüo, trong h∫ th ng th¨n kinh: s‘c v∞t h∆c úõ–c c†i gª ú≈ vù n≈ c≈ th∑ lùm úõ–c nhÿng úi∂u kh†c mù trõœc ú≈ không th∑, khi ú≈ c†c ô trong bÀ nüo ch•c ch•n úü c≈ thay ú»i, nπu nhõ n≈ úõ–c t°o bÕi c†c nguyòn t◊ thª hi∫n tõ–ng gª úü xûy ra? Ch‘ng ta không biπt phûi quan s†t Õ úóu, phûi quan s†t c†i gª, khi nùo thông tin úõ–c ghi nhœ, ch‘ng ta không biπt úõ–c c†i gª thay ú»i trong h∫ th ng th¨n kinh. ïóy lù úi∂u vô c—ng quan tr∆ng ú∑ ch‘ng ta giûi quyπt tØt cû c†c vØn ú∂. Nhÿng úi∂u tròn cho thØy ngay cñ îªi v¿i Tèm lœ h∑c, ngìΩi ta cƒng cª l± giñi m∑i th trên quan îi™m c√a V£t l± h∑c. ï∑ l¿ thuyπt V∞t l¿ hÿu ¿ch cho c†c ngùnh khoa h∆c kh†c hön lù mÀt công c’ ph†t minh. Trong c†c cóu h√i, c†c khoa h∆c kh†c phûi cung cØp cho nhù V∞t l¿ mô tû chi tiπt v∂ ú i tõ–ng theo ngôn ngÿ c“a V∞t l¿. NgõÃi ta c≈ th∑ n≈i t°i sao con πch nhûy lòn, nhõng nhù V∞t l¿ không c≈ cóu trû lÃi. Nπu h∆ n≈i con πch nhõ thπ nùo, c≈ nhi∂u c†c phón t◊, nhi∂u dóy th¨n kinh úi∂u ú≈ lù kh†c bi∫t. ï∑ s◊ d’ng lﬁ thuyπt V∞t l¿, ch‘ng ta phûi biπt nguyòn t◊ ú¡nh xŸ Õ úóu. ï∑ c≈ th∑ hi∑u úõ–c ho† h∆c, nhù V∞t l¿ c¨n biπt ch¿nh x†c c≈ nhÿng nguyòn t◊ nùo Nπu không nhù V∞t l¿ không th∑ phón t¿ch úõ–c ch‘ng - ï≈ lù mÀt h°n chπ. 1.4. Phïîng phöp nghiín cÃu ñ†c trïng c≈a V•t l≥ hπc Nguyòn t•c c“a khoa h∆c h¨u nhõ úõ–c x†c ú¡nh nhõ sau: TØt cû tri thŸc úõ–c ki∑m tra b¢ng th¿ nghi∫m. Th¿ nghi∫m lù công c’ duy nhØt ú∑ ú†nh gi† t¿nh ú‘ng ú•n c“a khoa h∆c. V∞y ngu«n g c c“a tri thŸc lù gª? nhÿng quy lu∞t úõ–c ki∑m chŸng Õ úóu? Bûn thón nhÿng th¿ nghi∫m gi‘p tªm ra c†c quy lu∞t, khi d⁄ úo†n, ch‘ng cho ta c†c g–i ﬁ. Nhõng c”ng c¨n s⁄ s†ng t°o ú∑ t÷ c†c g–i ﬁ ú≈ kh†i qu†t h≈a úπn c†c d⁄ úo†n th‘ v¡, úön giûn nhõng mœi l° d⁄a tròn n∂n tûng tØt cû c†c g–i ﬁ ú≈, vù th¿ nghi∫m ki∑m tra l°i ch‘ng ta d⁄ úo†n c≈ ú‘ng không. Qu† trªnh s†ng t°o nùy lù rØt kh≈ khñn, vª thπ c≈ s⁄ phón chia trong ph¬ng th¿ nghi∫m V∞t l¿, c≈ nhÿng nhù V∞t l¿ l¿ thuyπt, h∆ hªnh dung, 9
suy lu∞n vù d⁄ úo†n c†c quy lu∞t mœi vù nhÿng nhù V∞t l¿ th⁄c nghi∫m, h∆ th⁄c hi∫n th¿ nghi∫m, hªnh dung, suy lu∞n vù úõa ra d⁄ úo†n. 1.4.1. Phçång phíp th≈c nghißm Galilò (1564-1642) úõ–c coi lù ông t» c“a V∞t l¿ th⁄c nghi∫m, ông úü ú´t n∂n m≈ng cho phõöng ph†p th⁄c nghi∫m, mÀt phõöng ph†p rØt hi∫u quû ú∑ nghiòn cŸu thiòn. íng cho r¢ng mu n hi∑u thiòn nhiòn thª phûi quan s†t tr⁄c tiπp thiòn nhiòn, phûi lùm th¿ nghi∫m vù phûi h√i thiòn nhiòn chŸ không phûi h√i Arist t ho´c kinh th†nh vù phûi ú∑ thiòn nhiòn ph†n x¥t m i khi tranh lu∞n vœi nhau v∂ thiòn nhiòn. Th⁄c chØt c“a phõöng ph†p th⁄c nghi∫m úõ–c Spaski kh†i qu†t nhõ sau: XuØt ph†t t÷ c†c quan s†t vù th⁄c nghi∫m, nhù khoa h∆c xóy d⁄ng giû thuyπt. Giû thuyπt không chº úön giûn lù s⁄ t»ng qu†t ho† c†c th¿ nghi∫m úü lùm, n≈ chŸa ú⁄ng c†i gª ú≈ mœi m≤, không c≈ s§n trong t÷ng th¿ nghi∫m. B¢ng c†c ph¥p suy lu∞n lôg¿c vù b¢ng to†n h∆c, nhù khoa h∆c c≈ th∑ t÷ giû thuyπt ú≈ r‘t ra mÀt s h∫ quû, tiòn úo†n mÀt s s⁄ ki∫n mœi trõœc ú≈ chõa biπt úπn. Nhÿng s⁄ ki∫n vù h∫ quû mœi ú≈ l°i úõ–c th⁄c nghi∫m ki∑m tra vù nπu s⁄ ki∑m tra ú≈ thùnh công, n≈ kh£ng ú¡nh giû thuyπt, biπn giû thuyπt thùnh mÀt ú¡nh lu∞t V∞t l¿ ch¿nh x†c. Th⁄c chØt phõöng ph†p th⁄c nghi∫m không úön thu¨n lù lùm th¿ nghi∫m mù trong ú≈ ú¬i h√i suy lu∞n l¿ thuyπt, kπt h–p ch´t ch≥ qui n°p vù di∏n d¡ch, vœi s⁄ tr– gi‘p c“a c†c công c’ to†n h∆c nh¢m ú∂ xuØt giû thuyπt vù h∫ quû lôg¿c c≈ th∑ ki∑m tra úõ–c b¢ng c†c th¿ nghi∫m. Phõöng ph†p th⁄c nghi∫m th⁄c chØt lù mÀt qu† trªnh nghiòn cŸu xuØt ph†t t÷ quan s†t s⁄ v∞t, hi∫n tõ–ng r«i sau ú≈ úõa ra c†c tiòn úo†n ho´c c†c giû thuyπt. T÷ c†c giû thuyπt ú≈ ú‘c r‘t ra c†c quy lu∞t, h∫ quû ho´c ú¡nh lﬁ Vù cu i c—ng lù d—ng c†c th⁄c nghi∫m ú∑ ki∑m chŸng c†c quy lu∞t, ú¡nh lﬁ, h∫ quû Øy. Nπu n≈ ph— h–p vœi th⁄c nghi∫m tŸc lù giû thuyπt ú≈ lù ú‘ng. C¬n nπu c†c ú¡nh lﬁ ú≈ không ph— h–p vœi th⁄c nghi∫m thª c¨n phûi ki∑m tra l°i giû thuyπt vù úi∂u chºnh n≈ cho ph— h–p ho´c thay vùo ú≈ mÀt giû thuyπt mœi ph— h–p hön ú∑ tiπp t’c nghiòn cŸu. 10
Trong d°y h∆c V∞t l¿, phõöng ph†p th⁄c nghi∫m c≈ th∑ th⁄c hi∫n theo c†c giai úo°n sau: 1. Phòt hi≠n v¢n î©: Quan s†t hi∫n tõ–ng ho´c c†c th¿ nghi∫m úön giûn, d⁄ úo†n di∏n biπn c†c hi∫n tõ–ng ho´c ph†t hi∫n ra c†c móu thuÆn, t÷ ú≈ úõa ra mÀt cóu h√i mù h∆c sinh chõa biπt cóu trû lÃi úõ–c. V¿ d’: quan s†t quû t†o röi, ú´t ra cóu h√i t°i sao quû t†o röi xu ng mù không bay lòn? 2. Xèy dÀng giñ thuy¨t: D⁄a vùo quan s†t tº mº, b¢ng suy lu∞n lôg¿c ho´c to†n h∆c, úõa ra cóu trû lÃi cho cóu h√i tròn. Cóu trû lÃi nùy vÆn chº lù d⁄ úo†n, chõa ch•c ch•n c≈ nghøa c¬n lù giû thuyπt, c¨n phûi chŸng minh. V¿ d’: Quû t†o röi xu ng do Tr†i úØt h‘t n≈? 3. Suy ra h≠ quñ lëg±c: T÷ nhÿng giû thuyπt úü úõ–c xóy d⁄ng, nhi∂u khi không th∑ ki∑m chŸng úõ–c ngay, c¨n phûi lõ–ng h≈a dõœi d°ng bi∑u thŸc to†n h∆c ho´c c†c ú°i lõ–ng c≈ th∑ úo úõ–c, qu† trªnh nùy suy lu∞n b¢ng to†n h∆c ú≈ng vai tr¬ quan tr∆ng. V¿ d’: b¢ng c†c suy lu∞n ta thØy c¨n do kh i lõ–ng 2 v∞t (M,m), L⁄c t†c d’ng (F). 4. Xèy dÀng vï thÀc hi≠n phìíng òn th± nghi≠m: T÷ h∫ quû lôg¿c tròn cho thØy ﬁ tõÕng ú∑ thiπt kπ phõöng †n th¿ nghi∫m, c¨n ch∆n d’ng c’ th¿ nghi∫m gª? C†ch b tr¿ ra sao? Lùm thπ nùo ú∑ thu úõ–c dÿ li∫u? Vœi c—ng mÀt h∫ quû c≈ th∑ c≈ nhi∂u mô hªnh ú∑ th¿ nghi∫m, úÀ ch¿nh x†c c“a d’ng c’ ph’ thuÀc vùo trªnh úÀ khoa h∆c k› thu∞t c“a thÃi ú°i. 5. Phèn t±ch, x» lœ vï r≈t ra còc quy lu£t vï î≤nh lu£t. Sau khi th⁄c hi∫n th¿ nghi∫m ta thu úõ–c bûng s li∫u, c†c s li∫u nùy vÆn chõa n≈i lòn úõ–c úi∂u gª, c¨n phûi phón t¿ch quy lu∞t c“a c†c con s ú≈, qu† trªnh nùy ú¬i h√i c†c k› thu∞t x◊ l¿ nhõ s◊ d’ng ú« th¡, x†c ú¡nh sai s , x†c ú¡nh m i quan h∫ hùm s b¢ng nÀi suy úôi khi tr⁄c gi†c ú≈ng vai tr¬ quan tr∆ng trong qu† trªnh nùy. 6. Ki™m nghi≠m lôi k¨t quñ böng thÀc ti´n: C†c kπt lu∞n t÷ qu† trªnh tròn phûi úõ–c ki∑m tra c†c d⁄ úo†n b¢ng c†c th¿ nghi∫m, v∞n d’ng vùo th⁄c ti∏n. Kh£ng ú¡nh giû thuyπt, biπn giû thuyπt thùnh mÀt ú¡nh lu∞t V∞t l¿ ch¿nh x†c. Nπu giû thuyπt sai, c¨n quay l°i bõœc 2. 11
Tuy nhiòn, th⁄c tπ c†c giai úo°n c“a qu† trªnh nghiòn cŸu b¢ng th⁄c nghi∫m không chº di∏n ra tu¨n t⁄ theo c†c bõœc tròn, úôi khi trong trõÃng h–p ú∂ xuØt giû thuyπt ch£ng h°n l°i phûi quay l°i xem x¥t vØn ú∂ nghiòn cŸu, hay úang tiπn hùnh tªm phõöng †n th¿ nghi∫m l°i phûi quay l°i xem x¥t giû thuyπt Trong qu† trªnh nghiòn cŸu b¢ng phõöng ph†p th⁄c nghi∫m nùy Niutön úü nòu ra 4 quy t•c trong nghiòn cŸu nhõ sau: s"i tùc 1: ï i vœi m i hi∫n tõ–ng, không th÷a nh∞n nguyòn nhón nùo kh†c ngoùi nhÿng nguyòn nhón ú“ ú∑ giûi th¿ch n≈. Qui tùc 2: Bao giÃ c”ng quy c†c hi∫n tõ–ng nhõ nhau v∂ c—ng mÀt nguyòn nhón. (MÀt nguyòn nhón x†c ú¡nh phûi góy ra mÀt h∫ quû x†c ú¡nh). Qui tùc 3: T¿nh chØt c“a tØt cû c†c v∞t c≈ th∑ úem ra th¿ nghi∫m úõ–c mù ta không th∑ lùm n≈ tñng lòn ho´c giûm xu ng úõ–c thª úõ–c coi lù t¿nh chØt c“a m∆i v∞t n≈i chung. (quy t•c nùy lù s⁄ quy n°p t÷ nhÿng s⁄ ki∫n úön l≤ ú∑ tªm ra nhÿng ú¡nh lu∞t t»ng qu†t). Qui tùc 4: BØt k¤ kh£ng ú¡nh nùo r‘t ra úõ–c t÷ th⁄c nghi∫m, b¢ng phõöng ph†p qui n°p ú∂u ú‘ng, ch÷ng nùo chõa c≈ nhÿng hi∫n tõ–ng kh†c giœi h°n ho´c móu thuÆn vœi kh£ng ú¡nh ú≈.(Qui t•c nùy th÷a nh∞n: m i chón lﬁ khoa h∆c ú∂u c≈ th∑ hoùn thi∫n d¨n t÷ng bõœc trong qu† trªnh nh∞n thŸc vù n≈ vÆn giÿ nguyòn gi† tr¡ khoa h∆c trong ch÷ng m⁄c nùo ú≈). Trong chõöng trªnh V∞t l¿ ph» thông, phõöng ph†p nghiòn cŸu ch“ yπu lù phõöng ph†p th⁄c nghi∫m, tªm hi∑u vù ki∑m chŸng nhÿng quy lu∞t v∞n úÀng c“a c†c s⁄ v∞t hi∫n tõ–ng. Th⁄c nghi∫m g≈p ph¨n quan tr∆ng vùo vi∫c tªm ra c†c quy lu∞t V∞t l¿, c†c ú¡nh lu∞t V∞t l¿ hay c†c kh†i ni∫m V∞t l¿. Tuy nhiòn, c≈ nhi∂u hi∫n tõ–ng không th∑ tiπn hùnh t°i c†c trõÃng ph» thông bÕi d’ng c’ th¿ nghi∫m t°i ú≈ chõa cho ph¥p ho´c c†c thª nghi∫m ú≈ rØt kh≈ tiπn hùnh (c¨n c≈ nhÿng úi∂u ki∫n ú´c bi∫t). Nhi∂u th¿ nghi∫m úön giûn, c≈ th∑ tiπn hùnh tr⁄c tiπp t°i c†c trõÃng ph» thông, vª c†c th¿ nghi∫m nùy không ú¬i h√i phûi tiπn hùnh ú¨y ú“ c†c giai úo°n tròn. Vù nhi∂u th⁄c 12
nghi∫m tiπn hùnh th⁄c chØt chº mang t¿nh ki∑m chŸng c†c h∫ quû, quy lu∞t ho´c ú¡nh l¿ úü úõ–c c†c nhù khoa h∆c tªm ra trõœc ú≈. 1.4.2. Phçång phíp tçång t≈ C†c s⁄ v∞t hi∫n tõ–ng c“a thπ giœi kh†ch quan tuy úa d°ng vù phong ph‘ nhõng giÿa ch‘ng c≈ m i liòn h∫ kh†ch quan, c≈ dØu hi∫u gi ng nhau. Vª v∞y trong nghiòn cŸu vù d°y h∆c V∞t l¿ c≈ th∑ v∞n d’ng ú∑ so s†nh, s•p xπp ch‘ng vùo mÀt h∫ th ng. Trong l¡ch s◊ ph†t tri∑n c“a V∞t l¿ h∆c. S⁄ tõöng t⁄ lù mÀt dÆn úõÃng nghiòn cŸu, cho ph¥p xóy d⁄ng c†c mô hªnh, c†c l¿ thuyπt mœi, ú∂ xuØt nhÿng tõ tõÕng mœi. Quang hªnh h∆c úõ–c xóy d⁄ng tròn cö sÕ s⁄ tõöng t⁄ giÿa tia s†ng vù ch—m h°t, Quang h∆c s≈ng úõ–c xóy d⁄ng tròn cö sÕ s⁄ tõöng t⁄ giÿa s≈ng †nh s†nh vù s≈ng cö h∆c. Macxoen c”ng úü s◊ d’ng s⁄ tõöng t⁄ vœi chuy∑n úÀng c“a chØt l√ng trong nghiòn cŸu v∂ úi∫n trõÃng vù t÷ trõÃng. C†c mô hªnh nguyòn t◊ c“a Rudöpho vù c“a Bo ú∂u úõ–c xóy d⁄ng d⁄a tròn s⁄ tõöng t⁄ giÿa h∫ m´t trÃi vù h∫ nguyòn t◊ S⁄ tõöng t⁄ lù s⁄ gi ng nhau vœi mŸc úÀ kh†c nhau c“a hai hay nhi∂u ú i tõ–ng v∞t chØt ho´c ú i tõ–ng lﬁ tõÕng) v∂ c†c dØu hi∫u x†c ú¡nh (ch£ng h°n v∂ c†c t¿nh chØt, m i quan h∫ cØu tr‘c, chŸc nñng). S⁄ tõöng t⁄ không phûi chº c≈ m´t bòn ngoùi mù lù n¢m ngay bòn trong bûn chØt c“a s⁄ v∞t, hi∫n tõ–ng. S⁄ tõöng t⁄ c≈ nguyòn nhón sóu xa lù s⁄ th ng nhØt v∂ t¿nh t»ng qu†t c“a c†c quy lu∞t chi ph i ch‘ng. S⁄ suy lu∞n tõöng t⁄ lù mÀt phõöng ph†p suy lu∞n lôg¿c t÷ s⁄ gi ng nhau v∂ c†c dØu hi∫u x†c ú¡nh c“a hai hay nhi∂u ú i tõ–ng, t÷ ú≈ suy ra s⁄ gi ng nhau v∂ c†c dØu hi∫u kh†c c“a ch‘ng. V¿ d’: êm c≈ t¿nh chØt: lan truy∂n theo m∆i hõœng, c≈ t¿nh chØt phûn x°, kh‘c x°, giao thoa vù c†c t¿nh chØt c“a s≈ng. †nh s†ng c”ng c≈ nhÿng t¿nh chØt lan truy∂n, phûn x°, giao thoa nhõ thπ. V∞y †nh s†ng c≈ th∑ c≈ t¿nh chØt s≈ng. Vª không c≈ ú“ b¢ng chŸng x†c nh∞n quy lu∞t chi ph i c†c lœp hi∫n tõ–ng c“a ú i tõ–ng úem so s†nh ch•c ch•n s≥ chi ph i c†c lœp hi∫n tõ–ng 13
c“a ú i tõ–ng nghiòn cŸu nòn nhÿng kπt lu∞n r‘t ra b¢ng suy lu∞n tõöng t⁄ chº c≈ t¿nh chØt giû thuyπt, nghøa lù mang t¿nh x†c suØt (c≈ th∑ ú‘ng vù c”ng c≈ th∑ sai) . Vª v∞y, nhÿng kπt lu∞n r‘t ra nhØt thiπt phûi úõ–c ki∑m tra b¢ng th⁄c nghi∫m ch¿nh tròn ú i tõ–ng c¨n nghiòn cŸu. Còc giai îoôn cí bñn c√a phìíng phòp tìíng tÀ: 1. T∞p h–p c†c dØu hi∫u v∂ ú i tõ–ng c¨n nghiòn cŸu vù c†c dØu hi∫u v∂ ú i tõ–ng úü c≈ nhÿng hi∑u biπt phong ph‘ ú¡nh úem ú i chiπu. 2. Tiπn hùnh phón t¿ch nhÿng dØu hi∫u gi ng nhau vù kh†c nhau giÿa ch‘ng. Ki∑m tra xem c†c dØu hi∫u gi ng nhau c≈ ú«ng thÃi lù c†c dØu hi∫u bûn chØt c“a c†c ú i tõ–ng hay không. 3. Truy∂n c†c dØu hi∫u c“a ú i tõ–ng úü biπt cho ú i tõ–ng c¨n nghiòn cŸu b¢ng suy lu∞n tõöng t⁄. 4. Ki∑m tra t¿nh ú‘ng ú•n c“a c†c kπt lu∞n r‘t ra (ho´c h∫ quû c“a ch‘ng) c≈ t¿nh chØt giû thuyπt Õ ch¿nh ú i tõ–ng c¨n nghiòn cŸu. Nπu c†c kπt lu∞n r‘t ra không ú‘ng ú i vœi ú i tõ–ng c¨n nghiòn cŸu thª phûi trÕ l°i bõœc 1. Tuy nhiòn, khi võ–t qu† ph°m vi cho ph¥p, suy lu∞n tõöng t⁄ l°i lùm kªm hüm bõœc tiπn nh∞n thŸc c“a con ngõÃi. Do suy lu∞n tõöng t⁄ d∏ t°o ra nhÿng úõÃng m¬n, nhÿng th≈i quen cûn trÕ s⁄ hªnh thùnh nhÿng tõ tõÕng, nhÿng phõöng ph†p mœi, v¿ d’: s⁄ tõöng t⁄ giÿa s≈ng †nh s†ng vù s≈ng cö h∆c hªnh thùnh kh†i ni∫m v∂ môi trõÃng úùn h«i lù ete v” tr’ úü lùm trÕ ng°i cho s⁄ ph†t tri∑n thuyπt tõöng ú i vù thuyπt lõ–ng t◊. Vi∫c s◊ d’ng phõöng ph†p tõöng t⁄ trong d°y h∆c g≈p ph¨n nóng cao hi∫u quû c“a giÃ h∆c, th∑ hi∫n trõœc hπt Õ t¿nh sóu s•c, t¿nh h∫ th ng c“a c†c kiπn thŸc, t°o úi∂u ki∫n cho h∆c sinh ph†t hi∫n nhÿng m i liòn h∫ giÿa c†c h∫ th ng kh†c nhau Õ c†c ph¨n kh†c nhau c“a V∞t l¿. Vi∫c s◊ d’ng PPTT c¬n gi‘p h∆c sinh d∏ hªnh dung c†c hi∫n tõ–ng, qu† trªnh V∞t l¿ không th∑ quan s†t tr⁄c tiπp úõ–c, v¿ d’ s⁄ dao úÀng c“a con l•c l¬ xo ú∑ tr⁄c quan h≈a qu† trªnh xûy ra vù s⁄ biπn ú»i c†c ú°i lõ–ng V∞t l¿ trong m°ch dao úÀng. 14
Trong d°y h∆c V∞t l¿, c≈ th∑ s◊ d’ng phõöng ph†p tõöng t⁄ ú∑ xóy d⁄ng kiπn thŸc mœi, minh h∆a c†c qu† trªnh V∞t l¿ không th∑ quan s†t tr⁄c tiπp úõ–c ho´c h∫ th ng h≈a kiπn thŸc. V¿ d’: Dao úÀng con l•c l¬ xo vù m°ch dao úÀng LC tuy kh†c nhau v∂ bûn chØt nhõng c≈ nhÿng s⁄ tõöng t⁄ kh†c th‘ v¡. D⁄a vùo s⁄ so s†nh nùy ta c≈ th∑ hi∑u rƒ vù n•m ch•c hön kiπn thŸc nÀi dung nùy. SO t≠¨ng t˘ Æi÷n c¨ Hi∫n Dao úÀng cö tõ–ng Dao úÀng úi∫n LC kh†c nhau nhõng So s†nh qu† trªnh xûy ra l°i gi ng nhau S⁄ chuy∑n ho† tu¨n hoùn giÿa S⁄ chuy∑n S⁄ chuy∑n ho† tu¨n thπ nñng c“a l¬ xo vù úÀng nñng ho† nñng hoùn giÿa nñng lõ–ng c“a v∞t lõ–ng úi∫n vù nñng lõ–ng t÷ -Nñng lõ–ng úi∫n trõÃng C†c ú°i -Thπ nñng: Wt=kx2/2 trong t’ úi∫n: lõ–ng C†c d°ng Wt’=q2/2C tõöng nñng lõ–ng -Nñng lõ–ng t÷ trong úõöng - ïÀng nñng : Wú = mv2/2 cuÀn dóy: Wt÷ = Li2/2 k w = t¨n s m S⁄ chuy∑n ho† nñng S⁄ chuy∑n ho† cö nñng thùnh Nguyòn lõ–ng úi∫n t÷ thùnh nÀi nÀi nñng do ma s†t nhón t•t d¨n nñng do úi∫n trÕ x"+(k/m).x=0 CØu tr‘c -Phõöng q"+(q/L).C=0 lﬁ thuyπt trªnh dao x(t)=A.Sin(wt+ϕ) gi ng úÀng: q(t)=Qo.Sin(wt+ϕ) v(t)=Vo.Cos(wt+ϕ) nhau -Nghi∫m: i (t)=Io.Cos (wt + ϕ) A(t) = - Ao. Sin (wt+ϕ) 1.4.3. Phçång phíp mã h®nh Giû s◊ ch‘ng ta mu n khûo s†t chuy∑n úÀng c“a quû b≈ng chùy bay trong không kh¿. VØn ú∂ lù quû c¨u không hoùn toùn lù hªnh c¨u vù c”ng không r•n tuy∫t ú i. N≈ c≈ nhÿng úõÃng khóu n»i lòn, n≈ quay quanh mªnh khi bay trong không kh¿, gi≈ vù sŸc cûn c“a không kh¿ ûnh hõÕng úπn chuy∑n 15
úÀng c“a n≈, chuy∑n úÀng quay c“a Tr†i ïØt ¿t ûnh hõÕng úπn n≈ vª chuy∑n úÀng c“a quû b≈ng rØt nh√ so vœi khoûng c†ch t÷ tóm Tr†i ïØt vù .v.v. Nπu ch‘ng ta c g•ng gom tØt cû c†c vØn ú∂ tròn thª s⁄ phón t¿ch úõa úπn nhÿng phŸc t°p vô v∆ng. Thay vª ch‘ng ta hõ cØu ra c†c vØn ú∂ úön giûn, ch‘ng ta b√ qua cŒ vù hªnh d°ng quû b≈ng mù coi n≈ nhõ mÀt chØt úi∑m, ho´c ph¨n t◊ nh√ b¥. Ch‘ng ta b√ qua sŸc cûn không kh¿ vù coi nhõ n≈ chuy∑n úÀng trong chón không. B√ qua ûnh hõÕng c“a chuy∑n úÀng quay c“a Tr†i ïØt vù coi tr∆ng lõ–ng c“a n≈ lù không ú»i. Vù bóy giÃ ch‘ng ta c≈ vØn ú∂ úön giûn ú“ ú∑ lùm vi∫c vœi n≈. ï∑ lﬁ tõÕng h≈a h∫ th ng, ch‘ng ta phûi b√ qua c†c yπu t ûnh hõÕng nh√ vù t∞p trung vùo c†c ú´c úi∑m quan tr∆ng nhØt c“a h∫ th ng. TØt nhiòn, ch‘ng ta ú÷ng c≈ lo°i b√ qu† nhi∂u, Nπu ch‘ng ta b√ qua hoùn toùn tr∆ng l⁄c, r«i d⁄ úo†n c“a ch‘ng ra nhõ khi ch‘ng ta n¥m quû b≈ng lòn cao, n≈ s≥ bay th£ng vù biπn mØt vùo khoûng không. Ch‘ng ta c¨n .nh giò vï tôo më hÆnh v¿i còc v¢n î© thëng thìΩng î√ î™ ki™m soòt îì¡c, gi l¢y còc îûc îi™m thi¨t y¨u. Khi ch‘ng ta s◊ d’ng mô hªnh ú∑ d⁄ úo†n h∫ th ng s≥ ho°t úÀng nhõ thπ nùo. Gi† tr¡ c“a d⁄ úo†n s≥ b¡ giœi h°n bÕi gi† tr¡ c“a mô hªnh. TrÕ l°i vœi Galileo, ch‘ng ta thØy r¢ng, d⁄ úo†n c“a ông v∂ v∞t röi t⁄ do không móu thuÆn vœi mô hªnh lﬁ tõÕng khi không c≈ ûnh hõÕng c“a không kh¿. Mô hªnh ph— h–p vœi viòn ú°n ú°i b†c nhõng không ph— h–p vœi c†i lông chim. Kh†i ni∫m v∂ mô hªnh lﬁ tõÕng lù rØt quan tr∆ng vœi tØt cû khoa h∆c V∞t l¿ c”ng nhõ công ngh∫. Khi ch‘ng ta †p d’ng c†c nguyòn lﬁ c“a V∞t l¿ h∆c vùo mÀt h∫ th ng hoùn chºnh, ch‘ng ta luôn s◊ d’ng c†c mô hªnh lﬁ tõÕng, ch‘ng ta phûi nh∞n ra c†c giû ú¡nh mù ch‘ng ta úang th⁄c hi∫n. Th⁄c tπ, bûn thón c†c nguyòn lﬁ c“a V∞t l¿ h∆c úõ–c công b trong úi∂u ki∫n c“a mô hªnh lﬁ tõÕng. Ch‘ng ta n≈i tœi chØt úi∑m, v∞t r•n, v∞t c†ch úi∫n vù .v.v. Nhõ v∞y, mô hªnh lù mÀt h∫ th ng úõ–c hªnh dung trong ≈c hay úõ–c th⁄c hi∫n mÀt c†ch v∞t chØt, h∫ th ng. ï≈ lù phûn †nh nhÿng thuÀc t¿nh bûn 16
chØt c“a ú i tõ–ng nghiòn cŸu ho´c t†i t°o n≈, bÕi v∞y vi∫c nghiòn cŸu mô hªnh s≥ cung cØp cho ta nhÿng thông tin mœi v∂ ú i tõ–ng. Nhõ v∞y, giÿa mô hªnh vœi ú i tõ–ng v∞t chØt c≈ s⁄ kh†c bi∫t nhau. MÀt mô hªnh chº phûn †nh mÀt s t¿nh chØt c“a ú i tõ–ng v∞t chØt. C—ng mÀt ú i tõ–ng v∞t chØt nhõng c≈ th∑ c≈ nhi∂u mô hªnh kh†c nhau. Nhõ v∞y, mô hªnh không ú«ng nhØt vœi ú i tõ–ng mù n≈ phûn †nh. * Cíc chƒc nàng cΩa mã h®nh : - Mô tû s⁄ v∞t, hi∫n tõ–ng. - Giûi th¿ch c†c t¿nh chØt vù hi∫n tõ–ng c≈ liòn quan tœi ú i tõ–ng. - Tiòn úo†n c†c t¿nh chØt vù hi∫n tõ–ng mœi - ïóy lù vai tr¬ quan tr∆ng c“a mô hªnh trong khoa h∆c. * T´nh chút cΩa mã h®nh : V∞t l¿ h∆c lù ngùnh khoa h∆c nghiòn cŸu nhÿng d°ng v∞n úÀng úön giûn nhØt c“a c†c d°ng v∞t chØt vù tõöng t†c giÿa c†c d°ng v∞t chØt ú≈ vª c†c d°ng v∞t chØt chuy∑n úÀng vù tõöng t†c - ú i tõ–ng V∞t l¿ h∆c - l°i t«n t°i trong h∫ v∞t chØt bØt k¤ nòn V∞t l¿ h∆c lù cí sæ c√a khoa h∑c tÀ nhiên. Vœi tõ c†ch lù mÀt h∫ th ng phûn †nh nhÿng thuÀc t¿nh c“a ú i tõ–ng yòu c¨u. MÀt mô hªnh c≈ nhÿng t¿nh chØt cö bûn sau - T±nh tìíng tÀ v¿i "v£t gªc": s⁄ tõöng t⁄ ú≈ c≈ th∑ lù ú«ng cØu ho´c ú£ng cØu. S⁄ tõöng t⁄ c≈ th∑ lù s⁄ tõöng t⁄ v∂ cØu tr‘c, c”ng c≈ th∑ lù s⁄ tõöng t⁄ v∂ chŸc nñng. - T±nh îín giñn: Th⁄c tπ kh†ch quan lù vô c—ng úa d°ng vù phong ph‘, nhõng mô hªnh chº phûn †nh úõ–c mÀt m´t nùo ú≈ c“a th⁄c tπ. Nhi∂u khi mÀt th⁄c th∑ kh†ch quan phûi d—ng úπn nhi∂u mô hªnh ú∑ phûn †nh. Trong khi xóy d⁄ng mô hªnh ta phûi th⁄c hi∫n c†c thao t†c: tr÷u tõ–ng ho†, kh†i qu†t ho†. Nhÿng thao t†c Øy bao giÃ c”ng dÆn úπn mÀt s⁄ úön giûn ho†, chº giÿ l°i nhÿng thuÀc t¿nh vù nhÿng m i liòn h∫ bûn chØt nhØt. M´t kh†c, c”ng nhÃ 17
t¿nh úön giûn c“a mô hªnh mù nhù nghiòn cŸu c≈ th∑ n•m ch•c nhÿng vØn ú∂ cö bûn nhØt c“a th⁄c tπ kh†ch quan, kh†i qu†t ho† ch‘ng r‘t ra úõ–c nhÿng quy lu∞t mÀt c†ch s†ng rƒ vù tr†nh úõ–c s⁄ nh¨m lÆn. - T±nh trÀc quan: MÀt s mô hªnh d∏ dùng nh∞n biπt úõ–c b¢ng c†c gi†c quan trong khi vi∫c quan s†t tròn v∞t th∞t c≈ khi g´p kh≈ khñn. T¿nh tr⁄c quan c”ng th∑ hi∫n Õ ch ta úü v∞t chØt ho† nhÿng t¿nh chØt, nhÿng quan h∫ không th∑ tr⁄c tiπp tri gi†c úõ–c (V¿ d’ : Quy lu∞t chuy∑n úÀng úõ–c bi∑u di∏n b¢ng ú« th¡ v∞n t c; l⁄c h‘t, l⁄c ú≠y giÿa c†c phón t◊ úõ–c bi∑u hi∫n tròn mô hªnh b¢ng c†c g°ch n i ú∞m hay mûnh). T¿nh tr⁄c quan c¬n úõ–c mÕ rÀng trong trõÃng h–p mô hªnh không tr⁄c tiπp di∏n tû hi∫n tõ–ng th⁄c tπ mù so s†nh vœi mÀt hi∫n tõ–ng th⁄c tπ kh†c mù ta c≈ th∑ tri gi†c b¢ng gi†c quan úõ–c (v¿ d’: khi xóy d⁄ng mô hªnh hªnh chiπu v∞t chuy∑n úÀng tr¬n ú∂u tròn mÀt úõÃng th£ng n¢m trong m´t ph£ng qu› ú°o so s†nh vœi v∞t dao úÀng úi∂u hoù). - T±nh quy lu£t riêng : Khi xóy d⁄ng mô hªnh, ngõÃi ta d—ng mÀt h∫ th ng ú∑ mô tû mÀt s ú´c t¿nh c“a v∞t g c mù ta chõa biπt ú¨y ú“. H∫ th ng v∞t d—ng ú∑ thay thπ v∞t g c ú≈ tuón theo nhÿng quy lu∞t mù ta úü biπt rƒ g∆i lù nhÿng quy lu∞t riòng c“a mô hªnh. - T±nh lœ tìæng: Mô hªnh xuØt ph†t t÷ th⁄c ti∏n, phûn †nh th⁄c ti∏n. Nhõng khi mô hªnh ho† mÀt v∞t, mÀt m i quan h∫ nùo ú≈, ta th⁄c hi∫n tr÷u tõ–ng, kh†i qu†t ho†, phûn †nh c†c ú´c t¿nh c“a v∞t th∑, lo°i b√ c†c nhi∏u trong nh∞n thŸc, tŸc lù mô hªnh c≈ t¿nh lﬁ tõÕng. Không c≈ mô hªnh nùo gi ng h∫t th⁄c ti∏n bÕi nπu mô hªnh gi ng th⁄c ti∏n kh†ch quan thª n≈ không c¬n t¿nh c†ch lù mÀt v∞t ú°i di∫n, thay thπ nÿa vù th⁄c tπ c”ng không th∑ lùm úõ–c úi∂u ú≈. T¿nh lﬁ tõÕng c“a mô hªnh cùng cao thª mô hªnh cùng kh†i qu†t vù cùng gi‘p ta nh∞n thŸc úõ–c nhÿng n¥t chung nhØt c“a hi∫n tõ–ng vù bao tr—m úõ–c mÀt s cùng lœn hi∫n tõ–ng. Nhõng cùng kh†i qu†t, cùng c≈ t¿nh lﬁ tõÕng cao thª khi s◊ d’ng mô hªnh ú∑ 18
nghiòn cŸu th⁄c tπ cùng g´p nhi∂u kh≈ khñn vª ta phûi b» sung vùo cØu tr‘c chung c“a mô hªnh rØt nhi∂u yπu t c’ th∑ ph— h–p vœi ú i tõ–ng nghiòn cŸu. * Cíc loìi mã h®nh s¬ d¿ng trong dìy h±c Vùt l´ C≈ th∑ phón mô hªnh V∞t l¿ lùm hai lo°i : - Më hÆnh v£t ch¢t : Lù mô hªnh b¢ng v∞t th∑ tròn ú≈ phûn †nh nhÿng t†c úÀng cö bûn v∂ m´t hªnh h∆c, V∞t l¿ h∆c, úÀng l⁄c h∆c, chŸc nñng h∆c c“a ú i tõ–ng nghiòn cŸu. Lo°i mô hªnh nùy chº s◊ d’ng Õ giai úo°n thØp c“a qu† trªnh nh∞n thŸc, khi c¨n hªnh thùnh nhÿng bi∑u tõ–ng ho´c thu th∞p nhÿng kiπn thŸc c≈ t¿nh chØt kinh nghi∫m. - Më hÆnh lœ tìæng (hay më hÆnh lœ thuy¨t): Lù nhÿng mô hªnh tr÷u tõ–ng tròn ú≈ v∂ nguyòn t•c ngõÃi ta chº †p d’ng nhÿng thao t†c tõ duy lﬁ thuyπt. C†c mô hªnh lﬁ thuyπt c≈ th∑ c≈ rØt nhi∂u lo°i, tuón theo mŸc úÀ tr÷u tõ–ng kh†c nhau, bao g«m: + Mô hªnh k¿ hi∫u: Lù h∫ th ng nhÿng lﬁ lu∞n úõ–c d—ng ú∑ mô tû, thay thπ nhÿng s⁄ v∞t, hi∫n tõ–ng V∞t l¿ th⁄c (nhõ mô hªnh công thŸc to†n, mô hªnh ú« th¡, mô hªnh lôgic to†n, ). + Mô hªnh bi∑u tõ–ng: Lù d°ng tr÷u tõ–ng nhØt c“a mô hªnh lﬁ tõÕng, nhÿng mô hªnh tr÷u tõ–ng không t«n t°i trong không gian, trong th⁄c tπ mù chº c≈ trong tõ duy c“a ta. Ta chº nòn algorit ú∑ t°o ra mô hªnh r«i hªnh dung n≈ trong ≈c, chŸ không c¨n lùm ra mô hªnh c’ th∑. Vœi s⁄ hªnh dung ú≈, ngõÃi ta c≈ th∑ th∑ hi∫n úõ–c hùnh vi c“a mô hªnh. Mô hªnh bi∑u tõ–ng nhi∂u khi úõ–c v∞t chØt ho† dõœi mÀt d°ng nùo ú≈ ú∑ h tr– qu† trªnh tõ duy. Cö sÕ lﬁ thuyπt c“a phõöng ph†p mô hªnh lù lﬁ thuyπt tõöng t⁄ : Kπt lu∞n r‘t ra t÷ suy lu∞n tõöng t⁄ chº c≈ t¿nh chØt lù mÀt giû thuyπt, lù ngu«n g c tri thŸc mœi. Giû thuyπt ú≈ chº trÕ thùnh chón lﬁ khoa h∆c khi ch‘ng úõ–c ki∑m tra vù x†c nh∞n b¢ng th⁄c nghi∫m. 19
* Cíc giai éoìn cΩa phçång phíp mã h®nh Trong V∞t l¿, phõöng ph†p mô hªnh n≈i chung g«m 4 giai úo°n sau : - Giai îoôn 1: Yòu c¨u nhÿng t¿nh chØt c“a ú i tõ–ng g c : B¢ng quan s†t th⁄c nghi∫m, ngõÃi ta x†c ú¡nh úõ–c mÀt t∞p h–p nhÿng t¿nh chØt c“a ú i tõ–ng yòu c¨u. Giai úo°n nùy úõ–c coi lù t∞p h–p c†c s⁄ ki∫n ban ú¨u lùm cö sÕ ú∑ xóy d⁄ng mô hªnh. - Giai îoôn 2: Xóy d⁄ng mô hªnh: trong giai úo°n nùy, tr¿ tõÕng tõ–ng vù tr⁄c gi†c giÿ vai tr¬ quan tr∆ng. - Giai îoôn 3 : Thao t†c tròn mô hªnh, suy ra h∫ quû lﬁ thuyπt. - Giai îoôn 4 : Th⁄c nghi∫m vù ki∑m tra. 1.4.4. X¬ l´ sµ lißu trong quí tr®nh nghiän cƒu Vùt l´ 1.4.1.1. ¿c t±nh vï con sª giñ î≤nh C†c ph¥p úo luôn không ch•c ch•n, nπu ch‘ng ta úo bªa c“a quy∑n s†ch m√ng b¢ng thõœc thông thõÃng, ch‘ng ta chº c≈ th∑ nh∞n biπt úõ–c milimet g¨n nhØt, kπt quû lù 3mm, n≈ s≥ lù kπt quû sai, ch‘ng ta không th∑ biπt ch¿nh x†c n≈ dùy 3,0mm,2,81mm hay 3,11mm. Nπu ch‘ng ta s◊ d’ng thõœc c´p, úön v¡ úo nh√ nhØt lù 0,01 mm, ch‘ng ta c≈ kπt quû 2.91mm. S⁄ kh†c bi∫t c“a hai ph¥p úo lù úÀ không ch•c ch•n c“a ch‘ng. ïÀ không ch•c ch•n ú≈ c¬n g∆i lù sai s . Trong nhi∂u trõÃng h–p úÀ không ch•c ch•n không thπ ph†t bi∑u rƒ rùng úõ–c. Thay vª, úÀ không ch•c ch•n úõ–c chº ra bÕi con s ú¨y ú“, ho´c con s c≈ nghøa trong ph¥p úo. V¿ d’ tròn chung ta úõa ra bªa quy∑n s†ch lù 2,91mm, vœi 3 con s . Trong trõÃng h–p nùy, 2 con s ú¨u lù ch•c ú‘ng, con s thŸ 3 lù không ch•c. Con s cu i c—ng nùy Õ hùng ph¨n trñm, úÀ không ch•c ch•n chº lù 0,01mm. Khi ch‘ng ta không biπt úÀ ch¿nh x†c c“a con s mô tû ú°i lõ–ng V∞t l¿. Nhõng th∞m tr¿ c†c con s c¬n rØt thô sö c”ng cho nhi∂u thông tin b» ¿ch. 20
Vùi trõÃng h–p ch‘ng ta biπt ch•c ch•n c†ch t¿nh mÀt ú°i lõ–ng, nhõng ch‘ng ta phûi úo†n dÿ li∫u úõa vùo t¿nh ho´c ph¥p to†n qu† r•c r i ú∑ úõa ra kπt quû ch¿nh x†c, vª v∞y ch‘ng ta lØy xØp xº. Th∞m tr¿ trong trõÃng h–p kπt quû d⁄ úo†n t÷ hai, ba ho´c 10 nhón t không ch•c thª kπt quû c”ng c≈ ¿ch. Ph¥p t¿nh to†n nhõ thπ thõÃng úõ–c g∆i lù ì¿c t±nh lì¡ng giñ î≤nh (Order of magnitide estimate). Nhù V∞t l¿ h°t nhón n»i tiπng Enrico Fermi (1901-1954) g∆i ch‘ng lù "back- of- the - envelope calculation". V¿ d’: MÀt quy∑n tiπu thuyπt trinh th†m viπt k≤ ch°y tr n kh√i biòn giœi mang theo lõ–ng vùng tr¡ gi† mÀt t‹ úô la trong chiπc c´p. Chuy∫n ú≈ c≈ th∑ xûy ra không? lõ–ng vùng c≈ chŸa úõ–c trong c†i c´p không? N≈ c≈ qu† n´ng ú∑ mang úi không? Giûi ph†p: Vùng úõ–c b†n khoûng $400/ 1 ounce. Th⁄c tπ ngùy hôm ú≈ c≈ th∑ lù $200 hay $600, nhõng không quan tr∆ng, 1 ounce lù 30 gram, th⁄c tπ 1 ounce lù 28,35 gram, $10 tõöng úõöng 1 gram vùng, 1 t‹ úô la (109) tõöng úõöng 108 gram vùng, tõöng úõöng 105 kg vùng ho´c 100 tØn vùng, th⁄c tπ c≈ th∑ lù 20 tØn ho´c 200 tØn, úi∂u ú≈ không quan tr∆ng, d— thπ nùo úi chñng nÿa n≈ không th∑ ú´t trong 1 chiπc c´p úõ–c. Ch‘ng ta c”ng õœc t¿nh th∑ t¿ch c“a s vùng ú≈, nπu kh i lõ–ng riòng vùng nhõ nõœc (1g/cm3), th∑ t¿ch s≥ c≈ th∑ lù 108 cm3, ho´c 100 m3 . Nhõng vùng lù kim lo°i n´ng, d⁄ úo†n r¢ng gØp 10 l¨n nõœc, th⁄c tπ gØp 19,3 l¨n nõœc, th∑ t¿ch lù 10m3, nπu c≈ xπp vùng ch´t nhõ xπp c†c viòn g°ch, h√i r¢ng c≈ th∑ ú´t trong 1 c†i c´p úõ–c không? ï†nh gi†: Rƒ rùng, cu n ti∑u thuyπt phûi viπt l°i, th◊ t¿nh l°i vœi 1 c´p kim cõöng 5 cara vœi tr¡ gi† $100.000 xem sao? 1.4.2. Xòc î≤nh còc quy lu£t t« bñng sª li≠u Trong V∞t l¿ thõÃng phûi khûo s†t s⁄ ph’ thuÀc c“a mÀt ú°i lõ–ng (y) vùo mÀt s ú°i lõ–ng kh†c x1,x2, m’c ú¿ch cu i c—ng lù tªm quy lu∞t y=f(x1,x2 ). Kπt quû c“a ph¥p úo t÷ th¿ nghi∫m dõœi d°ng bûng g«m nhi∂u gi† tr¡ y vù x1,x2, ï∑ x◊ l¿ s li∫u thõÃng c≈ c†c phõöng ph†p sau: 21
- Phìíng phòp î∏ th≤: Trong trõÃng h–p úön giûn lù chº g«m y vù x, tŸc lù y=f(x), ch‘ng ta c≈ th∑ s◊ d’ng phõöng ph†p ú« th¡, tŸc lù v≥ ú« th¡ tròn h∫ tr’c toan úÀ XOY vœi nhi∂u c´p gi† tr¡ (x,y) (thõÃng t÷ 5 úπn 10 c´p), ta úõ–c úõÃng th⁄c nghi∫m. ïõÃng nùy chº cho thØy hªnh ûnh v∂ quy lu∞t giÿa y vù x, chõa ch•c ch•n, c¨n so khœp vœi c†c úõÃng l¿ thuyπt úü biπt (c†c hùm s úü biπt) ú∑ giûm bœt t¿nh ngÆu nhiòn trong ú≈. Trong trõÃng h–p nhi∂u tham s x, ta c≈ th∑ giûm bœt c†c biπn s b¢ng c†ch giÿ c†c gi† tr¡ không ú»i vù chº x¥t biπn thiòn ú i vœi 1 tham s vù vª thπ bùi to†n quay l°i vœi 2 tham s y=f(x1), y=f(x2) - DÀ îoòn còc mªi quan h≠ hïm sª: Trong nhi∂u trõÃng h–p c≈ nhi∂u biπn s vù m i quan h∫ phŸc t°p không th∑ nh∞n thØy quy lu∞t tròn ú« th¡, vi∫c d⁄ úo†n d⁄a rØt nhi∂u vùo tr⁄c gi†c vù kinh nghi∫m c“a ngõÃi nghiòn cŸu, v¿ d’: d⁄ úo†n m i quan h∫ t‹ l∫, quan h∫ theo c†c hùm s úü biπt, th◊ vœi mÀt vùi d°ng 1.5. H±c Vùt l´ vè dìy Vùt l´ - Cë î∑ng nh ng lì¡ng l¿n ki¨n th c vï tÆm ra còc quy lu£t khòi quòt ki¨n th c lï phìíng phòp h∑c vï dôy V£t l± hi≠u quñ. Nπu ú¡nh trÕ thùnh nhù V∞t l¿, ch‘ng ta s≥ phûi nghiòn cŸu rØt nhi∂u. Hai trñm nñm vœi s⁄ ph†t tri∑n nhanh ch≈ng c“a V∞t l¿ h∆c, qu† nhi∂u kiπn thŸc. Ch‘ng ta c≈ th∑ nghø r¢ng không th∑ h∆c tØt cû trong 4 nñm Õ trõÃng ú°i h∆c, vù th⁄c ra lù không th∑. ï∑ thÃi gian ú≈ vÆn ú“ ú∑ ch‘ng ta nghiòn cŸu, m´c d— c≈ kh i lõ–ng kh»ng l« c†c công vi∫c úõ–c lùm, công vi∫c c¨n lùm lù cô ú∆ng nhÿng kh i lõ–ng lœn công vi∫c ú≈ thùnh kπt quû kh†i qu†t hön, ú≈ lù: tªm c†c quy lu∞t mù n≈ kh†i qu†t tØt cû kiπn thŸc úõ–c h∆c. Tuy v∞y, nhÿng quy lu∞t ú≈ kh≈ mù hi∑u thØu nπu không s◊ d’ng sö ú« ho´c ú∂ cõöng th∑ hi∫n m i quan h∫ giÿa c†c ph¨n c“a môn h∆c ú∑ b•t ú¨u kh†m ph†. 22
C≈ th∑ h√i r¢ng, t°i sao không d°y V∞t l¿ chº b¢ng c†ch úõa ra c†c ú¡nh lu∞t cö bûn vù chº ra n≈ di∏n ra nhõ thπ nùo trong tØt cû c†c úi∂u ki∫n c≈ th∑, nhõ ch‘ng ta nghiòn cŸu vœi hªnh h∆c ìcöl¿t, ph†t bi∑u nhõ tiòn ú∂, r«i lØy n≈ lù cö sÕ ú∑ suy lu∞n. Ch‘ng ta không h∆c V∞t l¿ nhõ thπ vœi 2 lﬁ do: - ThŸ nhØt, ch‘ng ta chõa hi∑u tØt cû c†c ú¡nh lu∞t cö bûn, v∞n d’ng chº lù s⁄ mÕ rÀng c“a nhÿng hi∑u biπt ngóy thö. - ThŸ hai, nhÿng ph†t bi∑u nguyòn vµn c†c quy lu∞t V∞t l¿ bao hùm nhÿng ﬁ tõÕng rØt xa l°, n≈ ú¬i h√i c†c công c’ to†n h∆c cao cØp ú∑ mô tû ch‘ng. Vª v∞y, ch‘ng ta c¨n thÃi gian h∆c t∞p nghiòm t‘c ú∑ hi∑u nhÿng t÷ ú≈ c≈ ﬁ nghøa gª. Ch‘ng ta không th∑ nghiòn cŸu theo c†ch tròn, ch‘ng ta chº c≈ th∑ hi∑u V∞t l¿ t÷ng ph¨n mÀt. M i ph¨n ú≈ trong toùn bÀ t⁄ nhiòn thª luôn g¨n ú‘ng, ho´c hoùn toùn ú‘ng trong ch÷ng m⁄c ch‘ng ta hi∑u ch‘ng. Th⁄c tπ, tØt cû nhÿng úi∂u ch‘ng ta biπt ú∂u chº lù g¨n ú‘ng vù ch‘ng ta vÆn chõa hi∑u hπt c†c ú¡nh lu∞t ú≈. BÕi v∞y, nh ng ki¨n th c V£t l± ch≈ng ta h∑c khëng phñi lï h∑c lôi, hín th¨ n a lï phñi hoïn thi≠n ch≈ng. Ch‘ng ta n≈i r¢ng, quy lu∞t c“a t⁄ nhiòn lù g¨n ú‘ng. V¿ d’: Kh i lõ–ng c“a mÀt v∞t dõÃng nhõ không thay ú»i. Quay lòn quay xu ng kh i lõ–ng lù nhõ nhau. Nhõ thπ, mÀt quy lu∞t úõ–c ph†t hi∫n: kh i lõ–ng lù h¢ng s , không ph’ thuÀc v∞n t c. Hi∫n nay, quy lu∞t nùy chŸng t√ lù sai. Kh i lõ–ng úõ–c ph†t hi∫n lù tñng theo v∞n t c, nhõng s⁄ tñng c“a kh i lõ–ng trong úi∂u ki∫n v∞n t c g¨n vœi v∞n t c †nh s†ng. MÀt quy lu∞t ú‘ng lù: Nπu mÀt v∞t chuy∑n úÀng vœi v∞n t c nh√ hön 100 d´m/gióy, kh i lõ–ng lù h¢ng s vœi sai s 1 ph¨n tri∫u. Trong úi∂u ki∫n nùy, quy lu∞t lù ú‘ng. Vª v∞y trong th⁄c nghi∫m c≈ th∑ coi nhõ không c≈ s⁄ kh†c bi∫t, vœi t c úÀ thông thõÃng, ch‘ng ta c≈ th∑ b√ qua s⁄ sai kh†c ú≈. Tuy nhiòn, Õ v∞n t c cao, ch‘ng lù sai vù s⁄ kh†c bi∫t lù lœn. Cu i c—ng, rØt th‘ v¡ vù c≈ t¿nh triπt lﬁ lù ch‘ng ta hoùn thi∫n nhÿng úi∂u sai ú≈ b¢ng c†c ú¡nh lu∞t g¨n ú‘ng. Ch‘ng ta thay ú»i hªnh ûnh c“a thπ 23
giœi b¢ng s⁄ ki∫n kh i lõ–ng thay ú»i rØt nh√, úóy lù úi∂u rØt l° k¤ trong triπt h∆c ho´c ﬁ tõÕng. Th∞m tr¿ nhÿng ûnh hõÕng rØt nh√ ú¬i h√i ch‘ng ta thay ú»i quan ni∫m c“a mªnh. Î mÀt vùi úi∑m trong nghiòn cŸu, h¨u hπt c†c sinh viòn V∞t l¿ ú∂u tªm thØy trong suy nghø c“a h∆ "Tôi hi∑u nhÿng kh†i ni∫m, nhõng tôi không th∑ giûi quyπt vØn ú∂". Trong V∞t l¿, s⁄ hi∑u biπt th⁄c s⁄ mÀt kh†i ni∫m, nguyòn lﬁ lù c≈ th∑ †p d’ng ch‘ng vùo c†c vØn ú∂ úa d°ng c“a th⁄c ti∏n. - H∑c còch giñi quy¨t v¢n î© nhì th¨ nïo lï thÀc sÀ cün thi¨t vï khëng th™ hi™u V£t l± tr« khi òp d∆ng V£t l±. Chiπn lõ–c giûi quyπt vØn ú∂ V∞t l¿ thõÃng g«m 4 bõœc. - Xòc î≤nh còc khòi ni≠m, v¢n î© liên quan: ï¨u tiòn, l⁄a ch∆n ﬁ tõÕng V∞t l¿ liòn quan úπn vØn ú∂. M´c d—, bõœc nùy không bao hùm s⁄ t¿nh to†n nùo. ïôi khi n≈ lù ph¨n th†ch thŸc lœn nhØt trong giûi quyπt vØn ú∂. Không nòn b√ qua bõœc nùy, ch∆n sai c†ch tiπp c∞n khi b•t ú¨u c≈ th∑ lùm vØn ú∂ trÕ lòn kh≈ hön nhi∂u so vœi th⁄c tπ ho´c th∞m tr¿ dÆn úπn cóu trû lÃi sai. Trong qu† trªnh nùy c¨n x†c ú¡nh c†c biπn m’c tiòu c“a vØn ú∂, c†c biπn m’c tiòu lù gi† tr¡ ch‘ng ta mu n tªm. N≈ c≈ th∑ lù cõÃng úÀ c“a óm thanh c“a chiπc c¬i, úÀ lœn c“a t÷ trõÃng c“a mÀt nam chóm úi∫n (thºnh thoûng m’c tiòu lù tªm ra bi∑u thŸc to†n h∆c cho biπn m’c tiòu hön lù tªm ra gi† tr¡ c“a ch‘ng, c≈ th∑ lù cû hai, vØn ú∂ s≥ c≈ hön mÀt biπn m’c tiòu). Biπn m’c tiòu lù ú¿ch c“a qu† trªnh giûi quyπt vØn ú∂. Phûi ch•c ch•n r¢ng, không l°c kh√i m’c tiòu nùy khi ch‘ng ta lùm vi∫c vœi c†c giûi ph†p to†n h∆c. - Xèy dÀng giñi phòp: Nπu c¨n thiπt, ph†c thûo mô tû vØn ú∂. D⁄a tròn c†c ﬁ tõÕng cö sÕ ch‘ng ta ch∆n trong bõœc x†c ú¡nh, ch∆n phõöng trªnh to†n h∆c ch‘ng ta s≥ d—ng ú∑ giûi quyπt vØn ú∂ vù quyπt ú¡nh ch‘ng ta s≥ s◊ d’ng ch‘ng nhõ thπ nùo. - ThÀc hi≠n giñi phòp: Trong bõœc nùy, ch‘ng ta giûi phõöng trªnh to†n. Trõœc khi th⁄c hi∫n c†c ph¥p to†n phŸc t°p, hüy li∫t kò c†c gi† tr¡ biπt 24
vù gi† tr¡ chõa biπt, ch‘ ﬁ tœi c†c biπn m’c tiòu chõa biπt, giûi c†c phõöng trªnh ú∑ tªm c†i chõa biπt. - çònh giò k¨t quñ: M’c tiòu giûi quyπt vØn ú∂ V∞t l¿ không chº tªm con s ho´c công thŸc mù c¬n lù s⁄ hi∑u biπt sóu s•c hön. ïi∂u ú≈ c≈ nghøa r¢ng: phûi ki∑m nghi∫m cóu trû lÃi c“a ch‘ng ta n≈i lòn úi∂u gª. ï´c bi∫t , c¨n x†c ú¡nh "cóu trû lÃi c≈ ﬁ nghøa gª không?". Nπu biπn m’c tiòu c“a lù b†n k¿nh Tr†i ïØt ch£ng vù cóu trû lÃi c“a ch‘ng ta lù 6.38 cm (ho´c nπu gi† tr¡ óm), c≈ nghøa r¢ng úü c≈ ch sai trong qu† trªnh giûi quyπt vØn ú∂. Hüy quay trÕ l°i, ki∑m tra tiπn trªnh th⁄c hi∫n, nπu c¨n thiπt, xem l°i giûi ph†p. Bóy giÃ, ch‘ng ta nòn d°y nhõ thπ nùo? Ch‘ng ta c≈ nòn d°y nhÿng quy lu∞t ú‘ng nhõng không quen thuÀc vœi nhÿng kh†i ni∫m kh≈ vù l° thõÃng, v¿ d’ thuyπt tõöng ú i, không gian 4 chi∂u vù nhÿng c†i tõöng t⁄ nhõ thπ hay ch‘ng ta chº d°y nhÿng quy lu∞t úön giûn nhõ kh i lõ–ng lù h¢ng s vœi nhÿng t¿nh g¨n ú‘ng c“a n≈, nhõ thπ không úõa úπn nhÿng ﬁ tõÕng phŸc t°p. ïi∂u thŸ nhØt lù rØt th‘ v¡ vù rØt bu«n cõÃi, úi∂u thŸ hai d∏ dùng nh∞n biπt vù lù bõœc ú¨u tiòn ú∑ hi∑u ú‘ng ú•n quy lu∞t. Nhÿng quan úi∑m nùy úõ–c nóng lòn d¨n d¨n trong d°y h∆c V∞t l¿. Sgèn ktúm Hüy x†c ú¡nh mÀt vØn ú∂ trong nghiòn cŸu V∞t l¿ h∆c vù xóy d⁄ng giûi ph†p ú∑ giûi quyπt vØn ú∂ ú≈. 25
TÊng k’t ch≠¨ng I jSÀ phòt tri™n néng lÀc tì duy îºc l£p vï ∂c phê phòn luën phñi îût æ v≤ tr± hïng îüu ch khëng phñi lï vi≠c thu nh£n ki¨n th c chuyên mënj Albert Einstein V∞t l¿ h∆c lù ngùnh khoa h∆c nghiòn cŸu nhÿng d°ng v∞n úÀng úön giûn nhØt c“a c†c d°ng v∞t chØt vù tõöng t†c giÿa c†c d°ng v∞t chØt ú≈. V∞t l¿ h∆c lù cö sÕ c“a khoa h∆c t⁄ nhiòn vù cö sÕ l¿ thuyπt rÀng rüi nhØt c“a kø thu∞t, s⁄ ph†t tri∑n c“a V∞t l¿ h∆c dÆn tœi s⁄ xuØt hi∫n c“a nhi∂u ngùnh kø thu∞t mœi. Phõöng ph†p nghiòn cŸu ú´c trõng c“a V∞t l¿ h∆c: Phõöng ph†p th⁄c nghi∫m, phõöng ph†p tõöng t⁄, phõöng ph†p mô hªnh. * Phìíng phòp thÀc nghi≠m: qu† trªnh di∏n ra theo 6 bõœc sau: Ph†t hi∫n vØn ú∂. Xóy d⁄ng giû thuyπt. Suy ra h∫ quû lôg¿c. Xóy d⁄ng vù th⁄c hi∫n phõöng †n th¿ nghi∫m. Phón t¿ch, x◊ lﬁ vù r‘t ra c†c quy lu∞t vù ú¡nh lu∞t. Ki∑m nghi∫m l°i kπt quû b¢ng th⁄c ti∏n. * Phìíng phòp tìíng tÀ: S⁄ tõöng t⁄ lù mÀt dÆn úõÃng nghiòn cŸu, cho ph¥p xóy d⁄ng c†c mô hªnh, c†c l¿ thuyπt mœi, ú∂ xuØt nhÿng tõ tõÕng mœi. C†c giai úo°n cö bûn c“a phõöng ph†p tõöng t⁄: T∞p h–p c†c dØu hi∫u v∂ ú i tõ–ng c¨n nghiòn cŸu vù c†c dØu hi∫u v∂ ú i tõ–ng úü c≈. Tiπn hùnh phón t¿ch nhÿng dØu hi∫u gi ng nhau vù kh†c nhau. Ki∑m tra xem c†c dØu hi∫u c≈ lù bûn chØt không. Truy∂n c†c dØu hi∫u c“a ú i tõ–ng úü biπt cho ú i tõ–ng c¨n nghiòn cŸu b¢ng suy lu∞n tõöng t⁄. Ki∑m tra t¿nh ú‘ng ú•n c“a c†c kπt lu∞n r‘t ra (kπt lu∞n ho´c h∫ quû chº c≈ t¿nh chØt giû thuyπt). * Phìíng phòp më hÆnh: Mô hªnh phûn †nh nhÿng thuÀc t¿nh bûn chØt c“a ú i tõ–ng nghiòn cŸu ho´c t†i t°o n≈, vi∫c nghiòn cŸu mô hªnh s≥ cung cØp cho ta nhÿng thông tin mœi v∂ ú i tõ–ng. 26
Trong V∞t l¿, phõöng ph†p mô hªnh n≈i chung g«m 4 giai úo°n sau : Yòu c¨u nhÿng t¿nh chØt c“a ú i tõ–ng g c. Xóy d⁄ng mô hªnh. Thao t†c tròn mô hªnh, suy ra h∫ quû lﬁ thuyπt.Th⁄c nghi∫m vù ki∑m tra. * Trong V∞t l¿, s⁄ hi∑u biπt th⁄c s⁄ mÀt kh†i ni∫m, nguyòn lﬁ lù c≈ th∑ †p d’ng ch‘ng vùo c†c vØn ú∂ úa d°ng c“a th⁄c ti∏n. H∆c c†ch giûi quyπt vØn ú∂ nhõ thπ nùo lù th⁄c s⁄ c¨n thiπt vù không th∑ hi∑u V∞t l¿ tr÷ khi †p d’ng V∞t l¿. Chiπn lõ–c giûi quyπt vØn ú∂ V∞t l¿ thõÃng g«m 4 bõœc : Xòc î≤nh còc khòi ni≠m, v¢n î© liên quan ; Xèy dÀng giñi phòp ; ThÀc hi≠n giñi phòp ; çònh giò k¨t quñ. Cëu h∂i vó bói t•p 1. Anh (ch¡) hüy trªnh bùy c†c phõöng ph†p nghiòn cŸu ú´c trõng c“a V∞t l¿ h∆c. LØy v¿ d’ ú i vœi nÀi dung kiπn thŸc c’ th∑. 2. Anh (ch¡) hüy trªnh bùy c†c giai úo°n c“a qu† trªnh giûi quyπt vØn ú∂ trong V∞t l¿ h∆c. LØy v¿ d’ ú i vœi nÀi dung kiπn thŸc c’ th∑. 3. Anh (ch¡) hüy trªnh bùy c†c phõöng ph†p x◊ l¿ s li∫u trong qu† trªnh nghiòn cŸu V∞t l¿. LØy v¿ d’ ú i vœi nÀi dung kiπn thŸc c’ th∑. Tói liØu tham khòo 1. Nguy∏n ïŸc Thóm, Nguy∏n Ng∆c Hõng, Ph°m Xuón Quπ. Phõöng ph†p d°y h∆c V∞t l¿ Õ trõÃng ph» thông. NXB ïHSPHN, 2003. Tr46-93. 2. Nguy∏n ïŸc Thóm, Nguy∏n Ng∆c Hõng. T» chŸc ho°t úÀng nh∞n thŸc cho h∆c sinh trong d°y h∆c V∞t l¿ Õ trõÃng ph» thông. NXB ïHQG HN, 1999. Tr105-161. 3. Feyman, Leighton, Sands. The Feyman - Lectuers on Physics. Addison Wesley. 1989. pg1.3-1.5, 2.6-2.9. 27
Ch≠¨ng II Dπy h‰c c∏c kh∏i ni÷m VÀt l›, c∏c Æπi l≠Óng VÀt l› jTrong thΩi gian qua, kinh nghi≠m c√a ch≈ng ta îó îì¡c mæ rºng ra, n∂ îì¡c phíi bïy dì¿i ònh sòng, cho th¢y t±nh b¢t toïn c√a nh ng khòi ni≠m îín giñn, mang t±nh mòy m∂c vï h≠ quñ c√a n∂ lï n©n tñng b≤ lung lay t£n gªc, n©n tñng mï ta d¬ng î™ lœ giñi m∑i quan sòtj Niels Bohr Ài dung kiπn thŸc cö bûn c“a V∞t l¿ Õ ph» thông g«m: M C†c kh†i ni∫m V∞t l¿. C†c quy lu∞t, ú¡nh lu∞t V∞t l¿. C†c thuyπt V∞t l¿. C†c Ÿng d’ng k› thu∞t c“a V∞t l¿. Chõöng nùy ú∂ c∞p úπn nhÿng vØn ú∂ vù phõöng ph†p d°y h∆c kh†i ni∫m v∂ hi∫n tõ–ng V∞t l¿ vù ú°i lõ–ng V∞t l¿. NÀi dung kiπn thŸc cö bûn c“a chõöng : Kh†i ni∫m v∂ hi∫n tõ–ng, ú°i lõ–ng V∞t l¿. Con úõÃng hªnh thùnh kh†i ni∫m V∞t l¿. Phõöng ph†p d°y h∆c c†c kh†i ni∫m V∞t l¿. 28
2.1. Dõy hπc cöc khöi niØm V•t l≥ 2.1.1. Khíi nißm Vùt l´ Còc khòi ni≠m khëng chØ phñn ònh nh ng thuºc t±nh chung, thuºc t±nh îín nh¢t, riêng bi≠t mï c≥n phñn ònh cñ nh ng mªi quan h≠ riêng bi≠t gi a còc sÀ v£t hi≠n tì¡ng. NhΩ î∂ ta c∂ th™ nh£n th c sèu hín nh ng tri th c c√a mÆnh v© hi≠n thÀc khòch quan. S⁄ v∞t kh†ch quan mù ch‘ng ta nghiòn cŸu c≈ rØt nhi∂u thuÀc t¿nh kh†c nhau nhõ tr∆ng lõ–ng, th∑ t¿ch, hªnh d†ng, mùu s•c c≈ nhÿng thuÀc t¿nh chº c≈ trong s⁄ v∞t riòng l≤ (thuÀc t¿nh úön nhØt), c≈ nhÿng thuÀc t¿nh c≈ trong nhi∂u s⁄ v∞t (thuÀc t¿nh chung). Nhÿng thuÀc t¿nh úön nhØt gi‘p phón bi∫t t÷ng s⁄ v∞t riòng l≤ vœi tØt cû c†c s⁄ v∞t kh†c. Nhÿng thuÀc t¿nh chung gi‘p phón bi∫t c†c lœp s⁄ v∞t. Do phûn †nh nhÿng thuÀc t¿nh chung vù kh†c bi∫t (riòng bi∫t) c“a c†c s⁄ v∞t hi∫n tõ–ng kh†c nhau nòn ngõÃi ta hªnh thùnh kh†i ni∫m v∂ s⁄ v∞t hi∫n tõ–ng ú≈. V¿ d’: hùnh tinh phûn †nh thuÀc t¿nh chung vù riòng bi∫t c“a m i hùnh tinh (Tr†i úØt, sao h√a, sao kim ). Kh†i ni∫m không úön thu¨n lù mÀt c†i tòn g∆i úõ–c ú´t cho s⁄ v∞t hi∫n tõ–ng mù kh†i ni∫m c≈ t¿nh tr÷u tõ–ng vù kh†i qu†t cao, n≈ lo°i b√ c†i ngÆu nhiòn, c†i không bûn chØt, v°ch ra nhÿng thuÀc t¿nh bûn chØt, kh†m ph† c†c m i quan h∫ c≈ t¿nh quy lu∞t giÿa c†c s⁄ v∞t vù hi∫n tõ–ng mù ch‘ng ta không th∑ hªnh dung dõœi d°ng tr⁄c quan cûm t¿nh. Toùn bÀ nhÿng thuÀc t¿nh bûn chØt c“a s⁄ v∞t hi∫n tõ–ng úõ–c phûn †nh trong kh†i ni∫m lù nÀi hùm c“a kh†i ni∫m. T∞p h–p nhÿng s⁄ v∞t hi∫n tõ–ng c≈ chŸa nhÿng thuÀc t¿nh úõ–c phûn †nh trong kh†i ni∫m ngo°i diòn c“a kh†i ni∫m. Khòi ni≠m lï mºt tì tìæng phñn ònh nh ng thuºc t±nh, nh ng mªi liên h≠ bñn ch¢t, t¢t y¨u c√a còc sÀ v£t vï hi≠n tì¡ng trong hi≠n thÀc. C†c kh†i ni∫m khoa h∆c úõ–c hªnh thùnh c—ng vœi s⁄ ph†t tri∑n c“a khoa h∆c vù th⁄c ti∏n, lù kπt quû ú‘c kπt c“a nhÿng hi∑u biπt c“a con ngõÃi v∂ ú i tõ–ng kh†ch quan qua nhi∂u thπ h∫ , th∑ hi∫n qu† trªnh hi∑u biπt c“a 29
con ngõÃi v∂ thπ giœi, lù nhÿng b∞c thang trong qu† trªnh nh∞n thŸc thπ giœi. Ch£ng h°n thÃi c» ú°i, ngõÃi ta úü cho r¢ng nguyòn t◊ lù nhÿng h°t nh√ b¥ nhØt, cØu t°o nòn v°n v∞t. úπn thπ k‹ XIX ú¨u thπ k‹ XX, ngõÃi ta biπt r¢ng nguyòn t◊ không phûi lù nhÿng h°t nh√ b¥ nhØt mù c¬n c≈ cØu tr‘c bao g«m h°t t¿ch úi∫n dõöng Proton vù h°t t¿ch úi∫n óm electron. Ngùy nay ta c¬n biπt thùnh ph¨n c“a h°t nguyòn t◊ g«m c†c h°t Notron, mezon vù nhÿng h°t cö bûn kh†c, ngõÃi ta c¬n biπt proton c¬n c≈ th∑ chuy∑n ho† thùnh notron vù ngõ–c l°i. Khòi ni≠m îì¡c th™ hi≠n böng mºt t«, ch£ng h°n nñng lõ–ng, kh i lõ–ng. t÷ ú´t cho kh†i ni∫m lù c†i b∂ ngoùi, c†i bi∑u hi∫n c“a kh†i ni∫m. T÷ c≈ t¿nh chØt quy õœc, c¬n kh†i ni∫m phûn †nh hi∫n th⁄c kh†ch quan nhõng l°i úõ–c bi∑u hi∫n b¢ng t÷. nòn không th∑ xem kh†i ni∫m lù ch“ quan do ngõÃi ta quy õœc vœi nhau. c”ng không th∑ xem kh†i ni∫m chº di∏n ú°t b¢ng mÀt t÷. Trong th⁄c tπ c≈ nhi∂u t÷ ú«ng óm nhõng kh†c nghøa, do ú≈ ch‘ng bi∑u hi∫n nhÿng kh†i ni∫m kh†c nhau (v¿ d’: h°t trong t÷ h°t th≈c vù h°t trong V∞t l¿) . Ngõ–c l°i c≈ nhÿng t÷ kh†c óm nhõng c—ng nghøa, bi∑u hi∫n nhÿng kh†i ni∫m nhõ nhau (v¿ d’: xung lõ–ng vù úÀng lõ–ng). DÀa vïo îûc îi™m c√a khòi ni≠m V£t l±, c∂ th™ chia khòi ni≠m V£t l± thïnh hai loôi: khòi ni≠m v© hi≠n tì¡ng V£t l± (vôch ra nh ng thuºc t±nh î≤nh t±nh c√a sÀ v£t hi≠n tì¡ng) vï khòi ni≠m v© îôi lì¡ng V£t l±(vôch ra cñ v© mût î≤nh t±nh vï î≤nh lì¡ng). 2.1.2. Nh√ng con éç∑ng h®nh thènh khíi nißm Vùt l´ Mºt khòi ni≠m V£t l± thìΩng îì¡c hÆnh thïnh trong quò trÆnh tÆm hi™u hi≠n tì¡ng, sÀ v£t m¿i xu¢t hi≠n trong quò trÆnh quan sòt hoûc lïm th± nghi≠m mï ta khëng hi™u îì¡c, khëng më tñ îì¡c, khëng l± giñi îì¡c böng nh ng khòi ni≠m cƒ. N≈i c†ch kh†c, kh†i ni∫m V∞t l¿ mœi xuØt hi∫n do nhu c¨u giûi quyπt mÀt móu thuÆn giÿa s⁄ hi∑u biπt úü c≈ vù s⁄ chõa hi∑u biπt. V¿ d’: ú∑ ú´c trõng cho chuy∑n úÀng nhanh ch∞m c“a mÀt v∞t c≈ th∑ s◊ d’ng kh†i ni∫m v∞n t c, tuy nhiòn mÀt v∞t röi t⁄ do, v∞n t c c“a n≈ tñng d¨n. V∞y 30
ú∑ mô tû s⁄ biπn ú»i ú≈ c¨n d—ng kh†i ni∫m nùo trong c†c kh†i ni∫m úü biπt (quüng úõÃng, v∞n t c hay thÃi gian) ú∑ bi∑u th¡ t¿nh chØt mœi ú≈, móu thuÆn nùy chº c≈ th∑ giûi quyπt b¢ng c†ch xóy d⁄ng kh†i ni∫m mœi ú≈ lù gia t c. Trong l¡ch s◊ V∞t l¿ h∆c, con úõÃng hªnh thùnh kh†i ni∫m V∞t l¿ rØt úa d°ng, phŸc t°p, nhi∂u khi rØt quanh co trong thÃi gian dùi vù không th∑ úõa ra con úõÃng chung nhØt cho vi∫c hªnh thùnh tØt cû c†c kh†i ni∫m V∞t l¿ bÕi vª t¿nh chØt muôn hªnh, muôn v≤ c“a c†c s⁄ ki∫n, c†c hi∫n tõ–ng V∞t l¿. D⁄a vùo ú´c úi∑m c“a ho°t úÀng nghiòn cŸu V∞t l¿, c≈ th∑ kh†i qu†t con úõÃng hªnh thùnh kh†i ni∫m nhõ sau: 1. HÆnh thïnh khòi ni≠m böng quan sòt trÀc ti¨p vï khòi quòt h∂a thÀc nghi≠m: V¿ d’: Trong qu† trªnh khûo s†t c†c s⁄ v∞t hi∫n tõ–ng †nh s†ng truy∂n qua hai môi trõÃng trong su t kh†c nhau, kh†i qu†t kπt quû t÷ nhi∂u th¿ nghi∫m nhõ thπ hªnh thùnh kh†i ni∫m kh‘c x° †nh s†ng. C†c kh†i ni∫m c”ng c≈ th∑ hªnh thùnh trong qu† trªnh nghiòn cŸu c†c m i quan h∫ giÿa c†c ú°i lõ–ng, v¿ d’: nghiòn cŸu m i quan h∫ giÿa U vù I, nh∞n thØy t‹ s U/I lù h¢ng s (ú¡nh lu∞t Ohm), ú´c trõng cho s⁄ cûn trÕ d¬ng úi∫n t÷ ú≈ hªnh thùnh kh†i ni∫m úi∫n trÕ. 2. HÆnh thïnh khòi ni≠m khi khño sòt hi≠n tì¡ng böng còc më hÆnh: v¿ d’ khûo s†t hi∫n tõ–ng cûm Ÿng úi∫n t÷, ú∑ giûi th¿ch nguyòn nhón xuØt hi∫n d¬ng úi∫n ta d—ng mô hªnh c†c úõÃng cûm Ÿng chuy∑n úÀng qua khung dóy, nh∞n thØy s úõÃng sŸc qua mÀt di∫n t¿ch thay ú»i, ú∑ ú´c trõng cho s⁄ thay ú»i nùy úü hªnh thùnh kh†i ni∫m t÷ thông. 3. HÆnh thïnh khòi ni≠m thëng qua quan sòt trÀc ti¨p vï khòi quòt l± thuy¨t: v¿ d’: khûo s†t dao úÀng c“a con l•c l¬ xo, b¢ng suy lu∞n l¿ thuyπt tªm úõ–c x=Asin(ωt+ϕ), hªnh thùnh kh†i ni∫m pha c“a dao úÀng. 2.1.3. Phçång phíp dìy h±c khíi nißm v£ hißn tçªng Vùt l´ - Tôo îi©u ki≠n cho HS quan sòt còc hi≠n tì¡ng V£t l±: 31
C†c kh†i ni∫m v∂ c†c hi∫n tõ–ng V∞t l¿ úõ–c hªnh thùnh trong qu† trªnh xem x¥t, phón t¿ch kπt quû quan s†t hi∫n tõ–ng th⁄c tπ vù th⁄c hi∫n th¿ nghi∫m. Trong d°y h∆c c†c kiπn thŸc kh†i ni∫m v∂ mÀt hi∫n tõ–ng V∞t l¿ c¨n t°o úi∂u ki∫n ú∑ cho h∆c sinh c≈ úõ–c nhÿng bi∑u tõ–ng rƒ rùng, ch¿nh x†c v∂ hi∫n tõ–ng ú≈. R«i tròn cö sÕ nhÿng bi∑u tõ–ng nùy c“a h∆c sinh, b¢ng nhÿng cóu h√i ú¡nh hõœng h–p l¿, gi†o viòn hõœng dÆn ú∑ h∆c sinh ph†t hi∫n úõ–c nhÿng dØu hi∫u chung, bûn chØt c“a s⁄ v∞t, hi∫n tõ–ng vù ki∑m tra nh∞n thŸc ú≈ trong quan s†t vù th⁄c nghi∫m. Sau ú≈ di∏n ú°t kh†i qu†t ú¡nh nghøa hi∫n tõ–ng úõ–c nghiòn cŸu. - Còc khòi ni≠m v£t l± îì¡c hÆnh thïnh vï hoïn thi≠n dün theo b£c h∑c: Trong qu† trªnh h∆c t∞p vù quan s†t th⁄c tπ, kh†i ni∫m V∞t l¿ úõ–c hªnh thùnh d¨n theo b∞c h∆c, h∆c sinh ngùy cùng hi∑u kø hön nÀi hùm c“a c†c kh†i ni∫m V∞t l¿. Tuy nhiòn c≈ th∑ thØy ngùy r¢ng mÀt s kh†i ni∫m úõ–c xem lù rØt cö bûn c“a V∞t l¿ h∆c n≈i riòng vù c“a khoa h∆c n≈i chung, Õ giai úo°n ú¨u c“a qu† trªnh h∆c V∞t l¿, không th∑ lùm rƒ nghøa hön quan ni∫m v n úü c≈ c“a h∆c sinh. V¿ d’ úi∑n hªnh lù kh†i ni∫m v∂ thÃi gian, c≈ th∑ n≈i v∂ khoûng thÃi gian nhõ lù khoûng thÃi gian di∏n ra hi∫n tõ–ng V∞t l¿ nhõ chuy∑n úÀng, qu† trªnh th⁄c hi∫n công, di∏n ra s⁄ úun n≈ng không th∑ di∏n tû úõ–c thÃi gian lù gª. ThÃi gian m´c nhiòn xem nhõ mÀt kh†i ni∫m úü biπt, úõöng nhiòn, không c¨n phûi bùn, nhõ lù mÀt trong nhÿng xuØt ph†t úi∑m ú∑ n≈i v∂ nhÿng vØn ú∂ kh†c chõa biπt. ï≈ lù ngh¡ch l¿ cho nhÿng ai mu n m∆i úi∂u úõ–c rƒ rùng ngay t÷ ú¨u. - S» d∆ng vªn kinh nghi≠m sªng vï trÀc giòc c√a h∑c sinh: MÀt kh¿a c°nh kh†c c“a s⁄ tr†nh c¨u toùn lù c≈ th∑ l–i d’ng tr⁄c gi†c V∞t l¿ c“a h∆c sinh. V¿ d’, khi h∆c m’c úo kh i lõ–ng b¢ng cón(V∞t l¿ 7), h∆c sinh c≈ th∑ chØp nh∞n mÀt c†ch t⁄ nhiòn r¢ng: áú´t hai quû cón c≈ kh i lõ–ng b¢ng nhau lòn hai úøa cón, thª cón s≥ thñng b¢ngà mù không c¨n biπt lù th⁄c chØt c“a ph¥p cón lù ph¥p cón b¢ng ú¬n b≠y (V∞t l¿ 8). 32
Ngo°i tr÷ c†c hi∫n tõ–ng liòn quan úπn m i tõöng t†c nguyòn t◊ dÆn úπn hªnh thùnh chØt mœi vù c†c hi∫n tõ–ng thuÀc ph°m vi hªnh thùnh c“a tr†i úØt, c¬n h¨u hπt c†c hi∫n tõ–ng trong t⁄ nhiòn vÆn lù ú i tõ–ng c“a V∞t l¿ h∆c. Ngay cû trong c†c lønh v⁄c v÷a nòu, thª trong nhi∂u kh¿a c°nh c“a hi∫n tõ–ng vÆn c¨n s⁄ l¿ giûi c“a V∞t l¿. N≈i mÀt c†ch kh†i qu†t thª hi∫n tõ–ng V∞t l¿ lù nhÿng hi∫n tõ–ng c≈ t¿nh nhón quû rƒ r∫t. M i hi∫n tõ–ng ú∂u lù kπt quû giÿa hai hay nhi∂u v∞t, ho´c rÀng hön, giÿa hai hay nhi∂u th⁄c th∑ V∞t l¿ vœi nhau Õ mŸc úÀ nùy hay mŸc úÀ kh†c. M i bi∑u hi∫n c“a hi∫n tõ–ng ú∂u c≈ th∑ úõ–c l¿ giûi theo mÀt s nguyòn t•c ho´c mÀt vùi ú¡nh lu∞t nùo ú≈. Trong qu† trªnh nghiòn cŸu vù d°y h∆c c†c nhù V∞t l¿ vù c†c nhù sõ ph°m úü phón lo°i c†c hi∫n tõ–ng g¨n nhau, c≈ c—ng mÀt s nguyòn nhón chung. Ch‘ng úõ–c nghiòn cŸu trong c†c phón môn V∞t l¿ kh†c nhau nhõ: Cö h∆c, Nhi∫t h∆c, ïi∫n - T÷ h∆c theo phõöng di∫n nùo ú≈ ngõÃi ta c”ng c≈ khuynh hõœng xπp c†c hi∫n tõ–ng c≈ c—ng quy lu∞t thùnh mÀt lœp hi∫n tõ–ng, c≈ th∑ nguyòn nhón sóu xa c“a ch‘ng kh†c nhau nhõ hi∫n tõ–ng tu¨n hoùn ch£ng h°n. Theo c†ch phón lo°i truy∂n th ng ta c≈ th∑ thØy, ch£ng h°n, c†c hi∫n tõ–ng Cö h∆c liòn quan úπn mÀt trong nhÿng thuÀc t¿nh c“a c†c kh i chØt lù kh i lõ–ng. ï´c t¿nh cö bûn c“a kh i lõ–ng lù qu†n t¿nh vù t¿nh hØp dÆn. Cö h∆c l°i úõ–c phón nh√ thùnh c†c hi∫n tõ–ng. ïÀng h∆c chuyòn mô tû quy lu∞t b∂ ngoùi v∂ s⁄ dÃi ch c“a c†c v∞t th∑, c†c hi∫n tõ–ng úÀng l⁄c h∆c x¥t nguyòn nhón c“a c†c quy lu∞t rÃi ch , c†c hi∫n tõ–ng Tønh h∆c khûo s†t c†c úi∂u ki∫n c“a s⁄ không dÃi ch . C†c hi∫n tõ–ng nhi∫t nhõ n≈ng l°nh, giün nÕ nhi∫t †p suØt, kπt t∞p, d¿nh õœt lù nhÿng hi∫n tõ–ng c≈ liòn quan úπn s⁄ v∞n úÀng c“a s úông c†c phón t◊ dõœi ûnh hõÕng c“a mÀt lo°i tõöng t†c ú´c bi∫t g∆i lù tõöng t†c úi∫n t÷, vù góy ra c†c hi∫u Ÿng kh†c nhau chõa t÷ng úõ–c x¥t úπn trong cö h∆c vù nhi∫t h∆c. Nπu ú∑ ﬁ s≥ thØy r¢ng tõöng t†c úi∫n t⁄ th∑ hi∫n Õ kh•p m∆i nöi, t÷ 33
s⁄ s⁄ t°o thùnh phón t◊, l⁄c liòn kπt phón t◊ vù do ú≈ nguyòn nhón sóu xa c“a l⁄c úùn h«i, l⁄c ma s†t mù ta c≈ th∑ nh¨m tõÕng lù tu¤ thu¨n tuﬁ cö h∆c. C†c hi∫n tõ–ng s†ng t i vù s•c mùu úõ–c g∆i chung lù c†c hi∫n tõ–ng quang h∆c, c≈ v≤ rØt riòng bi∫t, ch£ng liòn quan gª úπn ba lo°i hi∫n tõ–ng úü nòu tròn. Nhõng V∞t l¿ h∆c t÷ cu i th∑ kº 19 úü úõa ra r¢ng s⁄ ph†t s†ng c≈ liòn quan úπn tõöng t†c úi∫n t÷ Õ lœp v√ nguyòn t◊, c¬n s⁄ truy∂n s†ng tuón theo qui lu∞t c“a cûm Ÿng úi∫n t÷ (mù suy cho suy cho c—ng thª cûm Ÿng úi∫n t÷ lù g c r∏ c“a m∆i chuy∫n, vª ch¿nh thông qua cûm Ÿng tõöng h giÿa c†c úi∫n trõÃng vù t÷ trõÃng mœi dÆn truy∂n tõöng t†c úi∫n t÷). C†c hi∫n tõ–ng ph≈ng x° liòn quan úπn hai lo°i tõöng t†c c≈ v≤ không hoùn toùn tõÃng minh lù tõöng t†c m°nh vù tõöng t†c yπu. N≈i c≈ v≤ không hoùn toùn tõÃng minh lù c≈ hùm ﬁ r¢ng tõöng t†c hØp dÆn vù tõöng t†c úi∫n t÷ úü c≈ v≤ qu† quen thuÀc. ChŸ th⁄c ra nπu úi sóu úπn cÀi r∏ thª ch•c ai úü trû lÃi úõ–c cóu h√i vª sao kh i lõ–ng c†c chØt l°i hØp dÆn nhau, ho´c vª sao c†c úi∫n t¿ch h‘t nhau vù ú≠y nhau? ï≈ lù n¥t chung nhØt úõ–c th∑ hi∫n khi xóy d⁄ng s†ch gi†o khoa V∞t l¿ vù phón b chõöng trªnh khi d°y V∞t l¿. ï≈ c”ng lù úi∂u mù nhÿng ngõÃi d°y V∞t l¿ luôn tóm ni∫m d— trong th⁄c tπ d°y h∆c ch£ng c¨n n≈i l⁄c ma s†t ho´c l⁄c úùn h«i c≈ bûn chØt úi∫n t÷ . 2.1.4. V´ d¿ v£ dìy h±c khíi nißm v£ hißn tçªng Vùt l´. V± d∆ 1: D°y h∆c hi∫n tõ–ng V∞t l¿ thông qua th¿ nghi∫m. Con úõÃng nh∞n biπt hi∫n tõ–ng V∞t l¿ t t nhØt lù tr⁄c tiπp quan s†t c†c hi∫n tõ–ng thông qua th¿ nghi∫m c“a ngõÃi th¨y. Khi lùm th¿ nghi∫m ph’c v’ cho mÀt bùi giûng v∂ mÀt hi∫n tõ–ng V∞t l¿ mœi, ngõÃi th¨y s≥ hõœng h∆c sinh vùo c†c ú´c úi∑m c“a hi∫n tõ–ng mù s†ch gi†o khoa mu n mô tû. V´ d¿: Hi∫n tõ–ng nhi∏m úi∫n vª c∆ s†t. ï´c úi∑m c“a hi∫n tõ–ng lù mÀt s thanh nhõ thanh thu‹ tinh, lõ–c, c≈ khû nñng h‘t c†c v∞t nhµ sau khi c∆ x†t vùo c†c v∞t kh†c. Dø nhiòn ú´c t¿nh nùy c“a v∞t n≈i chung lù chõa 34
t÷ng úõ–c biπt, nòn kπt quû th¿ nghi∫m góy hŸng th‘ cho h∆c sinh. Vª v∞y không giœi thi∫u trõœc, chº lõu ﬁ h∆c sinh nh∞n x¥t vù ph†t bi∑u. Hi∫n tõ–ng không ú»i nhi∫t úÀ c“a chØt kπt tinh trong su t qu† trªnh n≈ng chûy vù úông ú´c. ïóy lù mÀt th¿ nghi∫m ú¬i h√i s⁄ chu≠n b¡ chu ú†o v∂ thiπt b¡ vù ú¬i h√i s⁄ c¨n tr∆ng v∂ an toùn trong th¿ nghi∫m. Vª v∞y, nòn nhÃ nhón viòn th⁄c hùnh chu≠n b¡ vù h tr– khi lùm. ï∑ thùnh công, chØt úõ–c ch∆n nhØt thiπt phûi lù chØt kπt tinh. C¬n ú∑ úûm bûo an toùn cho th¿ nghi∫m, nòn ch∆n chØt kπt tinh c≈ nhi∫t úÀ n≈ng chûy thØp nhõ bñng phiπn Phõöng ph†p lùm th¿ nghi∫m tuy mØt thÃi giÃ, nhõng nπu th¿ nghi∫m úõ–c chu≠n b¡ t t, th⁄c hi∫n ú‘ng theo gi†o †n, thª c≈ t†c d’ng mang l°i Øn tõ–ng tr⁄c tiπp cho ngõÃi h∆c, khiπn h∆ chñm ch‘ chÃ ú–i lÃi giûi th¿ch. S⁄ giûi th¿ch vª thπ nhœ hi∑u rƒ hön. N≈ c”ng lùm cho ngõÃi h∆c hi∑u r¢ng V∞t l¿ h∆c lù môn khoa h∆c th⁄c nghi∫m. Tuy nhiòn, ngoùi vi∫c mØt thª giÃ chu≠n b¡ c“a ngõÃi th¨y vù thª giÃ quan s†t th¿ nghi∫m c“a tr¬, c≈ hai nhõ–c úi∑m c“a phõöng ph†p nùy: - Th¿ nghi∫m không úõ–c chu≠n b¡ kø ho´c úõ–c lùm trong c†c úi∂u ki∫n thu∞n l–i, thª kh≈ thùnh công. V¿ d’: Th¿ nghi∫m úo nhi∫t úÀ n≈ng chûy c“a nõœc ú† úang tan, th¿ nghi∫m v∂ d⁄ nhi∏m úi∫n vù ph≈ng úi∫n b¢ng m†y ph†t Wimsure, th¿ nghi∫m ki∑m nghi∫m ú¡nh lu∞t Joule - Lenzt. - H∆c sinh c≈ th∑ chº lõu ﬁ úπn nhÿng kh¿a c°nh chõa giûi th¿ch úõ–c ngay. V¿ d’: Th¿ nghi∫m v∂ s⁄ kh‘c x° tia s†ng qua lñng k¿nh s≥ k±m theo hi∫n tõ–ng t†n s•c nπu không c≈ k¿nh l∆c s•c th¿ch h–p. Th¿ nghi∫m úön giûn v∂ s⁄ ágÆyà c“a chiπc ú”a khi thû nghiòng vùo c c nõœc, không chº góy bÕi s⁄ kh‘c x° c“a †nh s†ng qua m´t phón c†ch không kh¿ - nõœc, mù c¬n do hi∫u Ÿng kh‘c x° Õ thùnh c c. Th¿ nghi∫m v∂ t†n x° †nh s†ng không rƒ khi không c≈ ch—m s†ng tr•ng ú“ m°nh vù mûnh. V± d∆ 2: D°y hi∫n tõ–ng V∞t l¿ b¢ng hªnh v≥ minh h∆a. 35
Trong nhi∂u trõÃng h–p không ú“ úi∂u ki∫n lùm th¿ nghi∫m th⁄c s⁄, thª c≈ th∑ d—ng hªnh v≥ mô tû: - Hi∫n tõ–ng phûn x° vù kh‘c x° †nh s†ng. - Hi∫n tõ–ng l⁄c cñng m´t ngoùi. - Hi∫n tõ–ng giün nÕ vª nhi∫t c“a c†c v∞t r•n vù l√ng. Phõöng ph†p nùy c≈ nhõ–c úi∑m lù không góy úõ–c Øn tõ–ng tr⁄c tiπp, nhõng c≈ õu úi∑m lù: ngõÃi d°y c≈ th∑ hõœng h∆c sinh vùo nhÿng kh¿a c°nh ú†ng ch‘ ﬁ c“a hi∫n tõ–ng. Phõöng ph†p nùy c≈ th∑ mang l°i hi∫u quû cao khi lœp h∆c úü hi∑u kh† thØu ú†o c†c kiπn thŸc c“a bùi h∆c trõœc. Lìu œ: Hªnh v≥ c¨n rƒ rùng, th ng nhØt c†ch v≥ trong 1 hªnh v≥ hªnh ph£ng hay hªnh không gian. Trong trõÃng h–p c≈ th∑ nòn chu≠n b¡ hªnh v≥ s§n tròn bûng l∞t ho´c m†y t¿nh vù m†y chiπu. Trong kh† nhi∂u trõÃng h–p mÀt s hi∫n tõ–ng V∞t l¿ vù c†c quy lu∞t c“a hi∫n tõ–ng c≈ th∑ úõ–c giûng giûi c≈ kπt quû không nhÃ úπn th¿ nghi∫m, mù chº úön thu¨n b¢ng c†ch ph†t vØn. Nhÿng hi∫n tõ–ng tuy không úõ–c lùm th¿ nghi∫m ho´c th∞m ch¿ chº mô tû th¿ nghi∫m ú∑ dÆn d•t. B¢ng c†ch ph†t vØn kh¥o l¥o c¬n c≈ th∑ tr†nh cho ngõÃi h∆c nhÿng nh∞n thŸc sai l¨m l⁄c góy ra chuy∑n úÀng. Sgèn ktúm Anh (ch¡) hüy l⁄a ch∆n mÀt kh†i ni∫m V∞t l¿ trong chõöng trªnh V∞t l¿ Õ THPT vù phón t¿ch phõöng ph†p d°y h∆c c†c kh†i ni∫m ú≈. 2.2. Dõy hπc cöc ñõi lï√ng V•t l≥ vó cöc ñîn v¥ V•t l≥ 2.2.1. áìi lçªng Vùt l´ Khòi ni≠m v© îôi lì¡ng V£t l± lï k¨t quñ phñn ònh mªi liên h≠ gi a hai mût î≤nh t±nh vï î≤nh lì¡ng c√a mºt t±nh ch¢t V£t l± xòc î≤nh. 36
Trong c†c kh†i ni∫m V∞t l¿ úõ–c hªnh thùnh Õ nhù trõÃng, c†c ú°i lõ–ng V∞t l¿ c≈ vai tr¬ ú´c bi∫t quan tr∆ng. C≈ th∑ c≈ nhi∂u quan ni∫m trong vi∫c phón lo°i c†c kh†i ni∫m V∞t l¿. Tuy nhiòn, qua th⁄c tπ giûng d°y vù nghiòn cŸu ta c≈ th∑ thØy, c≈ nhÿng kh†i ni∫m d∏ dùng úõ–c lùm s†ng t√ (ú¡nh nghøa) qua c†c kh†i ni∫m kh†c; nhõng c≈ mÀt s kh†i ni∫m h¨u nhõ không th∑ ú¡nh nghøa mÀt c†ch thông thõÃng. Ai c”ng biπt r¢ng ú¡nh nghøa cõÃng úi∫n trõÃng tuy rØt dùi nhõng hoùn toùn c≈ th∑ hi∑u vù nhœ úõ–c khi hi∑u rƒ kh†i ni∫m l⁄c vù chØp nh∞n kh†i ni∫m úi∫n t¿ch. Tuy nhiòn nπu h√i úi∫n t¿ch lù gª thª quû th∞t lù không th∑ trû lÃi. Tõöng t⁄, trong ú¡nh lu∞t Newton mù h√i tiπp kh i lõ–ng lù gª thª kh≈ trû lÃi b¢ng mÀt ú¡nh nghøa ng•n g∆n. T≈m l°i, trong c†c phón môn c“a V∞t l¿ sö cØp, ú«ng thÃi lù c†c phón môn c“a V∞t l¿ ú°i cõöng, c≈ th∑ li∫t kò ra mÀt s kh†i ni∫m úõ–c xem lù rØt quan tr∆ng. Cö h∆c: Không gian, thÃi gian, kh i lõ–ng, l⁄c, công vù nñng lõ–ng. Tuy nhiòn l⁄c lù mÀt kh†i ni∫m dÆn xuØt, nhÿng l°i lù mÀt kh†i ni∫m rØt úa d°ng vù úa di∫n, nòn ú∑ hi∑u thØu ú†o v∂ l⁄c c”ng không úön giûn Nhi∫t h∆c: Nhi∫t lõ–ng vù nhi∫t úÀ. ïi∫n h∆c: ïi∫n t¿ch, úi∫n trõÃng, chiπt suØt Dao úÀng, s≈ng vù quang l¿: Chu kª dao úÀng vù pha dao úÀng, photon vù lõŒng t¿nh s≈ng h°t. Nguyòn t◊: tr°ng th†i d÷ng. Nπu c†c kh†i ni∫m V∞t l¿ lù c†c t÷ v⁄ng g c liòn kπt vœi nhau trong mÀt m∫nh ú∂ khi ú¡nh nghøa mÀt kh†i ni∫m mœi, thª c†c î3i lì¡ng V£t l±, ngoïi ki™u liên k¨t trong m≠nh î© thëng thìΩng, ch≈ng c≥n îì¡c liên k¨t chût ch¶ theo ki™u toòn h∑c trong còc cëng th c. V∂ phõöng di∫n nùo ú≈, ki∑u liòn kπt mœi nùy . 37
Kh i lõ–ng c“a v∞t lù ú°i lõ–ng ú´c trõng cho mŸc qu†n t¿nh c“a v∞t. Khi n≈i v∂ l⁄c v°n v∞t hØp dÆn, tuy không úõa ra ú¡nh nghøa mœi v∂ kh i lõ–ng, nhõng c≈ ﬁ nghøa phón bi∫t kh i lõ–ng hØp dÆn vœi kh i lõ–ng qu†n t¿nh. Trong thuyπt tõöng ú i hµp c“a Einstein kh†i ni∫m kh i lõ–ng c¬n bÀc lÀ nhÿng s•c th†i mœi hoùn toùn không quen thuÀc trong V∞t l¿ c» úi∑n: MÀt lù, bØt cŸ mÀt th⁄c th∑ V∞t l¿ nùo c≈ kh i lõ–ng m thª c”ng hùm chŸa mÀt nñng lõ–ng nÀi t°i E =mc2. Vù ngõ–c l°i, bØt cŸ s⁄ tñng nñng lõ–ng nùo c“a mÀt v∞t úü cho, ch£ng h°n úÀ tñng nÀi nñng do v∞t b¡ ú t n≈ng, thª c”ng k±m theo úÀ tñng khôi lõ–ng c“a v∞t Øy. Hai lù, mÀt v∞t c≈ kh i lõ–ng nghº m thª khi chuy∑n úÀng vœi v∞n t c v, kh i lõ–ng c“a n≈ tñng lòn. Cû hai úi∂u tròn ú∂u góy s c cho nhÿng ai mœi tªm hi∑u thuyπt tõöng ú i, do ch kh†i ni∫m kh i lõ–ng ú¡nh nghøa theo lõ–ng chØt úü in l¢n trong ti∂m thŸc c“a ch‘ng ta r«i. MÀt lõ–ng chØt úü cho thª lùm sao c≈ th∑ thay ú»i theo ngo°i cûnh úõ–c. ïi∂u úÀc ú†o lù t÷ hai úi∂u tròn buÀc ta phûi suy ra r¢ng kh i lõ–ng nghº c“a photon b¢ng không. ïi∂u nùy c”ng góy ra mÀt c‘ s c theo nghøa kh†c: chuy∑n úÀng úü biπn không thùnh c≈. Tuy nhiòn, nhœ r¢ng phôtôn úü sinh ra lù ch°y, vù theo thuyπt tõöng ú i thª n≈ luôn ch°y vœi v∞n t c b¢ng v∞n t c †nh s†ng trong chón không. 2.2.2. áìi lçªng vã hç∫ng vè éìi lçªng vectå MÀt vùi i lõ–ng Vt lﬁ nhõ thÃi gian, nhi∫t úÀ, kh i lõ–ng, m∞t úÀ, úi∫n t¿ch hoùn toùn c≈ th mô t bng m t con s vg m t n v. Nhng rt nhi∂u i lõ–ng quan trng kh†c c≈ huÕng kt hp vœi n≈ vg không th mô t bng m t con s . Nhng i lõ–ng nh th ‘ng vai tr¬ quan trng trong Vt lﬁ, gm chuy∑n ng vg nguyòn nhón ca n≈, hi∫n tõ–ng úi∫n vg t. M t v¿ d v i lõ–ng vg huÕng ca n≈ lg chuy∑n ng ca m†y bay ch!ng 38
hn, mô t ú¨y “ chuy∑n Àng không ch lg quüng úõÃng bao xa mg c¬n huÕng ca n≈.T c ca m†y bay vœi huÕng ca n≈ cŸu thgnh i lõ–ng g∆i lg vn t c. M t v¿ d kh†c lg lc, trong Vt l¿ c≈ nghiü k¥o ho´c ú≠y vt, mô t ú¨y m t lc c≈ nghiü phûi mô t lc ≈ k¥o ho´c ú¨y mnh nh th nùo vg huÕng k¥o ho´c ú¨y lg huÕng nùo. Khi mºt îôi lì¡ng V£t l± îì¡c më tñ böng mºt con sª, ch≈ng ta g∑i ch≈ng lï îôi lì¡ng vë hì¿ng. Ngõ–c l°i, mÀt îôi lì¡ng vßc tí g∏m cñ îº l¿n (bao nhiêu, l¿n cø nïo) vï hì¿ng trong khëng gian. T¿nh to†n c†c ú°i lõ–ng vô hõœng, ch‘ng ta s◊ d’ng c†c ph¥p to†n s h∆c thông thõÃng. V¿ d’: 6kg+ 3 kg= 9 kg. Tuy nhiòn, kπt h–p c†c v¥c tö ú¬i h√i c†c ph¥p to†n kh†c bi∫t. ï∑ hi∑u hön v∂ v¥c tö vù kπt h–p v¥c tö nhõ thπ nùo, ch‘ng ta b•t ú¨u b¢ng ú°i lõ–ng v¥c tö rØt úön giûn lù s⁄ d¡ch chuy∑n, s⁄ d¡ch chuy∑n úön giûn chº lù s⁄ thay ú»i v¡ tr¿ c“a mÀt chØt úi∑m. S⁄ d¡ch chuy∑n lù ú°i lõ–ng v¥c tö bÕi vª ch‘ng ta không chº n≈i tœi d¡ch chuy∑n bao xa mù c¬n cû hõœng d¡ch chuy∑n lù hõœng nùo. ïi v∂ hõœng B•c 3 km t÷ c◊a ra vùo c”ng nhõ úi 3 km v∂ hõœng Nam, nhõng kh†c bi∫t v∂ hõœng. Khi x†c nh l"n ca i lõ–ng v¥c t nh i lõ–ng vô huÕng là c≈ th chp nhn, nhng ch‘ng ta nh" rng i lõ–ng v¥c t không th bng i lõ–ng v’ huÕng vª ch‘ng kh†c biπt v ki∑u i lõ–ng. V¿ d: viπt A=6km là sai cng gi ng nh 2 cam = 3 t†o v∞y. V¿ d’:T c úÀ ch†y c“a nhiòn li∫u.ïõÃng úi c“a chuy∑n úÀng ú∂u lù mÀt ú°i lõ–ng dõöng, úõ–c t¿nh theo công thŸc S=v.t. Công c“a l⁄c tròn úo°n úõÃng s lù ú°i lõ–ng A úo b¢ng t¿ch s A = F.s.cos α vœi α lù g≈c h–p giÿa phõöng c“a l⁄c vù úõÃng úi (phõöng c“a v∞n t c). 7 nghøa chº ú°i s trong mÀt s ú°i lõ–ng V∞t l¿. MÀt s ú°i lõ–ng vô hõœng chº c≈ gi† tr¡ dõöng, nhõ chi∂u dùi c“a úõÃng úi, úi∫n trÕ c“a v∞t dÆn, lõu lõ–ng c“a d¬ng chûy, kh i lõ–ng c“a v∞t trong V∞t l¿ hi∫n t°i. MÀt s ú°i lõ–ng V∞t l¿ kh†c l°i c≈ th∑ nh∞n cû c†c tr¡ s óm. Khi d°y h∆c c¨n cho h∆c sinh thØy ﬁ nghøa c“a tr¡ s óm c“a mÀt s ú°i lõ–ng. 39
V¿ d’: Công c“a l⁄c: C†c ú¡nh nghøa công úü nòu A = F.s.cosα. T÷ ú¡nh nghøa ú≈ suy ra khi α 90 thª công c≈ tr¡ s óm. Th⁄c ra khi α 90 thª l⁄c c≈ vai tr¬ cûn trÕ chuy∑n úÀng. N≈ không lùm tñng mù lùm giûm úÀng nñng c“a v∞t. Khi ú≈ l⁄c không nhÿng không sinh công mù c¬n lùm tiòu th’ công. MÀt l⁄c tiòu t n công, hay lù phûi lØy d¨n d⁄ trÿ úÀng nñng c”ng mang t¿nh nhón quû,. ï´c bi∫t lù c†c công thŸc th∑ hi∫n c†c ú¡nh lu∞t. V¿ d’: I=U/R. C”ng c—ng m i liòn h∫ Øy, nhõng nπu viπt dõœi d°ng kh†c thª ta thu úõ–c ú¡nh nghøa c“a mÀt s ú°i lõ–ng. V¿ d’: úi∫n trÕ R= U/I. 2.2.3. áån v¨ éo cíc éìi lçªng Vùt l´ C†c th¿ nghi∫m V∞t l¿ ú¬i h√i c†c ph¥p úo vù ch‘ng ta thõÃng d—ng c†c con s ú∑ mô tû kπt quû ph¥p úo. C†c con s ú∑ mô tû t¿nh chØt ú¡nh lõ–ng c“a c†c hi∫n tõ–ng V∞t l¿ úõ–c g∆i lù c†c ú°i lõ–ng V∞t l¿. V¿ d’: cón n´ng hay chi∂u cao c“a ch‘ng ta. Vùi ú°i lõ–ng V∞t l¿ lù cö bûn, ch‘ng ta chº c≈ th∑ mô tû b¢ng c†ch úo ch‘ng nhõ thπ nùo. V¿ d’ úo khoûng c†ch b¢ng thõœc, úo thÃi gian b¢ng ú«ng h« bØm gióy. Trong trõÃng h–p kh†c, ch‘ng ta c≈ th∑ x†c ú¡nh c†c ú°i lõ–ng V∞t l¿ b¢ng c†ch t¿nh to†n t÷ c†c ú°i lõ–ng kh†c mù c≈ th∑ úo úõ–c. V¿ d’ t¿nh v∞n t c trung bªnh b¢ng c†ch úo quüng úõÃng vù chia cho thÃi gian úo úõ–c. Khi ch‘ng ta s◊ d’ng con s ú∑ mô tû ú°i lõ–ng V∞t l¿, ch‘ng ta phûi luôn ch‘ ﬁ úπn úön v¡ mù ch‘ng ta s◊ d’ng. H∫ úön v¡ úo úõ–c c†c nhù khoa h∆c vù c†c k› sõ s◊ d’ng ph» biπn tròn thπ giœi úõ–c g∆i lù h∫ m¥t (the metric system), t÷ nñm 1960 úõ–c coi nhõ h∫ úo Qu c tπ (International system, viπt t•t lù SI). * á≥i éån v¨ éo vè nh√ng vún é£ nêy sinh: ï»i úön v¡ lù rØt quan tr∆ng, nhõng c”ng không k¥m quan tr∆ng lù nh∞n biπt khi nùo thª c¨n ú»i úön v¡. Trong h¨u hπt c†c trõÃng h–p, t t nhØt 40
ch‘ng ta s◊ d’ng úön v¡ úo cö bûn c“a h∫ SI (chi∂u dùi úo b¢ng m¥t, kh i lõ–ng úo b¢ng kilogram vù thÃi gian úo b¢ng gióy). Nπu mu n kπt quû úo b¢ng h∫ úön v¡ úo kh†c (nhõ lù kilometers, gram, giÃ), ú∑ úπn kπt quû cu i c—ng hüy ú»i. ïön v¡ úo lù ph¥p nhón ho´c chia nhõ ph¥p ú°i s thông thõÃng, ú≈ lù c†ch ch‘ng ta ú»i mÀt lõ–ng t÷ úön v¡ úo nùy sang úön v¡ úo kh†c. ﬁ tõÕng mØu ch t lù bi∑u di∏n c—ng mÀt lõ–ng V∞t l¿ trong hai h∫ úo kh†c nhau vù ﬁ nghøa nhõ nhau. V¿ d’: Khi ch‘ng ta n≈i 1 ph‘t =60 gióy, không c≈ nghøa lù s 1 b¢ng s 60, ﬁ mu n n≈i r¢ng 1 ph‘t bi∑u di∏n nhõ thÃi gian V∞t l¿ chia ra lù 60 gióy. Vª lﬁ do ú≈ 1 ph‘t/60 gióy =1 , hay ngõ–c l°i 60 gióy /1 ph‘t =1. Ch‘ng ta c≈ th∑ nhón mÀt lõ–ng nùy vœi mÀt lõ–ng kh†c mù không thay ú»i ﬁ nghøa lõ–ng V∞t l¿. V¿ d’: Tªm s gióy trong 3 ph‘t, ch‘ng ta viπt: 3 ph‘t= (3 ph‘t) x (60 gióy/ 1 ph‘t) = 180 gióy. Nπu ch‘ng ta ú»i úön v¡ ú‘ng thª úön v¡ c” s≥ b¡ lo°i b√ nhõ v¿ d’ tròn. Nπu ch‘ng ta nhón 3 ph‘t vœi 1ph‘t/ 60 gióy, kπt quû c“a ch‘ng ta s≥ lù 1/20 ph‘t2/gióy. C†ch úo thÃi gian nhõ thπ kh† k¤ c’c. ï∑ ch•c ch•n vi∫c ú»i úön v¡ lù ú‘ng, ch‘ng ta phûi viπt úön v¡ úo trong su t qu† trªnh t¿nh to†n. Cu i c—ng, ki∑m tra cóu trû lÃi c“a ch‘ng ta lù c≈ lﬁ không. 3 ph‘t = 180 gióy lù c≈ lﬁ không? Cóu trû lÃi lù c≈ lﬁ. Gióy thª nh√ hön ph‘t vª v∞y trong c—ng khoûng thÃi gian thª s gióy nhi∂u hön s ph‘t. 2 Còch vi¨t vï œ ngh∞a còc îín v≤ V£t l±: MÀt ú°i lõ–ng vô hõœng nùo c”ng g«m hai ph¨n: tr¡ s tuy∫t ú i cho biπt ú°i lõ–ng c¨n úo chŸa bao nhiòu l¨n ú°i lõ–ng úõ–c ch∆n lùm úön v¡ vù tòn (thŸ nguyòn) c“a úön v¡. C†c úön v¡ úo tho°t ú¨u úõ–c x†c ú¡nh bÕi c†c mÆu c≈ s§n trong t⁄ nhiòn. V∂ sau mÀt s úõ–c x†c ú¡nh bÕi c†c v∞t mÆu, c”ng g∆i lù c†c tiòu chu≠n, úõ–c cØt giÿ t°i Vi∫n cón úo qu c tπ. V¿ d’: 41
- ç≤nh ngh∞a c√a mßt: ï¨u tiòn nñm 1791, m¥t úõ–c ú¡nh nghøa lù mÀt ph¨n mõÃi tri∫u c“a ph¨n tõ kinh tuyπn úi qua Pari vù chπ t°o mÆu m¥t theo ú¡nh nghøa ú≈ dõœi d°ng mÀt mÆu v¬ng chu≠n b¢ng b°ch kim. Cho r¢ng ph¥p úo chi∂u dùi kinh tuyπn không ú“ ch¿nh x†c, nòn 1889, ï°i hÀi I úü quyπt ú¡nh b√ mÆu m¥t theo chu≠n t⁄ nhiòn, thay b¢ng mÀt nÆu m¥t chπ t°o b¢ng h–p kim platin - iridi lùm mÆu g c qu c tπ v∂ m¥t. V∂ úÀ dùi, mÆu m¥t c”ng vùo khoûng 10-7 c“a kinh tuyπn, nhÿng không c¬n l∫ thuÀc vùo úÀ ch¿nh x†c c“a ph¥p úo chi∂u dùi kinh tuyπn nÿa. Nh∞n thØy r¢ng mÆu m¥t g c qu c tπ không ú†p Ÿng úõ–c úÀ ch¿nh x†c qu† 1U, nñm 1960 (XI) úü quyπt ú¡nh x†c ú¡nh mÆu m¥t theo bõœc s≈ng c“a bŸc x° chu≠n b¢ng 1650763,73 l¨n bõœc s≈ng c“a bŸc x° chón không 2 5 Ÿng vœi s⁄ chuy∑n dÃi P5 vù D3 c“a nguyòn t◊ kripton 86 Nhì v£y îín v≤ V£t l± cƒng c∂ sÀ ti¨n hoò. 3 ñîn v¥ SI meter (m) chi∂u dùi "M¥t lù quüng úõÃng †nh s†ng truy∂n úõ–c trong chón không trong thÃi gian 1/299 792 458 gióy." kilogram kh i "Kg lù kh i lõ–ng mÀt v∞t b¢ng kg mÆu t°i vi∫n úo lõÃng (kg) lõ–ng qu c tπ." second (s) thÃi gian "Gióy lù thÃi gian b¢ng 9 192 631 770 chu kª chuy∑n mŸc tinh tπ giÿa hai tr°ng th†i cö bûn c“a nguyòn t◊ caesium 133 ." ampere cõÃng úÀ "A lù CõÃng úÀ d¬ng úi∫n ch°y trong2 dóy dÆn dùi vô h°n (A) d¬ng úi∫n ú´t song song c†ch nhau 1 m¥t trong chón không sao cho cŸ mÀt m¥t chi∂u dùi ch¡u t†c d’ng 1 l⁄c2 10-7 newton ." kelvin (K) nhi∫t úÀ "Kelvin lù 1/273.16 c“a khoûng nhi∫t úÀ t÷0 úÀ tuy∫t ú i úπn úi∑m ba c“a nõœc." mole lõ–ng "mol lù lõ–ng chØt c≈ chõa s ph¨n t◊ b¢ng s nguyòn t◊ (mol) chØt trong 0.012 kilogram c“a C 12. Mol c≈ th∑ lù mole nguyòn t◊ , mol h°t nhón , mol electron " candela cõÃng úÀ " Candela (nπn ) lù cõÃng úÀ anh s†ng bŸc x° c“a mÀt (cd) †nh s†ng ngu«n úön s•c c≈ f =540 1012 hertz vù c≈ công suØt bŸc x° 1/683 watt trong mÀt steradian." 42
2.2.4. Con éç∑ng h®nh thènh cíc éìi lçªng Vùt l´ Trong l¡ch s◊ V∞t l¿ h∆c, con úõÃng ph†t hi∫n vù tªm ra c†c ú´c t¿nh c“a s⁄ v∞t, hi∫n tõ–ng rØt phong ph‘, úa d°ng, phŸc t°p vù nhi∂u khi rØt quanh co trong mÀt thÃi gian lóu dùi. Ch¿nh vª v∞y, ch‘ng ta chº nghiòn cŸu mÀt c†ch chung nhØt c†c giai úo°n úi∑n hªnh c“a qu† trªnh hªnh thùnh kh†i ni∫m V∞t l¿. Nhÿng giai úo°n ú≈ lù: áPh†t hi∫n ú´c úi∑m ú¡nh t¿nh, chº rƒ ú´c úi∑m ú¡nh lõ–ng, ú¡nh nghøa kh†i ni∫m, úön v¡ úo vù v∞n d’ng vùo th⁄c ti∏nà. B n giai úo°n ú≈ úõ–c tiπn hùnh nhõ sau: Giai îoôn I: Ph†t hi∫n ú´c úi∑m ú¡nh t¿nh c“a kh†i ni∫m. Khi g´p mÀt s⁄ v∞t, hi∫n tõ–ng mœi l° ho´c ú´c t¿nh mœi nùo ú≈ c“a s⁄ v∞t, hi∫n tõ–ng mù ta không th∑ d—ng c†c kh†i ni∫m c” ú∑ hi∑u úõ–c n≈. Khi ú≈ ta buÀc phûi úõa ra mÀt kh†i ni∫m mœi vù kh†i ni∫m mœi nùy d—ng ú∑ ú´c trõng cho t¿nh chØt mœi nùo ú≈ c“a s⁄ v∞t hi∫n tõ–ng. Giai îoôn II: Chº ra ú´c úi∑m ú¡nh lõ–ng c“a kh†i ni∫m. ïi∂u ú≈ ch¿nh lù ta chº ra c†c m i liòn h∫ ú¡nh lõ–ng c“a kh†i ni∫m mœi vœi c†c kh†i ni∫m c” vù c†ch x†c ú¡nh gi† tr¡ c“a c†c kh†i ni∫m mœi. Vœi yòu c¨u áú´c úi∑m ú¡nh lõ–ng phûi th ng nhØt vœi ú´c úi∑m ú¡nh t¿nh vù phûn †nh úõ–c ú´c úi∑m ú¡nh t¿nhà. M i liòn h∫ giÿa ú´c úi∑m ú¡nh lõ–ng mœi vœi ú´c úi∑m ú¡nh lõ–ng c” thõÃng úõ–c th∑ hi∫n b¢ng nhÿng công thŸc to†n h∆c. C≈ hai c†ch ú∑ tªm ra ú´c úi∑m ú¡nh lõ–ng: C†ch 1. XuØt ph†t t÷ ú´c úi∑m ú¡nh t¿nh. Phón t¿ch m i liòn h∫ giÿa c†c kh†i ni∫m c” vù mœi ú∑ tªm ra bi∑u thŸc ú¡nh lõ–ng giÿa c†c kh†i ni∫m c”. Bi∑u thŸc nùy c≈ s⁄ liòn h∫ m∞t thiπt tœi ú´c t¿nh mœi (nπu c†c ú´c t¿nh mœi c≈ bi∑u hi∫n m°nh lòn ho´c yπu úi thª bi∑u thŸc c”ng s≥ lœn lòn ho´c nh√ úi ho´c ngõ–c l°i). C†ch 2. XuØt ph†t t÷ c†c ú°i lõ–ng vù c†c ú¡nh lu∞t úü biπt ú∑ khûo s†t hi∫n tõ–ng mœi r«i r‘t ra mÀt bi∑u thŸc luôn luôn c≈ gi† tr¡ không ú»i m´c d— c†c ú°i lõ–ng c≈ m´t trong bi∑u thŸc ú≈ thay ú»i (tŸc lù chº ph’ thuÀc bûn 43
thón hi∫n tõ–ng mù không ph’ thuÀc vùo úi∂u ki∫n bòn ngoùi). Phón t¿ch bi∑u thŸc ú≈ ta s≥ biπt úõ–c n≈ ú´c trõng cho t¿nh chØt nùo ú≈ c“a s⁄ v∞t, hi∫n tõ–ng vù tªm úõ–c ú´c úi∑m ú¡nh lõ–ng c“a kh†i ni∫m. C†ch 3. nhi∂u khi c†c ú´c úi∑m ú¡nh lõ–ng c“a kh†i ni∫m xuØt hi∫n ú«ng thÃi vœi c†c ú¡nh lu∞t V∞t l¿ bi∑u hi∫n m i quan h∫ c“a c†c kh†i ni∫m c” vù mœi. Miai îoôn III: ï¡nh nghøa ú°i lõ–ng V∞t l¿. Khi ú¡nh nghøa mÀt kh†i ni∫m ta phûi th⁄c hi∫n hai nhi∫m v’: Phón bi∫t s⁄ v∞t c¨n ú¡nh nghøa vœi tØt cû nhÿng s⁄ v∞t kh†c tiπp c∞n vœi n≈. V°ch ra nhÿng dØu hi∫u bûn chØt c“a s⁄ v∞t c¨n ú¡nh nghøa (nÀi hùm c“a kh†i ni∫m). Giai îoôn IV: X†c ú¡nh úön v¡ úo. ïo mÀt ú°i lõ–ng V∞t l¿ c¨n phûi th√a mün hai yòu c¨u: nghøa lù phûi ch∆n úõ–c mÀt áv∞t mÆuà ú∑ so s†nh n≈ vœi v∞t kh†c c≈ ú´c úi∑m ú¡nh lõ–ng b¢ng ú´c úi∑m ú¡nh lõ–ng c“a v∞t mÆu.X†c ú¡nh mÀt ú°i lõ–ng c—ng lo°i c≈ ú°i lõ–ng gØp úôi v∞t mÆu. Trong V∞t l¿ h∆c c≈ hai lo°i úön v¡: úön v¡ cö bûn vù úön v¡ dÆn xuØt (úön v¡ cö bûn thª c≈ th∑ t—y ch∆n vù không ph’ thuÀc vùo úön v¡ úo c†c ú°i lõ–ng kh†c. C¬n úön v¡ dÆn xuØt thª úõ–c x†c ú¡nh d⁄a tròn c†c công thŸc ú¡nh nghøa c“a ú°i lõ–ng mu n úo). C¨n lõu ﬁ c†c công thŸc V∞t l¿, phõöng trªnh V∞t l¿ kh†c vœi c†c công thŸc, phõöng trªnh to†n h∆c Õ ch ú¬i h√i s⁄ b¢ng nhau v∂ gi† tr¡ c“a úÀ lœn vù v∂ úön v¡. Giai îoôn V: V∞n d’ng kh†i ni∫m vùo th⁄c ti∏n. Khi ta úü c≈ kh†i ni∫m, ta c¨n v∞n d’ng n≈ vùo vi∫c giûi th¿ch s⁄ v∞t hi∫n tõ–ng c’ th∑, d⁄ úo†n nhÿng dØu hi∫u, nhÿng hi∫n tõ–ng c≈ th∑ cûm nh∞n úõ–c trong th⁄c ti∏n b¢ng gi†c quan, c≈ th∑ úo lõÃng c’ th∑. NhÃ thπ 44
mù hi∑u sóu hön kh†i ni∫m mœi. Trong qu† trªnh v∞n d’ng kiπn thŸc vùo th⁄c ti∏n, s≥ c≈ l‘c ta g´p s⁄ ki∫n mœi, ú¬i h√i phûi mÕ rÀng, b» sung thòm cho kh†i ni∫m úõ–c hoùn chºnh. 2.2.5. Phõöng ph†p d°y h∆c kh†i ni∫m v∂ ú°i lõ–ng V∞t l¿ ï°i lõ–ng V∞t l¿ lù nhÿng kh†i ni∫m ú´c trõng bÕi s⁄ th ng nhØt giÿa ú´c úi∑m ú¡nh t¿nh vù ú¡nh lõ–ng, trong ú≈ nhÿng ú´c úi∑m ú¡nh lõ–ng n»i lòn hùng ú¨u (không c≈ nghøa lù coi nhµ ú´c úi∑m ú¡nh t¿nh). Nhÿng ú¡nh nghøa c“a c†c ú°i lõ–ng V∞t l¿ úõ–c ph†t bi∑u rØt rƒ rùng vù ch¿nh x†c. Phón t¿ch nÀi dung c“a ú¡nh nghøa mÀt ú°i lõ–ng V∞t l¿ c¨n hi∑u rƒ cû dØu hi∫u ú¡nh t¿nh lÆn dØu hi∫u ú¡nh lõ–ng, m i quan h∫ giÿa hai m´t ú¡nh t¿nh vù ú¡nh lõ–ng. N≈i c†ch kh†c lù qua ú¡nh nghøa mÀt ú°i lõ–ng V∞t l¿ phûi trû lÃi úõ–c c†c cóu h√i theo cû hai chi∂u: ú°i lõ–ng bi∑u th¡ s úo ú¡nh lõ–ng c“a t¿nh chØt V∞t l¿ gª? D⁄a vùo úóu ú∑ x†c ú¡nh úõ–c s úo ú≈? Nghøa lù nπu xuØt ph†t t÷ ú´c úi∑m ú¡nh lõ–ng thª c¨n tªm hi∑u lùm s†ng t√ ú´c úi∑m ú¡nh t¿nh vù ngõ–c l°i. V¿ d’: Kh†i ni∫m v∞n t c c“a chuy∑n úÀng th£ng ú∂u. T÷ nh∞n x¥t r¢ng c†c chuy∑n úÀng th£ng ú∂u c“a c†c v∞t kh†c nhau c≈ th∑ c≈ ú´c úi∑m chuy∑n úÀng nhanh ho´c ch∞m kh†c nhau. Th∑ hi∫n cho s⁄ nhanh ch∞m ú≈ lù Õ ch ch‘ng úi úõ–c quüng úõÃng dùi ng•n kh†c nhau (ho´c c—ng quüng úõÃng úi, ch‘ng úi trong khoûng thÃi gian dùi ng•n kh†c nhau). ïi tœi nh∞n x¥t r¢ng: c≈ th∑ bi∑u th¡ mÀt c†ch ú¡nh lõ–ng mŸc úÀ nhanh, ch∞m c“a chuy∑n úÀng th£ng ú∂u b¢ng c†ch l∞p t‹ s giÿa quüng úõÃng úi vù thÃi gian úi hπt quüng úõÃng ú≈. T÷ ú≈ úi úπn kh†i ni∫m v∂ ú°i lõ–ng g∆i tòn lù "v∞n t c". Vi∫c ph†t bi∑u ú¡nh nghøa ú°i lõ–ng v∞n t c ú∑ thóu t≈m kπt quû v∂ mÀt t¿nh chØt c“a s⁄ v∞t hi∫n tõ–ng v÷a x¥t. MÀt ú°i lõ–ng V∞t l¿ bao giÃ c”ng c≈ m i liòn h∫ vœi c†c ú°i lõ–ng kh†c b¢ng mÀt công thŸc to†n c’ th∑. MÀt ú°i lõ–ng V∞t l¿ c≈ th∑ xuØt hi∫n trong nhi∂u m i quan h∫ kh†c nhau vœi c†c ú°i lõ–ng V∞t l¿ kh†c nghøa lù c≈ nhi∂u công thŸc kh†c nhau c—ng chŸa mÀt ú°i lõ–ng V∞t l¿. Vª v∞y, gi†o viòn 45
c¨n hõœng dÆn h∆c sinh h∫ th ng h≈a kiπn thŸc ú∑ n•m vÿng úõ–c ú¨y ú“ c†c m i quan h∫ liòn quan úπn t÷ng ú°i lõ–ng V∞t l¿ úü h∆c. Trong trõÃng h–p c≈ th∑, nòn sö ú« h≈a h∫ th ng kh†i ni∫m v∂ mÀt ch“ ú∂ nùo ú≈ (xóy d⁄ng bûn ú« kh†i ni∫m). 2.2.6. V´ d¿ v£ dìy h±c khíi nißm v£ éìi lçªng Vùt l´ z Khòi ni≠m îºng lì¡ng:Mu n cho h∆c sinh hi∑u úõ–c ﬁ nghøa V∞t l¿ c“a kh†i ni∫m úÀng lõ–ng, không th∑ xóy d⁄ng kh†i ni∫m ú≈ theo c†ch b•t ú¨u ú¡nh nghøa "ïÀng lõ–ng lù t¿ch c“a kh i lõ–ng vœi v∞n t c". XuØt ph†t t÷ v¿ d’ th⁄c tπ, v¿ d’: s⁄ tõöng t†c c“a hai viòn bi (tr¬ chöi Biza ch£ng h°n) gi†o viòn phón t¿ch cho h∆c sinh thØy r¢ng, mÀt trong nhÿng kπt quû c“a s⁄ tõöng t†c giÿa c†c v∞t lù c†c v∞t úü truy∂n chuy∑n úÀng cö h∆c cho nhau. VØn ú∂ ú´t ra lù kπt quû c“a s⁄ tõöng t†c Øy ph’ thuÀc vùo nhÿng yπu t nùo? - H∆c sinh c≈ th∑ lùm th¿ nghi∫m vœi c†c viòn bi c≈ kh i lõ–ng kh†c nhau => kπt lu∞n: s⁄ truy∂n chuy∑n úÀng ph’ thuÀc vùo kh i lõ–ng m c“a v∞t. Thay ú»i v∞n t c c†c v∞t vù th⁄c hi∫n th¿ nghi∫m => kπt lu∞n: s⁄ truy∂n chuy∑n úÀng c”ng ph’ thuÀc vùo v∞n t c v c“a v∞t. VØn ú∂ nûy sinh lù s⁄ truy∂n chuy∑n úÀng ph’ thuÀc vùo m vù v nhõ thπ nùo? ï∑ khûo s†t úõ–c s⁄ ph’ thuÀc ú≈ c¨n tiπn hùnh th¿ nghi∫m: Qu† trªnh b•t ú¨u b¢ng vi∫c xóy d⁄ng mô hªnh th¿ nghi∫m v∂ tõöng t†c c“a 2 v∞t, qu† trªnh nùy ú¬i h√i trû lÃi cóu h√i: lùm thπ nùo ú∑ úo úõ–c m vù v c“a hai v∞t trõœc vù sau chuy∑n úÀng? Qu† trªnh nùy c”ng ú¬i h√i c†c thao t†c suy lu∞n lôg¿c ho´c to†n h∆c, v¿ d’:úo m thª c≈ th∑ d—ng cón, thπ c¬n v∞n t c, nπu c≈ c†c thiπt b¡ th¿ nghi∫m úo úo úõ–c tr⁄c tiπp v∞n t c chuy∑n úÀng c“a c†c v∞t nhõ bÀ cûm biπn chuy∑n úÀng ch£n h°n (motion sensor) thª vØn ú∂ trÕ lòn úön giûn lù hüy l§p c†c thiπt b¡ vùo v¡ tr¿ vù tiπn hùnh. Tuy nhiòn, thiπt b¡ nùy l°i rØt hiπm Õ trõÃng ph» thông. V∞y c≈ c†ch kh†c không? Ta thØy r¢ng v~ s trong c—ng thÃi gian t, v∞y c≈ th∑ úo quüng úõÃng trong c—ng khoûng thÃi gian vù nhõ v∞y thay vª úo v ta úi úo s. Trõœc va ch°m c≈ th∑ x†c ú¡nh v b¢ng 46
chuy∑n úÀng tròn m´t ph£ng nghiòng, sau va ch°m b¢ng chuy∑n úÀng c“a v∞t n¥m ngang. Nhõ thπ lù ta úü xóy d⁄ng úõ–c mô hªnh th¿ nghi∫m ú∑ khûo s†t s⁄ truy∂n chuy∑n úÀng c“a hai v∞t. Tiπn hùnh th¿ nghi∫m, x†c ú¡nh c†c gi† tr¡ vù úi∂n vùo bûng m1,v1,m2, v2, m1', v1', m2,v2'. Nhªn vùo bûng s li∫u nùy chõa cho thØy úõ–c úi∂u gª. Ch‘ng ta c¨n nhÿng k› thu∞t ú∑ x◊ l¿ s li∫u. TrõÃng h–p nùy kinh nghi∫m vù tr⁄c gi†c ú≈ng vai tr¬ rØt quan tr∆ng, b¢ng c†c th◊ nghi∫m nhi∂u l¨n vœi m.v, m/v , m+v, m-v quû lù không d∏ dùng gª nπu ch‘ng ta không biπt trõœc lù t¿nh t¿ch m.v. Kπt quû c“a qu† trªnh x◊ l¿ cho thØy mi vi = p=h¢ng s . ï°i lõ–ng nùy ú´c trõng cho s⁄ truy∂n chuy∑n úÀng cö h∆c c“a c†c v∞t trong qu† trªnh tõöng t†c vù g∆i tòn lù "ïÀng lõ–ng" (Lõ–ng chuy∑n úÀng). T÷ ú≈ ta ú¡nh nghøa úõ–c kh†i ni∫m úÀng lõ–ng. Quy n°p t÷ nhi∂u trõÃng h–p ta c”ng thØy vª v∞n t c lù ú°i lõ–ng v¥c tö x†c ú¡nh úõ–c úÀng lõöng lù ú°i lõ–ng v¥c tö. Qu† trªnh nghiòn cŸu tròn c”ng dÆn úπn vi∫c ph†t hi∫n ra ú¡nh lu∞t bûo toùn úÀng lõ–ng. Nhõ v∞y, vi∫c nghiòn cŸu v∂ mÀt ú°i lõ–ng V∞t l¿ c”ng c≈ th∑ ú»ng thÃi ph†t hi∫n ra ú¡nh lu∞t V∞t l¿ vù ngõ–c l°i. Sgèn ktúm Anh (ch¡) hüy l⁄a ch∆n mÀt ú°i lõ–ng V∞t l¿ vù x†c ú¡nh con úõÃng hªnh thùnh ú°i lõ–ng ú≈. 47
TPm tæt ch≠¨ng II o>h≈ng ta khëng th™ dôy ngìΩi ta b¢t c îi©u gÆ. Ch≈ng ta chØ c∂ th™ gi≈p h∑ phòt hi≠n ra îi©u gÆ î∂ ngay trong ch±nh bñn thèn h∑" Galileo Kh†i ni∫m lù mÀt tõ tõÕng phûn †nh nhÿng thuÀc t¿nh, nhÿng m i liòn h∫ bûn chØt, tØt yπu c“a c†c s⁄ v∞t vù hi∫n tõ–ng trong hi∫n th⁄c. D⁄a vùo ú´c úi∑m c“a ho°t úÀng nghiòn cŸu V∞t l¿, c≈ th∑ kh†i qu†t con úõÃng hªnh thùnh kh†i ni∫m nhõ sau: 1. B¢ng quan s†t tr⁄c tiπp vù kh†i qu†t h≈a th⁄c nghi∫m. 2. Khûo s†t hi∫n tõ–ng b¢ng c†c mô hªnh. 3. Thông qua quan s†t tr⁄c tiπp vù kh†i qu†t l¿ thuyπt. Kh†i ni∫m v∂ ú°i lõ–ng V∞t l¿ lù kπt quû phûn †nh m i liòn h∫ giÿa hai m´t ú¡nh t¿nh vù ú¡nh lõ–ng c“a mÀt t¿nh chØt V∞t l¿ x†c ú¡nh. C†c giai úo°n úi∑n hªnh c“a qu† trªnh hªnh thùnh kh†i ni∫m v∂ ú°i lõ–ng V∞t l¿ lù: 1. Ph†t hi∫n ú´c úi∑m ú¡nh t¿nh. 2. Chº rƒ ú´c úi∑m ú¡nh lõ–ng. 3. ï¡nh nghøa kh†i ni∫m, 4. X†c ú¡nh úön v¡ úo vù v∞n d’ng vùo th⁄c ti∏n. 48
C©u h·i vµ bµi tÀp 1. Anh (ch¡) hüy trªnh bùy kh†i ni∫m v∂ hi∫n tõ–ng V∞t l¿ vù phõöng ph†p d°y h∆c. LØy v¿ d’ minh h∆a. 1. Anh (ch¡) hüy trªnh bùy kh†i ni∫m v∂ ú°i lõ–ng V∞t l¿, con úõÃng hªnh thùnh c†c ú°i lõ–ng V∞t l¿ phõöng ph†p d°y h∆c ú°i lõ–ng V∞t l¿ . LØy v¿ d’ minh h∆a. Tµi li÷u tham kh∂o 1. Nguy∏n ïŸc Thóm, Nguy∏n Ng∆c Hõng, Ph°m Xuón Quπ. Phõöng ph†p d°y h∆c V∞t l¿ Õ trõÃng ph» thông. NXB ïHSPHN, 2003. 2. Nguy∏n ïŸc Thóm. ï∂ cõöng bùi giûng "Phón t¿ch chõöng trªnh V∞t l¿ Õ trõÃng PTTH". ïHSP HN, 1996. 3. Hugh D.Yuong, Roger A. Feedman, A. Levis Ford. University physics. Pearson Education, Inc., publishing as Addison Wesley, San Fancisco. 4. Feyman, Leighton, Sands. The Feyman-Lectuers on Physics. Addison Wesley. 1989. 49
Ch≠¨ng III Dπy h‰c c∏c Æﬁnh luÀt VÀt l› js"y lu£t lï mºt trong nh ng m c îº nh£n th c c√a con ngìΩi v© sÀ thªng nh¢t vï sÀ ki≠n h≠, sÀ ph∆ thuºc lün nhau vï sÀ toïn bº c√a mºt quò trÆnh trong vƒ tr∆. ç≤nh lu£t lï phñn ònh c√a v£t ch¢t t∏n tôi trong v£n îºngj V.I. Lê Nin hõöng nùy ú∂ c∞p úπn nhÿng vØn ú∂ vù phõöng C ph†p d°y h∆c quy lu∞t vù ú¡nh lu∞t V∞t l¿. NÀi dung kiπn thŸc cö bûn c“a chõöng : Kh†i ni∫m vù t¿nh chØt c“a c†c ú¡nh lu∞t V∞t l¿. C†c lo°i ú¡nh lu∞t V∞t l¿ Õ V∞t l¿ ph» thông. Con úõÃng hªnh thùnh ú¡nh lu∞t V∞t l¿. Phõöng ph†p d°y h∆c c†c ú¡nh lu∞t V∞t l¿. 50
3.1. è¥nh lu•t V•t l≥ Tr¿ tu∫ con ngõÃi không chØp nh∞n h n úÀn vù c g•ng thØu hi∑u c†c tr∞t t⁄ c“a thiòn nhiòn dõœi hªnh thŸc c†c quy lu∞t, ú¡nh lu∞t. Quy lu∞t, ú¡nh lu∞t V∞t l¿ lù m i liòn h∫ ph» biπn, kh†ch quan giÿa c†c thuÀc t¿nh c“a c†c ú i tõ–ng, c†c qu† trªnh vù tr°ng th†i úõ–c mô tû thông qua c†c ú°i lõ–ng V∞t l¿, t«n t°i trong nhÿng úi∂u ki∫n x†c ú¡nh vù th∑ hi∫n khi nhÿng úi∂u ki∫n nùy xuØt hi∫n, tõöng ú i b∂n vÿng vù c≈ th∑ l´p l°i. C†c lu∞t qu c gia chº c≈ gi† tr¡ trong mÀt qu c gia nhõng c†c ú¡nh lu∞t V∞t l¿ thª gi ng nhau t°i Anh, M›, Nh∞t. N≈ c”ng gi ng nhau tròn Sao Hoû vù trong thiòn hù Androm±de. Hön nÿa, ch‘ng gi ng nhau vœi bØt k¤ v∞n t c chuy∑n úÀng c“a ta; vœi ngõÃi úi tròn tùu t c hùnh, úi tròn m†y bay phûn l⁄c hay úŸng yòn tròn m´t úØt, c†c ú¡nh lu∞t V∞t l¿ ú∂u gi ng nhau. Ch•c ch•n mÀt ngõÃi úŸng yòn tròn m´t úØt lù úang chuy∑n úÀng vœi v∞n t c khoûng 30km trong mÀt gióy quanh M´t TrÃi; M´t TrÃi l°i úang chuy∑n úÀng quanh dûi Ngón Hù vœi v∞n t c hùng trñm kilômet trong mÀt gióy vù cŸ tiπp t’c nhõ v∞y. Nhõng c†c chuy∑n úÀng nùy không lùm thay ú»i c†c ú¡nh lu∞t V∞t l¿, ch‘ng gi ng nhau vœi m∆i ngõÃi quan s†t. Quy lu∞t th⁄c tπ kh†ch quan t«n t°i ngoùi ﬁ mu n c“a con ngõÃi. Ch‘ng c≈ trõœc khi loùi ngõÃi xuØt hi∫n vù s≥ t«n t°i c—ng vœi thπ giœi v∞t chØt. Khoa h∆c do con ngõÃi xóy d⁄ng lòn ú∑ phûn †nh c†c quy lu∞t c“a th⁄c tπ kh†ch quan. S⁄ phûn †nh ú≈ không th∑ ú¨y ú“, ch¿nh x†c ngay t÷ ú¨u mù úõ–c hoùn thi∫n d¨n theo trªnh úÀ nh∞n thŸc c“a con ngõÃi. C—ng mÀt s⁄ ki∫n, hi∫n tõ–ng c“a th⁄c tπ kh†ch quan nhõng c†c nhù khoa h∆c c≈ th∑ xóy d⁄ng nhÿng quy lu∞t kh†c nhau ú∑ phûn †nh s⁄ ki∫n, hi∫n tõ–ng ú≈. Không phûi tØt cû c†c m i liòn h∫ ú∂u lù quy lu∞t, ú¡nh lu∞t. ï¡nh lu∞t c≈ t¿nh tØt yπu, ph» biπn, kh†ch quan, c≈ nghøa lù: trong nhÿng úi∂u ki∫n nhØt ú¡nh thª ú¡nh lu∞t nhØt thiπt c≈ t†c d’ng, hi∫n tõ–ng nhØt ú¡nh s≥ xûy ra gi ng nhau, bØt k¤ Õ úóu, không ph’ thuÀc ﬁ mu n c“a con ngõÃi. 51
To†n h∆c lù công c’ rØt quan tr∆ng ú∑ bi∑u di∏n c†c ú¡nh lu∞t V∞t l¿, vª úa s c†c ú¡nh lu∞t V∞t l¿ c≈ t¿nh ú¡nh lõ–ng. B¢ng c†c suy lu∞n to†n h∆c, nhi∂u nhù V∞t l¿ úü r‘t ra úõ–c d⁄ úo†n ú‘ng v∂ c†c hi∫n tõ–ng mœi mù trõœc úóy loùi ngõÃi chõa biπt úπn, trõœc khi quan s†t úõ–c b¢ng th⁄c nghi∫m. M’c ú¿ch c“a vi∫c d°y h∆c c†c qui lu∞t V∞t l¿ lù d°y h∆c sinh nh∞nbiπt r¢ng c†c hi∫n tõ–ng trong t⁄ nhiòn tuy xûy ra phŸc t°p, nhõng không phûi tu¤ ti∫n mù luôn tuón theo nhÿng qui lu∞t nhØt ú¡nh vù xûy ra trong nhÿng úi∂u ki∫n nhØt ú¡nh. ï´c úi∑m thŸ nhØt (tuón theo nhÿng qui lu∞t nhØt ú¡nh) gi‘p ta phón bi∫t hi∫n tõ–ng nùy vœi hi∫n tõ–ng kh†c, c†ch nh∞n biπt t¿nh hùi hoù c“a t⁄ nhiòn. ï´c úi∑m thŸ hai cho ph¥p con ngõÃi c≈ th∑ t†c úÀng th‘c ú≠y cho hi∫n tõ–ng xûy ra ho´c ngñn ch´n, h°n chπ mÀt hi∫n tõ–ng nùo ú≈. Th⁄c ra, m’c tiòu c“a c†c nhù nghiòn cŸu vù h∆c t∞p V∞t l¿ không d÷ng l°i Õ t¿nh quy lu∞t c“a hi∫n tõ–ng, vù lù hõœng tœi vi∫c giûi th¿ch hi∫n tõ–ng vù s◊ d’ng ch‘ng. Nhÿng t¿nh quy lu∞t c“a hi∫n tõ–ng l°i lù chªa kho† cho vi∫c nòu ta c†c giû thuyπt V∞t l¿ giûi th¿ch c†c hi∫n tõ–ng, tŸc lù tªm kiπm bûn chØt c“a hi∫n tõ–ng. Vª v∞y, trong giûng d°y V∞t l¿, khi lùm th¿ nghi∫m, ho´c khi mô tû hi∫n tõ–ng, mœi c¨n ú´c bi∫t hõœng s⁄ ch‘ ﬁ c“a h∆c sinh úπn vi∫c thiπt l∞p xem hi∫n tõ–ng úang x¥t tuón theo nhÿng quy lu∞t nùo. M i hi∫n tõ–ng V∞t l¿ ú∂u tuón theo nhÿng quy lu∞t riòng. Nhõng chº trong mÀt s ¿t trõÃng h–p c†c quy lu∞t nùy mœi úõ–c nóng lòn thùnh ú¡nh lu∞t. V∂ phõöng di∫n nùo ú≈ c≈ th∑ n≈i r¢ng ú¡nh lu∞t V∞t l¿ lù nhÿng quy lu∞t V∞t l¿ Õ ú£ng cØp cao, th∑ hi∫n Õ ba úi∂u: - Mºt lï, ú¡nh lu∞t V∞t l¿ th∑ hi∫n m i rùng buÀc ch¿nh x†c giÿa c†c ú°i lõ–ng V∞t l¿ ch“ yπu c“a c†c hi∫n tõ–ng V∞t l¿ c—ng lo°i l´p úi l´p l°i nhi∂u l¨n, tŸc lù t¿nh ch¿nh x†c vù t¿nh ph» biπn c“a ú¡nh lu∞t. V¿ d’ ú¡nh lu∞t Acsimet cho biπt r¢ng bØt cŸ mÀt v∞t nùo b¡ nh‘ng vùo chØt lõu (chØt l√ng ho´c kh¿ quy∑n) thª ú∂u b¡ chØt lõu ú≠y mÀt l⁄c theo phõöng th£ng úŸng, 52
hõœng t÷ dõœi lòn, c≈ úÀ lœn ú‘ng b¢ng tr∆ng lõ–ng c“a kh i chØt lõu b¡ v∞t chiπm ch . - Hai lï, ú¡nh lu∞t chº rƒ úi∂u ki∫n xûy ra vù b•t buÀc phûi xûy ra hi∫n tõ–ng mù ú¡nh lu∞t n≈i úπn, tŸc lù t¿nh tØt yπu c“a hi∫n tõ–ng. C†c ú¡nh lu∞t Cûm Ÿng úi∫n t÷, c†c ú¡nh lu∞t I vù II c“a Newton. - Ba lï, m i ú¡nh lu∞t V∞t l¿ c≈ vai tr¬ quan tr∆ng nhØt ú¡nh trong s⁄ hªnh thùnh kiπn thŸc vù ph†t tri∑n c“a mÀt lønh v⁄c chuyòn môn, tŸc lù t¿nh quyπt ú¡nh c“a ú¡nh lu∞t. 3.2. Cöc loõi ñ¥nh lu•t V•t l≥ 3.2.1. á¨nh luùt é∂ng l≈c h±c ïÀng l⁄c h∆c cho biπt mÀt ú i tõ–ng riòng l≤ trong nhÿng úi∂u ki∫n úü cho s≥ ho°t úÀng nhõ thπ nùo. V¿ d’: ïÀng l⁄c h∆c chØt úi∑m nghiòn cŸu chuy∑n úÀng c“a c†c v∞t khi c≈ tõöng t†c vœi c†c v∞t kh†c. Tõöng t†c úõ–c mô tû b¢ng ngôn ngÿ c“a c“a c†c l⁄c t†c d’ng lòn v∞t. C†c chuy∑n úÀng xûy ra trong không gian vù thÃi gian, t¿nh chØt c“a ch‘ng úõ–c th∑ hi∫n trong c†c ú¡nh lu∞t c“a chuy∑n úÀng. Cö sÕ c“a úÀng l⁄c h∆c chØt úi∑m lù ba ú¡nh lu∞t Newton. ï¡nh lu∞t I Newton úü kh£ng ú¡nh v∂ s⁄ ú«ng t¿nh vù ú£ng hõœng c“a không gian ú i vœi h∫ qui chiπu qu†n t¿nh. T¿nh ú«ng t¿nh c“a không gian c≈ nghøa lù không gian không c≈ nhÿng úi∑m kh†c nhau v∂ t¿nh chØt. T¿nh ú£nghõœng c“a không gian lù s⁄ bªnh ú£ng v∂ t¿nh chØt c“a n≈ theo m∆i hõœng. ïi∂u ú≈ c≈ nghøa lù nπu mÀt v∞t nùo ú≈ không ch¡u t†c d’ng c“a ngo°i l⁄c mù úŸng yòn Õ mÀt thÃi úi∑m nùo ú≈ ú i vœi h∫ qui chiπu qu†n t¿nh vù giÿ nguyòn tr°ng th†i nghø trong su t thÃi gian sau thª không gian lù ú«ng nhØt ú i vœi h∫ ú≈. Nπu v∞t không ch¡u t†c d’ng c“a ngo°i l⁄c, ban ú¨u chuy∑n úÀng vœi mÀt v∞n t c nùo ú≈ vù giÿ nguyòn v∞n t c ú≈ trong su t thÃi gian sau thª không gian lù ú£ng hõœng. ï¡nh lu∞t II Newton x†c l∞p m i quan h∫ giÿa gia t c 53
c“a chØt úi∑m chuy∑n úÀng trong mÀt h∫ qui chiπu qu†n t¿nh vœi c†c l⁄c t†c d’ng lòn n≈. T†c d’ng c“a l⁄c lòn mÀt v∞t không ph’ thuÀc vùo vØn ú∂ v∞t úang úŸng yòn hay chuy∑n úÀng theo qu†n t¿nh ho´c dõœi ûnh hõÕng c“a c†c l⁄c kh†c. L⁄c t†c d’ng lòn v∞t sinh ra gia t c c≈ hõœng tr—ng vœi hõœng mù l⁄c úü t†c d’ng lòn v∞t. ï¡nh lu∞t III Newton x†c ú¡nh m i liòn h∫ giÿa c†c l⁄c do c†c v∞t tõöng t†c lÆn nhau. T†c d’ng giÿa c†c v∞t bao giÃ c”ng c≈ t¿nh chØt tõöng h . N≈i c†ch kh†c l⁄c do tõöng t†c giÿa c†c v∞t góy ra bao giÃ c”ng xuØt hi∫n thùnh t÷ng c´p tr⁄c ú i nhau : l⁄c vù phûn l⁄c. Ch‘ng bao giÃ c”ng c—ng lo°i nhõng ú´t vùo hai v∞t kh†c nhau. Trong úÀng l⁄c h∆c tõöng t†c giÿa c†c v∞t úõ–c xem lù úü cho. Ch£ng h°n, tõöng t†c hØp dÆn giÿa c†c chØt úi∑m úõ–c mô tû b¢ng ú¡nh lu∞t v°n v∞t hØp dÆn, tõöng t†c tønh úi∫n giÿa c†c úi∫n t¿ch úi∑m úõ–c mô tû bÕi ú¡nh lu∞t Coulomb. Bi∑u thŸc c“a nhÿng l⁄c úõa vùo c†c ú¡nh lu∞t Newton úõ–c r‘t ra t÷ c†c lønh v⁄c kh†c nhau c“a V∞t l¿ mù trong ú≈ ch‘ng úõ–c nghiòn cŸu. C†c bùi to†n úÀng l⁄c h∆c thõÃng g´p c≈ hai d°ng ch¿nh ú≈ lù :X†c ú¡nh chuy∑n úÀng khi biπt trõœc nguyòn nhón góy ra s⁄ biπn ú»i c“a chuy∑n úÀng hay c¬n úõ–c g∆i lù ábùi to†n thu∞nà vù x†c ú¡nh nguyòn nhón góy ra s⁄ biπn ú»i c“a chuy∑n úÀng (l⁄c t†c d’ng) khi biπt trõœc qui lu∞t biπn ú»i c“a chuy∑n úÀng. Vi∫c giûi c†c bùi to†n úÀng l⁄c h∆c phûi b•t ú¨u t÷ vi∫c phón t¿ch tØt cû c†c l⁄c t†c d’ng lòn v∞t mù ta úang x¥t.Sau ú≈, v∞n d’ng c†c ú¡nh lu∞t Newton ú∑ thiπt l∞p c†c m i quan h∫ giÿa c†c ú°i lõ–ng úü biπt vù chõa biπt b¢ng h∫ th ng c†c phõöng trªnh, r«i úi giûi h∫ th ng c†c phõöng trªnh ú≈ ú∑ trû lÃi c†c yòu c¨u sau khi ú†nh gi† c†c kπt quû v∂ m´t ﬁ nghøa V∞t l¿ cho ph— h–p vœi úi∂u ki∫n ban ú¨u c“a bùi to†n. S⁄ tõöng t†c giÿa c†c v∞t sinh ra l⁄c lùm biπn ú»i chuy∑n úÀng. Dõœi nhÿng tõöng t†c kh†c nhau thª c≈ c†c lo°i l⁄c kh†c nhau nhõ: l⁄c không ú»i, l⁄c ph’ thuÀc vùo thÃi gian, l⁄c ph’ thuÀc vùo khoûng c†ch,l⁄c ph’ thuÀc vùo v∞n t c. 54