Hiện tại trong vật lý công nhận 2 “phương tiện chuyền năng lượng từ vật này sang vật khác đó là thông qua sóng trong môi trường và thông qua các hạt phát ra từ nguồn, như sóng nước đem t
Trang 1NĂNG LƯỢNG TRUYỀN TRONG MÔI TRƯỜNG
Phan Trường Giang
Chủ tịch Liên hiệp các hội KH-KT Vĩnh Phúc
Giữa thế kỷ 19 Julius Robert Mayer đã tìm ra một hiện tượng vật lý phổ quát trong tự nhiên đó là Năng lượng không tự nhiên sinh ra cũng không
tự nhiên mất đi mà chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác hay chuyển từ vật này sang vật khác Quy luật đó là định luật bảo toàn năng lượng Hiện tại trong vật lý công nhận 2 “phương tiện chuyền năng lượng từ vật này sang vật khác đó là thông qua sóng trong môi trường và thông qua các hạt phát ra
từ nguồn, như sóng nước đem theo năng lượng trên các đầu sóng, ánh sáng đem theo năng lượng từ các hạt photon phát ra từ nguốn sáng hay động năng được chuyền từ vật nay sang vật khác thông qua vật trung gian chuyển động phát ra từ nguồn chuyển động tới điểm đến v.v Trong tự nhiên còn một phương thức chuyền năng lượng nữa mà ở đó năng lượng không mang trong các đầu sóng mà cũng không mang trong các hạt phát ra từ nguồn chuyển động từ chỗ nay tới chỗ kia
F
Hình 1
Giả sử có một tập hợp (một môi trường) gồm các viên bi (như hình1), viên bi thứ 1 tại A nhận một lực tác động F nó chuyển động và va chạm với viên bí thứ 2, viên bi thứ 2 tiếp tục chuyển động va chạm với viên ví thứ 3,
cứ tiếp tục như vậy tác động đã chuyền tới viên bi thứ n tại B, viên bi tại B
đã nhận được năng lượng Trong trường hợp này không có sự chuyển động của viên bi từ A tới B Năng lượng đã chuyền từ A tới B không theo mô hình sóng (Không do giao động của viên bi), không theo mô hình hạt vì viên
bi số 1 tại A không chuyển động từ A đến B Trong thế giới tự nhiên rất nhiều năng lượng chuyền theo dang này, có thể gọi nó là năng lượng chuyền trong môi trường, phương tiện để “mang” năng lượng đi trong trường hợp này là môi trường vật chất
Một số đặc tính khi truyền năng lượng trong môi trường:
Trang 2- Năng lượng truyển trong môi trường với vận tốc luôn lớn hơn vận tốc chuyển động của hạt vật chất cấu tạo, có thể là vô cùng lớn:
Với năng lượng mang theo trong các vật thể riêng lẻ, vận tốc truyền
năng lượng cũng là vận tốc chuyển động của vật thể (v = s/t) là quãng đường
vật thể đó đi được trong một đơn vị thời gian; Với năng lượng chuyền theo phương thức sóng như âm thamh, ánh sáng, điện vv…năng lượng truyền đi không đồng nghĩa với chuyển động của một hạt vật chất từ điểm đầu tới điểm cuối, khi đó vận tốc truyền năng lượng là khoảng cách năng lượng đã
truyền đi được trong một đơn vị thời gian (v= λ/t – Trong đó λ là bước sóng)
mà không đồng nghĩa với vận tốc chuyển động riêng lẻ của hạt vật chất mang năng lượng Còn năng lượng truyền trong môi trường thì sao? vận tốc truyền năng lượng có trùng với vận tốc chuyển động của hạt vật chất không
Giả sử có một môi trường được lấp đầy bằng các viên bi, viên bi vô cùng cứng (để vận tốc truyền năng lượng trong bản thân lớn vô cùng), năng lượng truyền tức thời từ phía này tới phía đối diện của viên bi Để đơn giản
ta xem xét trường hợp các viên bi xếp thành đường thẳng từ điểm A tới điểm
B, như (hình 2):
F
A B
Hình 2
Ta ký hiệu ;
- Đường kính của viên bi là D;
- Khoảng cách giữa hai mép viên bi giáp nhau là d;
- Khoảng cách giữa hai điểm A và B là S;
- Tổng số viên bi trong khoảng A-B là n
Có một lực tương tác F ở ngoài chuyển động với vận tốc v va chạm vào viên bi đầu tiên ở điểm A, viên bi đầu tiên sẽ chuyển động với vận tốc v
đi hết quãng đường d sau đó sẽ va chạm vào viên bi thứ 2, viên bi thứ 2 cũng tiếp tục chuyển động với vận tốc v đi hết quãng đường d lại tiếp tục va chạm với viên bi thứ 3…, quá trình này sẽ kết thúc khi viên bi cuối cùng n tại
điểm B nhận được tác động từ viên bi áp chót Kết thúc quá trình trên động năng chứa trong viên bi đã được truyền từ A đến B Ở đây quá trình ta xét
chỉ tính tới động năng của vật, động năng được truyền đi trong trường hợp này bằng chính năng nượng được truyền đi Như vậy:
Trang 3Năng lượng đã truyền từ A tới B với khoảng cách S = n*D + (n-1)*d Thời gian cần thiết để Động năng truyền từ A tới B là: (n-1)*d/v
(Theo giả thiết ban đầu thời gian động năng truyền từ điểm bên này tới điểm đối diện của viên bi bằng 0 )
Gọi Vận tốc truyền năng lượng là V ta có:
V = S/T = (n*D + (n-1)*d)*v/ (n-1)*d
Công thức trên được viết lại là:
V= (n*D/(n-1)*d + 1)*v.
(N*D/(n-1)*d +1) >1 do vậy vận tốc truyền năng lượng trong môi
trường luôn lớn hơn vận tốc chuyển động của hạt vật chất trong môi trường
và vận tốc tương tác ban đầu khi khoảng cách giữa các hạt vật chất nhỏ vô
cùng (d bằng 0) thì vận tốc V cực lớn Nếu vân tốc tác động bằng vận tốc
ánh sáng thì vận tốc truyền năng lượng sẽ lớn hơn vận tốc ánh sáng
- Đặc tính hai mặt sóng, hạt của phương thức truyền năng lượng trong môi trường:
Năng lượng truyền đi trong môi trường chứa trong từng hạt vật chất cấu tạo nên môi trường, do va chạm của từng hạt vật chất cấu tạo nên môi trường với nơi nhận, về vi mô năng lượng truyền đi từng lượng nhỏ tách rời ( tính chất hạt)
Đặc tính sóng: Xét một môi trường truyền năng lượng ở đó các hạt vật chất lấp đầy, để đơn giản xét môi trường gồm các viên bi trên một mặt phẳng như (hình 3)
c a b
Hình 3
Giả sử có một tương tác theo hướng thẳng hàng với cấu tạo môi
trường như hướng a ở hình trên, khi cấu tạo môi trường hạt không sếp sít
nhau ( khoảng cách giữa các hạt lớn), trong quá trình chuyển động trên
Trang 4quãng đường d viên bi chuyển động không va chạm với các viên khác, viên
bi chuyển động giữ nguyên năng lượng khi tới viên bi tiếp theo, năng lượng mang theo trong tương tác đó tiếp tục truyền đi thẳng hướng tương tác ban đầu Ở trong môi trường có cấu tạo các hạt vật chất xít nhau, khi hạt vật chất đầu tiên nhận tương tác nó sẽ di chuyển thẳng hướng tương tác, khi di
chuyển trên quãng đường d sẽ va chạm vào các hạt vật chất xung quanh ở
mọi hướng Tiếp tục như vậy các hạt tiếp theo sẽ di chuyển và cũng tiếp tục
va chạm truyền năng lượng chuyển động cho các hạt tiếp theo khác Năng lượng (Động năng) chuyển động phụ thuộc lực tác động, độ lớn của lực tác động phụ thuộc góc tác động, lực tác động thẳng hướng tương tác lớn nhất , gia tốc cũng như vận tốc chuyển động dẫn tới động năng di chuyển thẳng hướng với tương tác ban đầu lớn nhất, năng lượng được truyền đi nhiều nhất, các hướng khác lực tương tác nhỏ hơn năng lượng mang theo tương tác
ít hơn, khi góc truyền năng lượng với phương tác động ban đầu càng lớn lực tương tác càng nhỏ, năng lượng truyền di theo hướng đó cũng càng nhỏ
Năng lượng chuyền đi đã được tán xạ trong môi trường, phương thức truyền
năng lượng trong môi trường có tính chất lan tỏa ra toàn bộ môi trường Đây
là đặc tính tán xạ của truyền năng lượng trong môi trường.
Giả sử tại một thời điểm hạt vật chất đầu tiên nhận được 3 tương tác
có các hướng khác nhau, hướng a hướng b, hướng c trong hình trên, thì sự
chuyển động của hạt đầu là kết quả tổng hoà của 3 tác động trên, tức là tương tác không giữ những đặc tính như một tương tác độc lập, nó đã bị
nhiễu Đây có thể hiểu là đặc tính Nhiễu xạ trong truyền năng lượng trong
môi trường Khi có nhiều hơn 2 tương tác lên một vật, các tương tác này mạnh lên (cộng hưởng) khi tạo ra hợp lực với nhau, làm cho năng lượng chứa trong một hạt vật chất tăng lên, ngược lại khi hướng tác dụng các tương tác trái chiều triệt tiêu nhau sẽ làm cho hạt vật chất bị triệt tiêu chuyển động theo một hướng nào đó, đó chính là bản chất của giao thoa, cộng hưởng Với môi trường có hạt vật chất xít nhau, đoạn đường d có thể coi bằng 0, tức là hạt vật chất trong môi trường không chuyển dịch khi truyền năng lượng, mọi hướng tác động không làm thay đổi vị trí của hạt vật chất,
do vậy các hường truyền năng lượng không bị triệt tiêu nhau khi gặp nhau, đây là một đặc tính của ánh sáng
Như vậy một đặc điểm cơ bản khi truyền năng lượng trong môi trường đó là vừa mang tính chất sóng, vừa mang tính chất hạt, ở góc độ nhỏ
“Lượng tử” tính chất hạt thể hiện rõ, ở góc độ tổng thể tính chất Sóng thể hiện rất rõ Truyền năng lượng dạng này có rất nhiều trong tự nhiên Vậy phải chăng ánh sáng là việc truyền năng lượng trong môi trường được lấp
Trang 5đầy các hạt “Pho ton” và năng lượng ánh sáng được truyền đi trong môi trường các hạt pho ton này
Năng lượng truyền từ môi trường này sang môi trường khác
Trong tự nhiên khi năng lượng được truyền từ điểm nay tới điểm kia
đi qua các loại môi trường khác nhau Điều gì xảy ra khi năng lượng truyền
từ môi trường này sang môi trường khác có cấu tạo khác nhau?
Môi trường truyền năng lượng khác nhau có cấu tạo hạt vật chất trong môi trường khác nhau; có liên kết giữa các hạt vật chất khác nhau như môi trường truyền điện cấu tạo từ các điện tích dương (Nguyên tử mất electoron)
và các electoron tự do, môi trường truyền năng lượng sóng nước cấu tạo từ các phân tử nước liên kết với nhau; có khoảng cách giữa các hạt và cách sắp xếp các hạt trong môi trường khác nhau vv… Để đơn giản giả sử có hai môi
trường, một một môi trường cấu tạo bởi các hạt có khối lượng là m1 và một môi trường có cấu tạo bởi các hạt có khối lượng là m2 năng lượng truyền từ môi trường các hạt có khối lượng m1 sang môi trường có cấu tạo bởi các hạt
có khối lượng m2
Theo định luật III Newton “Trong mọi trường hợp, khi vật A tác dụng
lên vật B một lực, thi vật B cũng tác dụng lại vật A một lực Hai lực này có
cùng giá trị, cùng độ lớn, nhưng ngược chiều”
Khi hạt m1 chuyển động va chạm với hạt m2, hạt m1 tác dụng lên hạt
m 2 một lực F1, theo định luật trên m2 cũng tác dụng lại m1 một lực F2, giá trị
F 1 =F 2, nhưng ngược chiều nhau F1 theo chuều truyền năng lượng, F2 ngược
lại
Định luật 2 Newton “Gia tốc của một vật cùng hướng với lực tác
dụng lên vật Độ lớn của gia tốc tỷ lệ thuận với độ lớn của lực và tỷ lệ nghịch với khối lượng của vật” thể hiện bằng công thức: F = m.du/dt.
Với hạt m1 ta có: F2 = m1 du 1/dt (*) ; và với hạt m2 F1 = m2.du2/dt.
(*) Gọi
U 1 là vận tốc của hạt m1 sau va chạm ;
U 2 là vận tốc của hạt m2 sau va chạm
v là vận tốc chuyển động của hạt m1 trước va chạm
Từ (*) có du1= F2 dt/m 1; du2 = F1 dt/m 2 (**)
Giữa m1 và m2 có 3 trường hợp như sau:
* Trường hợp m 1 bằng m 2:
Từ (**) F1 = F2 ; m1 = m2 do vậy du1 = du2 gia tốc của 2 hạt m1 và m2
Trang 6lượng, u1 hướng ngược lại Với hạt m2 ban đầu đứng yên, sau va chạm tăng lên vận tốc v ( v là vận tốc chuyển động của hạt m1 trước va chạm) theo chiều truyền năng lượng Còn hạt m1 sau va chạm từ đang chuyển động với vân tốc v giảm về 0 vì gia tốc của m1 và m2 bằng nhau, lượng giảm và lượng
tăng vận tốc sau va chạm bằng nhau trong cùng một thời gian Như vậy hạt
m 2 đã nhận được toàn bộ lượng năng lượng (ở đây là động năng (1/2.
trong trường hợp này năng lượng được bảo tồn truyền 100% (Thực chất như truyền trong một môi trường)
* Trường hợp m 2 nhỏ hơn m 1:
Vì lực tác dụng có giá trị bằng nhau do vậy gia tốc của hạt m2: du2 =
F 1 dt/m 2 lớn hơn gia tốc của hạt m1: du1 = F2 dt/m 1 Trong khoảng thời gian
t hạt m1 giảm vận tốc từ v tới 0 thì hạt m2 đã tăng vận tốc từ 0 đến giá trị lớn
hơn v Tức là vận tốc của hạt m2 sau va chạm lớn hơn vận tốc trước va chạm của hạt m1, đồng thời vận tốc tnăng lượng trong môi trường thứ 2 chứa hạt m2 lớn hơn vận tốc truyền năng lượng trong môi trường thứ nhất chứa hạt m1
Khi khối lượng hạt của môi trường thứ 2 càng nhỏ bao nhiêu thi gia tốc càng lớn bấy nhiêu và vận tốc của hạt trong môi trường càng lớn, do đó vận tốc truyền năng lượng càng lớn Như vậy có thể nói vận tốc truyền năng lượng tăng lên khi năng lượng được truyền từ môi trường có khối lượng các hạt vật chất lớn sang môi trường có khối lượng hạt vật chất nhỏ Trong
trường hợp m2 = 0 thì du2 lớn vô cùng, vận tốc của m2 sau va chạm lớn vô
cùng như vây vận tốc truyền năng lượng là vô cùng, thực tế không tồn tại vận tốc truyền năng lượng lớn vô cùng (không giới hạn) , đồng nghĩa các hạt vật chất trong môi trường đều có khối lượng, không tồn tại môi trường truyền năng lượng mà các hạt vật chất cấu tạo nên nó không có khối lượng (Với vận tốc vô cùng lớn sau va chạm bản thân hạt sẽ biến mất trong vũ trụ)
* Trường hợp m 2 lớn hơn m 1:
Ngược lại với trường hợp trên khi khối lượng của hạt m2 lớn hơn khối lượng của hạt m1, thi gia tốc du2 nhỏ hơn gia tốc du1 Vận tốc của hạt m2 sau
va chạm nhỏ hơn vân tốc hạt m1 sau va chạm, như vậy có thể nói vận tốc
truyền năng lượng giảm đi khi năng lượng được truyền từ môi trường có khối lượng các hạt vật chất nhỏ sang môi trường có khối lượng hạt vật chất
lớn hơn u1 ngược chiều truyền năng lượng, tức là hạt m1 chuyển động
ngược lại chiều truyền năng lượng, có thể coi đó là gốc rễ của phản xạ
Định luật bảo toàn năng lượng có nội dung: Năng lượng không tự sinh
ra cũng không tự mất đi mà chỉ truyền từ dạng này sang dạng khác hay từ
Trang 7vật này sang vật khác Tổng động năng ban đầu của hai hạt m1 và m2 là
m 1 v 2 /2 (vì hạt m2 có vận tốc bằng 0), sau va chạm thì tổng động năng không thay đổi Tức là m1 u 1 2 /2 + m2 u 2 2 /2 = m1.v2/2
u 2 nhỏ đi thì u1 lớn lên nhưng không thể vượt qua vận tốc ban đầu của
m 1 là v Khi u2 bằng 0 thì u1 bằng v, khi đó động năng của hạt m1 là m1 u 1 2/2
nhưng đã đổi chiều Khi m2 vô cùng lớn, du2 tương đương 0, u2 mới tương
đương 0, khi đó năng lượng đã được truyền theo hướng ngược lại và có độ
lớn như mức năng lượng ban đầu mang trong m1, có thể coi đây là phản xạ
toàn phần, trường hợp này khó có trong tự nhiên vì không có trường hợp hạt
không xảy ra
Những hiện tượng vật lý như trên đã rất thông dụng trong tự nhiên, đã được khoa học vật lý phát hiện từ lâu, áp dụng mô hình năng lượng truyền trong môi trường để giải thích hiện tượng không mới để xác thực rằng: Trong tự nhiên môi trường truyền có tác dụng năng lượng từ chỗ này tới chỗ kia, từ vật này sang vật khác (một số dạng năng lượng không có môi trường không truyền được như ánh sang, điện từ, song dọc v.v…) Phương thức truyền năng này là một phương thức cơ bản của tự nhiên, duy trì tồn tại thế giới tự nhiên, có nhiều môi trường khác nhau truyền các dạng năng lượng khác nhau, có thể nghiên cứu các môi trường truyền năng lượng, các dang năng lượng để tiếp nhận và biến đổi năng lượng có ích hơn, hiệu quả hơn phục vụ cuộc sống
TÀI LIỆU THAM KHẢO
- Vật lý lớp 10, vật lý phổ thông.
- Giáo trình Vật lý đại cương – tác giả:Lương Duyên Bình – NXB Giáo dục – 2007.
- Lưỡng tính sóng – hạt của ánh sáng – tác giả: Trần Ngiêm – nguồn: thuvienvatly.com.
- Vận tốc ánh sang trong không gian có thể chậm lại – Tác giả Brgan (VACA)-theo Science Daily.
- Động năng là gì – Tác giả JK viết ngày 18/6/2014- Nguồn thuvienvatly.com.
- Giả thiết mới về môi trường truyền ánh sang và sự giải thích hợp lý về lưỡng tính sang hạt – tác giả Phùng Văn Hòa đăng ngày 19/12/2009 trên Khoahoc.vn