Khoa học về vật chất và Năng lượng docx

Thật khó tìm hiểu sự tác động của một công nghệ như thế đối với cuộc sống của chúng ta, và về vô số các quan hệ hóa học, sinh học và vật lí học, cùng các quá trình chi phối thế giới của

Ảnh: IBM Research

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 kịch tính cuộc sống của chúng ta trong những năm sắp tới Thật vậy, một số nhà nghiên cứu hàng đầu tin rằng

“thời đại nano” đã bắt đầu rồi Khung hình nhỏ “người phân tử” gồm 28 phân tử carbon monoxide, và “chiếc đàn ghita” ở trang sau là kết quả của việc các nhà nghiên cứu giải trí cùng công nghệ nano

Công nghệ nano, ngành khoa học và công nghệ mới xuất hiện nghiên cứu xây dựng các dụng cụ cơ giới từ các đơn nguyên tử, tìm cách điều khiển năng lượng và chuyển động ở cấp độ nguyên tử Một khi đã hoàn thiện, công nghệ nano sẽ cho phép các cỗ máy hiển vi thực hiện những nhiệm vụ phức tạp từng nguyên tử một, từng phân tử một Hãy tưởng tượng một dụng cụ rô bôt nhỏ xíu có thể lập trình trước để tạo ra những sản phẩm nhất định, như giấy hoặc thép, đơn giản bằng cách trích xuất các nguyên tử cần thiết từ khí quyển, theo kiểu giống hệt như một cây khoai tây hấp thụ các chất dinh dưỡng từ đất, nước và không khí, và tổ chức lại chúng để tạo ra nhiều khoai tây hơn

Multi-Lab:

Tư duy Vật lí!

1.1 Vật lí: Một cánh cửa nhìn vào

Vũ trụ

1.2 Chiến lược giải quyết vấn đề

1.3 Khảo sát, Thực nghiệm và Đo

Hãy tưởng tượng một cỗ máy có thể sản xuất kim cương bằng cách sắp xếp lại các nguyên tử than đá hoặc sản xuất nước tinh khiết bằng cách ghép các nguyên tử hydrogen và oxygen Còn một cỗ máy như vậy được lập trình sẵn để làm sạch không khí bằng cách sắp xếp các nguyên

tử trong các chất ô nhiễm phổ biến, hoặc hàn kín vết thương bằng cách sửa chữa các tế bào bị hỏng thì sao? Thật khó tìm hiểu sự tác động của một công nghệ như thế đối với cuộc sống của chúng ta, và về vô số các quan hệ hóa học, sinh học và vật lí học, cùng các quá trình chi phối thế giới của chúng ta Tuy nhiên, có một điều là chắc chắn: công nghệ nano tiêu biểu cho một phương thức mới khai thác và chuyển hóa vật chất và năng lượng, mang lại một ứng dụng quan trọng của ngành khoa học mà chúng ta gọi là vật lí

Qua khóa học này, bạn sẽ tham gia vào các quá trình làm vật lí Bạn sẽ nêu các câu hỏi, đề ra các giả thuyết, thiết kế và thực hiện các khảo sát, xây dựng mô hình và sử dụng lí thuyết để giải thích các kết quả của bạn, và giải các bài toán có liên quan đến vật lí Tóm lại, bạn sẽ học cách suy nghĩ giống như một nhà vật lí Các hoạt động trong khóa học này sẽ được thực hiện ở nhiều mức độ khó dễ khác nhau Trong khoa học, cũng như trong các ngành học khác, những câu hỏi và khảo sát đơn giản nhất thường mang lại những câu trả lời thú vị nhất và quan trọng nhất

Một phần việc quan trọng của vật lí học là xây dựng các mô hình cho phép chúng ta phát triển

sự giải thích cho các hiện tượng Các mô hình thật hữu ích trong việc đưa ra các dự đoán dựa trên các quan sát Hãy thử các thí nghiệm sau đây, xây dựng mô hình riêng của bạn và đưa ra các dự đoán riêng của bạn dựa trên những gì bạn đã biết Hãy ghi nhớ những ý tưởng này trong trí bạn khi bạn tiếp tục học tiếp các bài sau

Hộp đen

Hãy kéo các dây trên hộp đen và quan sát

xem chuyện gì xảy ra Hãy thử vài ba lần, để

ý đến chuyển động và lực căng của các dây,

mọi tiếng ồn mà bạn nghe và bất cứ thứ gì

đập vào trước mắt bạn Hãy ghi lại các quan

sát của bạn

1 Dựa trên các quan sát của bạn, hãy vẽ

một mô hình thể hiện xem bạn nghĩ

các sợi dây được nối như thế nào bên

trong chiếc hộp đen

2 Kiểm tra sự chính xác của dự đoán

của bạn bằng cách kéo các sợi dây

trên hộp đen một lần nữa

3 Thí nghiệm này có thể dùng để giải

thích quá trình khảo sát khoa học như

thế nào?

Quả bóng bãi biển

Với một người bạn cùng chơi, hãy quan sát cái xảy ra với một quả bóng bãi biển khi bạn ném nó qua lại trong khi tác dụng các chuyển động quay khác nhau Hãy ghi lại các quan sát của bạn

1 Hãy mô tả các tác động của mỗi chuyển động quay tròn

2 Vẽ một mô hình thể hiện cái bạn quan sát thấy

1 Dựa trên các quan sát của bạn, hãy vẽ

mô hình thể hiện cái xảy ra đối với

mảnh giấy

Siêu quả cầu

Thả rơi một siêu quả cầu từ một độ cao nhất định Tiến hành thử nghiệm vài lần, thay đổi các thông số như vận tốc ban đầu của quả cầu

và tốc độ quay tròn của nó Ghi lại các quan sát của bạn Sau đó hãy phát triển các quy tắc

sẽ cho phép bạn dự đoán xem quả cầu, dựa trên vận tốc ban đầu và tốc độ quay tròn của

nó, có nảy lên cao hơn điểm xuất phát của nó hay không

1 Kiểm tra các dự đoán của bạn

2 Mô tả sự chuyển động của siêu quả cầu bằng một mô hình về sự bảo toàn năng lượng

Bức xạ kế

Chiếu ánh sáng lên trên một bức xạ kế và

quan sát cái xảy ra Lặp lại quá trình trên

dùng máy sấy tóc ở chế độ nóng và chế độ

mát Ghi lại các quan sát của bạn

1 Cái gì làm cho các cánh quạt quay

tròn? Hãy đề ra một giả thuyết

2 Năng lượng đã được chuyển hóa như

Ảnh bội cho bởi hai gương phẳng

Sử dụng một thước đo góc để bố trí một cơ cấu như hình bên Bố trí các gương và đồng tiền nhà trong ảnh Sau đó, lập một bảng số liệu như bảng bên dưới Đếm số lượng ảnh bạn nhìn thấy khi đặt các gương ở những góc nhất định Ghi lại các quan sát của bạn

1 Phát triển một phương trình toán học dự đoán số lượng ảnh sẽ xuất hiện khi góc hợp giữa hai gương phẳng đã được cho trước Gợi ý: một vòng tròn có 360o

Cái khiến cho vật lí học thật hấp dẫn là bạn sẽ tham gia vào việc suy nghĩ

về vũ trụ hoạt động như thế nào và tại sao nó lại hành xử như thế Khi

được yêu cầu định nghĩa khái niệm khoa học, Albert Einstein từng trả lời

rằng “khoa học chẳng gì hơn là sự trau chuốt của tư duy hàng ngày” Nếu

bạn thay từ “khoa học” bằng từ “vật lí” trong định nghĩa của Einstein, thì

sự trau chuốt mà ông đang nhắc tới đó là gì? Sử dụng ngôn ngữ toán học

để xây dựng các mô hình và lí thuyết, vật lí học cố gắng giải thích và dự

đoán các tương tác giữa vật chất và năng lượng Trong vật lí học, sự tìm

kiếm bản chất của những mối liên hệ này đưa chúng ta đưa chúng ta đi từ

cấu trúc dưới hiển vi của nguyên tử đến cấu trúc siêu vĩ mô của vũ trụ

Tuy nhiên, mọi nỗ lực vật lí học đều có một đặc điểm chung: chúng đều

nhắm tới việc thiết lập các sự thật cơ bản về bản chất của vũ trụ

Nhiệm vụ của bạn trong khóa học này sẽ là phát triển một quá trình tự

quyết cho phép bạn đi từ “tư duy hàng ngày” của Einstein đến “sự trau

chuốt của tư duy hàng ngày” của ông Sự trau chuốt này, quá trình thu

thập dữ liệu một cách có hệ thống thông qua quan sát, thực nghiệm, tổ

chức dữ liệu, và đưa ra các kết luận, thường được gọi là khảo sát khoa

học Phương pháp này bắt đầu với quá trình nêu giả thuyết Một nhà

khoa học giỏi sẽ cố gắng đi tìm bằng chứng không được một mô hình nào

hậu thuẫn Nếu tìm thấy bằng chứng mâu thuẫn, thì mô hình đó là không

thỏa đáng

Trong tài liệu này, bạn sẽ bắt gặp các quan niệm sai lầm được in chữ nhỏ

ở hai bên lề trang Hãy ngẫm xem suy nghĩ hiện tại của bạn có vướng

phải những quan niệm sai lầm đó hay không Sau đó, với việc khảo sát

vật lí học qua sự trải nghiệm cùng khóa học, hãy phát triển kiến thức hiểu

biết của riêng bạn

Sự hiểu biết hiện nay của chúng ta về vũ trụ đã bắt đầu như thế nào?

Trước thời hiện nay, sự tiến bộ đã diễn ra như thế nào trong những thế kỉ

qua? Tư duy mà chúng ta biết đó đã bắt đầu với Artistotle

Hai mô hình của Artistotle

Hơn 2300 năm trước đây, hai mô hình có liên quan đã được sử dụng làm

cơ sở cho việc giải thích nguyên do các vật rơi xuống và chuyển động

như chúng vốn như thế Artistotle (384–328 tCN) đã sử dụng một mô

hình để giải thích sự chuyển động của các vật trên Trái đất, và sử dụng

một mô hình thứ hai (xem hình) để giải thích sự chuyển động của các

ngôi sao và hành tinh trên bầu trời Ngày nay, chúng ta không chấp nhận

những mô hình này là sự giải thích tốt nhất cho sự chuyển động của các

vật thể trên Trái đất và trong không gian vũ trụ Tuy nhiên, vào thời đại

ấy, chúng là những giải pháp rất thông minh để giải thích những hiện

tượng này khi Aristotle quan sát chúng

• Nhận dạng và mô tả các ngành nghề có gốc

rễ khoa học và công nghệ liên quan đến vật

lí học

QUAN NIỆM SAI

Từ tia X đến các xung thần kinh

đâu Cho dù lĩnh vực nghiên cứu

hứng thú nhất của bạn là gì đi nữa,

thì có lẽ các khái niệm vật lí sẽ giúp

bạn hiểu rõ hơn một số phương diện

của nó Bạn có thể đặc biệt hứng thú

với một ngành khoa học khác, như

sinh học hoặc hóa học chẳng hạn

Khi sự nghiên cứu khoa học của bạn

có bước tiến bộ, bạn sẽ phát hiện ra

rằng mỗi ngành khoa học đều có liên

quan lẫn nhau Thí dụ, các nhà hóa

học sử dụng tia X để nghiên cứu cấu

trúc của các phân tử lớn Các nhà

sinh học sử dụng lí thuyết điện để

nghiên cứu sự truyền tải các xung

thần kinh

ĐÔI NÉT LỊCH SỬ

Richard Feynman (1918–1988), nhà

khoa học đạt giải Nobel và là cha đẻ

của công nghệ nano, là một trong

những nhà vật lí nổi tiếng nhất của

thế kỉ thứ 20 Năm 1959, trong khi

trình bày một bài báo mang tựa đề

“Có rất nhiều Không gian dưới Tận

cùng” nói về các đặc trưng của thế

giới dưới hiển vi khi đó còn ít người

hiểu rõ, Feynman đã nhận xét:

“Chẳng có gì ngoài kích cỡ vụng về

của chúng ta ngăn chúng ta sử dụng

không gian [đó]” Khi ông nói ra

những lời như thế, công nghệ nano

vẫn còn là một giấc mơ xa vời Giấc

mơ đó ngày nay đã rất gần với thực

tại Thật vậy, ngành y khoa và khoa

học máy tính thuộc thế kỉ thứ 21 có

thể sẽ chứng kiến những ứng dụng

đầu tiên của công nghệ nano, vì cả

hai ngành khoa học này đều đang

chạy đua phát triển các công cụ một

ngày nào đó sẽ cho phép chúng thao

ở dưới cùng, trên đó là nước, rồi không khí và lửa Theo mô hình này, mỗi vật trong vũ trụ có cấu tạo gồm những lượng đa dạng thuộc bốn nguyên tố này Một hòn đá hiển nhiên là đất Khi được thả rơi, hòn đá rơi xuống nhằm tìm lại vị trí vốn dành cho nó trong trật tự của vạn vật Lửa thì ở trên cùng trong số các chất Khi một khúc gỗ bốc cháy, lửa mà nó thu nhận từ mặt trời trong quá trình

nó lớn lên được giải phóng và bốc lên vị trí thượng cùng của nó Theo Aristotle, vạn vật trôi nổi, rơi xuống, hay dâng lên là để trở lại nơi vốn có của nó trong thế giới Những tác dụng này được phân loại là các chuyển động tự nhiên Khi một vật chịu tác dụng của một lực, thì nó có thể chuyển động theo những hướng khác ngoài chuyển động tự nhiên đưa chúng trở lại vị trí tự nhiên của chúng Một hòn đá có thể chuyển động theo phương ngang hoặc thẳng đứng lên cao bằng cách tác dụng một lực theo chiều như mong muốn Khi lực ngừng tác dụng, thì chuyển động đó dừng lại

Mô hình giải thích sự chuyển động trên bầu trời thì hơi khác một chút

Các nhà thiên văn học Hi Lạp biết rằng có hai loại “sao”, các ngôi sao

cố định và các hành tinh (hay kẻ du thực), đồng thời còn có Mặt trời

và Mặt trăng Những vật thể này dường như không bị chi phối bởi các

quy luật giống như các vật cấu tạo từ những chất khác Chúng chuyển

động ngang trên bầu trời mà không có lực nào tác dụng lên chúng hết

Người Hi Lạp xếp chúng vào chất thứ năm trong bảng danh mục vật

chất của họ Mọi vật thể thuộc nguyên tố thứ năm được xem là hoàn

hảo Mặt trăng, chẳng hạn, được cho là một quả cầu hoàn hảo Mô

hình của Aristotle giả sử rằng tồn tại những quả cầu hoàn hảo, trong

suốt, không nhìn thấy, nâng đỡ cho các thiên thể

Sau này, khi Ptolemy (87–150) phát triển mô hình vũ trụ địa tâm của

ông, ông đã sử dụng quan điểm này làm nền tảng và mở rộng nó để

đưa vào các vòng nội luân và ngoại luân nhằm giải thích vì sao các

hành tinh thường chuyển động giật lùi Một chuyển động tròn thôi chỉ

có thể giải thích sự chuyển động của Mặt trời và Mặt trăng

Đối với các nền văn hóa châu Âu, hai mô hình của Aristotle thành

công đến mức gần như trong 2000 năm, người ta chấp nhận chúng mà

chẳng nghi vấn gì Chúng vẫn có thể được chấp nhận cho đến khi bị

thách thức bởi mô hình mang tính cách mạng của Copernicus (1473–

1543) và những khám phá của Galileo Galilei (1564–1642)

Galileo và Phương pháp khảo sát khoa học

Năm 1609, sử dụng một chiếc kính thiên văn nguyên thủy (xem Hình

1.2), Galileo đã quan sát thấy bề mặt của mặt trăng lốm đốm những

ngọn núi, các miệng hố, và các thung lũng; Mộc tinh thì có bốn vệ

tinh riêng; Thổ tinh thì có vành; thiên hà của chúng ta (Dải Ngân hà)

thì gồm nhiều ngôi sao hơn con số trước đây người ta tưởng tượng ra;

và Kim tinh, giống như Mặt trăng vậy, có các pha của nó Dựa trên

những quan sát của mình, Galileo cảm thấy ông có thể thừa nhận một

giả thuyết mang tính cách mạng – một giả thuyết đã được phát triển

bởi một nhà thiên văn học người Ba Lan tên là Nicolaus Copernicus –

cho rằng Trái đất, cùng các hành tinh khác trong Hệ Mặt trời, thật sự

quay xung quanh Mặt trời

Cái mà những người Hi Lạp không làm được là kiểm tra các giảng

giải dựa trên các mô hình của họ Khi Galileo quan sát các vật rơi,

ông để ý thấy chúng dường như chẳng rơi ở những tốc độ khác nhau

gì nhiều Galileo đã chế tạo ra một thiết bị dùng để đo tốc độ của các

vật rơi, ông đã làm các thí nghiệm, và phân tích các kết quả Cái ông

tìm thấy là mọi vật về căn bản rơi ở tốc độ như nhau hết Tại sao

những người Hi Lạp không nhận thấy điều này? Khá đơn giản thôi,

khái niệm kiểm tra các mô hình của họ bằng cách làm thực nghiệm

chẳng phải là cái được họ cho là hợp lí, hay có lẽ nó không xảy ra với

họ

Sử dụng các tài nguyên điện tử hoặc

in ấn, hãy nghiên cứu một bài báo hiện đại hoặc một bài báo lịch sử trình bày một số phương diện của vật

lí học Tóm tắt bài báo đó thành hai hoặc ba đoạn, chú ý vì sao bạn nghĩ chủ đề đó là quan trọng Hãy cung cấp càng nhiều thông tin về nguồn gốc của bài báo càng tốt

LIÊN HỆ NGÔN NGỮ

Thậm chí ngày nay, thuật ngữ nguyên tố thứ năm vẫn có ý nghĩa chỉ địa vị cao nhất của sự tồn tại Bạn hãy sử dụng thuật ngữ này, ở dạng danh từ hoặc tính từ của nó, để

mô tả một sự kiện quan trọng hay một người quan trọng trong cuộc đời của bạn

• Nghĩ thử xem

Một khúc gỗ nửa chìm nửa nổi trên một

hồ nước Khúc gỗ đó hiển nhiên là bằng

gỗ, một chất liệu rõ ràng đã phát triển

từ nguyên tố “đất”, và là một chất rắn khá đậm đặc giống như các vật thể bằng đất khác Nếu bạn là một người Hi Lạp

cổ đại tin vào Vũ trụ quan Aristotle, làm thế nào bạn có thể giải thích vì sao khúc gỗ lại nổi bồng bềnh chứ không chìm xuống như các hòn đá hay những vật thể bằng đất khác?

Hình 1.2 Chiếc kính thiên văn mà qua nó,

Galileo lần đầu tiên quan sát các vệ tinh của sao

Mộc và thiên thể khác trong hệ mặt trời của

chúng ta

Aristotle có đúng không?

Có phải các vật nặng thì rơi nhanh hơn các

vật nhẹ? Hãy thả rơi đồng thời một cái tẩy

chì và một tờ giấy từ mức cao ngang mắt

xuống sàn Cái nào chạm đất trước? Có cái

gì trong sự chuyển động của tờ giấy khiến

bạn nghĩ rằng đây không phải là một thử

nghiệm tốt hay không? Giờ thì hãy vo tròn

tờ giấy lại thành một quả cầu nhỏ và lặp lại

thí nghiệm trên Có sự khác biệt đáng kể

nào về thời gian cần thiết để chúng chạm

xuống sàn nhà hay không? Hãy mô tả các

biến cố mà bạn đã cố gắng thử nghiệm

Kể từ thời kì Galileo, các nhà khoa học trên khắp thế giới

đã nghiên cứu các vấn đề theo một kiểu có tổ chức, thông qua quan sát, thực nghiệm có hệ thống, và thận trọng phân tích các kết quả Từ những phân tích này, các nhà khoa học đưa ra các kết luận, cái sau đó họ đem ra khảo sát lần nữa để đảm bảo tính đúng đắn của chúng

Khi bạn dõi theo khóa học này, hãy luôn ghi nhớ trong đầu những quan niệm sau đây về các lí thuyết, các mô hình và các quan sát Hãy sử dụng chúng để kích thích tư duy của bạn, và nêu nghi vấn về những quan niệm hiện nay

Nghĩ về Khoa học, Công nghệ

Xã hội và Môi trường

Vào giữa thế kỉ thứ 20, sự tiến bộ khoa học có những bước tiến rất nhanh lẹ Sự có mặt của những nhân vật như Albert Einstein đã mang lại cho khoa học nói chung, vật lí học nói riêng, một hơi hướng gần như thần bí Vật lí học thường xuyên chứng kiến một nghiên cứu thuần túy tách rời khỏi thế giới “thực tế” Trái với hình ảnh đó, khoa học ngày nay được xem là một bộ phận của thế giới và có trách nhiệm ngang ngửa, hoặc thậm chí còn lớn hơn, đối với thế giới so với bất kì dạng nỗ lực nào khác Mọi thứ khoa học nghiên cứu có sự tác động lâu dài đối với thế giới Một phần của khóa học này là tìm hiểu mối quan hệ cộng sinh tồn tại giữa khoa học, công nghệ, xã hội và môi trường (STSE)

Đối với nhiều người, khoa học và công nghệ hầu như là một và là cái giống nhau Chẳng gì phải nghi ngờ rằng chúng có quan hệ rất mật thiết với nhau Những khám phá mới trong khoa học rất nhanh chóng được công nghệ đuổi kịp, và ngược lại Thí dụ, từng được xem là một khám phá tinh xảo nhưng chẳng thực tiễn của vật lí học, laser là một thí dụ kinh điển của sự không thể tách rời của khoa học, công nghệ, xã hội và môi trường Sự liên quan của laser trong cuộc sống của chúng ta hầu như là một sự xuất hiện hàng ngày Công nghệ đã nhanh chóng trau chuốt và cải tiến sự hoạt động của nó Ngày nay, laser được sử dụng rộng khắp Các máy quét hàng ở siêu thị, dụng cụ trắc địa, thiết bị truyền thông, ảnh nổi ba chiều, máy cắt kim loại, công cụ phẫu thuật, và bút trỏ laser đơn giản chỉ là một vài thí dụ của những đổi mới mà công nghệ đã tìm ra cho laser Rõ ràng không thể nào tách rời tầm quan trọng của khoa học và công nghệ ra khỏi xã hội Hình 1.3 ở trang sau trình bày chỉ một vài trong số nhiều ứng dụng của vật

lí học trong thế giới ngày nay

Hình 1.3 Một số ứng dụng của các khám phá vật lí

Phẫu thuật mắt bằng laser là một trong nhiều ứng dụng mà

công nghệ đã tìm ra cho laser

ĐÔI NÉT LỊCH SỬ

Các mô hình của Aristotle đã được sử dụng

để giải thích bản chất của sự rơi trong hàng thế kỉ Theo Aristotle, vì một hòn đá lớn thì

có nhiều chất “đất” hơn một hòn đá nhỏ, cho nên nó có khuynh hướng quay lại đất lớn hơn Khuynh hướng này làm cho hòn

đá to cân nặng hơn và vì thế nó phải rơi nhanh hơn hòn đá nhỏ Đây là một áp dụng kinh điển của một mô hình để giải thích một hiện tượng Tuy nhiên, chẳng có gì bất ngờ với bạn khi biết rằng vì mô hình đó là sai lầm, cho nên sự giải thích dựa trên mô hình đó cũng là sai lầm

Thường thì những phát triển giống nhau vừa có những tác động tích cực lẫn tiêu cực Nhu cầu năng lượng không ngừng tăng lên của xã hội chúng ta đã thúc ép môi trường của chúng ta đến những giới hạn của nó Xã hội, trong khi đòi hỏi năng lượng ngày một nhiều hơn, còn đồng thời đòi hỏi khoa học và công nghệ phải tìm ra các nguồn năng lượng thay thế Điều này dẫn tới sự phát triển kĩ thuật hạt nhân, mặt trời, gió, nước, địa nhiệt, và nhiên liệu hóa thạch làm nguồn năng lượng Mối quan hệ của xã hội và môi trường với khoa học và công nghệ giống như là một con dao hai lưỡi

Vật lí học nghiên cứu các tính chất nhiệt của vật liệu cùng các tiến bộ công nghệ trong lĩnh

vực thiết kế cấu trúc kết hợp nhau đã mang lại những ngôi nhà hiệu quả năng lượng, làm giảm đáng kể nhu cầu đốt nhiên liệu của chúng ta

“Chiếc đàn ghita” nhỏ xíu này (kích cỡ chừng

bằng một tế bào hồng cầu) được chế tạo bằng

công nghệ nano Công nghệ này sẽ giúp các

nhà khoa học khảo sát các quá trình mà nhờ

đó các nguyên tử và phân tử có thể được sử

dụng riêng lẻ làm những viên gạch cấu trúc

dưới hiển vi

Các cải tiến công nghệ đã mang lại khả năng

đưa ngày một nhiều máy vi tính và máy tính

ngày một mạnh hơn vào trong một không

gian ngày một nhỏ hơn

Xe lai chạy bằng điện và xăng có thể cắt giảm đáng kể sự phát thải các chất gây ô nhiễm Xe hơi chế tạo từ vật liệu composite carbon thì nhẹ hơn và bền hơn xe hơi chế tạo từ vật liệu truyền thống Hệ thống đánh lửa và hệ thống nhiên liệu do máy tính điều khiển làm tăng thêm hiệu suất của động cơ Toàn bộ những yếu tố này có thể hỗ trợ cho việc bảo vệ môi trường

Công nghệ đã chạm tới những mặt trần tục nhất trong cuộc sống của chúng ta Các lớp TeflonTM dày cỡ micro trên lưỡi dao cạo khiến chúng trượt đi nhẹ nhàng hơn trên bề mặt da

Tư duy khoa học

Kiến thức bắt đầu với những quan sát và sự

hiếu kì Các nhà khoa học tổ chức tư duy

được nhiều nhà khoa học công nhận, phù

hợp với nhau để giải thích một hiện tượng

tự nhiên đặc biệt nào đó Các lí thuyết mới

thường phát sinh từ những lí thuyết cũ,

mang lại những cái nhìn mới mẻ, đôi khi

thay đổi triệt để, về vũ trụ Một thí dụ như

vậy, vẫn đang trong quá trình phát triển, là

GUT, hay Lí thuyết Thống nhất Lớn, đang

được nhiều nhà nghiên cứu thuộc nhiều

lĩnh vực vật lí khác nhau ngày đêm tìm

kiếm Thông qua GUT, các nhà vật lí hi

vọng một ngày nào đó có thể mô tả mọi

hiện tượng vật lí trong vũ trụ bằng cách sử

dụng cùng những bộ quy luật giống nhau

Mô hình

Mô hình là sự biểu diễn của hiện tượng, và

có thể có nhiều dạng thức khác nhau, bao

gồm một danh sách các quy tắc, các nét vẽ

bút chì trên một mảnh giấy, một vật thể có

thể thao tác được, hoặc một công thức toán

học Một quan sát có thể được giải thích

bằng nhiều mô hình; tuy nhiên, trong đa số

trường hợp, một loại mô hình nào đó có

hiệu quả hơn những loại khác

Quan sát

Một quan sát là thông tin thu thập bằng

cách sử dụng một hoặc nhiều trong năm

giác quan của chúng ta Các quan sát có thể

mang lại nhiều sự giải thích, vì những

người tham gia cùng một sự kiện thường

tường thuật những thứ khác nhau Phải mất

hàng trăm quan sát về một hiện tượng nào

đó mới phát triển được một lí thuyết Có

hai loại quan sát có thể thực hiện Thứ nhất

là quan sát định tính, tức là mô tả bằng lời

Hình 1.4 Chắc hẳn bạn đã từng nghe nói đến thuyết tương đối đặc biệt của Einstein Một phần của lí thuyết trên phát biểu rằng tốc độ ánh sáng, c, là cái duy nhất trong vũ trụ là hằng số Mọi số đo khác

là mang tính tương đối, phụ thuộc vào hệ quy chiếu của nhà quan sát Công thức (mô hình) nổi tiếng của lí thuyết trên là E = mc2

Hình 1.5 “Mô hình tấm cao su” này thường được sử dụng để mô tả quan niệm của Albert Einstein về không gian cong Mô hình cho thấy một khối lượng ở giữa có thể làm cho không gian xung quanh khối lượng đó cong đi

Hình 1.6 Các quan sát có thể là định lượng hoặc định tính Người

đi xe đạp có thể xác định tốc độ của cô ta bằng cách áp dụng mô hình toán học, v = ∆d/∆t, cho số liệu khoảng cách và thời gian có thể quan sát được của cô ta

thôi: “Một cái lông chim đang rơi từ từ

xuống đất” Thứ hai là quan sát định

lượng, tức là sử dụng các con số và đơn vị

đo: “Hòn đá rơi với tốc độ 2 m/s”

Các nghề vật lí

Mục tiêu kĩ năng

• Khởi động và lên kế hoạch

• Tiến hành nghiên cứu

Khi bạn đọc phần giới

thiệu này, thế giới trước

mắt bạn, từ các chu kì

tự nhiên của thời tiết

cho đến các linh kiện

viễn thông công nghệ

cao, đều hoạt động trên

của các loại đèn là cái

không thể thiếu đối với

những yêu cầu giáo dục để đạt tới mục tiêu nghề nghiệp đó Những người thành công và hạnh phúc nhất trong con đường sự nghiệp là những người thật sự yêu thích công việc của mình, chứ không phải vì công việc đó họ làm tốt, bạn hãy ghi nhớ điều đó khi lựa chọn các cơ hội nghề nghiệp cho bản thân mình

1 Công nghệ nano là gì? Hãy trích dẫn những thí dụ đặc biệt cho thấy công nghệ này có thể ảnh hưởng đến cuộc sống hàng ngày của chúng ta như thế nào

2 Bạn định nghĩa vật lí như thế nào?

3 Vì sao các nhà khoa học sử dụng phương pháp khảo sát khoa học để nghiên cứu các vấn đề?

4 Sự khác biệt giữa một mô hình, một lí thuyết và một quan sát là gì? Mỗi khái niệm có tầm quan trọng như thế nào?

5 Mô tả sự khác biệt giữa sự quan sát định tính và quan sát định lượng Cho thí dụ cho mỗi trường hợp

Các kĩ năng giải quyết vấn đề thật quan trọng trong cuộc sống hàng ngày, ở trường học, và tại nơi làm việc Một số vấn đề, thí dụ như quyết định xem nên đi bộ hay đi xe đạp, thì dễ giải quyết hơn những vấn đề khác Tuy nhiên, trong mỗi trường hợp, bạn hãy phát triển một quá trình giúp bạn đưa ra quyết định của mình Trong vật

lí học, việc tìm hiểu rõ một khái niệm thì quan trọng hơn là việc đơn giản chỉ làm toán; vì thế đòi hỏi sự sáng tạo và linh hoạt Khi bạn áp dụng các chiến lược giải quyết vấn đề trình bày trong quyển sách giáo khoa này, hãy nhớ rằng câu trả lời của bạn cho bất kì một câu hỏi nào luôn kém quan trọng hơn sự lí giải mà bạn sử dụng

Hình 1.7 Cờ vua là một trò chơi chiến thuật phức tạp Chiến thắng luôn thuộc về người nào có khả năng hình dung trò chơi sẽ diễn tiến như thế nào trong vài

bước đi tiếp sau đó

Tổ chức vấn đề

Tổ chức vấn đề là một phương pháp thiết lập các thông số (các ranh giới quan trọng) và tổ chức chúng theo một kiểu thích hợp nhất cho một vấn đề đặc biệt nào đó Hiếm khi nào chỉ có duy nhất một phương pháp để tổ chức một vấn đề, và bạn làm như thế nào là tùy thuộc vào mỗi tình huống cụ thể; bạn phải xác định xem

phương pháp nào là tốt nhất đối với bạn, và đối với mỗi vấn đề Thường thì việc tổ chức vấn đề sẽ giúp cho lời giải trở thành hiển nhiên đối với bạn

Tổ chức vấn đề, cho dù đó là một câu hỏi vật lí hay một vấn đề nội trợ tiêu biểu, là một quá trình sáng tạo và có hệ thống được thiết kế

để làm sáng tỏ cái đã biết, cái hạn chế tồn tại, và mục tiêu cuối cùng là gì Đa số mọi người đều có một phương pháp tổ chức thông tin ưa thích của mình Thông thường, phương pháp sử dụng

để tổ chức thông tin là đề tài đặc biệt hơn sở thích cá nhân

Bạn có thể biểu diễn quá trình tư duy của mình dưới dạng các câu hỏi

Theo cách này, bạn đã tổ chức vấn đề bằng cách đưa ra các câu hỏi chủ chốt trong thời gian

mà bạn có Lời giải của bạn phải phù hợp với những thông số này

Một vấn đề điển hình

Một người bạn gọi đến cho bạn lúc 6 giờ

tối hôm thứ ba và hỏi bạn có muốn cùng

hai người bạn khác nữa tham gia vào một

cuộc chơi hai tiếng rưỡi đồng hồ, để chơi

một trò mà tất cả các bạn trong nhóm đều

rất thích Bạn của bạn lên kế hoạch bắt đầu

lúc 7 giờ tối Bạn biết mình còn có hai bài

tập về nhà phải hoàn thành trước ngày hôm

sau Trước khi cho câu trả lời, bạn cần phải

quyết định xem bạn có đủ thời gian để

hoàn thành bài tập ở nhà và đi ra ngoài

chơi hay không Bạn cũng cần phải dành

ưu tiên cho cảm giác của mình về những

lợi ích của việc ra ngoài chơi

Kịch bản này được tổ chức bằng sơ đồ, sử

dụng những chiến lược khác nhau Khi bạn

khảo sát chúng, hãy xét đến tính hiệu quả

của chúng Hãy phát triển những chiến lược riêng của bạn để tổ chức vấn đề, và thiết lập các thông số hoạt động tốt nhất đối với bạn

(a) Văn bản viết Tôi thích chơi trò chơi Đó là một sự nghỉ ngơi thú vị, nhưng tôi còn có hai bài tập phải làm xong trước sáng ngày mai Bạn của tôi dự tính chơi trò chơi trong bao lâu chứ? Hai tiếng rưỡi đồng hồ cơ Bài tập ở nhà của tôi cần bao nhiêu thời gian chứ?

Vật lí: ba mươi phút Toán: chẳng có bài tập nào cho đêm nay Tiếng Anh: 30 phút

Tôi phải có mặt ở nhà lúc 11 giờ tối

(b) Danh sách liệt kê

• Trò chơi đang diễn ra