Nhân một bài thi olympic Vật lý quốc tế lần thứ 35 Tại Pohang, Hàn Quốc năm 2004, Tìm hiểu về khí cầu

Ảnh h-ởng của vật lý trong cuộc sống là vô cùng phong phú, đa dạng và đóng một vai trò then

chốt, vì thế vật lý đã trở thành một lĩnh vực hàng đầu trong nền khoa học và công nghệ hiện đại

của xã hội ngày nay. H-ớng theo những tiêu chí đầy ý nghĩa đó, các bài thi Vật lý quốc tế hàng

năm đều dựa trên những công trình nghiên cứu về ứngdụng của Vật lý từ những buổi đầu lịch sử

nhân loại kéo dài đến hiện tại và t-ơng lai.

Bài viết này giới thiệu về một Đề thi Lý thuyết củakỳ thi Vật lý quốc tế lần thứ 35 tại Pohang, Hàn

Quốc năm 2004 vừa qua. Với bài toán này, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về chuyển động của một khí

cầu cũng nh- những yếu tố ảnh h-ởng đến quá trình bay lên của một trong những ph-ơng tiện di

chuyển đầu tiên của loài ng-ời.

pdf39 trang | Chia sẻ: baoan21 | Ngày: 06/10/2015 | Lượt xem: 250 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Nhân một bài thi olympic Vật lý quốc tế lần thứ 35 Tại Pohang, Hàn Quốc năm 2004, Tìm hiểu về khí cầu, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
quả nh− sau: A. Nhiệt độ cơ thể của ng−ời bình th−ờng là C037 B. Nhiệt độ của n−ớc đá là F022 C. Nhiệt độ của hơi n−ớc đang sôi là K0373 D. Nhiệt độ nóng chảy của thuỷ ngân là F07− Hãy chỉ ra kết quả sai. Trung học phổ thông TN1/14. Đồ thị trên hình TN1 biểu thị sự phụ thuộc của li độ của một chất điểm dao động điều hoà vào thời gian.ở điểm nào trong các điểm A, B, C, D, E h−ớng chuyển động của chất điểm và h−ớng của gia tốc trùng nhau. A) điểm A; B) điểm B; C) điểm C; D) điểm D; E) điểm E; TN2/14. Một con lắc đơn đ−ợc treo vào trần của thang máy đứng yên có chu kì dao động là T0. Khi thang máy chuyển động đi xuống với vận tốc không đổi thì chu kì dao động của nó là T1. còn khi thang máy chuyển động nhanh dần đều xuống d−ới với gia tốc nào đó thì chu kì dao động của nó là T2. Hệ thức nào sau đây là đúng? A) T0=T1=T2; B) T0=T1T2; D) T0T1>T2; TN3/14. Đồ thị trên hình TN3 biểu thị sự phụ thuộc của li độ của một chất điểm dao động điều hoà vào thời gian. Độ dài đoạn PR trên trục thời gian biễu diễn gì? A) Một phần hai chu kì; B) Hai lần tần số; C) Một phần hai tần số; D) Hai lần chu kì. E) Một phần hai b−ớc sóng. TN4/14 Một vật dao động điều hoà với tần số 2,5Hz và có biên độ 0,020m. Vận tốc cực đại của nó bằng: A) 0,008(m/s); B) 0,050(m/s); C) 0,125(m/s); D) 0,157(m/s); E) 0,314(m/s). Hình TN5/14. Một con lắc đơn gồm một sợi dây nhẹ, không giãn và một quả cầu nhỏ đ−ợc kích thích để dao động ở những tần số f khác nhau trong không khí. Đồ thị sau biễu diễn sự phụ thuộc của biên độ vào tần số. Đồ thị nào sau đây biểu diễn đúng nhất kết quả nếu thí nghiệm đ−ợc lặp lại trong chân không? f0 f B iê n f0 f B iê n A f0 f B iê n B Làm quen với vật lý hiện đại Thời gian là gì? Lê Minh Triết LTS. Thời gian không phải là một khái niệm dễ lĩnh hội. Đúng nh− thánh Augustin nhận xét vào thế kỷ thứ IV: “Thời gian là gì −? Nếu nh− chẳng có ai hỏi tôi câu đó, thì tôi t−ởng là mình đã biết. Nh−ng khi có ai đó hỏi và tôi lại muốn giải thích cho họ thì tôi lại thấy mình chẳng biết gì về nó hết”. Thực ra, câu hỏi này đ−ợc đặt ra cũng đã lâu đời nh− lịch sử t− t−ởng của nhân loại. Nó là chủ đề trung tâm của tất cả các tôn giáo, là nguồn gốc của những xung đột về học thuyết. Nó đã đi vào khoa học nh− một đại l−ợng đo đ−ợc từ các công trình của Galileo và Newton, nh−ng chỉ đến thế kỷ XX, với công lao của Einstein, nó mới trở thành một chủ đề độc lập. Song cuộc cách mạng về thời gian đ−ợc Einstein khởi đầu cho tới nay vẫn ch−a hoàn tất, và chúng ta còn phải mất nhiều thời gian để nói về thời gian (E.Klein). Bắt đầu từ số này Vật lý & Tuổi trẻ sẽ đăng một số bài viết của các nhà vật lý trong n−ớc và n−ớc ngoài về vấn đề này. Xin trân trọng giới thiệu cùng bạn đọc. Bình th−ờng,ta có thể nghĩ rằng khái niệm thời gian thật là đơn giản, bởi vì ai cũng cảm nhận “đông tàn xuân đến”, “thời gian thấm thoắt tựa thoi đ−a”. Thực ra, câu chuyện không đơn giản nh− vậy. Cho đến nay khoa học nói chung và vật lý học nói riêng vẫn ch−a trả lời đ−ợc câu hỏi ngàn đời: “Cái gì là bản chất của thời gian”. f0 f B iê n C f0 f B iê n D f0 f B iê n E Trong cuộc sống và khoa học ứng dụng, ta chỉ mới sử dụng khái niệm “thời khoảng”, tức khoảng thời gian đ−ợc đo theo đơn vị thời gian quy −ớc giữa các sự kiện hay biến cố, mà không quan tâm hay đúng hơn ch−a cần đi sâu vào bản chất của thời gian. Nói một cách tổng quát nhất, thời gian và không gian là những tham số chứng minh sự tồn tại của thế giới vật chất và cũng là hình thức cơ bản của kinh nghiệm con ng−ời. Con ng−ời dễ dàng cảm nhận sự tồn tại của không gian, bởi vì với 3 toạ độ (không cần nhiều hơn) chúng ta có thể xác định bất cứ vị trí nào trong không gian. Đối với thời gian, chúng ta chỉ có thể quan niệm nh− sự kéo dài thuần tuý, sự diễn ra theo trình tự không thể đảo ng−ợc của các biến cố từ quá khứ đến t−ơng lai thông qua hiện tại. Nh−ng làm sao có thể phân định rạch ròi các mốc quá khứ, hiện tại, t−ơng lai. Chỉ một cái chớp mắt, hiện tại đã trở thành quá khứ, còn t−ơng lai phải chăng là sự chờ đợi trong hiện tại. Mấy năm gần đây, một số nhà vật lý còn đề cập một cách nghiêm túc đến vấn đề trôi ng−ợc của thời gian: thời gian có thể trôi ng−ợc từ t−ơng lai về hiện tại, từ hiện tại về quá khứ. Hoá ra khái niệm thời gian không đơn giản và dễ hiểu nh− chúng ta mới nghĩ. Có lẽ vì thế trong ngôn ngữ khoa học và trong cả cuộc sống hàng ngày, từ lâu đã xuất hiện thuật ngữ “thời gian khách quan”, “thời gian chủ quan” hay “thời gian tâm lý”. Trong bài thơ “Màu thời gian”, thi sĩ Đoàn Phú Tứ còn mạnh dạn gán cho thời gian cả h−ơng và sắc: ...“Màu thời gian không xanh, Màu thời gian tím ngát, H−ơng thời gian không nồng, H−ơng thời gian thanh thanh...” Chúng ta sẽ không đề cập đến thời gian tâm lý, bởi vì biết lấy gì làm đơn vị đo: “ngày vui ngắn chẳng tày gang”, “ba thu dọn lại một ngày dài ghê”. Chúng ta hãy nói về thời gian trong khoa học tự nhiên, mà cụ thể là thời gian theo quan niệm vật lý học. Theo dõi lịch sử phát triển các quan niệm về thời gian trong khoa học, chúng ta có thể vạch ra hai mốc quan trọng: thời gian tuyệt đối trong cơ học cổ điển Newton hình thành từ thế kỷ XVII và thời gian t−ơng đối trong lý thuyết của Einstein ra đời đầu thế kỷ XX. Theo quan niệm của Newton, thời gian là tuyệt đối, diễn ra đều đặn và đồng bộ tại mọi điểm của không gian và không phụ thuộc vào bất cứ cái gì. Đồng hồ sẽ chạy nh− nhau tại mọi ngóc ngách của vũ trụ bao la, vô tận. Trong hơn hai thế kỷ, các nhà khoa học không có nghi ngờ nào về giá trị của cơ học cổ điển, và tất nhiên cũng không phân vân đối với quan niệm về thời gian tuyệt đối. Trong dòng chảy thời gian của Newton, các khái niệm “hiện giờ”, “sớm hơn”, “muộn hơn” hoàn toàn xác định thông qua kết quả đo chính xác thời điểm xảy ra các sự kiện theo thứ tự tr−ớc sau rõ ràng. Và cho đến ngày nay, trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta vẫn dùng khái niệm thời gian của Newton. B−ớc vào thế kỷ XX - thế kỷ của những cuộc cách mạng khoa học xã hội, của thông tin hậu công nghiệp, thế kỷ của thế giới mới h−ớng tới t−ơng lai, trong quan niệm về thời gian đã xảy ra một cuộc cách mạng. Sau khi lý thuyết t−ơng đối của Einstein ra đời, các nhà vật lý và vũ trụ học đã phải xét lại quan niệm về thời gian t−ởng chừng không còn gì phải thảo luận nữa. Theo lý thuyết t−ơng đối, các khái niệm “hiện giờ”, “sớm hơn”, “muộn hơn” chỉ còn đúng khi xét các biến cố diễn ra không cách xa nhau lắm, khi mà tín hiệu truyền đi với tốc độ ánh sáng (300.000 km/giây) có thể từ hiện tr−ờng của biến cố này đến đ−ợc hiện tr−ờng của biến cố kia. Thời gian trôi đi phụ thuộc vào ng−ời quan sát hay đo đạc thời gian chuyển động với tốc độ bao nhiêu so với hệ đó trong biến cố diễn ra. Tốc độ chuyển động của ng−ời quan sát càng lớn so với hệ gắn với biến cố đang xét thì thời gian trôi đi càng chậm. Trong cuộc sống hàng ngày chúng ta không thể cảm nhận hiện t−ợng này, vì các biến cố đều xảy ra với tốc độ rất nhỏ so với tốc độ ánh sáng. Nh−ng nhờ các hạt sơ cấp, các hạt vô cùng nhỏ trong thế giới nguyên tử, các nhà vật lý đã xác nhận hệ quả nêu trên suy ra từ thuyết t−ơng đối. Nh− vậy, các đặc tính của thời gian không phải là bất biến, thời gian không còn là thời gian tuyệt đối độc lập với vật chất chuyển động. Nói tóm lại, lý thuyết t−ơng đối của Einstein đã chứng minh mối liên hệ không thể tách rời giữa không gian và thời gian. Sự thay đổi các thuộc tính thời gian của các quá trình luôn luôn kèm theo sự thay đổi các đặc tr−ng không gian và ng−ợc lại. Một dấu hiệu đặc tr−ng của mối t−ơng tác đó là tr−ờng hấp dẫn gây ra bởi những thiên thể có mật độ cực kỳ lớn có thể làm thay đổi tốc độ trôi của thời gian. Có lẽ chúng ta không cần đi sâu thêm vào các hệ quả trừu t−ợng của lý thuyết vật lý. Điều cần nói ở đây là nội hàm của khái niệm thời gian đã thay đổi cùng với sự phát triển của khoa học nói chung và vật lý nói riêng. Ta có quyền hỏi lý thuyết t−ơng đối của Einstein, đỉnh cao trí tuệ của thế kỷ XX, đã trả lời đầy đủ câu hỏi “thời gian là gì ?” hay ch−a? Có thể trả lời là “ch−a”. Với lý thuyết Einstein, chúng ta chỉ có thể khẳng định thời gian không thể tách rời khỏi không gian và vật chất, thời gian không phải là thời gian tuyệt đối theo quan điểm của Newton. Nh−ng bản chất của thời gian vẫn còn là bí ẩn sâu xa của tự nhiên. Tìm hiểu bản chất của thời gian vẫn còn là nhiệm vụ của khoa học t−ơng lai trong thế kỷ XXI. Và chúng ta hiểu đây là một trong nhiều bí ẩn của tự nhiên mà khoa học phải khám phá. Cho nên “khoa học sẽ không cáo chung” nh− I.Horgan đã viết trong cuốn sách “Sự cáo chung của khoa học” (The end of science) đang gây ra cuộc tranh luận trong cộng đồng các nhà khoa học trên thế giới và đang đ−ợc quan tâm ở n−ớc ta. Hiện nay chúng ta chỉ có thể nói về thời khoảng ngắn nhất mà vật lý hiện đại có thể biết đ−ợc. Vài thập niên gần đây, các nhà vật lý đã đề cập tới tính bất liên tục của thời gian. Nghĩa là sự phân thời gian thành các l−ợng tử không - thời gian trong trạng thái đặc biệt khởi đầu Big Bang (Vụ nổ lớn dẫn đến hình thành vũ trụ của chúng ta). Chúng ta ch−a có lý thuyết chính xác và hoàn chỉnh về hiện t−ợng l−ợng tử hoá thời gian. Nh−ng từ các lý thuyết vật lý hiện đại, chúng ta có thể đ−a ra con số −ớc l−ợng về kích cỡ của l−ợng tử thời gian. Kết hợp ba hằng số cơ bản của tự nhiên (tốc độ ánh sáng, hằng số hấp dẫn và hằng số l−ợng tử Planck), các nhà vật lý đã suy ra khoảng thời gian ngắn nhất còn có ý nghĩa vật lý 4310−=t giây. Đó là l−ợng tử thời gian. Nếu nhân thời gian này với tốc độ ánh sáng ta có l−ợng tử không gian cm3310− . Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta khó hình dung nổi chúng ngắn và nhỏ tới mức nào! Cho đến nay, vật lý học hiện đại cho rằng không có thời gian nào ngắn hơn 4310− giây. Chắc chắn, tri thức khoa học nói chung và tri thức vật lý nói riêng không dừng lại ở đây.

File đính kèm:

  • pdfVLTT14.pdf
Giáo án liên quan