TỔ CHỨC HOẠT ĐỘNG NHẬN THỨC CHO HỌC SINH TRONG DẠY HỌC VẬT LÝ Ở TRƯỜNG PHÔ THÔNG

NGUYỄN ĐỨC THÂM - NGUYỀN NGỌC HƯNG TỔ Chức Hoạt Động Nhận Thúc Cho Học Sinh TRONG DẠY HỌC VẬT LÝ • • • TRƯỜNG PHỔ THƠNG NGUYEN DUG THAM - NGUYEN NGỌC HƯNG TÔ CHỨC HOẠT ĐỘNG NHẬN THỨC CHO HỌC SINH TRONG DẠY HỌC VẬT LÝ TRƯỜNG PHÔ THÔNG (In lon thứ 4) NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI LỜI NÓI ĐÂU Sự nghiệp cơng nghiệp hố, đại hố đất nước địi hỏi ngành giáo dục phải "đổi mạnh mẽ phương pháp giáo dục - đào tạo, khắc phục lối truyền thụ chiều, rèn luyện thành nếp tư sáng tạo người học" Nghị Trung ương 2, khoá rõ Một biện pháp quan trọng để thực đường lối đưa học sinh vào vị trí chủ thể hoạt động nhận thức, thông qua hoạt động tự lực thân mà chiếm lĩnh kiến thức, phát triển lực trí tuệ Đổi phương pháp dạy học việc làm phức tạp, khó khăn địi hỏi người dạy người học phải đấu tranh gian khổ với thói quen có từ lâu đời dạy học : Người dạy trọng giảng giải, minh hoạ, truyền thụ chiểu, nhồi nhét kiến thức cho học sinh; người học thụ động tiếp thu, ghi nhớ, nhắc lại Để thay đổi nếp dạy học lạc hậu, hiệu đó, phải thực nhiều giải pháp đồng bộ, nhiều cơng trình nghiên cứu hoạt động học học sinh Cuốn sách giới thiệu biện pháp đảm bảo cho học sinh hoạt động nhận thức có hiệu dạy học vật lý, đặc biệt tổ chức rèn luyện cho học sinh kỹ phương pháp hoạt động nhận thức vật lý phổ biến Việc đổi phương pháp dạy học theo hướng trỏ thành cấp bảch, đuợc đưa vào chương trình đào tạo nghiệp vụ cho sinh viên trường Sư phạm, chương trình tồi dưỡng thường xuyên cho giáo viên vật lý THPT chu kỳ 1996 - 2000 cho bậc đào tạo thạc Sỹ, nghiên cứu sinh Các tác giả trình bày sách tài liệu chuin khảo.có thể phục vụ cho đốì tượng thuộc nhiều trình độ khác nihau Mỗi chương sách đểu có tính chất độc lập tương đối Tuỳ theo đối tượng học, bỏ bớt số chương, số mục trrong chương cho phù hợp với yêu cầu Để cho sách mang tính chất thiết thực, tác giả đỉã cố gắng đưa nhiều ví dụ cụ thể việc vận dụng phương pháp mhận thức dạy học vật lý Nhiều ví dụ đă rút từ bàu học thực nghiệm ỏ trường phổ thông năm gần TỔ chức hoạt động nhận thức học sinh dạy học vrật lý vấn để thời mẻ, cần phải thử nghiệm, cải tiến nhiểui qua thực tiễn dạy học Các tác giả mong nhận phê bình, góp ý độc ; giả Các tácc giả CHƯƠNG BẲN CHẤT HOẠT CỦA VIỆC • ĐỘNG • • HỌC • TẬP • VẬT • LÝ TRƯỜNG PHỔ THƠNG 1.1 Mục đích dạy học tro n g giai đ oạn cơng nghiệp hố, h iê n đ a i h o đ ấ t nước • # Chúng ta bước vào ngưỡng cửa kỳ 21 Đất nước ta bước vào thời kỳ cơng nghiệp hố, đại hố, chuyển từ chế kế hoạch hoá tập trung sang chế thị trường có quản lý Nhà nước Thế giới xảy bùng nổ tri thức khoa học công nghệ Xã hội phồn vinh ỏ kỷ 21 phải xã hội "dựa vào tri thức", vào tư sáng tạo, vào tài sáng chế ngưịi Để vươn lên được, phải học hỏi kinh nghiệm nước tiên tiến mà phải biết áp dụng kinh nghiệm cách sáng tạo, tìm đường phát triển riêng phù hợp với hồn cảnh cụ thể đất nước Tình hình địi hỏi giáo dục nước ta phải đổi mạnh mẽ, sâu sắc, tồn diện để đào tạo cho đất nước người lao động hoạt động có hiệu hồn cảnh m ới Nghị Hội nghị lần thứ hai Ban chấp hành Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam khoá VIII rõ : Từ đến năm 2000, "Mục tiêu yếu thực giáo dục toàn diện dạo đức, trí dục, thể dục ỏ tất bậc học H ết sức coi trọng giáo dục trị tư tưỏng, nhân cách, khả náng tư duy- sáng tạo lực thực hành" Để thực mục tiêu đó, có nhiều việc phải làm ỏ tầm vĩ mơ cúa Nhà nước, tồn xã hội ỏ tầm vi mô trường học, lớp học, giáo viên, học sinh Những vấn đề ỏ tầm VTĨ mô mục tiêu giáo dục, hệ thơng giáo dục, thiết kế chương trình, ccung cấp phương tiện dạy học, sách đốì với người dạy, nguời i học v.v ; ỏ tầm vi mô phương pháp giáo dục, phương pháp dạy học, Ihoạt động giáo viên học sinh trình dạy học Những vấín để tầm vĩ mơ vi mô tác động qua lại, ảnh hưởng lẫn Tuy nhhiên, chất lượng giáo dục thể ỏ sản phẩm cuối phẩm chất, mhân cách học sinh Điểu quan tám trước hết cuối cùng: người giáo viên, nhân vật chủ chốt công tác giáo dục d ạy học làm thê cho học sinh thịi gian qui định chương trình đào tạo đạt yêu cầu mà xã hội đặt rai cho nhà trường Điểu đáng ý : Mục đích giáo dục ngày nước tea giới không dừng lại việc truyền thụ cho học sinh nhiững kiến thức, kỹ loài người tích luỹ trước đây, mà cịm đặc biệt quan tâm đến việc bồi dưỡng cho họ lực sáng tạo nhữnig tri thức mới, phương pháp mới, cách giải vấn đề ITỊỚÌ phù hợpp với hồn cảnh đất nước, dán tộc Trong xã hội phát triến rmạnh kỷ 21, người lao động phải biết đổii kiến thức lực cho phù hợp với phát triển Ikhoa học, kỹ thuật Lúc đó, người lao động phải có khả tự định hiướng tự học để thích ứng với địi hỏi xã hội Giáo dục ý đến yêu cầu xà hội nguời lao động, mà phải c;hú ý đến quyền lợi, nguyện vọng, lực, sỏ trường cá nhán Sự phát triển đa dạng cá nhân dẫn đến phát triển mau lẹ, toàn diệện hài hoà xã hội 1.2 Dạy học hoạt động, thông qua hoạt dộng học S ỉ i n h Để thực mục tiêu đổi giáo dục trên, phải, giải đồng nhiều mặt có liên quan đến giáo dục Riêng mặt phương pháp giáo dục, phương pháp dạy học, nghị Trung ươĩng rõ : "Đổi mạnh mẽ phương pháp giáo dục - đào tạo, khác phục lối truyền thụ chiểu, rèn luyện thành nếp tư sáng tạo người học, bước áp dụng phương pháp tiên tiến phương tiện đại vào trình dạy học, đâm bảo điểu kiện thời gian tự học, tự nghiên cứu cho học sinh, sinh viên đại học" Thành tựu quan trọng tâm lý họe kỷ 20 dùng làm sỏ cho việc đổi phuơng pháp dạy học lý thuyết hoạt động Vưgôtxki khởi xướng A.N.Lêônchiep phát triển Theo lý thuyết này, hoạt động thông qua hoạt động, người tự sinh thành minh, tạo dựng phát triển ý thức nhân cách Vận dụng vào dạy học, việc học tập học sinh có chất hoạt động : Bằng hoạt động, thông qua hoạt động thân mà chiếm lĩnh kiến thức, hình thành phát triển lực trí tuệ quan điểm đạo đức, thái độ Việc học tập học sinh loại hoạt động đặc thù người Nó có cấu trúc giống hoạt động lao động sản xuất nói chung, bao gồm thành tố có quan hệ tác động đến : Một bên động cơ, mục đích, diều kiện bên hoạt động, hành động thao tác Động quy định hình thành diễn biến hoạt động % : muốn thoả mãn động ấy, phải thực hành động để đạt mục đích cụ thể cuối hành động thực nhiều thao tác xếp theo tttinh tự xác định, ứng với thao tác phải sử dụng phươn g tiện, công cụ thích hợp Hoạt động có đốì tượng Thơng thường, hoạt động khác có đõì tuợng khách thể, hoạt động hướng vào làm biến đổi khách thể Trong đó, hoạt động học lại làm cho chủ thể (người học) hoạt động biến đổi phát triển Đối tượng cú-a hoạt động học tri thức, kỹ năng, kỹ xảo cần chiếm lĩnh Nội dung đối tuợng không hể thay đổi sau bị chiếm lĩnh, nhờ có chiếm Dnh mà chức tám lý thể thaw đổi phát triển Kết việc học tập phụ thuộc chủ yếu vào hoạt độ'ng học học sinh Như vậy, nhiệm vụ cúa giáo viên tổ chức, hướng dẫn hóạt động học học sinh để thơng qua hoạt động đó, học sinh lĩnh hội văn hố xã hội, tạo phát triển nhõng phẩ.m chất tâm lý, hình thành nhân cách họ Muốn tổ chức, hướng dẫn tốt hoạt động học tập vật lý C’ủ a học sinh mà thực chất hoạt động nhận thức vật lý, người giáo viiên cần nắm quy luật chung trình nhận thức khoa học lơgiic hình thành kiến thức vật lý, hành động thường gặp tromg trình nhận thức vật lý, phương pháp nhận thức vật lý phiổ biến để hoạch định hành động, thao tác cần thiết học sinhi trong' trình chiếm Enh kiến thức hay kỹ xác đinh wà cuối là: cần nắm biện pháp để động viên khuyến khiích học sinh tích cực, tự lực thực hành động đó, đánh giá kết qu:ả hành động Dưới đây, xem xét vấn để trêni 1.3 Con đường nhận thức vật lý 1.3.1 Quy lu â t chung trìn h nhận thức châm lý Nhận thức vật lý nhận thức chân lý khách quan V.I Lênin rõ quy luật chung hoạt động nhận thức : "TTừ trực quan sinh động đến tư trừu tượng từ tư trừu tượmg đến thực tiễn, đường biện chứng cúa nhận thức chân* lý, nhận thức thực khách quan" Tâm lý học đại cho : Trong việc nhận thiức thiế giới, người đạt mức độ nhận thức khác nh.au, cừ thấp đến cao, từ đơn giản đến phức tạp Mức độ thấp ban đầu nhận thức cảm tính bao gồm cảm giác tri giác, người phản ánh vào óc biển bên vật khách quan, tác động trực tiếp vào giác quan Mức độ cao gọi nhận thức lý tính, cịn gọi tif duy, người phản ánh vào óc thuộc tính chất bên vật, mối quan hệ có tính quy luật Dựa liệu cảm tính, người thực thao tác phân tích, so sánh, tổng hợp, khái quát hoá, trừu tượng hoá để rút tính chất yếu đối tượng nhận thức xây dựng thành khái niệm Mỗi khái niệm diễn đạt từ ngữ Mốì quan hệ thuộc tính vật chất biểu thị mốỉ quan hệ khái niệm dạng mệnh đề, phán đoán Đến đây, người tư khái niệm Sự nhập thức không dừng lại phản ánh vào óc thuộc tính vật, tượng khách quan mà thực phép suy luận để rút kết luận mới, dự đoán tượng thực tiễn Nhờ mà tư ln có tính sáng tạo, mỏ rộng hiểu biết COĨ1 người vận dụng hiểiầ biết vào việc cải tạo giới khách quan, phục vụ lợi ích người Đ6 quy luật chung trình nhận thức chân lý Tuy nhiên, ngành khoa học, trình nhận thớc có nét đặc thù, tuỳ thuộc vào dốì tượng nhận thức cụ thể Mỗi khoa học trỏ thành khoa học thực có hệ thống khái niệm rõ ràng phương pháp nghiên cứu có hiệu A Anhstanh cho : " Khoa học sưu tập định luật, tổng hợp tượng khơng liên hệ với Nó sáng tạo trí tuệ người tư tưdng khái niệln phát minh cách tự Các lý thuyết vật lý cố tạo nên tranh thực thiết lập liên hệ với giới rộng lớn cảm giác" Thế giới vật chất tồn khách quan, không phụ thuộc ’Vào ý muốn ngiíời, người nhận biết dâu hiệu bên ngồi nhờ tác động lên giác quan, cảm giác người phát triển bình thường vật, UíỢng điều kiện giống Nhitng giải thíclĩi bàn chất nguyên nhân chúng lại có nhiều ý kiến khác nhaut, dẫn tới dùng nhiều khái niệm khác Nội dung khái niệm cố định mà phát triển theo trình độ nhận thức, cơing cụ hoạt động người Vấn đê chỗ: Con người phải hoạt dộng để nhận thức chân lý Lịch sử vật lý học cho thấy : Quá trình nhận thức wật lý luôn diễn suôn sẻ, thuận lợi mà ln có mâu thuẫn, đấu tranh liệt, sống mái tư t.ưỏng, quan điểm, phương pháp cũ Nhờ mà cáic nhà khoa học xây dựng khái niệm, định luật, nhữmg mơ hình, lý thuyết vật lý phản ánh ngày xác hơto tượng vật lý, bao quát nhiều lĩnh vực khác vật lý học Dưới đây, điểm qua số mốc trêm đường nhận thức nhọc nhằn, gian khổ 1.3.2 Vật lý thời cổ đ i Trong thời kỳ cổ đại, khoa học chưa phân ngành chitía tách khỏi triết học Mơn Triết học tự nhiên nhà hiển triết cổ Hiy Lạp triết học thiên nhiên Mục đích tìm hiểu V'à giải thích thiên nhiên cách tồn mà chưa vào lĩnh V'ực cụ thể Phương pháp suy lý trừu tượng, người tiêu biểu /Aristốt 10 (384-322 trước cơng ngun) Ơng người dầu tiên sáng tạo lơgic học khoa học cúa suy lý giá trị ngày Các nhà hiền triết thời đại cho : Có thể dùng suy lý, tranh luận để tìm chân lý Vì vậy, nhiều họ thay môi quan hệ có thật chưa biết mơi quan hệ tưởng tượng Với phitơng pháp nhận thức nhu thế, dẫn đến nhận thức sai lầm, sau lại bị giáo hội Giatơ bóp méo, lợi dụng, kìm hãm phát triển khoa học, khiến cho khoa học bị trì trệ suốt thời kỳ trung cổ 1.3.3 Galỉlê vảt lý học Mãi đến kỷ 16, nhà vật lý học vĩ đại Galilê (1564-1642) - ông tổ vật lý thực nghiệm, vật lý học trỏ thành khoa học độc lập Galilê cho : Những tranh luận suông đùng suy lý trừu tượng thời cổ đại vô bổ không dẫn đến chân lý, gặp khó khăn mà suy lý khơng giải lại viện lý : Đó ý Chúa ! Ông cho : Muốn hiểu biết thiên nhiên phải trực tiếp quan sát thiên nhiên, phải làm thí nghiệm, phải "hỏi thiên nhiên" khơng phải hỏi Aristốt kinh thánh "phải thiên nhiên phán xét ngưòi tranh luận với vể thiên nhiên" Ơng ngiídi đặt móng cho phitơng pháp thực nghiệm, phương pháp hiệu nghiệm để nghiên cứu thiên nhiên Phương pháp nhà khoa học tiếp sau phát triển hoàn thiện Spaski nêu lên thực chất phương pháp thực nghiệm Galiỉê sau : Xuất phát từ quan sát thực nghiệm, nhà khoa học xây dựng giả thuyết Giả thuyết không đơn giản tổng qt hố thí nghiệm đâ làm, cịn chứa đựng mẻ, khơng có sẵn thí nghiệm cụ thể Bằng phép suy luận lơgic tốn học, nhà khoa học từ giả thuyết mà n số hệ quả, tiên đoán số kiện trước chưa biết đến Những kiện hệ qixả lại thực nghiệm kiểm tra, 11 kiểm tra thành cơng, khẳng định già thuyết, biến giả thuyết thành định luật vật lý xác Như vậy, phương pháp thực nghiệm có tính hệ thống, tính khoa học; có chức nâng nhận thức luận ,vì hướng đến tổng qt hoá mặt lý thuyết kiện thực nghiệm phát chất cúa vật, tượng Phương pháp thực nghiệm với sức thuyết phục c ụ thể lớn lao nó, có khả nhanh chóng đánh đổ lý thuyết, tư tường lỗi thời thống trị lúc tạo điều kiệm ban đầu cho khoa học thám nhập vào đông đảo quần chúng,, vào người lao động X 1.3.4 N iutơ n học c ổ điển Galilê đặt móng cho việc nghiên cứu chiuyển động vật thể, phải đợi đến Niutơn (1641-1727), lầm học trình bày cách có hệ thống tác phẩim tiếng ơng "Ngun lý tốn học triết học tự nhiên", ỏí đây, Niutơn xây dựng hoàn chỉnh khái niệm địnhi luật cd học (những khái niệm : Không gian, thời gian, vận tốc, lực,, khối lượng, ba định luật chuyển động, ngày gọi ba địnhi luật Niutơn định luật vạn vật hấp dẫn) Với khái niệm địnln luật trên, với việc sử dụng cơng cụ tốn học, Niutơn giải quyếit trọn vẹn toán chuyển động vật thể trái đất c*ủa mặt trăng, mặt trời, hành tinh khác vũ trụ Nếu biết trạng thái ban đầu vật lực tác dụng lên vật, ta xác: định cách đơn giá trạng thái tương lai vật Sự thànhi cơng lớn lao cho phép tin rằng: Những quy luật học Niutơn C(ó tính phổ biến toàn vũ trụ áp dụng cho vật V’ũ trụ Những thành công vô lớn ỉao học Niutơn làim cho Niutxm nhà khoa học khác tin : Cơ học Niutơn Ikhơng giải thích tượng học mà cịn giải thích tượng khác vật lý tượng nhiệt, tượng 12 điện họ cho : Các tượng khác quy tượng học Về sau, nhà bác học die, Đalămbe, Lagrangiơ, Laplaxơ vận dụng phép từih vi phân phát triển học Niutơn lên bưốc nữa, trờ thành hệ thống khoa học loài người xây dựĐg cách chặt chẽ có hệ thống Sự mỏ rộng phạm vi ứng dụng khái niệm định luật học Niutơn sang lĩnh vực khác vật lý học thắng lậ rực rỡ học Niutơn, mà xuất nhăng mâu thuẫn lý thuyết thực nghiệm, bộc lộ bạn chế học Niutơn Phương pháp mà Niutơn dùng kết hợp chặt chẽ thí nghiệm suy luận ]ý thuyết, có trợ giúp mạnh mẽ cơng cụ tốn học, kết hợp chặt chẽ qui nạp diễn dịch Ông nêu qui tắc Bghiên cứu sau : c) Qui tắc : Đối với tượng không thừa nhận nhữn nguyên ahân khác nguyên nhân đủ để giải thích Qui tắc láy khẳng định vai trị lý trí người nhận thức chín lý, gạt bỏ luận điểm tơn giáo, kinh viện, khơng có liên quan đếi khoa học t) Qui tắc :Những tượng Ịuônđơợc quy mệt nguyên nhân Qui tắc thể tư tưỏng nhản định luận Niuton : Một nguyên nhân xác định phải gây hệ xác lịnh ọj (Ịut tắc 3: Tính chất tất vật đem thí nghiệm được, nà ta khơng thể làm cho tảng lên giảm xuống coi tnh chất vật nói chung Qui tắc sự.quy nạp khoa học, ch> phép ta khái qt hóa nhừng trường hợp riêng lẻ để tìm tịnh luật tổng quát 13 d) Qui tắc : Bất kỳ khẳng định rút từ t:hực nghiệm, phương pháp qui nạp đểu đúng, chừng chiưai có tượng khác giới hạn mâu thuẫn với khẳng địnih Qui tắc thể quan điểm biện chứng tính tương dối tmyệt đối chân lý Nó thừa nhận chân lý khoa học đtược chinh xác hố thêm, đuợc hồn chỉnh thêm bước một, nihng bước q trình nhận thức, hồn tồn có gũá trị khoa học 1.3.5 Lý thuyết trường điện từ Faraday Macxcoem Ngày nay, biết có hai dạng vật chất chíất, trường Những tượng xảy chất (các vật thể có hùnh dạng,kích thưốc, khối lượng rõ ràng), ta quan sát trực tiếp biằng giác quan nhitng ta không trực tiếp quan sát trường Bởi vậy/, việc thừa nhận trường dạng vật chất điều râYt khó khăn Càng khó khăn tính chất điện từ trườmg lại khác với quan niệm học Niutơn lúc tỏ vững Cho tới cuối kỳ XVIII, việc nghiên cứu điện từ đượcc tiến hành độc lập nhau, thản diện từ coi mhững tượng tách rời nhau, khơng có liên quan với Klhi đó, Culơng phát minh định luật lực tương tác điện tíích lực tác dụng từ cực : F, = k - r2 m, m, F„ = k r2 Các lực có dạng giống lực hấp dẫn theo định luậỊt vạn vật hấp dẫn Niutơn Sự giống dạng cơng thức cíủa lực 14 từ lực điện khiến cho ơcstet đặt vấn để tìm mối quan hệ điện từ phát minh định luật ơcstet (1820) vể tác dụng dòng điện lên nam châm Thí nghiệm ơcstet lại gợi ý cho nghiên cứu Faraday Ông đặt vấn đề nhu sau : Nếu thí nghiệm ơcstet, điện biến thành từ nguợc lại, liệu có cách biến từ thành điện khơng ông phát minh định luật cảm ứng điện từ (1831) Tiếp theo đó, Ampe tìm cơng thức lực tương tác hai dòng điện: Bio, Xava Laplaxơ tìm cơng thức lực tương tác dòng điện từ cực: I, đli 1? dl2 dF = k - r2 m i dl dF = k - r* Năm 1852, Faraday bắt đầu nghiên cứu khái niệm đường sức từ Đầu tiên mơ hình dùng để mơ tả phân bơ' Ịực tác dụng từ trường lên nam châm thử, không mang ý nghĩa vật lý sâu sắc Nhưng vận dụng mơ hình vào việc giải thích tượng diện từ ngày tỏ có hiệu quả, đặc biệt tượng điện trường biến đổi sinh từ trường ngược lại từ trường biến đổi sinh điện trường, không phụ thuộc vào nguồn điện nam châm nguồn từ Điều dẫn Faraday đến ý tưởng mơ hình đường sức khơng phải hồn tồn hình thức mà có ý nghĩa vật lý, nghĩa đề cập đến khả tồn mặt vật lý chúng, có nghĩa khả tồn mật vật lý điện từ trường Macxoen (1831 - 1879) người tiếp tục phát triển tư tưỏng Faraday xây dựng lý thuyết trường điện từ cách hoàn chỉnh Macxoen xuất phát từ mơ hình học, phát triển khái niệm đường sức Faraday Macxoen coi điện tương tự 15 dòng chất lỏng xây dựng mơ hình thuỳ động lực học điện., 'Vối ống dịng, sức căng điện Ơng coi điện từ trườmgr có thật, thể trạng thái ête vũ trụ, điện tích nhiữỉng điểm tập trung điểm dãn ête Macxoen khái qit hố q trình cảm ứng cách đưa khái niệm véc tơ điện cdịtch Trong ête tuý, biến thiên véctơ điện dịch theo thịi giian có tác dụng dòng điện gọi dòng điện dịch Mac:xcnen khái quát hoá định luật cảm ứng điện từ Trước kia, Farratday nghiên cứu trình cảm ứng dây dẫn khép kán Macxoen coi trình cảm ứng điện từ xuất điưịíng sức khép kín điện trường xung quanh từ thơng biến tlhiiên, đường sức xuất dây dẫn, chất điện m(ôi ête t nữa; nói cách khác, từ thơng b)iến thiên phát sinh điện trường xoáy Do khái quáit đó, Macxoen thành lập hệ phương trình vi phân tiếng imang tên ơng Những phương trình Macxoen cho phép giải tán điện động lực học vể phương trình Macxoen, AnhíStanh nhận xét : "Sự thiết lập phương trình kiện quan trọng vật lý học từ thời Niutơn, khơng p)hong phú nội dung mà cịn kiểu mẫu loại định luật: Những nét đặc trưng hệ phương trình Macxoen thể cà phương trình khác vật lý học đại, tóm tắt tronfg cầu : Các phương trình Macxoen định luật biểu diễn cấu trúíc trường" Các phương trình Macxoen khơng mơ tả ttượng biết Nhờ suy diễn tốn học, từ phương trình Macxoen,, ta tìm thấy tính chất lạ trường Từ phương trình Macxoen, suy rằng: Chung quanh điện tích dao động xuấtt điện trường biến đổi, điện trường biến đổi lại gầy từ triíờnịg biến 16 đổi, biến đổi tạo thành sóng điện từ Năng lượng xạ từ điện tích dao động truyền không gian với vận tốc hữu hạn Són g sóng ngang Các phương trình Macxoen dự đốn rằng: Sóng điện từ truyền chân không với vận tốc hữu hạn, gần vận tốc ánh sáng Hai mươi năm sau, Hecxơ chế tạo máy p h át sóng điện từ đầu tiên, nghĩa chứng minh tồn thực sóng điện từ thực nghiệm xác nhận rằng: Vận tốc vận tóc ánh sáng Anhstanh cho rằng: "Sự phát sóng điện từ truyền với vận tốc vận tốc ánh sáng(bằng lý thuyết)là thành tựu vĩ đại khoa học" Việc xây dựng phương trình Macxoen coi ví dụ điển hình phương pháp mơ hình vật lý học, mơ hình trừu tượng - tốn học sau, loại mơ hình cịn sử dụng có hiệu lĩnh vực khác nhau, đặc biệt vật lý lý thuyết Đáng ý rằng: Phương pháp mơ hình nhiều dự đốn kết lạ bất ngờ mà hàng chục năm sau, người ta kiểm tra thực nghiệm Các nhà vật lý đểu cơng nhận vai trị lớn lao mơ hình sử dụng mơ hình để xây dựng lý thuyết, đồng thời nhấn mạnh tính gần đứng, tính thời mơ hình, mơ hình cho phép ta dựng nên hình ảnh tượng cần nghiên cứu, khơng thể thay hồn tồn tượng í.3.6 A n h sta n h thuyết tương đối Người ta coi Anhstanh người sáng lập vật lý đại đóng góp vĩ đại ơng việc xây dựng thuyết tương dốì thuyết lượng tử ngày thâm nhập vào hầu hết cốc ngành vật lý đại Anhstanh đă đưa vào vật lý quan điểm giới có tính chất cách mạng, trái với quan điểm học cổ điển - TCHĐNT 17 phương pháp có hiệu quả; nhò mà nhận thức giới cách tinh tế, sâu sắc Ta xét trình phát minh, thuyết tương đốì hẹp để hiểu phương pháp ông Cuối kỷ XIX, vật lý học đạt thành tựu to lớn đến mức nhiều nhà vật lý có uy tín lúc cho : Vật lý bọc tìm định luật tự nhiên, giải thích, dự đốn dược tượng học, nhiệt học, điện học, quang học khơng cịn để phát minh Đúng lúc xuất hai kiện thực nghiệm giải thích lý thuyết cũ Đ6 kết thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng Maikenxơn thí nghiệm nghiên cứu xạ cuả vật đen tuyệt đối Như ta biết, học Niutơn thừa nhận khơng gian tuyệt đốì là' khơng gian thực đứng yên hệ qui chiếu quán tính hệ chuyển động thẳng đứng yên so với khơng gian tuyệt đối Theo ngun lý qn tính Galilê (ngun lý qn tính cổ điển) ta khơng thể dùng thí nghiệm học để phân biệt xem hệ đứng yên hay dang chuyển động thẳng Nói cách khác, thí nghiệm học không cho phép ta phát chuyển động qn tính tức khơng cho phép ta phát không gian tuyệt đối Đến cuối thê kỷ XIX, kỹ thuật thực nghiệm cho phép đo vận tốc ánh sáng cách xác (khoảng gần 300.000km/s) khẳng định thuyết điện từ vể ánh sáng Để giải thích truyền ánh sáng khơng gian, người ta thừa nhận môi trường giả định gọi ête vũ trụ, có mặt khắp nơi vũ trụ đứng n khơng gian tuyệt đối Do đó, nhà vật lý học hy vọng : Nếu thí nghiệm học khơng cho phép phát khơng gian tuyệt đốì thí nghiệm quang học cho phép làm việc 18 Thí nghiệm Maikenxơn thí nghiệm nhằm mục đích phát chuyển động không gian tuyệt đối Ngun tắc thí nghiệm sau : Trái đất chuyển động quỹ đạo quanh mặt trời với vận tốc 30km/s Nếu không gian chứa đầy ête vũ trụ đứng yên chỗ, trái đất chuyển dộng, phải có luồng "gió ête" thổi ngược lại, giông người xe ôtô lúc trời lặng gió thấy có luồiig gió thổi ngược Trong thí nghiệm Maikenxơn, tia sáng tách thành hai tia kết hợp, truyền theo hai phương vng góc với nhau, phản xạ gương phảng, truyền tới giao thoa kế tạo hình ảnh giao thoa định Nếu ta thay đổi vị trí thí nghiệm, tức thay đổi phương truyền ánh sáng, vận tốc ánh sáng đường khác thay đổi, giống vận tốc thuyền thay đổi bơi ngược, bơi xi hay bơi ngang dịng sơng Do đó, hĩnh ảnh giao thoa thay đổi, đo độ dịch chuyển vân giao thoa, phép tính lý thuyết cho phép ta xác định vận tốc "gió ête" Thí nghiệm Maikenxơn thực lần năm 1881 Năm 1887, cải tiến để đạt mức xác cao, cho phép phát gió ête với vận tốc 3km/s trỏ lên (bằng 1/10 vận tốc trái đất khơng gian) Từ tói năm 1905, cịn cải tiến nhiều lần để tiếp tục nâng cao mức xác lên Nhưng thí nghiệm xác lại khảng định kết luận ngược với lịng mong muốn: Khơng phát gió ête Số đông nhà vật lý xuất phát từ quan niệm cổ điển khơng thể từ rú t kết luận : Khơng có gió ê tê, khơng có ête vũ trụ, khơng có khơng gian tuyệt đối Nhiều giả thuyết ĩ)êu để giải thích kết phủ định thí nghiệm Maikenxơn khơng thành công lý thuyết cổ điển đành chịu bất lực 19 Trước tình hình đó, Anhstanh thừa nhận kết thực nghiệm khách quan, công nhận lý thuyết cũ khơng có khả măng giải thích tìm lý thuyết có khả nàng giải thích tượng Thuyết tương đối hẹp Anhstanh xây dựng sỏ hai tiên để (cũng gọi hai nguyên lý) Theo tiên đề thứ nhất, ta dùng thí nghiệm vật lý để xác định xem hệ đứng yên hay chuyển động thẳng Đó mở rộng nguyên lý tương dối Galilê thừa nhận nghiệm học Nói có nghĩa khơng có tượng vật lý cho phép ta phát chuyển động qn tính, phát khơng gian tuyệt đối chuyển động tuyệt đổi Thí nghiệm Maikenxơn khơng ghi nhận gió ête thực tế, khơng có ête vũ trụ, khơng có khơng gian tuyệt đối Có thể nói rằng: Thuyết tương đối Anhstanh dứt khốt loại trừ khỏi khoa học khái niệm không gian tuyệt đối ête vũ trụ Theo tiên đề thứ hai thuyết tương đốì, vận tốc truyền ánh sáng chân khơng khơng đổi, khơng phụ thuộc phương truyền chuyển động nguồn sáng Theo tiên để này, ta có thề giải thích cách dễ dàng kết thí nghiệm Maikenxơn: Khi thay đổi phương truyền ánh sáng vận tốc truyền ánh sáng không đổi, thời gian để tia sáng truyền từ nguồn sáng đến giao thoa kế không đổi khơng có lý bắt buộc vân giao thoa phải dịch chuyển Nhưng nguyên lý lại mâu thuẫn vối lý thuyết cổ điển, mâu thuẫn với định lý cộng vận tốc quen thuộc học Nếu ta thừa nhận ánh sáng truyền ête vũ trụ giống âm truyền khơng khí khơng thể chấp nhận nguyên lý vận tốc không đổi ắnh sáng Nhưng ta xố bỏ vai trị ête vũ trụ, ta coi ánh sáng tự truyền chân khơng mà khơng cần dựa vào mơi trường đàn hồi ngun lý khơng có mâu thuẫn 20