HOẠT ĐỘNG CỦA GIÁO VIÊN - HỌC SINH

DỰ KIẾN SẢN PHẨM

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

- GV đặt câu hỏi:

+ Lịch sử của vật lí được khoảng bao nhiêu năm, tính từ sự ra đời phương pháp thực nghiệm của Galilei?

+ Lịch sử vật lí gắn liền với lịch sử việc khám phá ra điều gì?

- GV giới thiệu về lực hấp dẫn.

- HS trả lời Câu hỏi 1.

- GV dẫn dắt: Thời Trung cổ, trước Galilei, nhân loại bị giới hạn bởi sự mê tín, những câu hỏi tại sao đều lí giải thông qua những thế lực siêu nhiên.

- GV cho HS tìm hiểu về sự ra đời của vật lí thực nghiệm.

+ GV cho HS đọc Bạn có biết 3: giới thiệu về sao chổi năm 1066.

GV dẫn dắt để HS thấy được tầm quan trọng của việc nghiên cứu khoa học và một trong những yếu tố chính là hành trình nghiên cứu về sao chổi. GV đặt câu hỏi:

+ HS hãy trình bày về quá trình tìm ra kính viễn vọng.

(Hình ảnh: Kính viễn vọng do Galilei chế tạo).

+ HS trả lời câu hỏi: Hãy trình bày sơ lược về sự ra đời của vật lí thực nghiệm và một số nhà vật lí tiêu biểu trong thời kì này.

- GV hỏi thêm:

Hãy nêu sự khác nhau trong nghiên cứu của Aristoteles và Galilei.

(Aristotle từ cảm nhận bằng mắt thường, đi từ những dự kiện đơn lẻ, cụ thể để khái quát tính chất chung của toàn thể tự nhiên.

Galilei đề ra lí thuyết mới từ việc phân tích các thí nghiệm).

- GV đưa ra kết luận về quá trình đấu tranh phức tạp chống lại sự tôn sùng Aristoteles để có một thế giới quan mới về khoa học ra đời, với sự xuất hiện của vật lí thực nghiệm.

Những thành tựu ban đầu của vật lí thực nghiệm đã khiến cho thế kỉ XVII trở thành thế kỉ của cuộc cách mạng khoa học.

- GV đưa một số hình ảnh cho HS dự đoán các lĩnh vực và thành tựu

Trả lời:

a) Kính thiên văn,

b) Hiện tượng tán sắc ánh sáng

c) Lồng Faraday được phát minh vào năm 1836

d) Máy phát điện xoay chiều

e) Động cơ hơi nước

f) Giao thoa ánh sáng.

Bước 2: HS thực hiện nhiệm vụ học tập

- HS nghiên cứu thông tin, trao đổi nhóm, suy nghĩ trả lời câu hỏi.

- GV hướng dẫn, hỗ trợ HS (nếu cần thiết).

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động và thảo luận

- GV mời HS trả lời câu hỏi về sự ra đời, phát triển và vai trò của vật lí thực nghiệm đối với sự phát triển của vật lí học.

- GV mời HS khác nhận xét, bổ sung.

Bước 4: Đánh giá kết quả, thực hiện nhiệm vụ học tập

GV đánh giá, nhận xét, chuẩn kiến thức, chuyển sang nội dung mới.

I. Vật lí học cổ điển

- Vật lí có lịch sử hơn 400 năm nếu lấy mốc từ sự ra đời phương pháp thực nghiệm của Galilei.

- Lịch sử của vật lí gắn liền với lịch sử của việc khám phá ra các lực đang vận hành vũ trụ: lực hấp dẫn, lực điện từ, lực hạt nhân yếu và lực hạt nhân mạnh

TL Câu hỏi 1:

- Sự rơi tự do (Galilei – 1632)

- Định luật vạn vật hấp dẫn (Newton – 1687)

- Định luật Hooke (Hooke – 1676)

- Định luật Ohm (Georg Ohm – 1827)

1. Sự ra đời của vật lí thực nghiệm

- Hành trình tìm kiếm câu trả lời về sao chổi và chuyển động của các thiên thể khác là yếu tố chính giúp hình thành nên vật lí thực nghiệm và phương pháp khoa học.

- Kính viễn vọng:

+ Hans Lippershey đã phát hiện ra các bức ảnh được nhìn qua hai thấu kính đặt song song và đồng trục to và rõ hơn.

+ Năm 1608, Lippershey đã chế tạo ra một thiết bị giống với kính thiên văn ngày nay.

+ Galilei dựa vào đó, đã chế tạo ra kính viễn vọng có độ phóng đại khoảng 3 lần, từ đó phát hiện bốn vệ tinh lớn nhất của Sao Mộc. Ông cũng quan sát và phân tích vết đen Mặt Trời, cải tiến thiết kế la bàn,…

Một số nhà vật lí, khoa học tiêu biểu trong quá trình ra đời của Vật lí thực nghiệm:

- Galilei là người tiên phong trong việc sử dụng thực nghiệm để kiểm tra tính đúng đắn của lí thuyết, thúc đẩy để hình thành Vật lí thực nghiệm.

- Bằng phương pháp thực nghiệm, Galilei đã kiểm tra nhiều kết quả quan trọng của động lực học, ví dụ định luật quán tính.

- Francis Bacon và René Descartes phát triển và bổ sung phương pháp quy nạp và phương pháp diễn dịch giúp hình thành nên phương pháp khoa học.

- Issac Newton đã kế thừa và hoàn thiện phương pháp thực nghiệm.

- Một số nhà vật lí tiêu biểu khác của giai đoạn ra đời Vật lí thực nghiệm:

Johannes Kepler (1571 – 1630), Evangelista Torrcelli (1608 – 1674), Blaise Pascal (1623 – 1662), Robert Boyle (1627 – 1691), Edme Mariotte (1620 – 1684), Christiaan Huygens (1629 – 1695).

Kết luận:

- Vật lí thực nghiệm bắt nguồn từ nhu cầu tìm hiểu quy luật chuyển động của các thiên thể. Galilei là người tiên phong sử dụng thực nghiệm để kiểm tra tính đúng đắn của lí thuyết.

HOẠT ĐỘNG CỦA GIÁO VIÊN - HỌC SINH

DỰ KIẾN SẢN PHẨM

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

- GV cho HS thảo luận nhóm đôi tìm hiểu nội dụng SGK, trả lời câu hỏi:

+ Trình bày một số vai trò nổi bật của Newton trong lĩnh vực cơ học, thiên văn học, toán học và ứng dụng của chúng trong khoa học.

+ Câu hỏi 3: Hãy trình bày vai trò của Newton đối với sự phát triển của Vật lí học.

- GV có thể giới thiệu về những đóng góp quan trọng của Newton trong các lĩnh vực nghiên cứu khác:

+ Quang học: Ông đã có những nghiên cứu về các hiện tượng phản xạ, tán sắc và lí giải ban đầu (dù chưa thật sự chính xác) về bản chất của ánh sáng là các hạt.

+ Nhiệt học: nghiên cứu hiện tượng truyền nhiệt.

+ Toán học: Phát minh phép tính vi tích phân, phương pháp khai triển nhị thức, phương pháp tính xấp xỉ trong thực nghiệm, phương pháp tìm nghiệm của các phương trình.

+ Newton có một số đóng góp vào việc phát hiện và xử lí nạn tiền xu giả tại Anh.

- GV cho HS đọc Bạn có biết 6.

Bước 2: HS thực hiện nhiệm vụ học tập

- HS thảo luận nhóm để tìm hiểu vai trò của cơ học Newton đối với sự phát triển của Vật lí học.

- GV hướng dẫn, hỗ trợ HS (nếu cần thiết).

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động và thảo luận

HS thảo luận, trình bày. Các HS khác chú ý lắng nghe, bổ sung.

Bước 4: Đánh giá kết quả, thực hiện nhiệm vụ học tập

GV đánh giá, nhận xét, chuẩn kiến thức.

2. Cơ học Newton

- Newton đã sáng tạo ra các phép đạo hàm và tích phân. Với công cụ đó, ông đã tìm ra quy luật chuyển động của Mặt Trăng và quy luật chuyển động của Mặt Trời.

- Newton đã phát minh ra kính thiên văn phản xạ.

- Cuốn sách: "Các nguyên lí toán học của triết học tự nhiên" của Newton mô tả các nguyên lí để xác định chuyển động vật lí của cả vũ trụ. Dựa vào đó mà Edmund Halley đã dự đoán sự xuất hiện của sao chổi.

- Các công trình mà Newton tìm ra từ  những năm 1680 là cơ sở giúp tính toán để chúng ta có thể đưa tàu thăm dò không gian qua các vành đai của Thổ Tinh.

TL Câu hỏi 3:

Newton xây dựng các định luật về chuyển động giúp mô tả chuyển động của hầu hết các vật thường gặp; định luật vạn vật hấp dẫn phá bỏ quan niệm thần bí về chuyển động của các thiên thể.

Kết luận:

Cơ học Newton là nền tảng cho tất cả các lĩnh vực của Vật lí cổ điển.

HOẠT ĐỘNG CỦA GIÁO VIÊN - HỌC SINH

DỰ KIẾN SẢN PHẨM

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

- GV cho HS tìm hiểu nội dụng SGK và trả lời Câu hỏi 4: Liệt kê một số nhánh nghiên cứu chính của Vật lí cổ điển?

- GV đặt câu hỏi: các lĩnh vực đó nghiên cứu về điều gì? Nêu một số thành tựu tiêu biểu?

- GV giới thiệu một số hình ảnh về các thành tựu, nghiên cứu của Vật lí cổ điển.

- GV cho HS đọc các Bạn có biết 7, 8.

Bước 2: HS thực hiện nhiệm vụ học tập

- HS thảo luận nhóm, suy nghĩ trả lời câu hỏi.

- GV hướng dẫn, hỗ trợ HS (nếu cần thiết).

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động và thảo luận

HS trình bày câu trả lời, các HS khác nhận xét, bổ sung.

Bước 4: Đánh giá kết quả, thực hiện nhiệm vụ học tập

GV đánh giá, nhận xét, chuẩn kiến thức.

3. Một số lĩnh vực của Vật lí cổ điển

TL Câu hỏi 4:

Một số nhánh nghiên cứu chính của vật lí cổ điển: Thiên văn, Quang học, Cơ học, Nhiệt học, Điện và từ học, …

- Vật lí thiên văn: nghiên cứu và mô tả các chuyển động của các vật thể trên bầu trời dựa trên các thuyết vật lí với nền móng là định luật vạn vật hấp dẫn.

- Quang học: nghiên cứu về nguồn gốc của ánh sáng, lí thuyết các màu sắc và trắc quang.

+ Đóng góp tiêu biểu của Mikhail Vasilyyevich Lomonosov, Piere Bouguet, Johann Heinrich Lambert.

+ Ở giai đoạn này: thuyết ánh sáng được thừa nhận rộng rãi, thuyết sóng ánh sáng không được công nhận.

+ Phát minh ra ống kính tiêu sắc dùng trong kính thiên văn.

+ James Bradley phát minh ra hiện tượng tinh sai năm 1728 cho phép đo được tốc độ ánh sáng.

- Cơ học: nghiên cứu vật thể chịu tác dụng của lực, trạng thái chuyển động của chúng.

- Nhiệt học:

+ Thành tựu: hóa rắn được thủy ngân trong điều kiện tự nhiên và làm nóng chảy kẽm, vàng nhờ vào việc chế tạo thấu kính  lớn để hội tụ ánh sáng mặt trời. Phép đo nhiệt độ và chế tạo ra nhiệt kế với độ chính xác cao.

- Nhiệt động lực học: nghiên cứu về hiện tượng nhiệt và khả năng chuyển hóa năng lượng nhiệt thành công cơ học.

+ Thành tựu: Daniel Bernoulli sử dụng phương pháp thống kê với cơ học cổ điển để đưa ra các kết quả cho nhiệt động lực học. Năm 1798, Thompson chứng minh được việc chuyển hóa cơ năng sang nhiệt. Năm 1847, Jun phát biểu định luật bảo toàn năng lượng.

- Điện và Từ học: nghiên cứu về tương tác giữa các điện tích đứng yên và chuyển động có quy luật để tạo thành dòng điện, mối quan hệ giữa điện và từ.

+ Thành tựu: Những kết quả nghiên cứu về dòng điện của George Ohm, những thí nghiệm về hiện tượng cảm ứng điện từ của Michael Faraday,…

Một số ví dụ thực tế về các thành tựu trong các lĩnh vực Vật lí cổ điển:

+ Động học: định luật về chuyển động của Newton

(Nguyên bản định luật I và II của Newton được viết bằng tiếng Latin).

(định luật II Newton)

+ Thủy tĩnh học: áp suất trong lòng chất lỏng, lực Archimedes.

+ Quang học: nghiên cứu hiện tượng tán sắc

+ Nhiệt động lực học: Nguyên lí truyền nhiệt,…

+ Điện học và từ học: Từ trường biến thiên sinh ra dòng điện cảm ứng,..

HOẠT ĐỘNG CỦA GIÁO VIÊN - HỌC SINH

DỰ KIẾN SẢN PHẨM

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

- GV cho HS tìm hiểu SGK và tóm tắt các thành tựu về điện từ ở cuối thế kỉ XIX.

- GV cho HS thảo luận nhóm 4, trả lời Câu hỏi 5:

+ Những vấn đề gì gây nên sự khủng hoảng của vật lí cuối thế kỉ XIX? Vì sao nói sự khủng hoảng đó là tiền đề của vật lí hiện đại?

Từ đó thấy được động lực thúc đẩy các nhà khoa học tìm tìm khám phá, dẫn đến sự ra đời của Vật lí hiện đại.

- GV hỏi thêm:

Trình bày hiểu biết của em về Vật đen tuyệt đối?

(Trả lời: Vật đen tuyệt đối là vật hấp thụ hoàn toàn các bức xạ điện từ chiếu đến nó, bất kể ở bước sóng nào. Điều này có nghĩa là sẽ không có hiện tượng phản xạ hay tán xạ trên vật đó, cũng như không có dòng bức xạ điện từ nào đi xuyên qua vật).

Bước 2: HS thực hiện nhiệm vụ học tập

- HS nghiên cứu thông tin, và trả lời câu hỏi.

- GV hướng dẫn, hỗ trợ HS (nếu cần thiết).

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động và thảo luận

- Đại diện nhóm trình bày các vấn đề, các nhóm chú ý lắng nghe để bổ sung, nhận xét.

Bước 4: Đánh giá kết quả, thực hiện nhiệm vụ học tập

GV đánh giá, nhận xét, chuẩn kiến thức.

II. Vật lí học cuối thế kỉ XIX

- Năm 1865, James Clerk Maxwell đã đưa ra hệ phương trình Maxwell.

Các phương trình của Maxwell chỉ ra: khi có sự thay đổi thích hợp của một trong các yếu tố như cường độ dòng điện, mật độ điện tích,.. sẽ sinh ra sóng điện từ truyền đi được trong không gian. Maxwell đã tính toán tốc độ của sóng này và phát hiện ra tốc độ của sóng điện từ bằng với tốc độ ánh sáng. Từ đó khám phá ra ánh sáng là sóng điện từ.

- Thành tựu của Faraday và Maxwell tạo nên một cuộc cách mạng điện từ. Thành quả chính là công cuộc điện khí hóa, sản xuất điện năng, mạng Internet,..

- Lí thuyết trường điện từ của Maxwell cũng còn hạn chế: đặc biệt là không giải thích được hai hiện tượng gây nên cuộc khủng hoảng vật lí cuối thế kỉ XIX.

TL Câu hỏi 5:

- Những vấn đề gây nên khủng hoảng của Vật lí cuối thế kỉ XIX:

+ Trong quá trình nghiên cứu về bức xạ của vật đen tuyệt đối (một vật có khả năng hấp thụ tất cả các sóng điện từ chiếu đến nó), các kết quả tính toán bằng lí thuyết điện từ cho kết quả hoàn toàn sai lệch so với kết quả thực nghiệm ở vùng bước sóng tử ngoại. Ngoài ra, các tính toán lí thuyết còn đưa ra một kết quả vô lí khi cho rằng năng lượng của vật đen tuyệt đối là vô cùng.

+ Khi đo tốc độ ánh sáng, Michelson và Morley phát hiện ra nó luôn bằng hằng số, không phụ thuộc vào tốc độ của nguồn tức là không tuân theo công thức cộng vận tốc Galilei.

- Từ đó đòi hỏi các nhà khoa học phải tìm tòi, khám phá dẫn đến sự ra đời của Vật lí hiện đại.

Kết luận:

- Sự khủng hoảng trong việc giải thích sự vi phạm công thức cộng vận tốc của Galilei đã được tin tưởng suốt ba thế kỉ, dẫn tới sự ra đời của Thuyết tương đối.

- Sự khủng hoảng trong việc giải thích các kết quả thực nghiệm về vật đen và hiện tượng quang điện đã dẫn tới sự hình thành Cơ học lượng tử.

HOẠT ĐỘNG CỦA GIÁO VIÊN - HỌC SINH

DỰ KIẾN SẢN PHẨM

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

- GV dẫn dắt: Cơ học Newton đã giúp các nhà khoa học tính toán được khối lượng của Mặt Trời, lí thuyết của Maxwell về sóng điện từ và ánh sáng giúp tính toán được năng lượng của bức xạ từ Mặt Trời truyền tới Trái Đất. Nhưng làm thế nào để giải thích được việc Mặt Trời có thể phát sáng lâu đến hàng tỉ năm?

- GV cho HS tìm hiểu nội dung SGK và trả lời câu hỏi:

+ Trình bày về thuyết tương đối và vận dụng điều đó giải thích tại sao Mặt Trời có thể phát sáng hàng tỉ năm.

+ Câu hỏi 6: Nêu một số lĩnh vực chính của Vật lí hiện đại.

+ Câu hỏi 7: Nêu đối tượng nghiên cứu của Vật lí hiện đại.

+ Trình bày một số hiểu biết lĩnh vực Vật lí năng lượng cao.

- GV cho HS đọc và tìm hiểu Bạn có biết 9, 10.

- GV kết luận về sự phát triển của Vật lí hiện đại và khuyến khích tìm tòi khám phá của những học sinh, người trẻ tuổi.

Bước 2: HS thực hiện nhiệm vụ học tập

- HS nghiên cứu thông tin, và trả lời câu hỏi.

- GV hướng dẫn, hỗ trợ HS (nếu cần thiết).

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động và thảo luận

- Đại diện nhóm trình bày các vấn đề, các nhóm chú ý lắng nghe để bổ sung, nhận xét.

Bước 4: Đánh giá kết quả, thực hiện nhiệm vụ học tập

GV đánh giá, nhận xét, chuẩn kiến thức.

III. Vật lí hiện đại

- Theo thuyết tương đối, mỗi vật có khối lượng m có năng lượng là E = mc², với c = 3.10⁸ m/s.

Khi các hạt nhân nguyên tử kết hợp lại với nhau thành một hạt nhân lớn hơn sẽ xảy ra hiện tượng hao hụt khối lượng, với độ hụt khối  rất nhỏ, tuy nhiên năng lượng sinh ra là  lớn do c = tốc độ ánh sáng rất lớn.

Năng lượng hạt nhân lớn như vậy vì lực hạt nhân rất mạnh, mạnh hơn rất nhiều lần lực điện từ và lực hấp dẫn.

- Trong Mặt trời các phản ứng nhiệt hạch của hydro biến thành heli, đó là nguồn năng lượng lớn nhất của Mặt Trời. Các phản ứng đó giúp Mặt Trời phát sáng đến hàng tỉ năm.

TL Câu hỏi 6:

Một số lĩnh vực chính của vật lí hiện đại: Cơ học lượng tử, Thuyết tương đối và các lĩnh vực ứng dụng (Vật lí bán dẫn, Vật lí nano, Vật lí năng lượng cao, …)

TL Câu hỏi 7:

Đối tượng nghiên cứu: Các hiện tượng vật lí xảy ra ở các điều kiện đặc biệt: tốc độ lớn có thể so với tốc độ ánh sáng (thuyết tương đối hẹp), khoảng cách nhỏ có thể so sánh với bán kính nguyên tử (cơ học lượng tử), năng lượng rất cao (vật lí năng lượng cao).

Vật lí năng lượng cao:

- Hạt hạ nguyên tử: Bên trong các nguyên tử là hạt nhân, hạt nhân được cấu tạo bởi proton và nơtron. Các hạt này được cấu tạo từ các hạt nhỏ hơn. Và các hạt nhỏ hơn này, lị được cấu tạo bởi các hạt nhỏ hơn khác nữa. Những hạt này còn gọi là hạt hạ nguyên tử.

- Mô hình chuẩn là một thuyết thống nhất các tương tác hạt mạnh, yếu và tương tác điện từ cũng như xác định tất cả những hạt hạ nguyên tử sơ cấp.

- Lí thuyết dây: được xây dựng với mục đích thống nhất tất cả các hạt cơ bản cùng các lực cơ bản của tự nhiên, ngay cả lực hấp dẫn.

- Lĩnh vực Vật lí năng lượng cao sử dụng máy gia tốc và máy gia tốc hadron lớn để quan sát các hạt sinh ra sau va chạm bằng thực nghiệm nhằm kiếm tra dự đoán của các lí thuyết như Mô hình chuẩn hay Lí thuyết dây.