1.1. Đối tượng nghiên cứu của vật lý học và mục tiêu của môn Vật lý
– Vật lý học là ngành khoa học nghiên cứu về chất, năng lượng và mối quan hệ giữa chúng.
– Các nhà vật lý nghiên cứu các hiện tượng tự nhiên khác nhau. Họ xây dựng các mô hình và lí thuyết với mục đích giải thích, dự đoản tương tác giữa chất và năng lượng Mục tiêu là mô tả được quy luật vận động của thế giới vật chất quanh ta.
– Trong nhà trường phổ thông, học tập tốt môn Vật lý sẽ giúp bạn có được những kiến thức, kỹ năng phổ thông cốt lõi về mô hình hệ vật lý, năng lượng và sóng, lực và trưownfg.
– Bạn sẽ có thể vận dụng được một số kĩ năng mà các nhà khoa học thường dùng trong nghiên cứu khoa học để khám phá, giải quyết vấn đề dưới góc độ vật lý.
– Trên cơ sở kiến thức, kĩ năng đã học, bạn sẽ có thể giải quyết một số vấn đề thực tiễn vừa sức mình, ứng xử với thiên nhiên phù hợp với yêu cầu phát triển bền vững xã hội và bảo vệ môi trường.
– Mặt khác, tri thức thu nhận được qua môn Vật lý cũng góp phần giúp bạn nhận biết được năng lực, sở trường của bản thân, định hướng được nghề nghiệp và có kế hoạch học tập, rèn luyện đáp ứng yêu cầu của nghề nghiệp mà bạn sẽ thực hiện trong trong lai.
1.2. Vật lý với cuộc sống, khoa học, kĩ thuật và công nghệ
Kết quả thu nhận được từ nghiên cứu vật lý giúp các nhà khoa học mô tả quy luật vận động tổng quát nhất của thể giới tự nhiên, từ vận động của các hạt tích điện bé nhỏ, con người, ô tô, tàu vũ trụ cho đến vận động của các hành tỉnh. Chính vì thế, vật lý có vai trò cực kì quan trọng đối với cuộc sống cũng như sự phát triển khoa học, kĩ thuật và công nghệ.
a. Vật lý với cuộc sống
– Trong cuộc sống, tri thức vật lý có ảnh hưởng rất rộng là cơ sở khoa học để chế tạo và giải thích nguyên tắc hoạt động của rất nhiều vật dụng mà chúng ta không thể liệt kê hết được. Sau đây là vài ví dụ.
– Tri thức vật lý giúp mô tả cách dòng điện chạy qua các mạch của chiếc điện thoại thông minh có chức năng định vị toàn cầu (GPS), góp phần tạo ra một vật dụng đóng vai trò to lớn trong cuộc sống.
– Tri thức vật lý là cơ sở giúp bạn hiểu cách hoạt động của lò vi sóng, giúp bạn biết vì sao không được cho vật kim loại vào lọ và tại sao hoạt động của lò vi sóng có thể ảnh hưởng đến máy điều hoà nhịp tim.
– Tri thức vật lý cũng giúp bạn giải thích tại sao bộ tản nhiệt ô tô màu đen giúp loại bỏ nhiệt trong động cơ ô tô nhiều hơn và tại sao mái nhà màu trắng giúp giữ cho bên trong ngôi nhà mát mẻ hơn là màu đen.
– Nhờ tri thức vật lý, bạn sẽ có thể nhiều hoạt động của hệ thống đánh lửa trên ô tô cũng như việc truyền tín hiệu điện qua hệ thần kinh của cơ thể, …
b. Vật lí với khoa học, kĩ thuật và công nghệ
– Vật lý học là một ngành khoa học có quan hệ mật thiết và là nền tảng cho nhiều ngành khoa học, kĩ thuật, công nghệ. Nhiều thành tựu của Vật lý học đã được ứng dụng rộng rãi, làm tiền để cho các cuộc cách mạng công nghiệp. Ngược lại kĩ thuật và công nghệ cũng góp phần thúc đẩy sự phát triển của vật lý.
– Một số ví dụ sau đây sẽ góp phần giúp bạn hình dung tri thức vật lý có ảnh hưởng và được sử dụng rộng rãi như thế nào trong các lĩnh vực khác nhau.
+ Vật lí với sự phát triển công nghệ nanô
Các nhà vật lý đã đạt được những kết quả nghiên cứu đột phá về các đối tượng có kích thước cở nanômét, cách kiểm soát năng lượng và chuyển động ở cấp độ nguyên tử. Từ đó, giúp họ khám phá các quá trình mà các nguyên tử và phân tử có thể được sử dụng riêng lẻ như các khối xây dựng để có thể tạo nên những vật dụng siêu nhỏ không thể nhìn thấy bằng mặt thường, hoăc thăm chỉ qua hầu hết các kính hiển vi. Với những công dụng gần như không tưởng nhưng kích thước chỉ bằng cỡ vài nguyên tử, những thiết bị cực nhỏ như thể đã và đang góp phần thúc đẩy sự phát triển của nhiều ngành khoa học, kĩ thuật và làm thay đổi đáng kể cuộc sống của chúng ta.
+ Vật lý với sự phát triển laser và y học
Những nghiên cứu về bức xạ ánh sáng đã giúp các nhà vật lý phát hiện ra một loại bức xạ có độ đơn sắc, độ kết hợp và tỉnh định hướng cao, đó là tia laser, Công nghệ đã rất nhanh chóng tinh chỉnh và cải thiện hoạt động của laser khiển cho việc sử dụng tia laser đã trở thành phổ biến. Sự tham gia của tia laser vảo cuộc sống của chúng ta gần như xảy ra hằng ngày. Trong y học, dao mổ bằng tia laser là dụng cụ mang lại lợi ích to lớn trong phẫu thuật Bằng loại dao mổ vô cùng tiện dụng nảy bác sĩ có thể thực hiện những vết mổ rất nhỏ, mau lành và thậm chí không để lại vết sẹo trên da.
+ Vật lí với sự phát triển giao thông:
Những tiến bộ trong nghiên cứu Vật lý lượng tử và Vật lý bản dẫn đã góp phần tạo ra công nghệ chế tạo pin và acquy thế hệ mới có thể lưu trữ năng lượng nhiều hơn. Điều này đã thúc đẩy ngành sản xuất ô tô điện, tạo ra các phương tiện giao thông thân thiện với môi trường.
+ Vật lý với sự phát triển bền vững
Những thành quả trong nghiên cứu Vật lý bản dẫn và phát triển các loại vật liệu mới cho phép tạo ra những ngôi nhà sử dụng năng lượng mặt trời, nhờ đó giảm đáng kể nhu cầu sử dụng nhiên liệu hoá thạch, trong khi vẫn đảm bảo cho chủ nhân những tiện nghi tiên tiến. Chúng ta không thể kể hết các lĩnh vực có ứng dụng tri thức vật lý.
⇒ Điều quan trọng hơn là khám phá những kiến thức về vật lý vả rèn kĩ năng để áp dụng chúng. Quá trình đó có thể giúp nâng cao năng lực giải quyết vấn đề của bạn. Các kiến thức, kĩ năng vật lý còn là cơ sở có thể giúp bạn nhận thức các ngành khoa học khác tốt hơn.
1.3. Tìm hiểu thế giới tự nhiên dưới góc độ Vật lý
a. Phương pháp nghiên cứu vật lý
– Ở THCS, bạn đã học phương pháp và kĩ năng tìm hiểu thế giới tự nhiên.
– Vật lý học là một ngành của khoa học tự nhiên, nghiên cứu thế giới tự nhiên dưới góc độ vật lý. Vật lý học sử dụng ph ng pháp nghiên cứu tin theo cùng một tiến trình như các ngành khoa học tự nhiên khác (hình 6).
Hình 6. Sơ đồ minh họa phương pháp nghiên cứu khoa học
– Phương pháp nghiên cứu khoa học được cụ thể hoá thành phương pháp tìm hiểu thế giới tự nhiên dưới góc độ vật lý. Phương pháp này được thực hiện theo tiến trình gồm cả bước sau:
+ Bước 1. Quan sát, suy luận.
+ Bước 2. Đề xuất vấn đề.
+ Bước 3. Hình thành giả thuyết.
+ Bước 4. Kiểm tra giả thuyết.
+ Bước 5. Rút ra kết luận
1.4. Sai số khi đo các đại lượng Vật lý
– Trong Vật lý, tất cả các phép đo đều chỉ có một độ tin cậy nhất định, ngoài ra sẽ có độ không tin cậy được gọi là sai số.
– Sai số trong tột phép đo khoa học là không thể tránh khỏi đối với tất cả các phép đo.
– Ví dụ, người do giỏi nhất, dùng thước đo chia độ đến militét, bằng tất cả sự cẩn thận cũng không thể đo chiều cao của ô cửa với độ chính xác đến một phần tư milimét.
– Trong các phép đo, cần đảm bảo sai số cảng nhỏ càng tốt.
a. Sai số ngẫu nhiên
+ Sai số ngẫu nhiên là kết quả của những thay đổi trong các lần đo do các điều kiện thay đổi ngẫu nhiên thời tiết, độ ẩm, thiết bị, …) gây ra. Sai sổ ngẫu nhiên có giá trị khác nhau trong các lần đo.
+ Thực hiện đo lập đi lặp lại nhiều lần sẽ làm giảm nhưng không thể loại bỏ được hết sai số ngẫu nhiên.
b. Sai số hệ thống
+ Sai số hệ thống là sai số có giá trị không đổi trong các lẫn đo, được tiến hành bằng cùng dụng cụ và phương pháp đo.
+ Khác với sai số ngẫu nhiên, không thể làm giảm sai số hệ tống bằng cách đo lặp đi lặp lại, mà phải cải tiến đụng cụ hoặc phương pháp đo.
c. Giá trị trung bình
+ Để khắc phục sai số ngẫu nhiên, phải lặp lại phép do nhiều lần. Khi do n lần cùng một đại lượng A, ta được các giá trị A1, A2,….An
+ Giá trị trung bình được tính là \(\overline A = \frac{{{A_1} + {A_2} + … + {A_n}}}{n}\)
d. Sai số của phép đo
– Giá trị tuyệt đối của hiệu số giữa giá trị trung bình và giá trị của mỗi lần do được gọi là sai số tuyệt đối ứng với lần đo đó.
\(\Delta {A_1} = |\overline A – {A_1}|;\Delta {A_2} = |\overline A – {A_2}|;\Delta {A_3} = |\overline A – {A_3}|…\)
– Sai số tuyệt đối trung bình của n lần đo được tính bằng \(\overline {\Delta A} = \frac{{\Delta {A_1} + \Delta {A_2} + … + \Delta {A_n}}}{n}\)
– Sai số tuyệt đối của phép đo là: \(\Delta A = \,\overline {\Delta A} + \Delta A’\) với \(\Delta A’\) là sai số hệ thống.
– Nếu trong phép đo là sai số hệ thống chỉ là sai sử dụng cụ thì thường lấy bằng nửa độ chia nhỏ nhất trên dung cụ đó (ví dụ: thước đo chiều dài, đồng hồ đo thời gian,…)
– Với các dụng cụ đo hiễn sổ và một số loại dụng cụ đo điện, sai sủ dụng cụ được quy định riêng.
e. Viết kế quả phép do
– Kết quả đo một đại lượng A nào đó được biểu diễn dưới dạng một khoảng giá trị cỏ chra giá trị thực của đại lượng A \((\overline A – \Delta A) \le A \le (\overline A + \Delta A)\)
– Kết quả trên có thể viết dưới dạng \(A = \,\overline A + \Delta A\)
f. Sai số tỉ đối
– Sai số tỉ đối là tỉ số (tính ra phần trăm) giữa sai số tuyệt đốt và giá trị trung bình của đại lượng cần đo: \(\delta A = \frac{{\Delta A}}{{\overline A }}.100\% \)
– Sai số tỉ đi cùng nhỏ, phép đo càng chính xác.
1.5. Một số quy định về an toàn
– Ở môn Khoa học tự nhiên, bạn đã làm quen với việc giữ an toàn khi làm việc ở nhưng thực hành. Khi học tập ở phỏng thực hành cần tuân theo hướng dẫn của thầy cô giáo và thực hiện các quy định của phong thực hành.
– Ở hình sau đây là một số biện cảnh báo về những nguy cơ có thể xảy ra ở nơi có các biển cảnh bảo này. Bạn cần hiểu từng cảnh báo trước khi bắt đầu học tập ở phòng thực hành vật lý.
Biển cảnh báo an toàn