A. MỤC ĐÍCH, SỰ CẦn thiếT

Trong những năm gần đây phần Vật lý hiện đại, đặc biệt là Lý thuyết tương đối hẹp và ứng dụng của nó thường xuyên xuất hiện ở các đề thi chọn học sinh giỏi quốc gia và chiếm một nội dung khá lớn trong các kì thi Olympic vật lý quốc tế. Đây là một nội dung khó và rất trừu tượng mà các học sinh, thậm chí ngay kể cả các giáo viên giảng dạy và bồi dưỡng các đội tuyển cũng chưa hiểu rõ. Hơn nữa sách giáo khoa vật lý, kể cả SGK dành cho các HS chuyên cũng viết rất sơ sài, gần như chỉ mang tính chất giới thiệu. Còn các tài liệu chuyên sâu thì lại viết rất dài và khó hiểu. Trong khi với những yêu cầu của các kì thi học sinh giỏi Quốc gia, Quốc tế bộ môn vật lý học sinh phải hiểu được sâu sắc các vấn đề lý thuyết, trên cơ sở đó vận dụng giải các bài toán và nghiên cứu các ứng dụng là bắt buộc.

Vì những lí do đó chúng tôi chọn đề tài “Hệ thống hóa lý thuyết và bài tập phần Lý thuyết tương đối hẹp. Áp dụng bồi dưỡng học sinh giỏi quốc gia và Olympic quốc tế”.

B. PHẠM VI TRIỂN KHAI THỰC HIỆN

Làm tư liệu tham khảo, giảng dạy cho các thầy cô và các em học sinh trong trường THPT chuyên Lê Quý Đôn. Từ đó nhân rộng cho giáo viên và học sinh trong toàn tỉnh.

Tham gia thi viết các chuyên đề trong khối Hùng Vương và Duyên hải Bắc bộ.

C. NỘI DUNG GIẢI PHÁP

I. TÌNH TRẠNG GIẢI PHÁP ĐÃ BIẾT

Trong thời đại ngày nay khoa học và công nghệ ngày càng phát triển, con người đã bắt đầu tiến đến đỉnh cao của tri thức, khám phá được thế giới vật chất vi mô cũng như vũ trụ rộng lớn. Trong đó có rất nhiều hiện tượng tự nhiên từ cấp độ vi mô đến vĩ mô mà cơ học cổ điển không thể giải thích được, và do vậy sự ra đời của vật lí hiện đại nhằm giải thích một số hiện tượng mà vật lí cổ điển chưa làm được đồng thời vật lí hiện đại đã mang lại một cái nhìn sâu sắc của con người về tự nhiên.

Vật lí hiện đại dựa trên nền tảng của hai lý thuyết cơ học lượng tử và thuyết tương đối. Các hiệu ứng lượng tử xảy ra ở cấp độ nguyên tử (gần 10^-9 m), trong khi các hiệu ứng tương đối tính xảy ra khi vận tốc của vật đạt xấp xỉ tốc độ ánh sáng (gần 10⁸ m/s). Cơ học cổ điển cũng như vật lí cổ điển nghiên cứu các hiện tượng với vận tốc nhỏ và khoảng cách tương đối lớn.

Trong những năm gần đây đội tuyển học sinh giỏi quốc gia môn Vật lí của tỉnh Điện Biên đã có những bước tiến vượt bậc và dần khẳng định vị trí của mình trong khối Hùng Vương và Duyên Hải Bắc Bộ. Từ năm 2011 trở về trước để có học sinh đạt giải quốc gia là điều hiếm thấy. Từ năm 2012 đến nay năm nào đội tuyển học sinh giỏi quốc gia môn Vật lí của tỉnh Điện Biên đều đạt giải và là những giải có “số” tuy nhiên để có giải nhì và có học sinh tham gia đội dự tuyển thi olympic quốc tế thì rất ít. Qua điều tra tôi nhận thấy có một số chuyên đề chúng ta chưa dạy sâu để học sinh có thể tiếp cận được trình độ khu vực và quốc tế.

Vì những lí do đó chúng tôi chọn đề tài “Hệ thống hóa lý thuyết và bài tập phần Lý thuyết tương đối hẹp. Áp dụng bồi dưỡng học sinh giỏi quốc gia và Olympic quốc tế”.

II. NỘI DUNG GIẢI PHÁP

Phần I. Các tiên đề Einstein

1. Nguyên lý tương đối trong cơ học và công thức biến đổi Galileé

Trong cơ học cổ điển hay cơ học Newton tuân theo nguyên lý t­ương đối. Nguyên lý tương đối phát biểu như­ sau: ”Tất cả các hệ quy chiếu quán tính đều hoàn toàn tương đương nhau về mặt cơ học”.

Điều ấy có nghĩa là, các phương trình cơ học khi chuyển từ hệ quy chiếu quán tính này sang hệ quy chiếu quán tính khác sẽ có dạng giống hệt nhau.

Theo quan niệm của cơ học cổ điển, để thoả mãn nguyên lý tương đối thì khi chuyển từ hệ quy chiếu quán tính này sang hệ quy chiếu quán tính khác người ta sử dụng phép biến đổi Galilee.

iả sử, K là hệ Oxyz nằm yên, còn hệ quy chiếu quán tính K’ gắn với hệ trục toạ độ O’x’y’z’, có các trục tương ứng song song với hệ toạ độ Oxyz chuyển động với vận tốc không đổi

Nh­ưng hệ thức (1.1) là công thức biến đổi Galileé. Từ công thức biến đổi Galileé chúng ta có thể thấy phương trình của cơ học Newton là bất biến. Thật vậy:

*) Tính bất biến của các khoảng cách: Xét khoảng cách giữa hai chất điểm i, j bất kì trong phép biến đổi Galilee giữa hai hệ K và K’: