Bài 1. Làm quen với Vật lí

I. Đối tượng nghiên cứu của Vật lí và mục tiêu của môn Vật lí

Vật lí là môn “khoa học tự nhiên” có đối tượng nghiên cứu tập trung vào các dạng vận động của vật chất (chất, trường), năng lượng.

Các lĩnh vực nghiên cứu của Vật lí rất đa dạng: 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.

Qua học tập môn Vật lí, năng lực vật lí được hình thành, phát triển với các biểu hiện chính sau:

• Có được những kiến thức, kĩ năng cơ bản về vật lí.
• Vận dụng được kiến thức, kĩ năng đã học để khám phá, giải quyết các vấn đề có liên quan trong học tập cũng như trong đời sống.
• Nhận biết được năng lực, sở trường của bản thân, định hướng nghề nghiệp.

II. Quá trình phát triển của Vật lí

Sơ đồ dưới đây cho biết các giai đoạn chính trong quá trình phát triển của Vật lí. Mỗi giai đoạn có tính chất và đặc điểm riêng.

III. Vai trò của Vật lí đối với khoa học, kĩ thuật và công nghệ

a. Vật lí có quan hệ với mọi ngành khoa học và được coi là cơ sở của khoa học tự nhiên (KHTN). Các khái niệm, định luật, nguyên lí của Vật lí được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực của KHTN, đặc biệt là trong việc giải thích cơ chế của các hiện tượng tự nhiên.

Hiện nay, xuất hiện nhiều lĩnh vực liên môn như Vật lí sinh học, Vật lí địa lí, Vật lí thiên văn, Hoá lí, Sinh học lượng tử, Hoá học lượng tử,…

b. Vật lí là cơ sở của công nghệ, không có các thành tựu nghiên cứu của Vật lí thì không có công nghệ.

Năm 1765, James Watt sáng chế ra máy hơi nước dựa trên những kết quả nghiên cứu về Nhiệt của Vật lí, đó chính là bước khởi đầu cho cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ nhất với đặc trưng cơ bản là thay thế sức lực cơ bắp bằng sức lực máy móc.

Máy hơi nước của James Watt

Nhờ khám phá ra hiện tượng cảm ứng điện từ của nhà vật lí Faraday mà sau đó các máy phát điện ra đời, mở đầu cho kỉ nguyên sử dụng điện năng của nhân loại và là một trong những cơ sở cho sự ra đời của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ hai vào cuối thế kỉ XIX. Một trong những đặc trưng cơ bản của cuộc cách mạng công nghiệp này là sự xuất hiện các thiết bị dùng điện trong mọi lĩnh vực sản xuất và đời sống con người.

Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ ba bắt đầu vào những năm 70 của thế kỉ XX, với đặc trưng là tự động hóa các quá trình sản xuất (dây chuyền sản xuất tự động) cũng là nhờ có những thành tựu nghiên cứu về điện tử, chất bán dẫn và vi mạch,… của Vật lí học.

Chiếc máy tính gia đình đời đầu

Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư được coi là bắt đầu vào đầu thế kỉ XXI với tốc độ phát triển và mức độ ảnh hưởng vượt xa các cuộc cách mạng công nghiệp trước đó. Đặc trưng của cuộc cách mạng công nghiệp này là sử dụng trí tuệ nhân tạo, robot, internet toàn cầu, công nghệ vật liệu siêu nhỏ (nano); là sự xuất hiện từ bóng đèn thông minh, điện thoại thông minh đến nhà ở thông minh, nhà máy thông minh. Tất cả đều dựa trên những thành tựu của các lĩnh vực nghiên cứu khác nhau của Vật lí hiện đại.

c. Vai trò của Vật lí trong sự phát triển các công nghệ nêu trên cho thấy sự ảnh hưởng to lớn của nó đối với cuộc sống con người. Mọi thiết bị mà con người sử dụng hàng ngày đều ít nhiều gắn với những thành tựu nghiên cứu của Vật lí.

Tuy nhiên, việc ứng dụng các thành tựu của Vật lí vào công nghệ còn có thể làm ô nhiễm môi trường sống, hủy hoại hệ sinh thái,… nếu không được sử dụng đúng phương pháp, đúng mục đích.

IV. Phương pháp nghiên cứu Vật lí

1. Phương pháp thực nghiệm

Phương pháp thực nghiệm là phương pháp quan trọng của Vật lí.

Câu chuyện dưới đây về sự ra đời của phương pháp thực nghiệm sẽ giúp các em hiểu được đặc điểm của phương pháp này. Aristotle, một nhà khoa học Hy Lạp sống vào những năm 300 trước Công nguyên, từ việc quan sát sự rơi của các vật nặng nhẹ khác nhau đã cho rằng: “Vật nặng rơi nhanh hơn vật nhẹ, vật càng nặng rơi càng nhanh”.

Aristotle cho rằng vật nặng rơi nhanh hơn vật nhẹ

Aristotle dùng suy luận để bảo vệ ý kiến của mình. Ông đã lập luận như sau: “Bốn hòn đá buộc lại với nhau, rơi nhanh gấp 4 lần một hòn đá, cũng giống như xe kéo bằng bốn con ngựa chạy nhanh gấp 4 lần xe kéo bằng một con ngựa”.

Vào thời đại của Aristotle, khoa học chưa phát triển và ông lại là một nhà bác học uy tín, nên chẳng ai nghi ngờ ý kiến của ông hay nghĩ đến việc kiểm tra xem có đúng là hiện tượng xảy ra như vậy không.

Gần 20 thế kỉ sau, khi khoa học bắt đầu phát triển, Galilei (ở thành phố Pisa nước Italia) đã nghĩ đến việc kiểm tra xem ý kiến của Aristotle có đúng hay không. Galilei đã làm như sau:

1. Xác định vấn đề cần tìm hiểu: Có đúng vật nặng rơi nhanh hơn vật nhẹ không?

2. Bằng những quan sát hàng ngày, ông đã thấy khi trời mưa những giọt nước mưa dù to hay nhỏ đều rơi xuống như nhau, cũng giống như khi có tuyết rơi thì những hạt tuyết to hay nhỏ cũng rơi xuống như nhau.

3. Từ những quan sát của mình, Galilei dự đoán: Sự rơi nhanh hay chậm không phụ thuộc vào vật nặng hay nhẹ.

4. Không chỉ dừng lại ở suy luận, Galilei nghĩ ra cách làm thí nghiệm để kiểm tra dự đoán của mình. Ông cho rằng nếu dùng thí nghiệm chứng minh được hai vật nặng, nhẹ rất khác nhau đều rơi nhanh như nhau thì sẽ bác bỏ được ý kiến của Aristotle.

Ông cùng các học trò của mình mang lên tháp nghiêng Pisa hai quả cầu bằng kim loại, quả to nặng gấp khoảng 10 lần quả nhỏ và thả hai quả cầu xuống cùng một lúc.

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

Trước sự chứng kiến của hàng trăm người dân thành phố Pisa, cả hai quả cầu đều rơi nhanh như nhau, cùng chạm đất một lúc.

5. Thí nghiệm đã chứng tỏ ý kiến của Galilei là đúng: Sự rơi nhanh hay chậm 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 dùng các mô hình để nghiên cứu, giải thích các tính chất của vật thật, tìm ra cơ chế hoạt động của nó,...

Các loại mô hình thường dùng ở trường phổ thông là:

• 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 như quả địa cầu trong phòng thí nghiệm là mô hình vật chất thu nhỏ của Trái Đất, hệ Mặt Trời có thể coi là mô hình vật chất phóng to của mẫu nguyên tử của Rutherford.
• Mô hình lí thuyết: Khi nghiên cứu chuyển động của một ô tô đang chạy trên đường dài, người ta coi ô tô là một “chất điểm", khi nghiên cứu về ánh sáng người ta dùng mô hình tia sáng để biểu diễn đường truyền của ánh sáng. Chất điểm, tia sáng là các ví dụ về mô hình lí thuyết.
• Mô hình toán học: Đó là các công thức, phương trình, đồ thị, kí hiệu,.. của Toán học dùng để mô tả các đặc điểm của các đối tượng nghiên cứu. Vectơ dùng để mô tả một đại lượng có hướng, ví dụ lực, độ dịch chuyển; phương trình s = v.t là mô hình toán học của chuyển động thẳng đều,…

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

1. Đối tượng nghiên cứu chủ yếu của Vật lí là các dạng của vật chất, năng lượng.

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

3. Vật lí được coi là cơ sở của KHTN và công nghệ.