Bài giang Vật lý hiện đại ĐHBKHN

Bài giang Vật lý hiện đại ĐHBKHNBài giang Vật lý hiện đại ĐHBKHNBài giang Vật lý hiện đại ĐHBKHNBài giang Vật lý hiện đại ĐHBKHNBài giang Vật lý hiện đại ĐHBKHNBài giang Vật lý hiện đại ĐHBKHNBài giang Vật lý hiện đại ĐHBKHNBài giang Vật lý hiện đại ĐHBKHNBài giang Vật lý hiện đại ĐHBKHNBài giang Vật lý hiện đại ĐHBKHNBài giang Vật lý hiện đại ĐHBKHNBài giang Vật lý hiện đại ĐHBKHNBài giang Vật lý hiện đại ĐHBKHN

Trang 1

- 0 -

NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn

Vật lý Hiện đại (Modern Physics)

Giảng viên: TS Nguyễn Văn Thái

Trang 2

Giới thiệu môn học

 Cung cấp các kiến thức bổ sung cho các học phần ứng

dụng của Kỹ thuật Hạt nhân

 Kiến thức cơ bản về các hiện tượng xảy ra trong nguyên tử, lý thuyết tương đối Anhxtanh áp dụng trong Kỹ thuật Hạt nhân

 Các môn học cần thiết (Pre-requisites)

 Vật lý I&II

Trang 3

- 2 -

Trang 4

 Giáo trình và tài liệu tham khảo

1 Vật lý hiện đại, Ronald Gautreau and William Savin (Ngô Phú An

và Lê Băng Sương dịch), Nhà Xuất bản Giáo dục, 2003

2 Vật lý đại cương, tập 3 phần I Lương Duyên Bình (chủ biên) Nhà Xuất bản Giáo dục, 2009

3 Vật lý đại cương, tập 3 phần II Đỗ Trần Cát, Đặng Quang Khang, Nguyễn Văn Trị, Phùng Văn Trình, Nguyễn Công Vân Nhà Xuất bản Giáo dục, 2009

Trang 5

hiện tượng trong tự nhiên từ cấp độ vi mô đến vĩ mô,

và do vậy sự ra đời của vật lý hiện đại nhằm giải thích một số hiện tượng mà vật lý cổ điển chưa làm được đồng thời vật lý hiện đại đã mang lại một cái nhìn sâu sắc của con người về tự nhiên, đồng thời thúc đẩy sự tiến bộ của loài người (Wikipedia.org)

Vật lý Hiện đại

Trang 6

 Vật lý hiện đại dựa trên nền tảng của hai lý thuyết cơ học lượng tử và thuyết tương đối

khi vận tốc của vật đạt xấp xỉ tốc độ của ánh sáng

hiện tượng với vận tốc nhỏ và khoảng cách tương đối lớn (Wikipedia.org)

Trang 7

- 6 -

ứng dụng của kỹ thuật hạt nhân, cung cấp các kiến thức cơ bản về các hiện tượng xảy ra trong nguyên

tử, lý thuyết tương đối Anhxtanh và cách ứng dụng những kiến thức đã học để tìm hiểu các lý thuyết tương tự áp dụng trong vật lý và kỹ thuật hạt nhân

Trang 8

1. Sự hạn chế của cơ học cổ điển Newton

đúng năm mất của nhà vật lí thiên văn huyền thoại Galileo Galilei

đại nhất mọi thời đại, người đã tiếp tục xây dựng thành công các ý tưởng của Galilei về không gian

và về chuyển động

cổ điển (trước Einstein) là cơ học cổ điển Newton

để nhắc đến công lao của ông Cơ học cổ điển của Newton xây dựng lấy cơ sở chính từ hình học

Euclite và các lý thuyết chuyển động của Galilei

Lý thuyết tương đối tính

Trang 9

- 8 -

gọi là cơ học cổ điển, đã chiếm một địa vị thống trị trong sự phát triển của khoa học

Trang 10

và vật chất không phụ thuộc vào chuyển động, cụ thể là khoảng thời gian của một hiện tượng xảy ra, kích thước của một vật và khối lượng của nó đều như nhau trong mọi hệ quy chiếu đứng yên hay chuyển động

 Tóm lại, theo Newton thời gian không gian là tuyệt đối, không phụ thuộc vào chuyển động, khối lượng của vật là bất biến

Trang 11

- 10 -

và kỹ thuật phát triển rất mạnh, người ta bắt đầu gặp những vật chuyển động nhanh với vận tốc vào

cỡ vận tốc ánh sáng c trong chân không (c =

300000 km/s) khi đó xuất hiện sự mâu thuẫn với các quan điểm của cơ học Newton, cụ thể là :

 Không gian, thời gian, khối lượng m đều phụ thuộc vào chuyển động

quyết được

Trang 12

được cho các vật chuyển động với vận tốc nhỏ so với vận tốc ánh sáng (v << c)

quát hơn áp dụng được cho cả các vật chuyển động với vận tốc v vào cỡ c và coi trường hợp các vật chuyển động với vận tốc v << c như một trường hợp giới hạn

thuyết tương đối hẹp Einstein.

Trang 13

- 12 -

2. Các tiên đề Einstein

nguyên lí tương đối, là việc mọi quan sát viên chuyển động không có gia tốc đều phải được đối xử bình đẳng ngay cả khi chúng chuyển động thẳng đều với nhau

Trang 14

dạng) đối với tất cả các quan sát viên chuyển động theo quán tính

hợp với nguyên lí tương đối, nhưng các phương trình Maxwell cũng như các phép biến đổi Galilei lại mâu thuẫn với các nguyên lí đó.

Trang 15

- 14 -

căn bản như vậy giữa các định luật của động lực học và điện từ học, Anhstanh đã suy ra tiên đề 2

theo quán tính, vận tốc ánh sáng trong chân không không phụ thuộc vào chuyển động của nguồn sáng

và bằng

(m/s)

8 o

o

10 3

1

µ ε

Trang 16

trong cơ học cổ điển

biến khi chuyển từ một hệ quán tính này sang một

hệ quán tính khác

luật cơ học nào đó, biểu diễn qua tọa độ và thời gian, sẽ giữ nguyên dạng trong tất cả các hệ quán tính

nguyên lí tương đối Galileo từ các hiện tượng cơ học sang các hiện tượng vật lí nói chung

Trang 17

- 16 -

tả dựa vào thế năng tương tác

nào đó với các chất điểm còn lại, tại mỗi thời điểm, chỉ phụ thuộc vào vị trí của các chất điểm tại cùng thời điểm đó

Trang 18

hệ chất điểm, tương tác sẽ ảnh hưởng ngay tức thời đến các chất điểm khác tại cùng thời điểm

gian truyền tương tác ∆t (∆t = 0, vì là truyền tức thời) ta sẽ thu được vận tốc truyền tương tác

truyền tương tác lớn vô hạn.

Trang 19

- 18 -

không tồn tại những tương tác tức thời

xảy ra một sự thay đổi nào đó, thì sự thay đổi này chỉ ảnh hưởng tới một chất điểm khác của hệ sau một khoảng thời gian ∆t nào đó (∆t > 0)

hạn

truyền tương tác là như nhau trong tất cả các hệ quán tính Nó là một hằng số phổ biến

Trang 20

cực đại và bằng vận tốc truyền ánh sáng c trong

tương đối Anhstanh sang cơ học cổ điển bằng cách cho c → ∞ ở trong các công thức của cơ học tương đối tính

Trang 21

- 20 -

 Sự mâu thuẫn của phép biến đổi Galilei với thuyết đối Einstein

biến của một quá trình vật lý trong các hệ quy chiếu quán tính K và K' đều như nhau

trong các hệ K và K' đều bằng nhau

t

t = ′

1 2

Trang 22

3. Động học TĐ tính–Phép biến đổi Lorentz

vector các vận tốc tương đối v' và vận tốc theo V

V v

Trang 23

- 22 -

chuyển động chậm (v << c) Nhưng rõ ràng là chúng mâu thuẫn với các tiên đề của thuyết tương đối Einstein

có tính chất tuyệt đối, khoảng thời gian diễn biến của một quá trình vật lí phụ thuộc vào các

hệ quy chiếu Đặc biệt các hiện tượng xảy ra đồng thời ở trong hệ quán tính này sẽ không xảy

ra đồng thời ở trong hệ quán tính khác

Trang 24

 Ví dụ minh họa : Giả sử có hai hệ quán tính K và

z'; hệ K' chuyển động thẳng đều với vận tốc V so với hệ K theo phương x

Trang 25

- 24 -

Trang 26

chuyển động với hệ K'

phương đều bằng c, nên ở trong hệ K' các tín hiệu sáng tới các điểm B và C ở cách đều A cùng một lúc Nhưng các tín hiệu sáng tới các điểm B

và C sẽ xảy ra không đồng thời ở trong hệ K

Trang 27

- 26 -

tốc truyền của tín hiệu sáng ở trong hệ K' vẫn bằng c

gặp tín hiệu sáng gửi từ A đến B còn điểm C chuyển động ra xa khỏi tín hiệu gửi từ A đến C,

do đó ở trong hệ K tín hiệu sáng sẽ tới điểm B sớm hơn

Trang 28

tương đối Galilei cũng không áp dụng được ở đây

ánh sáng theo chiều dương của trục x sẽ bằng c + V, và theo chiều âm của trục x sẽ bằng c - V Điều đó mâu thuẫn với thuyết tương đối Anhstanh.

Trang 29

- 28 -

 Phép biến đổi Lorentz

không thỏa mãn các yêu cầu của thuyết tương đối

khi chuyển từ hệ quán tính này sang hệ quán tính khác, thỏa mãn các yêu cầu thuyết tương đối Einstein, do Lorentz tìm ra được mang tên ông

trên

Trang 30

nhau, hệ K' chuyển động so với K với vận tốc v theo phương x

thời gian lần lượt xét trong các hệ K và K'

chất tuyệt đối mà trái lại phụ thuộc vào hệ quy chiếu nên thời gian trôi đi trong hai hệ sẽ khác nhau, nghĩa là:

t

t ≠ ′

Trang 31

- 30 -

trình

viết phương trình chuyển động của các gốc tọa

độ O và O' ở trong hai hệ K và K' Đối với hệ K, gốc O' chuyển động với vận tốc V Ta có

) t , x ( f '

0 Vt

trong đó x là tọa độ của gốc O' xét với hệ K

Trang 32

của nó trong hệ K' bao giờ cũng bằng không

K', nghĩa là khi thay x' = 0 vào (1) ta phải thu được (2), thì f(x,t) chỉ có thể khác (x-Vt) một số nhân α nào đó

0 '

( x Vt )

Trang 33

- 32 -

Nhưng đối với hệ K gốc O là đứng yên Lập luận tương tự như trên ta có

 Theo tiên đề thứ nhất của Einstein mọi hệ quán tính đều tương đương nhau, nghĩa là từ (3) có thể suy ra (4) và ngược lại bằng cách thay thế V

Trang 34

x = ct thì x' = ct', thay các biểu thức này vào (3)

1

−

=

α

Trang 35

- 34 -

Vt

x '

' Vt '

x x

−

+

=

2 2 2

c

V 1

x c

V t

' t

−

=

2 2 2

c

V 1

'

x c

V '

t t

− +

=

Trang 36

ràng là y = y' và z =z' Tóm lại ta thu được công thức biến đổi Lorentz cho phép biến đổi tọa độ

và thời gian từ hệ K sang hệ K'

2

2 c

V 1

Vt

x '

c

V 1

x c

V t

' t

−

= (5)

Trang 37

- 36 -

hệ K

Lorentz Qua đó ta thấy được mối liên hệ mật thiết giữa không gian và thời gian

2

2 c

V 1

' Vt '

x x

−

+

2 2 2

c

V 1

'

x c

V '

t t

−+

= (6)

Trang 38

hay khi → 0 thì các công thức (5) (6) sẽ chuyển thành

Galilei

Vt x

'

' Vt '

x

Trang 39

- 38 -

tác tức thời, điều kiện thứ hai → 0 tương ứng với

sự gần đúng cổ điển

t trở nên ảo, điều đó chứng tỏ không thể có các chuyển động với vận tốc lớn hơn vận tốc ánh sáng c Cũng không thể dùng hệ quy chiếu chuyển động với vận tốc bằng vận tốc ánh sáng

vì khi đó mẫu số trong các công thức (5), (6) sẽ bằng không

Trang 40

4. Các hệ quả của phép biến đổi Lorentz

 Khái niệm về tính đồng thời và quan hệ nhân quả

hai hiện tượng đó trong hệ K', chuyển động với vận tốc V dọc theo trục x

( )

2

1 2

2 1

2

V

x

x c

V t

t t

Trang 41

- 40 -

niệm tương đối, hai biến cố có thể đồng thời ở trong một hệ quy chiếu này nói chung có thể không đồng thời ở trong một hệ quy chiếu khác

Trang 42

2 - t '

1

2 - t '

không những khác nhau về độ lớn mà còn khác nhau về dấu

ngược lại)

Trang 43

- 42 -

cho các biến cố có liên hệ nhân quả với nhau

nhân và kết quả

quyết định sự ra đời của kết quả

viên đạn trúng đích (kết quả)

Trang 44

Trang 45

- 44 -

biến cố viên đạn trúng đích cũng xảy ra sau biến

giờ cũng được tôn trọng

( )

2 2

2 1

2

c

V 1

c

Vv 1

t t

Trang 46

 Sự co ngắn Lorentz

sánh độ dài của một vật và khoảng thời gian của một quá trình ở trong hai hệ K và K'

dọc theo trục x', độ dài của nó trong hệ K' bằng

định vị trí các đầu của thanh trong hệ K tại cùng thời điểm

Trang 47

2 2

2 2 2

2

c

V 1

t c

V x

' x

−

=

2 2

1 2 1

1

c

V 1

t c

V x

' x

−

=

2 2

1

2 1

2

c

V 1

x

x '

c

V 1 l

Trang 48

thanh trong hệ quy chiếu mà thanh chuyển động ngắn hơn độ dài của thanh ở trong hệ mà thanh đứng yên"

thước của nó bị co ngắn theo phương chuyển động

Trang 49

0 c

V 1

2

≈

−

Trang 50

động với vận tốc V lớn như vậy ta sẽ thấy nó có dạng một hình hộp chữ nhật, một khối cầu chuyển động nhanh như vậy ta sẽ thấy nó có dạng một êlipxôit tròn xoay

tùy thuộc vào chỗ ta quan sát nó ở trong hệ đứng yên hay chuyển động

Trang 51

các hệ quy chiếu đã thay đổi Nói một cách khác không gian có tính chất tương đối Nó phụ thuộc vào chuyển động

c) từ công thức (8) ta trở lại kết quả trong cơ học cổ điển, ở đây không gian được coi là tuyệt đối, không phụ thuộc vào chuyển động

Định dạng
Số trang	180
Dung lượng	2,29 MB