HOẠT ĐỘNG CỦA GIÁO VIÊN - HỌC SINH

DỰ KIẾN SẢN PHẨM

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

- GV yêu cầu HS trả lời Câu hỏi:

Các nhà triết học tự nhiên Hy Lạp cổ đại đã sử dụng những phương pháp nghiên cứu nào để suy luận và nghiên cứu thế giới tự nhiên?

- GV tổ chức cho HS thí nghiệm đơn giản: Thả một cục tẩy và một tờ giấy đồng thời từ ngang tầm mắt đến sàn nhà.

- GV yêu cầu HS trả lời câu hỏi: Vật nào rơi xuống sàn nhà trước?

- GV yêu cầu HS trả lời câu hỏi: Bằng quan sát, Aristotle cho rằng Vật nặng rơi nhanh hơn vật nhẹ. Theo em, Aristotle có đúng không? Em hãy kể về sự kiện và những nhà khoa học chứng minh Aristotle đã sai lầm.

(Aristotle không đúng).

- GV có thể chiếu lại hình ảnh về thí nghiệm của Galilei:

(Galilei đã mang lên tháp nghiêng hai quả cầu kim loại, quả to nặng gấp khoảng 10 lần quả nhỏ và thả hai quả cầu xuống cùng lúc. Kết quả cả hai quả cầu đều rơi như nhau, cùng chạm đất một lúc).

+ Câu hỏi: Hãy nêu sự khác nhau trong nghiên cứu của Aristotle và Galilei.

- GV dẫn dắt: Sự ra đời của vật lí học với tư cách là một khoa học độc lập gắn với tên tuổi của một số nhà khoa học tên tuổi như Galilei, Newton là một cuộc cách mạng về tư duy vào thời điểm bây giờ.

- GV cho HS trả lời Câu hỏi:

+ Thành tựu của Galilei và Newton gắn liền với sự ra đời và phát triển của Vật lí thực nghiệm như thế nào?

- GV cho HS thảo luận theo nhóm 4 trả lời Câu hỏi 1, 2 (SGK)

1. Trình bày một số kết quả nổi bật của Vật lí thực nghiệm. Từ đó phân tích được vai trò của Vật lí thực nghiệm trong sự phát triển của Vật lí.

+ GV dẫn dắt và giới thiệu thêm một số kết quả ban đầu của Vật lí thực nghiệm.

2. Tiến hành thí nghiệm để chứng minh quan điểm vật nặng rơi nhanh hơn vật nhẹ của Aristotle là không chính xác.

- GV cho HS thực hiện Luyện tập theo nhóm 4:

Nêu vai trò của Vật lí thực nghiệm trong quá trình phát triển của khoa học.

Bước 2: HS thực hiện nhiệm vụ học tập

- HS làm thí nghiệm, 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

- 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.

1. Sự ra đời và những thành tựu ban đầu của vật lí thực nghiệm

a) Sơ lược về lịch sử hình thành của Vật lí thực nghiệm

Trả lời Câu hỏi:

- Các nhà triết học tự nhiên Hy Lạp cổ đại tìm hiểu thế giới tự nhiên dựa trên quan sát, kết hợp lí luận tư duy để lập ra nguyên tắc suy luận và phương pháp quy nạp để nghiên cứu các sự vật hiện tượng diễn ra trong tự nhiên, từ đó xây dựng nên nền khoa học đầu tiên trên thế giới.

- Các nhà bác học tiêu biểu trong giai đoạn này như: Aristotle, Ptolemy.

Trả lời Câu hỏi:

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 mưới từ việc phân tích các thí nghiệm.

Trả lời Câu hỏi:

- Galilei: nghiên cứu tìm cách thực hiện thí nghiệm trong các điều kiện khác nhau để đưa ra kết luận cho các vấn đề. Ông là người đặt nền móng cho phương pháp thực nghiệm.

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

Kết luận:

Vật lí cổ điển trở thành ngành khoa học riêng khi sử dụng phương pháp thực nghiệm nhằm phát hiện ra các quy luật, các định luật vật lí.

b) Một số thành tựu ban đầu của vật lí thực nghiệm.

TL Câu hỏi 1 (SGK):

- Thí nghiệm chứng tỏ thời gian rơi tự do không phụ thuộc vào khối lượng của vật.

- Nguyên lí I và II nhiệt động lực học và định luật bảo toàn năng lượng  Sự ra đời của động cơ nhiệt.

- Thí nghiệm về hiện tượng cảm ứng của Faraday tạo cơ sở cho sự phát minh ra điện.

- Phát minh bóng đèn dây tóc.

- Thí nghiệm truyền sóng điện tử của Hertz góp phần phát triển ngành truyền thông không dây.

Vật lí thực nghiệm đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của Vật lí khi giúp phát hiện ra những hiện tượng mới cũng như kiểm chứng lại những nghiên cứu lí thuyết.

TL Câu hỏi 2 (SGK)

- Thả hai vật có khối lượng khác nhau nhưng có hình dạng tương đương nhau từ cùng một độ cao  rơi đồng thời.

- Thả hai vật có khối lượng bằng nhau nhưng có hình dạng khác nhau (một tờ giấy duỗi thẳng, một tờ giấy bị vò lại) từ cùng một độ cao  rơi không đồng thời dù khối lượng bằng nhau.

Kết luận:

- Galilei chế tạo thành công kính thiên văn vào năm 1609 và mở đầu cho kỉ nguyên nghiên cứu vũ trụ (Hình 1.2a).

- Newton tìm ra các định luật cơ bản về chuyển động, đặt nền móng cho cơ học cổ điển.

– Newton nghiên cứu hiện tượng tán sắc ánh sáng (Hình 1.2b), chứng minh ánh sáng trắng không phải là ánh sáng đơn sắc mà là tập hợp của vô số ánh sáng đơn sắc khác nhau có màu trải dài liên tục từ đỏ đến than. Ngoài ra, Newton cũng nêu ra giả thuyết ánh sáng có tính chất hạt.

- Michael Faraday (Mai-cơn Pha-ra-đây) (1791 – 1867) nghiên cứu các hiện tượng về điện từ (Hình 1.2c) và mối quan hệ tương hỗ giữa điện và từ hay còn gọi là hiện tượng cảm ứng điện và từ. Đây là cơ sở cho sự ra đời của máy phát điện xoay chiều (Hình 1.2d).

– Sự ra đời của động cơ hơi nước (Hình 1.2e) vào năm 1765 của James Watt (Giêm Oát) (1736 – 1819) là thành tựu quan trọng của Vật lí thực nghiệm trong cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ nhất.

- Thomas Young (Tho-mát Y-âng) (1773 – 1829) thực hiện thí nghiệm giao thoa ánh sáng (Hình 1.2f), từ đó chứng minh ánh sáng có tính chất sóng.

Luyện tập:

Vật lí thực nghiệm không chỉ đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển chung của Vật lí mà còn ở các ngành khoa học khác.

– Trong hoá học: phương pháp điện phân được phát triển dựa trên các phương pháp thực nghiệm về hiện tượng điện và từ. Các phương pháp phân tích trong hoá học cũng dựa trên những nghiên cứu về quang phổ nhiễu xạ tia X (XRD – X-ray diffraction), kính hiển vi điện tử quét (SEM – Scanning Electron Microscope),...

– Trong khoa học vật liệu: phương pháp chụp hình độ phân giải cao không phá huỷ mẫu dựa trên các phương pháp thực nghiệm tán xạ của Vật lí hạt nhân.

- Trong y học: Các phương pháp chẩn đoán và điều trị sử dụng rất nhiều thành tựu của Vật lí thực nghiệm như những nghiên cứu về X-quang, phóng xạ, siêu âm, laser,...

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 nêu những đóng góp của cơ học Newton trong sự phát triển vật lí.

- HS suy nghĩ thảo luận nhóm đôi, trả lời Câu hỏi 3:

Tìm hiểu và trình bày những đóng góp quan trọng của Newton trong các lĩnh vực nghiên cứu khác.

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. Vai trò của cơ học Newton đối với sự phát triển của Vật lí học

- Isaac Newton đã xây dựng nên hệ thống các định luật về chuyển động và định luật vạn vật hấp dẫn. Hệ thống các định luật này đã tạo cơ sở lí luận và toán học vững chắc cho sự ra đời và phát triển của cơ học cổ điển.

- Cơ học Newton mang lại một giá trị rất lớn về mặt tư tưởng khoa học.

+ Nhờ vào hệ thống cơ học Newton, nhà khoa học Edmond Halley (Ét-mơn Ha-lây) (1656 – 1742) đã dự đoán được sự xuất hiện của một sao chổi.

- Newton phát minh ra công cụ toán học: phép tính vi phân và tích phân để phục vụ cho những nghiên cứu về chuyển động của mình.

+ Sau này, các phép tính vi phân và tích phân trở thành một ngành nghiên cứu quan trọng của toán học, được gọi là giải tích.

+ Với công cụ toán giải tích, các nhà vật lí có thể giải những phương trình toán học mô tả các diễn biến của các quá trình vật lí trong Vật lí cổ điển.

+ Dựa trên các định luật Newton và công cụ giải tích toán học, nhà khoa học Tsiolkovsky (Sai-ô-cốp-ki) đã xây dựng phương trình mô tả chuyển động của vật thể có khối lượng thay đổi theo thời gian. Đặt nền móng cho ngành chế tạo tên lửa. mở ra kỉ nguyên du hành vũ trụ nửa sau thế kí XX.

TL Câu hỏi 3:

+ 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.

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: Kể tên các nhánh nghiên cứu chính của Vật lí cổ điển.

- GV cho HS tìm hiểu nội dụng SGK và trả lời Câu hỏi 4 theo nhóm đôi:

Quan sát Hính 1.4 và kết nối từng trường hợp với những nhánh nghiên cứu chính của Vật lí cổ điển.

- GV cho HS thực hiện Luyện tập:

Hệ thống hóa các nhánh nghiên cứu chính của Vật lí cổ điển bằng sơ đồ tư duy, trong đó nêu rõ ví dụ thực tiễn để minh họa cho từng nhánh nghiên cứu.

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 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 nhánh nghiên cứu chính của vật lí cổ điển

TL Câu hỏi 4:

a) Cơ học chất lưu

b) Cơ học

c) Nhiệt học

d) Quang học

e) Điện – từ học

f) Điện – từ học, nhiệt học.

Luyện tập:

(Sơ đồ tư duy do HS vẽ)

Ví dụ thực tế:

- Một số ví dụ thực tế:

+ Sơ đồ quỹ đạo của một vệ tính xung quanh trái đất.

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

+ Quang học: nghiên cứu hiện tượng tán sắc

+ Âm học: sóng âm và sự truyền âm,..

+ 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 thảo luận nhóm 4:

+ Hãy tìm hiểu 2 vấn đề vật lí gây ra sự khủng hoảng của Vật lí ở cuối thế kỉ XIX và tóm tắt nội dung của hai vấn đề đó.

- HS trình bày về cuộc khủng hoảng

của vật lí cuối thế kỉ XIX, 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 cho HS trả lời Câu hỏi 5:

Trình bày hiểu biết của em về vật đen tuyệt đối. Theo em, tốc độ truyền ánh sáng có phụ thuộc vào tốc độ của nguồn sáng hay không?

- GV cho HS tìm hiểu về sự ra đời của Vật lí hiện đại, HS thảo luận, trao đổi với nhau để trình bày về sự ra đời của vật lí hiện đại.

- GV cho HS trao đổi nhóm 4, thực hiện:
+ Tìm hiểu về mốt số lĩnh vực chính của Vật lí hiện đại.

+ Trả lời Câu hỏi 6: Trình bày những hiểu biết của em về một số lĩnh vực nghiên cứu chính của Vật lí hiện đại.

+ Làm Luyện tập: Kết hợp với câu thảo luận 6, hệ thống hóa các hướng nghiên cứu chính của Vật lí hiện đại bằng sơ đồ tư duy.

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.

4. Sự khủng hoảng của Vật lí cuối thế kỉ XIX và sự ra đời của vật lí hiện đại

a) Sự khủng hoảng của Vật lí cuối thế kỉ XIX

Hai sự kiện nổi bật vào cuối thế kỉ XIX:

- Sự kiện "khủng hoảng vùng tử ngoại":

Sự kiện đầu tiên được các nhà vật lí gọi là “khủng hoảng vùng tử ngoại (ultraviolet catastrophe)”. 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 nghiên cứu sâu lí thuyết, các nhà vật lí đã đặt trong giả thuyết về một môi trường để ánh sáng truyền di gọi là ether (ê-te), tương tự như môi trường không khí có thể truyền sóng âm. Các nhà vật lí cho rằng Trái Đất chuyển động trong môi trường ether giả định đứng yên. Do đó, tốc độ của ánh sáng phụ thuộc vào tốc độ tương đối giữa Trái Đất và ether (Hình 1.6).

Từ đó các nhà vật lí đi tìm bằng chứng về sự tồn tại của môi trường ether. Trong đó, A Albert Michelson (An-be Mai-ken-xon) đã xây dựng giao thoa kế, để cùng với Edward Morley thực hiện thí nghiệm đo tốc độ ánh sáng và xác định môi trường eher giả định.

Tuy nhiên, các thí nghiệm của Michelson với độ chính xác ngày càng cao luông cho kết quả "âm", tức là tốc độ truyền ánh sáng trong cùng một môi trường là hằng số, hoàn toàn không phụ thuộc vào môi trường ether.

Vấn đề về môi trường truyền sóng ánh sáng vẫn chưa được giải quyết một cách triệt để.

TL Câu hỏi 5:

– Vật đen tuyệt đối là vật hấp thụ hoàn toàn tất cả các bức xạ điện từ chiếu đến nó.

– HS có thể trả lời tốc độ ánh sáng phụ thuộc vào tốc độ của nguồn sáng dựa vào phép cộng vận tốc. Do đó, GV có thể dựa vào SCĐ để điều chỉnh lại kiến thức chính xác cho HS là tốc độ ánh sáng hoàn toàn không phụ thuộc vào tốc độ của nguồn sáng. Từ đó nêu bật được sự khủng hoảng của Vật lí dương thời trong việc giải thích hiện tượng này.

2. Sự ra đời của vật lí hiện đại

- Đầu thế kỉ XX, phát minh quan trọng là lí thuyết lượng tử năng lượng và thuyết tương đối đã làm tạo ra bước ngoặt trong nghiên cứu vật lí và mở đầu cho vật lí học hiện đại.

Trong đó sự phát triển như vũ bão của vật lí lượng tử.

- Louis de Broglie, Erwin, Paul và Werner Heisenberg, đã xây dựng thành công cơ học lượng tử mô tả thế giới vi mô (phân tử, nguyên tử, hạt nhân và các hạt cơ bản), nơi mà lí thuyết cổ điển không còn được nghiệm đúng.

- Để giải thích kết quả thí nghiệm của Micelson, Hendrik Lorentz đã đưa ra một giả thuyết về sự co kích thước của các vật chuyển động trong ether dựa vào các phép biến đổi toán học mang tên ông. Bên cạnh đó, Henri Poincaré cũng đã mở rộng nguyên lí tương đối của Galileo Galilei trong cơ học ra các hiện tượng vật lí khác.

- Đến năm 1905, Albert Einstein (An-be Anh-xtanh) đã công bố công trình nghiên cứu về thuyết tương đối hẹp. Một trong những thành công đặc biệt quan trọn của thuyết tương đối hẹp là việc dự đoán sự tương đương của khối lượng m và năng lượng E, công thức:  (với c là tốc độ ánh sáng trong chân không).

+ Thuyết tương đối hẹp của Albert Einstein đã giúp cho các nhà vật lí mô tả chính xác những tính chất động lực học của các vật chuyển động với tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng trong chân không.

- Bên cạnh đó, Albert Einstein cũng đã đề xuất thuyết tương đối rộng, được gọi là thuyết hấp dẫn của Einstein, vào năm 1916.

Trong thuyết tương đối rộng, Einstein cho rằng trường hấp dẫn làm cho không – thời gian bị uốn cong.

- Ngoài ra, Einstein cũng đã có những tính toán dự đoán về sự tồn tại và tính chất của sóng hấp dẫn, đến năm 2016 mới được kiểm nghiệm bằng thực nghiệm.

- Lí thuyết lượng tử và thuyết tương đối tác động mạnh mẽ đến mọi lĩnh vực nghiên cứu của vật lí và sáng chế các thiết bị kĩ thuật như laser, máy tính hoặc GPS.

c) Một số lĩnh vực của vật lí hiện đại

- Vật lí hạt nhân;

- Vật lí nano;

- Vật lí laser;

- Vật lí tính toán lượng tử;

- Vật lí vật chất ngưng tụ;

– Vật lí nguyên tử, phân tử và quang họ

– Vật lí bán dẫn, công nghệ vật liệu;

– Vật lí kĩ thuật: cơ khí, diện – điện tử;

- Vật lí y học, Vật lí sinh học;

- Vật lí hạt cơ bản và năng lượng cao;

- Vật lí thiên văn và vũ trụ.

TL Câu hỏi 6:

- Vật lí cơ bản và năng lượng cao: nghiên cứu sự va chạm giữa các hạt để tìm hiểu tính chất của các hạt cơ bản cấu thành vũ trụ.

- Vật lí thiên văn và vũ trụ: nghiên cứu các chuyển động của các thiên thể, thiên hà trong vũ trụ. Ngoài ra, nhánh Vật lí này còn nghiên cứu sự hình thành các nguyên tố trong vũ trụ với sự hỗ trợ của Vật lí hạt nhân.

- Vật bán dẫn, công nghệ vật liêu: nghiên cứu về chất bán dẫn để chế tạo các loại vi mạch, chip xử lí và các loại vật liệu tiên tiến.

Luyện tập: