Kiến thức vật lý học & ứng dụng trong đời sống - Phạm Thị Hồng Nhung

PHẠM THỊ HỒNG NHUNG

KIẾN THỨC VẬT LÝ HỌC
&
ỨNG DỤNG TRONG ĐỜI SỐNG

Phạm Thị Hồng Nhung (sưu tầm)
TRANG 1
PHẠM THỊ HỒNG NHUNG
Ma sát của lốp xe hơi 3
Những cây cầu 4
Năng lượng con người 6
Đo huyết áp 7
Trái Đất, Mặt Trăng và thuỷ triều 9
Sức căng bề mặt và phổi 10
Động cơ xăng 12
Máy bay bay như thế nào? 14
Đi và chạy 15
Tai người và việc nghe 17
Lưỡng cực và lò vi sóng 18
Máy ghi điện tâm đồ 19
Điện giật 20
Chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) 21
Nghịch lí anh em sinh đôi 23
Photon và sức nhìn 24
Kính hiển vi điện tử 25
Màn hình tinh thể lỏng 26
Lưu lượng giao thông vào giờ cao điểm 27
Cơ học của các động tác quay trong vũ đạo 29
Vật Lí về không trọng lượng 33
Vật Lí và thể thao khí động lực học về vật ném 37

Sức cản khí động lực học 38
Âm học của phòng hòa nhạc: khoa học hay nghệ thuật? 43
Sự hoàn chỉnh hiệu năng cho phòng Hòa Nhạc 44
Sự sôi và hiệu ứng Leidenfrost 48
Phải chăng sự tạo thành lớp CO2 làm ấm khí hậu của chúng ta 52
Bay bằng từ 57
Từ học và đời sống 62
Vật Lí và đồ chơi 66
Thông tin bằng sóng sáng dùng sợi quang học 69
Phép chụp ảnh toàn ký 73
Ứng dụng của laser 78
Y học hạt nhân 84
TRANG 2
PHẠM THỊ HỒNG NHUNG
Ma sát của lốp xe hơi
Các lốp xe ảnh hưởng đến sự an toàn của bạn đến mức nào khi bạn lái xe trên
xa lộ? Yếu tố nào ngăn cho xe khỏi bị trượt và cho phép bạn kiểm soát xe khi bạn
cua xe hay dừng lại? Ma sát làm được gì ở đây?
Bề mặt lốp xe đóng vai trò chủ yếu
trong việc tạo ma sát hay chống trượt.
Trong điều kiện khô ráo, một lốp xe nhẵn
sẽ tạo lực đẩy lớn hơn bởi vì diện tích
tiếp xúc lớn hơn sẽ làm tăng lực ma sát.
Vì vậy, lốp xe dùng cho xe đua trên các
đường đua có bề mặt nhẵn không có
khía (Hình P.101).
Rủi thay, một lốp xe nhẵn tạo ra rất
ít ma sát khi đường ướt bởi vì sự ma sát
bị giảm đáng kể do có lớp nước rất mỏng bôi trơn giữa mặt đường và lốp xe. Lốp xe
có bề mặt nhiều khía sẽ tạo nên các rãnh cho nước bị ép thoát ra được và cho phép

lốp xe tiếp xúc trực tiếp với mặt đường. Một lốp xe có khía có hệ số ma sát khô và
ướt là khoảng 0,7 và 0,4. Giá trị này nằm giữa khoảng giá trị rất lớn khi khô (0,9) và
rất nhỏ khi ướt (0,1) đối với lốp xe nhẵn.
Lý thuyết ma sát cổ điển cần được sửa đổi cho lốp xe bởi vì cấu trúc mềm dẻo
của chúng và độ dãn của cao su. Thay vì chỉ phụ thuộc hệ số ma sát giữa bề mặt
đường và lốp xe (hệ số này quyết định bởi bản chất của mặt đường và cao su của
lốp xe). Khả năng dừng tối đa cũng còn phụ thuôc vào độ bền của lốp xe với lực xé
rách khi xe thắng gấp. Khi xe thắng gấp trên đường khô, lực ma sát tạo ra có thể lớn
hơn sức bền của bề mặt lốp xe. Kết quả là thay vì chỉ bị trượt trên đường, cao su có
thể bị xé rách. Rõ ràng độ bền chống lại xé rách sẽ phụ thuộc vào lớp bố cũng như
hình dạng các khía.
Trọng lượng của xe được phân bố không đều trên diện tích tiếp xúc với mặt
đường, tạo các vùng áp suất cao thấp khác nhau (giống như khi bạn đi bộ bằng dép
mỏng trên sỏi). Độ bền chống xé rách sẽ
lớn hơn ở vùng có áp suất cao hơn.
Hơn nữa, kích thước của diện tích
tiếp xúc là rất quan trọng bởi vì lực đẩy là
động hơn là tĩnh tức là nó thay đổi khi
bánh xe lăn. Diện tích tiếp xúc càng lớn,
lực đẩy càng lớn. Do đó, với cùng tải và
trên cùng bề mặt khô, lốp xe rộng hơn sẽ
có lực đẩy tốt hơn, làm xe có khả năng
dừng tốt hơn.
Khi bạn đi mua lốp xe, hãy suy nghĩ
về điều kiện thời tiết và chất lượng mặt đường, cũng như vận tốc bạn lái xe. Nếu bạn
lái xe trên đường tốt, bạn chỉ cần lốp xe có khía vừa phải. Nếu bạn lái xe trên đường
bùn hay tuyết, bạn cần lốp xe thiết kế cho các điều kiện này.
TRANG 3
PHẠM THỊ HỒNG NHUNG
Xe đua chạy trên đường siêu tốc được trang bị lốp rộng, nhẵn gọi là “lốp tăng

tốc”. Lốp xe đua trên đường khô có bề mặt tiếp xúc nhẵn. Lốp có khía được dùng
phổ biến để tạo rãnh cho nước thoát ra khi chạy trên đường ướt (Hình P.102). Bởi vì
nếu không có khía, lốp xe đua không thể chạy trên đường ướt.
Những cây cầu
Làm sao để qua sông? Có lẽ câu trả lời đầu tiên là làm một chiếc cầu. Người ta
đã xây dựng những cây cầu trong nhiều thế kỷ, và ngày nay vẫn tiếp tục thiết kế và
xây dựng những cây cầu dài hơn, đẹp hơn.
Những cây cầu đầu tiên là những thân cây hay tấm đá gác lên hai bờ. Khoảng
cách giữa những tấm đó phụ thuộc vào chiều dài và sức bền của vật liệu. Sự phát
triển của giàn cầu, một tổ hợp các xà nối với nhau sao cho mỗi thanh chia một phần
trọng lượng cầu, làm tăng tỉ số sức bền trên trọng lượng. Thành phần của giàn cầu
là những thanh thẳng nối với nhau thành một loạt tam giác. Cấu trúc tạo thành nhẹ
hơn và cứng hơn một thanh đơn và có thể chịu tải trên một khoảng cách lớn hơn.
Trong thuật ngữ hiện đại thiết kế giàn cầu cần kiến thức về sự cân bằng và sức bền
vật liệu.
Hình P.201 - Cầu Mỹ
Thuận thuộc tỉnh Vĩnh
Long - Việt Nam là một
cầu treo chống đỡ tải trọng
bằng cách truyền các lực
căng dọc theo cáp treo tới
trụ chính, các trụ truyền
các lực nén xuống đất.
Những cầu giàn đầu
tiên được làm bằng gỗ.
Những giàn sau đó được
gia cố bằng sắt hay làm
toàn bộ bằng sắt. Vào cuối
thế kỷ 19, vật liệu phổ biến
để làm giàn cầu là thép. Hầu hết các cầu xa lộ ở Mỹ từ khoảng năm 1890 đến giữa

thế kỷ 20 là những cầu giàn thép, đặc biệt đối với
các nhịp từ 200 đến 400m.
Các khoảng cách dài hơn có thể đạt được
bởi cầu vòng cung. Thiết kế cơ bản của cầu vòng
cung đã được hoàn thiện từ nhiều thế kỷ trước bởi
người La Mã. Bí mật của cầu vòng cung là trọng
lượng của nó và của tải đều là lực nén, điều này
cho phép dùng đá làm vật liệu xây dựng. Một vài
cây cầu đá làm từ thời La Mã đến nay vẫn con
đứng vững. Thiết kế của vòng cung tạo ra một lực
hướng xuống và ra mép đáy vòng cung. Một cầu
vòng cung xây dựng đúng đắn có thề dài hàng
trăm mét. Ví dụ, cầu vòng cung thép băng qua
vịnh Sydney (Úc) dài 503m và cầu trên sông
Gorger ở Đông Virginia (Mỹ) dài 518m. Cả hai cầu
TRANG 4
PHẠM THỊ HỒNG NHUNG
thép này dùng giàn thép gia cố trên vòng cung cơ bản. Nhịp cầu lớn nhất cho cầu
vòng cung thép đã được ước tính là vào khoảng 900m.
Hình P.202 - Một cầu vòng cung chống đỡ tải của nó bằng cách truyền các lực
nén tới trụ chống. Cầu trên quốc lộ 1 ở California được tựa vào vách đá.
Những nhịp cầu dài nhất đạt được với những cầu treo, treo bằng những dây
cáp thép giữa những trụ cao. Đầu dây cáp được neo trên bờ bên kia bằng các chỗ
neo bằng bêtông cứng. Nhờ có tỉ số sức bền trên trọng lượng lớn, cầu treo có thể
làm dài hơn các loại cầu khác. Cầu Askashi-Kaikyo ở Nhật là cầu có nhịp dài nhất
trên thế giới, với khoảng cách 170m giữa các trụ.
Các cầu treo ngày nay dựa nhiều vào các nhà thiết kế của cầu Brooklyn, John
Roebling và con trai là Washington Roebling. Vào năm 1866 Roebling Bố, người đã
đi tiên phong trong việc xoắn dây từ đầu neo này đến đều neo kia qua đỉnh của cột,
nhận nhiệm vụ thiết kế và xây dựng một cây cầu nối Brooklyn và Mahattan. Ba năm

sau, việc thiết kế hoàn thành, John Roebling chết vì bệnh uốn ván do tai nạn ngay tại
chỗ làm cầu. Con trai ông tiếp tục nhiệm vụ và giám sát việc xây dựng bằng cách
dùng buồng kín nước gọi là buồng khí nén, để đến vùng áp suất cao ở móng cầu.
Trong khi đang làm việc trong buồng khí
nén, Washington Roebling bị bệnh khí ép
do buồng bị mất khí đột ngột. Ông bị liệt
một phần, và giám sát phần còn lại của
công việc từ giường bệnh qua cửa sổ, vợ
Ông là Emily thực hiện các lệnh của ông và
chỉ đạo thợ. Khi cầu khánh thành vào tháng
5 năm 1883 nó là cầu treo dài nhất trên thế
giới thời bấy giờ với nhịp chính dài 486m.
Hình P.203 - Cầu giàn truyền tải trọng
tới trụ bằng tổ hợp các lực nén (các vector
hướng vào nhau) và lực căng (các vector
hướng xa nhau). Cầu Mystic Tobin băng
qua sông Mystic ở Boston, Massachusetts,
là một ví dụ của cầu giàn.
Hình P.204 - Cầu Pont du Gard ở gần
Nîmes, miền Nam nước Pháp. Cầu là một hệ
thống ống dẫn nước và được xây bởi người
Roman vào đầu thế kỷ thứ nhất TCN. Cấu
trúc vững chãi này vẫn đứng vững để chứng
thực cho kỹ năng siêu việt của những người
kỹ sư Roman.
TRANG 5
PHẠM THỊ HỒNG NHUNG
Năng lượng con người
Định luật bảo toàn năng lượng có áp dụng cho cơ thể bạn không? Câu trả lời là
có.

Thực phẩm bạn ăn là nhiên liệu cung
cấp năng lượng cho bạn tồn tại và làm việc.
Các chất xúc tác, gọi là các enzyme, cho
phép đốt cháy nhiên liệu này ở nhiệt độ cơ
thể, biến đổi năng lượng hoá học thành
nhiệt và năng lượng khác. Nếu bạn nạp vào
quá nhiều nhiên liệu, một phần năng lượng
sẽ được lưu trữ trong khối lượng cơ thể và
bạn sẽ tăng cân. Nếu bạn nạp vào quá ít
năng lượng, bạn sẽ giảm cân. Do đó, nếu
bạn muốn duy trì cân nặng, năng lượng bạn
nạp vào phải bằng năng lượng cơ thể bạn
sử dụng. Sự cân bằng năng lượng này đôi
khi được gọi là năng lượng đủ sống.
Ở mọi nơi trên thế giới, năng lượng đều được đo bằng Jun. Calori là đơn vị
dùng phổ biến để đo năng lượng thưc phẩm. Không có gì ngạc nhiên là năng lượng
đủ sống phụ thuộc vào trọng lượng cơ thể và mức độ hoạt động. Hình B 3.1 trình
bày năng lượng đủ sống phụ thuộc vào khối lượng cơ thể. Đường biên dưới ứng với
người ít hoạt động. Đường biên trên ứng với người rất hoạt động. Ở Mỹ hầu hết mọi
người nạp vào khoảng 2000 đến 3000 Calori mỗi
ngày.
Hầu hết năng lượng thực phẩm đưa vào chỉ để
làm cơ thể tồn tại và giữ ấm. Khi bạn nằm yên trên
giường, cơ thể bạn dùng năng lượng ít nhất, năng
lượng trung bình dùng trong điều kiện đó, gọi là tốc độ
trao đổi chất cơ bản, là khoảng 1400 Calori mỗi ngày
cho phụ nữ và 1600 Calori cho đàn ông. Tốc độ này
ứng với công suất trung bình khoảng 75W. Hầu hết
các năng lượng nạp vào dùng để taí tạo tế bào. Năng
lượng tiêu phí nhả ra dưới dạng nhiêt để duy trì nhiệt

độ cơ thể.
Khi bạn tăng cường hoạt động, nhu cầu năng
lượng của bạn sẽ tăng lên. Ví dụ, hình B 3.2 chỉ ra
tốc độ sử dụng năng lượng tăng lên khi tăng tốc độ
đi bộ. Tốc độ tiêu thụ năng lượng tăng lên khi đi
nhanh hơn có nghĩa là khi bạn nhấc chân hoặc tay,
một ít năng lượng cần dùng để thắng ma sát bên
trong cơ thể. Hơn nữa, các bắp thịt là kém hiệu quả
trong việc chuyển năng lượng hoá học thành cơ
năng. Chỉ khoảng một phần năm hoá năng dùng bởi
các bắp thịt được chuyển thành cơ năng; phần còn
lại tiêu tán dưới dạng nhiệt; điều đó giải thích tại sao
bạn nóng hơn khi chạy. Mức tiêu thụ năng lượng
TRANG 6
PHẠM THỊ HỒNG NHUNG
trung bình của một người đàn ông không hoạt động là vào khoảng 2800 Calori, cho
phụ nữ không hoạt động là khảng 2000 Calori. Những người làm việc nặng nhọc cần
nhiều năng lượng hơn. Ví dụ một lực sĩ cần khoảng 8000 Calori mỗi ngày.
Bạn dùng bao nhiêu năng lượng trong thể thao và các hoạt động khác? Bảng
B6.1 cung cấp giá trị tiêu biểu cho một người nặng 70 kg. Để tìm giá trị cho bạn,
nhân số trong bảng với khối lượng của bạn và chia cho 70. Bảng chỉ cho năng lượng
trung bình. Khi bạn nhảy, ném hay cử tạ, năng lượng bạn cần có thể cao hơn.
Số Calori dùng bởi người nặng 70kg trong 10 phút
Hoạt động Năng lượng sử dụng
(Calori) (Jun)
Bóng chuyền 34 142,000
Đi bộ (5km/h) 40 167,000
Đi bộ (7km/h) 58 242,000
Chạy bộ chậm (7 phút - 1km) 91 380,000
Chạy bộ (5 phút –1km) 141 590,000

Đi xe đạp (10km/h) 47 197,000
Đi xe đạp (18km/h) 81 339,000
Bơi (ếch) 72 301,000
Bơi (sấp) 87 364,000
Thể dục mềm dẻo 49 205,000
Tennis 68 285,000
Bóng ném 95 398,000
Trượt tuyết (xuống dốc) 95 398,000
Trượt tuyết (đường bằng) 108 452,000
Trượt băng (vừa phải) 54 226,000
Chèo xuồng 70 293,000
Leo núi 100 420,000
Golf 54 226,000
Đo huyết áp
Hầu như mỗi khi bạn đi kiểm tra sức khỏe, người ta đo huyết áp của bạn. Đó là
một việc làm thông dụng nhất của ngành y. Người ta quấn một băng quanh tay bạn,
bơm hơi căng, rồi lắng nghe qua ống nghe đặt vào tai trong khi nhả hơi ra từ từ.
Chuyện gì xảy ra khi người ta đo huyết áp?
Trái tim là một bắp thịt lớn, chịu trách nhiệm bơm máu đi khắp cơ thể. Máu từ
cơ thể quay về qua tĩnh mạch về ngăn bên phải tim. Tim bơm máu này qua phổi.
Phổi lấy khí dioxit cacbon ra khỏi máu và cấp oxy vào máu. Ngăn bên trái tim nhận
máu giàu oxy từ phổi và bơm nó đi khắp cơ thể qua động mạch. Máu chảy từ động
mạch đến tĩnh mạch qua các mao mạch.
Y học quan tâm đến áp suất trong hai hoạt động của quả tim: huyết áp Tâm
Thu, khi trái tim co lại; và huyết áp Tâm Trương, khi tim nghỉ giữa hai nhịp đập. Hoạt
động bình thường của trái tim làm cho huyết áp dao động giữa hai giá trị này. Giá trị
TRANG 7
PHẠM THỊ HỒNG NHUNG
cao hay thấp bất thường của huyết áp có thể chỉ ra tình trạng bệnh tật vơí mức độ
nghiêm trọng khác nhau.

Cách trực tiếp nhất để đo huyết áp là nhét một ống đầy chất lỏng vào động
mạch và nối nó tơí một máy đo áp suất. Mặc dù điều này thỉnh thoảng được làm,
nhưng nó rất bất tiện. Phương pháp thường được dùng nhất là dùng một máy đo
huyết áp. Một băng không đàn hồi có ruột có thể thổi phồng lên được được đặt vào
cánh tay, ở độ cao vào cỡ độ cao của tim. Băng được nối trực tiếp tơí áp kế(Hình
P.401). Khi băng được bơm phồng; nếu đủ áp suất, máu chảy qua động mạch tay sẽ
dừng lại. Nêú băng đủ dài
và bó sát vào cánh tay, áp
suất trong mô của cánh tay
sẽ bằng áp suát trên băng
và cũng bằng áp suất trong
động mạch. Thực tế là
nguyên lý Pascal đã được
áp dụng cho hệ thống gồm
băng, cánh tay và động
mạch.
Sau khi dòng máu
chảy bị ngưng, áp suất
trong băng được giảm đi
bằng cách nhả bớt hơi. Sự
giảm áp suất tương đương
vơí đường chấm chấm
trên hình P.401. Tại điểm mà áp suất động mạch hơi
vượt qua áp suất trong băng, máu sẽ chảy qua. Sự
tăng tốc của máu qua mạch sẽ tạo ra một tiếng kêu
nhận biết được nhờ ống nghe. Khi có tiếng kêu này,
áp kế chỉ áp suất cực đại hay tâm thu. Khi áp suất
trong băng tiếp tục giảm, có một tiếng kêu khác, ứng
vơí áp suất tâm trương. Số đọc trên hình P.401 ứng
vơí hai áp suất này và thường đọc là “110 trên 80” là

giá trị bình thường cho người khoẻ mạnh.
Số đo thực hiện bằng kỹ thuật này có thể thăng giáng tuỳ theo cách quấn băng
cũng như việc ước lượng điểm tại đó âm thanh thay đổi. Tình trạng của áp kế, kích
thước của tay và tốc độ băng được bơm hơi và nhả hơi cũng có thể có ảnh hưởng.
Hình P.402 so sánh áp huyết đo trực tiếp từ động mạch vơí áp huyết đo gián tiếp
bằng máy đo huyết áp.
Hình P.401 Đo huyết áp bằng maý đo huyết áp. Âm thanh nghe được trong
cánh tay xảy ra khi áp suất trong băng giảm xuống dươí áp suất tâm thu và áp suất
tâm trương.
TRANG 8
PHẠM THỊ HỒNG NHUNG
MỘT SỐ TỪ TRONG TIẾNG ANH VỀ TIM MẠCH và
HUYẾT ÁP
Sphygmomameter cuff băng của máy đo huyết áp
Inflation bulb bóng bơm hơi
artery động mạch
Diastolic pressure áp huyết tâm trương
systolic pressure áp huyết tâm thu
cuff pressure áp suất trong băng
Arterial pressure pulses xung áp suất động mạch
Intraarterial pressure áp huyết trong động mạch
cuff pressure áp huyết trong băng
ventricle tâm thất
auricle tâm nhĩ
mitral valve van hai lá
tricuspid van ba lá
aorta động mạch chủ
pulmonary veins tĩnh mạch phổi
pulmonary artery động mạch phổi
Trái Đất, Mặt Trăng và thuỷ triều

Thủy triều là quen thuộc với bất cứ ai đã từng sống gần bờ biển. Ngoài biển
khơi thủy triều lên cao khoảng nửa mét. Khi thủy triều tiến gần bờ, địa hình của bờ
thường làm nước dâng cao hơn, thường
vào khoảng ba mét. Thủy triều thay đổi
theo từng nơi. Trong một vài vùng thủy
triều thấp hơn, trong một số vùng khác
thủy triều cao hơn. Ở vịnh Fundy ở
Canada (Hình P.501) thuỷ triều lên cao
tới 15m.
Con người đã và đang mơ ước
biến được chuyển động của thủy triều
thành điện. Tuy nhiên, khả năng làm
điều này bị hạn chế tới một số ít vùng
nơi thủy triều thay đổi đủ lớn và nơi có
thể xây được các đập ngang qua các
kênh. Hiện nay, chi phí để xây dựng đắt hơn so với các phương pháp sản xuất điện
khác.
Thủy triều chủ yếu gây ra do sức hút của Mặt Trăng. Ngoài thủy triều trên đại
dương, Mặt Trăng cũng gây ra điạ triều trên mặt đất, nhưng điạ triều khó quan sát
hơn. Khi Mặt Trăng chuyển động trên quỹ đạo của nó, Trái Đất cũng chuyển động,
bởi vì cả hai cùng chuyển động quanh khối tâm của hệ Mặt Trăng-Quả Đất. Bởi vì
lực hấp dẫn tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách, phần nước ở phía Trái Đất
gần Mặt Trăng sẽ bị hút về Mặt Trăng với lực lớn hơn lực trung bình, trong khi phần
nước ở phiá xa Mặt Trăng bị hút với lực nhỏ hơn lực trung bình. Hơn nữa chuyển
động của Trái Đất quanh khối tâm cũng làm tăng chổ phồng của thuỷ triều về phía
TRANG 9
PHẠM THỊ HỒNG NHUNG
Mặt Trăng. Kết quả là xuất hiện hai chỗ phồng lên của đại dương ở hai phía đối nhau
của Trái Đất.
Bởi vì Trái Đất quay

quanh trục của nó nhanh
hơn Mặt Trăng quay xung
quanh Trái Đất, và bởi vì ma
sát giữa nước biển và đáy
biển, Trái Đất kéo cực đại
thủy triều đi trước vị trí tính
toán của cực đại này (Hình
P.502). Vị trí bất đối xứng
của các cực đại này so với
đường nối tâm Trái Đất và
Mặt Trăng tạo ra một
moment lực tác dụng lên
Mặt Trăng. Moment lực này làm tăng moment xung lượng của Mặt Trăng. Theo định
luật III Newton, một moment lực với cùng độ lớn sẽ tác động lên Trái Đất làm nó
quay chậm lại.
Mặc dù tổng moment xung lượng của hệ Mặt Trăng - Trái Đất là bảo toàn,
moment xung lượng được truyền từ Trái Đất sang Mặt Trăng. Cơ năng toàn phần
giảm do kết quả ma sát của thủy triều. Hệ quả là ngày sẽ dài ra vì Trái Đất quay
chậm lại, và tuần trăng sẽ ngắn lại do Mặt Trăng quay nhanh lên. Do sự tăng của
vận tốc, và do đó năng lượng, khoảng cách giữa Mặt Trăng và Trái Đất sẽ tăng lên.
Các hiệu ứng này đã được đo: độ dài của ngày đang tăng dần với tốc độ 20ms mỗi
năm, và Mặt Trăng đang đi xa khoảng 3cm mỗi năm. Các tính toán chỉ ra rằng Mặt
Trăng sẽ tiếp tục đi xa Trái Đất cho đến khi nó đạt khoảng cách khoảng 75 lần bán
kính Trái Đất. Khi đó độ dài của ngày trên Trái Đất sẽ bằng tuần trăng, và Trái Đất và
Mặt Trăng sẽ quay cùng tốc độ. Khi đó Trái Đất sẽ luôn luôn quay một mặt về phía
Mặt Trăng, giống như Mặt Trăng hiện nay chỉ luôn luôn hướng một mặt về Trái Đất.
Hình P.502 - Cực đại thuỷ triều xảy ra trước đường nối tâm Trái Đất và Mặt
Trăng vì sự quay của Trái Đất. Hình nhìn từ trên cực xuống (kích thước thuỷ triều đã
phóng đại cho dễ nhìn.)
Sức căng bề mặt và phổi

Hãy hít vào một hơi dài. Bạn có lẽ không bao giờ ngờ rằng, trong phổi có một
hiện tượng vật lí lý thú xảy ra mỗi khi bạn
thở. Nó luôn luôn xảy ra mà có thể bạn
không hề biết, nhưng hiện tượng đó thật là
kỳ diệu.
Không khí đi vào hai cuống phổi và chia
nhánh nhỏ cho đến tận cùng là các túi nhỏ,
gọi là các phế nang (Hình P.601). Ở đó xảy
ra sự trao đổi các chất khí với máu. Phổi
người lớn có khoảng 600 triệu phế nang.
Sức căng bề mặt của chất phủ mặt trong của
phế nang điều khiển nhiều chức năng quan
TRANG 10
PHẠM THỊ HỒNG NHUNG
trọng của phổi. Trước hết, hãy xét hai quả bóng xà phòng nối với nhau bằng một ống
có van (Hình P.601). Chuyện gì sẽ xảy ra khi mở van? Khi mở van, bóng bóng lớn sẽ
to lên trong khi quả bóng nhỏ lại cho đến khi mất hẳn. Chúng ta có thể hiểu được
điều này trên quan điểm năng lượng. Giống như một giọt chất lỏng tự do có hình cầu
để làm giảm tối thiểu năng lượng bề mặt, các bong bóng xà phòng cũng biến đổi sao
cho diện tích bề mặt là tối thiểu. Diện tích bề mặt của một quả cầu lớn sẽ nhỏ hơn
khoảng 30% so với diện tích bề mặt của hai quả cầu nhỏ với cùng thể tích như quả
cầu lớn. Do đó, khi mở van, hai bong bóng sẽ nhập thành một.
Nếu hiệu ứng bóng bóng lớn thu lấy bóng bóng nhỏ xảy ra trong phổi, các phế
nang nhỏ hơn sẽ biến mất và các phế nang lớn hơn sẽ to lên. Điều này không xảy ra
nhờ chất bề mặt phổi, chất này phủ bên trong phổi. Thực nghiệm chứng tỏ rằng sức
căng của chất bề mặt phổi tăng theo diện tích, trái với
nước và hầu hết các chất lỏng khác. Điều này có nghĩa là
năng lượng bề mặt của các phế nang lớn hơn. Mặc dù có tỉ
số bề mặt trên thể tích nhỏ hơn, năng lượng bề mặt vẫn có
thể bằng năng lượng bề mặt của phế nang nhỏ hơn. Do đó

các tuí khí lớn và nhỏ vẫn có thể tồn tại cân bằng.
Kết quả thực nghiệm chứng tỏ rằng sự biến thiên của
sức căng bề mặt với diện tích cũng giải thích một hiện
tượng khác trong phổi. Nếu bạn hít một hơi dài rồi thả lỏng
cơ ngực, không khí sẽ bị đẩy ra khỏi phổi. Một lý do của
điều này là tính đàn hồi của các mô làm phổi co lại và ép
hơi ra. Tuy nhiên, thí nghiệm đã chứng tỏ rằng chỉ có tính
đàn hồi của phổi không đủ để giải thích hiện tượng mà lý
do chính của hiện tường này là do sức căng bề mặt trong
phế nang, làm cho chúng co lại và đầy hơi ra. Hơn nữa,
hiệu ứng này phụ thuộc vào chất mà sức căng bề mặt tăng
cùng vơí diện tích, nếu không xu hướng đẩy hơi ra khi phổi
đã xẹp xuống sẽ yếu hơn nhiều.
Việc thở bình thường chỉ có thể có được khi trong phổi có đủ chất bề mặt và có
sức căng bề mặt thích đáng. Nếu sức căng bề mặt lớn hơn bình thường sẽ khó thở,
nếu sức căng bề mặt thấp hơn bình thường xu hướng đẩy hơi ra khi phổi xẹp xuống
sẽ giảm. Vài trẻ em sơ sinh, đặc biệt là những trẻ thiếu tháng, không có đủ chất bề
mặt làm cho phổi khó nở ra. Nếu không dược chữa trị tức thời, những em bé này sẽ
chết ngay sau khi sinh vì thiếu oxy. Tình trạng này được gọi là hội chứng suy hô hấp.
Hình P.601 - Mô hình bằng nhựa của đường dẫn không khí trong phổi. Các
đường tận cùng bằng các phế nang.
Hình P.602
(a) Hai bong bóng xà phòng bán kính khác nhau nối qua một ống
(b) Khi van mở ra, bong bóng lớn hơn sẽ phình to trong khi bong bóng nhỏ
co lại.
TRANG 11
PHẠM THỊ HỒNG NHUNG
Động cơ xăng
Các quảng cáo xe hơi mới thường nhấn mạnh sự gia tăng hiệu suất động cơ.
Quả thật là, trong những năm qua đã có những cải thiện thực sự trong việc tăng hiệu

suất động cơ. Nhưng điều này có thể tiến đến mức nào? Chúng ta hãy tìm hiểu bằng
cách phân tích một mô hình đơn giản của động cơ xe hơi.
Các động cơ đốt trong làm thành một loại đặc
biệt của các động cơ nhiệt vì sự đốt nhiên liệu xảy ra
trong lòng động cơ. Ví dụ về động cơ đốt trong bao
gồm động cơ xăng, động cơ diesel và turbine khí. Ở
đây chúng ta sẽ xét động cơ xăng như là đại diện cho
động cơ đốt trong.
Chu kỳ hoạt động của hầu hết các động cơ xe
hơi là bốn thì (Hình P.701). Trong kỳ hút một hỗn hợp
xăng và không khí được hút vào cylinder qua van hút nhờ chuyển động đi xuống của
piston. Van đóng lại và hỗn hợp khí – nhiên liệu được nén. Tại cuối thì nén khí được
châm lửa bằng tia lửa điện
từ bugi, làm tăng nhiệt độ
và áp suất của khí. Khí
nóng dãn ra đẩy piston
trong kỳ sinh công, truyền
năng lượng cho trục khuỷu.
Van xả mở ra khi piston đi
lên lần nữa, đẩy khí đã đốt
ra ngoài trong kỳ xả. Van
xả đóng lại, van hút mở ra
và lặp lại một chu kỳ mới.
Phân tích giản đồ
cho một động cơ thực
rất khó (Hình P.702a). Vì
vậy, động cơ xăng
thường được phân tích
dựa trên một chu trình
đơn giản hóa, do

Nicholas Otto(1831-
1891) đề nghị. Chu trình
Otto bắt đầu tại điểm A
trên giản đồ PV của
(Hình P.702b). Thể tích
tăng ở áp suất không
đổi đến điểm B khi
piston đi xuống trong kỳ hút. Trong kỳ nén chất khí được nén đoạn nhiệt đến điểm C.
Việc đánh lửa làm cho khí thay đổi đẳng tích đến điểm D có nhiệt độ và áp suất cao
hơn, rồi đi theo đường đoạn nhiệt đến điểm A trong kỳ sinh công. Việc mở van xả
làm cho áp suất giảm đẳng tích xuống điểm B, và tiếp đó là sự giảm thể tích ở áp
suất không dổi khi piston di chuyển trong kỳ xả.
TRANG 12
PHẠM THỊ HỒNG NHUNG
Công sinh ra bằng diện tích bao trong chu trình B-C-D-E-B. So sánh chu trình
Otto với chu trình Carnot hoạt động cùng giữa hai nhiệt độ sẽ thấy hiệu suất của chu
trình Carnot cao hơn chu trình Otto. Chu trình Otto lại có hiệu suất lớn hơn chu trình
thực của động cơ. Động cơ xăng thực tế chỉ có hiệu suất khoảng 20-25%, khoảng
bằng một nửa giá trị tính theo chu trình Otto.
Trong những năm gần đây, các nhà thiết kế đã chế tạo các xe hơi hiệu suất cao
hơn. Các cảm biến điện tử được lắp đặt để điều khiển việc xả, và việc máy tính kiểm
soát hỗn hợp không khí nhiên liệu nay đã phổ biến. Các tiến bộ khác như đốt sạch,
nạp nhanh, nhiều van và động cơ nhôm đã được dùng để tăng hiệu suất động cơ,
các phát triển trong tương lai không nghi ngờ gì nữa sẽ bao gồm việc máy tính kiểm
soát quá trình đốt và kiểm soát bằng điện tử việc truyền năng lượng giữa động cơ và
các bánh xe trong mọi tình huống
Hình P.701 - Chu kỳ hoạt động của động cơ bốn thì. Pít-tông đi xuống và đi lên
hai lần trong mỗi chu kỳ.
Hình P.702 - Giản đồ cho:
(a) - Động cơ xăng thực

(b) - Chu trình Otto lý tưởng hoá
TRANG 13
PHẠM THỊ HỒNG NHUNG
MỘT SỐ TỪ TRONG TIẾNG ANH VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
Intake valve van hút
Air and fuel hỗn hợp không khí và nhiên liệu
Spark plug bugi
exhaust valve van xả
crankshaft trục khuỷu
Intake stroke kỳ hút
compression stroke kỳ nén
power stroke kỳ sinh công
exhaust stroke kỳ xả
ingition quá trình đánh lửa
Máy bay bay như thế nào?
Hàng không là một thắng lợi vĩ đại của thế kỷ 20. Mỗi ngày hàng trăm ngàn
người được chuyên chở trên không đi khắp thế giới. Một chiếc máy bay nặng hơn
không khí bay được là nhờ dòng không khí chuyển động qua cánh của nó.
Trước chuyến bay đầu tiên của họ vào tháng 12 năm 1903, anh em Wright đã
thử nghiệm nhiều hình dạng cánh trong
ống khí động để tìm ra dạng cánh sản
sinh nhiều lực nâng nhất. Hình dạng này,
thường gọi là dạng cánh máy bay, được
chỉ ra trên hình P.802 cùng với dòng khí
chuyển động. Không khí chuyển động
phía trên cánh phải đi một đoạn đường
dài hơn không khí chuyển động phía dưới
cánh. Kết quả là, không khí chuyển động
phía trên phải đi nhanh hơn không khí
chuyển động phía dưới. Hình dạng của

cánh máy bay cũng làm cho các đường
dòng dày hơn ở phía trên, giống như
trong đường ống bị hẹp lại. Kết quả là
vùng khí ngay phía trên cánh sẽ có áp
suất nhỏ hơn vùng khí phía dưới cánh.
Bởi vì lực ép từ trên xuống nhỏ hơn lực
ép từ dưới lên, một lực nâng xuất hiện.
Chú ý là để có lực nâng cần có dòng khí
chuyển động tương đối so với cánh. Điều
này ứng với hoặc là cánh chuyển động
qua không khí đứng yên hay không khí
chuyển động qua cánh đứng yên.
Bạn có thể thấy hiệu ứng này bằng
cách lấy 1 tờ giấy khoảng 10x15cm. Giữ
mép giấy gần miệng và thổi mạnh ở
phía trên tờ giấy (Hình P.803). Chuyển
động của dòng không khí phía trên tờ
TRANG 14
PHẠM THỊ HỒNG NHUNG
giấy làm tờ giấy nâng lên. Hiệu ứng này cũng giống như hiệu ứng nâng cánh máy
bay. Thêm vào đó, góc đụng, hay độ nghiêng của cánh đối với dòng khí, có thể được
thay đổi để làm tăng lực nâng. Nếu mép trước của cánh cao hơn mép sau, lực
không khí tác dụng vào phía dưới cánh sẽ nhiều hơn phía trên cánh. Trong trường
hợp này lực nâng xảy ra ngay cả với cánh phẳng. Tuy nhiên, nếu góc đụng quá lớn,
dòng sẽ chuyển động xoáy và hiệu áp suất không còn nữa. Nếu xoáy lớn, máy bay
sẽ chòng chành.
Nói chung, khi dòng khí qua cánh tăng, cả lực nâng và lực kéo (lực cản) đều
tăng. Cánh máy bay được thiết kế sao cho phi công có thể thay đổi hình dạng cánh
trong khi bay, tạo ra lực nâng lớn hơn ở tốc độ thấp khi cất cánh và hạ cánh và giảm
bớt lực kéo khi lượn. Trong khi cất cánh và hạ cánh, các cánh phụ được mở ra sau

và xuống dươí ở mép sau của cánh (Hình P.804), làm tăng lực nâng, trên vài máy
bay việc mở cánh phụ làm tăng diện tích cánh khoảng 25%, làm tăng lực kéo đáng
kể. Đồng thời, mép trước của cánh có thể được chuyển tới trước tạo thành một khe
hướng lớp không khí tốc độ cao qua mặt trên, làm giảm xoáy và tăng lực nâng. Ở
tốc độ cao, phi công đóng khe lại và thụt các cánh phụ vào để giảm lực kéo. Hành
khách trên chuyến bay có thể thấy những
thay đổi này trên cánh trong khi bay.
Chúng ta cần chỉ ra rằng lực nâng
không tuân theo chính xác phương trình
Bernoulli. Lý do là phương trình Bernouli
chỉ đúng cho lưu chất không nén được và
không nhớt, trong khí không khí là có thể
bị nén và có nhớt. Tuy nhiên, hiệu áp suất
và do đó lực nâng, quả thật đã xảy ra
trong không khí, ngay cả khi độ lớn không
tuân theo đúng định luật Bernouli.
Đi và chạy
Để có vài ý tưởng về nguyên tắc cơ bản của việc đi và chạy chúng ta sẽ giả
thiết là chân của chúng ta là một thanh dài đồng
chất tiết diện đều. Chúng ta có thể mô tả chân
bằng một mô hình phức tạp hơn, nhưng về cơ bản
những kết luận của chúng ta sẽ không thay đổi.
Hình P.902 trình bày một thanh chiều dài L
treo ở một đầu (điểm O) và có thể dao động tự
do. Chu kỳ của con lắc sẽ là:
Biểu thức này phụ thuộc vào chiều dài của
thanh và gia tốc trọng trường giống như biểu
thức cho chu kỳ của con lắc đơn. Hệ số 2/3 là do
khối lượng phân bố đều trên thanh, thay vì tập
trung ở điểm cuối thanh. Biểu thức này cho một

giá trị gần đúng về chu kỳ dao động tự do của
chân. Bạn có thể tự làm thí nghiệm để kiểm tra
TRANG 15
PHẠM THỊ HỒNG NHUNG
giá trị này. Hãy đứng lên và lắc chân theo chiều trước sau một cách tự do. Đừng cố
gắng dùng sức. Sau khi chân bạn dao động tự do, đếm số lần dao động trong
khoảng 10 giây và tính chu kỳ. So sánh giá trị bạn đo được với giá trị tính theo biểu
thức. Để xác định chiều dài chân của bạn đo từ xương hông xuống. Chúng ta có thể
dùng mô hình này để ước tính nhịp đi của một người. Chúng ta giả sự rằng nhịp đi
tự nhiên là nhịp đi đòi hỏi ít sức lực nhất – nhịp đi với chu kỳ tìm được ở trên. Trong
gần đúng đầu tiên chúng ta giả sử là chiều dài của bước chân tỉ lệ với chiều dài của
chân. Thời gian của một bước là một nửa chu kỳ ở trên. Vận tốc v do đó sẽ phụ
thuộc vào chiều dài chân.
Phương trình này dự đoán là người có chân dài hơn sẽ đi nhanh hơn. Dự đoán
này rút ra trên cơ sở mô hình về tiêu thụ năng lượng cực tiểu và mô hình rất dơn
giản của chân. Tuy nhiên, dự đoán này rất phù hợp với kinh nghiệm thông thường.
Khi một người chạy, mô hình của chúng ta buộc phải có thay đổi quan trọng.
Trong khi chạy, chân không dao động tự do mà chịu một Moment lực quanh diểm O.
Moment lực này là kết quả của lực F do bắp thịt tác dụng. Lực này gần đúng tỉ lệ với
tiết diện cơ. Nếu chúng ta giả thiết là, đối với những người có kích thước khác nhau,
tỉ lệ tương dối của chân là như nhau, và do đó lực F, sẽ phụ thuộc vào bình phương
của chiều dài L. Moment lực tỉ lệ với tích của F và L:
Moment quán tính I tỉ lệ với khối lượng nhân với bình phương chiều dài. Một
lần nữa chúng ta giả thiết rằng tất cả các chân có cùng tỉ lệ, tức là chiều rộng và
chiều dày tỉ lệ với chiều dài. Khi đó khối lượng tỉ lệ với lập phương chiều dài:
Có thể chứng minh rằng chu kỳ T của một thành dài L dao động chịu một
Moment lực sẽ phụ thuộc vào Moment lực và Moment quán tính
Thay giá trị của I và t vào, ta có
Vận tốc sẽ tỉ lệ với tần số nhân với chiều dài bước chân
TRANG 16

PHẠM THỊ HỒNG NHUNG
Do đó chúng ta có dự đoán rằng, đối với động vật có hình dạng chân đơn giản,
vận tốc khi chạy không phụ thuộc vào chiều dài chân. Dự đoán này dĩ nhiên là không
đúng một cách chặt chẽ. Tuy nhiên, mô hình này cũng giải thích được một hiện
tượng thực tế là những người chân dài khi đi bình thường nhanh hơn rõ rệt những
người chân ngắn, trong khi tốc độ của họ khi chạy không phải luôn luôn lớn hơn
những người chân ngắn một cách đáng kể.
Tai người và việc nghe
Tai người tốt đến mức nào
trong việc nghe? Chúng ta có thể
nghe các âm thanh từ tiếng vo ve
của muỗi đến tiếng gầm của động
cơ phản lực. Trong mỗi trường
hợp, không khí dao động. Dao
động của không khí vào tai, tác
động lên màng nhĩ, làm cho
chúng ta nghe âm thanh. Tai
người là một máy nghe cực kỳ tốt
vì có thể làm việc trên một dải
rộng cường độ và tần số.
Tai của chúng ta không nhạy như nhau đối với mọi tần số. Trong hình P.1001
minh họa cường độ của âm thanh nhỏ nhất mà tai có thể nghe được ở các tần số
khác nhau. Miền cực tiểu của đường cong là nơi tai nhạy nhất ứng với tần số 3-4
kHz. Đây là dải tần số các nốt cao của đàn piano.
Chúng ta có thể thấy tai nhạy đến mức nào bằng cách dùng mối liên hệ giữa
biên độ và cường độ. Để tìm biên độ của một âm thanh có thể nghe được bởi một
người thính tai, chúng ta có thể dùng giá trị tối thiểu có thể nghe thấy được của
cường độ, là 10-12W/m2 , và tần số 4000Hz ứng với vùng tần số nhạy nhất. Khi
dùng các giá trị này, cùng với các tham số thích hợp khác, chúng ta tìm ra biên độ
dao động khoảng 3 x 10

–12
m. Đây quả thật là một sự dịch chuyển rất nhỏ; nó cỡ gần
bằng 1/100 của đường kính phân tử oxigen cấu tạo nên không khí. Không nghi ngờ
gì nữa, màng nhĩ của bạn rất nhạy để có thể đáp
ứng được một sự thăng giáng nhỏ như vậy.
Trái lại, âm thanh quá lớn có thể gây đau đớn,
ví dụ 120dB hay lớn hơn, có biên độ khoảng 3x10
-
6
m. Dầu giá trị này lớn hơn biên độ của âm thanh
nhỏ nhất, nó vẫn còn khá nhỏ. Nếu một tờ giấy dày
cỡ này, 400 trăm tờ giấy mới dày cỡ 1mm.
Hình P.1002 trình bày sơ đồ tai. Ống tai ngoài
tác động như một bộ khuếch đại đối với một số tần
số. Hãy xét ống tai như một ống bịt một đầu bởi
màng nhĩ. Chúng ta đã biết sự cộng hưởng của
TRANG 17
PHẠM THỊ HỒNG NHUNG
những ống như vậy. Chiều dài trung bình của ống tai là khoảng 2,5cm, do đó tần số
cộng hưởng sẽ vào khoảng 3400Hz. Trong hình cho thấy sự tăng của độ nhạy trong
miền cộng hưởng này. Thật là lý thú nếu để ý rằng đây cũng là tần số của tiếng khóc
trẻ sơ sinh. Tuy nhiên, vùng này hơi cao hơn dải tần số của tiếng nói người lớn, chủ
yếu nằm trong miền 500-2000Hz. Các máy trợ thính thụ động không cần pin đã
được thiết kế để dịch chuyển miền cộng hưởng này xuống dải tần số của tiếng nói
người lớn. Bắt đầu vào tuổi thanh niên, độ nhạy của tai người giảm dần cả về dải tần
số và ngưỡng nghe. Một đứa trẻ có thể nghe âm thanh có tần số 40kHz. Vào tuổi
thanh niên giới hạn trên này giảm xuống cỡ 10kHz và từ đó tiếp tục giảm khoảng
160Hz mỗi năm. Đối với người 50 tuổi, giới hạn trên 10
-15
kHz là điển hình.

Việc điếc tạm thời thường xảy ra sau khi nghe tiếng động quá lớn. Sau đó tai
phục hồi khả năng nghe trở lại. Tai sẽ bị hư hỏng nhiều hơn nếu nghe tiếng ồn lặp
lại. Những người làm việc trong môi trường ồn sẽ bị giảm sức nghe vĩnh viễn. Vì vậy
họ thường đội mũ che tai hay dùng nút bịt tai để chống ồn, các nhạc công chơi nhạc
lớn tiếng trong thời gian dài thường dùng mũ bịt tai.
Lưỡng cực và lò vi sóng
Mặc dù lò vi sóng là một phát minh tương đối gần đây, nó đã trở nên phổ biến
khắp thế giới. Nhiều người không suy nghĩ gì khi dùng nó để hâm thức ăn, hay khi
nấu nhanh một món gì đó. Nhưng tại sao lò vi sóng nấu nhanh như vậy? Nó hoạt
động ra sao và an toàn đến mức nào?
Một lực điện tồn tại giữa hai phân tử có cực, ví
dụ như phân tử nước trong hình P.1201, mặc dù
chúng không tích điện. Một phần liên kết giữa các
phân tử là do tương tác lưỡng cực. Trong một điện
trường đều, một phân tử có cực chiu tác dụng của
một moment lực có xu hướng xoay lưỡng cực nằm
theo chiều điện trường. Nếu chúng ta đảo hường
điện trường, một moment lực mới sẽ xuất hiện làm
xoay phân tử theo chiều ngược lại. Nếu phân tử là cô
lập, nó có thể quay tự do. Tuy nhiên, nếu phân tử liên
kết với các phân tử khác trong vật chất, nó sẽ bị “ma sát” khi quay. Lực ma sát này là
do sự phá vỡ liên kết giữa các phân tử. Nếu hướng của điện trường thay đổi nhanh
chóng, năng lượng dùng để chống lại ma sát sẽ toả ra
dưới dạng nhiệt trong lòng chất đó.
Các vi sóng, là các sóng tần số cao, có thể tạo ra
điện trường thay đổi nhanh chóng. Ở Bắc Mỹ, lò vi
sóng được thiêt kế để dùng ở nhà có tần số
2450MHz(bước sóng 12,2 cm). Vi sóng có thể được
tạo ra và tập trung vào một thể tích nhỏ trong lò (Hình
P.1202). Những sóng này, giống như sóng âm hay

sóng ánh sáng, có thể truyền qua, phản xạ hay hấp
thụ. Vi sóng dễ dàng truyền qua không khí, thuỷ tinh,
giấy và nhiều loại nhựa. Vi sóng bị phản xạ trên kim
loại, nhưng bị hấp thụ bởi nước, chất béo và đường. Trong hầu hết các thức ăn vi
sóng đi vào khoảng 2 đến 4 cm. Khi nó đi vào, nó bị hấp thụ, làm toả ra nhiệt do sự
phá vỡ liên kết giữa các phân tử khi các phân tử nước đổi hướng quá nhanh.
TRANG 18
PHẠM THỊ HỒNG NHUNG
Lò vi sóng có thể nấu nhanh chóng là vì vi sóng đi xuyên qua lớp ngoài của
thức ăn và nung nóng ngay bên trong lòng thức ăn. Trong lò thông thường, năng
lượng chỉ truyền tới bề mặt thức ăn. Bởi vì vi sóng phản xạ ở thành bên trong của lò,
nó có thể tạo thành sóng dừng trong lò, tương tự như sóng âm tạo thành sóng dừng
trong ống. Các nút và bụng của sóng dừng sẽ làm cho thức ăn chín không đều. Hiệu
ứng này được giảm bớt bằng cách dùng cac cánh quạt (bộ khuấy) để làm tan sóng
đứng và bằng cách quay mâm đựng thức ăn. Thức ăn đựng trong hộp kim loại sẽ
không nấu được vì vỏ kim loại ngăn không cho vi sóng vào bên trong.
Cần cẩn thận khi dùng lò vi sóng. Công suất của lò vi sóng khoảng 500W, đủ
cao để gây cháy. Tuy nhiên, một mức năng lượng vi sóng rất thấp không đủ để nấu
có thể gây nguy hiểm cho người. Do đó, các tiêu chuẩn chặt chẽ đã được đề ra
nhằm hạn chế bức xạ có thể thoát ra từ lò vi sóng. Ở Mỹ tiêu chuẩn này qui định ở
khoảng cách 2cm từ cửa lò mật độ năng lượng bức xạ không được vượt quá
1mW/cm
2
. Các nghiên cứu đã chứng tỏ rằng ở mức từ 0,1 đến 1,0 mW/cm
2
không
gây nguy hiểm rong khoảng thời gian 8 giờ. Để an toàn, một vỏ đóng kín bảo đảm
cho bức xạ không thoát ra khỏi lò. Thêm vào đó, điện tự ngắt khi bạn mở cửa lò, để
cho phép bạn thấy bên trong lò, hầu hết các lò vi sóng có một cửa sổ bằng lưới kim
loại. Lưới này là không trong suốt với bước sóng dài nhưng có thể cho ánh sáng đi

qua.
Máy ghi điện tâm đồ
Ứng dụng của điện tử học trong công nghiệp,
viễn thông, máy tính và giải trí là đáng kể. Tuy
nhiên, điện tử học còn có ảnh hưởng lớn lao đến y
học. Các nhân viên xét nghiệm, thường dùng thiết
bị điện tử để phân tích mẫu máu và dùng các thiết
bị tinh vi điều khiển bằng máy tính cho nhiều mục
đích chẩn đoán khác. Một trong những ví dụ kinh
điển về điện tử trong y học là máy ghi điện tâm đồ,
một công cụ đã trở thành tiêu chuẩn trong chẩn
đoán. Về cơ bản máy ghi điện tâm đồ bao gồm
một bộ khuếch đại điện tử gắn với những máy ghi
để biểu diễn sự thay đổi theo thời gian của một
điện thế gắn liền với nhịp
tim. Ở trạng thái nghỉ bình
thường, các cơ như là trái
tim, có điện tích âm bên
trong màng và điện tích dương bên ngoài. Trong trạng thái này
ta nói mô bị phân cực. Ở trạng thái này mô có một hiệu thế cỡ
85mV, gọi là điện thế nghỉ. Máy ghi điện tâm đồ đo điện thế
này với điện cực bạc/clorit bạc (Hình P.1301a). Khi một xung
thần kinh kích thích cơ,
một sự thay đổi nhanh
điện tích xảy ra qua
màng, tạo ra sự khử
cực. Thực tế sự trao đổi
ion đi qua màng thường
tạo ra một sự phân cực
ngược nhỏ (Hình

TRANG 19
PHẠM THỊ HỒNG NHUNG
P.1301b). Ngay sau khi khử cực, cơ quay về trạng thái ban đầu và phân cực trở lại
(Hình P.1301c). Chuỗi thay đổi này được gọi là điện thế hoạt động. Trong khoảng mili
giây của thế hoạt động, cơ bắt đầu co. Hiệu điện thế ứng với thế hoạt động khoảng
100mV (Hình P.1302). Kết quả của các hoạt động này là một xung điện xảy ra với
mỗi nhịp tim, cũng như sự co của bât cứ cơ nào khác. Điện thế liên kết với cơ tim có
thể ghi nhận từ bên ngoài (Hình P.1303). Hiệu điện thế bên ngoài tiêu biểu cỡ 1mV.
Do sự co cơ của bất cứ bắp thịt nào cũng tạo ra các xung tương tự, điện tâm đồ
thường được ghi với bệnh nhân nằm bât động.
Điện thế hoạt động cũng xảy ra khi có hoạt động thần kinh. Do đó, hoạt động
điện của não có thể ghi lại theo cách cơ bản giống như đã làm với tim. Ở bề mặt da
đầu tín hiệu này chỉ có độ lớn cỡ 50mV. Do đó, để ghi được sóng não, các hoạt động
cơ phải bị cấm, bởi vì tín hiệu ghi nhận từ các cơ có thể lớn hơn hai mươi lần từ
não. Hình ảnh ghi được của sóng não gọi là điện não đồ.
Điện giật
Điện giật là mối nguy gắn liền với mọi thiết bị điện. Sự nguy hiểm này không
phải chỉ có ở những đường dây cao thế. Nhiều
người đã bị điện nhà 220V giật chết hay là chỉ bởi
tiếp xúc với các thiết bị điện công nghiệp có điện
thế 40-50V.
Đại lượng quan trọng trong điện giật không
phải là điện thế, mà là cường độ dòng điện đi qua
cơ thể (Hình P.1501). Do đó bất kỳ thiết bị điện
nào dùng điện nhà cũng có thể cung cấp một dòng
nguy hiểm. Dòng điện có thể xác định bằng định
luật Ohm, nhưng do điện trở của người thay đổi
một cách đáng kể, khó có thể đưa ra giá trị chính
xác của điện thế nguy hiểm. Ví dụ điện trở hiệu
dụng của cơ thể người phụ thuộc nhiều vào diện

tích tiếp xúc và tình trạng của da. Nhưng điện trở
của da có thể thay đổi từ 5,000,000 W khi khô cho
đến nhỏ khoảng 500W khi ướt. Sự nguy hiểm của
điện giật không chỉ phụ thuộc vào dòng điện mà
còn phụ thuộc vào đường đi của dòng diện qua cơ thể. Một dòng điện đi từ ngón tay
tới cùi chỏ có thể gây đau và khó chịu nhưng cũng dòng điện đó nếu đi từ tay này
sang tay kia ngang qua ngực có thể gây chêt người.
Dòng điện có thể gây nguy
hiểm cho cơ thể theo ba cách:
1. Nó cấp nhiệt
và làm cơ thể phỏng
2. Nó làm gián
đoạn hoạt động của hệ
thần kinh và tim
3. Nó làm các
cơ co giật không kiểm soát
TRANG 20
PHẠM THỊ HỒNG NHUNG
được. Dòng điện cỡ 20mA có thể làm khó thở và dòng điện cỡ 75mA có thể
làm ngưng thở hoàn toàn.
Dòng điện giữa 100 và 200mA làm cho tim loạn nhịp. Kết quả có thể chết
người. Ở dòng điện lớn hơn, tim có thể ngừng đập hoàn toàn không loạn nhịp. Trong
tình trạng này, cơ hội sống sót có thể tốt hơn, vì nhịp tim dễ khôi phục khi ngưng hẳn
hơn là khi loạn nhịp. Liệu pháp để chống loạn nhịp dùng trong cấp cứu là dùng một
xốc điện để làm tim đứng hẳn và tìm cách khôi phục lại nhịp tim.
Cách chữa tốt nhất đối với điện giật là đề phòng. Hãy cẩn thận với điện ở mọi
điện thế, hãy luôn luôn tuân thủ các qui định khi làm việc với thiết bị điện.
MỘT SỐ TỪ TRONG TIẾNG ANH VỀ ĐIỆN GIẬT
threshold of sensation ngưỡng cảm giác
mild sensation cảm giác nhẹ

painfuf shock xôc đau
muscle paralysis liệt cơ
severe shock sốc nghiêm trọng
breathing stops ngưng thở
severe burns cháy
Chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI)
Trong hai thập kỷ vừa qua một cuộc cách mạng đã xảy ra trong chụp ảnh chẩn
đoán y học. Nhiều phương pháp mới đã được phát triển để nhìn sâu vào cấu trúc cơ
thể mà không cần phẫu thuật hay dùng bức xạ ion hóa. Một trong những phương
pháp tốt nhất là chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI - Magnetic Resonance Imaging).
Hạt nhân của nguyên tử hydro(proton) có
moment lưỡng cực từ, khi các proton này đặt trong từ
trường đều, hầu hết các moment từ này sẽ xếp theo
hướng của từ trường vì đó là trạng thái có năng
lượng cực tiểu. Khi đó nếu proton chịu tác dụng của
sóng điện từ tần số cao ở tần só cộng hưởng một số
sẽ bị kích thích lên trạng thái năng lượng cao hơn
tương ứng với trạng thái xếp ngược chiều từ trường.
Khi đó, năng lượng của sóng tới bị hấp thụ cộng
hưởng. Chính do sự hấp thụ cộng hưởng này mà
phương pháp này có tên là chụp ảnh cộng hưởng từ.
Khi một vật chứa các nguyên tử Hydro đặt trong từ trường tần số cộng hưởng
của mỗi hạt nhân Hydro phụ thuộc vào trường tác dụng lên nó. Nếu trường không
đều, mà biến đổi tăng dần(gọi là gradient từ trường), thì tần số cộng hưởng sẽ phụ
thuộc vào vị trí của hạt nhân trong trường. Do đó tín hiệu cộng hưởng từ sẽ cho
thông tin về vị trí của các moment từ hạt nhân. Nếu sự tăng của từ trường được
kiểm soát chặt chẽ, thì chúng ta sẽ thu được hình ảnh về mật độ của các nguyên tử
Hydro ở trong vật.
TRANG 21
PHẠM THỊ HỒNG NHUNG

Nếu sự sắp xếp của các moment từ hạt nhân bị
nhiễu loạn bởi một từ trường xung, chúng sẽ quay về
trạng thái ban đầu sau một một thời gian đặc trưng
gọi là thời gian trễ. Các hạt nhân Hydro ở trong các
loại mô khác nhau có thời gian trễ khác nhau. Bằng
cách dùng hiệu ứng thời gian trễ này khi tạo ra hình
ảnh, MRI có thể phân biệt các loại mô khác nhau
ngay cả khi mật độ các nguyên tử Hydro như nhau.
Trong một số trường hợp điều này cung cấp ảnh rõ hơn ảnh tia X vốn rất kém trong
việc phân biệt các mô.
Đối với bệnh nhân phần thấy được
của hệ thống MRI là một nam châm để
tạo từ trường (Hình P.1602). Nam châm
này thường là nhiều cuộn dây quấn
quanh một trục chung với một lỗ khoan
cỡ một mét. Những cuộn dây này dùng
dây dẫn là chât siêu dẫn và được đặt
trong buồng Heli lỏng, làm lạnh dây đến
dưới nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn. Nam
châm này có thể tạo ra từ trường tới cỡ
1.5 Tesla với độ đồng đều đạt đến cỡ 1
phần triệu trong thể tích 1cm
3
.
Các cuộn dây bổ sung được dùng để cung cấp gradient từ trường theo các
hướng mong muốn, với sự chọn lựa
đúng đắn các giadient, có thể tạo ra một
lát cắt hai chiều của vật. Các ảnh này có
thể chụp theo các phương ngang, dọc,
đứng. Những cuộn dây anten riêng biệt

đựọc dùng để thu tín hiệu. Dùng đúng
cuộn có thể cải thiện độ phân giải của
ảnh. Ví dụ, một số cuộn đặc biệt được
dùng để thu ảnh của đầu người.
Với cường độ từ trường điển hình
cỡ 1 Tesla, tần số cộng hưởng từ nằm trong dải sóng ngắn, 108Hz. Bởi vì năng
lượng của sóng này rất nhỏ, MRI là an toàn hơn nhiều so với tia X, vì tia này có thể
phá vỡ liên kết hóa học trong cơ thể.
Hình P.1604 - Ảnh chụp bộ não của người bình thường và của bệnh nhân tâm
thần phân liệt
Phương pháp MRI làm lộ rõ cấu trúc khác nhau giữa não bộ của một người lớn
trưởng thành bình thường(bên trái) và não bộ của một bệnh nhân tâm thần phân liệt
(bên phải). Não của bệnh nhân tâm thần phân liệt có vùng não thất phình to có thể
nhìn thấy ở vùng màu xám nhạt trên hình. Tuy nhiên, không phải tất cả mọi bệnh
nhân tâm thần phân liệt đều có dấu hiệu không bình thường này.
TRANG 22
PHẠM THỊ HỒNG NHUNG
Nghịch lí anh em sinh đôi
Một điểm hấp dẫn của thuyết tương đối là nghịch lí anh em sinh đôi. Vấn đề
này đươc phát biểu một cách đơn giản. Tưởng tượng có 1 cặp sinh đôi giống hệt
nhau, một là nhà khoa học và một là phi hành gia. Phi hành gia đi tàu vũ trụ lên thăm
một ngôi sao. Anh ta đi với vận tốc 0,99c
trong một chuyến bay kéo dài 35 năm, theo
đồng hồ trên Trái Đất.
Thời gian trong phi thuyền trôi chậm
hơn so với trên Trái Đất. Khi phi hành gia
quay về, anh ta sẽ trẻ hơn người em sinh đôi
ở nhà:
Trong đó là khoảng thời gian đối với
phi hành gia và là khoảng thời gian của

người em trên mặt đất. Sự sai biệt về tuổi sẽ
phụ thuộc vào thời gian chuyến bay và vận
tốc của phi thuyền. Trong trường hợp này, người ở Trái Đất sẽ già thêm 35 tuổi trong
khi người trên phi thuyền chỉ già đi 5 tuổi.
Nếu chúng ta xem xét mọi việc trong hệ qui chiếu gắn với phi thuyền, thì phi
hành gia lại thấy người em trên Trái Đất di chuyển với vận tốc 0,99c so với con tàu.
Do đó nhà khoa học trên Trái Đất sẽ trẻ lâu
hơn. Tới đây xuất hiện nghịch lý: Người nào
trong số hai anh em sinh đôi cũng nghĩ là
mình già hơn người kia 30 tuổi.
Chúng ta sẽ giải quyết được nghịch lý
này nếu nhớ lại các tiên đề của lý thuyết
tương đối. Tiên đề thứ nhất phát biểu rằng tất
cả mọi hệ qui chiếu quán tính là tương
đương. Nhưng trong trường hợp hai anh em
sinh đôi, hai hệ qui chiếu rõ ràng không
tương đương. Phi hành gia không thể chuyển
động với vận tốc không đối, trước tiên phải gia tốc để đạt đến vận tốc lớn, rối lại gia
tốc khi quay quanh ngôi sao, rối gia tốc khi quay về Trái Đất. Không phụ thuộc vào
chuyến bay tiến hành như thế nào, phi hành gia buộc phải gia tốc lúc ra đi và lúc
quay về. Do đó hệ qui chiếu gắn với phi thuyền không phải là hệ qui chiếu quán tính,
và hai quan điểm thời gian là không tương đương. Bởi vì trong trường hợp này có
thể coi Trái Đất là hệ qui chiếu quán tính, người sống trên Trái Đất sẽ có quan điểm
đúng: người trên phi thuyền sẽ chậm già hơn.
Không có nghịch lý thực sư, hiệu ứng kéo dài thời gian thật sự xảy ra. Người đi
phi thuyền sẽ chỉ thấy già hơn 5 tuổi, trong khi người trên Trái Đất đã già đi 35 tuồi.
Tuy nhiên, sẽ không ai trong hai người nhận ra sự bất thường nào trong khoảng thời
TRANG 23
PHẠM THỊ HỒNG NHUNG
gian đó. Chỉ sau khi họ cùng gặp lại nhau trong cùng hệ qui chiếu quán tính họ mới

thấy sự khác biệt.
Hình P.1701 - Thiên hà Centaurus A ở khoàng cách từ 10 đến 28 triệu năm ánh
sáng, Nếu bạn có thể đi quãng đường 10 triệu năm ánh sáng với vận tốc 0,99c ,
cuộc hành trình đối với bạn dài 1,4 năm triệu năm. Nếu bạn có thể chuyển động với
vận tốc 0,999999999999c, chuyến bay chỉ mất 14 năm.
Photon và sức nhìn
“Chúng ta có thể thấy ánh sáng
yếu tới mức nào?” Nói cách khác,
“Số photon tốí thiểu là bao nhiêu trên
võng mạc để chúng ta nhận ra được
nháy sáng?”. Chúng ta thấy một
nháy sáng khi các thụ thể nhạy sáng
trong võng mạc được kích thích. Có
hai lọai thụ thể, hình que và hình
nón, mỗi loại có một phân tử nhạy
sáng riêng gọi là sắc tố thị giác(Hình
P.1801). Thụ thể hình nón chịu trách
nhiệm về hình ảnh màu và nằm chủ
yếu ở điểm vàng, vùng nhạy sáng
nhất. Thụ thể que nhiều hơn chủ yếu
nằm ngoài điểm vàng. Chúng không
truyền thông tin về màu, nhưng nhạy
sáng hơn thụ thể nón. Chú ý rằng
võng mạc của người theo một nghĩa
nào đó là hơi bị ngược. Các thụ thể
nằm ở phía sau của võng mạc, ở
phía xa hướng ánh sáng tới. Để ánh
sáng đến được các thụ thể nó phải đi qua phần lớn võng mạc, chủ yếu là các tế bào
trong suốt.
Câu trả lời cho câu hỏi ban đầu của chúng ta được được cung cấp bằng thực

nghiệm do Hecht, Shlaer và Pirene tiến hành vào khoảng năm 1940. Phần đầu tiên
của thí nghiệm xác định xem bao nhiêu photon phải tới giác mạc để gây ra cảm giác
sáng. Phần thứ hai của thí nghiệm xác định xem bao nhiêu photon thực sự đến
được các thụ thể.
Thiết bị thí nghiệm tạo ra một nháy sáng khoảng 0.1s rơi vào một vùng võng
mạc có khoảng 500 thụ thể que. Ánh sáng có cường độ cực đại tại 510nm, tương
ứng với vùng nhạy nhất của thụ thể que. Mục đích thí nghiệm là nháy sáng ngẫu
nhiên và hỏi xem lúc nào thấy nháy sáng. Cường độ của ánh sáng được hạ thấp tới
mức không thấy nháy sáng nào, từ đó xác định được ngưỡng. Các nhà thực nghiệm
đã xác định được khoảng 100 photon đến giác mạc. Đây thực sự là một lượng rất
nhỏ! 100 photon phát ra trong 0.1s ở bước sóng 510nm là nhỏ hơn 10-5W.
Tuy nhiên không phải tất cả các photon đến giác mạc là vào võng mạc gặp thụ
thể que. Một số photon bị phản xạ bởi giác mạc và thủy tinh thể. Thêm vào đó, chất
lỏng trong mắt cũng hấp thụ hay tán xạ khoảng một nửa ánh sáng, do đó chỉ khoảng
45 trên 100 photon ban đầu thật sự đến mặt trước của võng mạc. Phần lớn các
TRANG 24
PHẠM THỊ HỒNG NHUNG
photon này bị hấp thụ trong võng mạc trước khi đến được thu thể que. Các thí
nghiệm sâu hơn chứng tỏ rằng chỉ có khoảng 5 photon rơi trên vùng 500 thụ thể que
là đủ để tạo một nháy sáng.
Xác suất để 1 thụ thể que trong số 500 thụ thể que hấp thụ nhiều hơn một
photon là rất nhỏ. Do đó, chúng ta kết luận rằng một photon sẽ kích thích một thụ thể
que. Nhưng kích thích một thụ thể que không đủ – phải 5 hay nhiều hơn bị kích thích
đồng thời mới thấy được nháy sáng.
Làm sao chúng ta giải thích được chỉ cần 1 photon là kích thích được một thụ
thể que, nhưng phải 5 photon mới gây được cảm giác sáng? Các thụ thể que bị kích
thích khi chúng được cung cấp đủ năng lượng, năng lượng này là do photon cung
cấp. Nhưng năng lượng này cũng có thể là năng lượng nhiệt của môi trường. Tính
toán chỉ ra rằng sự kích thích nhiệt ngẫu nhiên cùng cỡ với 5 photon. Do đó, chúng
ta sẽ không thấy được nháy sáng nếu tín hiệu tạo ra không lớn hơn tín hiệu do sự

kích thích ngẫu nhiên bằng nhiệt này.
Kính hiển vi điện tử
Kính hiển vi điện tử đầu tiên được chế tại chỉ vài năm sau khi khám phá ra
electron vận tốc cao có bước sóng nhỏ hơn bước sóng
của ánh sáng. Nhờ bước sóng nhỏ, kính hiển vi điện tử có
độ phân giải cao hơn nhiều so với kính hiển vi quang học.
Chùm electron co thể được hội tụ nhờ điện trường hay từ
trường thích hợp. Ví dụ, từ trường của solenoid tác dụng
giống như một thấu kính
hội tụ đối với electron
(Hình P.1901). Trong kính
hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron
Microscopes –TEM) , một chùm electron năng
lượng cao hội tụ bởi thấu kính từ chiếu lên mẫu rồi
đi qua vật kính từ, vật kính này tạo nên một ảnh
trung gian. Một thấu kính chiếu electron phóng đại
một phần của ảnh trung gian để tạo thành ảnh cuối
cùng, ảnh này có thể xem trên màn huỳnh quang
hay ghi trên kính ảnh. Giống như đối với kính hiển vi
quang học, độ khuếch đại toàn phần là tích của độ
khuếch đại của vật kính với độ khuếch đại của thấu
kính chiếu. Bằng cách lựa chọn đúng dòng của các
thấu kính từ độ khuếch đại toàn phần có thể đạt tới
200000X. Các thiết bị hiện đại có thể có độ phân
giải nhỏ hơn 0,5nm.
Kính hiển vi điện tử quét(Scanning Electron
Microsopes-SEM), được dùng rộng rãi vào thập niên
70 và 80, hoạt động khác với TEM về nguyên tắc.
Trong kính hiển vi điện tử quét một chùm điện tử mảnh quét qua bề mặt của vật cần
khảo sát. Khi chùm quét qua mẫu, electron tới(electron sơ cấp) làm bật ra các

electron thứ cấp từ bề mặt của nơi chùm tới hội tụ, các electron thứ cấp này được
hội tụ vào một điện cực dương. Cường độ của dòng thứ cấp thay đổi khi chùm
electron sơ cấp quét qua mẫu, bởi vì có nhiều electron thứ cấp bật ra hơn khi chùm
TRANG 25