Giải chuyên đề học tập Vật lí 10 KNTT bài 2: Giới thiệu các lĩnh vực nghiên cứu trong vật lí học

Câu hỏi khởi động

Vật lí học thế kỉ XIX có những đóng góp quan trọng trong sự tiến bộ của khoa học và công nghệ nhờ sự phát triển của các lĩnh vực nghiên cứu trong vật lí. Các lĩnh vực nghiên cứu của Vật lí học là gì? Các nhà khoa học trong các lĩnh vực vật lí nghiên cứu như thế nào?

Các lĩnh vực nghiên cứu của Vật lí học:

• Vật lí thiên văn và vũ trụ học
• Vật lí hạt cơ bản và năng lượng cao
• Vật lí nano
• Vật lí laser
• Vật lí bán dẫn
• Vật lí y sinh

Các nhà khoa học trong các lĩnh vực vật lí nghiên cứu thông qua thí nghiệm hoặc các mô hình toán học.

I. Vật lí thiên văn và vũ trụ học

Câu hỏi 1. Hãy tìm hiểu trên internet và cho biết một số sự kiện trong khám phá vũ trụ gần đây.

NASA phóng tàu tiếp cận mặt Trời ở khoảng cách gần chưa từng có (2018):

• Vào 3h31 sáng 12/8 theo giờ địa phương, NASA đã phóng thành công tên lửa Delta IV Heavy mang tàu thăm dò Parker Solar Probe vào vũ trụ. Sứ mệnh được các nhà khoa học giao phó cho Parker là tiếp cận Mặt trời gần hơn bất cứ tàu thăm dò nào trước đây từng làm.
• Việc tiếp cận ở khoảng cách gần chưa từng có như vậy giúp chúng ta nhận được nhiều thông tin quan trọng hơn về Mặt trời, để có thể giải đáp nhiều bí ẩn chưa được sáng tỏ. Chẳng hạn vì sao nhiệt độ ở vành nhật hoa lại nóng hơn nhiều so với bề mặt của Mặt trời – đây là câu hỏi sẽ được giải đáp trong thời gian tới.

Tàu thăm dò của NASA tìm thấy một "siêu Trái Đất" (2018)

• TESS là tàu săn hành tinh "mới toanh" được NASA phóng lên vũ trụ vào ngày 18/04/2018, nhiệm vụ của nó là theo dõi hơn 200.000 ngôi sao sáng nhất trên bầu trời và xác định các hành tinh quay xung quanh chúng.
• Không phụ kỳ vọng của các khoa học gia đặt vào mình, vào tháng 9 mới đây, TESS đã khám phá ra hành tinh Pi Mensae C với kích cỡ lớn gấp 2,1 lần Trái Đất, và khối lượng gấp 4,8 lần. Hành tinh có quỹ đạo quay xung quanh một ngôi sao lùn với chu kỳ là 6,27 ngày, và cách chúng ta 60 năm ánh sáng.
• Pi Mensae C có thể được định nghĩa như một "siêu Trái Đất", thuật ngữ dùng để chỉ những hành tinh đá có khối lượng lớn hơn Trái Đất.

Tàu thăm dò Insight hạ cánh thành công xuống bề mặt sao Hỏa (2018)

• Lần thứ 8 trong lịch sử, một tàu thăm dò mới của NASA lại hạ cánh thành công trên bề mặt "hành tinh đỏ". Đó là vào ngày 27/11/2018, tàu thăm dò InSight sau 6 tháng du hành trong vũ trụ đã đáp xuống an toàn trên bề mặt đầy bụi của sao Hỏa.
• Từ đây, InSight sẽ bắt đầu tiến hành các hoạt động khảo sát địa chất sao Hỏa, để giúp chúng ta có cái nhìn chi tiết hơn về quá trình hình thành của hành tinh này. Từ đó có thể khoa học sẽ suy ngược phần nào về sự hình thành của chính Trái Đất.

Trung Quốc phóng tàu thăm dò lên vùng tối của Mặt Trăng (2018)

• Ngày 08/12/2018, ngành Khoa học vũ trụ Trung Quốc đã có thêm một bước tiến lớn, khi tên lửa chở tàu thăm dò Mặt trăng đã được phóng lên thành công. Sự kiện này nằm trong Sứ mệnh Hằng Nga - 4, nhằm đặt một tàu thăm dò tại vị trí hố thiên thạch Von Kármán thuộc vùng tối của Mặt trăng.
• Von Kármán được chọn làm điểm nghiên cứu bởi đây là một trong những hố thiên thạch lâu đời nhất trên bề mặt vệ tinh của chúng ta, vốn có thể được hình thành do va chạm thiên thạch cách đây hàng tỷ năm trước.
• Ngoài nhiệm vụ phân tích lớp đất đá, thì con tàu còn đem theo hạt giống cải và 3kg khoai tây để tiến hành các thử nghiệm về sự phát triển của hạt giống và quá trình quang hợp trên mặt Trăng.

II. Vật lí hạt cơ bản và năng lượng cao

Câu hỏi 2. Vật lí hạt cơ bản là gì?

Vật lí hạt cơ bản là một ngành của vật lí nghiên cứu về các hạt sơ cấp chứa trong vật chất và bức xạ, cùng với những tương tác giữa chúng. Nó còn được gọi là vật lí năng lượng cao bởi vì rất nhiều hạt trong số đó không xuất hiện ở điều kiện môi trường tự nhiên, mà chỉ được tạo ra hay phát hiện trong các vụ va chạm giữa các hạt. Nhờ các máy gia tốc để tăng tốc electron với động năng cực lớn và sau đó sử dụng electron này bắn phá hạt nhân để tách ra các hạt quark, cho phép các nhà khoa học nghiên cứu chúng.

Câu hỏi 3. Các hạt cơ bản cấu tạo nên vật chất được phân loại như thế nào?

Các hạt cơ bản cấu tạo nên vật chất được phân loại thành 2 loại hạt:

• Hạt cơ bản hay còn gọi là hạt sơ cấp là những hạt không thể chia nhỏ hơn được nữa.
• Hạt tổ hợp là những hạt được cấu thành bởi các hạt khác như proton, neutron, được cấu thành từ các hạt quark.

Ví dụ: proton, neutron được cấu thành từ hạt quark.

III. Vật lí nano

Câu hỏi 4. Tại sao các vật liệu có kích cỡ nano lại có những tính chất rất khác biệt?

Vật liệu kích cỡ nano có những tính chất rất khác biệt vì kích thước của chúng rất nhỏ bé có thể so sánh với các kích thước tới hạn của nhiều tính chất hóa lí của vật liệu. Vật liệu nano nằm giữa tính chất lượng tử của nguyên tử và tính chất khối của vật liệu. Đối với vật liệu khối, độ dài tới hạn của các tính chất rất nhỏ so với độ lớn của vật liệu, nhưng đối với vật liệu nano thì điều đó không đúng nên các tính chất khác biệt bắt đầu từ nguyên nhân này.

Câu hỏi 5. Vật liệu nano là gì?

Vật liệu nano là một loại vật liệu mới có cấu trúc các hạt, các sợi, các ống, các tấm mỏng,… có khả năng ứng dụng trong sinh học vì kích thước của chúng so sánh được với kích thước của tế bào khoảng từ 1 nanomét đến 100 nanomét (1 nm = 10−9 m).

Câu hỏi 6. Các nhà khoa học nghiên cứu vật liệu nano như thế nào?

Các nhà khoa học nghiên cứu vật liệu nano bằng cách sử dụng lí thuyết, bằng thực nghiệm thông qua các thiết bị hiện đại như kính hiển vi điện tử có khả năng quan sát đến kích thước cỡ nguyên tử hay phân tử và mô phỏng trên máy tính.

Câu hỏi 7. Nêu một số ứng dụng của vật liệu nano.

Vật liệu nano được ứng dụng trong mọi lĩnh vực, ví dụ:

• Y sinh học: Các hóa chất và dược phẩm kích cỡ nano khi đưa vào cơ thể, giúp can thiệp ở quy mô phân tử hay tế bào dùng để hỗ trợ chẩn đoán bệnh, dẫn truyền thuốc, tiêu diệt các tế bào ung thư, …
• Tron sản xuất năng lượng: Sử dụng các vật liệu nano chế tạo các loại pin, tụ điện làm tăng tính hiệu quả dự trữ điện năng hoặc tạo ra vật liệu siêu dẫn.
• Môi trường: giúp thay thế những hóa chất, vật liệu và quy trình sản xuất truyền thống gây ô nhiễm bằng một quy trình mới gọn nhẹ, tiết kiệm năng lượng, giảm tác động môi trường.
• Công nghệ thông tin: dùng vật liệu nano để làm các thiết bị ghi thông tin cực nhỏ, chế tạo màn hình máy tính, điện thoại và chế tạo các vật liệu siêu nhẹ, siêu bền được sử dụng để sản xuất các thiết bị xe hơi, máy bay, tàu vũ trụ…
• Các vật liệu nano giúp tạo ra vật liệu siêu nhẹ, siêu bền được sử dụng để sản xuất các thiết bị xe hơi, máy bay tàu vũ trụ,...
• Ngoài ra công nghệ nanno còn nhiều ứng dụng khác nư sử dụng các hạt nano bạc trong sản xuất vải có khả năng tiêu diệt vi khuẩn khó chịu trong quần áo, chế tạo màng lọc vải có cấu tạo lỗ rỗng và kích thước siêu nhỏ dùng lọc nước để loại bỏ các tạp chất, vi khuẩn và bụi bẩn trong nước,...

IV. Vật lí laser

Câu hỏi 8. Hãy nêu một số ưu điểm của laser so với ánh sáng thông thường.

Ưu điểm của laser so với ánh sáng thông thường: cho phép tập trung năng lượng rất lớn, đồng thời nó có tính đơn sắc và định hướng cao nên có thể chiếu rất xa mà không bị phân tán hay tán xạ khi truyền qua mặt phân cách giữa các môi trường.

Câu hỏi 9. Laser là gì?

Laser là từ viết tắt tiếng Anh "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" (sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cảm ứng), là nguồn ánh sáng thu được nhờ sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ phát ra khi kích hoạt các phần tử của một môi trường vật chất.

Câu hỏi 10. Hãy nêu ứng dụng của laser trong đời sống.

Laser được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực:

• Trong công nghiệp chế tạo, laser được sử dụng để cắt kim loại.
• Trong y học, laser được sử dụng như một dao mổ để phẫu thuật. Kĩ thuật phẫu thuật này giảm thời gian hồi phục và biến chứng sau phẫu thuật. Bệnh nhân sẽ ít phải chịu đau đớn hơn so với phẫu thuật bằng dao mổ truyền thống.
• Trong viễn thông, laser được ứng dụng để truyền tin tức. Các thiết bị viễn thông laser có kích thước nhỏ gọn, nhẹ và tiêu thụ ít năng lượng. Dải sóng truyền tin của laser lớn hơn so với truyền tin bằng sóng điện từ nên truyền được nhiều kênh thông tin hơn so với hệ thống vô tuyến.
• Trong nghiên cứu vũ trụ: laser được sử dụng để đo những khoảng cách cực lớn, xác định vị trí của các vật thể trong vũ trụ, theo dõi, điều khiển và liên lạc với các tàu vũ trụ.

V. Vật lí bán dẫn

Câu hỏi 11. Hãy kể tên một số ứng dụng của vật lí bán dẫn trong đời sống và khoa học, kĩ thuật.

Ứng dụng của vật lí bán dẫn trong đời sống và khoa học, kĩ thuật.

• Chất bán dẫn là một trong những nhân tố quan trọng để tạo ra các linh kiện hoàn chỉnh như diode, transistor, các loại thẻ nhớ, SSD, HDD,…. Các linh kiện này thông qua sự phối hợp, lắp ghép và liên kết với nhau sẽ tạo nên những bản mạch điện tử.
• Chất bán dẫn giúp tạo nên những thiết bị điện như rơle bán dẫn, linh kiện bán dẫn, bóng bán dẫn, cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, cảm biến đo mức, diot bán dẫn, bộ chuyển đổi tín hiệu, CT dòng, PLC, biến tần,…
• Chất bán dẫn có vai trò trung tâm trong hoạt động của các máy ATM, internet, thiết bị trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe, xe lửa, …

Hoạt động 1. Hãy tìm hiểu trên internet và thảo luận về các công nghệ hiện tại cũng như sự phát triển các công nghệ mới trong vật lí bán dẫn.

Kể từ khi phát minh ra các thiết bị bán dẫn điện ở Hoa Kỳ vào những năm 1940, sự phát triển công nghệ cũng đã trải qua ba thế hệ:

• Thế hệ đầu tiên bao gồm đa tạp, điốt silicon và thyristor, được đại diện bởi các thyristor dựa trên silicon. Tính năng chính là bán điều khiển, chỉ có thể điều khiển dẫn.
• Thế hệ thứ hai chủ yếu dựa trên các vật liệu silicon, bao gồm MOSFET, GTO, IGBT và IGCT. Tính năng chính là nó không chỉ có thể điều khiển bật mà còn có khả năng tắt tự động, có thể nhận ra chuyển đổi miễn phí và tần số cao hơn.
• Thế hệ thứ ba của chất bán dẫn, chủ yếu là vật liệu dải rộng, bao gồm vật liệu SiC, GaN, … Mặc dù vật liệu và thiết bị SiC bắt đầu nghiên cứu vào những năm 1980, sự phát triển nhanh chóng thực sự vẫn là sau năm 2000, mặc dù có các sản phẩm SiC SBD và MOSFET, nhưng khi đó công nghệ chưa trưởng thành.

VI. Vật lí y sinh

Hoạt động 2. Hãy tìm hiểu trên internet và thảo luận để tìm hiểu về các công nghệ hiện tại cũng như phát triển các công nghệ mới trong vật lí y sinh.

Nội dung nghiên cứu của vật lí y sinh rất rộng, như cơ chế sinh bệnh và tác dụng của các yếu tố từ môi trường và các yếu tố vật lí, các kĩ thuật chẩn đoán và điều trị bệnh hiện đại. Những năm gần đây, vật lí y sinh còn nghiên cứu chế tạo các thiết bị hỗ trợ, phục hồi chức năng vận động và thiết bị nano để điều hòa chức năng sinh học, như:

• Laser trị liệu, điện trị liệu, từ trị liệu, quang trị liệu, siêu âm trị liệu và sóng ngắn trị liệu.
• Các kĩ thuật như khuếch đại PCR có thể dùng để xem kết quả thí nghiệm bằng mắt thường hoặc với thiết bị phóng đại quang học. Bằng kĩ thuật này, giúp nghiên cứu hệ thống tương tác phúc tạp trong các tiến trình tạo ra sự sống.