Tài liệu Cơ sở vật lý. tập1. cơ học p.i

DAVÌD HALL IDA Y - ROBERT RESNICK - JE/àRL 530/49 w alker DAVID HALLIDAY - ROBERT RESNICK - JEARL WALKER Cff Sff VẬT LI TẬP MỘT : C ơ H Ọ C - I Người dịch : NGÔ QUỐC QUÝNH (Chủ biên) HOÀNG HỮU THƯ (Đồng chủ biên) ĐÀO KIM NGỌC (Tái bản lần thứ 2) r----- ' ,, ... . - ' '■1V.:"“ - ' ’N ,:i' V-OỚ AdỉAb N H À X U Ấ T BẢN G IÁ O DỤC - 1999 Chịu trách nhiệm xuăt bản : NGÔ TRẦN ÁI VŨ DƯONG th ụ y Dịch : NGÔ QUỐC QUÝNH (Chù biên) ĐÀO KIM NGỌC Biên tập nội dung : NGUYỄN QUANG HẬU Biên tập tái bàn : PHẠM QUANG TRựC Biên tập kĩ th u ậ t: BÙI CHÍ HỂU Sửa bản in : PHỪNG THANH HUYỀN Sắp chữ : PHÒNG CHỂ BẨN (NXB GIÁO DỤC) 53 —--------- 747/1 - 99 GD —99 Mã số : 7K119T9 LÒI NHÀ XUẤT BẤN Bộ sách "Cơ SỞ VẬT LÍ" này do Vụ Đào tạo Đại học - Bộ Giáo dục và Đào tạo và Tường Đ ại học Tổng hợp H à Nội (cũ) tổ chức dịch từ cuốn sách "Fundam entals of Pijsics" của các tác già David Halliday, R obert Resnick và Jea rl Walker. Việc dịch và clo x u ấ t bản bộ sách này nằm trong chủ trư ơng triể n khai Chương trìn h mục tiêu (1993 - 1996) nhằm xây dựng hệ thống giáo trìn h đại học. 3ộ sách này gổm 42 chương, mỗi chương gồm nhiễu tiết, ở cuối mỗi chương có phẩn "Ôn tếp và tđm tắt" nhằm giúp sinh viên nắm chác nội dung cơ bàn của chương. TVong mỗi chưng, ngoài phán nội dung lí thuyết còn có các "Mục chủ chốt” được cấu trúc một cách híp lí đ ể cuốn hút, hướng dẫn sinh viên trong quá trình suy luận và được thiết kế như sau : C âu h ỏ i h ó c b ú a m ở d â u Mỗi chương được mở đầu bằng m ột "câu hỏi hốc búa” về vật lí, tro n g đổ cố mô tả irộ: hiện tượng li kì với mục đích cuốn hú t sinh viên. "Câu hỏi hóc b ú a” này liên qu an irậ: th iế t tới nội dung v ật lí của chương và bức ảnh m inh họa cho câu hỏi hđc búa cúrg được lựa chọn sao cho gây được ấn tượng m ạnh cho người đọc. Việc tr ả lời câu hM hóc búa sẽ tìm thấy (một cách định tính) tro n g các tiết của chương hoặc (một cách đnh lượng) tro n g các bài toán mẫu. C ác b à i to á n m ấ u Nội dung các bài toán m ẫu đế cập tới mọi vấn đề nêu ra tro n g chương. Các bài to án mẫu này được cấu tạo sao cho sinh viên cò dịp thông qua m ột bài toán m à làm việc cùĩtg với tác giả để thấy rõ cách bắt đầu với m ột câu hỏi và cách kết thúc với m ột câu trả lời. Các bài toán m ẫu tạo m ột cái cẩu nối từ bài giảng vật lí tới các bài tập và bài toán ở cuối mỗi chương. Chúng cũng giúp sinh viên phân loại các khái niệm, th u ậ t ngữ, kí hiệu, và củng cố kỉ n ăn g toán học. C ác c h iế n t h u ậ t g iả i b à i to á n Sự quan tâm đặc biệt tới việc phát triể n kĩ năn g giải bài toán' của sinh viên là m ột điểm nổi b ật cùa cuốn sách. Trong m ục "Các chiến th u ậ t giải bài toán" các tác giả nh ấn m ạnh kĩ th u ậ t và kĩ năng giải bài toán, xem lại cái logic của các bài toán m ẫu và biện luận các điểu h iểu lẩm thường gặp vể th u ậ t ngữ và về khđi niệm vật lí. P h ần lớn các hướng dẫn học tập này nằm ở các tập sách đầu của bộ sách, chỗ m à sinh viên cần giúp đỡ nhiều n h ất ; các hướng dẫn này cũng thấy ở các tập sau khi xuất hiện các tình huống đặc biệt rắc rối. C ác c â u h ỏ i, b à i t ậ p v à b à i to á n Tập hợp các câu hỏi, bài tập và bài toán ở cuối mỗi chương vượt xa mọi giáo trìn h nhập môn về vật lí vé sự rộng lớn và sự phong phú. Các tác giả đã đưa vào m ột số lượng đáng kể các câu hỏi, các bài tập và bài toán mới vể ứng dụng và lí thuyết. Việc sử dụng rộng rãi các hình vẽ và ảnh chụp đã giúp cho việc m inh họa tốt các câu £ỏi, các bài tập và bài-toán. Các câu hỏi Các câu hỏi định tín h (chỉ cần suy nghỉ, m à không phải tính toán trước khi tr ả lời) có khoảng 1150 câu. Đđ là m ột nét đặc biệt của cuốn sách. Các câu hỏi này liên hệ m ật thiết với các hiện tượng xảy ra quanh ta h ằn g ngày nhằm gợi tín h tò mò và gậỉT hứng thú và n h ấ n m ạnh những khái niệm v ật lí. 3 Các bài tập và bài toán Tổng số các bài tậ p và bài toán vào khoảng 3400 bài. Các bài tậ p kí hiệu bằng chữ E, ghi sau số thứ tự, đặc trư n g cho loại toán m ột bước hoặc m ột công th ứ c hoặc chỉ trìn h bày m ột ứng dụng. Nổ tạo cho sinh viên tự tin vào việc giải toán. Các bài toán được kí hiệu bằng chữ p, ghi sau số thứ thự ; tro n g đố m ột số ít bài cđ trìn h độ cao hơn được đánh dấu sao (*) sau số th ứ tự. Thêm vào việc phân th à n h loại E và p, các bài cũng được sáp xếp theo mức độ khố của từ n g m ục của chương. Mục đích của các tá c giả là đơn giản h ố a q u á trìn h lựa chọn của thấy giáo trước tài liệu phong phú hiện cố. Do đổ, người dạy cd th ể thay đổi nội dung cẩn nhấn m ạnh và m ức độ khố cho phù hợp với th ị hiếu v à việc đào tạo lớp sinh viên, đổng thời vẫn dàn h m ột khối lượng lớn bài tập và bài toán cho nhiểu năm giảng dạy khác. Các bài toán bồ sung Cuối phần lớn các chương còn cố "các bài toán bổ sung". Khi giải các bài toán, không được chỉ dẫn về chương m ục này, sinh viên phải tự chọn cho m ình nhữ ng nguyên lí vật lí thích hợp. Các ứng dụng và tie u luận Các tác giả cũng đ ã đưa vào các chương, nhiéu ứng dụng của vật lí vào kỉ thuật, công nghệ’ học, y học, cũng như những hiện tượng quen thuộc thường ngày. Ngoài ra trong bộ sách còn cd 17 tỉểu luận do các nhà khoa học có tên tuổi viết và phân bố vào những chỗ thích hợp của giáo trình, về ứng dụng của vật ỉí vào những chủ đễ m à sinh viên đặc biệt thích thú như khiêu VÜ, th ể thao, hiệu ứng nhà kính, lade, phép chụp toàn ảnh v.v... (Xin xem mục lục). P hần lớn các tiểu luận, eđ chỉ dẫn những tài liệu trong phạm vi chưưng trước và chứa đựng nhữ ng câu hỏi để thu hút sinh viên trong quá trình suy nghĩ. Để th u ận tiện cho việc in ấn và sử dụng, bộ sách dịch này được chỉa th à n h sáu tập và được phân công dịch như sau : Tập 1 : Cơ học - I gồm 10 chương do PGS NGÔ Q u ố c QUÝNH và DÀO KIM NGỌC Tập 2 : Cơ học - II gồm 8 chương do PGS NGÔ QUỐC QUÝNH và » PG S.PTS PHAN VĂN TH ÍCH Tập 3 : N hiệt động học gồm 4 chương đo PG S.PTS NGUYỄN V IẾT K ÍN H Tập 4 : Điện học - I gổm 7 chương do GS ĐÀM TRƯNG ĐON và PG S.PTS LÊ KKẤC BÌNH Tập 5 : Điện học - II gồm 9 chương do GS ĐÀM TRUNG Đ ồN và PG S.PTS LÊ KKẤC BÌNH Tập 6. Quang học và Thuyết tương đôi gồm 4 chương do PGS.PTS PHAN VĂN THÍCH Theo chủ trư ơ n g của Vụ Đào tạo Đại học Bộ Giáo dục và Đào tạo bộ sách này được dùng làm tài liệu giảng đạy và học tậ p ở giai đoạn 1 (Đại học Đại cương) của các trư ờng Đại học và Cao đẳng tro n g toàn quốc. Bộ sách này cũng là tài liệu tham khảo hữu ích của các các bộ ki th u ậ t và cán bộ nghiên cứu các ngành cố liên quan tới Vật lí và các thầy cô giáo của các trư ờng phổ thông. Bộ sách được x u ấ t b ản lấn đầu nên chắc không trá n h kbỏi m ột số th iếu sot. Chúng tôi hoan nghênh các n h ận xét, phê bình cho bộ sách từ các độc giả để các lần xuất bản sau bộ sách được h o àn th iệ n hơn. Thư gđp ý xin gửi vê NHÀ XUẤT BẤN GIÁO DỤC, 81 T rẩn H ư ng Đ ạo H à Nội A NHÀ XUẤT BẤN GIÁO DỤC ĐO LƯÒNG Bạn có thê quan sát Mặt Tròi lặn và biến mất trên mặt đại dương phẳng lặng một lần khi bạn nằm trên bãi biển và một lần nữa nếu bạn dứng dậy. Ngạc nhiên , thay bằng cách đo khoảng thời gian giữa hai lần Mật Trời lặn bạn có thê tính gần đúng dược bán kính của Trái Đất. Vậy có thê sử dụng như th ế nào một quan sát đơn giản như vậy mà đo được Trái Đất ? 5 1 -1 . ĐO LƯÒNG Vật lí dựa trê n đo lường. K hoảng thời gian giữa hai tiếng lích kích của m áy đếm là bao nhiêu ? N hiệt độ của hêli lỏng tro n g bình là bao nhiêu ? Bước sđng án h sáng của m ột nguồn lade nào đđ là bao nhiêu ? Cường độ dòng điện tro n g m ột dây dẫn điện là bao nhiêu ? Và còn rấ t nhiều câu hỏi khác. Chúng ta b ắt đẩu học vật lí bằng việc học đo đạc các đại lượng gặp tro n g các định luật của vật lí. Trong các đại lượng đố cđ độ dài, thời gian, khối lượng, n h iệt độ, áp lực và điện trở. H ằng ngày chúng ta thường sử dụng các từ này. Thí dụ bạn cđ th ể nổi : "Tồi m uốn tìm mọi cách để giúp anh m iễn là anh đừng gây áp lực với tôi". Trong vật lí các từ như độ dài và áp lực cố ý nghĩa chính xác m à chúng ta không được nhẩm với ý nghĩa thường ngày (thường là mơ hổ) của chúng. Thực tế ý nghĩa khoa học chính xác của độ dài và áp lực không cố gi chung với ý nghĩa của chúng tro n g câu nói hàng ngày, Và điều đó cđ th ể là m ột sự rắc rối : theo nhà vật lí Robert O ppenheim er thì "Thường thì chính việc các từ khoa học cũng là các từ của cuộc sống và ngôn ngữ thông thường nên có th ể làm người ta hiểu sai hơn là hiểu đúng". Để mô tả m ột đại lượng vật lí trước tiên chúng ta định nghĩa m ột đ ơ n vị ; đó là m ột số đo đại lượng được lấy chính xác bằng 1,0. Sau đố chúng ta định nghỉa một c h u ẩ n , đó là m ột vật mốc để người ta so sánh tấ t cả các m ẫu khác của đại lượng đố. Thí dụ đơn vị của độ dài là m ét, và như các bạn sẽ thấy, cèuẩn cho m ét là độ dài m à ánh sáng đi được tro n g chân không tro n g m ột phẩn nào đố của giây. C húng ta được tùy ý chọn để định nghĩa đơn vị và chuẩn của nó. Điều quan trọ n g là phải làm sao cho các n h à khoa học trê n toàn th ế giới n h ấ t trí là các định nghĩa của chúng ta vừa hợp lí, vừa thực tế. Một khi chúng ta đã xác lập m ột chuấn, chẳng hạn cho độ dài, thỉ chúng ta phải đưa ra cách xác định độ dài b ất kì, dù đđ là bán kính của nguyên tử hiđrô, của bánh xe trư ợt, hay khoảng cách tới m ột ngôi sao, theo chuẩn đđ. N hiéu phép so sán h của ta phải làm gián tiếp. C hẳng hạn bạn không th ể dùng m ột cái thước để đo hoặc bán kính của m ột nguyên tử hoặc khoảng cách tới m ột ngôi sao. Cố nhiểu đại lượng vật lí như vậy, nên vấn đễ là cán sắp xếp chúng lại. May thay không phải tấ t cả đếu độc lập. Thí dụ tốc độ là thương sổ của độ dài và thời gian. Vậy nhiệm vụ của ta là rú t r a - theo th ỏ a th u ậ n quốc tế - m ột số nhỏ các đại lượng vật Ệ , như độ' dài và thời gian, và chỉ xác lập chuẩn cho chúng. Sau đó chúng ta định nghĩa tấ t cả các đại lượng vật lí khác theo những đại lượng cơ bản này và các chuẩn của chúng. Thí dụ tốc độ được định nghĩa theo các đại lượng C.Ơ bản là độ dài và thời gian và các chuẩn cơ bàn kết hợp. Các chuẩn cơ bản phải vừa khả dụng vừa không đổi. N ếu chúng ta định nghĩa chuẩn độ dài là khoảng cách giữa m ũi và ngốn tay trỏ của cánh tay duỗi thẳng, thi rõ ràn g là chúng ta cđ m ột chuẩn khả dụng như ng dĩ nhiên nđ sẽ th ay đổi từ người này đến người khác. Đòi hỏi vê độ chính xác của khoa học vá công nghệ lại th ú c ép chúng ta m ột cách khác. C húng ta quan tâm đến tín h b ất biến trước tiên, sau đđ cố gắng làm các bàn sao các chuẩn cơ bản th à n h khả dụng cho n hữ ng ai cần chúng. 6 1 -2 . HỆ Đ O N VỊ QUỐ C TẾ N ảm 1971 Hội nghị Cân Đo Quốc t ế lấn th ứ 14 lấy bảy đại lượng làm các đại lượng cơ bản, do đổ hình th à n h cơ sở của H ệ Đơn vị Quổc tế, viết tá t là SI từ tôn tiếng Pháp, và thường gọi là hộ met. B ảng 1.1 chỉ ra các đơn vị cho b a đại lượng cơ bản - độ dài, khối lượng và thời gian - m à chúng ta sẽ sử dụng tro n g n hữ ng chương đáu của cuốn sách này. N hừng đơn vị cho các đại lượng được chọn để phù hợp với "kích cỡ con người". Nhiều đơn vị dán xu ấ t SI được định nghĩa theo các đơn vị cơ bản này. Thí dụ đơn vị SI cho công suất, gọi là oat (viốt tắ t là W) được định nghĩa theo các đdn vị cơ bản của khối lượng, độ dài và thời gian. N hư bạn sẽ th ấy ở chương 7, 1 o at = 1W = lk g .m 2/s3. (1 -1 ) Đ ể biểu diễn n h ữ n g số r ấ t lớn và r ấ t nhỏ thường gặp tro n g v ật lí ta d ù n g kí hiệu khoa học, sử dụng các lũy thừ a của 10. Trong kí hiệu này 3 560 000 OOOm và, = 3,56 X 109m 0,000 000 492s (1 -2 ) = 4,92 X 10"*7S. (1 -3 ) Bảng 1-1 MỘT SỐ DON VỊ C ơ BẨN SI Dại lượng K í hiệu dơn vị Tên đơn vị Độ dài Thời gian m s m et giây kilogam Khối lượng kg Bảng 1-2 CÁC T IẾ P DẦU N G Ữ CHO CẤC DƠN VỊ SIa) T h ừ a ồố Tiếp đàu ngữ K Í hiệu Thừ a 8Ố Tiếp đàu ngữ K i hiệu 1024 1021 1018 1015 y o tta z e tta exap e ta te r a - Y 10" 24 10” 21 10” 18 yoctozeptoa tto fem to - y piconanom icro- p n 1012 109 106 103 102 101 gigam égaIrilồh e c tô đ ê ca - z E p T G M k h da 10"15 10"12 10" 9 10"6 10~3 10-2 10 1 m illi- cen tiđẻxi- z a f M' m c d a) Các chữ viết đậm là cỊc ụếp đầu ngữ hay dùng nhái 7 Từ khi x u ất hiện m áy điện toán (computơ) đôi khi ki hiệu khoa học có dạng ngắn gọn hơn, như tro n g 3,56 E 9 m và 4,92 E -7 s, tro n g đđ E thay cho "lũy th ừ a của 10”. ở m ột số máy tính còn ngắn gọn hơn với E được th ay bằng khoảng trống. Đ ể th u ận lợi hơn khi làm việc với các số đo rấ t lớn hoặc rá t bé ta sử dụng các tiếp đầu ngữ ghi tro n g bảng 1-2. Gán m ột tiếp đầu ngữ vào m ột đơn vị cđ nghĩa là nhân với th ừ a số tương ứng. Như vậy ta cổ th ể diễn đạt m ột công su ất điện là 1,27 X 109 oat = 1,27 giga oat = 1,27GW (1-4) hoặc m ột khoảng thời gian là 2,35 X 10 9S = 2,35 nano giây = 2,35 ns- (1-5) M ột số tiếp đấu ngữ được dùng như tro n g mililit, centim et, kilogam và m egabit đã quen thuộc đối với các bạn. P hụ lục F và bìa 3 cho biết các hệ số biến đổi san g các hệ đơn vị không phải hệ SI. H oa Kì là nước lớn duy n h ấ t (thực tế h ẩu như là nước dụy nhất) không chấp nh ận m ột cách chính thức H ệ Đơn vị Quốc tế. 1 -3 . CHUYẾN Đ Ó I CÁC ĐO N vị Thường ta cấn chuyển đổi các đơn vị m à m ột đại lượng vật lí đang có. Khi đó ta dùng phương pháp biến đổi nói xích. Trong phương pháp này ta n h â n số đo ban đầu với thừa số biến đổi (thương số của các đơn vị bằng 1). Thí dụ, vỉ m ột p h ú t và 60s là những khoảng thời gian như nhau, nên cố th ể viết 60s min Cái đò hoàn toàn khác với viết = 1 hay 60 = 1 ; con số và dơn vị của nò phải được xử lí cùng với nhau. Vỉ nhân m ột đại lượng b ất kì với 1 không làm cho đại lượng đọ thay đổi nên ta có th ể đưa ra các th ừ a số biến đổi ở mọi nơi nếu thấy cần thiết. Trong biến đổi nối xích ta sử dụng các th ừ a số sao cho các đơn vị không cán th iết sẽ m ất đi. Thí dụ, 2min = (2m ỉn)(l) ( 1- 6 ) Nếu tình cờ m à bạn dùng th ừ a số biến đổi lại không loại bỏ được đơn vị cũ thì chỉ cần đảo ngược th ừ a số và thử lại. Nhớ rằn g các đơn vị cũng tu â n theo các quy tắc như các biến đại số và các con số. Bài ỉoán mẫu 1-1 Chiếc tà u ngầm nghiên cứu ALVIN chuyển động với tốc độ 36,5 fathom s (sải) tro n g m ột phút. a) Diễn đ ạt tốc độ này theo m et trên giây. Một fathom (fath) đúng bằng 6 fut (bộ). Giải. Đ ể tìm tốc độ theo m et trê n giây ta viết 8 * fa th ’ m in _ / oc c fath \ ( ’ / 1m in\ / 6 ft \ / lm m in) ( 60 s / \ 1fath) ( 3,2 ft = l ,l l m / s . \ ) (Đ áp số) b) Tốc độ này bằng bao nhiêu dặm trê n giờ ? G iải. T ương tự trê n ta cò _ _ f a t h f 36'5 S ĩ í - f a t h v ( 36'!w ) Ị 6 0 m ( i n Ị , « ) 6 f t V Ị l m i V (îfa th ) (5 2 8 0 ft)* « ^ «r v 2'49mi/h- (D4psỗ) c) TỐC độ này bằng bao nhiêu nãm án h sán g trên năm ? G iải. M ột năm án h sán g (ly) là k h o ản g cách m à án h sán g đi được tro n g 1 năm , 9,46 X1012km. C húng ta b ắt đầu từ kết quả nhận được ở phần (a) : , „, m , ^ m V , lly 1 ,1 1 — = / 1,11— \ ( -------- ----------- ) s \ s / \ 9,46 X 1012km/ V lk m (- 7 = = - ) \ 1000m/ / V Ị 3,16 X 107s \ ^ _ Ql , —— T--------- ) = 3,71 X 10“9ly/y. V ly / (Đáp số) C húng t a có th ể viết kết quả dưới dạng 3,71nly/y, tro n g đổ "nly" là viết tắ t của nano lă m ánh sáng. Nếu bạn tìm đáp sô cho phẩn (a) trê n bằng dùng máy tín h "mở rộng" thì trê n m àn hình xuất hiện l,112804878m /s ; Trong kết quả này độ chính xác th ể hiện bằng chín chữ số th ập phân là hoàn toàn vô nghía. Ta. đã làm trò n (m ột cách thích hợp) số này thành l ,l l m / s , là độ chính xác được biện m inh bởi độ chính xác của số liệu gốc. Tốc độ đã cho 36,5fath/m in chứa ba chữ số gọi là những c h ứ s ố có n g h ía . K hông có chữ số thứ tư nào x u ất hiện bên phải chữ số 5, nên kết quả biến đổi sẽ không đáng tin cậy quá ba chữ số, hay ba chữ số cd nghĩa. P hải luôn điéu chỉnh kết quả của m áy tính để phàn ánh giới hạn của độ tin cậy này.* Bài toán mẩu 1-2 Cố bao nhiêu centim et vuông tro n g diện tích 6,0km 2 ? Giải. Phải biến đổi mỗi kilomet trong số liệu gốc. Cách chác chắn n hất là tách chúng ra : - „ 1 W1 v „ ^ /t W1 v lOOOmv 6,0km2 = 6,0(km )(km ) . 6,0 (km X km ) ( / = 6,0 X 1010cm 2. f lOOOmv ( - ^ ) x , lOOcm ( - ^ ) V lOOcm (t í t ) / V (Đ áp số) Bài toán mẩu 1-3 Biến đổi 60mi/h th à n h fut (bộ) trê n giây. (*) Sự biện luận đầy đủ hơn vẻ các chữ sổ có nghĩa trong cách giải bài toán sẽ xuát hiện trong các chiến thuật giải bài toán của Chương 4. 9 G iải. Đ ể trả lời bạn co' th ể biến đổi dặm sang fu t và giờ sang giây ; hay bạn cố th ể th a m khảo phụ lục F cuốn sách này để biến đổi trự c tiếp hơn / 3,28ft/s V 60m i/h = 60m i/h ( 2 24 ÿh ) = _ (Đ áp số) Theo các thí dụ trê n ta hãy chú ý rằn g th ừ a số biến đổi là tương đương với đơn vị. 1 -4 . ĐỘ DÀI N ăm 1792 nước Cộng hòa Pháp mới ra đời đã th iế t lập m ột hệ cân đo mới. B an đắu n ên tả n g của nđ, cái m ét định nghĩa là 1 ph ần 10 triệu của khoảng cách từ Bắc cực đến Xích đạo. Cuối cùng vì lí do thực tiễn m à chuẩn Trái Đ ất này bị bỏ và m ét được định nghỉa là khoảng cách giữa hai đường m ảnh khắc gẩn hai đấu của m ột th a n h platin - iriđi, là t h a n h m ét c h u ẩ n , được lưu trữ ở Viện Cân Đo Quốc tế g ấn Paris. Các bản sao chính xác của th a n h chuẩn được gửi đến các phòng th í nghiệm tạo chuẩn trê n toàn th ế giới. N hững c h u ẩ n t h ứ c ấ p này được dùng để làm ra các ch u ẩn khác khả dụng hơn nhiều, đ ể cuối cùng, mỗi dụng cụ đo đêu được rú t ra từ th a n h m ét chuẩn thông qu a m ột dây chuyền so sánh phức tạp. N ăm 1959 yard được định nghĩa hợp pháp là : 1 y ard = 0,9144 m et (chính xác), (1-7) 1 inch = 2,54 cen tim et (chính xác). (1 -8 ) nổ tương đương với Bảng 7-5 MỘT SỐ ĐỘ DÀI Độ dài K hoảng cách tới q u aza x a n h ấ t q u an s á t được (1990) K hoảng cách tới th iê n hà Tiên N ữ (A ndrom eda) K hoảng cách tới ngôi sao gẩn nhất (Ư'iOZO • Từ h ln h 1 -6 ta th ấy d = r tgớ. T hay vào phương trin h 1-10 ta cđ r 2tg 2ớ = 2 rh h a y là r = 2h tg V T hế 0 = 0,04625° và h = l,70m ta tìm được = (2)(l,70m ) _ 1 ^ 0 ,0 4 6 2 ? x 106m (Đ á số) Kết q u ả này kém 20% giá trị đ ã được chấp n h ậ n (6,37 X 106m) cho bán kính (trìing b in h ) của Trái Đ ất. 15 ỉ p Á 1 -6 . KHỐI LƯỘNG K ỉlôgam chuẩn Chuẩn khối lượng SI là m ột hình trụ p latin -iriđ i (hình 1-7) được lưu trữ tại Viện Cân Đo Quốc tế gần P aris, được quốc tế th ỏ a th u ận là cò khối lượng 1 kilôgam . Các bản sao lại chuẩn này m ột cách cẩn th ậ n được gửi cho các phòng thí nghiệm tạo chuẩn ở các nước khác, và khói lượng các vật được xác định bằng cách so sán h chúng với m ột bản sao. B ảng 1-5 cho thấy m ột số khối lượng đã đo được tín h r a kilôgam. Bàng / - 5 MỘT SỐ K H Ố I LƯỢNG Vật thể K ilôgam ~ 1053 2 2 7 5 1 7 5 3 7 5 4 2 9 X X X X •X X X X X X X X X 1041 © co © 1—i Vũ tr ụ đ ã biết T hiên h à của chúng ta M ặt Trời M ặt T rảng T iểu hành tinh Eros N úi nhỏ Tầu vượt đại dương Con voi Q uả nho H ạ t bụi P h â n tử penixilỉin Nguyên tử urani P ro to n E lectron 1022 1015 1012 107 103 1 0 -3 1 0 -10 10“ 17 1 0 -26 1 0 -27 ì c r 31 Bản sao kilôgam chuẩn của H oa Kì được đặt tro n g m ột cản h ấm tại NIST. Nò được lấy ra không qùá m ột lẩn tro n g m ột nảm để kiểm tr a lại các bản sao giống hệt nhau đang dùng ở mọi nơi. Từ năm 1889 người ta đưa nđ sang P háp hai lẩn để đọ lại với chuẩn gốc. Một ngày nào đđ phương pháp này sẽ được thay th ế bằng m ột phương pháp tin cậy và khả dụng hơn đòi hỏi lấy đơn vị cơ bản của khối lượng là khối lượng của m ột nguyên tử. Chuẩn khối lượng phụ Cđ th ể so sánh khối lượng của các nguyên tử với nhau m ột cách chính xác hơn là so sánh chúng với kilôgam chuẩn. Do đo ta cò chuẩn khối lượng phụ. Đo là khối lượng c ử a l ùgụyẽn tử cacbon-12 m à quốc tế dã th ừ a nh ận bằng khối lượng củ a 12 đ ơ n v ị k h ố i ỉư ợ n g n g u y ê n t ử (u). Mối liên quan giữa hai chuẩn là lu = 1,6605402 X l< r 27kg, 16 (1-11) với độ không chắc chắn ±10 ở hai chữ số thập phân cuối cùng. Dùng khối phổ kế các nhà khoa học cố thể xác định khối lượng các nguyên tử khác so với khối lượng cacbon~12 với một độ chính xác hợp lí. Cái hiện nay ta còn thiếu là phương tiện tin cậy để mở rộng độ chính xác này tới các đơn vị khối lượng thông dụng hơn chẳng hạn như kilồgam. ÔN TẬP VÀ TÓM TẮT Đo lường trong vật lí Vật lí học dựa trên đo lường các đại lượng vật lí và các biến đổi trong các đại lượng vật lí xảy ra trong vũ trụ. Một số đại lượng vật lí được chọn làm các d ạ i lư ợ n g cơ b ả n (như độ dài, thời gian, và khối lượng) và được định nghĩa thông qua một ch u ẩ n và được gán cho một số đo đ ơ n v ị (như met, giây và kilôgam). Các đại lượng vật lí khác (như tốc độ) được định nghĩa thông qua các đại lượng cơ bản và các chuẩn của chúng. Cức đơn vị SI Hệ đơn vị được n h ấn m ạnh trong cuón sách này là Hệ Đơn vị Quốc tế (SI). Ba đại lượng vật lí ghi trong bảng 1-1 dùng làm cơ sở tro n g những chương đáu của cuốn sách này. Các chuẩn phải vừa khả dụng vừa b ất biến, chúng xác định các đơn vị cho các đại lượng cơ bản này và được thiết lập bằng thỏa th u ậ n quốc tế. Các chuẩn này làm nền tả n g cho mọi phép đo v ật lí, cho cả các đại lượng cơ bản lẫn các đại lượng dẫn x uất từ chúng. Các tiếp đấu ngữ ghi tro n g bảng 1-2 đã đơn giản được cách kí kiệu. ru * t*. A . Chuyển đổi đơn vị h ìn h 1-7. Chuần quổc tế lkg khốj |ưỢng Chuyển đổi đơn vị từ hệ này sang hệ khác (thí dụ từ dặm trên giờ sang kilômet trên giây» có th ể thực hiện được bằng các b iế n đ ổ i nố i - xích, trong đó các đơn vị được xử lí như các đại lượng đại số và số liệu gốc được nhân liên tiếp với các thừa số biến đổi cho đến khi được các đơn vị mong muốn. Xém các bài toán m ẫu từ 1-1 đến 1-3. Met Đơn vị độ dài - m et - được định nghĩa là khoảng cách m à ánh sáng tru y ền qua tro n g khoảng thời gian được quy định m ột cách chính xác. Yard, cùng với các bội và ước của nđ được định nghĩa m ột cách hợp pháp ở H oa Kì, thông qua m et. Giây Đơn vị thời gian - giây - trước đây được định nghỉa th eo sự quay của Trái Đ ất. Nay n ó được định nghĩa theo các dao động của ánh sáng p hát ra từ m ột nguồn nguyên tử (xêsi-133). Tín hiệu thời gian chính xác được tru y ền đikhắp th ế giới bằn g tín hiệu vô tuyến điện lấy từ các đổng hổ nguyên tử của các phòng thí nghiệm tạo chuẩn. Kilôgam Đơn vị khối lượng - kilồgam - được định nghĩa bằng một chuẩn gốc platin - iriđi đặc biệt, được lưu trữ ở gần Paris, nước Phập. H ổ i.ỵậ i các phép đo ở quy mô nguyên tử người ta thường đùng đơn vị khối lượng nguyểri tử tíữỢc đỊnlí nghĩa theo nguyên tử cacbon-12 2-CSVLTI 17 CÂU HỎI 1. B ạn sẽ phê phán gì về câu : "Một khi bạn đã chọn m ột chuẩn, theo đúng nghĩa của "chuẩn" thi nđ là b ất biến" ? 2. H ãy liệt kê các đặc trư n g m ong đợi ngoài tín h khả dụng và tín h b ấ t biến cho m ột chuẩn v ậ t lí. 3. B ạn có th ể nghĩ ra m ột hệ đơn vị cơ bản (bảng 1-1) tro n g đó không có thời gian không ? H ãy giải thích. 4. Trong ba đơn vị cơ bản ở bảng 1-1 chỉ có m ột, đó là kilôgam cò tiếp đầu ngữ (xem b ản g 1-2). Liệu cố phải là khôn ngoan nếu định nghĩa lại khối lượng của hình trụ chuẩn platin - iriđi đ ặt tại Viện Cân Đo Quốc t ế là 1 gam thay cho 1 kg không ? 5. Tầi sao không cđ đơn vị cơ bản SI cho diện tích và th ể tích ? 6. Lúc đẩu người ta định nghĩa m et là m ột phấn triệu của đường kinh tuyến từ Bác cực đến Xích đạo đi qua Paris. Định nghĩa này sai khác vớith an h m ét chuẩn khoảng 0,023%. N hư vậy cổ phải là th an h m et chuẩn sai so với chuẩn cũ không ? Tại sao ? 7. Trong định nghĩa thanh met là chuẩn độ dài thì nhiệt độ của thanh được quy định rõ. Vậy độ dài cố th ể được gọi là đại lượng cơ bản nếu m ột đại lượng v ật lí khác, nhiệt độ ch ẳn g hạn phải được chỉ rõ khi chọn chuẩn ? 8. Khi định nghĩa lại m et theo tốc độ ánh sáng tại sao những người dự Hội nghị Cân Đo n ăm 1983 lại không đơn giản hóa vấn đễ bằng cách định nghĩa tốc độ ánh sáng đúng b ằ n g 3 X 108m/s. Tầi sao họ không định nghĩa nó đúng bàng lm /s. Họ có được cà hai khả n ăn g này không ? Vậy tại sao họ lại từ bỏ chúng ? 9. Tiếp đầu ngữ "micrô" cổ nghĩa gì tro n g các từ "lò sóng m icrô” (lò vi ba)? Người ta đề nghị là thực phẩm được chiếu xạ gam m a để bảo quản Tiên m ang n h ã n "được chiếu sóng picô". Bạn cho rằ n g điều đó cóý nghĩa gỉ ? 10. B ạn hãy đưa ra phương pháp đo : a) Bán kính Trái Đất, b) K hoảng cách từ M ặt Trời đến Trái Đất, c) B án kính M ặt Trời. 11. B ạn hãy đưa ra phương pháp đo : a) Độ dày của tờ giấy, b) Độ dày của m àng bong bổng xà phòng, c) Đ ường kính của m ột nguyên tử. 12. H ãy nêu tên m ột số hiện tượng lặp lại tro n g tự nhiên có th ể d ù n g để làm các chuẩn thời gian hợp lí. 13. B ạn cđ th ể định nghỉa "1 giây" ỉà nhịp tim của Chủ tịch hiện thời của lí H oa Kỉ. Galilê đã dùng m ạch của m ình làm th iế t bị đếm thời gian tro n g m ột số công trình của ông. Tầi sao định nghĩa dựa trên đổng hổ nguyên tử lại tốt hơn ? 14. M ột đổng hổ tố t phải thỏa m ãn tiêu chuẩn gi ? 15. H ãy kể ra nhữ ng b ất lợi tro n g việc dùng chu kì của m ột con lắc chẳng hạn con lấc của cái đổng hồ tủ lớn làm chuẩn thời gian. 18 HộiV 16. Ngày 30 th á n g 6 năm 1981, "phút" bắt đấu từ 10h59’ đến l l h sáng được độc đoán kéo dài để chứa 61s. Giây thừ a này - giây nhuận - đưa vào để bù cho sự kiện mà chuẩn thời gian nguyên tử đã xác định được là sự quay chậm lại của Trái Đ ất. Có nên điều chỉnh lại đồng hồ của ta theo cách này không ? 17. Tại sao ta thấy cđ lợi khi có hai chuẩn khối lượng là kilôgam và nguyên tử cacbon-12 ? 18. Kilôgam chuẩn của khối lượng hiện nay cố khả dụng và b ất biến không ? No cđ đơn giản đổi với mục đích so sánh không ? Về phương diện nào thi chuẩn nguyên tử sẽ tổt hơn ? 19. Hãy đưa ra các vật cđ khối lượng nằm giữa khối lượng tàu vượt đại dương và khối lượng trá i núi nhỏ (bảng 1-5) và hãy ước lượng khối lượng của chúng. 20. N hững người phản đối việc chuyển đổi sang hệ m ét thường làm cho v ăn đề trở nên phức tạp bằng cách nối các câu như "Lẽ ra m ua m ột pao bơ thì bạn lại phải yêu cấu 0,454kg bơ”. Câu này ám chỉ rằ n g cuộc sống chắc sẽ phức tạp hơn. B ạn cđ th ể bẻ lại câu nói đó như th ế nào ? BÀI TẬP VÀ BÀI TO Á N M ục 1 -2 . H Ệ DƠN VỊ QUỐC TẾ 1E. Hãy dùng các tiếp đấu ngữ tro n g bảng 1-2 để th ể hiện (a) 106 phôn ; (b) 10“ 6 phôn ; (c) 101 phiếu ; (d) 109 tiếng kêu rống ; (e) 1012 con bò ; (f) 10“ 1 người bạn ; (g)10~2 chàng ngốc (h) 1CT9 N annettes ; (i)10-12 tiếng la đ ; (j)10-18 người con trai ; (k) 2 X 102 cành liễu. (1) 2 X 103 con chim nhại. Bây giờ đã hiểu ý, bạn hãy sán g tạo m ột số thể hiện tương tự (về vấn để này hãy xem tra n g 61 cuốn A R andom Walk in Science do R.L. Weber biên soạn. Crane, R ussak & Co., New York, 1974). 2E. Một số tiếp đầu ngữ của các đơn vị SI được dùng tro n g ngôn ngữ h àn g ngày. (a) Lương năm là 36K$ (= 36kilobucks) thì tương đương với lương tu ầ n là bao nhiêu ? (b) Giải thưởng trú n g số độc đắc là 10 megabucks, trả tro n g suốt 20 nâm . Vậy mỗi tháng trả bao nhiêu ? (c) Đỉa cứng m áy ¿inh cố dung lượng 30MB ( = 30mêgãbaỊ)jMỗi từ cần 8bit, thì đĩa chứa được bao nhiêu tư ? Trong tin học kilô bằng 1024 (210) chứ không bằng 1000 M ụ c 1 -4 . ĐỘ DÀI 3E. Tầu vũ trụ con thoi bay quanh Trái Đ ất ở độ cao 300km. Hỏi độ cao đó bằng bao nhiêu (a) dặm và (b) m ilim et ? 4E. Bạn cao bao nhiêu m et ? 5E. M icromet thường gọi là m icron (a) 10km cđ bao nhiêu m icron ? (b) P h ẩ n bao nhiêu của centimet tạo thành ljO^m ? (c) 1,0 yd cố bao nhiêu micrỏn ? 6E. Coi Trái Đ ất gần đúng là m ột hình cẩu cđ bán kính 6,37 X 106m. (a) Chu vi của nó bằng bao nhiêu kilôm et ? (b) Bé m ặt của nđ bằng bao nhiêu kilôm et vuổng ? (c) Thể tích của nổ bàng bao nhiêu kilôm et khối ?