Khoa học về vật chất và năng lượng

Ảnh: IBM Research Multi-Lab: Tư Vật lí! 1.1 Vật lí: Một cánh cửa nhìn vào Vũ trụ 1.2 Chiến lược giải vấn đề 1.3 Khảo sát, Thực nghiệm Đo lường Nghiên cứu 1A: Phân tích lắc Nghiên cứu 1B: Phân tích số liệu lắc Cái bạn trông thấy hình hai ảnh mô hình máy tính ống nano carbon – ống hút cấp độ nguyên tử Được xây dựng nguyên tử một, ống nano thí dụ tiêu biểu họ máy móc mới, chúng nhỏ bé đến mức trông thấy mắt trần, chí qua đa số kính hiển vi chẳng thấy Cực kì bền, đường kính vài nguyên tử, dụng cụ nhỏ xíu làm thay đổi kịch tính sống năm tới Thật vậy, số nhà nghiên cứu hàng đầu tin “thời đại nano” bắt đầu Khung hình nhỏ “người phân tử” gồm 28 phân tử carbon monoxide, “chiếc đàn ghita” trang sau kết việc nhà nghiên cứu giải trí công nghệ nano Công nghệ nano, ngành khoa học công nghệ xuất nghiên cứu xây dựng dụng cụ giới từ đơn nguyên tử, tìm cách điều khiển lượng chuyển động cấp độ nguyên tử Một hoàn thiện, công nghệ nano cho phép cỗ máy hiển vi thực nhiệm vụ phức tạp nguyên tử một, phân tử Hãy tưởng tượng dụng cụ rô bôt nhỏ xíu lập trình trước để tạo sản phẩm định, giấy thép, đơn giản cách trích xuất nguyên tử cần thiết từ khí quyển, theo kiểu giống hệt khoai tây hấp thụ chất dinh dưỡng từ đất, nước không khí, tổ chức lại chúng để tạo nhiều khoai tây – Vật lí 11 Hãy tưởng tượng cỗ máy sản xuất kim cương cách xếp lại nguyên tử than đá sản xuất nước tinh khiết cách ghép nguyên tử hydrogen oxygen Còn cỗ máy lập trình sẵn để làm không khí cách xếp nguyên tử chất ô nhiễm phổ biến, hàn kín vết thương cách sửa chữa tế bào bị hỏng sao? Thật khó tìm hiểu tác động công nghệ sống chúng ta, vô số quan hệ hóa học, sinh học vật lí học, trình chi phối giới Tuy nhiên, có điều chắn: công nghệ nano tiêu biểu cho phương thức khai thác chuyển hóa vật chất lượng, mang lại ứng dụng quan trọng ngành khoa học mà gọi vật lí Qua khóa học này, bạn tham gia vào trình làm vật lí Bạn nêu câu hỏi, đề giả thuyết, thiết kế thực khảo sát, xây dựng mô hình sử dụng lí thuyết để giải thích kết bạn, giải toán có liên quan đến vật lí Tóm lại, bạn học cách suy nghĩ giống nhà vật lí Các hoạt động khóa học thực nhiều mức độ khó dễ khác Trong khoa học, ngành học khác, câu hỏi khảo sát đơn giản thường mang lại câu trả lời thú vị quan trọng – Vật lí 11 Một phần việc quan trọng vật lí học xây dựng mô hình cho phép phát triển giải thích cho tượng Các mô hình thật hữu ích việc đưa dự đoán dựa quan sát Hãy thử thí nghiệm sau đây, xây dựng mô hình riêng bạn đưa dự đoán riêng bạn dựa bạn biết Hãy ghi nhớ ý tưởng trí bạn bạn tiếp tục học tiếp sau Hộp đen Quả bóng bãi biển Với người bạn chơi, quan sát xảy với bóng bãi biển bạn ném qua lại tác dụng chuyển động quay khác Hãy ghi lại quan sát bạn Hãy mô tả tác động chuyển động quay tròn Vẽ mô hình thể bạn quan sát thấy Hãy kéo dây hộp đen quan sát xem chuyện xảy Hãy thử vài ba lần, để ý đến chuyển động lực căng dây, tiếng ồn mà bạn nghe thứ đập vào trước mắt bạn Hãy ghi lại quan sát bạn Dựa quan sát bạn, vẽ mô hình thể xem bạn nghĩ sợi dây nối bên hộp đen Kiểm tra xác dự đoán bạn cách kéo sợi dây hộp đen lần Thí nghiệm dùng để giải thích trình khảo sát khoa học nào? – Vật lí 11 Máy gia tốc Van de Graaff Đặt mảnh giấy nhỏ từ kim bấm ba lỗ lên máy phát Van de Graaff bên hình Bật công tắc mở máy phát quan sát xảy Ghi lại quan sát bạn Dựa quan sát bạn, vẽ mô hình thể xảy mảnh giấy Siêu cầu Thả rơi siêu cầu từ độ cao định Tiến hành thử nghiệm vài lần, thay đổi thông số vận tốc ban đầu cầu tốc độ quay tròn Ghi lại quan sát bạn Sau phát triển quy tắc cho phép bạn dự đoán xem cầu, dựa vận tốc ban đầu tốc độ quay tròn nó, có nảy lên cao điểm xuất phát hay không Kiểm tra dự đoán bạn Mô tả chuyển động siêu cầu mô hình bảo toàn lượng Bức xạ kế Chiếu ánh sáng lên xạ kế quan sát xảy Lặp lại trình dùng máy sấy tóc chế độ nóng chế độ mát Ghi lại quan sát bạn Cái làm cho cánh quạt quay tròn? Hãy đề giả thuyết Năng lượng chuyển hóa nào? Có tương đồng nhiệt ánh sáng? Kiểm tra giả thuyết bạn – Vật lí 11 Ảnh bội cho hai gương phẳng Sử dụng thước đo góc để bố trí cấu hình bên Bố trí gương đồng tiền nhà ảnh Sau đó, lập bảng số liệu bảng bên Đếm số lượng ảnh bạn nhìn thấy đặt gương góc định Ghi lại quan sát bạn Phát triển phương trình toán học dự đoán số lượng ảnh xuất góc hợp hai gương phẳng cho trước Gợi ý: vòng tròn có 360o Số lượng vật Góc gương 180o 120o 90o 60o Số lượng ảnh – Vật lí 11 Cái khiến cho vật lí học thật hấp dẫn bạn tham gia vào việc suy nghĩ vũ trụ hoạt động lại hành xử Khi yêu cầu định nghĩa khái niệm khoa học, Albert Einstein trả lời “khoa học chẳng trau chuốt tư hàng ngày” Nếu bạn thay từ “khoa học” từ “vật lí” định nghĩa Einstein, trau chuốt mà ông nhắc tới gì? Sử dụng ngôn ngữ toán học để xây dựng mô hình lí thuyết, vật lí học cố gắng giải thích dự đoán tương tác vật chất lượng Trong vật lí học, tìm kiếm chất mối liên hệ đưa đưa từ cấu trúc hiển vi nguyên tử đến cấu trúc siêu vĩ mô vũ trụ Tuy nhiên, nỗ lực vật lí học có đặc điểm chung: chúng nhắm tới việc thiết lập thật chất vũ trụ Nhiệm vụ bạn khóa học phát triển trình tự cho phép bạn từ “tư hàng ngày” Einstein đến “sự trau chuốt tư hàng ngày” ông Sự trau chuốt này, trình thu thập liệu cách có hệ thống thông qua quan sát, thực nghiệm, tổ chức liệu, đưa kết luận, thường gọi khảo sát khoa học Phương pháp bắt đầu với trình nêu giả thuyết Một nhà khoa học giỏi cố gắng tìm chứng không mô hình hậu thuẫn Nếu tìm thấy chứng mâu thuẫn, mô hình không thỏa đáng Trong tài liệu này, bạn bắt gặp quan niệm sai lầm in chữ nhỏ hai bên lề trang Hãy ngẫm xem suy nghĩ bạn có vướng phải quan niệm sai lầm hay không Sau đó, với việc khảo sát vật lí học qua trải nghiệm khóa học, phát triển kiến thức hiểu biết riêng bạn Sự hiểu biết vũ trụ bắt đầu nào? Trước thời nay, tiến diễn kỉ qua? Tư mà biết bắt đầu với Artistotle Hai mô hình Artistotle Hơn 2300 năm trước đây, hai mô hình có liên quan sử dụng làm sở cho việc giải thích nguyên vật rơi xuống chuyển động chúng vốn Artistotle (384–328 tCN) sử dụng mô hình để giải thích chuyển động vật Trái đất, sử dụng mô hình thứ hai (xem hình) để giải thích chuyển động hành tinh bầu trời Ngày nay, không chấp nhận mô hình giải thích tốt cho chuyển động vật thể Trái đất không gian vũ trụ Tuy nhiên, vào thời đại ấy, chúng giải pháp thông minh để giải thích tượng Aristotle quan sát chúng – Vật lí 11 Mục tiêu • Sử dụng mô hình khoa học thích hợp để giải thích dự đoán hành trạng tượng tự nhiên • Nhận dạng mô tả ngành nghề có gốc rễ khoa học công nghệ liên quan đến vật lí học Từ khóa • vật lí học • khảo sát khoa học • quan sát • định tính • định lượng • lí thuyết • mô hình QUAN NIỆM SAI Từ tia X đến xung thần kinh Nhiều người nghĩ vật lí thật khó mang tính toán học cao Trong toán học phần quan trọng vật lí học, sở vật lí học chẳng khó hiểu đâu Cho dù lĩnh vực nghiên cứu hứng thú bạn nữa, có lẽ khái niệm vật lí giúp bạn hiểu rõ số phương diện Bạn đặc biệt hứng thú với ngành khoa học khác, sinh học hóa học chẳng hạn Khi nghiên cứu khoa học bạn có bước tiến bộ, bạn phát ngành khoa học có liên quan lẫn Thí dụ, nhà hóa học sử dụng tia X để nghiên cứu cấu trúc phân tử lớn Các nhà sinh học sử dụng lí thuyết điện để nghiên cứu truyền tải xung thần kinh ĐÔI NÉT LỊCH SỬ Richard Feynman (1918–1988), nhà khoa học đạt giải Nobel cha đẻ công nghệ nano, nhà vật lí tiếng kỉ thứ 20 Năm 1959, trình bày báo mang tựa đề “Có nhiều Không gian Tận cùng” nói đặc trưng giới hiển vi người hiểu rõ, Feynman nhận xét: “Chẳng có kích cỡ vụng ngăn sử dụng không gian [đó]” Khi ông nói lời thế, công nghệ nano giấc mơ xa vời Giấc mơ ngày gần với thực Thật vậy, ngành y khoa khoa học máy tính thuộc kỉ thứ 21 chứng kiến ứng dụng công nghệ nano, hai ngành khoa học chạy đua phát triển công cụ ngày cho phép chúng thao tác nguyên tử Hình 1.1 Vũ trụ quan Aristotle, Trái đất nằm trung tâm vũ trụ Aristotle Sự chuyển động Mô hình giải thích chuyển động Trái đất xây dựng quan điểm cấp tiến người Hi Lạp, sau tư Aristotle Aristotle thừa nhận quan điểm Empedocles (492–435 tCN) vật có cấu tạo từ bốn nguyên tố hay bốn chất – đất, nước, không khí lửa Mọi vật thể cho tuân theo quy luật giống tùy thuộc vào chất mà chúng chứa Mỗi chất có vị trí tự nhiên trật tự vũ trụ Vị trí đất cùng, nước, không khí lửa Theo mô hình này, vật vũ trụ có cấu tạo gồm lượng đa dạng thuộc bốn nguyên tố Một đá hiển nhiên đất Khi thả rơi, đá rơi xuống nhằm tìm lại vị trí vốn dành cho trật tự vạn vật Lửa số chất Khi khúc gỗ bốc cháy, lửa mà thu nhận từ mặt trời trình lớn lên giải phóng bốc lên vị trí thượng Theo Aristotle, vạn vật trôi nổi, rơi xuống, hay dâng lên để trở lại nơi vốn có giới Những tác dụng phân loại chuyển động tự nhiên Khi vật chịu tác dụng lực, chuyển động theo hướng khác chuyển động tự nhiên đưa chúng trở lại vị trí tự nhiên chúng Một đá chuyển động theo phương ngang thẳng đứng lên cao cách tác dụng lực theo chiều mong muốn Khi lực ngừng tác dụng, chuyển động dừng lại – Vật lí 11 Mô hình giải thích chuyển động bầu trời khác chút Các nhà thiên văn học Hi Lạp biết có hai loại “sao”, cố định hành tinh (hay kẻ du thực), đồng thời có Mặt trời Mặt trăng Những vật thể dường không bị chi phối quy luật giống vật cấu tạo từ chất khác Chúng chuyển động ngang bầu trời mà lực tác dụng lên chúng hết Người Hi Lạp xếp chúng vào chất thứ năm bảng danh mục vật chất họ Mọi vật thể thuộc nguyên tố thứ năm xem hoàn hảo Mặt trăng, chẳng hạn, cho cầu hoàn hảo Mô hình Aristotle giả sử tồn cầu hoàn hảo, suốt, không nhìn thấy, nâng đỡ cho thiên thể Sử dụng tài nguyên điện tử in ấn, nghiên cứu báo đại báo lịch sử trình bày số phương diện vật lí học Tóm tắt báo thành hai ba đoạn, ý bạn nghĩ chủ đề quan trọng Hãy cung cấp nhiều thông tin nguồn gốc báo tốt Sau này, Ptolemy (87–150) phát triển mô hình vũ trụ địa tâm ông, ông sử dụng quan điểm làm tảng mở rộng để đưa vào vòng nội luân ngoại luân nhằm giải thích hành tinh thường chuyển động giật lùi Một chuyển động tròn giải thích chuyển động Mặt trời Mặt trăng LIÊN HỆ NGÔN NGỮ Thậm chí ngày nay, thuật ngữ nguyên tố thứ năm có ý nghĩa địa vị cao tồn Bạn sử dụng thuật ngữ này, dạng danh từ tính từ nó, để mô tả kiện quan trọng hay người quan trọng đời bạn Đối với văn hóa châu Âu, hai mô hình Aristotle thành công đến mức gần 2000 năm, người ta chấp nhận chúng mà chẳng nghi vấn Chúng chấp nhận bị thách thức mô hình mang tính cách mạng Copernicus (1473– 1543) khám phá Galileo Galilei (1564–1642) Galileo Phương pháp khảo sát khoa học Năm 1609, sử dụng kính thiên văn nguyên thủy (xem Hình 1.2), Galileo quan sát thấy bề mặt mặt trăng lốm đốm núi, miệng hố, thung lũng; Mộc tinh có bốn vệ tinh riêng; Thổ tinh có vành; thiên hà (Dải Ngân hà) gồm nhiều số trước người ta tưởng tượng ra; Kim tinh, giống Mặt trăng vậy, có pha Dựa quan sát mình, Galileo cảm thấy ông thừa nhận giả thuyết mang tính cách mạng – giả thuyết phát triển nhà thiên văn học người Ba Lan tên Nicolaus Copernicus – cho Trái đất, hành tinh khác Hệ Mặt trời, thật quay xung quanh Mặt trời Cái mà người Hi Lạp không làm kiểm tra giảng giải dựa mô hình họ Khi Galileo quan sát vật rơi, ông để ý thấy chúng dường chẳng rơi tốc độ khác nhiều Galileo chế tạo thiết bị dùng để đo tốc độ vật rơi, ông làm thí nghiệm, phân tích kết Cái ông tìm thấy vật rơi tốc độ hết Tại người Hi Lạp không nhận thấy điều này? Khá đơn giản thôi, khái niệm kiểm tra mô hình họ cách làm thực nghiệm họ cho hợp lí, hay có lẽ không xảy với họ – Vật lí 11 • Nghĩ thử xem Một khúc gỗ nửa chìm nửa hồ nước Khúc gỗ hiển nhiên gỗ, chất liệu rõ ràng phát triển từ nguyên tố “đất”, chất rắn đậm đặc giống vật thể đất khác Nếu bạn người Hi Lạp cổ đại tin vào Vũ trụ quan Aristotle, làm bạn giải thích khúc gỗ lại bồng bềnh không chìm xuống đá hay vật thể đất khác? Kể từ thời kì Galileo, nhà khoa học khắp giới nghiên cứu vấn đề theo kiểu có tổ chức, thông qua quan sát, thực nghiệm có hệ thống, thận trọng phân tích kết Từ phân tích này, nhà khoa học đưa kết luận, sau họ đem khảo sát lần để đảm bảo tính đắn chúng Khi bạn dõi theo khóa học này, ghi nhớ đầu quan niệm sau lí thuyết, mô hình quan sát Hãy sử dụng chúng để kích thích tư bạn, nêu nghi vấn quan niệm Nghĩ Khoa học, Công nghệ Xã hội Môi trường Hình 1.2 Chiếc kính thiên văn mà qua nó, Galileo lần quan sát vệ tinh Mộc thiên thể khác hệ mặt trời Aristotle có không? Có phải vật nặng rơi nhanh vật nhẹ? Hãy thả rơi đồng thời tẩy chì tờ giấy từ mức cao ngang mắt xuống sàn Cái chạm đất trước? Có chuyển động tờ giấy khiến bạn nghĩ thử nghiệm tốt hay không? Giờ vo tròn tờ giấy lại thành cầu nhỏ lặp lại thí nghiệm Có khác biệt đáng kể thời gian cần thiết để chúng chạm xuống sàn nhà hay không? Hãy mô tả biến cố mà bạn cố gắng thử nghiệm Vào kỉ thứ 20, tiến khoa học có bước tiến nhanh lẹ Sự có mặt nhân vật Albert Einstein mang lại cho khoa học nói chung, vật lí học nói riêng, hướng gần thần bí Vật lí học thường xuyên chứng kiến nghiên cứu túy tách rời khỏi giới “thực tế” Trái với hình ảnh đó, khoa học ngày xem phận giới có trách nhiệm ngang ngửa, chí lớn hơn, giới so với dạng nỗ lực khác Mọi thứ khoa học nghiên cứu có tác động lâu dài giới Một phần khóa học tìm hiểu mối quan hệ cộng sinh tồn khoa học, công nghệ, xã hội môi trường (STSE) Đối với nhiều người, khoa học công nghệ giống Chẳng phải nghi ngờ chúng có quan hệ mật thiết với Những khám phá khoa học nhanh chóng công nghệ đuổi kịp, ngược lại Thí dụ, xem khám phá tinh xảo chẳng thực tiễn vật lí học, laser thí dụ kinh điển tách rời khoa học, công nghệ, xã hội môi trường Sự liên quan laser sống xuất hàng ngày Công nghệ nhanh chóng trau chuốt cải tiến hoạt động Ngày nay, laser sử dụng rộng khắp Các máy quét hàng siêu thị, dụng cụ trắc địa, thiết bị truyền thông, ảnh ba chiều, máy cắt kim loại, công cụ phẫu thuật, bút trỏ laser đơn giản vài thí dụ đổi mà công nghệ tìm cho laser Rõ ràng tách rời tầm quan trọng khoa học công nghệ khỏi xã hội Hình 1.3 trang sau trình bày vài số nhiều ứng dụng vật lí học giới ngày – Vật lí 11 Hình 1.3 Một số ứng dụng khám phá vật lí ĐÔI NÉT LỊCH SỬ Các mô hình Aristotle sử dụng để giải thích chất rơi hàng kỉ Theo Aristotle, đá lớn có nhiều chất “đất” đá nhỏ, có khuynh hướng quay lại đất lớn Khuynh hướng làm cho đá to cân nặng phải rơi nhanh đá nhỏ Đây áp dụng kinh điển mô hình để giải thích tượng Tuy nhiên, chẳng có bất ngờ với bạn biết mô hình sai lầm, giải thích dựa mô hình sai lầm Phẫu thuật mắt laser nhiều ứng dụng mà công nghệ tìm cho laser Thường phát triển giống vừa có tác động tích cực lẫn tiêu cực Nhu cầu lượng không ngừng tăng lên xã hội thúc ép môi trường đến giới hạn Xã hội, đòi hỏi lượng ngày nhiều hơn, đồng thời đòi hỏi khoa học công nghệ phải tìm nguồn lượng thay Điều dẫn tới phát triển kĩ thuật hạt nhân, mặt trời, gió, nước, địa nhiệt, nhiên liệu hóa thạch làm nguồn lượng Mối quan hệ xã hội môi trường với khoa học công nghệ giống dao hai lưỡi Vật lí học nghiên cứu tính chất nhiệt vật liệu tiến công nghệ lĩnh vực thiết kế cấu trúc kết hợp mang lại nhà hiệu lượng, làm giảm đáng kể nhu cầu đốt nhiên liệu 10 – Vật lí 11