NĂNG LƯỢNG TRUYỀN TRONG MÔI TRƯỜNG Phan Trường Giang Chủ tịch Liên hiệp hội KH-KT Vĩnh Phúc Giữa kỷ 19 Julius Robert Mayer tìm tượng vật lý phổ quát tự nhiên Năng lượng không tự nhiên sinh không tự nhiên mà chuyển từ dạng sang dạng khác hay chuyển từ vật sang vật khác Quy luật định luật bảo toàn lượng Hiện vật lý công nhận “phương tiện chuyền lượng từ vật sang vật khác thông qua sóng môi trường thông qua hạt phát từ nguồn, sóng nước đem theo lượng đầu sóng, ánh sáng đem theo lượng từ hạt photon phát từ nguốn sáng hay động chuyền từ vật sang vật khác thông qua vật trung gian chuyển động phát từ nguồn chuyển động tới điểm đến v.v Trong tự nhiên phương thức chuyền lượng mà lượng không mang đầu sóng mà không mang hạt phát từ nguồn chuyển động từ chỗ tới chỗ A F n B Hình Giả sử có tập hợp (một môi trường) gồm viên bi (như hình1), viên bi thứ A nhận lực tác động F chuyển động va chạm với viên bí thứ 2, viên bi thứ tiếp tục chuyển động va chạm với viên ví thứ 3, tiếp tục tác động chuyền tới viên bi thứ n B, viên bi B nhận lượng Trong trường hợp chuyển động viên bi từ A tới B Năng lượng chuyền từ A tới B không theo mô hình sóng (Không giao động viên bi), không theo mô hình hạt viên bi số A không chuyển động từ A đến B Trong giới tự nhiên nhiều lượng chuyền theo dang này, gọi lượng chuyền môi trường, phương tiện để “mang” lượng trường hợp môi trường vật chất Một số đặc tính truyền lượng môi trường: - Năng lượng truyển môi trường với vận tốc lớn vận tốc chuyển động hạt vật chất cấu tạo, vô lớn: Với lượng mang theo vật thể riêng lẻ, vận tốc truyền lượng vận tốc chuyển động vật thể (v = s/t) quãng đường vật thể đơn vị thời gian; Với lượng chuyền theo phương thức sóng âm thamh, ánh sáng, điện vv…năng lượng truyền không đồng nghĩa với chuyển động hạt vật chất từ điểm đầu tới điểm cuối, vận tốc truyền lượng khoảng cách lượng truyền đơn vị thời gian (v= λ/t – Trong λ bước sóng) mà không đồng nghĩa với vận tốc chuyển động riêng lẻ hạt vật chất mang lượng Còn lượng truyền môi trường sao? vận tốc truyền lượng có trùng với vận tốc chuyển động hạt vật chất không Giả sử có môi trường lấp đầy viên bi, viên bi vô cứng (để vận tốc truyền lượng thân lớn vô cùng), lượng truyền tức thời từ phía tới phía đối diện viên bi Để đơn giản ta xem xét trường hợp viên bi xếp thành đường thẳng từ điểm A tới điểm B, (hình 2): F n A B Hình Ta ký hiệu ; - Đường kính viên bi D; - Khoảng cách hai mép viên bi giáp d; - Khoảng cách hai điểm A B S; - Tổng số viên bi khoảng A-B n Có lực tương tác F chuyển động với vận tốc v va chạm vào viên bi điểm A, viên bi chuyển động với vận tốc v hết quãng đường d sau va chạm vào viên bi thứ 2, viên bi thứ tiếp tục chuyển động với vận tốc v hết quãng đường d lại tiếp tục va chạm với viên bi thứ 3…, trình kết thúc viên bi cuối n điểm B nhận tác động từ viên bi áp chót Kết thúc trình động chứa viên bi truyền từ A đến B Ở trình ta xét tính tới động vật, động truyền trường hợp nượng truyền Như vậy: Năng lượng truyền từ A tới B với khoảng cách S = n*D + (n-1)*d Thời gian cần thiết để Động truyền từ A tới B là: (n-1)*d/v (Theo giả thiết ban đầu thời gian động truyền từ điểm bên tới điểm đối diện viên bi ) Gọi Vận tốc truyền lượng V ta có: V = S/T = (n*D + (n-1)*d)*v/ (n-1)*d Công thức viết lại là: V= (n*D/(n-1)*d + 1)*v (N*D/(n-1)*d +1) >1 vận tốc truyền lượng môi trường lớn vận tốc chuyển động hạt vật chất môi trường vận tốc tương tác ban đầu khoảng cách hạt vật chất nhỏ vô (d 0) vận tốc V cực lớn Nếu vân tốc tác động vận tốc ánh sáng vận tốc truyền lượng lớn vận tốc ánh sáng - Đặc tính hai mặt sóng, hạt phương thức truyền lượng môi trường: Năng lượng truyền môi trường chứa hạt vật chất cấu tạo nên môi trường, va chạm hạt vật chất cấu tạo nên môi trường với nơi nhận, vi mô lượng truyền lượng nhỏ tách rời ( tính chất hạt) Đặc tính sóng: Xét môi trường truyền lượng hạt vật chất lấp đầy, để đơn giản xét môi trường gồm viên bi mặt phẳng (hình 3) c a b Hình Giả sử có tương tác theo hướng thẳng hàng với cấu tạo môi trường hướng a hình trên, cấu tạo môi trường hạt không sếp sít ( khoảng cách hạt lớn), trình chuyển động quãng đường d viên bi chuyển động không va chạm với viên khác, viên bi chuyển động giữ nguyên lượng tới viên bi tiếp theo, lượng mang theo tương tác tiếp tục truyền thẳng hướng tương tác ban đầu Ở môi trường có cấu tạo hạt vật chất xít nhau, hạt vật chất nhận tương tác di chuyển thẳng hướng tương tác, di chuyển quãng đường d va chạm vào hạt vật chất xung quanh hướng Tiếp tục hạt di chuyển tiếp tục va chạm truyền lượng chuyển động cho hạt khác Năng lượng (Động năng) chuyển động phụ thuộc lực tác động, độ lớn lực tác động phụ thuộc góc tác động, lực tác động thẳng hướng tương tác lớn , gia tốc vận tốc chuyển động dẫn tới động di chuyển thẳng hướng với tương tác ban đầu lớn nhất, lượng truyền nhiều nhất, hướng khác lực tương tác nhỏ lượng mang theo tương tác hơn, góc truyền lượng với phương tác động ban đầu lớn lực tương tác nhỏ, lượng truyền di theo hướng nhỏ Năng lượng chuyền tán xạ môi trường, phương thức truyền lượng môi trường có tính chất lan tỏa toàn môi trường Đây đặc tính tán xạ truyền lượng môi trường Giả sử thời điểm hạt vật chất nhận tương tác có hướng khác nhau, hướng a hướng b, hướng c hình trên, chuyển động hạt đầu kết tổng hoà tác động trên, tức tương tác không giữ đặc tính tương tác độc lập, bị nhiễu Đây hiểu đặc tính Nhiễu xạ truyền lượng môi trường Khi có nhiều tương tác lên vật, tương tác mạnh lên (cộng hưởng) tạo hợp lực với nhau, làm cho lượng chứa hạt vật chất tăng lên, ngược lại hướng tác dụng tương tác trái chiều triệt tiêu làm cho hạt vật chất bị triệt tiêu chuyển động theo hướng đó, chất giao thoa, cộng hưởng Với môi trường có hạt vật chất xít nhau, đoạn đường d coi 0, tức hạt vật chất môi trường không chuyển dịch truyền lượng, hướng tác động không làm thay đổi vị trí hạt vật chất, hường truyền lượng không bị triệt tiêu gặp nhau, đặc tính ánh sáng Như đặc điểm truyền lượng môi trường vừa mang tính chất sóng, vừa mang tính chất hạt, góc độ nhỏ “Lượng tử” tính chất hạt thể rõ, góc độ tổng thể tính chất Sóng thể rõ Truyền lượng dạng có nhiều tự nhiên Vậy phải ánh sáng việc truyền lượng môi trường lấp đầy hạt “Pho ton” lượng ánh sáng truyền môi trường hạt ton Năng lượng truyền từ môi trường sang môi trường khác Trong tự nhiên lượng truyền từ điểm tới điểm qua loại môi trường khác Điều xảy lượng truyền từ môi trường sang môi trường khác có cấu tạo khác nhau? Môi trường truyền lượng khác có cấu tạo hạt vật chất môi trường khác nhau; có liên kết hạt vật chất khác môi trường truyền điện cấu tạo từ điện tích dương (Nguyên tử electoron) electoron tự do, môi trường truyền lượng sóng nước cấu tạo từ phân tử nước liên kết với nhau; có khoảng cách hạt cách xếp hạt môi trường khác vv… Để đơn giản giả sử có hai môi trường, một môi trường cấu tạo hạt có khối lượng m1 môi trường có cấu tạo hạt có khối lượng m2 lượng truyền từ môi trường hạt có khối lượng m1 sang môi trường có cấu tạo hạt có khối lượng m2 Theo định luật III Newton “Trong trường hợp, vật A tác dụng lên vật B lực, thi vật B tác dụng lại vật A lực Hai lực có giá trị, độ lớn, ngược chiều” Khi hạt m1 chuyển động va chạm với hạt m2, hạt m1 tác dụng lên hạt m2 lực F1, theo định luật m2 tác dụng lại m1 lực F2, giá trị F1=F2, ngược chiều F1 theo chuều truyền lượng, F2 ngược lại Định luật Newton “Gia tốc vật hướng với lực tác dụng lên vật Độ lớn gia tốc tỷ lệ thuận với độ lớn lực tỷ lệ nghịch với khối lượng vật” thể công thức: F = m.du/dt Với hạt m1 ta có: F2 = m1 du1/dt (*) ; với hạt m2 F1 = m2.du2/dt (*) Gọi U1 vận tốc hạt m1 sau va chạm ; U2 vận tốc hạt m2 sau va chạm v vận tốc chuyển động hạt m1 trước va chạm Từ (*) có du1= F2.dt/m1; du2 = F1 dt/m2 (**) Giữa m1 m2 có trường hợp sau: * Trường hợp m1 m2: Từ (**) F1 = F2 ; m1 = m2 du1 = du2 gia tốc hạt m1 m2 ngược chiều, u2 hướng theo chiều truyền lượng, u1 hướng ngược lại Với hạt m2 ban đầu đứng yên, sau va chạm tăng lên vận tốc v ( v vận tốc chuyển động hạt m1 trước va chạm) theo chiều truyền lượng Còn hạt m1 sau va chạm từ chuyển động với vân tốc v giảm gia tốc m1 m2 nhau, lượng giảm lượng tăng vận tốc sau va chạm thời gian Như hạt m2 nhận toàn lượng lượng (ở động (1/2 m2.v2)) Việc truyền lượng từ môi trường sang môi trường trường hợp lượng bảo tồn truyền 100% (Thực chất truyền môi trường) * Trường hợp m2 nhỏ m1: Vì lực tác dụng có giá trị gia tốc hạt m2: du2 = F1 dt/m2 lớn gia tốc hạt m1: du1 = F2.dt/m1 Trong khoảng thời gian t hạt m1 giảm vận tốc từ v tới hạt m2 tăng vận tốc từ đến giá trị lớn v Tức vận tốc hạt m sau va chạm lớn vận tốc trước va chạm hạt m1, đồng thời vận tốc tnăng lượng môi trường thứ chứa hạt m2 lớn vận tốc truyền lượng môi trường thứ chứa hạt m1 Khi khối lượng hạt môi trường thứ nhỏ thi gia tốc lớn nhiêu vận tốc hạt môi trường lớn, vận tốc truyền lượng lớn Như nói vận tốc truyền lượng tăng lên lượng truyền từ môi trường có khối lượng hạt vật chất lớn sang môi trường có khối lượng hạt vật chất nhỏ Trong trường hợp m2 = du2 lớn vô cùng, vận tốc m2 sau va chạm lớn vô vây vận tốc truyền lượng vô cùng, thực tế không tồn vận tốc truyền lượng lớn vô (không giới hạn) , đồng nghĩa hạt vật chất môi trường có khối lượng, không tồn môi trường truyền lượng mà hạt vật chất cấu tạo nên khối lượng (Với vận tốc vô lớn sau va chạm thân hạt biến vũ trụ) * Trường hợp m2 lớn m1: Ngược lại với trường hợp khối lượng hạt m2 lớn khối lượng hạt m1, thi gia tốc du2 nhỏ gia tốc du1 Vận tốc hạt m2 sau va chạm nhỏ vân tốc hạt m1 sau va chạm, nói vận tốc truyền lượng giảm lượng truyền từ môi trường có khối lượng hạt vật chất nhỏ sang môi trường có khối lượng hạt vật chất lớn u1 ngược chiều truyền lượng, tức hạt m1 chuyển động ngược lại chiều truyền lượng, coi gốc rễ phản xạ Định luật bảo toàn lượng có nội dung: Năng lượng không tự sinh không tự mà truyền từ dạng sang dạng khác hay từ vật sang vật khác Tổng động ban đầu hai hạt m1 m2 m1.v2/2 (vì hạt m2 có vận tốc 0), sau va chạm tổng động không thay đổi Tức m1.u12/2 + m2.u22/2 = m1.v2/2 u2 nhỏ u1 lớn lên vượt qua vận tốc ban đầu m1 v Khi u2 u1 v, động hạt m1 m1.u12/2 động ban đầu hạt m1 m1.v2/2 toàn động bảo tồn đổi chiều Khi m2 vô lớn, du2 tương đương 0, u2 tương đương 0, lượng truyền theo hướng ngược lại có độ lớn mức lượng ban đầu mang m1, coi phản xạ toàn phần, trường hợp khó có tự nhiên trường hợp hạt m2 có khối lượng vô cùng, phản xạ toàn phần truyền lượng không xảy Những tượng vật lý thông dụng tự nhiên, khoa học vật lý phát từ lâu, áp dụng mô hình lượng truyền môi trường để giải thích tượng không để xác thực rằng: Trong tự nhiên môi trường truyền có tác dụng lượng từ chỗ tới chỗ kia, từ vật sang vật khác (một số dạng lượng môi trường không truyền ánh sang, điện từ, song dọc v.v…) Phương thức truyền phương thức tự nhiên, trì tồn giới tự nhiên, có nhiều môi trường khác truyền dạng lượng khác nhau, nghiên cứu môi trường truyền lượng, dang lượng để tiếp nhận biến đổi lượng có ích hơn, hiệu phục vụ 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 ánh sáng – tác giả: Trần Ngiêm – nguồn: thuvienvatly.com - Vận tốc ánh sang không gian chậm lại – Tác giả Brgan (VACA)theo Science Daily - Động – Tác giả JK viết ngày 18/6/2014- Nguồn thuvienvatly.com - Giả thiết môi trường truyền ánh sang giải thích hợp lý lưỡng tính sang hạt – tác giả Phùng Văn Hòa đăng ngày 19/12/2009 Khoahoc.vn