Khoa học về vật chất và Năng lượng

Chia sẻ: Phan Thi Ngoc Giau | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:32

Thêm vào BST

Báo xấu

87
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Cái bạn trông thấy ở hình trên là hai ảnh của một mô hình máy tính của một ống nano carbon – một cái ống hút ở cấp độ nguyên tử. Được xây dựng từng nguyên tử một, ống nano này là thí dụ tiêu biểu của một họ máy móc mới, chúng nhỏ bé đến mức không thể trông thấy bằng mắt trần, hoặc thậm chí qua đa số kính hiển vi cũng chẳng thấy. Cực kì bền, nhưng đường kính chỉ một vài nguyên tử, những dụng cụ nhỏ xíu như thế này có thể làm thay đổi...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Khoa học về vật chất và Năng lượng

nh: IBM Research Cái b n trông th y hình trên là hai nh c a m t mô hình máy tính c a m t ng nano carbon – m t cái ng hút c p nguyên t . ư c xây d ng t ng nguyên t m t, ng nano này là thí d tiêu bi u c a m t h Multi-Lab: máy móc m i, chúng nh bé n m c không th trông th y b ng m t Tư duy V t lí! tr n, ho c th m chí qua a s kính hi n vi cũng ch ng th y. C c kì b n, nhưng ư ng kính ch m t vài nguyên t , nh ng d ng c nh xíu như 1.1 V t lí: M t cánh c a nhìn vào Vũ tr th này có th làm thay i k ch tính cu c s ng c a chúng ta trong nh ng năm s p t i. Th t v y, m t s nhà nghiên c u hàng u tin r ng 1.2 Chi n lư c gi i quy t v n “th i i nano” ã b t u r i. Khung hình nh “ngư i phân t ” g m 28 1.3 Kh o sát, Th c nghi m và o phân t carbon monoxide, và “chi c àn ghita” trang sau là k t qu lư ng c a vi c các nhà nghiên c u gi i trí cùng công ngh nano. Nghiên c u 1A: Phân tích m t con l c Công ngh nano, ngành khoa h c và công ngh m i xu t hi n nghiên c u xây d ng các d ng c cơ gi i t các ơn nguyên t , tìm cách i u Nghiên c u 1B: Phân tích s li u con l c khi n năng lư ng và chuy n ng c p nguyên t . M t khi ã hoàn thi n, công ngh nano s cho phép các c máy hi n vi th c hi n nh ng nhi m v ph c t p t ng nguyên t m t, t ng phân t m t. Hãy tư ng tư ng m t d ng c rô bôt nh xíu có th l p trình trư c t o ra nh ng s n ph m nh t nh, như gi y ho c thép, ơn gi n b ng cách trích xu t các nguyên t c n thi t t khí quy n, theo ki u gi ng h t như m t cây khoai tây h p th các ch t dinh dư ng t t, nư c và không khí, và t ch c l i chúng t o ra nhi u khoai tây hơn. 1 – V t lí 11
Hãy tư ng tư ng m t c máy có th s n xu t kim cương b ng cách s p x p l i các nguyên t than á ho c s n xu t nư c tinh khi t b ng cách ghép các nguyên t hydrogen và oxygen. Còn m t c máy như v y ư c l p trình s n làm s ch không khí b ng cách s p x p các nguyên t trong các ch t ô nhi m ph bi n, ho c hàn kín v t thương b ng cách s a ch a các t bào b h ng thì sao? Th t khó tìm hi u s tác ng c a m t công ngh như th i v i cu c s ng c a chúng ta, và v vô s các quan h hóa h c, sinh h c và v t lí h c, cùng các quá trình chi ph i th gi i c a chúng ta. Tuy nhiên, có m t i u là ch c ch n: công ngh nano tiêu bi u cho m t phương th c m i khai thác và chuy n hóa v t ch t và năng lư ng, mang l i m t ng d ng quan tr ng c a ngành khoa h c mà chúng ta g i là v t lí. Qua khóa h c này, b n s tham gia vào các quá trình làm v t lí. B n s nêu các câu h i, ra các gi thuy t, thi t k và th c hi n các kh o sát, xây d ng mô hình và s d ng lí thuy t gi i thích các k t qu c a b n, và gi i các bài toán có liên quan n v t lí. Tóm l i, b n s h c cách suy nghĩ gi ng như m t nhà v t lí. Các ho t ng trong khóa h c này s ư c th c hi n nhi u m c khó d khác nhau. Trong khoa h c, cũng như trong các ngành h c khác, nh ng câu h i và kh o sát ơn gi n nh t thư ng mang l i nh ng câu tr l i thú v nh t và quan tr ng nh t. 2 – V t lí 11
M t ph n vi c quan tr ng c a v t lí h c là xây d ng các mô hình cho phép chúng ta phát tri n s gi i thích cho các hi n tư ng. Các mô hình th t h u ích trong vi c ưa ra các d oán d a trên các quan sát. Hãy th các thí nghi m sau ây, xây d ng mô hình riêng c a b n và ưa ra các d oán riêng c a b n d a trên nh ng gì b n ã bi t. Hãy ghi nh nh ng ý tư ng này trong trí b n khi b n ti p t c h c ti p các bài sau. H p đen Qu bóng bãi bi n V i m t ngư i b n cùng chơi, hãy quan sát cái x y ra v i m t qu bóng bãi bi n khi b n ném nó qua l i trong khi tác d ng các chuy n ng quay khác nhau. Hãy ghi l i các quan sát c a b n. 1. Hãy mô t các tác ng c a m i chuy n ng quay tròn. 2. V m t mô hình th hi n cái b n quan sát th y. Hãy kéo các dây trên h p en và quan sát xem chuy n gì x y ra. Hãy th vài ba l n, ý n chuy n ng và l c căng c a các dây, m i ti ng n mà b n nghe và b t c th gì p vào trư c m t b n. Hãy ghi l i các quan sát c a b n. 1. D a trên các quan sát c a b n, hãy v m t mô hình th hi n xem b n nghĩ các s i dây ư c n i như th nào bên trong chi c h p en. 2. Ki m tra s chính xác c a d oán c a b n b ng cách kéo các s i dây trên h p en m t l n n a. 3. Thí nghi m này có th dùng gi i thích quá trình kh o sát khoa h c như th nào? 3 – V t lí 11
Máy gia t c Van de Graaff t các m nh gi y nh t m t cái kim b m ba l lên trên m t máy phát Van de Graaff như bên hình. B t công t c m máy phát và quan sát cái x y ra. Ghi l i các quan sát c a b n. 1. D a trên các quan sát c a b n, hãy v Siêu qu c u mô hình th hi n cái x y ra i v i m nh gi y. Th rơi m t siêu qu c u t m t cao nh t nh. Ti n hành th nghi m vài l n, thay i các thông s như v n t c ban u c a qu c u và t c quay tròn c a nó. Ghi l i các quan sát c a b n. Sau ó hãy phát tri n các quy t c s cho phép b n d oán xem qu c u, d a trên v n t c ban u và t c quay tròn c a nó, có n y lên cao hơn i m xu t phát c a nó hay không. 1. Ki m tra các d oán c a b n. 2. Mô t s chuy n ng c a siêu qu c u b ng m t mô hình v s b o toàn năng lư ng. B cx k Chi u ánh sáng lên trên m t b c x k và quan sát cái x y ra. L p l i quá trình trên dùng máy s y tóc ch nóng và ch mát. Ghi l i các quan sát c a b n. 1. Cái gì làm cho các cánh qu t quay tròn? Hãy ra m t gi thuy t. 2. Năng lư ng ã ư c chuy n hóa như th nào? 3. Có nh ng s tương ng gì gi a nhi t và ánh sáng? 4. Ki m tra gi thuy t c a b n. 4 – V t lí 11
nh b i cho b i hai gương ph ng S d ng m t thư c o góc b trí m t cơ c u như hình bên. B trí các gương và ng ti n nhà trong nh. Sau ó, l p m t b ng s li u như b ng bên dư i. m s lư ng nh b n nhìn th y khi t các gương nh ng góc nh t nh. Ghi l i các quan sát c a b n. 1. Phát tri n m t phương trình toán h c d oán s lư ng nh s xu t hi n khi góc h p gi a hai gương ph ng ã ư c cho trư c. G i ý: m t vòng tròn có 360o. S lư ng v t Góc gi a các gương S lư ng nh 180o 1 120o 1 90o 1 60o 1 5 – V t lí 11
Cái khi n cho v t lí h c th t h p d n là b n s tham gia vào vi c suy nghĩ M c tiêu v vũ tr ho t ng như th nào và t i sao nó l i hành x như th . Khi ư c yêu c u nh nghĩa khái ni m khoa h c, Albert Einstein t ng tr l i • S d ng các mô hình r ng “khoa h c ch ng gì hơn là s trau chu t c a tư duy hàng ngày”. N u khoa h c thích h p b n thay t “khoa h c” b ng t “v t lí” trong nh nghĩa c a Einstein, thì gi i thích và d oán s trau chu t mà ông ang nh c t i ó là gì? S d ng ngôn ng toán h c hành tr ng c a các xây d ng các mô hình và lí thuy t, v t lí h c c g ng gi i thích và d hi n tư ng t nhiên. oán các tương tác gi a v t ch t và năng lư ng. Trong v t lí h c, s tìm • Nh n d ng và mô t ki m b n ch t c a nh ng m i liên h này ưa chúng ta ưa chúng ta i t các ngành ngh có g c c u trúc dư i hi n vi c a nguyên t n c u trúc siêu vĩ mô c a vũ tr . r khoa h c và công Tuy nhiên, m i n l c v t lí h c u có m t c i m chung: chúng u ngh liên quan n v t nh m t i vi c thi t l p các s th t cơ b n v b n ch t c a vũ tr . lí h c. Nhi m v c a b n trong khóa h c này s là phát tri n m t quá trình t quy t cho phép b n i t “tư duy hàng ngày” c a Einstein n “s trau chu t c a tư duy hàng ngày” c a ông. S trau chu t này, quá trình thu th p d li u m t cách có h th ng thông qua quan sát, th c nghi m, t T khóa ch c d li u, và ưa ra các k t lu n, thư ng ư c g i là kh o sát khoa h c. Phương pháp này b t u v i quá trình nêu gi thuy t. M t nhà • v t lí h c khoa h c gi i s c g ng i tìm b ng ch ng không ư c m t mô hình nào • kh o sát khoa h c h u thu n. N u tìm th y b ng ch ng mâu thu n, thì mô hình ó là không th a áng. • quan sát Trong tài li u này, b n s b t g p các quan ni m sai l m ư c in ch nh • nh tính hai bên l trang. Hãy ng m xem suy nghĩ hi n t i c a b n có vư ng • nh lư ng ph i nh ng quan ni m sai l m ó hay không. Sau ó, v i vi c kh o sát v t lí h c qua s tr i nghi m cùng khóa h c, hãy phát tri n ki n th c hi u • lí thuy t bi t c a riêng b n. • mô hình S hi u bi t hi n nay c a chúng ta v vũ tr ã b t u như th nào? Trư c th i hi n nay, s ti n b ã di n ra như th nào trong nh ng th k qua? Tư duy mà chúng ta bi t ó ã b t u v i Artistotle. Hai mô hình c a Artistotle Hơn 2300 năm trư c ây, hai mô hình có liên quan ã ư c s d ng làm cơ s cho vi c gi i thích nguyên do các v t rơi xu ng và chuy n ng như chúng v n như th . Artistotle (384–328 tCN) ã s d ng m t mô hình gi i thích s chuy n ng c a các v t trên Trái t, và s d ng m t mô hình th hai (xem hình) gi i thích s chuy n ng c a các ngôi sao và hành tinh trên b u tr i. Ngày nay, chúng ta không ch p nh n nh ng mô hình này là s gi i thích t t nh t cho s chuy n ng c a các v t th trên Trái t và trong không gian vũ tr . Tuy nhiên, vào th i i y, chúng là nh ng gi i pháp r t thông minh gi i thích nh ng hi n tư ng này khi Aristotle quan sát chúng. 6 – V t lí 11
QUAN NI M SAI T tia X n các xung th n kinh Nhi u ngư i nghĩ r ng v t lí th t khó và mang tính toán h c cao. Trong khi toán h c úng là m t ph n r t quan tr ng i v i v t lí h c, nhưng cơ s c a v t lí h c thì ch ng gì khó hi u âu. Cho dù lĩnh v c nghiên c u h ng thú nh t c a b n là gì i n a, thì có l các khái ni m v t lí s giúp b n hi u rõ hơn m t s phương di n c a nó. B n có th c bi t h ng thú v i m t ngành khoa h c khác, như sinh h c ho c hóa h c ch ng h n. Khi s nghiên c u khoa h c c a b n có bư c ti n b , b n s phát hi n ra r ng m i ngành khoa h c u có liên quan l n nhau. Thí d , các nhà hóa h c s d ng tia X nghiên c u c u Hình 1.1 Vũ tr quan Aristotle, Trái t n m t i trung tâm c a vũ tr . trúc c a các phân t l n. Các nhà sinh h c s d ng lí thuy t i n Aristotle và S chuy n đ ng nghiên c u s truy n t i các xung th n kinh. Mô hình gi i thích s chuy n ng trên Trái t xây d ng trên m t quan i m c p ti n c a nh ng ngư i Hi L p, sau s tư duy c a Aristotle. Aristotle th a nh n quan i m c a Empedocles (492–435 ÔI NÉT L CH S tCN) r ng m i v t có c u t o t b n nguyên t hay b n ch t – t, nư c, không khí và l a. M i v t th ư c cho là tuân theo nh ng Richard Feynman (1918–1988), nhà quy lu t cơ b n gi ng nhau tùy thu c vào các ch t mà chúng ch a. khoa h c t gi i Nobel và là cha M i ch t có m t v trí t nhiên trong tr t t vũ tr . V trí c a t là c a công ngh nano, là m t trong dư i cùng, trên ó là nư c, r i không khí và l a. Theo mô hình nh ng nhà v t lí n i ti ng nh t c a này, m i v t trong vũ tr có c u t o g m nh ng lư ng a d ng th k th 20. Năm 1959, trong khi trình bày m t bài báo mang t a thu c b n nguyên t này. M t hòn á hi n nhiên là t. Khi ư c “Có r t nhi u Không gian dư i T n th rơi, hòn á rơi xu ng nh m tìm l i v trí v n dành cho nó trong cùng” nói v các c trưng c a th tr t t c a v n v t. L a thì trên cùng trong s các ch t. Khi m t gi i dư i hi n vi khi ó còn ít ngư i khúc g b c cháy, l a mà nó thu nh n t m t tr i trong quá trình hi u rõ, Feynman ã nh n xét: nó l n lên ư c gi i phóng và b c lên v trí thư ng cùng c a nó. “Ch ng có gì ngoài kích c v ng v c a chúng ta ngăn chúng ta s d ng Theo Aristotle, v n v t trôi n i, rơi xu ng, hay dâng lên là tr không gian [ ó]”. Khi ông nói ra l i nơi v n có c a nó trong th gi i. Nh ng tác d ng này ư c nh ng l i như th , công ngh nano phân lo i là các chuy n ng t nhiên. Khi m t v t ch u tác d ng v n còn là m t gi c mơ xa v i. Gi c c a m t l c, thì nó có th chuy n ng theo nh ng hư ng khác mơ ó ngày nay ã r t g n v i th c ngoài chuy n ng t nhiên ưa chúng tr l i v trí t nhiên c a t i. Th t v y, ngành y khoa và khoa h c máy tính thu c th k th 21 có chúng. M t hòn á có th chuy n ng theo phương ngang ho c th s ch ng ki n nh ng ng d ng th ng ng lên cao b ng cách tác d ng m t l c theo chi u như u tiên c a công ngh nano, vì c mong mu n. Khi l c ng ng tác d ng, thì chuy n ng ó d ng l i. hai ngành khoa h c này u ang ch y ua phát tri n các công c m t ngày nào ó s cho phép chúng thao tác trên t ng nguyên t m t. 7 – V t lí 11
Mô hình gi i thích s chuy n ng trên b u tr i thì hơi khác m t chút. Các nhà thiên văn h c Hi L p bi t r ng có hai lo i “sao”, các ngôi sao c nh và các hành tinh (hay k du th c), ng th i còn có M t tr i S d ng các tài nguyên i n t ho c và M t trăng. Nh ng v t th này dư ng như không b chi ph i b i các in n, hãy nghiên c u m t bài báo quy lu t gi ng như các v t c u t o t nh ng ch t khác. Chúng chuy n hi n i ho c m t bài báo l ch s trình bày m t s phương di n c a v t ng ngang trên b u tr i mà không có l c nào tác d ng lên chúng h t. lí h c. Tóm t t bài báo ó thành hai Ngư i Hi L p x p chúng vào ch t th năm trong b ng danh m c v t ho c ba o n, chú ý vì sao b n nghĩ ch t c a h . M i v t th thu c nguyên t th năm ư c xem là hoàn ch ó là quan tr ng. Hãy cung h o. M t trăng, ch ng h n, ư c cho là m t qu c u hoàn h o. Mô c p càng nhi u thông tin v ngu n hình c a Aristotle gi s r ng t n t i nh ng qu c u hoàn h o, trong g c c a bài báo càng t t. su t, không nhìn th y, nâng cho các thiên th . Sau này, khi Ptolemy (87–150) phát tri n mô hình vũ tr a tâm c a ông, ông ã s d ng quan i m này làm n n t ng và m r ng nó LIÊN H NGÔN NG ưa vào các vòng n i luân và ngo i luân nh m gi i thích vì sao các hành tinh thư ng chuy n ng gi t lùi. M t chuy n ng tròn thôi ch có th gi i thích s chuy n ng c a M t tr i và M t trăng. Th m chí ngày nay, thu t ng nguyên t th năm v n có ý nghĩa i v i các n n văn hóa châu Âu, hai mô hình c a Aristotle thành ch a v cao nh t c a s t n t i. công n m c g n như trong 2000 năm, ngư i ta ch p nh n chúng mà B n hãy s d ng thu t ng này, ch ng nghi v n gì. Chúng v n có th ư c ch p nh n cho n khi b d ng danh t ho c tính t c a nó, mô t m t s ki n quan tr ng hay thách th c b i mô hình mang tính cách m ng c a Copernicus (1473– m t ngư i quan tr ng trong cu c i 1543) và nh ng khám phá c a Galileo Galilei (1564–1642). c a b n. Galileo và Phương pháp kh o sát khoa h c Năm 1609, s d ng m t chi c kính thiên văn nguyên th y (xem Hình 1.2), Galileo ã quan sát th y b m t c a m t trăng l m m nh ng ng n núi, các mi ng h , và các thung lũng; M c tinh thì có b n v tinh riêng; Th tinh thì có vành; thiên hà c a chúng ta (D i Ngân hà) • Nghĩ th xem... thì g m nhi u ngôi sao hơn con s trư c ây ngư i ta tư ng tư ng ra; M t khúc g n a chìm n a n i trên m t và Kim tinh, gi ng như M t trăng v y, có các pha c a nó. D a trên h nư c. Khúc g ó hi n nhiên là b ng nh ng quan sát c a mình, Galileo c m th y ông có th th a nh n m t g , m t ch t li u rõ ràng ã phát tri n gi thuy t mang tính cách m ng – m t gi thuy t ã ư c phát tri n t nguyên t “ t”, và là m t ch t r n b i m t nhà thiên văn h c ngư i Ba Lan tên là Nicolaus Copernicus – khá m c gi ng như các v t th b ng t khác. N u b n là m t ngư i Hi L p cho r ng Trái t, cùng các hành tinh khác trong H M t tr i, th t s c i tin vào Vũ tr quan Aristotle, quay xung quanh M t tr i. làm th nào b n có th gi i thích vì sao khúc g l i n i b ng b nh ch không Cái mà nh ng ngư i Hi L p không làm ư c là ki m tra các gi ng chìm xu ng như các hòn á hay nh ng gi i d a trên các mô hình c a h . Khi Galileo quan sát các v t rơi, v t th b ng t khác? ông ý th y chúng dư ng như ch ng rơi nh ng t c khác nhau gì nhi u. Galileo ã ch t o ra m t thi t b dùng o t c c a các v t rơi, ông ã làm các thí nghi m, và phân tích các k t qu . Cái ông tìm th y là m i v t v căn b n rơi t c như nhau h t. T i sao nh ng ngư i Hi L p không nh n th y i u này? Khá ơn gi n thôi, khái ni m ki m tra các mô hình c a h b ng cách làm th c nghi m ch ng ph i là cái ư c h cho là h p lí, hay có l nó không x y ra v i h. 8 – V t lí 11
K t th i kì Galileo, các nhà khoa h c trên kh p th gi i ã nghiên c u các v n theo m t ki u có t ch c, thông qua quan sát, th c nghi m có h th ng, và th n tr ng phân tích các k t qu . T nh ng phân tích này, các nhà khoa h c ưa ra các k t lu n, cái sau ó h em ra kh o sát l n na m b o tính úng n c a chúng. Khi b n dõi theo khóa h c này, hãy luôn ghi nh trong u nh ng quan ni m sau ây v các lí thuy t, các mô hình và các quan sát. Hãy s d ng chúng kích thích tư duy c a b n, và nêu nghi v n v nh ng quan ni m hi n nay. Nghĩ v Khoa h c, Công ngh Xã h i và Môi trư ng Vào gi a th k th 20, s ti n b khoa h c có nh ng bư c ti n r t nhanh l . S có m t c a nh ng nhân v t như Albert Einstein ã mang l i cho khoa h c nói chung, v t lí h c nói riêng, m t hơi hư ng g n như th n bí. V t lí h c thư ng xuyên ch ng ki n m t nghiên c u thu n túy tách r i kh i th gi i “th c t ”. Trái v i hình nh ó, khoa h c ngày nay ư c xem là m t b ph n c a th gi i và có Hình 1.2 Chi c kính thiên văn mà qua nó, trách nhi m ngang ng a, ho c th m chí còn l n hơn, i Galileo l n u tiên quan sát các v tinh c a sao v i th gi i so v i b t kì d ng n l c nào khác. M i th M c và thiên th khác trong h m t tr i c a chúng ta. khoa h c nghiên c u có s tác ng lâu dài i v i th gi i. M t ph n c a khóa h c này là tìm hi u m i quan h c ng sinh t n t i gi a khoa h c, công ngh , xã h i và môi trư ng (STSE). i v i nhi u ngư i, khoa h c và công ngh h u như là m t và là cái gi ng nhau. Ch ng gì ph i nghi ng r ng chúng có quan h r t m t thi t v i nhau. Nh ng khám phá m i trong khoa h c r t nhanh chóng ư c công ngh u i k p, và ngư c l i. Thí d , t ng ư c xem là m t khám phá tinh x o nhưng ch ng th c ti n c a v t lí h c, laser là m t Aristotle có úng không? thí d kinh i n c a s không th tách r i c a khoa h c, Có ph i các v t n ng thì rơi nhanh hơn các công ngh , xã h i và môi trư ng. S liên quan c a laser v t nh ? Hãy th rơi ng th i m t cái t y trong cu c s ng c a chúng ta h u như là m t s xu t hi n chì và m t t gi y t m c cao ngang m t hàng ngày. Công ngh ã nhanh chóng trau chu t và c i xu ng sàn. Cái nào ch m t trư c? Có cái ti n s ho t ng c a nó. Ngày nay, laser ư c s d ng gì trong s chuy n ng c a t gi y khi n r ng kh p. Các máy quét hàng siêu th , d ng c tr c a, b n nghĩ r ng ây không ph i là m t th nghi m t t hay không? Gi thì hãy vo tròn thi t b truy n thông, nh n i ba chi u, máy c t kim lo i, t gi y l i thành m t qu c u nh và l p l i công c ph u thu t, và bút tr laser ơn gi n ch là m t thí nghi m trên. Có s khác bi t áng k vài thí d c a nh ng i m i mà công ngh ã tìm ra cho nào v th i gian c n thi t chúng ch m laser. Rõ ràng không th nào tách r i t m quan tr ng c a xu ng sàn nhà hay không? Hãy mô t các khoa h c và công ngh ra kh i xã h i. Hình 1.3 trang bi n c mà b n ã c g ng th nghi m. sau trình bày ch m t vài trong s nhi u ng d ng c a v t lí h c trong th gi i ngày nay. 9 – V t lí 11
Hình 1.3 M t s ng d ng c a các khám phá v t lí ÔI NÉT L CH S Các mô hình c a Aristotle ã ư c s d ng gi i thích b n ch t c a s rơi trong hàng th k . Theo Aristotle, vì m t hòn á l n thì có nhi u ch t “ t” hơn m t hòn á nh , cho nên nó có khuynh hư ng quay l i t l n hơn. Khuynh hư ng này làm cho hòn á to cân n ng hơn và vì th nó ph i rơi nhanh hơn hòn á nh . ây là m t áp d ng kinh i n c a m t mô hình gi i thích m t hi n tư ng. Tuy nhiên, ch ng có gì b t ng v i b n khi bi t r ng vì mô hình ó là sai l m, cho nên s gi i thích d a trên mô hình ó cũng là sai l m. Thư ng thì nh ng phát tri n gi ng nhau v a có nh ng tác ng tích c c l n tiêu c c. Nhu c u năng lư ng không ng ng tăng lên c a xã h i chúng ta ã thúc ép môi trư ng c a chúng ta n nh ng gi i h n c a nó. Xã h i, trong khi òi h i năng lư ng ngày m t nhi u hơn, còn ng th i òi h i khoa h c và công ngh ph i tìm ra các ngu n năng lư ng thay th . i u này d n t i s phát tri n kĩ thu t h t nhân, m t Ph u thu t m t b ng laser là m t trong nhi u ng d ng mà tr i, gió, nư c, a nhi t, và nhiên li u hóa công ngh ã tìm ra cho laser. th ch làm ngu n năng lư ng. M i quan h c a xã h i và môi trư ng v i khoa h c và công ngh gi ng như là m t con dao hai lư i. V t lí h c nghiên c u các tính ch t nhi t c a v t li u cùng các ti n b công ngh trong lĩnh v c thi t k c u trúc k t h p nhau ã mang l i nh ng ngôi nhà hi u qu năng lư ng, làm gi m áng k nhu c u t nhiên li u c a chúng ta. 10 – V t lí 11
“Chi c àn ghita” nh xíu này (kích c ch ng b ng m t t bào h ng c u) ư c ch t o b ng công ngh nano. Công ngh này s giúp các Xe lai ch y b ng i n và xăng có th c t gi m nhà khoa h c kh o sát các quá trình mà nh áng k s phát th i các ch t gây ô nhi m. Xe ó các nguyên t và phân t có th ư c s hơi ch t o t v t li u composite carbon thì d ng riêng l làm nh ng viên g ch c u trúc nh hơn và b n hơn xe hơi ch t o t v t li u dư i hi n vi. truy n th ng. H th ng ánh l a và h th ng nhiên li u do máy tính i u khi n làm tăng thêm hi u su t c a ng cơ. Toàn b nh ng y u t này có th h tr cho vi c b o v môi trư ng. Công ngh ã ch m t i nh ng m t tr n t c nh t trong cu c s ng c a chúng ta. Các l p TeflonTM dày c micro trên lư i dao c o khi n chúng trư t i nh nhàng hơn trên b m t da. Các c i ti n công ngh ã mang l i kh năng ưa ngày m t nhi u máy vi tính và máy tính ngày m t m nh hơn vào trong m t không gian ngày m t nh hơn. 11 – V t lí 11
Tư duy khoa h c Ki n th c b t u v i nh ng quan sát và s hi u kì. Các nhà khoa h c t ch c tư duy c a h b ng cách s d ng các quan sát, các mô hình, và các lí thuy t, như tóm t t dư i ây. Lí thuy t M t lí thuy t là m t t p h p các ý tư ng, ư c nhi u nhà khoa h c công nh n, phù h p v i nhau gi i thích m t hi n tư ng t nhiên c bi t nào ó. Các lí thuy t m i Hình 1.4 Ch c h n b n ã t ng nghe nói n thuy t tương i c thư ng phát sinh t nh ng lí thuy t cũ, bi t c a Einstein. M t ph n c a lí thuy t trên phát bi u r ng t c ánh sáng, c, là cái duy nh t trong vũ tr là h ng s . M i s o khác mang l i nh ng cái nhìn m i m , ôi khi là mang tính tương i, ph thu c vào h quy chi u c a nhà quan thay i tri t , v vũ tr . M t thí d như sát. Công th c (mô hình) n i ti ng c a lí thuy t trên là E = mc2. v y, v n ang trong quá trình phát tri n, là GUT, hay Lí thuy t Th ng nh t L n, ang ư c nhi u nhà nghiên c u thu c nhi u lĩnh v c v t lí khác nhau ngày êm tìm ki m. Thông qua GUT, các nhà v t lí hi v ng m t ngày nào ó có th mô t m i hi n tư ng v t lí trong vũ tr b ng cách s d ng cùng nh ng b quy lu t gi ng nhau. Hình 1.5 “Mô hình t m cao su” này thư ng ư c s d ng mô t quan ni m c a Albert Einstein v không gian cong. Mô hình cho Mô hình th y m t kh i lư ng gi a có th làm cho không gian xung quanh kh i lư ng ó cong i. Mô hình là s bi u di n c a hi n tư ng, và có th có nhi u d ng th c khác nhau, bao g m m t danh sách các quy t c, các nét v bút chì trên m t m nh gi y, m t v t th có th thao tác ư c, ho c m t công th c toán h c. M t quan sát có th ư c gi i thích b ng nhi u mô hình; tuy nhiên, trong a s trư ng h p, m t lo i mô hình nào ó có hi u qu hơn nh ng lo i khác. Quan sát M t quan sát là thông tin thu th p b ng cách s d ng m t ho c nhi u trong năm giác quan c a chúng ta. Các quan sát có th mang l i nhi u s gi i thích, vì nh ng ngư i tham gia cùng m t s ki n thư ng Hình 1.6 Các quan sát có th là nh lư ng ho c nh tính. Ngư i tư ng thu t nh ng th khác nhau. Ph i m t i xe p có th xác nh t c c a cô ta b ng cách áp d ng mô hình toán h c, v = ∆d/∆t, cho s li u kho ng cách và th i gian có hàng trăm quan sát v m t hi n tư ng nào th quan sát ư c c a cô ta. ó m i phát tri n ư c m t lí thuy t. Có hai lo i quan sát có th th c hi n. Th nh t là quan sát nh tính, t c là mô t b ng l i 12 – V t lí 11
thôi: “M t cái lông chim ang rơi t t xu ng t”. Th hai là quan sát nh lư ng, t c là s d ng các con s và ơn v o: “Hòn á rơi v i t c 2 m/s”. Các ngh v t lí M c tiêu kĩ năng • Kh i ng và lên k ho ch • Ti n hành nghiên c u Khi b n c ph n gi i thi u này, th gi i trư c m t b n, t các chu kì t nhiên c a th i ti t cho n các linh ki n vi n thông công ngh cao, u ho t ng trên các nguyên lí cơ b n c a v t lí h c. Ph m vi bao quát c a v t lí h c có th di n t thành m t danh sách r t dài g m các ngh nghi p có liên quan n nghiên c u v t lí. Thí d , b n có thích n ng i trong r p hát không? Ki n th c v s ho t ng c a các lo i èn là cái không th thi u i v i các kĩ thu t th p sáng ph c t p trong các r p hát ngày nay. B n có ph i là m t nh c sĩ không? B n có th thu ư c nh ng hi u ng âm nh c t t hơn b ng cách hi u rõ hơn v b n ch t c a âm thanh. Hãy nghiên c u bi u bên, lưu ý n nh ng cơ h i ngh nghi p thu c lĩnh v c v t lí h c s d ng ph n nhi u ki n th c và kĩ năng mà b n h c ư c trong khóa h c này. Hãy xem xét m t ho c nhi u ngh có th khi n b n b cu n hút, và b t u tìm hi u 13 – V t lí 11
nh ng yêu c u giáo d c t t i m c tiêu ngh nghi p ó. Nh ng ngư i thành công và h nh phúc nh t trong con ư ng s nghi p là nh ng ngư i th t s yêu thích công vi c c a mình, ch không ph i vì công vi c ó h làm t t, b n hãy ghi nh i u ó khi l a ch n các cơ h i ngh nghi p cho b n thân mình. 1. Công ngh nano là gì? Hãy trích d n nh ng thí d c bi t cho th y công ngh này có th nh hư ng n cu c s ng hàng ngày c a chúng ta như th nào. 2. Bn nh nghĩa v t lí như th nào? 3. Vì sao các nhà khoa h c s d ng phương pháp kh o sát khoa h c nghiên c u các v n ? 4. S khác bi t gi a m t mô hình, m t lí thuy t và m t quan sát là gì? M i khái ni m có t m quan tr ng như th nào? 5. Mô t s khác bi t gi a s quan sát nh tính và quan sát nh lư ng. Cho thí d cho m i trư ng h p. 14 – V t lí 11
Các kĩ năng gi i quy t v n th t quan tr ng trong cu c s ng hàng M c tiêu ngày, trư ng h c, và t i nơi làm vi c. M t s v n , thí d như quy t nh xem nên i b hay i xe p, thì d gi i quy t hơn • L a ch n và s d ng nh ng v n khác. Tuy nhiên, trong m i trư ng h p, b n hãy phát thích h p các mode tri n m t quá trình giúp b n ưa ra quy t nh c a mình. Trong v t bi u di n d ng s , lí h c, vi c tìm hi u rõ m t khái ni m thì quan tr ng hơn là vi c d ng kí hi u, d ng ơn gi n ch làm toán; vì th òi h i s sáng t o và linh ho t. Khi bi u b ng và d ng lí b n áp d ng các chi n lư c gi i quy t v n trình bày trong quy n gi i truy n t sách giáo khoa này, hãy nh r ng câu tr l i c a b n cho b t kì m t thông tin khoa h c. câu h i nào luôn kém quan tr ng hơn s lí gi i mà b n s d ng. • Phân tích và t ng h p thông tin trong quá trình phát tri n các kĩ năng gi i quy t v n . T khóa • t ch c v n Hình 1.7 C vua là m t trò chơi chi n thu t ph c t p. Chi n th ng luôn thu c v ngư i nào có kh năng hình dung trò chơi s di n ti n như th nào trong vài bư c i ti p sau ó. T ch c v n đ là m t phương pháp thi t l p các thông s (các T ch c v n ranh gi i quan tr ng) và t ch c chúng theo m t ki u thích h p nh t cho m t v n c bi t nào ó. Hi m khi nào ch có duy nh t m t phương pháp t ch c m t v n , và b n làm như th nào là tùy thu c vào m i tình hu ng c th ; b n ph i xác nh xem phương pháp nào là t t nh t i v i b n, và i v i m i v n . Thư ng thì vi c t ch c v n s giúp cho l i gi i tr thành hi n nhiên i v i b n. T ch c v n , cho dù ó là m t câu h i v t lí hay m t v n n i tr tiêu bi u, là m t quá trình sáng t o và có h th ng ư c thi t k làm sáng t cái ã bi t, cái h n ch t n t i, và m c tiêu cu i cùng là gì. a s m i ngư i u có m t phương pháp t ch c thông tin ưa thích c a mình. Thông thư ng, phương pháp s d ng t ch c thông tin là tài c bi t hơn s thích cá nhân. 15 – V t lí 11
Hình 1.9 T ch c v n và phát tri n các Hình 1.8 Ghi nh n các mode t ch c mà b n ưa thích s giúp b n phát tri n các chi n chi n lư c gi i là có th áp d ng cho m i lư c gi i quy t v n c a mình. lo i v n . Ví d 1: T ch c d li u b ng văn b n B n có th bi u di n quá trình tư duy c a mình dư i d ng các câu h i. Theo cách này, b n ã t ch c v n b ng cách ưa ra các câu h i ch ch t trong th i gian mà b n có. L i gi i c a b n ph i phù h p v i nh ng thông s này. M t v n đ đi n hình M t ngư i b n g i n cho b n lúc 6 gi c a chúng. Hãy phát tri n nh ng chi n t i hôm th ba và h i b n có mu n cùng lư c riêng c a b n t ch c v n , và hai ngư i b n khác n a tham gia vào m t thi t l p các thông s ho t ng t t nh t cu c chơi hai ti ng rư i ng h , chơi i v i b n. m t trò mà t t c các b n trong nhóm u (a) Văn b n vi t r t thích. B n c a b n lên k ho ch b t u Tôi thích chơi trò chơi. ó là m t s ngh lúc 7 gi t i. B n bi t mình còn có hai bài ngơi thú v , nhưng tôi còn có hai bài t p t p v nhà ph i hoàn thành trư c ngày hôm ph i làm xong trư c sáng ngày mai. B n sau. Trư c khi cho câu tr l i, b n c n ph i c a tôi d tính chơi trò chơi trong bao lâu quy t nh xem b n có th i gian ch ? Hai ti ng rư i ng h cơ. Bài t p hoàn thành bài t p nhà và i ra ngoài nhà c a tôi c n bao nhiêu th i gian ch ? chơi hay không. B n cũng c n ph i dành V t lí: ba mươi phút. Toán: ch ng có bài ưu tiên cho c m giác c a mình v nh ng t p nào cho êm nay. Ti ng Anh: 30 phút. l i ích c a vi c ra ngoài chơi. Tôi ph i có m t nhà lúc 11 gi t i. K ch b n này ư c t ch c b ng sơ , s (b) Danh sách li t kê d ng nh ng chi n lư c khác nhau. Khi b n kh o sát chúng, hãy xét n tính hi u qu • Trò chơi ang di n ra 16 – V t lí 11
• Vui, và mang l i s thư giãn • Hai ti ng rư i ng h • Làm bài t p nhà • Có m t nhà lúc 11 gi t i • Ba mươi phút làm bài t p V t lí • Ba mươi phút làm bài t p Ti ng Anh Ví d 2. T ch c d li u b ng sơ B n t ch c v n b ng cách phác th o sơ (a) và v ch ra các thông s (b). áp án c a b n ph i phù h p v i nh ng thông s này. (a) Sơ d ng cây (b) Sơ th i gian 17 – V t lí 11
Các bài toán m u Trong su t tài li u này, b n s b t g p m t c i m g i là Bài toán M u. M i m t bài toán m u trình bày m t v n v t lí c bi t nào ó và l i gi i c a nó. Các bài toán m u tuân theo phương pháp t ng bư c gi i, gi ng h t như bài toán m u dư i ây. Hãy làm quen v i nh ng bư c gi i này và tích h p chúng vào ngân hàng chi n lư c gi i quy t v n c a riêng b n. Trong tài li u này, sau các bài toán m u là các bài t p giúp b n rèn luy n các kĩ năng c a mình. Hãy tr l i các câu h i này t i cu i ph n Ôn t p chương. Chi n lư c Mô t t ng bư c các phép tính toán h c có liên quan. Nêu m t v n . Tính toán T ch c v n S d ng các d li u b n tích góp ư c Ph n này mô t v n và xác nh các hoàn thành l i gi i. T i gi n các ơn v c n thông s c a l i gi i. Hãy xét các phát bi u thi t trong câu tr l i cu i cùng c a b n. ưa ra trong ph n này th t th n tr ng. M t phát bi u k t lu n xác th c r ng m c Nh n d ng m c tiêu tiêu ã ư c hoàn t t. S ch s có nghĩa trong áp án ph i kh p v i s ch s có Thu h p s chú ý c a b n và xác nh m c nghĩa trong bài. tiêu chính xác. Xác th c Các bi n s Ph n này cung c p cơ h i làm sáng t các Có liên quan trong v n bư c dùng trong tính toán ra áp án. Vi c Li t kê các bi n ã c p trong ph n t xác th c áp án giúp kh c ph c sai s và ch c v n . sai sót trong suy lu n. ã bi t G i ý bài toán Li t kê các bi n mà thông tin ã bi t rõ Thư ng thì b n s tìm th y các g i ho c ã có g i ý. ý có trong bài toán m u. Các g i ý ư c thi t k nh m ch d n các Chưa bi t chi n lư c giúp b n nh hư ng Li t kê các bi n chưa bi t và ph i i tìm thành công m t lo i v t ch t c trong l i gi i. bi t nào ó. Tc trung bình M t sinh viên ch y ư c 15 km trong 1,5 h. T c trung bình c a ngư i sinh viên ó là bao nhiêu? T ch c v n 18 – V t lí 11
• Ngư i sinh viên có th d ng l i ngh m t ho c không, nhưng thu t ng trung bình g i ý r ng c n xét n t ng th i gian và t ng quãng ư ng. • T c có ơn v là quãng ư ng/th i gian. • S d ng thông tin quãng ư ng/th i gian giúp xây d ng m t công th c cho t c (ho c xác nh n công th c b n nh trong u là chính xác). • T ng quãng ư ng/t ng th i gian s cho t c trung bình. Nh n d ng m c tiêu Tc trung bình, vtb. Các bi n và h ng s Có liên quan trong bài toán ã bi t Chưa bi t vtb ∆d ∆d = 15 km vtb ∆t = 1,5 h ∆t Chi n lư c Tính toán S d ng công th c t c trung bình ∆d vtb = ∆t Thay các giá tr ã bi t và gi i. (15 km ) = 10 km/h vtb = (1,5 h ) V y ngư i sinh viên ó ch y v i t c trung bình 10 km/h Xác th c Giá tr t c cho theo quãng ư ng (km) trên th i gian (h) là úng. G iý Hãy m b o nh n ra s ch s có nghĩa cho trong câu h i khi chúng bi n thiên t câu h i này sang câu h i khác. Hãy mang các ch s có nghĩa th a qua các phép tính trung gian, và sau ó làm tròn áp s cu i cùng c a b n n con s ch s có nghĩa thích h p. 19 – V t lí 11
S thành t u V t lí Bi u Thành t u bên dư i phân chia b n danh m c ki n th c và kĩ năng khoa h c s s d ng trong m i khóa h c khoa h c ư c nh và ánh giá s thành t u c a b n. Bi u y giúp b n ánh giá quá trình h c t p c a mình, và lên k ho ch c i ti n ch t lư ng, v i s h tr c a th y cô giáo c a b n. Logo này cho bi t nơi có th s d ng c m i nt Trong quy n sách giáo khoa này, b n s b t g p nh ng là m t ph n c a thao tác th c hành. v n , nh ng nghiên c u, nh ng ho t ng, nh ng câu h i nêu cùng v i các kí hi u chung sau ây: Bi t/Hi u , Kh o sát , Th o lu n , và Liên h . Thí d , b n s b t g p nh ng câu h i trong quy n sách này ã ư c c u trúc dư i m t trong nh ng danh m c này cho phép b n xác nh xem b n có thu ư c thành t u trong m i danh m c hay không (m t s câu h i có th d dàng x p vào m t danh m c khác; v i m i câu h i, chúng tôi ã ch n l c, x p chúng vào danh m c H c li u i n t g m các mô ph ng, các hình ng phù h p nh t). Hãy chép l i bi u này trong v ghi và video clip giúp b n h c t t hơn. chép c a b n làm cái nh c nh b n v nh ng yêu c u c n t trong khóa h c này. (Ngoài ra, các v n liên quan n tính toán ã ư c dành riêng cho ph n bài t p, ho c ph n ôn t p chương, ôn t p bài, câu h i g i m ). B ng 1.1 Bi u đ thành t u Bi t và hi u Kh o sát Th o lu n Liên h Hi u các khái Áp d ng các kĩ năng Th o lu n các Hi u m i quan h ni m, các nguyên và chi n lư c kh o thông tin và các ý gi a khoa h c, công lí, các nh lu t sát khoa h c. tư ng. ngh , xã h i và môi và các lí thuy t. trư ng. Áp d ng các kĩ năng S d ng các thu t Bi t các th c t và thao tác kĩ thu t. ng khoa h c, các Phân tích các v n và thu t ng . kí hi u, các quy xã h i và kinh t liên S d ng các công ư c và các ơn v quan n khoa h c và Chuy n i các c , thi t b và ch t chu n (SI). công ngh . khái ni m sang li u. ng c nh m i. Th o lu n trư c ánh giá các tác nh ng ngư i nghe ng c a khoa h c và Hi u m i liên h và nh ng m c ích công ngh iv i gi a các khái khác nhau. môi trư ng. ni m. S d ng các d ng xu t các khóa th o lu n a d ng. th c t p liên quan n các v n có S d ng công ngh ngu n g c khoa h c thông tin cho các và công ngh . m c ích khoa h c. 20 – V t lí 11