Newton - Bộ óc vĩ đại

- Đưa ra thuyết hạt để giải thích các hiện tượng quang học - Chế tạo kính viễn vọng phản xạ có độ chính xác cao - Khám phá ra vân tròn Newton – một cơ sở cho thuyết sóng ánh sáng sau này

Lê Đại Nam 37102062

Lời cảm ơn

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, quý Thầy Cô trong trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh đặc biệt là các thầy cô trong khoa Công nghệ thông tin đã tận tình giảng dạy, trang bị cho chúng tôi những kiến thức cần thiết trong suốt thời gian học tập vừa qua Chúng tôi cũng xin cám ơn quý thầy cô trong Ban quản lý Thư viện, đã tạo điều kiện cho chúng tôi tham khảo tài liệu, máy móc thiết bị, không gian học tập thuận lợi,… để hoàn thành tốt bài đồ án này Và cuối cùng, xin chân thành cảm ơn thầy Mai Vân Phương Vũ và thầy Trần Đức Tâm đã giúp chúng tôi rất nhiều trong cách tìm kiếm tư liệu, trình bày bài đồ án này

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 11 năm 2011

Nhóm tác giả

Lời giới thiệu

Newton là một nhà bác học vĩ đại có những đóng góp vô cùng to lớn trong sự phát triển của khoa học nói chung và vật lý nói riêng Cuộc đời và sự nghiệp của ông luôn là đề tài không bao giờ cũ đối với những người yêu vật lý trên toàn thế giới Dù trong thời đại nào, người ta luôn dành một sự tôn trọng đối với nhà bác học đại tài này Chúng tôi cũng

là những con người yêu vật lý, yêu sự đẹp đẽ của bộ môn này Đối với chúng tôi, sự đam

mê khoa học và sự khát khao tìm hiểu thế giới của Newton là một tấm gương sáng để chúng tôi noi theo Và chúng tôi cũng hi vọng rằng thế hệ trẻ, những con người yêu khoa học cũng sẽ noi theo cái đam mê, cái khát khao ấy của nhà bác học Newton, trở thành những nhà khoa học mới của thế giới, những Newton “mới” cho nền khoa học của nhân loại

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 11 năm 2011

Nhóm tác giả

Mục lục nội dung:

I Newton – cuộc đời và sự nghiệp: 5

A Cuộc đời của Newton 5

B Các tác phẩm vĩ đại của Newton 7

II Những công trình làm nên tên tuổi của Newton 9

A Sơ lược về quyển Principia 9

B Ba định luật Newton: 10

C Định luật vạn vật hấp dẫn – Khám phá vĩ đại của Newton: 13

D Sự tán sắc ánh sáng 18

E Kính thiên văn của Newton 19

F Vân tròn Newton 19

G Phương pháp vi tích phân 20

III Những điều có thể bạn chưa biết về Newton 20

A Huyền thoại về quả táo: 20

B Những tranh cãi xung quanh Newton 22

C Newton đã viết về vịnh Bắc Bộ 23

D Sự đãng trí của Newton 24

E Những giai thoại thởi nhỏ 25

IV Newton vs Einstein – Đề tài muôn thuở: 26

Mục lục hình ảnh:

Hình 1 5

Hình 2 6

Hình 3 6

Hình 4 7

Hình 5 8

Hình 6 9

Hình 7 9

Hình 8 10

Hình 9 11

Hình 10 12

Hình 11 13

Hình 12 13

Hình 13 14

Hình 14 14

Hình 15 15

Hình 16 16

Hình 17 16

Hình 18 16

Hình 19 17

Hình 20 17

Hình 21 18

Hình 22 18

Hình 23 19

Hình 24 19

Hình 25 21

Hình 26 21

Hình 27 21

Hình 28 23

Hình 29 23

Hình 30 24

Hình 31 26

Hình 32 29

Hình 33 30

Hình 34 30

I Newton – cuộc đời và sự nghiệp:

A Cuộc đời của Newton

Isaac Newton sinh ngày 25 tháng 12 năm 1642 ( theo lịch Julius, 4 tháng 1 năm 1643 theo lịch Gregory) tại Lincolshire, gần Grantham Mẹ ông sinh ông trong tình trạng thiếu tháng nên từ nhỏ, ông là một đứa trẻ khá yếu ớt

Cha của ông – qua đời trước khi Newton sinh ra – là một chủ trang trại nhỏ ( yeoman farmer) nên hồi nhỏ, gia đình Newton có ý định hướng Newton theo nghề nông

Hồi nhỏ, ông được gửi sang Grantham học Đến năm 1656, ông trở về nhà, tìm hiểu nghề nông và công việc kinh doanh Tuy nhiên, bản thân ông thấy không phù hợp với công việc ở nhà

Hình 1

Hồi nhỏ, ông được gửi sang Grantham học Đến năm 1656, ông trở về nhà, tìm hiểu nghề nông và công việc kinh doanh Tuy nhiên, bản thân ông thấy không phù hợp với công việc ở nhà

Từ năm 1661, Newton chuyển đến trường Trinity College, đại học Cambrigde, nơi ông có thể phát triển khả năng của mình Mục đích ban đầu của Newton là một tấm bằng luật sư Tuy nhiên, ông nhanh chóng bị cuốn hút bởi toán học của Descartes, thiên văn học của Galilei và quang học của Kepler

Ông đã viết trong thời gian này: "Plato là bạn của tôi, Aristotle là bạn của tôi, nhưng sự thật mới là người bạn thân thiết nhất của tôi"

Hình 2

Năm 1665, ông tốt nghiệp với bằng cử nhân ( B.A degree) Trong thời gian 1665 –

1666, do bệnh dịch hạch, ông trở về nhà tạm lánh Đây là thời gian Newton đưa ra những phát hiện quan trọng nhất cuộc đời mình: tiếp tục công trình về phép tính vi tích phân ( ông gọi là fluixon) Áp dụng phép tính vi tích phân trong việc tìm ra tiếp tuyến và bán kính cong Từ đó áp dụng vào lý thuyết phương trình ( phương pháp Newton )

Năm 1672, Newton được bầu vào Hội Khoa học Hoàng gia Anh Tháng 10 năm 1669, giáo sư Barrow từ chức, Newton trở thành giáo sư tiếp quản vị trí Lucasian chair của giáo

sư Barrow tới năm 1702 Trong khoảng thời gian này, ông đảm nhiệm việc giảng bộ môn Quang học Một năm sau, ông được bầu làm Chủ tịch Hội Khoa học Hoàng gia Anh và đảm nhiệm vị trí đó suốt đời Năm 1705, ông được Nữ hoàng Anne phong tước Hiệp sĩ Ngoài ra, ông cũng từng là đại biểu Quốc hội – đại diện cho các trường đại học

Hình 3

Kể từ năm 1693, Newton không còn làm khoa học nữa mà bắt đầu chuyển sang làm cho chính quyền Anh, Kể từ đó, ông sống nhờ vào bổng lộc của chính quyền,

Hình 4

Đêm 20 rạng ngày 21 tháng 3 năm 1727 ( ứng với ngày 31 tháng 3 năm 1727 theo lịch Gregory), Newton từ trần Thi hài ông được đặt trọng thể tại tu viện Westminster, lăng mộ dành cho các danh nhân nước Anh

Trên mộ của ông có đề bài thơ của nhà thơ Anh Pope:

Nature and Nature's laws lay hid in night

God said, Let Newton be!

and all was light

Nghĩa là:

Tự nhiên và các quy luật tự nhiên im lìm trong tối

Chúa phán: “ Này, hãy sinh ra Newton!”

Và tất cả bừng sáng

Sự nghiệp vĩ đại của Newton

B Các tác phẩm vĩ đại của Newton

Trong cuộc đời vĩ đại của mình, Newton đã để lại nhiều tác phẩm đồ sộ:

triết học tự nhiên

Hình 5

Các công trình nổi tiếng của Newton

Qua các tác phẩm của mình, Newton đã để lại nhiều công trình thật sự vĩ đại:

- Phép tính vi tích phân - ông gọi là fluxions Qua đó ông tìm được phương pháp

tính tiếp tuyến và phương pháp tìm bán kính cong, phương pháp tìm cực trị, tìm

diện tích và độ dài đường đi Từ đó áp dụng vào phương pháp giải phương trình – phương pháp Newton

- Tìm ra khai triển nhị thức Newton, ứng dụng vào đại số

- Ba định luật cơ bản cho cơ học – ba định luật Newton

- Định luật vạn vật hấp dẫn Áp dụng vào lý thuyết về thủy triều, tìm khoảng cách

từ Trái đất tới Mặt trăng và giải thích các kết quả của Kepler

- Đưa ra mô hình chất lỏng Newton và ứng dụng vào cơ học chất lỏng

- Khám phá ra hiện tượng tán sắc và giải thích cầu vồng

- Đưa ra thuyết hạt để giải thích các hiện tượng quang học

- Chế tạo kính viễn vọng phản xạ có độ chính xác cao

- Khám phá ra vân tròn Newton – một cơ sở cho thuyết sóng ánh sáng sau này (

Một học thuyết đối ngược với thuyết hạt của chính ông)

Hầu hết các đóng góp quang trọng của ông năm trong 3 quyển sách lớn:

Method of Fluxions, Principia và Opticks

Nhờ những đóng góp vĩ đại của mình mà tên của ông được đặt làm đơn vị đo lực trong hệ

SI 1N 1 = kg m s2

II Những công trình làm nên tên tuổi của Newton

Hình 6

A Sơ lược về quyển Principia

Năm 1679, Newton bắt đầu viết cuốn Principia ( Những nguyên lý) và 7 năm sau,

ông đã hoàn thành tác phẩm Tên đầy đủ của bộ sách nổi tiếng này là Philosophiae

Toàn bộ cuốn sách viết bằng tiếng La tinh, phương tiện giao tiếp của giới khoa học bấy giờ Bộ sách gồm 3 cuốn:

Cuốn 1: viết về chuyển động trong môi trường không có sức cản

Cuốn 2: viết về chuyển động trong môi trường có sức cản

Cuốn 3: áp dụng của 2 tập trên vào giải thích hệ Mặt trời

Trong quyển Principia này, Newton đã định nghĩa đúng đắn về các khái niệm lực, động lượng, động năng và quán tính

Cách trình bày về nguyên lý của động lực học trong tập một của Newton đã trở thành nền móng trở thành cho những sách giáo khoa về vấn đề này cho tới tận ngày nay

Hình 7

B Ba định luật Newton:

Newton đã xây dựng một môn cơ học mà ngày nay gọi là cơ học cổ điển Nền tảng của cơ học cổ điển chính là 3 định luật chuyển động và định luật vạn vật hấp dẫn

Trong nguyên bản, ba định luật chuyển động được phát biểu như sau:

đều chừng nào nó còn chưa bị các lực tác dụng bắt buộc phải thay đổi trạng thái đó

đường thẳng mà lực tác dụng

nó, nói cách khác, tương tác giữa hai vật với nhau thì bằng nhau và ngược chiều nhau

Hình 8

Trước khi đưa ra ba định luật này, Newton đã đưa ra các khái niệm về động lượng, lực, quán tính, … một cách cực kỳ đúng đắn Không những thế, Newton còn đưa ra một khái niệm vô cùng quan trọng, là nền tảng cho cơ học cổ điển: Hệ quy chiếu

Mở đầu, Newton định nghĩa về lượng vật chất Lượng vật chất là số đo vật chất, tỉ lệ với mật độ và thể tích của vật chất Trong những phần sau, ông gọi lượng vật chất là khối lượng nhưng không định nghĩa mật độ vật chất Định nghĩa của Newton khác rất nhiều so với định nghĩa của Descartes Trong khi Descartes cho rằng vũ trụ này ngập trong vật chất, không có không gian trống rỗng, thể tích của vật xác định khối lượng của vật đó thì Newton cho rằng vũ trụ gồm các nguyên tử chuyển động trong không gian trống rỗng, thì lượng vật chất là số lượng nguyên tử, thể tích càng lớn, mật độ phân bố các nguyên tử càng lớn thì lượng vật chất càng lớn

Newton đã làm nhiều thí nghiệm với các loại con lắc, kiểm tra lại thí nghiệm của Galile

về sự rơi tự do Ông đã đặt một các lông chim, một cục chì và một mẩu nút chai trong một cái ống dài và hút chân không Cả ba đều rơi nhanh như nhau, và như vậy gia tốc trọng trường không phụ thuộc vào khối lượng Newton khẳng định rằng khối lượng tỉ lệ với trọng lượng và có thể dùng cân để đo lượng vật chất Khi khám phá ra định luật vạn vật hấp dẫn ( sẽ đề cập ở phần sau), Newton đã đi đến xác định một đặc trưng khác, đặc trưng nội tại của một vật, đó là quán tính Ông đã định nghĩa quán tính là khả năng vốn

có của vật chất chống lại sự thay đổi trạng thái của chuyển động Và ông nhận xét rằng

quán tính luôn tỉ lệ với khối lượng – một điều mà mãi đến thế kỷ XX, Einstein mới giải thích được ý nghĩa sâu xa của sự tỉ lệ ấy

Newton định nghĩa khái niệm thứ hai của vật lý học: động lượng Động lượng là

số đo chuyển động, nó tỉ lệ với khối lượng và vận tốc Descartes cũng định nghĩa gần giống Newton, tuy nhiên, sai lầm của Descartes là đã không thấy được rằng vận tốc là một đại lượng vectơ Chính vì lẽ đó, Descartes đã mắc sai lầm khi áp dụng khái niệm của ông vào lý thuyết va chạm Vào năm 1686, Leibniz thì lại cho rằng nên dùng “hoạt lực” làm đại lượng đo chuyển động Đại lượng nó tỉ lệ với khối lượng và bình phương vận tốc Tuy nhiên, ngay chính Leibniz đã lẫn lộn đại lượng trên với lực với năng lượng Một năm sau, trong cuốn Principia, Newton đã chọn động lượng – được định nghĩa như đã nêu – làm đại lượng đo chuyển động

Khái niệm lực từ thời trước Newton hay bị lẫn lộn, ngay cả Leibniz còn bị lẫn lộn như vừa nêu Chính vì thế, định nghĩa một cách đúng đắn về lực là một công lao vô cùng

to lớn của Newton Newton định nghĩa lực như sau: lực là tác dụng thực hiện lên một vật

để thay đổi trạng thái đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều của nó Tác dụng đó có thể đước thực hiện trước tiếp bằng va chạm, hoặc tác dụng từ xa bởi một tâm lực nào đó, dù

là lực hút hay lực đẩy Newton gọi tác dụng từ xa của một tâm lực là lực hướng tâm Ba yếu tố - theo Newton – dùng để xác định lực hướng tâm lần lượt là: cường độ của tâm lực, gia tốc vật thu được dưới tác dụng của lực, và độ biến thiên động lượng trong một đơn vị thời gian Yếu tố thứ ba đóng vai trò quan trọng, đó là lý do Newton chọn động lượng là một khái niệm cơ bản của động lực học Sau này, người ta thay tên gọi độ biến thiên động lượng là xung lượng và sự lựa chọn của Newton được khoa học sau này kiểm chứng là đúng đắn

Hình 9

Khái niệm hệ quy chiếu vô cùng quan trọng, bởi vì không nêu được hệ quy chiếu, những gì Newton xây dựng về chuyển động coi như là vô nghĩa Cơ sở xây dựng hệ quy chiếu của Newton chính là nguyên lý tương đối của Galile: “ Chuyển động tương đối của vật này so với vật khác trong bất kỳ không gian nào cũng là như nhau, dù không gian đó đứng yên hay chuyển động thẳng đều mà không quay” Ông cho rằng mọi hệ quy chiếu quan sát đêu là tương đối, vậy làm gì có hệ quy chiếu để nghiên cứu chuyển động tuyệt

đối? Newton cho rằng trong thiên nhiên có sự đứng yên tuyệt đối, có hệ quy chiếu tuyệt đối theo tinh thần của các nhà nguyên tử luận cổ đại và của Euclid Từ đó ông định nghĩa thời gian tương đối, thời gian tuyệt đối, không gian tương đối và không gian tuyệt đối Thời gian tuyệt đối, thời gian thuần túy toán học, là sự lâu dài thuần túy, là cái trống rỗng

để chứa các biến cố Nó không phải là vật chất, không tác động lên vật chất và không chịu sự tác động của vật chất Nó vốn sẵn có từ xưa đến nay, tiếp tục tồn tại và cứ như thế không bao giờ thay đổi Nó trôi đều đặn từ quá khứ đến tương lai Thời gian tương đối, hay thời gian biểu kiến, thời gian thông thường là sự lâu dài cụ thể mà ta cảm giác được nhờ một quá trình cụ thể nào đó và được dùng để đo sự lâu dài trong đời sống, thay cho thời gian tuyệt đối Những quá trình đo như vậy không đều đặn Khi cải tiến các loại đồng hồ, ta ngày càng tiến đến một cái đích không bao giờ tới – đo thời gian tuyệt đối Không gian tuyệt đối là cái trống rỗng để chứa mọi vật Nó không phải là vật chất, không tác động lên vật chất và không chịu sự tác động của vật chất Nó vốn sẵn có từ xưa đến nay, tiếp tục tồn tại và cứ như thế không bao giờ thay đổi Nó có ba chiều, liên tục, đồng nhất, đẳng hướng, không chuyển động Hình học của nó là hình học Euclid Không gian tương đối là một không gian cụ thể do các vật cụ thể chiếm chỗ Trong từng lúc, không gian tương đối đó có thể trùng với một bộ phận của không gian tuyệt đối, và trong đời sống hằng ngày, ta dùng nó để thay thế không gian tuyệt đối

Vị trí của một vật là phần không gian mà vật đó chiếm chỗ Vị trí là tuyệt đối hay là tương đối, tùy theo phần không gian mà nó chiếm là thuộc không gian tuyệt đối hay tương đối

Chuyển động tuyệt đối là sự rời chỗ của một vật từ vị trí tuyệt đối này đến vị trí tuyệt đối khác Chuyển động tương đối là sự rời chỗ của một vật từ vị trí tương đối này đến vị trí tương đối khác

Qua các khái niệm của Newton, ta thấy quan niệm không gian và thời gian tuyệt đối mang nặng quan niệm siêu hình Newton có lúc còn giải thích rằng trong không gian tuyệt đối trống rỗng nhưng lại có Chúa Mặc dù con người không nhận thức được chuyển động tuyệt đối nhưng Chúa lại nhận thức được nó Tại sao các nhà vật lý trước Einstein lại thừa nhận quan điểm siêu hình đó? Bởi vì, các khái niệm của Newton phù hợp với hình học Euclid – một thứ đã ăn sâu vào tâm trí mọi người hai nghìn năm nay rồi Đó cũng chính là nhược điểm lớn nhất trong quá trình xây dựng nền cơ học của Newton – xây dựng chuyển động trên cơ sở hình học Euclid

Hình 10

C Định luật vạn vật hấp dẫn – Khám phá vĩ đại của Newton:

Newton đã vận dụng động lực học của mình với những lực tác dụng từ xa, để nghiên cứu chuyển động của các hành tinh và do đó đã đặt nền móng vật lí học cho hệ nhật tâm của Copernicus

Từ chuyển động cong của các hành tinh quanh Mặt Trời, Newton lập luận rằng nếu

không có tác dụng của lực hấp dẫn hay bất kỳ lực nào thì theo định luật 1 Newton, các hành tinh bay thẳng ra xa Tuy nhiên, nhờ có một lực tác dụng xa nào đó giữ các hành tinh chuyển động cong nên quỹ đạo của các hành tinh là hình Elip

Hình 13

Từ định luật Kepler về diện tích quét, Newton đã sử dụng kiến thức hình học để chứng tỏ định luật trên là hệ quả của việc lực tác dụng là lực xuyên tâm

Hình 14

Hình bên trái là mô tả diện tích quét trong 3 tuần của một hành tinh quay Mặt trời

Hình bên phải cho thấy: chung đáy và có đường cao bằng nhau nên diện tích tam giác S24 = tam giác S34.Trong khi đó tam giác S12 có diện tích bằng tam giác S23 ( do chọn

2 là trung điểm của 1 và 3).Suy ra diện tích tam giác S24 = S12

Tổng quát lên thì diện tích quét trong 1 khoảng thời gian là không đổi Đó chính là nội dung của định luật Kepler Cũng qua đó, Newton đã chứng tỏ được, cái lực tác dụng từ xa giữ cho chuyển động của các hành tinh là một lực xuyên tâm, nối từ Mặt Trời tới các hành tinh

Sau các kết luận trên, Newton đi xây dựng biểu thức toán học cho lực hấp dẫn Cụ thể là từ 2 định luật đầu tiên của Kepler, chúng tương đương với các biểu thức sau:

2 2

r

= − thì hành tinh tác dụng lên Mặt Trời một lực F' K'M2

r

= − Theo định luật 3 thì F và F’ có độ lớn như nhau Từ đó suy ra K K' G

M = m = là một hằng số

Hình 15

Từ đó, ông rút ra định luật vạn vật hấp dẫn như sau:

Hai vật tác dụng lên nhau một lực hút, gọi là lực hấp dẫn, có độ lớn tỉ lệ với khối lượng

Ông tổng quát hóa mô hình của hệ Mặt Trời ra cho toàn bộ vận thể trong vũ trụ Ngày này chúng ta đều biết, hằng số hấp dẫn G 6,67Nm22

kg

Quan điểm về lực tác dụng xa của Newton còn được gọi là thuyết tác dụng xa Đây là sự khác biệt cơ bản giữa cơ học Newton và cơ học Einstein Và trong buổi đầu ra đời, tác dụng xa của lực hấp dẫn đã bị phái Descartes công kích dữ dội, tuy nhiên, thực tế cho