Logo Thư Viện Vật Lý
Banner Thư Viện Vật Lý

> > Vật chất và vận động trong vật lý học

Vật chất và vận động trong vật lý học

* nguyen thanh phuoc - 396 lượt tải

Chuyên mục: Kho luận văn, luận án, tiểu luận seminar

Để download tài liệu Vật chất và vận động trong vật lý học các bạn click vào nút download bên dưới.

Mời bạn truy cập vào kho download tài nguyên với thư viện giáo án điện tử, thư viện đề kiểm tra - trắc nghiệm và nhiều tài nguyên quý giá khác nữa.

Nếu bạn thích tài liệu Vật chất và vận động trong vật lý học , click nút "Cảm ơn" hoặc "Thích" và chia sẻ cho bạn bè mình.

Hãy Đăng kí để nhận file mới qua email
Download reader Hướng dẫn


► Like TVVL trên Facebook nhé!
Luong tu thu vi
Hỗ trợ  Upload
Thêm vào bộ sưu tập

Mã nhúng hiện file trên blog của bạn:

* Bạn muốn Viết công thức toán tại comment Facebook này, hãy đọc bài hướng dẫn tại đây: Cách gõ công thức toán trong Facebook
7 Đang tải...
Chia sẻ bởi: nguyen thanh phuoc
Ngày cập nhật: 12/05/2014
Tags: Vật chất, vận động, vật lý học
Ngày chia sẻ:
Tác giả nguyen thanh phuoc
Phiên bản 1.0
Kích thước: 2,626.74 Kb
Kiểu file: docx
Hãy đăng kí hoặc đăng nhập để tham gia bình luận

  • Tài liệu Vật chất và vận động trong vật lý học là file được upload bởi thành viên của Thư Viện Vật Lý như đã trình bày trên. Cộng đồng Thư Viện Vật Lý hết sức cảm ơn tác giả đã chia sẻ tài liệu này.

    Rất mong các bạn đóng góp bằng cách upload file để kho tài liệu của chúng ta thêm phong phú.

Dưới đây là phần văn bản trích từ tài liệu

Chú ý:

- Có thể font chữ sẽ không hiển thị đúng, bạn nên click nút download để tải về máy đọc cho hoàn thiện.

- Download bộ font .VnTimes, VNI-Times đầy đủ nếu máy bạn chưa có đủ font tiếng Việt.

Phần : MỞ ĐẦU

. .

Nhân Loại đang bước vào một kỷ nguyên mới, kỷ nguyên của khoa học và công nghệ .Con người ngày càng có nhiều phát minh mới quan trọng đóng góp rất nhiều vào sản xuất và đời sống, không ngừng nâng cao tiện ích nhằm phục vụ đắc lực cho đời sống của con người. Để đạt những thành tựu vô cùng to lớn đó Thế Giới không thể không nhắc đến sự song hành của 2 lĩnh vực quan trọng đóng vai trò là “kim Chỉ nam” cho mọi hành động đó là : Triết Học và Vật lý học. Như chúng ta đã biết Triết học và Vật lý học là hai nghành xuất hiện rất sớm (vào thời bình minh của văn minh nhân loại), thời mà Triết học và Vật lý học là một, chưa phân biệt rạch ròi.Thời mà một Nhà Triết học vừa là một nhà Vật lý học như : Arixtot, Platon, Ploteme,Decaste,...v.v..dần về sau thì chia ra hai hướng, một bên đưa ra những tiền đề, định hướng còn một bên thì đi sâu vào thực tiễn, tuy phân biệt nhưng bổ sung song hành cho nhau nhờ vậy mà mới có 2 cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật vĩ đại góp phần to lớn vào bước tiến của nhân loại.

Triết học là hệ thống những quan điểm và quan niệm chung của con người và thế giới (Bao gồm cả thế giới tự nhiên, xã hội và tư duy) , là thế giới quan của một giai cấp hay một lực lượng xã hội nhất định.Con người muốn làm chủ thế giới quan, dù ở lĩnh vực nào thì trước hết là phải hiểu rõ, phải nắm những quy luật vận động của nó.

Trong lịch sử phát triển các tư tưởng triết học, đã hình thành hai trường phái chính là duy vật và duy tâm. khi nghiên cứu về thế giới tự nhiên, triết học duy vật đã khẳng định: bản chất của thế giới tự nhiên là vật chất, thế giới thống nhất ở tính vật chất. Do đó khi nói về thế giới tự nhiên là ta nói đến thế giới vật chất. Còn triết học duy tâm cho rằng : nguồn gốc, bản chất của thế giới tự nhiên là thần thánh, lực lượng siêu tự nhiên như đấng tạo hóa... rồi chia Thế giới làm 3 bộ phận : Trần Gian, Địa Ngục, Thiên đàng,...

Để biết được các thành phần cơ bản nhất của vật chất và các tương tác giữa chúng, để giải thích những hiện tượng tự nhiên , những đặc tính của vật chất tổng thể , và để khẳng định tính đúng đắn của trường phái duy vật, nên Vật lý học đã đi sâu nghiên cứu vấn dề này.

1.Lý do chọn đề tài

Thế giới vật chất thường xuyên vận động và không có vận động nào không gắn liền với vật chất . tính phong phú của thế giới vật chất không những thể hiện ở số lượng, ở hình thức, ở cấu trúc, bản chất, mà còn thể hiện ở vận động.

Mặt khác, Vật lý học, một nghành khoa học tự nhiên, đã vận dụng phương pháp tư duy biện chứng của Triết học duy vật biện chứng để nghiên cứu và đã đạt được nhiều thành quả rực rở, chính xác. Và chính các tri thức vật lý ngày nay, đã chứng minh rằng triết học duy vật biện chứng là hoàn toàn đúng đắn.

Thật vậy, tìm hiểu các dạng vận động của thế giới vật chất, vật lý học đã xây dựng nên các phần cụ thể như : Cơ học, Nhiệt học, Điện – từ học, Quang học, vật lý nguyên tử và hạt nhân, và thế gới các hạt cơ bản. Mỗi phần ấy xét vận động xảy ra ở một đối tượng vật chất cụ thể ở dạng hạt.Ví như :

Cơ học Galile – Newton xét chuyển động cơ học (tịnh tiến, quay, dao động) của một vật thể rắn hoặc một cơ hệ.

Nhiệt học xét chuyển động của các phân tử cấu tạo nên vật (Hệ chất điểm chuyển động như chất lỏng, chất khí).

Điện từ học xét chuyển động của các hạt mang điện trong thế giới vật chất như (các hạt mang điện tích âm, điện tích dương, các hạt ion,...)

Vật lý nguyên tử và hạt nhân xét chuyển động của các hạt cấu thành nguyên tử và hạt nhân ở mức độ thực sự cơ bản.

Đặc biệt ta nghiên cứu sự vận động của vật chất ở dạng trường (trường hấp dẫn, trường điện từ, trường tương tác mạnh, trường tương tác yếu).

Một hình thức đặc biệt của vận động là quá trình chuyển hóa; giữa điện trường biến thiên và từ trường biến thiên, giữa năng lượng và khối lượng, hiện tượng sinh và hủy cặp,... đều được Vật lý tìm hiểu.

Vận động của thế giới vật chất tuy phong phú đa dạng nhưng phải tuân theo những định luật tự nhiên như : định luật bảo toàn năng lượng, định luật bảo toàn động lượng, định luật bảo toàn điện tích,...

Đề tài này lần lượt đề cập đến các vấn đề trên, để tìm hiểu thêm sâu sắc tính chất của giới tự nhiên, và khẳng định tính đúng đắn của triết học duy vật biện chứng, do đó em chọn đề tài này để nghiên cứu, nhằm nắm vững những kiến thức về vật lý, đồng thời mang tính giáo dục cho học sinh để phục vụ cho việc giảng dạy sau này.

2.Hạn Chế của đề tài

Đề tài : “vật chất và vận động” là đề tài muôn thuở của Triết học và Vật lý học, là đề tài rộng và lớn đòi hỏi người viết phải có kiến thức rộng và dàn trãi trên các phần của vật lý học từ vi mô đến vĩ mô mới chứng minh được trọn vẹn tính “vận động” của vật chất. Do phạm vi của đề tài rộng lớn như vậy thêm nữa trình độ của người viết còn hạn chế (vì là SV nghành sư phạm) nên chỉ viết ở nét khái quát đại cương trong các phần: cơ, nhiệt, điện, quang của vật lý nhằm làm rõ “tính vận động của vật chất” là chủ yếu.

3. Các giả thuyết của đề tài

Nếu như Triết học là cơ sở, là ánh sáng soi đường cho vật lý học thì ngược lại Vật lý học cũng đã chứng minh, hoàn thiện các quan điểm của Triết học về thế giới vật chất. Đề tài này nghiên cứu các tính chất của vật chất trong thế giới tự nhiên theo quan điểm của triết học duy vật biện chứng, và từ đó, Vật lý học sẽ chứng minh để làm rỏ tính đúng đắn của quan điểm trên.Trong quá trình chứng minh, ở từng phần ta sẽ tìm hiểu thuộc tính và bản chất của vận động từ thế giới vi mô đến thế giới vĩ mô diễn ra như thế nào.

4. Các phương pháp và phương tiện tực hiện đề tài

Thu thập các tài liệu từ các giáo trình sách báo, và internet có liên quan đến đề tài.

Tìm hiểu chọn lọc những ý hay, cơ bản để viết đề tài.

Tham khảo ý kiến của Giáo Viên hướng dẫn.

Tổng hợp các vấn đề và viết luận văn

5.Các bước tiến hành

Nhận đề tài.

Sưu tầm tài liệu, định hướng công việc.

Lập đề cương, tham khảo ý kiến của Giáo viên hướng dẫn.

Viết bài báo cáo luận văn.

Nộp bài cho giáo viên hướng dẫn chỉnh sửa.

Hoàn thành luận văn và nột cho Giáo viên phản biện.

Nộp luận văn cho Hội Đồng bảo vệ.

Bảo vệ luận văn.

Phần : NỘI DUNG

. .

CHƯƠNG I : THẾ GIỚI VẬT CHẤT TRONG TRIẾT HỌC VÀ VẬT LÝ HỌC

Quan điểm của triết học duy vật biện chứng về vật chất và sự tồn tại của vật chất

Định nghĩa phạm trù vật chất

“Vật chất” là một trong những phạm trù cơ bản, làm nền tảng của chủ nghĩa duy vật. Nó chứa dựng nội dung thế giới quan và phương pháp luận rất sâu sắc. Từ đó LeNin đã chỉ rõ : “Vật chất là một phạm trù triết học dùng để chỉ thực tại khách quan được đem lại cho con người trong cảm giác; được cảm giác chúng ta chép lại, chụp lại, phản ánh và tồn tại không lệ thuộc vào cảm giác.

Trong đời sống con người có quan hệ với thế giới xung quanh ; có nhu cầu tìm hiểu, nhận thức về thế giới xung quanh. Vì vậy con người cần phải hiểu rõ bản chất của thế giới là gì và thế giới tồn tại như thế nào? Khoa học tự nhiên đã chứng minh rằng :Thế giới xung quanh, từ những vật vô cùng nhỏ, đến những vật vô cùng lớn, từ tự nhiên đến xã hội, từ hữu sinh đến vô sinh, từ thực vật đến động vật có cùng bản chất là vật chất và thống nhất với nhau bởi bản chất ấy. Vậy : “bản chất của thế giới tự nhiên là vật chất. Ănghen viết: “tính thống nhất thực sự của thế giới là tính vật chất của nó và tính vật chất này đã được chứng minh bằng sự phát triển lâu dài và khó khăn của triết học và khoa học tự nhiên trong đó có Vật lý học.

Với định nghĩa này, Lênin đã khẳng định : Vật chất không có gì khác hơn là thực tại khách quan tồn tại độc lập với ý thức con người và được ý thức của con người phản ánh. Nghĩa là cái đang tồn tại độc lập với loài người và cảm giác của con người và tất nhiên tất cả những cái tồn tại đó đều thuộc phạm trù vật chất.

1.1.2. Vật Chất và Vận Động

Vận động hiểu theo nghĩa chung nhất là một phương thức tồn tại của vật chất, là một thuộc tính cố hữu của vật chất. Vận động bao gồm tất cả mọi sự thay đổi và mọi quá trình diển ra trong vũ trụ; kể từ sự thay đổi vị trí đơn giản cho đến tư duy.

Vận động là một phương thức tồn tại của vật chất. Bất cứ ở đâu và bất cứ lúc nào, cũng không có và không thể có vật chất mà không có vận động: vận động của các thực thể trong không gian vũ trụ; vận động cơ học của những khối nhỏ trên thiên thể riêng biệt ; dao động phân tử dưới hình thức nhiệt, hay dưới hình thức dòng điện hay dòng từ; phân giải hóa học và hóa hợp hóa học; đời sống hữu cơ. Đó là những hình thức vận động mà mỗi một phân tử vật chất riêng biệt trong vũ trụ, trong mỗi lúc nhất định, đều nằm dưới một hình thức vận động hay nhiều hình thức vận động cùng một lúc. Mọi trạng thái đứng im; mọi trạng thái cân bằng điều chỉ là tương đối, chỉ ý nghĩa nếu đem so sánh với một hình thức vận động nhất định nào đó.

Vậy : vận động là không thể tạo ra được mà chỉ có thể truyền đi được mà thôi. Khi vận động được truyền từ vật này sang vật khác thì trong chừng mực nào đó nó tự truyền đi, nó là chủ động, mà người ta có thể coi là nguyên nhân của vận động, và trong chừng mực nó bị truyền đi, người ta gọi nó là bị động.

1.2.Vận động trong Vật Lý học

Bất kỳ sự vận động nào cũng gắn liền với sự thay đổi vị trí nào đó, dù là sự thay đổi vị trí của các thiên thể, của những phân tử, nguyên tử hay những hạt ete. Hình thức vận động càng cao bao nhiêu thì sự thay đổi vị trí càng nhỏ bấy nhiêu, Sự thay đổi vị trí không tách rời khỏi sự vận động. Do đó khi nghiên cứu về sự vận động thì ta cần phải nghiên cứu sự thay đổi vị trí của vật chất.

Mọi sự vận động điều là tác động tương hỗ của hút và đẩy, sự tác động qua lại của giới tự nhiên, trong đó không có cái gì là đứng yên, không thay đổi mà tất cả đều vận động: biến hóa, phát sinh và mất đi.

Trong thế giới tự nhiên vô sinh có hai dạng vật chất cơ bản đó là “hạt”(gọi là chất) và “trường”. Hạt là cái gián đoạn được tạo ra từ chất liệu có một khối lượng nào đó, bắt đầu từ hạt vi mô có cấu trúc nhỏ đến hạt vĩ mô xung quanh ta và cho tới những thiên thể cực kỳ lớn. Những hạt vi mô như: Proton, nơtron, electron,... là những thành phần cơ bản, chủ yếu nhất để cấu thành thế giới vật chất. Hay nói khác hơn vật chất trong thế giới tự nhiên điều được tạo thành từ các hạt, các hạt đó được sắp xếp theo một trật tự nhất định và luôn luôn vận động, biến đổi. Các hạt vận động và tương tác được với nhau là nhờ có một môi trường đồng chất liên tục, không có khối lượng tĩnh gọi là “trường”, như: trường hấp dẫn, trường điện từ, trường hạt nhân,... trường làm cho các hạt liên kết với nhau, tác động với nhau nhờ đó mà chúng tồn tại được. Ranh giới giữa hạt và trường chỉ có tính tương đối, bởi chúng có thể bổ sung, chuyển hóa được với nhau để tạo nên thế giới.

Khoa học tự nhiên hiện đại đã phải mượn của triết học luận điểm về tính không thể tiêu diệt được của vận động, không có luận điểm này thì khoa học tự nhiên không thể hình thành được. Nhưng vận động của vật chất không phải là vận động cơ giới thô sơ, một sự đổi chổ đơn giản, mà đó là nhiệt và ánh sáng, là điện áp và từ áp, là sự hóa hợp và phân giải hóa học, là sự sống và cuối cùng là ý thức.Ta cần phải hiểu tính chất bất diệt của vận động không chỉ đơn thuần ở mặt số lượng mà cần phải hiểu về mặt chất lượng nữa. Vận động không phải chỉ là sự thay đổi về vị trí mà cả sự thay đổi về tư thế, mức độ, tính chất và số lượng. Vận động của vật làm thay đổi về “tư thế” như một vật quay xung quanh một trục hay một điểm cố định nào đó, khi đó vật không thay đổi vị trí từ nơi này đến nơi khác mà tư thế của vật bị thay đổi. Có những sự vận động mà ta không thể quan sát được, đó là vận động của các hạt vi mô, như các electron trong nguyên tử chẳng hạn, một nguyên tử có thể mất bớt hay thêm vào nhiều hơn số electron bên ngoài hạt nhân, đó là sự vận động thay đổi về số lượng của vật chất. Ngoài ra còn có những vận động làm thay đổi về tính chất của vật, như nước chẳng hạn, ở các nhiệt độ khác nhau sẽ tồn tại ở các dạng khác nhau , nước có thể ở thể rắn khi nhiệt độ dưới 00c , ở thể lỏng khi nhiệt độ lớn hơn 0oc và nhỏ hơn 1000c, ở thể hơi khi nhiệt độ lớn hơn 1000C. Điều đó cho ta thấy rằng vật chất luôn vận động, biến đổi, và tồn tại ở những dạng khác nhau trong thế giới.

Vận động còn được thể hiện dưới hình thức chuyển hóa, sinh và hủy của các chất. Một vật chất mà sự thay đổi vị trí một cách thuần túy cơ giới có chứa đựng trong mình nó cái khả năng chuyển hóa, trong những điều kiện thuận lợi, thành nhiệt, điện, tác dụng hóa học, sự sống, nhưng lại không có khả năng tạo ra được những điều ấy từ bản thân nó.

Trạng thái “tĩnh” và “cân bằng động” là trạng thái đặc biệt của vận động , cân bằng không thể tách rời khỏi vận động. Trong vận động của các vật vĩ mô, có vận động trong cân bằng và có cân bằng trong vận động. Nhưng bất kỳ vận động tương đối riêng biệt nào cũng đều có xu hướng khôi phục lại sự đứng yên tương đối. Khả năng đứng yên tương đối của các vật thể và khả năng cân bằng tạm thời là những điều kiện chủ yếu của sự phân hóa của vật chất và của sự sống. Trên trái đất sự vận động đã phân hóa thành vận động và cân bằng xen kẽ nhau : vận động riêng biệt có xu hướng chuyển thành cân bằng, vận động toàn bộ lại có xu hướng phá hoại sự cân bằng riêng biệt. “Đá đã đi đến trạng thái đứng yên, nhưng ảnh hưởng của mưa, nắng tác động của thủy triều, của sông ngòi, của băng tuyết lại luôn phá hoại sự cân bằng ấy. Sự bốc hơi và mưa, gió, nhiệt, những hiện tượng điện và từ cũng cho ta thấy một ảnh hưởng như vậy. Trong cơ thể sống, chúng ta thấy sự vận động liên tục của những hạt nhỏ nhất của cơ thể ấy cũng như của những khí quan lớn hơn, một vận động mà kết quả là cân bằng thường xuyên của toàn bộ cơ thể trong một thời kỳ sinh sống bình thường, một vận động không lúc nào ngừng: đấy là sự thống nhất sinh động của vận độngvà cân bằng. Mọi sự cân bằng chỉ tương đối và tạm thời.

Như vậy, triết học duy vật khẳng định rằng: bản chất của thế giới tự nhiên là vật chất. Thế giới vật chất luôn luôn vận động và biến đổi không ngừng. Hai điều cơ bản này mang tính khách quan ; là thuộc tính vốn có của mỗi sự vật, hiện tượng, không phải do suy tưởng và Tôn giáo, đó là: nguồn gốc, bản chất của thế giới tự nhiên là thần thánh, là lực lượng siêu tự nhiên như Đấng Tạo Hóa. Mà con người chỉ phát hiện ra chúng theo những quy luật vốn có mà thôi. Vật lý học cổ điển và hiện đại đã chứng minh quan điểm triết học duy vật là hoàn toàn đúng đắn và thừa nhận đây là chân lý khoa học. Vật lý học tìm hiểu, mô tả, và xem vận động và biến đổi là quy luật cơ bản, là nguồn gốc của sự phát triển.Vì vậy dưới sự chỉ đường của chủ nghĩa duy vật, Vật lý học đã đạt những thành tựu to lớn, sâu sắc: nó mở ra kỷ nguyên cho sự nghiên cứu về bản chất, cấu trúc... của vật chất từ bên trong đến bên ngoài của những vật thể nhỏ nhất đến các vât siêu vĩ mô trong vũ trụ. Nhờ vào tri thức vật lý, con người đã chiếm lĩnh từ bản thân sự vật, hiện tượng trong giới tự nhiên , mà con người đã nghiên cứu cấu trúc thành phần cấu tạo và quy luật vận động bên trong của vật thể. Và hơn thế nữa, con người đã đi vào vũ trụ xa xăm để nghiên cứu về hệ mặt trời của chúng ta và đã đưa ra những giải thuyết mới như : thuyết địa tâm, thuyết nhật tâm... với những thành tự ấy đã khẳng định tính đúng đắn, sự vững vàng trong quan điểm của chủ nghĩa duy vật, và cho ta thấy được mối quan hệ mật thiết giữa vật lý và triết học.

Để chứng minh được vật chất luôn luôn vận động và biến đổi thì ta hãy nghiên cứu sâu hơn về một lĩnh vực khoa học tự nhiên khác là Vật lý học. Vì Vật lý học là một môn khoa học tự nhiên nghiên cứu các dạng vận động tổng quát nhất của thế giới vật chất, nó nghiên cứu những đặc trưng, quy luật tổng quát về cấu tạo và vận động của vật chất.

Thế giới vật chất tồn tại dưới dạng vật thể, các vật thể có thể ở trạng thái rắn, lỏng hoặc khí, các vật thể đó đều được cấu tạo từ các hạt, nguyên tử, phân tử, có kích thước nhỏ, được gọi là kích thước vi mô, những kích thước của các vật thể thông thường xung quanh ta gọi là kích thước vĩ mô. Các quy luật của tự nhiên trong phạm vi kích thước vi mô khác hẳn quy luật tự nhiên trong thế giới vĩ mô. Do đó, Vật lý học chia làm hai phần để nghiên cứu tùy theo đối tượng là vật lý vi mô hay vật lý vĩ mô. Trong đó người ta lại chia ra những phần riêng biệt để nghiên cứu, đó là: cơ, nhiệt, điên, quang, vật lý nguyên tử và hạt nhân. Ta sẽ đi sâu vào các phần đó trong các chương sau.

Ở từng phần, ta chỉ nêu lên một cách khái quát về cấu tạo và tính chất của vật chất, ta chỉ làm nổi bật lên tính chất vận động của vật chất, chứ không đi sâu vào chi tiết của từng phần.

Chương II :VẬN ĐỘNG TRONG CƠ HỌC

2.1.Các khái niệm chung

Thế giới vật chất luôn luôn vận động, và sự vận động của nó có thể chia thành 2 loại vận động đó là :vận động bên trong và vận động bên ngoài. Có thể nói cơ học là môn khoa học nghiên cứu sự vận động của vật thể ở bên ngoài, tức chưa quan tâm tới sự vận động các phân tử bên trong ( ta sẽ xét đến trong phần chuyển động nhiệt ở chương sau). Cơ học nghiên cứu các dạng vận động cơ (chuyển động) tức là sự chuyển đổi “vị trí” và “tư thế” của các vật vĩ mô. Cơ học gồm những phần sau:

“Động Học” là phần nghiên cứu những đặc trưng của chuyển động và những dạng chuyển động khác nhau như : tịnh tiến, quay và dao động, mà chưa xét tới nguyên nhân gây ra chuyển động.

“Động Lực Học” là phần nghiên cứu mối liên hệ của chuyển động với sự tương tác giữa các vật, phần này có xét tới nguyên nhân làm thay đổi chuyển động của vật.

“Tĩnh học” là một phần của động lực học nghiên cứu “trạng thái cân bằng” của các vật.

Vậy chuyển động cơ học là sự chuyển dời vị trí trong không gian của các vật hay là sự chuyển động của một bộ phận này so với bộ phận khác của cùng một vật. Vật thể xung quanh ta đa phần là vật rắn cho nên ta phải nghiên cứu thẳng vào chuyển động của vật rắn luôn mới đúng, nhưng chuyển động của vật rắn tương đối phức tạp nên các nhà khoa học đã xây dựng mô hình hóa Động học chất điểm trước. Rồi sau đó ứng dụng các kết quả nghiên cứu của Động lực học chất điểm cho Động lực học vật rắn với quan niệm rằng: “ vật rắn là tập hợp hệ chất điểm có khoảng cách không đổi”. Ở đây, người viết cũng trình bày theo trình tự trên, tức là: trình bày những đặc trưng của chuyển động chất điểm, sau đó áp dụng nghiên cứu đặc trưng chuyển động của vật rắn, sau cùng là phần phân tích nguyên nhân gây ra sự chuyển động.

2.2.chuyển động của chất điểm

2.2.1.Hệ quy chiếu

Nói một vật chuyển động hay đứng yên thì điều đó chỉ có tính chất tương đối vì điều này còn phụ thuộc vào việc người quan sát đứng ở vị trí nào. Thật vậy, nếu ta đứng bên đường quan sát thì ta thấy các cây đứng yên, nhưng nếu ta ngồi trên một cái ô tô đang chuyển động thì ta thấy cái cây chuyển động. Hoặc một tay đua mô tô đang chạy với tốc độ 100km/h thì người này đang chuyển động so với cây cối và người bên đường, nhưng người này sẽ đứng yên tương đối so với một tay đua khác đang chạy song hành với cùng vận tốc. Vậy muốn xét chuyển động của chất điểm hay vật rắn ta phải xét hệ quy chiếu trước đã. Hệ quy chiếu là hệ vật mà ta quy ước là đứng yên làm mốc để khảo sát sự thay đổi vị trí của vật so với nó. Cho đến nay người ta vẫn chưa tìm được một hệ quy chiếu nào là đứng yên tuyệt đối cả, kể cả mặt trời củng chuyển động xung quanh tâm Thiên Hà của chúng ta mà Thiên Hà củng chuyến động quanh Thiên hà khác trong vũ trụ bao la vô tận. Ngoài việc nghiên cứu chuyển động của các hành tinh quanh mặt trời ta chọn hệ quy chiếu Mặt trời (hệ quy chiếu copechnich) thì khi nghiên cứu các chuyển động trên trái Đất người ta thường dùng hệ quy chiếu gắn với trái đất để tiện nghiên cứu.

Để xác định chuyển động của một chất điểm chúng ta cần biết vị trí của chất điểm tại những thời điểm khác nhau. Nói cách khác, chúng ta cần biết sự phụ thuộc theo thời gian của bán kính vectơ r của chất điểm:

r = r(t) (2.1)

trong tọa độ Descartes, phương trình chuyển động của chất điểm là một hệ ;

x=x(t)y=y(t)z=z(t) (2.2)

Hàm trên cho ta biết cứ mổi thời điểm t chất điểm ở một vị trí xác định nhờ 3 tọa độ và khi t biến thiên thì chất điểm chuyển động một cách liên tục vạch nên một quỹ đạo trong không gian. Phương trình quỹ đạo có được là nhờ ta khử t trong 3 phương trình trên được :

f

1(x,y) = 0 ; f

2(y,z) = 0

Hai phương trình trên là 2 phương trình mô tả 2 mặt cong nào đó, quỹ đạo là giao tuyến của 2 mặt cong đó. Quỹ đạo cho ta biết hình dạng chuyển động của chất điểm, điều này rất quan trọng, tuy nhiên trên cùng một quỹ đạo chất điểm có thể chuyển động theo những quy luật khác nhau. Vì vậy ngoài phương trình quỹ đạo, chúng ta cần phải biết quy luật chuyển động của chất điểm trên quỹ đạo đó như: tốc độ nhanh, chậm, vận tốc, gia tốc,...

2.2.2 Vận tốc

Vận tốc là một đại lượng đặc trưng cho phương, chiều, và sự nhanh chậm của chuyển động.

vectơ vận tốc bằng đạo hàm của bán kính vectơ đối với thời gian:

v= drdt (2.3)

theo ba thành phần :

Độ lớn vận tốc :

(2.4)

Vậy, ta thấy vận tốc là đại lượng mô tả sự thay đổi vị trí của chất điểm nhanh hay chậm cả về hướng lẫn độ lớn, cũng nói lên phần nào tính vận động nhanh chậm của vật thể, sự vận động ở đây là sự thay đổi vị trí trong không gian.Tuy nhiên vận tốc chưa nói lên hết bản chất của chuyển động, vì trong thực tế vận tốc của một vật không phải cố định mà nó luôn luôn thay đổi, để đặc trưng cho sự biến đổi của vận tốc ta phải xét tới gia tốc của chất điểm nữa.

2.2.3.Gia tốc

Vectơ gia tốc đặc trưng cho sự biến thiên của vectơ vận tốc cả về hướng và độ lớn. Theo định nghĩa thì vectơ gia tốc bằng đạo hàm của vectơ vận tốc đối với thời gian:

a= dvdt= d2rdt (2.5)

Vec tơ gia tốc theo 3 thành phần của hệ tọa độ Descartes:

aax = dvxdt= d2xdt2ay = dvydt= d2y dt2az = dvzdt= d2zdt2 (2.6)

Độ lớn được tính bởi :a= ax2+ay2+az 2= d2xd2t2+d2yd2t2+d2zd2t2 (2.7)

Do vec tơ gia tốc đặc trưng cho sự biến thiên của vận tốc cả về hướng và độ lớn nên ta phân tích nó ra làm hai thành phần đó là :gia tốc tiếp tuyến và gia tốc pháp tuyến. Mỗi thành phần đặc trưng cho sự biến thiên của vectơ vận tốc riêng về một mặt nào đó.

a=an+at

Gia tốc tiếp tuyến đặc trưng cho sự biến thiên của vectơ vận tốc về giá trị, vectơ này có: Phương trùng với tiếp tuyến của quỹ đạo tại điểm M, chiều là chiều chuyển động khi v tăng và chiều ngược lại khi v giảm, và độ lớn bằng đạo hàm độ lớn vận tốc theo thời gian : at= dvdt.

Gia tốc pháp tuyến đặc trưng cho sự biến thiên về phương của vec tơ vận tốc, vec tơ gia tốc này có phương trùng với pháp tuyến của quỹ đạo tại M, chiều hướng về bề lõm của quỹ đạo và có độ lớn bằng : an= v2R

Tóm lại ta có thể phân tích vec tơ gia tốc ra làm hai thành phần :

a=an+at

Về độ lớn : a= an2+at2 =v2R2+dvdt2 (2.8)

Vec tơ gia tốc tiếp tuyến đặc trưng cho sự thay đổi vận tốc về độ lớn còn gia tốc pháp tuyến đặc trưng cho thay đổi về hướng.

2.2.4.Chuyển Động Tròn của chất điểm

Nghiên cứu chuyển động tròn của chất điểm, một dạng vận động đặc biệt sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về chuyển động quay của vật rắn quanh một trục sau này. Có một đặc điểm khá quan trọng về chuyển động này là khi vật rắn chuyển động quay thì các chất điểm trên vật rắn có cùng một vận tốc góc và gia tốc góc.Vậy ta hãy tìm hiểu ý nghĩa của hai đại lượng nói trên.

2.2.4.1.Vận tốc góc

Vận tốc góc có giá trị bằng đạo hàm của góc quay đối với thời gian. Vận tốc đo bằng rad/s.

ω= dθdt

Người ta biểu diễn vectơ vận tốc góc ω nằm trên trục của vòng tròn quỹ đạo, thuận chiều đối với chiều quay của chuyển động (theo quy tắc vặn đinh ốc) và có giá trị bằng ω (hình 1.4)

(Hình 1.4)

Liên hệ giữa vận tốc góc và vec tơ vận tốc dài : v= ω × R (2.9)

2.2.4.2.Gia tốc góc

Gia tốc góc có giá trị bằng đạo hàm của vận tốc góc theo thời gian và bằng đạo hàm bậc hai của góc quay đối với thời gian.Gia tốc góc có đơn vị rad/s2.

β= dωdt= d2θdt2 (2.10)

Khi β > 0, ω tăng :chuyển động tròn nhanh dần.

Khi β < 0, ω giảm :chuyển động tròn chậm dần.

Khi β = 0, ω không đổi :chuyển động tròn đều.

Trường hợp β = const, chuyển động tròn biến đổi đều.

Ta có thể chứng minh được :ω=ω0+ βtθ- θ0=ω0+12βt2ω0- ω02=2βθ- θ0 (2.11)

Người ta biểu diển vec tơ gia tốc góc β như hình (1.5) có đặc điểm như sau:

Nằm trên trục của quỹ đạo tròn.

Cùng chiều với ω khi β > 0 và ngược chiều với ω khi β < 0.

Độ lớn có giá trị bằng β.

(hình 1.5)

Liên hệ giữa vec tơ gia tốc góc β và vec tơ gia tốc tiếp tuyến at.

at= β × R (2.12)

2.2.5.Phương trình cơ bản của chất điểm

Là phương trình mô tả chuyển động tổng quát của chất điểm chuyển động trong một trường lực hay chịu các lực tương tác với gia tốc của nó. Tức là nói lên mức vận động của nó như thế nào so với các lực tác dụng tương ứng. Phương trình có dạng như sau:

F = ma (2.13)

Đây là phương trình quan trọng nhất trong cơ học cổ điển, nó thâu tóm định luật I và định luật II NewTon. Lưu ý đây là phương trình cơ bản áp dụng cho chất điểm, còn phương trình cơ bản áp dụng cho vật rắn sẽ khác hơn một chút nhưng cũng xây dựng từ phương trình cơ bản của chất điểm mà ra.

Tuy phương trình (2.13) trên rất quan trọng nhưng ứng dụng của nó chỉ áp dụng trong các hệ quy chiếu quán tính thôi, còn hệ quy chiếu phi quán tính thì không áp dụng được. Muốn áp dụng được ta phải xét tới định lý động lượng của chất điểm.

dpdt= F (2.14)

Đạo hàm vectơ động lượng theo thời gian có giá trị bằng lực (hay tổng hợp lực) tác dụng lên chất điểm đó. Trong đó Vectơ động lượng p = mv là đại lượng đặc trưng cho mức vận động của vật về mặt động lực học.

Ở phần nghiên cứu chuyển động của vật rắn ta sẽ thấy hai phương trình (2.13) và (2.14) trên được biểu diễn một cách tổng quát hơn.

2.3. Chuyển động của Vật rắn

Vật rắn được xem như là một hệ chất điểm đặc biệt trong đó khoảng cách giữa các chất điểm luôn luôn giữ nguyên không đổi trong quá trình chuyển động của vật rắn. Đây là một đối tượng cơ học quan trọng và phổ biến trong cuộc sống nên ta chú trọng khảo sát nó với phương pháp áp dụng các quy luật của chất điểm ở trên vào chuyển động của vật rắn.

2.3.1. khối tâm của vật rắn

Nghiên cứu tới vật rắn ta không thể bỏ qua một đại lượng quan trọng, vì khi khảo sát các quy luật chuyển động đều liên quan tới nó. Đó là khối tâm của vật rắn.

Khối tâm của một hệ chất điểm M1, M2, ..., Mn, lần lượt có khối lượng m1, m2, ..., mn là một điểm G xác định bởi đẳng thức: m1M1G+ m2M2G +....+ mnMnG

Suy ra:

OG= i=0nmiOMii=0nmi (2.15)

2.3.2.Vận tốc của khối tâm

V= i=0nmi.vii=0nmi

Mặt khác, imi.vi= ipi là tổng động lượng p của hệ, do đó vận tốc khối tâm là :

V= Pimi (2.16)

Suy ra : P = imi.V

Vậy tổng động lượng của hệ bằng động lượng của một chất điểm đặt tại khối tâm của hệ, có khối lượng bằng tổng khối lượng của hệ và có vận tốc bằng vận tốc khối tâm của hệ.

2.3.3.phương trình chuyển động của khối tâm

Hay là phương trình cơ bản của vật rắn : imi.a = i=0nFi (2.17)

Trong đó a= dvdt là vec tơ gia tốc của khối tâm. Từ (2.17) ta có thể kết luận rằng :

Khối tâm của một hệ chuyển động như một chất điểm có khối lượng bằng tổng khối lượng của hệ và chịu tác dụng của một lực bằng tổng ngoại lực tác dụng lên hệ. Chuyển động của khối tâm được xem như là chuyển động toàn thể của hệ.

Tuy nói chuyển động của vật rắn là khá phức tạp, nhưng người ta chứng minh được rằng mọi chuyển động của vật rắn bao giờ cũng có thể quy về tích của hai chuyển động cơ bản đó là : chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay.

2.3.4. Chuyển động tịnh tiến

Khi một vật rắn chuyển động tịnh tiến mọi chất điểm của nó chuyển động theo những quỹ đạo giống nhau, vậy chuyển động tịnh tiến của vật rắn là chuyển động mà trong đó AB xác định bởi hai điểm bất kỳ A và B của vật rắn luôn song song với chính nó.

Tại mỗi thời điểm các chất điểm của vật rắn tịnh tiến đều có cùng vectơ vận tốc và gia tốc.Vậy trong chuyển động tịnh tiến của vật rắn, quỹ đạo của mọi điểm là những đường cong như nhau, mọi nhau.

Hình 1.6

Giả thiết a là vectơ gia tốc chung của các chất điểm M

1, M

2,…, M

i; của vật rắn, các chất điểm này lần lượt có khối lượng là m

1, m

2,…, m

i; và lần lượt chịu các ngoại lực tác dụng là F

1, F

2,…, F

i. Theo định luật II Newton ta có:

m1a = F1

m2a = F2

.

mna = Fn (2.18)

Các phương trình này chứng tỏ các ngoại lực tác dụng lên vật rắn song song và cùng chiều, đây là một điều kiện để vật rắn chuyển động tịnh tiến. Cộng các phương trình (2.18) vế theo vế ta được :

imi.a = i=0nFi (2.19)

Đây là phương trình chuyển động của vật rắn tịnh tiến; nó giống như phương trình chuyển động của một chất điểm có khối lượng bằng khối lượng tổng cộng của vật rắn và chịu tác dụng một lực bằng tổng ngoại lực tác dụng lên vật rắn. Đây cũng chính là phương trình chuyển động của khối tâm của vật rắn.

Như vậy, muốn khảo sát chuyển động tịnh tiến của một vật rắn ta chỉ cần xét

chuyến động của khối tâm của nó.

2.3.5.Chuyển động quay của vật rắn

Đặc điểm chuyển động quay của vật rắn:

Khi một vật rắn chuyển động quay quanh một trục (∆) cố định thì :

Mọi điểm của vật rắn vạch nên những đường tròn đồng tâm và nằm trong những mặt phẳng vuông góc với trục ∆.

Trong cùng một khoảng thời gian, mọi điểm của vật rắn đều quay được cùng một góc θ. Do đó có cùng vận tốc góc ω= dθdt và gia tốc góc β= dωdt=d2θdt2 .

Hình 1.7.Chuyển động quay của chất rắn quanh 1 trục cố định

Tại mỗi thời điểm, vec tơ vận tốc dài và vec tơ gia tốc tiếp tuyến của một điểm bất kỳ cách trục quay một khoảng r là:

v= ω × rat = β × r

phương trình cơ bản của chuyển động quay của vật rắn :

i=0nmiri2β= i=0nMi (2.20)

Trong đó : i=0nMi là tổng momen các ngoại lực tác dụng lên vật rắn còn i=0nmiri2=I gọi là momen quán tính đối với trục quay.

Đại lượng I tùy theo tính chất đặc trưng của vật rắn , các vật rắn khác nhau thì có momen quán tính khác nhau.

Vậy phương trình cơ bản của chuyển động quay có dạng như sau : M=Iβ (2.21)

Hay : β= MI (2.22)

Và có thể phát biểu như sau: Gia tốc góc trong chuyển động quay của vật rắn xung quanh một trục tỷ lệ với tổng hợp mômen các ngoại lực đối với trục và tỷ lệ nghịch với mômen quán tính của vật rắn đối với trục.

Phương trình (2.21) nêu lên mối liên hệ giữa tác dụng ngoại lực đối với vật rắn quay, đặc trưng bởi vec tơ momen M và sự thay đổi trạng thái chuyển động của vật rắn quay, đặc trưng bởi vec tơ gia tốc góc β. Phương trình này tương tự như phương trình định luật II Newton đối với chuyển động tịnh tiến F = ma, trong đó I có nghĩa tương tự như m. Vậy, I là đại lượng đặc trưng cho mức quán tính của vật rắn trong chuyển động quay.

Một số momen quán tính

2.4.Dao Động

2.4.1. Khái niệm về dao động

Dao động là chuyển động được lặp đi lặp lại nhiều lần quanh một vị trí cân bằng nhất định.

Dao động được đặc trưng bởi chu kỳ T. Đó là khoảng thời gian nhỏ nhất mà sau đó hiện tượng lặp lại như cũ.

Số chu kỳ trong một đơn vị thời gian (1 giây) hay số dao động trong một giây được gọi là tần số dao động f. Với f = 1T

Trong tự nhiên thường bị tắt dần, tức là nó sẽ ngừng dao động sau một thời gian, nguyên nhân là do các lực ma sát của môi trường làm năng lượng của dao động chuyển hóa thành nhiệt năng. Những dao động như vậy gọi là “dao động tắt dần”. Để duy trì dao động khi có ma sát thì ta phải cung cấp thêm phần năng lượng bù vào phần năng lượng đã mất. Những dao động đó gọi là dao động cưỡng bức.

2.4.2.Dao động điều hòa

Dao động điều hòa đơn giản là một dao dộng tuần hoàn do đó đại lượng x phải khảo sát biến thiên theo thời gian, biểu thị bởi phương trình:

x=A cosωt+ φ hay x=A sin ωt+ φ∙ (2.23)

Nó là nghiệm của phương trình vi phân :

d2xdt2 + ω2x =0 (2.24)

Hình 1.8.Đồ thị li độ, vận tốc và gia tốc của dao động

Dao động điều hòa là dao động trong đó độ dời là một hàm sin của thời gian.

Dao động này gọi là dao động điều hòa riêng, nó được thực hiện dưới tác dụng của nội lực của hệ.

Đại lượng A gọi là biên độ dao động : A = xmax.

Đại lượng ω gọi là tần số góc của dao động : ω2= km

Góc ωt+ φ gọi là pha của dao động, nó xác định trạng thái dao động tại thời điểm t.

Vận tốc của chất điểm dao động điều hòa : v= dxdt= -ωAsinωt+ φ (2.25)

Gia tốc của chất điểm dao động điều hòa :

a= dvdt= -ω2Acosωt+ φ 2.26so sánh (2.26) với (2.23) ta được : a(t)= -ω2x gia tốc ngược chiều với độ dời.

2.4.3 Lực và năng lượng trong dao động điều hòa

Theo định luật II Niutơn ta có : F=ma=-mω2x

Như vậy, lực tỉ lệ thuận với độ dịch chuyển x nhưng có dấu ngược lại so với độ dời trong suốt quá trình dao động, ta gọi đó là lực hồi phục. Lực hồi phục cùng chiều với gia tốc a.

Dao động là một dạng chuyển động cơ nên năng lượng dao động là cơ năng ;

W= Wt + Wđ

Thế năng của con lắc ở thời điểm t : Wt= 12kx2 = 12kA2cos2ωt+ φ

Động năng của con lắc ở thời điểm t : Wđ= 12mv2 = 12mA2ω2sin2ωt+ φ

Cơ năng của con lắc : W= 12kA2 = 12mA2ω2

Năng lượng của dao động điều hòa được bảo toàn.

2.5. Nguyên nhân làm thay đổi trạng thái chuyển động

Trong thế giới vĩ mô, ta nghiên cứu chuyển động của các vật, vật chuyển động với những quỹ đạo, vận tốc, gia tốc khác nhau. Vậy sự thay đổi trạng thái chuyển động của các vật là do đâu. Qua nghiên cứu ta biết được nguyên nhân gây ra và ảnh hưởng tới chuyển động của các vật là có sự xuất hiện của “lực” tác dụng lên vật. Lực ở đây lại chia ra làm 2 dạng, dạng thứ nhất là các loại lực xuất hiện khi có sự tiếp cận giữa các vật tương tác như lực đàn hồi, lực ma sát,... ; loại thứ hai gồm các lực xuất hiện khi không tiếp xúc nhau, tức tương tác xa thông qua một trường vật lý nào đó như trường hấp dẫn, trường điện từ, trường hạt nhân,... trong cơ học ta chỉ nghiên cứu trường hấp dẫn thôi. Sau đây ta đi nghiên cứu các loại lực và trường nói trên.

2.5.1.Các định luật của Newton về chuyển động của vật

Định luật I phát biểu như sau : “trong hệ quy chiếu quán tính chất điểm không chịu tác dụng của ngoại lực sẽ giữ nguyên trạng thái đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều.”

Vậy rõ ràng khi không có lực nào tác dụng hay có lực tác dụng nhưng cân bằng thì vật không thu gia tốc tức a = 0. Mà theo ta biết gia tốc a là độ biến thiên của vận tốc a=dvdt , vậy suy ra vận tốc không thay đổi, dẫn đến vật có thể chuyển động thẳng đều hoặc đứng yên. Vì tính bảo toàn trạng thái chuyển động như trên mà Định luật I còn được gọi là Định luật quán tính (quán tính là tính bảo toàn trạng thái chuyển động của một vật).

Nếu như vật không chịu lực hay chịu hệ lực cân bằng thì bảo toàn trạng thái chuyển động (tức a = 0) như định luật I đã phát biểu, vậy nếu vật chịu hệ lực không cân bằng thì sao? Nội dung Định luật II sẽ trả lời câu hỏi đó. Định luật II phát biểu như sau : “ chuyển động của một chất điểm chịu tác dụng của các lực có tổng hợp lực F ≠0 là một chuyển động có gia tốc, và gia tốc thu được tỉ lệ với hợp lực tác dụng , tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật ấy”. Công thức Định luật II Niu tơn là : F =ma.

Ngoài việc lực gây ra gia tốc cho vật thì lực còn một tác dụng nữa là gây ra biến dạng vật. Khi các vật tương tác với nhau hay chúng va chạm vào nhau thì có hai dạng là “va chạm đàn hồi” và “va chạm mềm”, khi các vật va chạm mềm nghĩa là các vật đó đã bị biến dạng.

Định luật III Niu tơn : trong tự nhiên đa số các lực thường xuất hiện từng cặp một, trực đối nhau, và chỉ xuất hiện khi tương tác. Khó có một lực nào xuất hiện riêng lẽ mà không có một lực đối xứng với nó lại trong tương tác cả. Vì vậy định luật III Niu tơn cũng khái quát và phổ biến trong tự nhiên.Nội dung định luật phát biểu như sau : “trong quá trình tương tác, vật này tác dụng vào vật kia một lực thì đồng thời vật kia củng tác dụng trở lại vật đó một lực có cùng độ lớn nhưng ngược chiều.” Công thức

F12 = - F21

Vậy, ta có thể nói một cách tổng quát như sau : lực là nguyên nhân gây ra và ảnh hưởng tới chuyển động của vật hoặc làm cho vật bị biến dạng. Sự vận động trong cơ học chính là sự chuyển động cơ cho nên cũng có thể nói lực cũng là nguyên nhân gây ra sự vận động trong cơ học . Tuy nhiên sẽ thiếu nếu ta không xét tới dạng lực tương tác mà không qua tiếp xúc đó là lực hấp dẫn (hay trường hấp dẫn ).

2.5.2. Lực hấp dẫn.

Nhiều hiện tượng trong tự nhiên chứng tỏ rằng các vật có khối lượng luôn luôn tác dụng lên nhau những lực hút. Trọng lực là lực hút của quả đất đối với các vật xung quanh nó. Quả đất quay xung quanh mặt trời là do lực hút của mặt trời; Mặt trăng quay xung quanh quả đất là do lực hút của quả đất. Giữa các vì sao trong vũ trụ cũng có lực hút lẫn nhau v.v... Các lực hút đó gọi là lực hấp dẫn vũ trụ. Giữa những vật xung quanh ta cũng có lực hấp dẫn vũ trụ nhưng giá trị của những lực này quá nhỏ nên ta không thể quan sát được. Nhà bác học Newton là người đầu tiên nêu lên định luật cơ bản về lực hấp dẫn vũ trụ.

3562350228600Phát biểu: Hai chất điểm khối lượng m và m' mặt cách nhau một khoảng r sẽ hút nhau bằng những lực có phương là đường thẳng nối hai chất điểm đó, có cùng độ tỷ lệ thuận với hai khối lượng m và m' và tỷ lệ

nghịch với bình phương khoảng cách r:

375285017780

F= F'=Gm1.m2r2

Với G = 6,67.10-11(Nm2/kg2 )

Với công thức như trên thì ta có lực hấp dẫn của hai tàu thủy nặng khoảng 50000 tấn cách nhau 1km có giá trị nhỏ hơn trọng lượng của quả cân có khối lượng 20g ( tức ≈0,2 N). Qua đó cho ta thấy lực hấp dẫn giữa các vật quanh ta trong cuộc sống là khá nhỏ, cho nên ta khó mà phát hiện ra được nhưng nó sẽ trở nên khá lớn khi xét tới các hành tinh trong hệ mặt trời của chúng ta. Ví như : lực hấp dẫn giữa Traí Đất với Mặt Trời, Giữa mặt trăng với Trái Đất,... nhờ lực hấp dẫn đó mà các hành tinh chuyên động ổn dịnh trên quỹ đạo của nó, cũng như các hiện tượng thủy triều của nước biển cũng liên quan tới lực hấp dẫn của Mặt Trăng.

2.6. kết Luận

Qua nghiên cứu sự vận động trong cơ học, ta thấy mọi vật quanh ta đều chuyển động không ngừng và phức tạp, nhưng dù chúng có phức tạp tới đâu thì ta cũng quy chúng về các dạng chuyển động cơ bản như : tịnh tiến, quay và dao động. Và ở mỗi chuyển động cơ bản ta đều thấy vật thể chuyển động theo những quy luật nhất định, đối với từng dạng ta điều có hệ thống các đại lượng để khảo sát nó. Chẳng hạn như : viết phương trình chuyển động tịnh tiến, phương trình chuyển động quay, hay phương trình dao động và các đại lượng có liên quan tới nó,...Tóm lại, các dạng chuyển động cơ của vật thể dù có phức tạp nhưng cũng đều tuân theo các quy luật, định luật nhất định.

Ta thấy rằng các dạng chuyển động trên đều là các hàm phụ thuộc vào thời gian, cho nên các vật thể vận động theo sự trôi chảy của thời gian, vì vậy nói vật thể không ngừng vận động là đúng , vì thời gian thì cứ đều đều trôi mãi. Cứ mỗi khắc là đã có những biến động khác biệt so với trạng thái trước đó rồi. Vậy sự vận động của vật thể là gắn liền với thời gian, là thuộc tính cố hữu không thể tách lìa ra được. Nếu muốn vật thể ngưng vận động, cách duy nhất là ta cho thời gian dừng lại hoặc hủy bỏ 1 chiều thời gian, tuy nhiên điều đó thì không thể thực hiện được, nên vật chất phải luôn vận động.

Lại nữa, mọi vật trong vũ trụ từ những vật thể vô cùng lớn như Thiên hà, hành tinh cho đến những vật vô cùng nhỏ (miễn khối lượng của nó > 0 ) thì đều chịu lực hấp dẫn của các vật khác lẫn nhau, cho nên ít nhiều cũng chịu sự tác động cũa vật khác hay bản thân nó cũng tác động lên các vật còn lại. Đó cũng là sự vận động ở nghĩa « chủ động » và ở nghĩa « Bị động ».

Chúng ta vừa nghiên cứu xong các dạng vận động của thế giới vĩ mô (hay dạng vận động bên ngoài) bây giờ ta chuyển sang nghiên cứu tiếp dạng vận động của thế giới « vi mô » (hay vận động bên trong) của vật thể. Lĩnh vực này nghiên cứu các dạng chuyển động của những hạt, những phân tử vô cùng bé cấu tạo nên vật chất.

CHƯƠNG III : VẬN ĐỘNG TRONG NHIỆT HỌC

Trong phần vận động trong cơ học ta đã nghiên cứu các dạng chuyển động cơ, đó là sự thay đổi vị trí của các vật vĩ mô trong không gian. Khi nghiên cứu chuyển động đó ta chưa chú ý đến những quá trình xãy ra bên trong vật, chưa xét đến những quá trình liên quan đến cấu tạo của vật.

Thực tế có nhiều hiện tượng liên quan đến các quá trình xãy ra bên trong vật ; thí dụ vật có thể nóng chảy hoặc bốc hơi khi bị đốt nóng, vật nóng lên khi ma sát, hiện tượng chuyển đổi pha rắn, lỏng, khí,... những hiện tượng này liên quan đến một dạng chuyển động mới của vật chất, đó là chuyển động nhiệt. Hay nói khác hơn : sự vận động trong nhiệt học là sự chuyển động nhiệt.

Để nghiên cứu chuyển động nhiệt người ta dùng hai phương pháp :

Phương pháp thống kê : phương pháp này ứng dụng trong phần vật lý phân tử. Ta biết rằng các chất đều cấu tạo từ những nguyên tử, phân tử, phương pháp thống kê phân tích các quá trình xãy ra đối với từng phân tử, nguyên tử riêng biệt rồi dựa vào các quy luật thống kê để tìm các quy luật chung của cả tập hợp phân tử và giải thích các tính chất của vật. Phương pháp thống kê dựa trên cấu tạo phân tử của các chất, nó cho biết một cách sâu sắc bản chất của hiện tượng. Tuy nhiên, trong một số trường hợp việc ứng dụng phương pháp này tương đối phức tạp.

Phương pháp nhiệt động : phương pháp này được ứng dụng trong phần nhiệt động học, nghiên cứu điều kiện biến hóa năng lượng từ dạng này sang dạng khác và nghiên cứu những biến đổi về mặt định lượng. Phương pháp nhiệt động dựa trên hai nguyên lý cơ bản rút ra từ thực nghiệm mà nhờ nó, không cần biết cấu tạo phân tử của vật vẫn có thể rút ra nhiều kết luận về tính chất của vật trong các điều kiện khác nhau. Mặc dù hạn chế là không giải thích được sâu sắc bản chất của hiện tượng nhưng trong nhiều vấn đề thực tế nhiệt động học cho cách giải quyết đơn giản.

3.1.Chuyển động nhiệt trong chất khí

3.1.1.Những khái niệm cơ bản trong nhiệt học.

3.1.1.1.Thông số trạng thái và phương trình trạng thái

Trạng thái của một hệ nhiệt động được xác định bởi một bộ các đại lượng vật lý, các đại lượng này được gọi là thông số trạng thái của hệ như : nhiệt độ (T), khối lượng (m), thể tích (V), áp suất (P), nồng độ,.... Có rất nhiều thông số trạng thái tuy nhiên chỉ có một số độc lập, số còn lại phụ thuộc. Trong nghiên cứu Nhiệt động học người ta thường chọn bộ 3 thông số sau để nghiên cứu đó là : áp suất, nhiệt độ và thể tích (hay còn gọi bộ 3 P,V,T).

Thực nghiệm chứng tỏ rằng trong 3 thông số trên có 2 thông số là độc lập còn một là phụ thuộc. Và phương trình biểu diễn mối liên hệ giữa 3 thông số trạng thái ấy gọi là “phương trình trạng thái”.

p = f ( V, T ) hoặc F ( p, V, T ) = 0 (3.1)

3.1.1.2. Áp suất

Áp suất là một đại lượng vật lý có giá trị bằng lực nén vuông góc lên một đơn vị diện tích

P= F∆S (3.2)

Trong hệ SI: P có đơn vị N/m2 = Pa.

Ngoài ra còn dùng các đơn vị sau:

Atmotphe kỹ thuật : 1at ≈9,81× 104Nm2.

Atmotphe vật lý : 1 atm ≈1,013 × 105Nm2

1 mmHg [ 1Tor ] = 133,32 N/m2 là áp suất gây bởi trọng lượng cột thủy ngân cao 1mm. 1atm = 1,033at = 760 mmHg; hoặc 1at = 736mmHg.

Trong thuyết động học phân tử có nói : các phân tử chuyển động nhiệt hỗn loạn không ngừng va chạm vào thành bình gây ra áp suất (sẽ nghiên cứu sau ở phần nội năng khí lý tưởng).

3.1.1.3.Nhiệt độ

Theo nghĩa thông thường thì nhiệt độ đặc trưng cho sự nóng lạnh của một hệ khí. Nhưng theo thuyết động học phân tử thì nhiệt độ đặc trưng cho mức độ chuyển động hỗn loạn của các phân tử chất khí.

Để đo được nhiệt độ người ta dùng nhiệt biểu để đọc. Có rất nhiều thang đo như thang : bách phân (Celsius), nhiệt giai tuyệt đối (Kelvin), hay nhiệt giai Fahrenheit (0F),....

Nhiệt giai Celcius (0C) : được tính từ nhiệt độ nước đá đang tan (00C) cho tới nhiệt độ nước đang sôi (1000C), chia đều ra 100 độ chia cho nên còn gọi là nhiệt giai bách phân. Đây là nhiệt giai thường dùng trong đời sống và dự báo thời tiết.

Nhiệt giai tuyệt đối (0K) : được dùng nghiên cứu trong Nhiệt học, với 00K (tương ứng -2730C ) và là nhiệt độ được cho là thấp nhất không thể thực hiện được. Mỗi một độ K tương ứng bằng một 0C, nhưng chênh lệch nhau 273 được tính bằng công thức :

T (0K ) = 273,15 + t (0C ).

Nhiệt giai Fahrenheit (0F ) : thang này ít thông dụng hơn, thang được chia 180 độ chia. Quan hệ giữa nhiệt độ Fahrenheit và nhiệt độ Celsíus xác lập như sau:

32

0F

= 0

0C

212

0F

t ( 0F )

= 100

0C

= 32 + 1,8. t ( 0C )

3.1.2. Thuyết động học phân tử chất khí.

Thuyết này dựa trên cấu tạo phân tử của các chất và chuyển động hỗn loạn không ngừng của các phân tử để giải thích tính chất của chất khí. Gồm các quan niệm sau đây:

Các chất có cấu tạo gián đoạn và gồm một số rất lớn các “phân tử”.

Các phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng, khi chuyển động chúng va chạm vào nhau và va chạm vào thành bình.

Kích thước của các phân tử rất nhỏ so với khoảng cách giữa chúng. Trong nhiều trường hợp tính toán có thể bỏ qua kích thước của các phân tử và coi phân tử như một chất điểm.

Cường độ chuyển động phân tử biểu hiện ở nhiệt độ của khối khí, chuyển động phân tử càng mạnh thì nhiệt độ càng cao. Nhiệt độ tuyệt đối tỷ lệ với động năng tịnh tiến trung bình (W) của phân tử.

Các phân tử không tương tác với nhau trừ va chạm. Sự va chạm giữa các phân tử và giữa phân tử với thành bình tuân theo những quy luật va chạm đàn hồi.

Thuyết động học phân tử giải thích được nhiều vấn đề về sự biến đổi của khí lý tưởng nhưng khi áp dụng sang khí thực thì không đúng hoàn toàn.Vì trong khí thực phải xét tới kích thước các phân tử (thể tích riêng phần của phân tử) và cũng xét đến thế năng tương tác giữa các phân tử với nhau mà ở khí lý tưởng đã bỏ qua sự tương tác này.

3.1.3. Nội năng khí lý tưởng

Nội năng của chất khí là tổng năng lượng bên trong của chất khí bao gồm động năng chuyển động và thế năng tương tác của các phân tử khí. Vậy nội năng nói lên tính vận động của các phân tử bên trong vật cho nên luận văn này không thể bỏ qua nội dung quan trọng đó. Ta thử đi tìm bản chất của nội năng phân tử chất khí theo thuyết động học phân tử là như thế nào.

Để đơn giản ta xét một bình khí hình lập phương. Giả sử mật độ khí trong bình là n0, các phân tử cùng chuyển động với vận tốc v. F là lực vuông góc tác dụng lên một diện tích ∆S. ta có :

P= F∆S

Để tính F, ta tính đến số phân tử đến đập lên ∆S trong thời gian ∆t .

Xét một hình trụ đáy là ∆S, đường sinh là v∆t. Số phân tử chứa trong hình trụ là :

n= n0 v∆t∆S

Do tính chất hỗn loạn của chuyển động phân tử và số phân tử rất lớn nên số phân tử đập vào mỗi thành bình đều bằng nhau trong khoảng thời gian ∆t. Do tính đẳng hướng nên chỉ có n6 phân tử thực tới đập lên ∆S.

Tức là : ∆n= n6= 16n0 v∆t∆S.

Trong thời gian ∆t có ∆n phân tử đập lên ∆S nên xung lượng tổng cộng của lực tác dụng lên ∆S trong thời gian ∆t là :

F∆t= ∆n2mv= 16n0 v∆t∆S.2mv

=>F= 13n0∆S2mv2

=>P= 13n0mv2

Ở trên ta giả thiết các phân tử chuyển động cùng vận tốc v, nhưng thực tế các phân tử chuyển động với vận tốc khác nhau nên ta thay v bằng v là vận tốc trung bình của các phân tử.

Ta được : P= 13n0mv2 (3.3)

Đại lượng : 12mv2= Wđ : là động năng tịnh tiến trung bình của một phân tử.

Do đó : P= 23n0Wđ : là phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử.

Theo phương trình trạng thái của khí lí tưởng

PV=RT (mol) (3.4)

Do đó : 23n0VWđ=RT

Trong đó n0V = số phân tử trong một mol = số Avogado N

Vậy 23NWđ=RT

Wđ= 32RNT

Hay : Wđ= 32KBT (3.5 )

Với KB= RN=1,38.10-23 J/K gọi là hằng số Bônxman.

Biểu thức (3.5 ) là biểu thức động năng trung bình của phân tử được thiết lập cho các phân tử khí có cấu tạo đơn nguyên tử. Còn trong trường hợp tổng quát có dạng:

Wđ= i2KBT (3.6)

Trong đó i là số bậc tự do của phân tử. Cụ thể đơn nguyên tử i = 3, phân tử 2 nguyên tử thì i = 5, và với phân tử cấu tạo từ 3 nguyen tử trở lên thì i = 6.

Từ kết quả trên ta có thể tính được nội năng của khí lý tưởng. Vì các phân tử khí lí tưởng không tương tác nhau cho nên ta bỏ qua thế năng tương tác, lúc này nội năng khí lý tưởng bằng tổng động năng của các phân tử khí.

Xét một mol khí lý tưởng có N phân tử : mỗi phân tử có động năng trung bình :

Wđ= i2KBT

Vậy nội năng của một mol là : U=NWđ = i2NKBT

Hay U= i2RT (3.7)

Đối với một khối khí lí tưởng có khối lượng m thì nội năng là :

U= mμi2RT (3.8)

Qua hai biểu thức (3.7) và (3.8) ta có kết luận như sau : Nội năng của một khối khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của khối khí ấy. Hay nói khác hơn Nội năng U là một hàm theo T tức U = f(T).

Nhận xét, dù là khí lí tưởng hay khí thực đi nữa thì nội năng của nó thể hiện sự vận động của các phân tử bên trong. Ta thấy nội năng U là một hàm phụ thuộc vào nhiệt độ (T) cho nên ta nói chuyển động của các phân tử là chuyển động nhiệt.

3.1.4.Những định luật thực nghiệm về chất khí

Đây là các định luật được tìm ra từ thực nghiệm bao gồm sự biến đổi trạng thái của một khối khí trong các quá trình : đẳng nhiệt, đẳng áp, đẳng tích, và cả 3 thông số đều thay đổi (đó là phương trình trạng thái KLT).

3.1.4.1Định luật Bôi- Mariot:

Hay còn gọi là quá trình đẳng nhiệt T = const. Nghĩa là chất khí chuyển từ trạng thái (1) sang trạng thái (2) giữ nguyên nhiệt độ. Trong quá trình đó thì áp suất tỷ lệ nghịch với thể tích hay tích P.V không đổi.

pV = const hay p1V1 = p2V2

Đồ thị là đường hypebol.

Các đường đẳng nhiệt nằm trên nhiệt độ cao hơn đường đẳng nhiệt ở dưới.

Hình 3.1. đồ thị đẳng nhiệt

3.1.4.2. Định luật Charles

Hay quá trình đẳng tích V= const. Trong quá trình chuyển đổi thể tích không đổi.áp suất tỷ lệ thuận với nhiệt độ.

Đồ thị là đường thẳng đi qua gốc tọa độ O.

Hình 3.2. Đồ thị phương trình đẳng tích

3.1.4.3. Định luật Gay – Lussac

Hay quá trình đẳng áp P = const.

Hình 3.3. Đồ thị phương trình đẳng áp

3.1.4.4. Phương trình trạng thái khí lý tưởng

Phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số trạng thái (nhiệt độ, thể tích, áp suất) của một khối khí lý tưởng được gọi là phương trình trạng thái của khí lý tưởng.

Phương trình trạng thái áp dụng cho m g chất khí bất kỳ : PV= mμRT

Với : R = 8,31.103JkmolK

Nếu P đo bằng atmotphe thì R = 0,0848 m3atKmol.K

Nếu tính cho 1 mol khí, áp suất đo bằng at, thể tích đo bằng l thì R=0,848 l.atmol.K

Các định luật trên chỉ đúng cho các chất khí ở nhiệt độ và áp suất thông thường của phòng thí nghiệm. Nhưng nếu áp suất khí lớn hoặc nhiệt độ khí thấp thì chất khí không còn tuân theo các định luật đó nữa. Vì vậy để dễ nghiên cứu, người ta định nghĩa : “khí lý tưởng là khí tuân theo hoàn toàn chính xác hai định luật Boimariot và Gay – Luytsac. Nhưng trong thực tế thì các khí xung quanh ta đa phần là các khí thực nên ta củng phải nghiên cứu phương trình trạng thái của khí thực.

3.1.4.5.Phương trình trạng thái khí thực

Ở điều kiện bình thường, khoảng cách giữa các phân tử khoảng 3.10-10 m ≈10r0, ở khoảng cách này lực tương tác giữa các phân tử không đáng kể có thể bỏ qua, và thể tích riêng của các phân tử khoảng 10-3 thể tích khối khí nên ta áp dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng cho khí thực với sai số không đáng kể. Tuy nhiên nếu nén khí hoặc hạ nhiệt độ khí, thể tích khối khí giảm, khoảng cách các phân tử gần nhau hơn và không thể bỏ qua lực tương tác giữa chúng ; đồng thời thể tích riêng của các phân tử trở nên đáng kể so với thể tích của khối khí. Khi đó ta không thể áp dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng cho khí thực được vì sai số lớn nên người ta đã đưa ra phương trình trạng thái cho khí thực có tên gọi là phương trình Vanđecvan.

Gọi Vt : là thể tích của một kmol khí thực, khi đó thể tích dành cho chuyển động tự do của các phân tử sẽ nhỏ hơn Vt và bằng :

V= Vt- b (3.9)

b là số hiệu chỉnh về thể tích được gọi là cộng tích. Lý thuyết tính được:

b=4N16πd3

N : là số Avogado và d là đường kính phân tử.

Đối với khí thực, các phân tử tương tác hút nhau do đó khi các phân tử đến va chạm vào thành bình thì chúng bị các phân tử bên trong khối khí kéo lại. Gọi Pt là áp suất của khí thực thì :

P= Pt+ Pi 3.10

Pi :là số hiệu chỉnh về áp suất nội áp. Người ta tính được : Pi= aVt2 (3.11)

Thay các phương trình (3.9), (3.10), (3.11) vào (3.4) được

Pt+ aVt2 Vt- b =RT

Bỏ các chỉ số t nhưng hiểu rằng p, V là áp suất và thể tích của khí thực ta được phương trình trạng thái sau gọi là phương trình Vanđecvan:

P+ aV2 V- b =RT (3.12)

Phương trình (3.12) đúng cho một kilomol khí. Đối với một khối khí bất kỳ có khối lượng m thể tích V = μmv thì phương trình có dạng:

P+ m2μ2.av2v- mμb= mμRT (3.13)

Đường đẳng nhiệt Van đecvan :

Lúc T > TK, đường đẳng nhiệt có dạng gần giống như đường đẳng nhiệt của khí lý tưởng.

Lúc T < TK, đường đẳng nhiệt rất khác đường đẳng nhiệt của khí lý tưởng ; nó có một đoạn lồi lõm.

Hình 3.4.Họ đường đẳng nhiệt thực nghiệm Anđriu.

3.1.5.Các nguyên lý nhiệt động lực học

Nhiệt động lực học là ngành nhiệt học nghiên cứu sự biến đổi năng lượng của hệ vĩ mô. Cơ sở của nhiệt động lực học là hai nguyên lý nhiệt động lực được rút ra từ thực nghiệm; từ đó NĐH giải thích các hiện tượng nhiệt trong các điều kiện khác nhau mà không chú ý đến cấu tạo phân tử vật chất.

3.1.5.1.Nguyên lý I

Nguyên lý I là một trường hợp riêng của định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng áp dụng vào các quá trình vĩ mô (quá trình nhiệt động).

Phát biểu : Trong một quá trình biến đổi, độ biến thiên nội năng của hệ có giá trị bằng tổng của công và nhiệt mà hệ nhận được trong quá trình đó.

∆U=A+Q

Với quy ước:

+ Q > 0 hệ nhận nhiệt Q; Q < 0 hệ nhả nhiệt

.

+ A > 0 hệ nhận công A, A < 0 hệ sinh công

.

+

> 0 nội năng tăng,

< 0 nội năng giảm.

Khi hệ thực hiện một quá trình biến đổi vô cùng nhỏ, biểu thức của nguyên lý I có dạng :

dU= δA+ δQ

Hệ quả :

Nếu hệ cô lập tức hệ không trao đổi công nhiệt với bên ngoài thì :

A=Q=0 → ∆U=0, U=const

Vậy : nội năng của hệ cô lập được bảo toàn.

Nếu hệ cô lập gồm 2 vật chỉ trao đổi nhiệt với nhau ký hiệu Q1 và Q2 là nhiệt mà vật 1 và vật 2 nhận được thì :

Q= Q1+ Q2=0 hay Q1= -Q2

Vậy: trong hệ cô lập gồm hai vật chỉ trao đổi nhiệt với nhau thì nhiệt lượng do vật này tỏa ra bằng nhiệt lượng do vật kia thu vào.

Ý nghĩa nguyên lý I:

Nguyên lý I đóng vai trò quan trọng trong việc nhận thức tự nhiên cũng như trong khoa học kỹ thuật.

Nguyên lý I đã được nghiên cứu rất lâu với rất nhiều người, song chỉ có Anghen là người đầu tiên đã nêu lên tính tổng quát của nguyên lý, ông khẳng định nguyên lý I chính là định luật bảo toàn và biến đổi vận động và kết luận : “nguyên lý I là một quy luật tuyệt đối của thiên nhiên”

Thực tế đã chứng tỏ mọi hiện tượng vĩ mô đều tuân theo nguyên lý I và nó đã giúp các nhà khoa học và triết học giải quyết đúng đắn các vấn đề gọi là “khủng hoảng” của khoa học và nhận thức.

3.1.5.2.Nguyên lý II

Được tìm ra nhờ thực nghiệm trong quá trình nghiên cứu các máy nhiệt (động cơ nhiệt và máy lạnh).

Thông thường tác nhân của máy nhiệt tiếp xúc với 2 nguồn có nhiệt độ chênh lệch nhau: 1 nguồn nóng T1 và một nguồn lạnh T2. Tác nhân lấy nhiệt lượng Q1 từ nguồn nóng, sinh công A và nhả cho nguồn lạnh một nhiệt lượng Q2.

η= AQ1= Q1- Q2Q1=1- Q2Q1

η là hiệu suất của động cơ nhiệt, η ≤1

Các phát biểu :

Phát biểu của claussus: Nhiệt không thể truyền từ vật lạnh sang vật nóng hơn.

Phát biểu của Thomson: không thể chế tạo được một máy hoạt động tuần hoàn biến đổi liên tục nhiệt thành công mà không để dấu vết gì ở môi trường xung quanh.

Máy thỏa mản điều kiện của Thomson gọi là động cơ vĩnh cửu loại 2.

3.1.5.3. Nguyên lý III Nhiệt động lực học (đinh lý Nernst).

Định lý Nernst còn được gọi là nguyên lý thứ III nhiệt động lực học .

Phát biểu: “ Khi nhiệt độ tuyệt đối tiến đến không, Entropi của bất kỳ vật nào cũng tiến đến không”

limT→ 0S=0

Hay có thể phát biểu : không thể nào đạt được nhiệt độ không tuyệt đối trong cá quá trình tự nhiên. Nguyên lý này rất quan trọng vì nó đã giúp khẳng định một lần nữa về tính “ không ngừng vận động của vật chất”. Vì Ta đã biết hàm nội năng U phụ thuộc vào nhiệt độ và hàm nội năng U nói lên tính vận động bên trong của các phân tử nên ở 00K thì hầu như phân tử sẽ không chuyển động nhiệt nữa, tức các phân tử ngưng “vận động”.

3.1.6.Các hiện tượng vận chuyển trong chất khí

3.1.6.1.Hiện tượng khuếch tán

Hiện tượng khuếch tán là hiện tượng phân tử khí ở những chổ có mật độ khác nhau xâm nhập vào nhau. Kết quả là có một khối lượng khí chuyển từ chổ có mật độ cao sang chổ có mật độ thấp.

3.1.6.2.Hiện tượng truyền nhiệt

Khi nhiệt độ trong khối khí không đồng nhất sẽ có một dòng nhiệt lượng truyền từ nơi nhiệt độ cao sang nơi nhiệt độ thấp.

Ngoài ra còn có các hiện tượng khác như : dẫn nhiệt, hiện tượng nội ma sát,... ở đây luận văn này không đi sâu nhưng tóm lại các hiện tượng trên đều phụ thuộc vào động năng và động lượng của các phân tử chuyển động nhiệt.

Tóm lại các hiện tượng vận chuyển trong chất khí là một dạng của sự vận động nhưng sự vận động ở đây mang tính chuyển hóa.

3.2.Chuyển động nhiệt trong chất lỏng

3.2.1. Tính chất chung và cấu trúc phân tử

Từ trạng thái khí nếu làm lạnh nó sẽ chuyển sang trạng thái lỏng, nếu tiếp tục làm lạnh nó sẽ tiếp tục chuyển sang trạng thái rắn. Vì vậy có thể nói trạng thái lỏng là trạng thái trung gian giữa trạng thái khí và trạng thái rắn.

Thực nghiệm cho thấy: tùy theo nhiệt độ (T) của khối chất mà chất lỏng có tính chất gần chất khí hoặc gần chất rắn.

Hình 3.4. Đồ thị biểu diễn lực tương tác phân tử (a) và thế năng tương tác (b)

Qui ước : f1 >0 :lực đẩy

f2 <0 : lực hút.

f= f1+f2 : là hợp lực tổng cộng lên phân tử.

Nhận xét : lúc r < r0 : lực đẩy chiếm ưu thế

Lúc r > r0 : lực hút chiếm ưu thế.

Với r0 ≈3.10-10m.

Nhận xét về thế năng :

Lúc r = r0 thì Wtmin thế năng cực tiểu, đối với vật rắn năng lượng chuyển động nhiệt bé hơn nhiều so với Wtmin, vì vậy phân tử nằm ở vị trí cân bằng bền, chuyển động nhiệt chỉ làm các phân tử dao động quanh các vị trí đó.

Với chất lỏng, năng lượng chuyển động nhiệt vào cở Wtmin, có thể lớn hơn vượt qua hố thế năng và vì vậy các phân tử vừa dao động quanh vị trí cân bằng lại vừa có thể dịch chuyển trong cả khối chất lỏng.

Đối với chất khí, năng lượng chuyển động nhiệt lớn hơn Wtmin, vượt qua hố thế năng vì vậy các phân tử khí có thể dịch chuyển tự do trong cả khối khí.

Theo trên ta thấy các phân tử chất lỏng, dao động quanh VTCB đồng thời có thể dịch chuyển trong cả khối chất lỏng.

Phân tử chất lỏng thực hiện một cuộc sống “du mục”. Sau 1 thời gian định cư ở 1 VTCB nó lại chuyển đi nơi khác.

Hình 3.5.chuyển động của phân tử chất lỏng

3.2.2.Hiện tượng căng mặt ngoài của chất lỏng

3.2.2.1.Áp suất phân tử

Vì lực hút phân tử giảm nhanh theo khoảng cách cách nhau một khoảng nhỏ hơn 2r vào cở 10-9 m mới tác dụng lên nhau. Lấy phân tử làm tâm vẽ lên một hình cầu bán kính r thì phân tử tại tâm chỉ tương tác với các phân tử nằm trong hình cầu. Hình cầu này gọi là hình cầu tác dụng.

Hình 3.6. mặt cầu tác dụng của phân tử

Đối với phân tử A nằm sâu trong chất lỏng, lực tác dụng lên phân tử này mọi phía bù trừ nhau. Đối với các phân tử nằm ở lớp mặt ngoài ( bề dày < 10-9 m), hình cầu tác dụng không nằm hoàn toàn trong chất lỏng và phân tử chịu tác dụng một lực tổng hợp hướng vào trong lòng chất lỏng (phân tử B). Đối với phân tử (C) nằm trên ranh giới giữa 3 môi trường Rắn – lỏng – khí, các phân tử tác dụng lên C nằm trong ¼ hình cầu tác dụng, lực tổng hợp tác dụng lên C củng hướng vào lòng chất lỏng.

Tóm lại, lực tác dụng lên các phân tử ở lớp mặt ngoài chất lỏng ép lên các phân tử chất lỏng ở phía trong và gây nên một áp suất gọi là áp suất phân tử, nó chính là nội áp suất Pi trong phương trình Vanđecvan.

3.2.2.2.Năng lượng mặt ngoài, sức căng mặt ngoài của chất lỏng

Các phân tử lớp mặt ngoài có thế năng lớn hơn so với thế năng của các phân tử ở phía trong. Số phân tử ở lớp mặt ngoài càng nhiều thì năng lượng mặt ngoài càng lớn, vì vậy năng lượng mặt ngoài tỷ lệ với diện tích mặt ngoài. Ta có:

∆E=δ ∆S

Trong đó : δ là hệ số tỉ lệ phụ thuộc vào bản chất của chất lỏng còn gọi là sức căng mặt ngoài (J/m2 )

sức căng mặt ngoài :

Các thí nghiệm cho thấy diện tích mặt ngoài của chất lỏng có khuynh hướng tự co lại, vì vậy về phương diện nào đấy, mặt ngoài chất lỏng giống như một màng cao su bị căng. Để giữ nguyên hình dạng mặt ngoài của chất lỏng, ta phải tác dụng lên chu vi mặt ngoài các lực vuông góc với đường chu vi và tiếp tuyến với mặt ngoài. Lực đó gọi là sức căng mạt ngoài (hình 3.7)

Hình 3.7.Sức căng mặt ngoài

∆F= δ∆l

∆l là chu vi đường tác dụng mặt ngoài.

3.2.3.Hiện tượng dính ướt và không dính ướt

Đựng chất lỏng trong một bình rắn, chỗ tiếp giáp giữa chất lỏng và thành bình bị cong lên hoặc cong xuống có dạng khum mà không thẳng góc với thành bình.

-Nếu chất lỏng làm ướt bình ta có mặt khum lõm.

-Nếu chất lỏng không làm ướt bình ta có mặt khum lồi.

Hình 3.8.Hiện tượng dính ướt và không dính ướt

Một phân tử chất lỏng ở chổ tiếp giáp với thành bình chịu tác dụng của lực hút phân tử F1 (lực hút của các phân tử chất lỏng), đồng thời nó chịu lực hút của các phân tử rắn của thành bình F2 .

Lực tổng hợp tác dụng lên phân tử: F= F1+ F2 (ở đây ta bỏ qua lực hút của các phân tử khí trên mặt thoáng, vì lực này bé so với lực F1, F2 )

Nếu F

1

> F

2

:lực tổng hợp

F

hướng về khối chất lỏng làm phân tử tại chỗ tiếp giáp dịch theo thành bình xuống phía dưới, tạo nên mặt khum có dạng lồi, ta có hiện tượng không làm ướt. Ngược lại:

Nếu F

1

< F

2: lực tổng hợp

F

hướng về phía thành bình làm phân tử lỏng ở đó dịch lên phía trên cho đến khi F vuông góc mặt thoáng ta có hiện tượng làm ướt.

3.2.4. Hiện tượng mao dẫn

Do hiện tượng làm ướt và không làm ướt mà hình dạng ngoài của mặt chất lỏng đựng trong bình thường có dạng mặt khum.Tùy theo chất lỏng làm ướt hay không làm ướt thành bình mà mặt khum lõm xuống hay lồi lên. Do đó dưới mặt khum sẽ chịu thêm một áp lực gọi là áp suất phụ

1958975762048609257620

Khum lồi khum lõm

Lấy một ống thủy tinh nhúng vào trong chất lỏng. Nếu ống có bán kính trong nhỏ thì thấy mực nước trong ống và ngoài ống chênh lệch nhau. Ống có tiết diện nhỏ gọi là ống mao dẫn. Hiện tượng chất lỏng dâng lên hay hạ xuống trong ống mao dẫn gọi là hiện tượng mao dẫn.

Chiều cao h trong ống mao dẫn được tính bởi công thức:

h= 2σRρg

trong đó : R là bán kính hình trụ, ρ là khối lượng riêng của chất lỏng.

Hình 3.9.Hiện tượng mao dẫn

ứng dụng : nhờ hiện tượng mao dẫn mà rể cây có thể hút được nước để nuôi sống mình, hoặc bấc đèn dầu,...

3.3. Chuyển động nhiệt trong chất rắn

3.3.1.Chất rắn kết tinh và chất rắn vô định hình

Khác với chất khí và chất lỏng, chất rắn có năng lượng chuyển động nhiệt nhỏ hơn Wtmin nên không đủ vượt qua hố thế năng. Lực tương tác giữa các phân tử đủ để ràng buộc các phân tử không cho chúng dịch chuyển chổ. Vì vậy chất rắn giữ nguyên hình dạng bên ngoài.

Các phân tử chất rắn tham gia một dạng chuyển động nhiệt là chuyển động dao động quanh vị trí cân bằng xác định( nếu không có lực tác dụng bên ngoài).

Căn cứ vào cấu trúc tinh thể và tính chất vật lý, ta có thể chia chất rắn ra làm hai loại : chất rắn “kết tinh” và chất rắn “vô định hình”.

3.3.1.1.Chất rắn kết tinh

cấu trúc : gồm các tinh thể, đơn tinh thể và đa tinh thể: đơn tinh thể chỉ có một tinh thể duy nhất còn đa tinh thể gồm nhiều tinh thể nhỏ.

Ví dụ : - các kim loại dùng trong kỹ thuật thường là chất rắn kết tinh đa tinh thể.

Muối mỏ, thạch anh tồn tại dưới dạng tinh thể.

Tính chất :

Đơn tinh thể có tính chất dị hướng; có nghĩa là tính chất vật lý (như độ dẫn điện, nhiệt ,vận tốc truyền âm,...) theo các hướng khác nhau là khác nhau.

Đa tinh thể có tính đẳng hướng ; nghĩa là tính chất vật lý theo các hướng khác nhau là như nhau.

Nhiệt độ nóng chảy và đông đặc có giá trị hoàn toàn xác định.

Bề mặt bẻ gãy gồ ghề, rìa cạnh lồi ra lõm vào tùy theo hình dạng tinh thể.

Hình 3.10. Tinh thể muối ăn có dạng hình lập phương

Hình 3.11.Tinh thể kim cương

Hình 3.12.Tinh thể than chì

Một số cấu trúc đơn tinh thể và đa tinh thể khác

3.3.1.2.Chất rắn vô định hình

cấu tạo: không có được cấu tạo như chất rắn kết tinh; các phân tử sắp xếp có trật tự trong một phạm vi hẹp (giống như chất lỏng), do cấu trúc phân tử chất rắn vô định hình giống chất lỏng nên người ta coi chất rắn vô định hình giống như chất lỏng có độ nhớt lớn.

Tính chất :

Có tính đẳng hướng.

Bề mặt bẻ gãy láng trơn, rìa cạnh sắc nhọn.

Nhiệt độ nóng chảy và đông đặc không có giá trị xác định ( khi đun nhiệt độ tăng dần, rồi từ từ chuyển thành chất lỏng một cách liên tục)

Hình 3.13.một số chất rắn vô định hình: nhựa thông, hắc ín, thủy tinh.

3.3.2. Sự dãn nở nhiệt của vật rắn

Khi tăng nhiệt độ thì biên độ dao động của các hạt tăng lên, do hạt có động năng lớn hơn. Vì vậy khoảng cách trung bình giữa hai hạt sẽ tăng lên và làm cho kích thước vật rắn tăng lên khi đun nóng.

Vậy nguyên nhân gây nên sự dãn nở nhiệt của chất rắn là sự tăng khoảng cách trung bình giữa các hạt khi tăng nhiệt độ lên.

3.3.2.1.Sự dãn nở dài

Giả sử độ dài của vật rắn ở 00C là l0, khi nung nóng đến t0C có độ dài lt.

Thực nghiệm cho thấy rằng : độ tăng chiều dài ∆l tỉ lệ thuận với ∆t = t – t0.

∆l= l0 α∆t

Hay : chiều dài lt ứng với nhiệt độ t là : lt= l0 1+ αt

α là hệ số nở dài tùy theo chất rắn. Vậy độ nở dài tỷ lệ thuận với nhiệt độ.

3.3.2.2. Sự nở khối

Khi nung nóng vật rắn thì sự dãn nở dài xãy ra đồng thời theo mọi phương, do vậy mà xuất hiện sự nở khối, tức là sự tăng thể tích của vật rắn.

Gọi V0: là thể tích vật rắn ở 00C

Vt : là thể tích của vật khi nung nóng tới t0C.

Ta có : độ nở khối : ∆V= V0β∆t

Thể tích ở t0C là : Vt= V0 1+ βt với β≈3α : gọi là hệ số nở khối

Kết luận : thể tích của vật rắn ở nhiệt độ t tăng tỉ lệ bậc nhất theo nhiệt độ bách phân. khi ta xét sự nở dài và sự nở khối của vật rắn, ta coi mọi phương như nhau (có tính đẳng hướng). Điều này chỉ đúng cho chất rắn vô định hình và chất rắn đa tinh thể, còn với chất rắn kết tinh đơn tinh thể, có tính dị hướng nên khi nung nóng dãn nở không đều và làm cho hình dạng của nó không đồng dạng với hình dạng ban đầu.

3.3.2.3.Lực xuất hiện khi vật rắn co dãn vì nhiệt

Khi nhiệt độ tăng hoặc giảm mà vật rắn bị giữ cố định, không được dãn ra hoặc co lại thì sẽ xuất hiện lực đẩy hoặc lực nứn rất lớn. Giá trị của những lực này được tính theo định luật Huc: F=K∆l

Trong đó :

K=ESl0

K: độ cứng (N/m)

E: suất đàn hồi hay còn gọi là suất Young (N/m2 hay pa)

S: tiết diện (m)

l0 : chiều dài ban đầu (m).

Trong kỹ thuật xây dựng, cần phải chú ý đến sự xuất hiện những lực này khi nhiệt độ thay đổi .

Để tránh những lực này, các thanh sắt trên đường ray không đặt khít nhau; mà để khe hở, chổ nối giữa các nhịp cầu cũng vậy. (hình 3.14 )

Khi ghép các chất khác nhau thì phải chú ý đến hệ số dãn nở của chúng.

Hình 3.14. khoảng hở trên đường sắt và cầu để tránh nứt gãy do giản nở vì nhiệt.

3.3.3.Năng lượng dao động của hạt trong chất rắn

Các hạt chất rắn kết tinh tham gia một dạng chuyển động nhiệt là chuyển động dao động xung quanh vị trí cân bằng và sự chuyển động của một hạt nào đó chịu ảnh hưởng của các hạt xung quanh, tuy ở nhiệt độ cao ( từ nhiệt độ phòng trở lên ) thì sự ảnh hưởng không đáng kể và coi các hạt dao động độc lập với nhau. Nếu dao động với biên độ nhỏ thì dao động coi là điều hòa và hai thành phần của năng lượng (động năng và thế năng) coi như bằng nhau.

Năng lượng ứng với một bậc tự do dao động là : KT2 + KT2=KT

Năng lượng ứng với 3 bậc tự do dao động là 3KT

Mỗi phân tử (mỗi hạt) có ba bậc tự do dao động nên năng lượng dao động của một hạt là : ε=3KT

Năng lượng dao động của N0 hạt là E0=3N0KT=3RT (N0 là số hạt Avôgado).

Nếu mỗi hạt gồm α hạt nhỏ thì E0=3αKT=3αRT

3.3.4.Sự biến đổi pha của vật chất

3.3.4.1.Các pha của vật chất

Các pha của vật chất không chỉ là các trạng thái khác nhau của vật chất như: rắn, lỏng, khí hay hơi. (ví dụ như : một bình đựng nước, trên mặt thoáng là hổn hợp không khí và hơi nước. Đó là một hệ hai pha là pha hơi và pha lỏng), mà còn là những biến thể của các tinh thể. Ví dụ như kim cương và than chì là những pha rắn khác nhau của cacbon.

Nói đến pha rắn là nói đến trạng thái kết tinh, chất vô định hình không xem là pha rắn của vật chất, vì khi đun nóng chất vô định hình sẽ chuyển sang thể lỏng một cách liên tục, không được coi là chuyển pha.

Có thể làm thay đổi pha của hệ vật chất bằng cách làm thay đổi nhiệt độ hoặc áp suất của nó. Có hai loại biến đổi pha:

Loại 1 : có kèm theo sự nhận nhiệt của ngoại vật hoặc truyền nhiệt cho ngoại vật.

Loại 2 : không có kèm theo sự nhận nhiệt và truyền nhiệt.

Sự biến đổi pha luôn xãy ra ở một nhiệt độ và áp suất xác định. Ví dụ : nước đã nóng chảy ở 00C và 1 atm. Trong quá trình biến đổi pha, nước đá và nước cùng tồn tại và tiếp xúc, nhiệt độ cả 2 pha giữ không đổi cho đến khi toàn bộ nước đá biến thành nước lỏng.

Nếu nhiệt độ lớn hơn hay nhỏ hơn nhiệt độ biến đổi pha thì sẽ tồn tại một trong hai pha.

3.3.4.2.Hiện tượng biến đổi pha và thuyết động học phân tử

nóng chảy và đông đặc

Trong thực tế các hạt cấu thành vật rắn kết tinh chịu hai ảnh hưởng ngược nhau:

Chuyển động nhiệt có xu hướng làm các hạt tách rời xa nhau, phá vở trật tự trong mạng tinh thể.

Lực tương tác giữa các hạt có xu hướng liên kết các hạt với nhau, buộc chúng ở tại vị trí cân bằng xác định.

ở nhiệt độ và áp suất nào đó, ảnh hưởng thứ nhất yếu hơn ảnh hưởng thứ hai: hạt phải dao động tại vị trí cân bằng.

Khi truyền nhiệt cho hệ, nhiệt độ tăng lên.Tại một nhiệt độ xác định, gọi là “nhiệt độ nóng chảy”, tác dụng (1) lớn hơn tác dụng (2), thì bắt đầu hiện tượng nóng chảy. Tinh thể bị phá vở; pha rắn biến thành pha lỏng; khoảng cách trung bình giữa các phân tử tăng lên.

Thế năng trung bình của các hạt tăng lên. Đáng lẽ động năng của hạt phải giảm, nhưng vì nhờ có nhiệt lượng của ngọa vật cung cấp cho hệ nên động năng của hệ không giảm; hạt có thể trượt qua hố thế năng. Sự nóng chảy cứ tiến hành và trong thời gian nóng chảy, mặc dù hệ được cung cấp nhiệt lượng, nhiệt độ của hệ vẫn không đổi, chỉ khi toàn bộ khối rắn kết tinh đã hoàn toàn hóa lỏng, mà hệ cứ tiếp tục thu nhiệt lượng thì nhiệt độ của hệ mới tăng lên.

Hiện tượng “đông đặc” là quá trình ngược lại với hiện tượng nóng chảy. Nhiệt độ đông đặc phải bằng nhiệt độ nóng chảy và củng giữ không đổi suốt thời gian sự đông đặc xảy ra.

Sự “thăng hoa” cũng được giải thích tương tự như nóng chảy.

bay hơi

Hiện tượng các phân tử thoát ra khỏi mặt thoáng, tạo thành hơi, được gọi là sự “bay hơi”.

Một chất lỏng ở bất cứ nhiệt độ nào, cũng có những phân tử có động năng đủ lớn để thắng lực hút giữa các phân tử xung quanh ; thoát ra khỏi mặt thoáng; tập hợp các phân tử đã thoát ra như thế tạo thành hơi.

Muốn thành hơi, phân tử phải sinh công, để thắng lực hút f kéo phân tử vào lòng chất lỏng.

Sự “hóa hơi” xảy ra đồng thời với quá trình “ngưng tụ” : một số phân tử từ ngoài mặt thoáng đi vào lòng chất lỏng.

Diện tích S của mặt thoáng càng tăng, sự bay hơi càng nhanh.

Nhiệt độ càng cao, bay hơi càng nhanh.

Sự bay hơi được gió xúc tác nhanh.

Trạng thái bảo hòa

Nếu sự bay hơi và sự ngưng tụ xảy ra trong bình kín thì đến một lúc nào đấy, số phân tử hóa thành hơi trong một đơn vị thời gian bằng số phân tử đi vào trong chất lỏng. Nồng độ phân tử chất hơi không tăng nữa. Ta có trạng thái cân bằng động giữa chất lỏng và chất hơi. Ta nói hơi ở trạng thái “bảo hòa”.

Tại một nhiệt độ xác định, áp suất hơi bão hòa có giá trị xác định.

Khi nhiệt độ tăng, áp suất hơi bảo hòa cũng tăng theo.

Áp suất hơi bảo hòa của một chất không phụ thuộc thể tích chứa hơi bảo hòa, mà chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và bản chất chất lỏng.

Sự có mặt của khí và hơi khác làm ảnh hưởng tốc độ bay hơi, kéo dài thời gianbay hơi để đạt tới trạng thái bão hòa, nhưng không thay đổi sự cân bằng động giữa pha lỏng và pha hơi.

Sự sôi

Khác với sự bay hơi, “sự sôi” là sự chuyển pha từ lỏng sang hơi ngay trong lòng chất lỏng. Các bọt hơi được tạo thành ở đáy và thành bình ; lớn lên trong lòng chất lỏng; đi lên mặt thoáng, vỡ ra tại mặt thoáng để cho hơi trong các bọt thoát ra ngoài.

Các bọt này hình thành tù khí ( không khí) vốn bị thành bình hấp thụ tạo nên. Khi đun nóng chất lỏng, bọt khí phình ra. Áp suất phụ của mặt cong của bọt không đủ lớn để phá vở bọt. Trong bọt, ngoài khí còn có hơi bão hoà thoát từ chất lỏng vào bọt .

Điều kiện tồn tại của bọt được ghi bằng biểu thức:

P0+ P'=H+ ρgh+ 2σR

Trong đó : P0 : là áp suất hơi bảo hòa ở trong bọt

P’ : áp suất của khí trong bọt bằng MRTμV

H: áp suất khí quyển.

ρgh : áp suất thủy tĩnh tại độ sâu có bọt xuất hiện

2σR : áp suất phụ gây ra bởi mặt cong của không khí.

Vậy, với áp suất bên ngoài cho trước, chất lỏng sẽ sôi ở nhiệt độ xác định, sao cho áp suát hơi bảo hòa ứng với nhiệt độ này bằng áp suất bên ngoài.

Đây cũng chính là chổ khác nhau giữa sự sôi và sự bay hơi( xãy ra ở mọi nhiệt độ).

Muốn duy trì sự sôi, ta phải cung cấp nhiệt lượng cho chất lỏng. Vì thế, suốt thời gian sôi nhiệt độ của hệ (gồm 2 pha lỏng và pha hơi) không đổi.

3.4. kết luận

Trong cuộc sống hằng ngày, bằng mắt thường ta chỉ nhìn thấy được những vật có kích thước khá lớn như : hạt cát, viên bi, hòn đá, xe tàu, và những vật kích thước lớn hơn nữa. Những vật có kích thước rất nhỏ mà mắt ta không nhìn thấy được cở như phân tử, nguyên tử,... (gọi chung là các hạt vi mô) thì nó vận động như thế nào, ta không thể nào biết được. Nhưng qua nghiên cứu Nhiệt động lực học đã giúp ta biết đước các hạt này chuyển động hỗn loạn không ngừng. Và dạng vận động của nó là vận động chuyển động nhiệt.

Đối với các vật vĩ mô như xe cộ, tàu bè, hòn bi đang lăn, máy bay đang bay,... thì ta biết được dạng vận động của chúng chính là vận động chuyển động cơ tức là sự dời chổ ( mà ta đã nghiên cứu ở chương I). Nhưng đối với các vật đứng yên như : hòn đá, cái bàn, cốc nước đứng yên trên mặt bàn thì ta cho rằng các vật không chuyển động tức các vật không vận động là sai. Thật ra vật đứng yên bên ngoài nhưng bên trong cấu tạo của nó vẫn đang vận động, đó chính là chuyển động nhiệt của vô số các phân tử cấu thành vật. Sự chuyển động nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ mà theo nguyên lý III thì không thể tồn tại độ không tuyệt đối nên càng khẳng định thêm nữa tính bất biến của sự vận động.

Sự vận động trong nhiệt học đã trình bày sự vận động khác nhau của 3 thể của vật chất : rắn, lỏng, khí. Ở mổi thể có sự vận động riêng biệt của nó, từ hổn loạn đến sắp xếp có trật tự, từ liên kết rời rạc đến liên kết chặt chẽ. Nguyên nhân dẫn đến sự khác biệt đó là khoảng cách giữa các phân tử khác nhau, từ đó dẫn đến lực tương tác hút đẩy giữa các phân tử cũng khác nhau, cuối cùng tính chất vật lý cũng khác nhau nhưng quy chung lại là chuyển động nhiệt của các phân tử ở mức độ mạnh yếu khác nhau mà thôi.

Tóm lại, thế giới vật chất luôn vận động không ngừng và đó là phương thức tồn tại của vật chất. Nghĩa là không một vật nào tồn tại mà không vận động. Vật chất không tự sinh ra củng không tự mất đi, mà nó chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác, như sự chuyển đổi pha rắn→ lỏng→ khí mà ta đã nghiên cứu ở trên.

CHƯƠNG IV : SỰ VẬN DỘNG TRONG ĐIỆN TỪ HỌC

Qua nghiên cứu sự vận động trong cơ học và nhệt học giúp ta hiểu rõ hơn phần nào về sự vận động của các vật vĩ mô tức các vật tồn tại quanh ta mà mắt thường có thể cảm nhận được. Sự tương tác các giữa các vật này chủ yếu là lực hấp dẫn (trường hấp dẫn). Khi bước qua thế giới vi mô, cở như phân tử, nguyên tử thì lực điện từ chiếm ưu thế hơn lực hấp dẫn. Lực hút điện từ giữa các electron mang điện âm trong nguyên tử và các proton mang điện dương trong hạt nhân nguyên tử làm cho các electron quay xung quanh hạt nhân nguyên tử. Hay sự tương tác của các hạt mang điện như :ion dương, ion âm,... sự chuyển dời có hướng của các hạt mang điện (bản chất của dòng điện), sự tác dụng lực khi đặt một dòng điện vào một từ trường,.... tất cả những cái đó đều vận động theo một cách riêng và thống nhất trong một trường mà ta gọi là trường điện từ (một trường quan trọng thứ hai trong 4 trường của thế giới vật chất).

Nghiên cứu sự vận động trong điện từ là ta đi nghiên cứu sự vận động của điện tích, từ đó giúp ta hiểu rõ 2 loại tương tác đó là : tương tác điện và tương tác từ, là 2 mặt thống nhất của một vấn đề.

Điện tích đứng yên : sẽ sinh ra không gian xung quanh nó một điện trường tĩnh và điện trường này sẽ tác dụng lực lên một điện tích khác đặt trong nó. Tương tác lúc này là tương tác điện (hay còn gọi là tương tác Coulomb ).

Điện tích chuyển động: sẽ sinh một từ trường bao quanh nó và từ trường này có tác dụng là tác dụng lực lên một dòng điện đặt trong nó. Tương tác lúc này là tương tác từ.

4.1.Tương tác điện – điện trường

4.1.1.Tương tác giữa các điện tích đứng yên

Như chúng ta đã biết trong tự nhiên chỉ có hai loại điện tích đó là điện tích âm và điện tích dương. Các điện tích cùng dấu thì đẩy nhau, các điện tích trái dấu thì hút nhau. Tương tác này tuân theo đúng định luật Coulomb:

F12 = F21=Kq1q2r2rr (4.1)

Hình 4.1.tương tác giữa các điện tích điểm

4.1.2.Điện trường gây bởi điện tích điểm.

Để giải thích cho các tương tác trên người ta đưa ra khái niệm điện trường và cho rằng mỗi một điện tích đều sinh ra xung quanh nó một điện trường và điện trường này có tác dụng là gây ra lực điện lên một điện tích khác đặt trong nó. Vậy sự tương tác hút hay đẩy ở trên chẳng qua là điện tích này đặt trong điện trường của điện tích kia gây ra mà thôi.

E= Fq0= 14πε0.qεr2.rr (4.2)

Hướng của vec tơ E như hình

Ta có thể tính được điện trường gây ra bởi một vật bất kỳ bằng cách lấy tích phân trên toàn bộ vật (đối với vật phân bố liên tục).

Nhận xét: ta thấy bản chất của điện trường củng giống như trường hấp dẫn vậy, vì cả hai trường đều là trường thế chỉ phụ thuộc vào vị trí và khoảng cách. Độ lớn của trường còn phụ thuộc vào bản thân vật gây ra trường như trường hấp dẫn thì phụ thuộc vào khối lượng (m), tương ứng điện trường thì phụ thuộc vào điện tích (q). Điện tích q càng lớn thì điện trường sinh ra càng mạnh cũng giống như khối lượng vật càng lớn thì lực hấp dẫn càng mạnh.

4.1.3.Lực điện Coulomb

Như chúng ta đã biết bản chất của các dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện ví như trong kim loại là dòng chuyển dời của các electron, trong chất điện phân là các ion dương, ion âm,...Sở dĩ các hạt mang điện đó chuyển động được đó là nhờ có lực điện F (hay còn gọi là lực coulomb)

Ta biết : F=qE

F cùng hướng với E khi hạt mang điện tích dương (q > 0)

F ngược hướng với E khi hạt mang điện tích âm (q < 0).

Hình 4.2. Lực điện trong điện trường

Vậy : lực Culong có hướng cùng hay ngược với điện trường ngoài là tùy thuộc vào bản chất của điện tích âm hay dương. Từ đó cho thấy với một điện trường E cho sẳn thì các hạt mang điện dương sẽ chuyển động cùng chiều với E , còn các hạt mang điện âm sẽ chuyển động theo chiều ngược lại. Với hai chiều chuyển động như vậy nên người ta qui ước chiều chuyển động của các điện tích dương là chiều của dòng điện (tức chiều của vecto điện trường E) mặc dù trong mạch lúc này có hai dòng hạt chuyển động ngược nhau.

4.2.Tương tác từ - từ trường

4.2.1.Tương tác từ

Tương tác giữa nam châm với nam châm; giữa nam châm với dòng điện; và tương tác giữa hai dòng điện với nhau người ta gọi chung là các tương tác từ. Nguyên nhân của các tương tác trên đều do lực từ F tác dụng lên dòng điện đặt trong từ trường có vec tơ cảm ứng từ B đặc trưng.Vậy ở đây ta lại thấy xuất hiện thêm một trường mới nữa đó là từ trường. Vấn đề đặt ra ở đây là từ trường từ đâu sinh ra? Nó có gì khác so với điện trường? Ta thử đi tìm hiểu bản chất của từ trường xem như thế nào nhé.

Hình 4.3.tương tác giữa nam châm với nam châm, giữa nam châm với dòng điện và tương tác giữa hai dòng điện với nhau.

4.2.2.Từ trường gây bởi một phần tử dòng điện

Ta đã biết vecto cường độ từ trường H= Bμμ0 . vậy đại lượng đặc trưng cho từ trường là vecto cảm ứng từ B.

Vecto cảm ứng từ B gây ra bởi một phần tử dòng điện Idl tại một điểm M cách O một khoảng r là một vec tơ có :

Gốc tại M

Phương thẳng góc với mặt phẳng tạo bởi (Idl, r)

Chiều sao cho (Idl, r, dB) tạo thành một tam diện thuận

Độ lớn

dB= μμ04πIdl.sinθr2 (4.3)

Hay : dB= μμ04π. Idl × rr3

Hình 4.4. Vecto cảm ứng từ gây ra bởi một phần tử dòng điện Idl

4.2.3.Từ trường của một số dạng vòng dây đặc biệt

Cảm ứng từ gây bởi một dây dài vô hạn:

3778250

B= μμ0I2πr

Cảm ứng từ B tại tâm một vòng dây tròn bán bính R

B= μμ0I.S2πR2 + h232

Cảm ứng từ B trong ống dây

B= μμ0nI

4.2.4.Tác dụng của lực từ lên dòng điện

Đây là nguyên nhân gây ra các tương tác từ mà ta đã nói ở trên.

Gọi dF là lực từ tác dụng lên phần tử dòng điện Idl đặt trong từ trường ngoài có vecto cảm ứng từ là B

dF=Idl ∧ B (4.4)

Gốc tại phần tử ta đang xét.

Phương thẳng góc với mặt phẳng tạo bởi (Idl, B)

Chiều : so cho (Idl, B, dF) tạo thành một tam diện thuận

Độ lớn: dF=IBdl.sindl, B

Hay: quy tắc bàn tay trái: “đặt bàn tay trái hứng các đường cảm ứng từ, chiều từ cổ tay đến các ngón tay là chiều dòng điện khi đó ngón tay cái choải ra 900 là chiều của lực từ”

4.2.5.Điện tích chuyển động

Bản chất của dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện. Nếu dòng điện gây ra từ trường thì chính hạt mang điện chuyển động cũng tạo ra xung quanh nó một từ trường.

Người ta đã chứng minh được cảm ứng từ do một hạt chuyển động gây ra :

B= μμ04πev ∧ rr3 (4.5)

Phương : thẳng góc với mặt phẳng v ∧ r

Chiều : sao cho v , r , B tạo thành tam diện thuận khi e > 0

Độ lớn : B= μμ04πevsinv , rr2

Hình 4.5.Cảm ứng từ B gây ra bởi một điện tích(dương) chuyển động với một vận tốc v

Vậy, với một hạt mang điện tích mà chuyển động với vận tốc v thì sinh ra không gian xung quanh nó một từ trường có cảm ứng từ B phụ thuộc vào độ lớn của điện tích và vận tốc chuyển động của hạt mà thôi. Điều đó có nghĩa là hạt chuyển động càng nhanh thì từ trường sinh ra càng mạnh và ngược lại hạt chuyển động càng chậm thì từ trường sinh ra càng yếu. Cũng từ kết luận này nếu hạt không chuyển động (tức v=0) thì sẽ không sinh ra từ trường (tức cảm ứng từ B = 0 ) lúc đó hạt chỉ sinh ra điện trường tĩnh E mà ta đã nghiên cứu ở phần trước. Qua đó ta thấy giữa Điện trường và từ trường có một mối liên hệ khăng khít với nhau, Maxwell đã chứng minh được chúng thống nhất với nhau trong một trường thống nhất gọi chung là trường điện từ.

4.3.Trường điện từ

Như chúng ta đã biết, dòng điện sinh ra từ trường, và ngược lại, từ trường biến đổi cũng sinh ra dòng điện. Như vậy giữa dòng điện và từ trường có mối quan hệ biến đổi tương hổ rất khăng khít. Đi sâu nghiên cứu mối quan hệ đó, Maxwell đã phát hiện ra rằng: không phải chỉ giữa dòng điện và từ trường, mà cơ bản là, giữa điện trường và từ trường có mối quan hệ khăng khít đó. Kết quả nghiên cứu ấy được tổng kết thành hai luận điểm, gọi là luận điểm thứ nhất và luận điểm thứ hai của Maxwell.Từ đó, Maxwell đã xây dựng nên lý thuyết về trường điện từ - dạng thống nhất bao gồm cả điện trường và từ trường.

4.3.1.Luận điểm thứ nhất của Maxwell

Phát biểu: “bất kỳ một từ trường nào biến đổi theo thời gian cũng sinh ra một điện trường xoáy”

Phương trình Maxwell – Faraday

CEdl = -ddt SB.dS (4.6)

Dạng vi phân của nó có dạng:

rot E = -∂B∂t (4.7)

Hình 4.6.Từ trường biến thiên theo thời gian sinh ra điện trường xoáy.

lưu ý : Điện trường xoáy E trong trường hợp này có bản chất khác với điện trường tĩnh do một điện tích đứng yên gây ra.

4.3.2.Luận điểm thứ hai của Maxwell

Phát biểu : “bất kỳ một điện trường nào biến đổi theo thời gian cũng sinh ra một từ trường (luận điểm này đã được thực nghiệm chứng minh)”

Như vậy, nếu theo luận điểm thứ nhất, từ trường có thể sinh ra điện trường thì với luận điểm thứ hai, Maxwell đã khẳng định rằng, ngược lại, điện trường có thể sinh ra từ trường. Ở đây, cần lưu ý là điện trường nói chung có thể không đồng đều trong không gian, nghĩa là nó có thể biến đổi từ điểm này sang điểm khác ; nhưng theo luận điểm thứ hai của Maxwell, sự biến đổi này của điện trường không sinh ra từ trường mà chỉ có sự biến đổi của nó theo thời gian mới sinh ra từ trường.

Phương trình Maxwell – Ampe

Dạng tích phân :

SHdl= Sj+ ∂D∂t.dS (4.8)

Dạng vi phân :

rot H= j+ ∂D∂t (4.9)

Trong đó : j là vecto mật độ dòng điện dẫn.

jd =∂D∂t : gọi là vecto mật độ dòng điện dịch.

Maxwell cho rằng từ trường không phải chỉ do dòng điện dẫn sinh ra mà còn do điện trường biến đổi theo thời gian (tức dòng điện dịch) sinh ra nữa. Vì vậy, Maxwell đã đưa ra khái niệm dòng điện toàn phần là tổng của dòng điện dẫn và dòng điện dịch.

jtp= j+∂D∂t (4.10)

Hay nói khác hơn, phương trình (4.9) nói lên mối liên hệ giữa từ trường và dòng điện toàn phần.

Hình 4.7.Giả thuyết về dòng điện dịch sinh ra từ trường.

4.4.Kết luận

Vậy trong không gian, điện trường và từ trường có thể đồng thời tồn tại, duy trì lẫn nhau và liên hệ chặt chẽ với nhau trong một trường thống nhất gọi chung là trường điện từ. Trường điện từ là một dạng của đặc biệt của vật chất bên cạnh trường hấp dẫn mà ta đã biết, nó cũng có năng lượng như các trường khác.

Sự vận động trong điện từ học biểu hiện rõ nét nhất ở hai sự biến đổi tương hổ giữa điện trường và từ trường. Điện trường biến đổi sinh ra từ trường, ngược lại từ trường biến đổi lại sinh ra Điện trường, quy chung lại nguyên nhân sinh ra sự biến đổi đó là sự chuyển động hay đứng yên của các hạt điện tích (hay hạt mang điện). Điện tích đứng yên sinh ra điện trường, còn điện tích chuyển động thì sinh ra từ trường. Hay nói khác hơn sự vận động của điện tích chính là nguyên nhân sinh ra các sự biến đổi điện từ.

CHƯƠNG V : SỰ VẬN ĐỘNG TRONG LAN TRUYỀN SÓNG

5.1.Sóng cơ học

5.1.1.Các khái niệm chung

Trong một môi trường vật chất khi một phần tử thực hiện dao động cơ điều hòa thì do tương tác, dao động ấy có thể truyền sang các phần tử khác lân cận và cứ thế truyền đi khắp môi trường, tạo thành “sóng cơ học”.

Vậy, những dao động cơ điều hòa lan truyền trong môi trường đàn hồi được gọi là sóng đàn hồi hay gọi tắt là “sóng cơ”.

Ví dụ : khi ta ném hòn đá xuống mặt nước phẳng lặng, mặt nước nơi hòn đá rơi xuống dao động, dao động này lan truyền theo mọi phương trên mặt nước, tạo thành sóng trên mặt nước dưới dạng những vòng tròn đồng tâm lan rộng.

Vậy, hiện tượng truyền sóng là hiện tượng truyền dao động từ hạt này sang hạt khác trrong môi trường, còn các hạt trong môi trường chỉ dao động xung quanh vị trí cân bằng, chúng không bị đẩy theo phương truyền sóng .

Sóng cơ truyền được trong môi trường vật chất đàn hồi như : rắn, lỏng, khí, không truyền được trong chân không, vì trong chân không không có môi trường vật chất đàn hồi làm giá đỡ để sóng lan truyền.

Điểm khác nhau quan trọng giữa sóng cơ và bất kỳ một chuyển động có trật tự nào của một phần tử môi trường là ở chổ sự truyền sóng ứng với những kích động nhỏ, không kèm theo quá trình vận chuyển chất. Ta gọi vạt gây kích động là nguồn sóng ; phương truyền sóng gọi là “tia sóng” ; không gian mà sóng truyền qua gọi là “trường sóng” .

Dựa vào cách truyền sóng, ta chia sóng cơ ra làm hai loại : sóng ngang và sóng dọc.

Sóng ngang là sóng mà phương dao động của các phần tử môi trường vuông góc với phương truyền sóng. Ví dụ: sóng truyền trên một sợi dây dài khi ta rung nhẹ một đầu. Sóng ngang xuất hiện trong các môi trường có tính đàn hồi về hình dạng.

Sóng dọc là sóng mà phương dao động của các phần tử môi trường trùng với phương truyền sóng. Ví dụ : khi ta nén lò xo rồi buông tay ra, trên lò xo xuất hiện những đoạn nén và đoạn dãn. Hình ảnh những đoạn này là sóng dọc. Sóng dọc xuất hiện trong các môi trường chịu biến dạng về thể tích.

Hình 5.1.sóng ngang và sóng dọc

Quỹ tích những điểm trong trường sóng mà ở đó các dao động có cùng giá trị pha (nghĩa là những điểm có sùng trạng thái dao động ) dược gọi là “mặt sóng”.

Với những giá trị pha khác nhau, ta có họ các mặt sóng khác nhau. Ranh giới giữa phần môi trường mà sóng đã truyền qua và phần chưa bị kích động được gọi là “mặt đầu sóng”.

Dựa vào dạng của mặt đầu sóng người ta chia các sóng ra thành sóng cầu và sóng phẳng, sóng elipxoit,...

Đối với môi trường đồng chất và đẳng hướng, mặt đầu sóng là mặt cầu, có tâm ở nguồn sóng. Tia sóng vuông góc với mặt đầu sóng, nghĩa là trùng phương với bán kính mặt cầu. Dạng sóng này gọi là “sóng cầu”.

Nếu nguồn sóng ở rất xa phần tử môi trường mà ta khảo sát thì mặt sóng là những mặt song song. Trong trường hợp này các tia sóng là những đường thẳng song song với nhau và thẳng góc với các mặt sóng. Dạng sóng này gọi là “sóng phẳng”.

Hình 5.2. sóng cầu (a) và sóng phẳng (b)

1.nguồn sóng. 2.tia sóng. 3.mặt sóng

5.1.2.Các đặc trưng của sóng

Vận tốc sóng : là quảng đường mà sóng truyền được sau một đơn vị thời gian. Trong môi trường đẳng hướng, vận tốc của sóng dọc bằng : v= 1αρ hay v= Eρ

Trong đó E= 1α là suất đàn hồi.

α là hệ số đàn hồi.

ρ là khối lượng riêng của môi trường.

Còn vận tốc sóng ngang bằng :

v= Gρ

Với G: là suất trượt của môi trường.

Chu kỳ và tần số: chu kỳ T và tần số f của sóng là chu kỳ và tần số của các phần tử dao động trong môi trường.

Bước sóng (λ) :là quảng đường mà sóng truyền được sau khoảng thời gian bằng một chu kỳ.

λ=v.T= vf

Từ hình vẽ ta thấy, bước sóng là khoảng cách ngắn nhất giữa các điểm có da động cùng pha.

Tần số góc : ω= 2πT

5.1.3.Hàm sóng

Gọi u là một đại lượng đặc trưng cho độ dời của phần tử dao động lan truyền dọc theo một phương xác định.Theo phương x như hình vẽ.

Giả sử tại điểm x = 0 (tức là tại điểm O) đại lượng u biến thiên theo thời gian với quy luật : u = f(t )

Vì dao động truyền đi nên ở một điểm M bất kỳ, tại thời điểm t, đại lượng dao động sẽ lấy giá trị giống như ở O nhưng ở thời điểm t'=t- xv

u(x,t) = f(0,t’) hay u(x,t) = f(t- xv ) (5.1)

biểu thức (5.1) mô tả sóng phẳng lan truyền theo trục x với vận tốc v gọi là hàm sóng.

Sóng đơn giản nhất là sóng phẳng đơn sắc. Đó là sóng mà dao độngtại mọi điểm là dao động điều hòa, đại lượng dao động được xác định bởi biểu thức:

u=Acosωt- xv +φ0

Với A: là biên độ dao động ; ω= 2πT=2πf là tần số góc.

ωt- xv +φ0 là pha của sóng ; φ0 là pha ban đầu. Thường chọn φ0 = 0, do đó:

u=Acosωt- xv (5.2)

Biểu thức (5.2) được gọi là hàm sóng. Ta có thể biểu diễn (5.2) dưới dạng khác như sau :

u=Acos2πtT- xλ hay u=Acosωt - 2πxλ (5.3)

Trong một số trường hợp người ta còn biểu diễn hàm sóng dưới dạng số phức:

u=Ae-iωt-2πxλ (5.4)

Với cách hiểu là (5.3) chỉ là phần thực của (5.4)

Đặt k= 2πλn gọi là “vecto sóng”, với n là vec to đơn vị cho biết phương chiều truyền sóng.

Và ta có : 2πxλ= k. r

Với r là bán kính vecto vẽ tới điểm mà ta khảo sát dao động, khi đó hàm (5.4) trở thành:

u=A.e-iωt- k. r (5.5)

Hàm (5.5) là dạng số phức của hàm sóng.

5.2.Sóng Đơbrơi

5.2.1.Giả thuyết Đơbrơi

Một hạt tự do có năng lượng E và xung lượng p tương ứng với một sóng phẳng đơn sắc có tần số f và bước sóng λ xá định qua các hệ thức sau:

E=hf= ℏω

p= hλ hay P= ℏk

Với ℏ= h2π là hằng số plank rút gọn, h: là hằng số plank.

5.2.2.Hàm sóng Đơbrơi

Xét hạt tự do có khối lượng nghỉ m, năng lượng E, xung lượng p ứng với một sóng phẳng gọi là sóng Đơbrơi có tần số ω và vec tơ sóng k.

ω= Eℏ ; k= pℏ

Sóng phẳng đó được biểu diễn bằng hàm phức sau:

ψr, t= ψ0.e-iℏEt- P. r (5.6)

Như vậy, trạng thái của hạt tự do mà ta xét có thể biểu diễn bởi một hàm ψr, t gọi là hàm sóng của hạt.

Hàm sóng phụ thuộc cả không gian và thời gian, r là vec tơ xác định vị trí của điểm nào đó trong không gian mà sóng truyền qua; còn ψ0.là một hằng số tùy ý. Hàm sóng thường được tách ra làm hai phần: ψr, t= ψr.ψt

Trong đó : ψr= ψ0.eiℏP.r là phần phụ thuộc không gian.

ψt= e-iℏE.t là phần phụ thuộc vào thời gian.

Ta có thể suy rộng cách biểu diễn trạng thái của hạt tự do bằng hàm sóng (5.6) cho hạt không tự do và thừa nhận rằng : trạng thái bất kỳ của một hạt vi mô vào thời điểm t có thể biểu diễn bởi một hàm sóng ψr, t.

5.2.3.Ý nghĩa xác suất của hàm sóng Đơbrơi

Xét một điểm M xác định bởi vec to r= OM và một phần tử thể tích ΔV bao quanh điểm M. Gọi ΔW là xác suất tìm thấy hạt trong ΔV, khi ΔV→0 thì tỉ số đó dần tới một giá trị xác định ρ gọi là “mật độ xác suất” tìm thấy hạt tại M.

ρ= dWdV

Như vây, xác suất tìm thấy hạt trong thể tích dV cho bởi công thức :

dW= ρdV

Mật độ xác suất tìm thấy hạt là hàm phụ thuộc r và t : ρr, t

Theo cách giải thích của Born thì bình phương modun của hàm sóng tỉ lệ với mật độ xác suất tìm thấy hạt.

ρr, t ~ ψr, t2 = ψr, t.ψ*r, t

Như vậy, xác suất tìm thấy hạt trong thể tích dV có biểu thức:

dW ~ ψr, t2dV (5.7)

Trong tọa độ Descartes thì dV = dxdydz nên (5.7) trở thành:

dW ~ψx,y,z, t2dx.dy.dz

Tóm lại, bản thân hàm sóng không có ý nghĩa thực tiễn nhưng bình phương modun của hàm sóng lại cho ta ý nghĩa rất quan trọng trong việc khảo sát chuyển động của các hạt vi mô, đó là xác suất tìm thấy hạt trong không gian.

5.3.Sóng điện từ

5.3.1.Sự tạo thành sóng điện từ

Hình 5.3.Sơ đồ thí nghiệm của Hertz

Hertz đã làm thí nghiệm như sau : Nối một nguồn xoay chiều cao tần vào hai đầu của hai ống dây tự cảm L và L’, hai đầu còn lại của L và L’ nối với hai thanh kim loại có hai quả cầu kim loại A,B khá gần nhau. Khi điều chỉnh hiệu điện thế và khoảng cách giữa A , B sao cho có hiện tượng phóng điện giữa A, B thì tại mọi điểm trong không gian lân cận A và B đều có một cặp vectơ cường độ điện trường và cường độ từ trường biến thiên theo thời gian.

Sự tạo thành sóng điện từ:

Kết quả thí nghiệm của Hertz được giải thích bằng hai luận điểm của Maxwell. Khi có sự phóng điện, điện trường giữa A và B giảm, biến đổi theo thời gian, theo luận điểm thứ hai của Maxwell, điện trường biến đổi ở 0 sẽ sinh ra một từ trường nghĩa là tại các điểm lân cận M, M1,M2,… xuất hiện các vectơ cường độ từ trường H , do điện trường E biến đổi theo thời gian cho nên các từ trường H này cũng biến đổi.

Mặt khác, theo luận điểm thứ nhất của Maxwell, từ trường biến đổi theo thời gian lại sinh ra điện trường xoáy, do đó tại các điểm M, M1,M2 …lại xuất hiện các vectơ cường độ điện trường.

Như vậy, trong quá trình phóng điện giữa A và B cặp vectơ E và H luôn chuyển hoá cho nhau và được truyền đi từ điểm này tới điểm khác trong không gian, kết quả là sóng điện từ được lan truyền.

5.3.2.Những tính chất tổng quát của sóng điện từ

Qua thực nghiệm và dùng các phương trình Maxwell để chứng minh người ta đã rút ra những kết luận tổng quát sau về sóng điện từ:

Sóng điện từ tồn tại cả trong môi trường vật chất và môi trường chân không (khác với sóng cơ không tồn tại trong chân không).

Sóng điện từ là sóng ngang : tại mọi điểm trong khoảng không gian có sóng điện từ, phương của các vecto E, H đều vuông góc với phương truyền sóng.

Vận tốc truyền sóng điện từ trong một môi trường đồng chất và đẳng hướng cho bởi:

v= cεμ

Trong đó c = 3.108 m/s ; ε, μ lần lượt là hằng số điện môi và độ từ thẩm của môi trường. εμ=n gọi là chiết suất tuyệt đối của môi trường. Trong chân không thì ε=1, μ=1. Suy ra v = c. Còn trong môi trường khác thì v≤c. (nghĩa là vận tốc truyền sóng trong chân không là lớn nhất so với các môi trường khác).

5.3.3. Phương trình sóng điện từ

Sóng điện từ đơn giản nhất là sóng điện từ phẳng đơn sắc, nó có những đặc tính sau đây:

Các mặt sóng là những mặt phẳng song song ; như thế nghĩa là phương truyền sóng là những đường thẳng song song và nguồn sóng coi như ở rất xa.

Các vec tơ E và H có phương không thay đổi và trị số của chúng là hàm sin của thời gian t. Như vậy sóng điện từ phẳng đơn sắc có một tần số xác định ω (nghĩa là chu kỳ T= 2πω xác định). Trong một môi trường nhất định nó có bước sóng xác định: λ=vT

Người ta đã chứng minh được rằng đối với sóng điện từ phẳng đơn sắc:

Hai vec tơ E và H luôn luôn vuông góc với nhau.

Ba vec tơ E, H và v, theo thứ tự đó hợp thành một tam diện thuận ba mặt vuông góc.

E và H luôn luôn dao động cùng pha, cụ thể là chúng luôn luôn có trị số tỷ lệ với nhau

ε0ε E= μ0μ H

Hình 5.4. Sự lan truyền sóng điện từ trong không gian

Giả thiết tại O, hai vec tơ E0 và H0 có những biểu thức sau:

E0= Emcosωt

H0= Hmcosωt

Ta chọn trục tọa độ Ox trùng với phương truyền sóng, trục Oy theo phương của E, trục Oz theo phương của H. Tại một điểm M trên Ox (OM=x ), trị số các vec tơ E và H sẽ cho bởi :

E= Emcosω t- xv

H= Hmcosω t- xv (5.7)

Đó là phương trình của sóng phẳng đơn sắc.

5.4.Kết luận

Sự lan truyền sóng trong không gian là một dạng vận động đặc biệt khác hẳn so với các dạng chuyển động cơ thông thường mà ta nghiên cứu. Nó là một sự lan truyền dao động, kích thích cho các phần tử trong môi trường rời khỏi vị trí cân bằng cố hữu cũa nó, để thực hiện một dao động quanh vị trí cân bằng đó. Kết quả của sự truyền sóng không làm “dời chổ” hay di chuyển các phần tử của môi trường từ nơi này đến nơi khác mà kết quả cuối cùng của nó là sự truyền năng lượng.

Tuy vậy, sóng có vai trò rất quan trọng trong đời sống của con người, như nhờ có sóng âm mà tai ta nghe được âm thanh, và hàng ngàn ứng dụng từ sóng điện từ như : vô tuyến, truyền thanh, truyền hình, radio, điện thoại,....các thiết bị thu phát sóng góp phần vào cuộc sống tiện nghi phục vụ cho lợi ích con người.

Như chúng ta thấy sở dĩ sóng cơ sinh ra là do sự dao động của các phần tử trong môi trường, sóng điện từ có được là sự biến đổi của điện trường và từ trường (hay điện tích dao động). Còn sóng Đơbrơi tuy không mang ý nghĩa vận động nhưng nó là cách thức để xác định sự tồn tại của một hạt vi mô. Qua đó khẳng định lại một lần nữa trong sự lan truyền sóng cũng đã nói lên tính vận động của vật chất, góp phần làm sáng tỏ tính luôn luôn vận động của vật chất và là phương thức tồn tại nó. Có thể nói : “sự lan truyền sóng chính là sự truyền vận động”.

CHƯƠNG VI : THUYẾT TƯƠNG ĐỐI HẸP CỦA EINSTEIN

Trong một thời gian dài, cơ học Newton hay cơ học cổ điển đã chiếm một vị trí thống trị trong sự phát triển của khoa học. Trên cơ sở cơ học Newton đã hình thành những quan niệm về không gian, thời gian, và vật chất. Theo những quan niệm đó thì không gian, thời gian, vật chất không phụ thuộc vào chuyển động, nghĩa là khoảng thời gian của một hiện tượng xãy ra, kích thước của một vật và khối lượng của nó điều như nhau trong mọi hệ quy chiếu đứng yên hay chuyển động.

Nhưng đến cuối thế kỷ 19 đầu thế kỷ 20, khoa học và kỹ thuật phát triển rất mạnh, đã có thể tiếp cận với những vận tốc cỡ vận tốc ánh sáng. Khi đó xuất hiện sự mâu thuẫn với các quan điểm của cơ học Newton, cụ thể là : không gian, thời gian, khối lượng đều phụ thuộc vào chuyển động. Những khó khăn đó cơ học Newton không giải quyết được. Từ đó rút ra kết luận là: cơ học newton chỉ áp dụng được cho những vật chuyển động với vận tốc nhỏ so với vận tốc ánh sáng (v<< c).

Như vậy, cần phải xây dựng một môn cơ học tổng quát hơn áp dụng cho tất cả vật chuyển động với vận tốc v vào cỡ vận tốc ánh sáng và coi cơ học Newton như là một trường hợp riêng của nó. Đó là môn cơ học tương đối tính (hay thuyết tương đối hẹp của Einstein).

6.1.Thuyết tương đối hẹp của Einstein

6.1.1.Các tiên đề của Einstein

Nguyên lý tương đối: mọi định luật vật lý đều như nhau trong các hệ quy chiếu quán tính.

Nguyên lý về sự bất biến của vận tốc ánh sáng: “ vận tốc ánh sáng trong chân không đều bằng nhau đối với mọi hệ quy chiếu quán tính. Nó có giá trị bằng c = 3.108 m/s và là giá trị vận tốc cực đại trong tự nhiên”.

6.1.2.Động học tương đối tính – phép biến đổi Lorentz

Theo phép biến đổi Galilê, thời gian diễn biến của một quá trình vật lý trong các hệ quy chiếu quán tính K và K’ là như nhau : t = t’

Khoảng cách giữa 2 điểm 1 và 2 nào đó trong các hệ K và K’ đều bằng nhau:

∆l= x2- x1 = x2'- x1'

(các đại lượng có dấu phẩy đều xét trong hệ K’)

Vận tốc tuyệt đối bằng tổng vec tơ vận tốc tương đối v’ và vận tốc kéo theo V (của hệ K’ so với K)

v = v' + V

Các phép biến đổi của Galilê không phù hợp với thuyết tương đối nên Lorentz đã tìm ra phép biến đổi từ hệ quán tính này sang hệ quán tính khác thỏa mãn yêu cầu thuyết tương đối của Einstein gọi chung là các phép biến đổi Lorentz:

x' = x-Vt1- v2c2 , x =x'+Vt'1- v2c2

t' = t-vc2x1- v2c2 , t =t'+vc2x'1- v2c2

(t : thời gian trong hệ K ; t' là thời gian trong hệ K’)

Vì K’ chuyển động dọc theo x nên y = y’, z = z’, tóm lại ta thu được công thức biến đổi Lorentz sau:

x' = x-Vt1- v2c2

y'= y (6.1)

z'= z

t' = t-vc2x1- v2c2

Và phép biến đổi từ hệ K sang hệ K’

x =x'+Vt'1- v2c2

y =y'

z =z' (6.2)

t =t'+vc2x'1- v2c2

Các phép biến đổi (6.1) và (6.2) được gọi là phép biến đổi Lorentz.

Qua đó ta thấy được mối liên hệ mật thiết giữa không gian và thời gian.

Từ các kết quả trên ta nhận thấy rằng khi c → ∞ hay vc →0 thì các công thức trên trở thành :

x'= x-Vt x=x'+ Vt

y'=y y'=y

z'= z z'=z

t'=t t'=t

Các công thức trên là phép biến đổi của Galileo. Vậy khi v<< c thì công thức của Lorentz vẫn đúng cho cơ học cơ học cổ điển của Newton.

6.2.Các hệ quả của thuyết tương đối hẹp của Einstein

6.2.1.Quan niệm về tính đồng thời

Từ phép biến đổi của Lorentz ta có :

t'2- t'1= t2- t1- vc2x2- x11- v2c2 (6.3)

Từ (6.3) suy ra rằng các hiện tượng xảy ra đồng thời ở trong hệ K sẽ không đồng thời ở trong hệ K’. Như vậy khái niệm đồng thời chỉ mang tính tương đối, hai biến cố có thể xãy ra đồng thời với hệ này nhưng sẽ không xãy ra đồng thời với hệ khác.

6.2.3.Sự co ngắn Lorentz

Ta cũng chứng minh được :

l= l01- v2c2 (6.4)

Từ (6.4) ta có thể suy ra rằng : “độ dài (dọc theo phương chuyển động) của thanh trong hệ quy chiếu mà thanh chuyển động ngắn hơn độ dài thanh ở trong hệ mà thanh đứng yên”. Hay nói khác hơn, khi vật chuyển động kích thước của nó bị co ngắn lại theo phương chuyển động.

Và tương tự ta cũng có sự co ngắn của thời gian:

∆t'= ∆t1- v2c2 < ∆t

Khoảng thời gian ∆t' của một quá trình trong hệ k’ chuyển động bao giờ cũng nhỏ hơn khoảng thời gian ∆t xãy ra cùng quá trình đó trong hệ K đứng yên. Tức đồng hồ trong hệ chuyển động chạy chậm hơn đồng hồ đứng yên.

6.2.4 .Khối lượng tương đối tính

Theo thuyết tương đối khối lượng của một vật chuyển động bị thay đổi tùy thuộc vào vận tốc (tức khối lượng mang tính tương đối) thể hiện qua công thức sau:

m= m01- v2c2 (6.5)

Trong đó m : là khối lượng của chất điểm đó trong hệ mà nó chuyển động với vận tốc v được gọi là khối lượng tương đối ; m0 là khối lượng cũng của chất điểm đó trong hệ mà nó đứng yên (v = 0) được gọi là khối lượng nghỉ.

Ta thấy rằng theo thuyết tương đối khối lượng của một vật không còn là một hằng số nữa; nó tăng khi vật chuyển động ; giá trị nhỏ nhất của nó ứng với khi vật đứng yên. Cũng có thể nói rằng : khối lượng có tính tương đối; nó phụ thuộc hệ quy chiếu.

6.2.5. Mối liên hệ giữa năng lượng và khối lượng

Môt hệ quả quan trọng của thuyết tương đối là Einstein đã đưa ra công thức nổi tiếng mang tên ông đó là công thức :

E=mc2 (6.6)

Công thức (6.6) có ý nghĩa vật lý quan trọng nó nêu lên mối liên hệ giữa khối lượng của một vật và mức độ vận động của nó (tức năng lượng E của nó có thể sinh ra).

6.3.kết luận

PHẦN : KẾT LUẬN

’. . ’

Triết học duy vật cho rằng : bản chất của thế giới tự nhiên là “vật chất” ; vật chất gắn liền với vận động. Từ quan điểm này con người đã tìm tòi, nghiên cứu để hiểu rõ bản chất của thế giới tự nhiên. Họ không ngừng học tập nghiên cứu, với sự kiên trì, nhẫn nại và quyết tâm tìm hiểu để chinh phục được thế giới tự nhiên. Một lĩnh vực khoa học tự nhiên khác đã nghiên cứu về quan điểm này là Vật lý học, Vật lý học khảo sát thế giới vật chất và thiết lập nên các quy luật, các định luật chi phối các hiện tượng tự nhiên.

Từ đó con người đã có khái niệm khách quan hơn và hiểu sâu sắc hơn về thế giới vật chất. Trong lịch sử văn minh nhân loại, chính Vật lý học đã có những phát minh kỳ diệu; không chỉ làm biến đổi kỹ thuật và tất cả các hoạt động của con người, mà còn ảnh hưởng đến phương hướng tư duy và quan điểm của chúng ta về thế giới.

Với những thành tựu rực rỡ đó, Vật lý học đã chứng minh được tính đúng đắn của quan điểm duy vật và giúp cho con người hiểu được bản chất của thế giới vật chất và sự vận động của nó. Từ đó con người đã vận dụng những hiểu biết vào trong cuộc sống để cải tạo tự nhiên phục vụ đắc lực cho đời sống nhân loại. Con người với tinh thần và khối óc không thể sản sinh ra đối tượng vật chất, nhưng con người có thể hiểu được vật chất và cải biến nó theo những quy luật vốn có của nó.

Như vậy, định nghĩa của Lenin về vật chất đã chống lại các quan điểm của chủ nghĩa duy tâm và đã khắc phục được những khuyết điểm siêu hình máy móc về vật chất, để chúng ta hiểu đúng đắn hơn về thế giới này.

Qua các phần nghiên cứu ở trên, luận văn này đã nêu rõ và làm nổi bật lên “tính vận động của vật chất” từ những vật vĩ mô quanh ta cho tới những hạt vi mô như phân tử, nguyên tử, hạt mang điện,... ; từ các vận động nhìn thấy được cho tới những sự vận động không nhìn thấy được ; và đi từ vận động đơn giản đến vận động phức tạp của vật chất. Nó thể hiện trong tất cả các phần của vật lý học như : cơ, nhiệt, điện quang, .... tương ứng với sự đa dạng của thế giới vật chất trong tự nhiên mà con người nhận thức được.

Vậy, Vật lý học đã giúp chúng ta hiểu được sâu sắc thế giới vật chất nhờ vào việc áp dụng các định luật, các nguyên lý,.... vào đời sống. Trong các ngành nghề đã nảy sinh nhiều nghành khoa học ứng dụng khác nhau. Không chỉ thế , mà vật lý học còn được ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực nghiên cứu như : Thiên văn Học, mõ, địa chất, Y Học, quốc phòng, .... Tóm lại, vật lý có ứng dụng rất nhiều trong thực tế, nó không chỉ đem lại cho loài người những hiểu biết sâu sắc về tự nhiên mà còn góp phần vào sự tiến bộ của xã hội, của toàn nhân loại. Như vậy, để xây dựng một nền công nghiệp hiện đại, không thể thiếu được những hiểu biết về Vật lý học.

.......

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Bùi Văn Khoa – Nguyễn Tấn Hồng.

TRIẾT HỌC MAC LÊNIN. NXB TPHCM – 1998

Lê Cảnh Đại.

MỘT SỐ PHẠM TRÙ TRIẾT HỌC CƠ BẢN CỦA TỰ NHIÊN - NXB.TPHCM

Lương Duyên Bình (chủ biên) – Dư Chí Công – Nguyễn Hữu Hồ - Ngô Phú An

VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG (3 Tập) - dùng cho các trường Đại Học khối kỹ thuật công Nghiệp – NXB. Giáo Dục.

Đoàn Trọng Thứ

GIÁO TRÌNH CƠ HỌC – Đại Học Đà Lạt (2002).

Trần kim Cương.

GIÁO TRÌNH NHIỆT HỌC – Đại Học Đà Lạt (2001).

Ths. Phạm Quốc Tuấn – Ths. Dương Quốc Chánh Tín.

GIÁO TRÌNH ĐIỆN HỌC – Đại Học Cần Thơ.

Phạm Quý Tư – Đỗ Đình Thanh

CƠ HỌC LƯỢNG TỬ - NXB. QGHN – 1999.

Các trang Web tham khảo :

http://thuvienvatly.com.

http://www.tailieuvatly.com

http://tailieu.vn.

Tạo bảng điểm online

Chúng tôi hiện có hơn 60 nghìn tài liệu để bạn tìm

File mới nhất

* ĐỀ THI THỬ THPTQG 2019 LẦN 7 THẦY TOẢN TUYENSINH247.COM (GIẢI CHI TIẾT)
Ngày 18/04/2019
* ĐỀ THI THỬ THPTQG BOOKGOL 2019 LẦN 1 (GIẢI CHI TIẾT)
Ngày 18/04/2019
* Giải chi tiết một số câu hay trong đề KSCL sở Nam Định (thi ngày 14/4)
Ngày 18/04/2019
* VẬT LÝ 11, CÓ ĐÁP ÁN
Ngày 18/04/2019
* Đề cương vật lý 10 HKII (LT & BT)
Ngày 18/04/2019
File mới upload

Ngày này hằng năm

* Chuyên ĐH Vinh Lần 2 file word. Có đáp án
Ngày 20/04/2018
* Cực trị điện và một vài mẹo nhớ
Ngày 24/04/2015
* Hướng dẫn giải đề thi thử Sở GD&ĐT Thanh Hóa năm 2018
Ngày 20/04/2018
* Hệ thống và phân dạng LTĐH Vật Lý 2013 - Toàn tập (Thầy Duy)
Ngày 22/04/2013
* Tuyển chọn 789 câu hỏi lý thuyết luyện thi ĐH - CĐ (Dạng ebook - Sách điện tử)
Ngày 25/04/2013
File mới upload

Được tải nhiều nhất tháng trước

File icon Đề THPT Chuyên Hà Tĩnh lần 5 năm 2016 (Có lời giải chi tiết)
3,401 lượt tải - 3,395 trong tháng
File icon ĐỀ THI THỬ THPTQG 2016 (SÁT CẤU TRÚC CỦA BỘ + ĐÁP ÁN)
2,100 lượt tải - 2,090 trong tháng
File icon Đề có cấu trúc 60%CB - 40%NC số 15 - có lời giải
2,333 lượt tải - 2,068 trong tháng
File icon THI THỬ THPT QUỐC GIA BÁM SÁT VỚI BỘ
1,895 lượt tải - 1,895 trong tháng
File icon ĐỀ THI THỬ THPT QUỐC GIA SÁT VỚI BỘ (CÓ ĐÁP ÁN)
1,879 lượt tải - 1,878 trong tháng
File download nhiều

Bình luận tài nguyên

.

.

ĐỀ THI THỬ THPTQG CHUYÊN HOÀNG VĂN THỤ HÒA BÌNH 2019 LẦN 1 (GIẢI CHI TIẾT)

ĐỀ THI THỬ THPTQG CỤM 8 TRƯỜNG CHUYÊN 2019 LẦN 2 (GIẢI CHI TIẾT)

Full Dạng Tổng Ôn THPT Quốc Gia môn Vật Lý 2019 - Full đáp án.


Cầu vồng   |   Đăng nhập Đăng nhậpnew
Đang online (45)