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 ?