(Trang 6)
Vật lí học, cũng như các khoa học khác, được hình thành và phát triển từ những điều chưa biết đến những điều đã biết, từ hiểu biết chưa đầy đủ và chưa hoàn thiện về thế giới xung quanh đến hiểu biết đầy đủ hơn và hoàn chỉnh hơn về thế giới xung quanh. Vật lí học được hình thành và phát triển như thế nào?
I. SỰ RA ĐỜI VÀ NHỮNG THÀNH TỰU BAN ĐẦU CỦA VẬT LÍ THỰC NGHIỆM
1. Sự ra đời của vật lí thực nghiệm
| Các nhà triết học tự nhiên Hy Lạp cổ đại tìm cách xây dựng một bức tranh khoa học tổng quát về thế giới từ những cảm nhận bằng mắt, từ những dữ kiện đơn lẻ, cụ thể để khái quát tính chất chung của thế giới tự nhiên. Aristotle (A-ri-xtốt, 384 – 322 trước công nguyên) là người đầu tiên xây dựng hệ thống tri thức mới không chỉ dựa vào tư duy mà còn dựa vào các thí nghiệm, lập ra các quy tắc suy luận, các phương pháp nghiên cứu. Sự ra đời của Vật lí học với tư cách là một khoa học độc lập gắn với tên tuổi của một số nhà khoa học nổi tiếng như Galilei (Ga-li-lê, 1564 – 1642). Ông nghiên cứu tìm cách thực hiện thí nghiệm để chứng minh vấn đề. Newton (Niu-tơn, 1642 – 1727) tìm ra một phương pháp khoa học rất tổng quát là phương pháp thực nghiệm, đây thực sự là một cuộc cách mạng về tư duy vào thời điểm bấy giờ. Sự phát triển của Vật lí học theo những thời kì được mô tả ở Hình 1.2. |
? Hãy nêu sự khác nhau trong nghiên cứu của Aristotle và Galilei. |
Hình 1.1. Thí nghiệm rơi tự do tại tháp nghiêng Pisa (thành phố Pisa nước Ý)| ?
|
(Trang 7)
Hình 1.2. Quá trình phát triển của Vật lí học
Các nhà triết học tự nhiên cổ đại từ những cảm nhận bằng mắt, hoặc các thí nghiệm, đi từ những dữ kiện đơn lẻ, cụ thể để khái quát tính chất chung của thế giới tự nhiên.
585 TCN đến thế kỉ XVI
Quan sát, quy nạp
585 TCN Pythagorus (Pi-ta-go) thiết lập cơ sở Hình học phẳng.
350 TCN Aristotle hệ thống hóa Triết học Hy lạp, thiết lập hệ thống khái niệm của tự nhiên.
Các nhà khoa học sáng tạo ra phương pháp thực nghiệm, tìm cách chứng minh và tìm tòi, thực hiện nhiều thí nghiệm để chứng minh vấn đề.
Từ thế kỉ XVII đến thế kỉ XIX
Thực nghiệm
1600 Galilei làm thí nghiệm tại tháp nghiêng Pisa, mở đầu cho nghiêng cứu bằng thực nghiệm.
1687 Newton công bố một cuốn sách “Các nguyên lí Toán học của Triết học tự nhiên”.
1765 Phát minh ra động cơ hơi nước, mở đầu cho cách mạng công nghiệp lần thứ nhất.
1831 Faraday (Pha-ra-đây) tìm ra hiện tượng cảm ứng điện từ mở đường sáng chế động cơ điện và mở đầu cách mạng công nghiệp lần thứ hai.
Các nghiên cứu tập trung vào các mô hình lí thuyết dựa trên công cụ Toán học thâm nhập vào thế giới vi mô của vật chất, sử dụng thí nghiệm để chứng minh.
Từ cuối thế kỉ XIX đến nay
Lí thuyết và thực nghiệm
1905 Einstein (En-xtanh) phát minh thuyết tương đối.
1946 Phát minh máy tính điện tử mở đầu cách mạng công nghiệp lần thứ ba.
TK XXI Cách mạng công nghiệp lần thứ tư với những công nghệ mới.
| ? Hãy nêu vai trò của Vật lí thực nghiệm đối với sự phát triển của Vật lí học. |
2. Một số thành tựu ban đầu của Vật lí thực nghiệm
| Bằng việc sử dụng các phương pháp thực nghiệm để phát hiện ra các quy luật, các định luật vật lí, Vật lí đã trở thành ngành khoa học riêng. Newton phát hiện các định luật cơ bản của cơ học về sự phụ thuộc của gia tốc vào khối lượng và lực, định luật vạn vật hấp dẫn. Huygens (Huy-gen-xơ, 1629 – 1695), Leibniz (Lai-bơ-nít, 1646 – 1716) tìm ra định luật bảo toàn động lượng. Thế kỉ XVII có nhiều bước tiến đáng kể về nhiệt học, nhiều nghiên cứu về hiện tượng dẫn nhiệt, bức xạ nhiệt, dãn nở vì nhiệt là cơ sở để sáng chế ra máy hơi nước (Hình 1.3) mở đầu cách mạng công nghiệp lần thứ nhất. |
Hình 1.3. Máy hoi nước đầu tiên do James Watt (Giêm Oát) phát minh năm 1765 tại Anh
|
(Trang 8)
Những phát minh quan trọng của vật lí thực nghiệm liên quan đến lĩnh vực điện, như Galvani (Ga-van-ni, 1737 – 1798), Davy (Đa-vi, 1778 – 1829) đã chế tạo ra pin, cho phép các nhà khoa học nghiên cứu định lượng về tác dụng và bản chất của dòng điện.
 |
Hình 1.4. Máy phát điện đầu tiên được sáng chế vào năm 1831 là đĩa Faraday |
Những thí nghiệm của Orsted (O-xtét, 1777 – 1851) và Ampère (Am-pe, 1775 – 1836) nghiên cứu về bản chất của các hiện tượng điện từ. Năm 1831, Faraday (1791 – 1867) tìm ra định luật cảm ứng điện từ, là cơ sở sáng chế ra máy phát điện và động cơ điện, mở đầu cách mạng công nghiệp lần thứ hai.
Newton đưa ra thuyết tán sắc ánh sáng và lí thuyết hạt của ánh sáng. Galilei chế tạo ra kính thiên văn quang học mở đầu cho thiên văn học khám phá vũ trụ, giúp quang hình học phát triển mạnh mẽ. Ngoài việc truyền dựa ra lí thuyết về bản chất sóng của ánh sáng. Grimaldi (Gr-ri-man-di, 1618 – 1663) đã phát hiện ra hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ. Maxwell (Mác-xoen, 1831 – 1879) làm sáng tỏ bản chất sóng của ánh sáng bằng cách đưa ra hệ phương trình mô tả trường điện từ, làm cho điện từ học thống nhất với quang học. Cuối thế kỉ XIX, Popov (Pô-pốp, 1859 – 1905) phát minh ra phương pháp truyền sóng vô tuyến, qua đó xây dựng cơ sở ngành vô tuyến điện.
Trong nửa sau của thế kỉ XIX, vai trò của Vật lí học đối với ngành kĩ thuật càng rõ rệt, năng lượng điện được dùng làm nguồn sáng. Nhiệt học đã giúp hoàn thiện động cơ đốt trong. Vật lí nhiệt độ thấp tạo tiền đề cho kĩ thuật làm lạnh.
 |
Hình 1.5. Máy truyền tin “spark gapmachines” 230 kW đầu tiên của Marconi (Mác-cô-ni) năm 1901 |
(Trang 9)
3. Vai trò của cơ học Newton đối với sự phát triển của Vật lí học
Bằng phương pháp thực nghiệm, Newton đã phát minh ra các định luật về chuyển động cơ học. Các định luật này không chỉ đặt nền móng cho cơ di truyền nghiên cứu các chuyển động xung quanh chúng ta mà còn giúp các nhà vật lí mở rộng các nghiên cứu về thuỷ động lực học, điện học, từ học. Đầu thế kỉ XIX, các nhà khoa học đã nghiên cứu lực điện, lực từ giống như Newton nghiên cứu lực hấp dẫn, nhờ đó họ đã chế tạo được nam châm điện, động cơ, máy phát điện,...
|
Hình 1.6. Mô hình mô tả ý tưởng phóng viên đạn chuyển động quanh Trái Đất của Newton |
|
Từ ý tưởng phóng viên đạn chuyển động quanh Trái Đất của Newton (Hình 1.6), năm 1957, Liên Xô(1) đã phóng vệ tinh nhân tạo đầu tiên mở đầu cho nguyên vũ trụ của con người. Những thành tựu của Vật lí được thế kỉ XX mang dấu ấn mạnh mẽ của cơ học Newton.
4. Một số nhánh nghiên cứu chính của vật lí cổ điển
Vật lí cổ điển đã được nghiên cứu và phát triển trước thế kỉ XX. Một số nhánh nghiên cứu chính như là: cơ học cổ điển, âm học, quang học, nhiệt động lực học và điện từ học.
Cơ học cổ điển nghiên cứu vật thể chịu tác dụng của lực cũng như trạng thái chuyển động của chúng. Nhánh nghiên cứu trạng thái dừng yên của vật gọi là tĩnh học, động học thì nghiên cứu mô tả chuyển động của vật mà không xét tới nguyên nhân gây ra chuyển động và lực động học nghiên cứu chuyển động của vật dưới tác dụng của lực. Cơ học cũng có thể chia thành các nhánh cơ học vật rắn và cơ học chất lưu.
Âm học nghiên cứu về âm thanh, cũng được coi là một nhánh của cơ học bởi vì âm thanh là do chuyển động của các hạt hay phần tử trong không khí hoặc trong môi trường khác gây ra sóng âm. Một trong những nhánh quan trọng của âm học là siêu âm học, nghiên cứu sóng siêu âm với tần số cao hơn tần số mà con người nghe được.
| EM CÓ BIẾT? Trong cuốn Nguyên lí Toán học của Triết học tự nhiên xuất bản năm 1687, Newton đã trình bày và một ý tưởng đạt một khẩu súng đại bác lên đỉnh của một ngọn núi rất cao, vượt ra ngoài tầm khi quyền của Trái Đất. Nếu bắn từ súng đạn mạnh, thì nó có thể phóng viên đạn đại bác vào quỹ đạo vòng quanh Trái Đất, hoặc có thể thoát ra khỏi lực hấp dẫn của Trái Đất để có thể du hành trong vũ trụ. |
(1) Liên Xô hay Cộng hoà Liên bang Xô viết tồn tại từ năm 1922 đến 1991. Sau đó một số nước tách ra, tuyên bố độc lập. Liên bang Nga được thành lập và là sự kế tục pháp lí của nhà nước Liên Xô.
(Trang 10)
| Quang học, bộ môn nghiên cứu chuyển động của ánh sáng, không những chỉ nghiên cứu ánh sáng nhìn thấy mà còn bao gồm bức xạ mà mắt người không thể thấy được nhưng có tính chất tương tự như ánh sáng (tính chất phân xạ, khúc xạ, giao thoa, nhiễu xạ). Nhiệt động lực học nghiên cứu các mối liên hệ giữa nhiệt lượng và những dạng năng lượng khác. Đầu thế kỉ XIX, với những khám phá về dòng điện chạy qua dây dẫn sinh ra từ trường và từ trường biến đổi sinh ra dòng điện cảm ứng đã mở ra nhánh nghiên cứu là điện học và từ học. |
|
II. SỰ RA ĐỜI CỦA VẬT LÍ HIỆN ĐẠI
1. Sự khủng hoảng của vật lí cuối thế kỉ XIX
Vật lí cổ điển nói chung nghiên cứu vật chất và chuyển động ở phạm vi vĩ mô con người có thể quan sát và tiếp cận hằng ngày. Khả năng của cơ học Newton đã bị tuyệt đối hoá.
Vào cuối thế kỉ XIX, trong thời kì diễn ra cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ hai, các thiết bị cần tiêu thụ nhiều năng lượng hơn, thúc đẩy các nhà vật lí đã tiến hành nghiên cứu và tìm ra những định luật mới của nhiệt động lực học, quang học và điện từ học từ cấp độ vĩ mô đến vi mô mà không thể giải thích được bằng cơ học Newton.
Nửa đầu thế kỉ XIX, các nhà khoa học nghiên cứu về nhiệt động lực học: Joule (Jun, 1818 – 1889), Maxwell (1831 – 1879), Boltzmann (Bôn-đơ-man, 1844 – 1906) đã xây dựng thuyết động học chất khí, coi các phân tử là những quả cầu nhỏ, cứng và đàn hồi, chuyển động và va chạm theo cơ học Newton. Thuyết này đã giải thích được bản chất của nhiệt độ và áp suất, tuy nhiên, tính chất phức tạp về chuyển động nhiệt của các phân tử vẫn chưa được làm sáng tỏ.
Trên lĩnh vực vật lí học điện tử, phần lớn thời gian của thế kỉ XIX, người ta vẫn cho rằng các hiện tượng điện, từ và ánh sáng là tồn tại độc lập và không có quan hệ với nhau. Năm 1864, Maxwell đưa ra hệ phương trình và lí thuyết trường điện từ, dự đoán ánh sáng là một dạng sóng điện từ. Thuyết trường điện từ đã thống nhất điện từ học với quang học.
Năm 1879, Stefan (Stê-phan, 1835 – 1893) đã tiến hành thí nghiệm nghiên cứu bức xạ nhiệt của các vật và xác định cường độ bức xạ của một vật đen tuyệt đối bằng vô cùng. Đây là một điều vô lí mà lí thuyết của Maxwell đã không giải thích được, người ta còn gọi đây là “sự khủng hoảng ở vùng tử ngoại” hay “tai biến cực tím”.
| ? Kể tên một số phát hiện quan trọng tạo ra sự khủng hoảng của vật lí cuối thế kỉ XIX. |
2. Sự ra đời của vật lí hiện đại
Đầu thế kỉ XX, phát minh quan trọng là lí thuyết lượng tử năng lượng và thuyết tương đối đã làm ra bức ngoặt trong nghiên cứu vật lí và mở đầu cho vật lí học hiện đại nghiên cứu cấu trúc vi mô của vật chất.
(Trang 11)
| Năm 1900, Planck (Plăng, 1858 – 1947) phát minh ra lí thuyết lượng tử năng lượng, giải thích được kết quả thực nghiệm về bức xạ vật đen tuyệt đối. Năm 1905, Einstein (En-xtanh, 1879 – 1955) phát minh ra thuyết tương đối hẹp, mô tả không gian – thời gian theo cách mới và tìm ra hệ thức nổi tiếng E=mc2 (thuyết Einstein). Hệ thức này mở đường cho nghiên cứu năng lượng nguyên tử và hạt nhân. Năm 1916, Einstein đưa ra thuyết tương đối rộng, quan niệm trường hấp dẫn đặc trưng bởi độ cong của không – thời gian phụ thuộc vào sự phân bố khối lượng. Thuyết tương đối rộng đã giải thích được nhiều hiện tượng trong vũ trụ và mở đường cho vật lí thiên văn hiện đại. | EM CÓ BIẾT? Vật đen tuyệt đối Trong vật lí học, vật đen tuyệt đối (còn gọi là vật đen) là vật hấp thụ hoàn toàn tất cả các bức xạ điện từ chiếu đến nó, bất kể ở bước sóng nào. Điều này có nghĩa là sẽ không có hiện tượng phản xạ hay tán xạ trên vật đó, cũng như không có dòng bức xạ điện từ nào đi xuyên qua vật. |
Lí thuyết lượng tử và thuyết tương đối tác động mạnh mẽ đến mọi lĩnh vực nghiên cứu của vật lí và sáng chế các thiết bị kĩ thuật như laser, máy tính hoặc GPS.
| TÌm hiểu trên internet những thông tin về thuyết tương đối, thảo luận các vấn đề: – Tầm quan trọng của thuyết tương đối. – Ứng dụng trong khoa học và đời sống. |
3. Một số lĩnh vực chính của vật lí hiện đại
Vật lí hiện đại ở thế kỉ XX đã có những bước phát triển mạnh mẽ cả về lí thuyết và thực nghiệm tạo cuộc phát triển nhiều nhánh nghiên cứu mới. Một số nhánh nghiên cứu chính bao gồm:
- Nghiên cứu thâm nhập vào thế giới vi mô: Với các phương tiện kĩ thuật cho phép nghiên cứu tính chất của vật liệu thông qua thí nghiệm hay mô hình toán học giúp hiều được các tính chất của vật chất như cấu trúc bên trong nguyên tử và hiệu ứng tương quan làm biến đổi cấu trúc nguyên tử và hạt nhân nguyên tử, các hạt có cấu trúc nhỏ hơn nguyên tử. Các nhánh nghiên cứu mới như vật lí hạt (hay còn gọi là vật lí năng lượng cao), vật lí nguyên tử, vật lí vật chất ngưng tụ, vật lí nhiệt độ thấp, vật lí bán dẫn, quang học lượng tử,...
- Ứng dụng những thành tựu của vật lí để tạo ra các công nghệ và phương tiện kĩ thuật mới như: vật lí plasma, vật lí nano, vật lí laser, vật lí sinh học,...
- Nghiên cứu khám phá thế giới vĩ mô như các hành tinh, Hệ Mặt Trời, thiên hà. Sự phát triển của lí thuyết, phương tiện kĩ thuật giúp những phát hiện các bức xạ từ không gian cho phép nghiên cứu cấu trúc sao, nguồn gốc và sự hình thành và cấu trúc trong vũ trụ.
Hình 1.7. Trạm vũ trụ quốc tế chụp từ tàu con Discovery năm 2005.
(Trang 12)
| Hãy vẽ sơ đồ tư duy mô tả các nhánh nghiên cứu của vật lí hiện đại. |
| EM ĐÃ HỌC
|
| EM CÓ THỂ Trình bày được sự phát triển của vật lí học qua các thời kì và vai trò của vật lí thực nghiệm đối với sự phát triển của vật lí học. |
| EM CÓ BIẾT? Michael Faraday là một nhà hoá học và vật lí học người Anh, được coi là nhà thực nghiệm lỗi lạc. Faraday đặt mình ra hai phương thức cơ bản trong đời sống của gia đình khó khăn, ông đã phải sớm nghỉ học để phụ giúp gia đình. Với nghị lực phi thường và tự học, ông đã trở thành nhà bác học với nhiều phát minh vĩ đại. |
