BÀI TIỂU LUẬN VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG - NGUYEN LY GALILE- ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TPHCM

Ông cũng đã nghiên cứu đến rất nhiều những vấn đề khác nhau của cơ học: con lắc, mặt phẳng nghiêng, sự rơi tự do và đặc biệt là nguyên lí tương đối” - Nhờ Galileo mà ta có thể giải thích

BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP.HCM

BÀI TIỂU LUẬN

tính Ứng dụng

Sinh viên thực hiện: - Đoàn Minh Tâm

- Võ Nguyên Hưng

- Nguyễn Thanh Sang

Lớp: XD15/A5

A.MỞ ĐẦU

I.Sơ lược về Galileo Galilei -Nhà khoa học vĩ đại

- Galileo Galilei (15- 2 -1564 – 8 tháng 1 năm 1642) là một nhà thiên văn học, vật lý

học, toán học và triết học người Ý, người đóng vai trò quan trọng trong cuộc cách mạng khoa học Các thành tựu của ông gồm những cải tiến cho kính thiên văn và các quan sát thiên văn sau đó, và ủng hộ Chủ nghĩa Copernicus Galileo đã được gọi là

"cha đẻ của việc quan sát thiên văn học hiện đại", "cha đẻ của vật lý hiện đại", "cha

đẻ của khoa học", và "cha đẻ của Khoa học hiện đại." Stephen Hawking đã nói,

"Galileo, có lẽ hơn bất kỳ một người riêng biệt nào, chịu trách nhiệm về sự khai sinh khoa học hiện đại."

- Sự chuyển động của các vật thể tăng tốc đều, được dạy ở hầu hết trong các khóa học về vật lý của các trường trung học và cao đẳng, đã được Galileo nghiên cứu trong chủ đề

xác nhận các tuần của Sao Kim bằng kính thiên văn, phát hiện bốn vệ tinh lớn nhất của Sao Mộc, được đặt tên là các vệ tinh Galileo để vinh danh ông, và sự quan sát và phân tích vết đen Mặt Trời Galileo cũng làm việc trong khoa học và công nghệ ứng dụng, cải tiến thiết kế la bàn

- Sự bênh vực của Galileo dành cho Chủ nghĩa Copernicus đã gây tranh cãi trong đời ông Quan điểm địa tâm đã là thống trị từ thời Aristotle, và sự tranh cãi nảy sinh sau khi Galileo trình bày thuyết nhật tâm như một minh chứng khiến giáo hội Công giáo Rôma cấm tuyên truyền nó như một sự thực đã được chứng minh, vì nó chưa được chứng minh theo kinh nghiệm ở thời điểm ấy và trái ngược với ý nghĩa của Kinh

Thánh.[10] Galileo cuối cùng buộc phải từ bỏ thuyết nhật tâm của mình và sống những ngày cuối đời trong cảnh bị quản thúc tại gia theo lệnh của Toà án dị giáo La Mã

Lịch sử nghiên cứu :

- Trong thời gian học tập tại Đại học Pisa (1581-1585), Galileo đã tiến hành nhiều thí nghiệm với con lắc và khám phá ra rằng chúng gần như trở về đúng độ cao được thả ra; chúng có những chu kì khác nhau không phụ thuộc vào khối lượng của con lắc và biên

độ, và bình phương của chu kì tỉ lệ thuận với chiều dài dây Sau này ông sử dụng con lắc

để chế tạo đồng hồ vào năm 1641 Galileo cũng tìm ra rằng tốc độ rơi không phụ thuộc vào trọng lượng Ông ghi những phát hiện của mình trong quyển sách có tên De Motu (Về chuyển động)

- Galileo được cử làm giáo sư toán trường Đại học Padua (1592-1610) Năm 1593,

Galileo sáng chế ra nhiệt kế Những phát minh khác của ông có bơm nước và cân thủy tĩnh

Năm 1609, Galileo là người đầu tiên sử dụng kính thiên văn để quan sát bầu trời sau khi nghe nói về chiếc kính thiên văn mới chế tạo của Hans Lippershey Năm 1610, Galileo khám phá ra vành đai sao Thổ và cùng năm này trở thành người đầu tiên quan sát thấy 4 mặt trăng lớn của sao Mộc Ông cũng quan sát các pha của sao Kim, nghiên cứu về vết đen trên Mặt Trời và khám phá ra nhiều hiện tượng quan trọng khác

Những ghi chép đầu tiên về Jupiter's Moons

- Năm 1610, Galileo chuyển đến Firenze, Ý, nơi ông đã theo đuổi nghiên cứu của mình tại Đại học Firenze và cung điện của gia đình Medici Galileo xuất bản một cuốn sách về các quan sát thiên văn của mình với các mặt trăng của Sao Mộc, sử dụng quan sát này để ủng hộ lý thuyết nhật tâm của vũ trụ của Copernicus chống lại thuyết địa tâm Ptolemy và các lý thuyết của Aristote Năm sau đó, Galileo tới thăm Rome để chứng minh kính viễn vọng của mình trước các nhà triết học và toán học của Học viện Dòng Tên Rôma (Jesuit Collegio Romano), và để họ tự thấy bằng mắt mình sự thực về bốn mặt trăng của sao Mộc Khi ở Rome ông cũng trở thành một thành viên của Accademia dei Lincei sau được cai quản bởi Cosimo II, Bá tước của vùng Toscana

- Năm 1612, xuất hiện sự chống đối thuyết nhật tâm của vũ trụ đang được Galileo ủng

hộ Năm 1614, từ bục giảng kinh của Vương cung thánh đường Santa Maria Novella, linh mục Tommaso Caccini (1574–1648) lên án các ý kiến của Galileo về sự chuyển động của Trái Đất, cho rằng chúng là nguy hiểm và gần với sự dị giáo Galileo tới Roma để bảo vệ mình trước những cáo buộc đó, nhưng, vào năm 1616, hồng y Robert Bellarmine đích thân khiển trách Galileo bắt ông không được ủng hộ cũng như giảng dạy thiên văn học Copernicus Trong năm 1621 và 1622, Galileo đã viết cuốn sách đầu tiên của mình,

Người thí nghiệm (Il Saggiatore), được phê duyệt và cho phát hành năm 1623 Năm 1630, ông quay lại Roma để xin giấy phép in cuốn Đối thoại về hai Hệ thống Thế giới, được xuất bản tại Florence năm 1632 Tuy nhiên, vào tháng 10 năm ấy, ông bị bắt phải ra trước Thánh bộ Giáo lý Đức tin ở Roma

- Sau một phiên xử của giáo hoàng, theo đó ông bị nghi ngờ mạnh mẽ là dị giáo, Galileo

bị quản thúc tại gia và các hoạt động của ông bị giáo hoàng kiểm soát Từ năm 1634 trở

về sau, ông sống tại ngôi nhà thôn quê ở Arcetri, bên ngoài Florence Ông bị mù hoàn toàn năm 1638 và bị chứng thoát vị và mất ngủ đầy đau đớn, vì thế ông được cho phép tới Florence chữa bệnh Ông tiếp tục tiếp khách cho tới năm 1642, sau khi qua đời vì sốt và

chứng tim đập nhanh

- Galileo nổi tiếng nhất với câu nói Eppur si muove! ("Dù gì thì Trái Đất vẫn quay") sau

khi đã bị Giáo hội buộc phải thề không thảo luận về thuyết Địa tâm nữa Ông cũng có một thí nghiệm nổi tiếng chứng minh tốc độ rơi của một vật không phụ thuộc trọng lượng của

nó trên tháp nghiêng Pisa

II.Lí do chọn đề tài

- “Galileo Galilei (1564-1642) Có thể nói, Galileo là ông tổ khai sáng ra động lực học: ông đã đưa ra khái niệm gia tốc, phát biểu vào năm 1632 nguyên lý tương đối Galileo và nguyên lý quán tính Ông cũng đã nghiên cứu đến rất nhiều những vấn đề khác nhau của

cơ học: con lắc, mặt phẳng nghiêng, sự rơi tự do và đặc biệt là nguyên lí tương đối”

- Nhờ Galileo mà ta có thể giải thích được các hiện tượng xảy ra trong hệ quy chiếu quán tính và hệ quy chiếu không quán tính.Tại sao ánh sáng khi vật chuyển động nhanh thì không gian co lại thời gian trôi chậm hơn và nhiều câu hỏi như vậy chỉ có thể giải thích bằng nguyên lí tương đối Galileo ra đời Hàng này nhiều hiện tượng về lực quán tính xảy

ra quanh chúng ta, để giải thích các hiện tượng đó chúng ta phải hiểu đúng bản chất của hiện tượng

Vì vậy việc sử dụng kiến thức về nguyên lí tương đối vào giải thích một số hiện tượng đời sống và bài tập Vật lí đại cương là rất cần thiết Đó chính là lí do vì sao chúng em chọn

đề tài “ Nguyên lí tương đối Galileo, hệ quy chiếu không quán tính và ứng dụng” III Mục tiêu nghiên cứu

- Có thể vận dụng nguyên lí tương đối của Galileo để giải thích một số hiện tượng đời sống và giải một số bài tập vật lí

IV.Đối tượng nghiên cứu

- Trình bày tóm tắt lí thuyết về nguyên lí tương đối Galilê, chuyển động tương đối của chất điểm trong hệ quy chiếu quán tính và không quán tính và ứng dụng

B NỘI DUNG

I Nguyên lí tương đối Galile

1.Galile đưa ra thí nghiệm

- Thí nghiệm 1:

Bạn hãy cùng ai đó tách riêng ra tới một phòng có chỗ thoáng rộng dưới boong tàu thủy nào đó nhớ mang theo bạn một số ruồi,bướm và côn trùng nhỏ biết bay nào đó nhốt trong cái chuồng đủ rộng với tầm bay lượn của chúng Giả sử ở đó bạn còn có một bình to đựng nước với các chú cá bơi lội tung tăng Bạn hãy treo một xô nước nhỏ trên sao cho nó có thể nhỏ tựng giọt nước vào một cái bình khác có miệng ở phía dưới và quan sát:

- Nếu con tàu đứng yên, thì tất cả sinh vật nhỏ vẫn bay, lội bình thường, theo mọi hướng Giọt nước vẫn rơi vào miệng bình

- Nếu con tàu chuyển động với mọi vận tốc miễn đều và êm, không lắc lư, không chong chênh thì sẽ không có hiện tượng gì như tàu đang đứng yên

 Căn cứ vào các hiện tượng trên tàu, bạn không thể biết con tàu đang chuyển động

hay đứng yên

- Thí nghiệm 2: Ném một hòn đá từ đỉnh cột buồm xuống sàn tàu thì nó rơi dọc theo cột xuống sàn không thay đổi, dù con tàu đang đứng yên hay chuyển động với mọi vận tốc,cho dù tàu chạy với vận tốc lớn nhất

 Như vậy 2 thí nghiệm trên tiến hành giống nhau, đều gắn với hệ quy chiếu Trái đất, lẫn trong hệ quy chiếu chuyển động thẳng đều nó đều cho kết quả giống nhau.Các

hệ quy chiếu trong vật lí đều bình đẳng với nhau.Điều này có nghĩa là nếu ta có một

hệ quy chiếu quán tính với độ chính xác nhất định thì tất cả các hệ khác chuyển động thẳng đều so với nó cũng là hệ quy chiếu quán tính với độ chính xác giống nhau.Galile mô tả có giá trị đối với cơ học gọi là nguyên lí tương đối Galile

2 Kết luận:

- Một trong những các phát biểu của nguyên lí tương đối Galile được Niu-tơn đề nghị

là “Các chuyển động tương đối của vật thể so với nhau diễn ra trong một không gian nào đó, đều như nhau dù không gian ấy đứng yên hay chuyển động thẳng đều”

- Ngày nay người ta phát biểu nguyên lí tương đối Galile thành “ Các định luật cơ học đều như nhau trong tất cả các hệ quy chiếu quán tính”

Và một số cách phát biểu khác nhau về nguyên lí tương đối Galile:

- Mọi hệ quy chiếu chuyển động thẳng đều đối với một hệ quy chiếu quán tính cũng

là hệ quy chiếu quán tính

- Các định luật Niu-tơn có dạng như nhau trong mọi hệ quy chiếu quán tính

- Các phương trình động luật có dạng như nhau trong mọi hệ quy chiếu quán tính

Về mặt toán học có nghĩa là: “Những phương trình mô tả các định luật cơ học cổ điển sẽ không đổi dạng đối với phép biến đổi của toạ độ và thời gian khi chuyển từ hệ quy chiếu quán tính này sang hệ quy chiếu quán tính khác theo công thức biến đổi Galilê”

Nguyên lí tương đối Galilê có vai trò rất quan trọng trong việc nghiên cứu cơ học cổ điển Trong môn học này phương trình cơ bản của động lực học được biểu diễn bằng định luật II của Newton:

dt

v m d





Trong đó: m là khối lượng của vật và là đại lượng bất biến

F

là tổng hợp lực tác dụng lên vật

Lực tác dụng lên vật được chia làm ba loại sau:

 Lực phụ thuộc khoảng cách không gian: lực đàn hồi, lực hấp dẫn, lực tĩnh điện

 Lực phụ thuộc vận tốc tường đối: lực ma sát, lực cản của không khí, lực nhớt

 Lực phụ thuộc thời gian: lực đàn hồi

Mặt khác khoảng cách không gian, vận tốc tương đối, thời gian đều là những đại lượng bất biến đối với phép biến đổi Galilờ Do vậy lực F

cũng là lượng bất biến đối với phép biến đổi Galilờ

Vậy phương trình biểu diễn định luật II Newton là phương trình bất biến đối với phép

biến đổi Galilê Từ đó ta có kết luận: “Trong các hệ quy chiêú quán tính, các định luật cơ học cổ điển là bất biến với phép biến đổi Galilê”

Tìm hiểu thêm:

Galileo Galilei đã miêu tả một dạng của nguyên lý tương đối trong cuốn "Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo" vào năm 1632 bằng minh họa về một người ngồi trên con thuyền và nguyên lý này cũng được Newton áp dụng cho cơ học của ông Một hệ quả trực tiếp của nguyên lý này là không có cách nào để đo vận tốc tuyệt đối của quan sát viên chuyển động đều trong không gian và không thể định nghĩa một hệ quy chiếu đứng yên tuyệt đối Hệ này phải chứa một thứ gì đó đứng im đối với mọi thứ khác và nó mâu thuẫn với nguyên lý tương đối, theo đó các định luật vật lý trong mọi hệ quy chiếu phài là như nhau

3 Sơ lược về hệ quy chiếu quán tính

- Hệ quy chiếu là một hệ tọa độ dựa vào đó vị trí của mọi điểm trên vật thể và vị trí của vật thể khác được xác định đồng thời có một đồng hồ đo để xác định thời điểm của sự kiện

- Hệ quy chiếu quán tính :hệ quy chiếu trong đó không xuất hiện lực quán tính hay hệ quy chiếu quán tính là hệ quy chiếu mà trong đó chuyển động của hạt tự do (hạt không chịu tác động của lực nào) là chuyển động thẳng đều.) Điều này có nghĩa là mọi lực tác động lên các vật thể trong hệ quy chiếu này đều có thể quy về các lực cơ bản Theo định luật thứ nhất của Newton khi không bao hàm lực quán tính, một vật trong hệ quy chiếu quán tính sẽ giữ nguyên trạng thái đứng yên hay chuyển động thẳng đều khi tổng các lực

cơ bản tác dụng lên vật bằng không Tương tự định luật thứ hai của Newton hay các định luật cơ học khác, khi chỉ bao hàm lực cơ bản, sẽ chỉ đúng trong hệ quy chiếu quán tính, nơi không có lực quán tính

- Trong cơ học cổ điển, một hệ quy chiếu chuyển động không có gia tốc (thẳng đều hoặc đứng yên) so với một hệ quy chiếu quán tính khác thì cũng sẽ là hệ quy chiếu quán tính Nguyên lý Galileo phát biểu trong cơ học cổ điển coi mọi hiện tượng cơ học đều xảy ra như nhau trong các hệ quy chiếu quán tính Sau này Albert Einstein mở rộng tính chất này và cho rằng tất cả các quá trình vật lý đều xảy ra như nhau trong hệ quy chiếu quán tính (lý thuyết tương đối hẹp) rồi rộng hơn nữa là mọi quá trình vật lý đều xảy ra như nhau trong mọi hệ quy chiếu (lý thuyết tương đối rộng)

Như vậy trong hệ quy chiếu quán tính chất điểm cô lập giữ nguyên trạng thái đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều Từ những nghiên cứu đó Galilê đã đưa ra thuyết tương đối gồm các điểm sau:

 Trong hệ quy chiếu quán tính thời gian như nhau hay thời gian là tuyệt đối: t = t

 Vị trí của một điểm M nào đó phụ thuộc hệ quy chiếu

 Khoảng (khỏang cách) có tính tuyệt đối không phụ thuộc hệ quy chiếu

Lưu ý: Khi không cần độ chính xác cao, hệ quy chiếu gắn với trái đất cũng nghiệm đúng định luật quán tính và cũng được gọi là hệ quy chiếu quán tính

- Hệ quy chiếu quán tính là một hệ ở rất xa các vật khác, không chịu tác dụng của các lực ngoài do các vật khác tác dụng lên nó Trong hệ quy chiếu quán tính thì các định luật quán tính được nghiệm đúng

4 Phép biến đổi Galile

Ta xét hai hệ quy chiếu K và K’, trong đó K’ chuyển động thẳng đều với vận tốc v so với

K Hệ K gắn vào hệ toạ độ Đêcác vuông góc Oxyz, hệ K’ gắn vào hệ toạ độ Đềcác vuông góc O’x’y’z’ sao cho trục Ox trùng với trục O’x’ và trùng với véctơ vận tốc V, Oy song song với O’y’, Oz song song với O’z’

Với cách chọn như vậy, hai hê quy chiếu K, K’ được gọi là hai hệ quy chiếu quán

tính với nhau, hay là hai hệ quy chiếu quán tính với nhau khi chúng chuyển động thẳng

đều với nhau Tại thời điểm ban đầu hai hệ hoàn toàn trùng nhau, sau đó K’ chuyển động

dọc chiều dương của trục Ox với vận tốc từ đó ta có:

a) Phép biến đổi toạ độ của hệ quy chiếu

Thay hệ K và K’ toạ độ của chất điểm lần lượt là: M(x,y,z) và M’(x’,y’,z’), ta có phép biến đổi toạ độ là:

y(t) = y’(t) z(t) = z’(t)

Nếu K và K’ là hai hệ quy chiếu quán tính với nhau thì gia tốc của một chất điểm trong hai hệ quy chiếu là như nhau, hay nói cách khác tính quán tính trong hai hệ quy chiếu quán tính được bảo toàn

*) Quan niệm về thời gian, không gian, và thời gian chuyển động

Trong cơ học cổ điển của Galilée (đầu thế kỉ XVII), và vật lí học cổ điển của Iesac

Newton, (đầu thế kỉ XVIII): Không gian và thời gian là bất di bất dịch, là tuyệt đối

Theo Newton: Khối lượng và năng lượng tồn tại như hai khái niệm khác nhau Đó là một quan niệm thống trị suốt mấy trăm năm Theo Newton, năng lượng của một quả đại đại bác đang nằm yên sẽ bằng không

- Thời gian không phụ thuộc hệ quy chiếu quán tính

- Khoảng không gian không phụ thuộc hê quy chiếu

- Chuyển động phụ thuộc hệ quy chiếu

Câu hỏi: Không gian và thời gian có thay đổi không khi so với các hệ quy chiếu khác

nhau

Trả lời: Theo Galileo:

- Thời gian luôn giống nhau cho dù xét trong hệ quy chiếu nào => Thời gian bất biến Đây là một nền tảng của cơ học cổ điển

- Không gian thì thay đổi trong mọi hệ quy chiếu

VD một vật có toạ độ x = 2 trong hệ này nhưng có tọa độ x' = 5 chẳng hạn trong hệ khác

Nhưng các định luật cơ hoc (không có ở điện học, quang học, ) mô tả không gian thì không thay đổi trong hệ qc quán tính

II.Hệ quy chiếu không quán tính

Xét hệ quy chiếu O’ chuyển động thẳng đều với gia tốcA

so với hệ quy chiếu O



là một đại lượng bất biến