I - ÐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CƠ HỌC  

 1. Khái niệm về Cơ học  

 Vật lí học – với tên gốc xuất phát từ tiếng Hy Lạp “physis” nghĩa là tự nhiên - là ngành khoa học tự nhiên nghiên cứu về các tính chất tổng quát của vật chất, những quy luật vận động phổ biến của vật chất trên các lĩnh vực cơ học, nhiệt học, điện từ học, quang học và  cấu trúc phân tử, nguyên tử.

  Cơ học là một lĩnh vực đóng vai trò then chốt trong vật lí học đi sâu nghiên cứu về chuyển động của các vật thể tức là sự thay đổi vị trí của vật trong không gian theo thời gian.

  Theo lịch sử phát triển, cơ học có thể chia thành 3 lĩnh vực có liên quan trực tiếp đến kích thước của đối tượng nghiên cứu:

 a) Cơ học cổ điển: do Niutơn (Newton) xây dựng qua công trình “Những nguyên lý toán học của triết học tự nhiên” (1687) trên cơ sở đúc kết những kết quả đáng kể của nhiều nhà vật lí trước đó như Galileo, Leibnitz, Huygens, Kepler,… đã tạo nên một bức tranh biện chứng khá hoàn chỉnh về các hiện tượng cơ học cho các vật thể thông thường quan sát được - thế giới vĩ mô.

 b) Cơ học tương đối: do Einstein xây dựng trên cơ sở lý thuyết tương đối hẹp (1905) và lý thuyết tương đối rộng (1916) đã đưa ra những quan niệm mới về quan hệ giữa sự tồn tại của vật chất và khái niệm thời gian – không gian, về bản chất của khái niệm quán tính và mối liên hệ hữu cơ giữa cơ học và hình học.

 c) Cơ học lượng tử: lý thuyết được đề xuất trong nửa đầu thế kỷ XX mang tính cách mạng giải quyết những quy luật vật lí ở phạm vi kích thước nguyên tử - thế giới vi mô – trên cơ sở đưa ra khái niệm tính gián đoạn của các đại lượng vật lí.

  Về nội dung, cơ học thường được chia thành: động học và động lực học. Động học nghiên cứu các đặc trưng của chuyển động mà không quan tâm đến nguyên nhân gây ra chuyển động. Động lực học nghiên cứu về mối quan hệ giữa chuyển động và lực – là tác nhân gây ra chuyển động; và tĩnh học, một bộ phận mật thiết của động lực học, quan tâm đến các trạng thái cân bằng lực. Ngoài ra, người ta còn có thể phân loại cơ học tuỳ theo đối tượng nghiên cứu (cơ học chất điểm, cơ học vật rắn, cơ học chất lưu, cơ học môi trường liên tục…), tuỳ theo phương pháp nghiên cứu (cơ học lý thuyết, cơ học ứng dụng, cơ học tính toán…) hoặc theo những chủ đích khác. 

 2. Phương pháp nghiên cứu Vật lí  

 Phương pháp nghiên cứu cơ bản của vật lí là thực nghiệm quy nạp (induction) (Hình 1.6) và được tiến hành qua 3 bước:

 1) Quan sát hiện tượng, kết hợp thí nghiệm để khảo sát hiện tượng.

 2) Ðưa ra lý luận hoặc giả thuyết để giải thích các hiện tượng đã quan sát được.

 3) Dùng thí nghiệm để kiểm chứng sự đúng đắn của lý thuyết bằng các số liệu đo đạc chính xác. Nếu kết quả sai với thực tế thì phải làm lại từ đầu.

 Tuy nhiên từ đầu thế kỷ XX, khi vấn đề quan sát thực nghiệm không còn là dễ dàng trong nhiều lĩnh vực Vật lí, phương pháp nghiên cứu có phần thay đổi theo hướng diễn dịch (deduction - gần giống phương pháp suy luận toán học) (Hình 1.7) và đó là phương pháp xuyên suốt trong các mảng Vật lí hiện đại.

Hình 1.1. ARCHIMEDES

Hình 1.2. GALILEO

Hình 1.3. NEWTON và “Những nguyên lý toán học của triết học tự nhiên”

Hình 1.4. EINSTEIN

Hình 1.5. Đại diện của Cơ học lượng tử: SOMMERFELD, BOHR, DIRAC, HEISENBERG

Hình 1.6. Minh họa phương pháp quy nạp

Hình 1.7.Minh họa phương pháp diễn dịch

II - CHUYỂN ĐỘNG. CHẤT ĐIỂM

 1. Chuyển động cơ

  Chuyển động cơ của một vật (gọi tắt là chuyển động) là sự thay đổi vị trí của vật đó so với các vật khác theo thời gian.

 2. Chất điểm

  Một vật chuyển động được coi là một chất điểm, có khối lượng , nếu kích thước của vật rất nhỏ so với độ dài đường đi (hoặc so với khoảng cách ta đề cập đến).

  Ví dụ: khi xét chuyển động của Trái Đất quanh Mặt Trời ta xem chuyển động như là chuyển động của chất điểm. Trái lại, khi xét chuyển động tự quay quanh mình của Trái Đất thì ta không thể xem chuyển động đó là chuyển động của một chất điểm.

  Khi một vật được coi là chất điểm thì khối lượng của vật coi như tập trung tại chất điểm đó.

  Dưới đây ta chỉ xét chuyển động của những vật được coi như những chất điểm.

Hình 1.8. Mô phỏng ô tô chạy trong sân nhà

 3. Quỹ đạo

 Tập hợp tất cả các vị trí của một chất điểm chuyển động tạo ra một đường nhất định. Đường đó gọi là quỹ đạo của chuyển động (Video 1.1).

Video 1.1. Mô phỏng quỹ đạo các hành tinh trong Thái Dương hệ (hệ Mặt Trời).

III - CÁCH XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ CỦA VẬT TRONG KHÔNG GIAN

 1. Vật làm mốc và thước đo

 Giả sử có một chất điểm M chuyển động trên một đường đã biết trước (Hình 1.9). Muốn xác định vị trí của điểm M trên đường đó ta làm như sau:

- Chọn một vật làm mốc trên đường đó (ở đây là điểm O, được coi là đứng yên).

- Chọn một chiều dương trên đường đi.

- Dùng một thước đo để xác định độ dài s của đường đi từ O đến M.

- Cho biết chiều từ O đến M là dương hay âm.

  Vậy, nếu ta đã biết quỹ đạo của vật, ta chỉ cần chọn vật làm mốc và một chiều dương trên đường đó là có thể xác định được chính xác vị trí của vật bằng cách dùng một thước đo chiều dài đoạn đường từ vật làm mốc đến vật.

Hình 1.9

Hình 1.10. Cột mốc km

 2. Hệ toạ độ

 Chuyển động xảy ra trong không gian và trong thời gian nên để mô tả chuyển động thì trước tiên ta phải tìm cách định vị vật trong không gian. Muốn vậy, ta phải đưa thêm vào một hệ tọa độ. Trong vật lí, người ta sử dụng nhiều hệ tọa độ khác nhau. Ở đây, ta sẽ giới thiệu hai hệ tọa độ thường hay gặp.

  a) Hệ toạ độ 1 trục (sử dụng khi vật chuyển động trên một đường thẳng) (Hình 1.11).

Toạ độ của vật ở vị trí M : x =

Hình 1.11

  b) Hệ toạ độ 2 trục (sử dụng khi vật chuyển động trên một đường cong trong một mặt phẳng).

 Nếu biết điểm M nằm trên một mặt phẳng nào đó, để xác định vị trí của M ta làm như sau (Hình 1.12): Lấy trên mặt phẳng đó một điểm O làm vật mốc.

  - Vẽ trên mặt phẳng đó hai trục Ox và Oy vuông góc với nhau. Hai trục này gọi là hai trục toạ độ. Hệ hai trục này là hệ toạ độ.

  - Chiếu vuông góc điểm M xuống hai trục Ox và Oy tại H và I.

  - Dùng thước đo các độ dài | x | = OH và | y | = OI. Các độ dài đại số x và y là các toạ độ của điểm M. Chúng cho phép ta xác định được vị trí của M.

  Toạ độ của vật ở vị trí M :   và

Hình 1.12

  c) Xác định vị trí của một vật trong không gian

 Để xác định vị trí của một vật trong không gian, ta phải chọn một vật làm mốc và gắn vào nó ba trục toạ độ Ox, Oy, Oz theo ba hướng khác nhau.

  Thí dụ: Để xác định chuyển động của các trạm thám hiểm không gian, người ta thường lấy hệ toạ độ có gốc ở mặt trời và ba trục toạ độ đi qua ba ngôi sao cố định (Hình 1.13).

 d) Hệ tọa độ địa lí

 Hệ toạ độ địa lý (còn được gọi là hệ toạ độ trắc địa) là một hệ toạ độ cầu, trong đó vị trí của điểm Q trên mặt cầu được xác định bởi kinh độ địa lý λ và vĩ độ địa lý f (Hình 1.14, 15).

  Kinh độ địa lý là góc nhị diện giữa hai mặt phẳng: một mặt phẳng chứa kinh tuyến gốc đi qua đài thiên văn Greenwich và một mặt phẳng chứa kinh tuyến đi qua điểm Q, nhận giá trị từ 00 đến 1800 sang hai phía Đông và Tây.

  Vĩ độ địa lý là góc giữa pháp tuyến của ellipsoid tại Q và mặt phẳng xích đạo, nhận giá trị từ 00 đến 900 về hai cực Bắc và Nam.

Hình 1.13

IV - CÁCH XÁC ĐỊNH THỜI GIAN TRONG CHUYỂN ĐỘNG

 1. Mốc thời gian và đồng hồ

 Mô tả chuyển động của một vật là cho biết toạ độ của vật đó ở những thời điểm khác nhau. Muốn thế ta phải chọn một mốc thời gian (hoặc gốc thời gian), tức là thời điểm mà ta bắt đầu đếm thời gian, và phải dùng một đồng hồ để đo thời gian trôi đi từ mốc thời gian đến thời điểm mà ta quan tâm.

 2. Thời điểm và thời gian

 Trên bảng giờ tàu thống nhất E₁, tàu xuất phát từ ga Hà Nội lúc 19 giờ 00 phút (là thời điểm). Mốc thời gian ở đây là 0 giờ của giờ Hà Nội. Tàu đến  Huế lúc 8 giờ 05 phút ngày hôm sau. Điều này có nghĩa là tàu đã chạy (khoảng) thời gian là 13 giờ 05 phút.

  * Người ta thường chọn mốc thời gian là thời điểm mà vật bắt đầu chuyển động.

V - HỆ QUY CHIẾU

 Một hệ quy chiếu gồm:

  - Chọn vật làm mốc, một hệ toạ độ gắn với vật làm mốc.

  - Chọn mốc thời gian và đồng hồ.

  Để mô tả các chuyển động trên mặt Trái Đất, ta thường chọn hệ quy chiếu là Trái Đất hay các vật gắn liền với Trái Đất. Ví dụ: khi nghiên cứu chuyển động của quả đạn pháo thì ta chọn hệ quy chiếu là mặt đất hay là chính khẩu pháo.