Luận văn NĂNG LƯỢNG TRUYỀN TRONG MÔI TRƯỜNG Phan Trường Giang

NĂNG LƯỢNG TRUYỀN TRONG MÔI TRƯỜNG
Phan Trường Giang
Chủ tịch Liên hiệp các hội KH-KT Vĩnh Phúc

Giữa thế kỷ 19 Julius Robert Mayer đã tìm ra một hiện tượng vật lý
phổ quát trong tự nhiên đó là Năng lượng không tự nhiên sinh ra cũng không
tự nhiên mất đi mà chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác hay chuyển từ
vật này sang vật khác. Quy luật đó là định luật bảo toàn năng lượng. Hiện tại
trong vật lý công nhận 2 “phương tiện chuyền năng lượng từ vật này sang
vật khác đó là thông qua sóng trong môi trường và thông qua các hạt phát ra
từ nguồn, như sóng nước đem theo năng lượng trên các đầu sóng, ánh sáng
đem theo năng lượng từ các hạt photon phát ra từ nguốn sáng hay động năng
được chuyền từ vật nay sang vật khác thông qua vật trung gian chuyển động
phát ra từ nguồn chuyển động tới điểm đến..v.v. Trong tự nhiên còn một
phương thức chuyền năng lượng nữa mà ở đó năng lượng không mang trong
các đầu sóng mà cũng không mang trong các hạt phát ra từ nguồn chuyển
động từ chỗ nay tới chỗ kia.

A
F

1

2

3

n

B

Hình 1
Giả sử có một tập hợp (một môi trường) gồm các viên bi (như hình1),
viên bi thứ 1 tại A nhận một lực tác động F nó chuyển động và va chạm với
viên bí thứ 2, viên bi thứ 2 tiếp tục chuyển động va chạm với viên ví thứ 3,
cứ tiếp tục như vậy tác động đã chuyền tới viên bi thứ n tại B, viên bi tại B
đã nhận được năng lượng. Trong trường hợp này không có sự chuyển động
của viên bi từ A tới B. Năng lượng đã chuyền từ A tới B không theo mô
hình sóng (Không do giao động của viên bi), không theo mô hình hạt vì viên
bi số 1 tại A không chuyển động từ A đến B. Trong thế giới tự nhiên rất
nhiều năng lượng chuyền theo dang này, có thể gọi nó là năng lượng chuyền
trong môi trường, phương tiện để “mang” năng lượng đi trong trường hợp
này là môi trường vật chất.
Một số đặc tính khi truyền năng lượng trong môi trường:


- Năng lượng truyển trong môi trường với vận tốc luôn lớn hơn vận
tốc chuyển động của hạt vật chất cấu tạo, có thể là vô cùng lớn:
Với năng lượng mang theo trong các vật thể riêng lẻ, vận tốc truyền
năng lượng cũng là vận tốc chuyển động của vật thể (v = s/t) là quãng đường
vật thể đó đi được trong một đơn vị thời gian; Với năng lượng chuyền theo
phương thức sóng như âm thamh, ánh sáng, điện .vv…năng lượng truyền đi
không đồng nghĩa với chuyển động của một hạt vật chất từ điểm đầu tới
điểm cuối, khi đó vận tốc truyền năng lượng là khoảng cách năng lượng đã
truyền đi được trong một đơn vị thời gian (v= λ/t – Trong đó λ là bước sóng)
mà không đồng nghĩa với vận tốc chuyển động riêng lẻ của hạt vật chất
mang năng lượng. Còn năng lượng truyền trong môi trường thì sao? vận tốc
truyền năng lượng có trùng với vận tốc chuyển động của hạt vật chất không .
Giả sử có một môi trường được lấp đầy bằng các viên bi, viên bi vô
cùng cứng (để vận tốc truyền năng lượng trong bản thân lớn vô cùng), năng
lượng truyền tức thời từ phía này tới phía đối diện của viên bi. Để đơn giản

ta xem xét trường hợp các viên bi xếp thành đường thẳng từ điểm A tới điểm
B, như (hình 2):
1

F

2

3

n

A

B
Hình 2

Ta ký hiệu ;
- Đường kính của viên bi là D;
- Khoảng cách giữa hai mép viên bi giáp nhau là d;
- Khoảng cách giữa hai điểm A và B là S;
- Tổng số viên bi trong khoảng A-B là n.
Có một lực tương tác F ở ngoài chuyển động với vận tốc v va chạm
vào viên bi đầu tiên ở điểm A, viên bi đầu tiên sẽ chuyển động với vận tốc v
đi hết quãng đường d sau đó sẽ va chạm vào viên bi thứ 2, viên bi thứ 2 cũng
tiếp tục chuyển động với vận tốc v đi hết quãng đường d lại tiếp tục va chạm
với viên bi thứ 3…, quá trình này sẽ kết thúc khi viên bi cuối cùng n tại
điểm B nhận được tác động từ viên bi áp chót. Kết thúc quá trình trên động
năng chứa trong viên bi đã được truyền từ A đến B. Ở đây quá trình ta xét
chỉ tính tới động năng của vật, động năng được truyền đi trong trường hợp

này bằng chính năng nượng được truyền đi. Như vậy:


Năng lượng đã truyền từ A tới B với khoảng cách S = n*D + (n-1)*d.
Thời gian cần thiết để Động năng truyền từ A tới B là: (n-1)*d/v.
(Theo giả thiết ban đầu thời gian động năng truyền từ điểm bên này
tới điểm đối diện của viên bi bằng 0 ).
Gọi Vận tốc truyền năng lượng là V ta có:
V = S/T = (n*D + (n-1)*d)*v/ (n-1)*d.
Công thức trên được viết lại là:
V= (n*D/(n-1)*d + 1)*v.
(N*D/(n-1)*d +1) >1 do vậy vận tốc truyền năng lượng trong môi
trường luôn lớn hơn vận tốc chuyển động của hạt vật chất trong môi trường
và vận tốc tương tác ban đầu. khi khoảng cách giữa các hạt vật chất nhỏ vô
cùng (d bằng 0) thì vận tốc V cực lớn. Nếu vân tốc tác động bằng vận tốc
ánh sáng thì vận tốc truyền năng lượng sẽ lớn hơn vận tốc ánh sáng.
- Đặc tính hai mặt sóng, hạt của phương thức truyền năng lượng
trong môi trường:
Năng lượng truyền đi trong môi trường chứa trong từng hạt vật chất
cấu tạo nên môi trường, do va chạm của từng hạt vật chất cấu tạo nên môi
trường với nơi nhận, về vi mô năng lượng truyền đi từng lượng nhỏ tách rời
( tính chất hạt).
Đặc tính sóng: Xét một môi trường truyền năng lượng ở đó các hạt vật
chất lấp đầy, để đơn giản xét môi trường gồm các viên bi trên một mặt
phẳng như (hình 3).

c
a
b
Hình 3

Giả sử có một tương tác theo hướng thẳng hàng với cấu tạo môi
trường như hướng a ở hình trên, khi cấu tạo môi trường hạt không sếp sít
nhau ( khoảng cách giữa các hạt lớn), trong quá trình chuyển động trên


quãng đường d viên bi chuyển động không va chạm với các viên khác, viên
bi chuyển động giữ nguyên năng lượng khi tới viên bi tiếp theo, năng lượng
mang theo trong tương tác đó tiếp tục truyền đi thẳng hướng tương tác ban
đầu. Ở trong môi trường có cấu tạo các hạt vật chất xít nhau, khi hạt vật chất
đầu tiên nhận tương tác nó sẽ di chuyển thẳng hướng tương tác, khi di
chuyển trên quãng đường d sẽ va chạm vào các hạt vật chất xung quanh ở
mọi hướng. Tiếp tục như vậy các hạt tiếp theo sẽ di chuyển và cũng tiếp tục
va chạm truyền năng lượng chuyển động cho các hạt tiếp theo khác. Năng
lượng (Động năng) chuyển động phụ thuộc lực tác động, độ lớn của lực tác
động phụ thuộc góc tác động, lực tác động thẳng hướng tương tác lớn nhất ,
gia tốc cũng như vận tốc chuyển động dẫn tới động năng di chuyển thẳng
hướng với tương tác ban đầu lớn nhất, năng lượng được truyền đi nhiều
nhất, các hướng khác lực tương tác nhỏ hơn năng lượng mang theo tương tác
ít hơn, khi góc truyền năng lượng với phương tác động ban đầu càng lớn lực
tương tác càng nhỏ, năng lượng truyền di theo hướng đó cũng càng nhỏ.
Năng lượng chuyền đi đã được tán xạ trong môi trường, phương thức truyền
năng lượng trong môi trường có tính chất lan tỏa ra toàn bộ môi trường. Đây
là đặc tính tán xạ của truyền năng lượng trong môi trường.
Giả sử tại một thời điểm hạt vật chất đầu tiên nhận được 3 tương tác
có các hướng khác nhau, hướng a. hướng b, hướng c trong hình trên, thì sự
chuyển động của hạt đầu là kết quả tổng hoà của 3 tác động trên, tức là
tương tác không giữ những đặc tính như một tương tác độc lập, nó đã bị
nhiễu. Đây có thể hiểu là đặc tính Nhiễu xạ trong truyền năng lượng trong
môi trường. Khi có nhiều hơn 2 tương tác lên một vật, các tương tác này
mạnh lên (cộng hưởng) khi tạo ra hợp lực với nhau, làm cho năng lượng

chứa trong một hạt vật chất tăng lên, ngược lại khi hướng tác dụng các
tương tác trái chiều triệt tiêu nhau sẽ làm cho hạt vật chất bị triệt tiêu chuyển
động theo một hướng nào đó, đó chính là bản chất của giao thoa, cộng
hưởng. Với môi trường có hạt vật chất xít nhau, đoạn đường d có thể coi
bằng 0, tức là hạt vật chất trong môi trường không chuyển dịch khi truyền
năng lượng, mọi hướng tác động không làm thay đổi vị trí của hạt vật chất,
do vậy các hường truyền năng lượng không bị triệt tiêu nhau khi gặp nhau,
đây là một đặc tính của ánh sáng.
Như vậy một đặc điểm cơ bản khi truyền năng lượng trong môi
trường đó là vừa mang tính chất sóng, vừa mang tính chất hạt, ở góc độ nhỏ
“Lượng tử” tính chất hạt thể hiện rõ, ở góc độ tổng thể tính chất Sóng thể
hiện rất rõ. Truyền năng lượng dạng này có rất nhiều trong tự nhiên. Vậy
phải chăng ánh sáng là việc truyền năng lượng trong môi trường được lấp


đầy các hạt “Pho ton” và năng lượng ánh sáng được truyền đi trong môi
trường các hạt pho ton này.
Năng lượng truyền từ môi trường này sang môi trường khác
Trong tự nhiên khi năng lượng được truyền từ điểm nay tới điểm kia
đi qua các loại môi trường khác nhau. Điều gì xảy ra khi năng lượng truyền
từ môi trường này sang môi trường khác có cấu tạo khác nhau?
Môi trường truyền năng lượng khác nhau có cấu tạo hạt vật chất trong
môi trường khác nhau; có liên kết giữa các hạt vật chất khác nhau như môi
trường truyền điện cấu tạo từ các điện tích dương (Nguyên tử mất electoron)
và các electoron tự do, môi trường truyền năng lượng sóng nước cấu tạo từ
các phân tử nước liên kết với nhau; có khoảng cách giữa các hạt và cách sắp
xếp các hạt trong môi trường khác nhau vv… Để đơn giản giả sử có hai môi
trường, một một môi trường cấu tạo bởi các hạt có khối lượng là m1 và một
môi trường có cấu tạo bởi các hạt có khối lượng là m2. năng lượng truyền từ
môi trường các hạt có khối lượng m1 sang môi trường có cấu tạo bởi các hạt

có khối lượng m2.
Theo định luật III Newton “Trong mọi trường hợp, khi vật A tác dụng
lên vật B một lực, thi vật B cũng tác dụng lại vật A một lực. Hai lực này có
cùng giá trị, cùng độ lớn, nhưng ngược chiều”.
Khi hạt m1 chuyển động va chạm với hạt m2, hạt m1 tác dụng lên hạt
m2 một lực F1, theo định luật trên m2 cũng tác dụng lại m1 một lực F2, giá trị
F1=F2, nhưng ngược chiều nhau. F1 theo chuều truyền năng lượng, F2 ngược
lại.
Định luật 2 Newton “Gia tốc của một vật cùng hướng với lực tác
dụng lên vật. Độ lớn của gia tốc tỷ lệ thuận với độ lớn của lực và tỷ lệ
nghịch với khối lượng của vật” thể hiện bằng công thức: F = m.du/dt.
Với hạt m1 ta có: F2 = m1 .du1/dt (*) ; và với hạt m2 F1 = m2.du2/dt.
(*). Gọi
U1 là vận tốc của hạt m1 sau va chạm ;
U2 là vận tốc của hạt m2 sau va chạm .
v là vận tốc chuyển động của hạt m1 trước va chạm
Từ (*) có
du1= F2.dt/m1;
du2 = F1 .dt/m2. (**)
Giữa m1 và m2 có 3 trường hợp như sau:
* Trường hợp m1 bằng m2:
Từ (**) F1 = F2 ; m1 = m2 do vậy du1 = du2 gia tốc của 2 hạt m1 và m2
bằng nhau nhưng ngược chiều, trong đó u2 hướng theo chiều truyền năng


lượng, u1 hướng ngược lại. Với hạt m2 ban đầu đứng yên, sau va chạm tăng
lên vận tốc v ( v là vận tốc chuyển động của hạt m1 trước va chạm) theo
chiều truyền năng lượng. Còn hạt m1 sau va chạm từ đang chuyển động với
vân tốc v giảm về 0 vì gia tốc của m1 và m2 bằng nhau, lượng giảm và lượng
tăng vận tốc sau va chạm bằng nhau trong cùng một thời gian. Như vậy hạt

m2 đã nhận được toàn bộ lượng năng lượng (ở đây là động năng (1/2.
m2.v2)). Việc truyền năng lượng từ môi trường này sang môi trường kia
trong trường hợp này năng lượng được bảo tồn truyền 100% (Thực chất như
truyền trong một môi trường).
* Trường hợp m2 nhỏ hơn m1:
Vì lực tác dụng có giá trị bằng nhau do vậy gia tốc của hạt m2: du2 =
F1. dt/m2 lớn hơn gia tốc của hạt m1: du1 = F2.dt/m1. Trong khoảng thời gian
t hạt m1 giảm vận tốc từ v tới 0 thì hạt m2 đã tăng vận tốc từ 0 đến giá trị lớn
hơn v. Tức là vận tốc của hạt m 2 sau va chạm lớn hơn vận tốc trước va chạm
của hạt m1, đồng thời vận tốc tnăng lượng trong môi trường thứ 2 chứa hạt
m2 lớn hơn vận tốc truyền năng lượng trong môi trường thứ nhất chứa hạt
m1 .
Khi khối lượng hạt của môi trường thứ 2 càng nhỏ bao nhiêu thi gia
tốc càng lớn bấy nhiêu và vận tốc của hạt trong môi trường càng lớn, do đó
vận tốc truyền năng lượng càng lớn. Như vậy có thể nói vận tốc truyền năng
lượng tăng lên khi năng lượng được truyền từ môi trường có khối lượng các
hạt vật chất lớn sang môi trường có khối lượng hạt vật chất nhỏ. Trong
trường hợp m2 = 0 thì du2 lớn vô cùng, vận tốc của m2 sau va chạm lớn vô
cùng như vây vận tốc truyền năng lượng là vô cùng, thực tế không tồn tại
vận tốc truyền năng lượng lớn vô cùng (không giới hạn) , đồng nghĩa các hạt
vật chất trong môi trường đều có khối lượng, không tồn tại môi trường
truyền năng lượng mà các hạt vật chất cấu tạo nên nó không có khối lượng
(Với vận tốc vô cùng lớn sau va chạm bản thân hạt sẽ biến mất trong vũ trụ).
* Trường hợp m2 lớn hơn m1:
Ngược lại với trường hợp trên khi khối lượng của hạt m2 lớn hơn khối
lượng của hạt m1, thi gia tốc du2 nhỏ hơn gia tốc du1. Vận tốc của hạt m2 sau
va chạm nhỏ hơn vân tốc hạt m1 sau va chạm, như vậy có thể nói vận tốc
truyền năng lượng giảm đi khi năng lượng được truyền từ môi trường có
khối lượng các hạt vật chất nhỏ sang môi trường có khối lượng hạt vật chất
lớn hơn. u1 ngược chiều truyền năng lượng, tức là hạt m1 chuyển động

ngược lại chiều truyền năng lượng, có thể coi đó là gốc rễ của phản xạ.
Định luật bảo toàn năng lượng có nội dung: Năng lượng không tự sinh
ra cũng không tự mất đi mà chỉ truyền từ dạng này sang dạng khác hay từ


vật này sang vật khác. Tổng động năng ban đầu của hai hạt m1 và m2 là
m1.v2/2 (vì hạt m2 có vận tốc bằng 0), sau va chạm thì tổng động năng không
thay đổi. Tức là m1.u12/2 + m2.u22/2 = m1.v2/2
u2 nhỏ đi thì u1 lớn lên nhưng không thể vượt qua vận tốc ban đầu của
m1 là v. Khi u2 bằng 0 thì u1 bằng v, khi đó động năng của hạt m1 là m1.u12/2
bằng động năng ban đầu của hạt m1 là m1.v2/2 toàn bộ động năng bảo tồn
nhưng đã đổi chiều. Khi m2 vô cùng lớn, du2 tương đương 0, u2 mới tương
đương 0, khi đó năng lượng đã được truyền theo hướng ngược lại và có độ
lớn như mức năng lượng ban đầu mang trong m1, có thể coi đây là phản xạ
toàn phần, trường hợp này khó có trong tự nhiên vì không có trường hợp hạt
m2 có khối lượng vô cùng, phản xạ toàn phần trong truyền năng lượng
không xảy ra.
Những hiện tượng vật lý như trên đã rất thông dụng trong tự nhiên, đã
được khoa học vật lý phát hiện từ lâu, áp dụng mô hình năng lượng truyền
trong môi trường để giải thích hiện tượng không mới để xác thực rằng:
Trong tự nhiên môi trường truyền có tác dụng năng lượng từ chỗ này tới chỗ
kia, từ vật này sang vật khác (một số dạng năng lượng không có môi trường
không truyền được như ánh sang, điện từ, song dọc v.v…). Phương thức
truyền năng này là một phương thức cơ bản của tự nhiên, duy trì tồn tại thế
giới tự nhiên, có nhiều môi trường khác nhau truyền các dạng năng lượng
khác nhau, có thể nghiên cứu các môi trường truyền năng lượng, các dang
năng lượng để tiếp nhận và biến đổi năng lượng có ích hơn, hiệu quả hơn
phục vụ cuộc sống.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
- Vật lý lớp 10, vật lý phổ thông.

- Giáo trình Vật lý đại cương – tác giả:Lương Duyên Bình – NXB Giáo dục –
2007.
- Lưỡng tính sóng – hạt của ánh sáng – tác giả: Trần Ngiêm – nguồn:
thuvienvatly.com.
- Vận tốc ánh sang trong không gian có thể chậm lại – Tác giả Brgan (VACA)theo Science Daily.
- Động năng là gì – Tác giả JK viết ngày 18/6/2014- Nguồn thuvienvatly.com.
- Giả thiết mới về môi trường truyền ánh sang và sự giải thích hợp lý về lưỡng
tính sang hạt – tác giả Phùng Văn Hòa đăng ngày 19/12/2009 trên Khoahoc.vn