học thuộc chương trình Vật lý đại cương
Vật lý là một ngành học nghiên cứu các đặc trưng, các tính chất, các qui luật vận động mang tính tổng quát của các sự vật hiện tượng xảy ra trong tự nhiên nhằm hiểu rõ bản chất của sự vật hiện tượng ấy, từ đĩ vận dụng vào cuộc sống, phục vụ lợi ích cho con người. Nhiệm vụ của vật lý là phải tìm ra qui luật của các hiện tượng vật lý và giải thích vì sao nĩ lại xảy ra như thế.
Người học đã được tiếp xúc với vật lý đại cương từ khi cịn là một học sinh trung học cơ sở. Qua thời gian, vật lý đại cương từng bước gĩp phần hồn chỉnh thế giới quan duy vật biện chứng cho người học. Khi người học đã trở thành SV thì những kiến thức thuộc vật lý đại cương khơng chỉ là những cơ sở để học và nghiên cứu các mơn khoa học khác và xây dựng thế giới quan duy vật biện chứng, mà cịn gĩp phần rèn luyện tư duy, phương pháp suy luận khoa học, phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
1.3.2.1. Cơ học trong chương trình phổ thơng trung học Việt Nam
Nhìn lại lịch sử của việc xây dựng chương trình và quá trình phát triển của sách giáo khoa nĩi chung, trong đĩ cĩ sách giáo khoa vật lý, chúng ta thấy các tác giả đã sử dụng nhiều kiểu cấu trúc khác nhau như kiểu cấu trúc đồng tâm, cấu trúc đường thẳng và cấu trúc bậc. Kiểu cấu trúc bậc là chương trình phổ thơng được chia thành hai bậc. Ở bậc học dưới (lớp 6) những kiến thức vật lý đơn giản được trình bày một cách hồn thiện, khơng lặp lại ở bậc học trên. Bậc học trên (lớp 10)
dành để bổ sung, hồn thiện những nội dung kiến thức mà khơng thể hồn thiện ở
bậc dưới được. Với ưu điểm như vậy nên kiểu cấu trúc bậc đã được hầu hết các nhà khoa học, các chuyên gia sử dụng chương trình và viết sách giáo khoa.
Chương trình vật lý của nước ta được bắt đầu từ lớp 6, được tổ chức theo kiểu cấu trúc bậc và được chia thành các phần cơ, nhiệt, điện, quang, vật lý hạt nhân... Do chú ý đến tính logic vốn cĩ của vật lý nên cơ học được xếp vào lớp đầu cấp và coi chuyển động cơ học là dạng chuyển động đơn giản nhất cĩ trong sự vận
động của các phần tử vật chất, gây ra nhiều hiện tượng thuộc các lĩnh vực khác nhau như nhiệt, điện, quang… Bởi vậy nghiên cứu ở lớp đầu cấp khá đầy đủ về
chuyển động thẳng và chuyển động thẳng biến đổi đều.
Chương trình Vật lý THCS được cấu tạo theo hai giai đoạn.
- Giai đoạn 1: (lớp 6 và lớp 7) Ở giai đoạn này, chương trình chỉ đề cập đến những hiện tượng vật lý quen thuộc, thường gặp hằng ngày. Việc tìm hiểu những hiện tượng này thiên vềđịnh tính hơn là định lượng.
- Giai đoạn 2: (lớp 8 và lớp 9) Ở giai đoạn này, vì khả năng tư duy của HS đã phát triển, HS đã cĩ một số hiểu biết ban đầu về các hiện tượng vật lý ở xung quanh, đã bước đầu cĩ kỹ năng hoạt động tìm tịi nghiên cứu theo những yêu cầu chặt chẽ của việc học tập vật lý, vốn kiến thức tốn học cũng đã được nâng cao thêm một bước. Do đĩ việc học tập mơn Vật lý ở giai đoạn này cần phải đạt được những mục tiêu cao hơn.
Xét riêng nội dung động học chất điểm, ở chương trình cơ học lớp 6, các em chỉ được học những kiến thức rất đơn giản liên quan như một số đơn vị đo độ dài, các dụng cụ đo độ dài hoặc những cách đo độ dài làm tiền đề tìm hiểu về quãng
đường và độ dời sau này. Ở chương trình cơ học lớp 8, nhờ kinh nghiệm trong đời sống hằng ngày nên các em đã phân biệt được một cách cảm tính vật chuyển động và vật đứng yên. Tuy nhiên kinh nghiệm đĩ tỏ ra cĩ lúc khơng đúng: cùng quan sát một vật, người này thì bảo vật đang đứng yên, người kia thì bảo vật đang chuyển
động. Vậy cần phải cĩ một cách rõ ràng để xác định thế nào là chuyển động, làm thế nào để xác định được vị trí của vật ở những thời điểm khác nhau. Trong vật lý,
muốn xác định vị trí của một vật, người ta dùng hệ quy chiếu gồm cĩ một hệ trục tọa độ gắn liền với một vật làm mốc. Khi tọa độ của vật trong hệ quy chiếu đĩ thay
đổi theo thời gian, ta nĩi rằng vật chuyển động. Vị trí của vật trong hệ quy chiếu ở
các thời điểm khác nhau được xác định bằng phương trình chuyển động. Tuy nhiên HS lớp 8 khơng thể học tọa độ nên khơng đưa vào khái niệm hệ quy chiếu mà chỉ
dùng khái niệm vật làm mốc (vật mốc). Sự thay đổi vị trí của một vật so với vật khác chọn làm mốc gọi là chuyển động cơ học. Khi chuyển động thì khoảng cách từ
vật đến vật mốc cĩ thể thay đổi (như trong chuyển động thẳng), cĩ thể khơng thay
đổi (như trong chuyển động trịn). Ở lớp 8 chỉ học chuyển động thẳng cho nên hiểu ngầm rằng ta đã chọn hệ trục tọa độ là một đường thẳng trùng với quỹ đạo chuyển
động của vật đi qua một điểm trên vật mốc. Ở lớp 8 cũng khơng học khái niệm tọa
độ mà chỉ học khái niệm đường đi gần gũi với đời sống hằng ngày hơn. Trong chuyển động thẳng đều, đường đi được tính theo cơng thức s = vt. Nếu lấy gốc tọa
độ là vị trí của vật lúc bắt đầu khởi hành (t = 0) thì giá trị của đường đi trùng với giá trị của tọa độ và cho phép ta xác định được vị trí của vật ở các thời điểm khác nhau.
Ở lớp 10, do HS vẫn chưa được học những kiến thức tốn học cơ bản như giới hạn (lim), đạo hàm, vi phân, tích phân để mơ tả chuyển động một cách chính xác. Chính vì vậy mà chương trình cơ học ở lớp đầu cấp THPT này chỉ sử dụng khái niệm “độ
biến thiên” để mơ tảđộ dời rồi từđĩ xây dựng các khái niệm vectơ vận tốc, gia tốc. Nĩi chung ở bậc phổ thơng, kiến thức phần chuyển động cơ học của động học chất
điểm mà HS cần đạt được gồm:
- Hiểu rõ được các khái niệm về chất điểm, quỹđạo, hệ quy chiếu.
- Hiểu rõ độ dời, vận tốc tức thời là những đại lượng vectơ. Cần phân biệt khái niệm độ dời và quãng đường đi được của chất điểm. Hiểu và nắm vững các
định nghĩa về vectơ vận tốc, vectơ gia tốc. Phân biệt được vận tốc và tốc độ. Hiểu rằng vectơ vận tốc đặc trưng cho độ biến đổi nhanh chậm của chuyển động cả vềđộ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
lớn lẫn phương và chiều; vectơ gia tốc là một đại lượng vectơđặc trưng cho sự biến
- Nắm vững các định nghĩa của chuyển động thẳng đều, thẳng biến đổi đều, từ đĩ cĩ thể tìm được phương trình chuyển động biểu diễn mối tương quan hàm số
của tọa độ và thời gian, phương trình vận tốc theo thời gian của các chuyển động nĩi trên. Biết cách ứng dụng các phương trình và các cơng thức liên quan giữa tọa
độ, độ dời, vận tốc, gia tốc và thời gian để giải những bài tốn về chuyển động thẳng đều và thẳng biến đổi đều.
- Hiểu được rơi tự do là gì, các đặc điểm của chuyển động rơi tự do của một vật. Biết được rằng khi vật chuyển động chỉ dưới tác dụng của trọng lực thì vật cĩ gia tốc rơi tự do.
- Hiểu rõ các đại lượng đặc trưng cho chuyển động trịn đều: tốc độ dài, tốc
độ gĩc, chu kì, tần số và mối liên quan giữa chúng. Biết vận dụng trong một số bài tốn đơn giản về chuyển động trịn đều.
1.3.2.2. Phần cơ học trong chương trình vật lý đại cương của đại học Việt Nam
Chuyển động cơ học của động học chất điểm là phần kiến thức mở đầu vật lý đại cương. Vì là phần kiến thức mở đầu nên nĩ chính là nền tảng để người học đi sâu tìm hiểu những nội dung tiếp theo nhưđộng lực học chất điểm, động học vật rắn, năng lượng…
Từ định nghĩa chuyển động cơ học cho thấy nhiệm vụ quan trọng nhất của cơ học là xác định vị trí của một vật ở những thời điểm khác nhau trong khơng gian. Muốn làm được việc đĩ thơng thường phải xác định các đại lượng đặc trưng cho trạng thái chuyển động của một vật như vị trí ban đầu, độ dời, vận tốc ban đầu, vận tốc trung bình hoặc gia tốc của vật. Điều duy nhất cĩ thể quan sát trực tiếp được khi một vật chuyển động là sự thay đổi vị trí của nĩi theo thời gian. Do đĩ, sự mơ tả
chính xác chuyển động cơ học cụ thể là xác định mối liên hệ giữa đường đi với thời gian. Đối với chuyển động thẳng đều một chiều thì mối liên hệ này rất đơn giản. Nhưng đối với những chuyển động biến đổi hoặc chuyển động trong khơng gian nhiều chiều thì mối liên hệ đĩ liên tục thay đổi theo thời gian, do đĩ, cần sử dụng các đại lượng vi phân và những phép biển đổi tích phân mới mơ tảđược chính xác
mối liên hệ của đường đi và thời gian. Ngay cả các đại lượng đặc trưng cho trạng thái chuyển động của một vật như khái niệm vận tốc, gia tốc chỉ được định nghĩa chính xác khi sử dụng phép tính vi phân. Sự chính xác này chỉ được giới thiệu ở
chương trình cơ học đại học vì SV đại học nĩi chung đã được học đầy đủ các kiến thức tốn học cơ bản như các phép tính với vectơ, cách chuyển đổi giữa các đơn vị, giới hạn (lim), đạo hàm, vi phân, tích phân… Vì vậy mà chuyển động cơ học của chất điểm cũng mơ tả một cách chính xác và hồn chỉnh.
Khác với chương trình cơ học phổ thơng, ở đại học, SV được học khá đầy
đủ các kiến thức liên quan đến chuyển động cơ học của động học chất điểm. Các kiến thức đĩ bao gồm:
- Những khái niệm cơ bản như: hệ quy chiếu, chất điểm, quỹđạo, phương trình quỹđạo, phương trình chuyển động.
- Những đại lượng đặc trưng cho trạng thái chuyển động của chất điểm như quãng đường, vectơ độ dời, tốc độ trung bình, tốc độ tức thời, vận tốc ban đầu, vận tốc trung bình, vectơ vận tốc tức thời và vectơ gia tốc của vật.
- Định nghĩa và khảo sát một số dạng chuyển động thẳng đơn giản như
chuyển động thẳng đều, thẳng biến đổi đều; chuyển động tịnh tiến, chuyển động cong và chuyển động trịn, chuyển động của vật bị ném, rơi tự do.
Theo đĩ, SV cần lưu ý một số khái niệm khi tìm hiểu về chuyển động cơ
học của chất điểm:
- Tọa độ, quỹ đạo, vận tốc là những khái niệm tương đối. Khoảng cách, khoảng khơng gian, gia tốc là những đại lượng tuyệt đối.
- Sự khác biệt giữa khái niệm quãng đường đi được và độ dời:
* Việc xác định vị trí của chất điểm tại mỗi thời điểm là một mục tiêu của cơ học. Tại mỗi thời điểm, vị trí của chất điểm ở điểm M được xác định bằng vectơ
tia kẻ từ gốc tọa độ O đến điểm M. Khi chọn một hệ tọa độ cĩ gốc ở O thì vị trí đĩ cịn cĩ thể xác định bằng các tọa độ của điểm M. Đĩ cũng là các tọa độ của vectơ
tia. Khi chất điểm dời chỗ thì đầu mút của vectơ tia vạch thành một đường cong trong khơng gian gọi là quỹđạo của chất điểm. Vectơ độ dời của chất điểm là một
vectơ kẻ từ vị trí đầu đến vị trí cuối của chất điểm trên quỹ đạo. Đĩ là vectơ hiệu của các vectơ tia ở thời điểm sau với vectơ tia ở thời điểm đầu. Giá trị đại số của vectơ độ dời gọi là độ dời. Vậy độ dời là một sốđại số.
* Quãng đường đi được là số đo chiều dài của đường đi của vật từ vị trí
đầu đến vị trí cuối. Quãng đường đi được là một số số học. Trong trường hợp chuyển động thẳng theo một chiều thì độ lớn của vectơ độ dời đúng bằng số đo chiều dài đường đi, tức là bằng quãng đường đi được. Nếu chọn chiều chuyển động là chiều dương của trục tọa độ thì độ dời cĩ giá trị dương và đúng bằng quãng
đường đi được. Các trường hợp khác thì khơng phải lúc nào độ lớn của vectơđộ dời cũng bằng quãng đường đi được. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Cần phải dùng khái niệm vectơ độ dời trong chuyển động cơ học nĩi chung. Ta biết rằng tốc độ là thương số của quãng đường đi được của chất điểm và thời gian đi hết quãng đường đĩ. Chất điểm khi chuyển động luơn luơn thay đổi vị
trí trong khơng gian và cĩ thể thay đổi cả hướng chuyển động. Khi chất điểm chuyển động, đầu mút của vectơ tia của nĩ di chuyển trong khơng gian. Trong một khoảng thời gian thì chất điểm di chuyển một độ dời (vectơ độ dời). Do đĩ chỉ cĩ thể dùng khái niệm vectơ độ dời mới mơ tả được sự thay đổi vị trí của chất điểm.
Định nghĩa vectơ vận tốc bằng thương số của vectơ độ dời và khoảng thời gian tương ứng nĩi lên sự thay đổi vị trí của chất điểm cả về mặt độ lớn lẫn về phương, chiều. Thương số của quảng đường đi và thời gian đi là một số số học, khơng thể đặc trưng cho sự biến đổi về phương và chiều của chuyển động. Vì vậy, việc đưa khái niệm vectơđộ dời là cần thiết.
- Cần lưu ý đến các thuật ngữ vận tốc và tốc độ:
Trong SGK Vật lý 10 (Bộ chuẩn) khơng đề cập tới việc vận tốc nĩi chung là đại lượng vectơ. Đĩ là vì:
* Vận tốc trung bình là một đại lượng vơ hướng, đại số. Nĩ cĩ giá trị âm, dương tùy thuộc vào chiều chuyển động trên quỹđạo.
* Vận tốc bình phương trung bình (căn quân phương) trong vật lý phân tử
* Chỉ cĩ vận tốc tức thời là đại lượng vectơ. Nĩ cĩ thể biểu diễn bằng một vectơ cĩ phương, chiều, độ lớn và điểm đặt hồn tồn xác định.
Tốc độ tức thời là đại lượng vơ hướng khơng âm, đặc trưng cho mức độ
nhanh, chậm của chuyển động tại mỗi điểm trên quĩđạo; cịn vận tốc tức thời là đại lượng vectơ, đặc trưng cho cả phương, chiều và độ nhanh chậm của chuyển động tại mỗi điểm trên quĩ đạo. Khi nĩi vật chuyển động với tốc độ khơng đổi tức là vật chuyển động đều trên quĩ đạo thẳng hoặc cong bất kì, trong đĩ vật đi được những quãng đường bằng nhau trong những khoảng thời gian bằng nhau bất kì ; nhưng khi nĩi vật chuyển động với vận tốc khơng đổi thì ta hiểu chuyển động của vật là thẳng
đều. Nếu so sánh thì tốc độ trung bình cĩ ý nghĩa vật lý cụ thể hơn vận tốc trung bình nhưng tốc độ tức thời lại khơng cĩ ý nghĩa vật lý đầy đủ bằng vận tốc tức thời. Do đĩ, khi nghiên cứu tính chất của chuyển động trên quãng đường dài, người ta thường sử dụng khái niệm tốc độ trung bình ; cịn khi nghiên cứu tính chất của chuyển động tại từng vị trí trên quĩđạo, ta sử dụng vận tốc tức thời.
Để học tốt các học phần chuyên ngành tiếp theo, SV sư phạm Vật lý cần nắm vững những kiến thức nền tảng này. Vì vậy, tuy dễ học, dễ nhớ nhưng những kiến thức thuộc các học phần vật lý đại cương khơng hề kém phần quan trọng.