Làm quen với Vật lí SVIP

I. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA VẬT LÍ VÀ MỤC TIÊU CỦA MÔN VẬT LÍ

Vật lí là một môn học thuộc nhóm “khoa học tự nhiên”, tập trung nghiên cứu về các dạng vận động của vật chất (bao gồm chất, trường) và năng lượng.

Các lĩnh vực nghiên cứu trong Vật lí rất phong phú, bao gồm: Cơ học, Điện từ học, Quang học, Âm học, Nhiệt học, Nhiệt động lực học, Vật lí nguyên tử và hạt nhân, Vật lí lượng tử, Thuyết tương đối.

Thông qua việc học Vật lí, học sinh sẽ hình thành và phát triển năng lực vật lí với những biểu hiện cụ thể sau:

• Tiếp thu được kiến thức và kĩ năng cơ bản về vật lí.
• Vận dụng kiến thức, kĩ năng đã học để khám phá, giải quyết các vấn đề trong học tập và cuộc sống.
• Xác định được năng lực, sở thích cá nhân và từ đó có định hướng nghề nghiệp phù hợp.

II. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA VẬT LÍ

Mỗi giai đoạn chính trong quá trình phát triển của Vật lí có tính chất và đặc điểm riêng.

✱ Từ năm 350 trước Công nguyên đến thế kỉ XVI (tiền Vật lí)

✱ Từ thế kỉ XVII đến cuối thế kỉ XIX (Vật lí cổ điển)

✱ Từ cuối thế kỉ XIX đến nay (Vật lí hiện đại)

III. VAI TRÒ CỦA VẬT LÍ ĐỐI VỚI KHOA HỌC, KĨ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

Vật lí được coi là cơ sở của khoa học tự nhiên và công nghệ.

a. Vật lí giữ vai trò nền tảng đối với tất cả các ngành khoa học và được xem là cơ sở của khoa học tự nhiên (KHTN). Những khái niệm, định luật và nguyên lí trong Vật lí được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của KHTN, đặc biệt là trong việc giải thích cơ chế vận hành của các hiện tượng tự nhiên.

Ngày nay, nhiều ngành mới ra đời có liên quan chặt chẽ với Vật lí như: Vật lí sinh học, Vật lí địa lí, Vật lí thiên văn, Hóa lí, Sinh học lượng tử, Hóa học lượng tử,…

b. Vật lí còn là nền tảng của công nghệ, không có thành tựu Vật lí thì sẽ không thể có sự phát triển của công nghệ.

Vào năm 1765, James Watt đã phát minh ra máy hơi nước dựa trên kết quả nghiên cứu về Nhiệt học trong Vật lí. Đây chính là cột mốc khởi đầu cho cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ nhất, đánh dấu bước ngoặt thay thế sức lao động con người bằng sức mạnh của máy móc.

Máy hơi nước của James Watt

Nhờ phát hiện ra hiện tượng cảm ứng điện từ của nhà vật lí Faraday, các máy phát điện đã được chế tạo, mở ra kỉ nguyên mới trong việc khai thác và sử dụng điện năng của nhân loại. Thành tựu này trở thành nền tảng quan trọng góp phần thúc đẩy cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ hai vào cuối thế kỉ XIX. Một đặc điểm nổi bật của cuộc cách mạng này là sự phổ biến rộng rãi của các thiết bị sử dụng điện trong mọi lĩnh vực sản xuất cũng như trong đời sống hằng ngày của con người.

Hiện tượng cảm ứng điện từ

Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ ba khởi phát vào những năm 70 của thế kỉ XX, nổi bật với đặc trưng là tự động hóa trong sản xuất thông qua các dây chuyền tự động. Sự phát triển này có được là nhờ vào những thành tựu nghiên cứu quan trọng của Vật lí học, đặc biệt trong các lĩnh vực như điện tử, chất bán dẫn và vi mạch,…

Chiếc máy tính gia đình đời đầu

Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư được xem là bắt đầu từ đầu thế kỉ XXI, với tốc độ phát triển nhanh chóng và ảnh hưởng sâu rộng hơn hẳn các cuộc cách mạng công nghiệp trước. Cuộc cách mạng này nổi bật với việc ứng dụng trí tuệ nhân tạo, robot, internet toàn cầu và công nghệ nano. Những tiến bộ đó đã làm xuất hiện hàng loạt sản phẩm thông minh như bóng đèn thông minh, điện thoại thông minh, nhà thông minh và nhà máy thông minh. Tất cả đều dựa trên những thành tựu vượt bậc trong các lĩnh vực nghiên cứu của Vật lí hiện đại.

Robot

c. Vai trò của Vật lí trong sự phát triển của các công nghệ hiện đại cho thấy ảnh hưởng sâu rộng của môn khoa học này đối với đời sống con người. Hầu hết các thiết bị được con người sử dụng hằng ngày đều có liên quan đến những thành tựu nghiên cứu trong Vật lí.

Tuy nhiên, nếu không được ứng dụng đúng cách và đúng mục đích, các thành tựu Vật lí khi đưa vào công nghệ cũng có thể gây ra những hệ quả tiêu cực như ô nhiễm môi trường, suy thoái hệ sinh thái,…

IV. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VẬT LÍ

Phương pháp nghiên cứu thường sử dụng của Vật lí là phương pháp thực nghiệm và phương pháp mô hình.

1. Phương pháp thực nghiệm

Phương pháp thực nghiệm là một trong những phương pháp quan trọng trong nghiên cứu Vật lí.

Câu chuyện sau đây minh họa cho sự ra đời và đặc điểm của phương pháp này:

Vào khoảng năm 300 trước Công nguyên, nhà bác học Hy Lạp Aristotle quan sát sự rơi của các vật có khối lượng khác nhau và đi đến kết luận: "Vật nặng rơi nhanh hơn vật nhẹ, vật càng nặng thì rơi càng nhanh".

Aristotle cho rằng vật nặng rơi nhanh hơn vật nhẹ

Ông bảo vệ quan điểm của mình bằng lập luận suy diễn: “Bốn hòn đá buộc lại với nhau rơi nhanh gấp 4 lần một hòn đá, cũng như xe kéo bằng bốn con ngựa chạy nhanh gấp 4 lần xe chỉ có một con ngựa kéo.”

Vào thời Aristotle, khoa học chưa phát triển và ông là một người có uy tín lớn nên quan điểm đó được chấp nhận mà không ai kiểm chứng.

Mãi đến gần 20 thế kỉ sau, khi khoa học có bước tiến rõ rệt, nhà vật lí người Italia Galilei đã đặt nghi vấn về tính đúng đắn của kết luận ấy. Ông thực hiện các bước sau:

1. Đặt vấn đề: Có đúng là vật nặng rơi nhanh hơn vật nhẹ không?

2. Quan sát thực tế: Galilei nhận thấy khi trời mưa hoặc tuyết rơi, các giọt nước hay hạt tuyết dù to hay nhỏ đều chạm đất gần như cùng lúc.

3. Đưa ra giả thuyết: Tốc độ rơi không phụ thuộc vào khối lượng vật.

4. Thiết kế và thực hiện thí nghiệm: Trên tháp nghiêng Pisa, Galilei cùng học trò thả đồng thời hai quả cầu kim loại — một nặng gấp khoảng 10 lần quả còn lại. Kết quả là cả hai quả cùng chạm đất một lúc.

Thí nghiệm của Galilei để kiểm tra xem có đúng vật nặng rơi nhanh hơn vật nhẹ không

5. Kết luận: Thí nghiệm xác nhận giả thuyết của Galilei là đúng — tốc độ rơi không phụ thuộc vào vật nặng hay nhẹ.

Phương pháp Galilei dùng ở trên được gọi là phương pháp thực nghiệm và Galilei được coi là "cha đẻ" của phương pháp này.

Sơ đồ của phương pháp thực nghiệm được mô tả như sau:

Nếu thí nghiệm chứng tỏ dự đoán là sai thì phải đưa ra dự đoán mới và làm thí nghiệm kiểm tra dự đoán này, hoặc xác định lại vấn đề cần nghiên cứu.

2. Phương pháp mô hình

Đây là phương pháp sử dụng mô hình để nghiên cứu, giải thích các đặc điểm của vật thể thật, cũng như tìm hiểu cơ chế hoạt động của chúng,...

Trong chương trình phổ thông, thường sử dụng ba loại mô hình chính:

• Mô hình vật chất: Đó là các vật thu nhỏ hoặc phóng to của vật thật, có một số đặc điểm giống vật thật. Ví dụ: Quả địa cầu trong phòng thí nghiệm là mô hình thu nhỏ của Trái Đất; mô hình hệ Mặt Trời cũng có thể được xem là mô hình phóng to của mẫu nguyên tử Rutherford.
• Mô hình lí thuyết: Đó là các mô hình đơn giản hóa dùng để mô tả đối tượng cần nghiên cứu. Ví dụ: Khi nghiên cứu chuyển động của một ô tô trên đường dài, người ta coi ô tô là một chất điểm; khi nghiên cứu sự truyền ánh sáng, người ta dùng tia sáng để biểu diễn đường truyền. Cả chất điểm và tia sáng đều là mô hình lí thuyết.
• Mô hình toán học: Đó là các biểu thức, phương trình, đồ thị hoặc kí hiệu toán học được sử dụng để mô tả đặc tính của các hiện tượng vật lí. Ví dụ: vectơ để biểu diễn đại lượng có hướng như lực, độ dịch chuyển; phương trình \(s=v.t\) là mô hình toán học cho chuyển động thẳng đều.

​Các bước cần thiết cho việc xây dựng mọi loại mô hình: