Tải bản chuẩn giáo án chuyên đề vật lí 10 CTST bài 2: Giới thiệu về một số lĩnh vực nghiên cứu trong vật lí

HOẠT ĐỘNG CỦA GIÁO VIÊN - HỌC SINH

DỰ KIẾN SẢN PHẨM

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

- GV đưa ra câu hỏi:

Đối tượng nghiên cứu của Vật lí hạt nhân là gì?

- GV đưa ra các câu hỏi thảo luận, HS nghiên cứu và trả lời:

Câu 1: Mô tả một số ví dụ về ứng dụng của Vật lí hạt nhân.

Câu 2: Thảo luận và đánh giá những lợi ích, tác hại tiềm ẩn của công nghệ hạt nhân đối với nhân loại.

(Gợi ý: Câu 2 lập bảng so sánh những lợi ích và tác hại tiềm ẩn của công nghệ hạt nhân đối với nhân loại)

Bước 2: HS thực hiện nhiệm vụ học tập

- HS các nhóm đọc sách chuyên đề, nghiên cứu thông tin, và trả lời câu hỏi.

- GV hướng dẫn, hỗ trợ HS (nếu cần thiết).

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động và thảo luận

- GV mời HS đại diện nhóm lên trình bày phần thảo luận của nhóm.

- GV mời HS nhóm khác nhận xét, bổ sung.

Bước 4: Đánh giá kết quả, thực hiện nhiệm vụ học tập

GV đánh giá, nhận xét, chuẩn kiến thức, chuyển sang nội dung mới

1. Vật lí hạt nhân

a) Đối tượng nghiên cứu của Vật lí hạt nhân

- Vật lí hạt nhân nghiên cứu các hiện tượng phogs xj, quá trình giải phóng năng lượng thông qua phản ứng hạt nhân (phân hạch, nhiệt hạch), cấu trúc hạt nhân, tương tác giữa các hạt nucleon cấu tạo nên hạt nhân.

b) Một số ứng dụng của Vật lí hạt nhân

Trả lời câu hỏi 1:

Một số ví dụ về ứng dụng của vật lí hạt nhân

- Khai thác năng lượng của quá trình phân rã hạt nhân trong các lò phản ứng hạt nhân để sản xuất điện.

- Trong y học, ứng dụng rộng rãi trong công nghệ chuẩn đoán và điều trị bệnh, đặc biệt là bệnh ung thư.

- VD: Hiệu ứng Hủy cặp electron - positron được ứng dụng trong máy “chụp cắt lớp phát xạ positron” (PET);

 Hiện tượng phân rã gamma được ứng dụng trong máy “chụp cắt lớp bằng bức xạ đơn photon” (SPECT).

- Sử dụng các loại tia phóng xạ trong trị xạ ung thư, sử dụng chùm beta (electron) hoặc tia X bức xạ hãm trong máy gia tốc tuyến tính để điều trị ung thư tại các bệnh viện ở Việt Nam.

 - Kĩ thuật tiên tiến trong xạ trị ung thư tiêu diệt được các tế bào ung thư tại những vị trí khó như não mà ít để lại biến chứng nhất là máy xạ trị proton.

- Trong nông nghiệp chiếu xạ hạt giống để cải tạo giống cây trồng.

- Trong công nghiệp sử dụng chiếu xạ hạt nhân để kiểm định chất lượng sản phẩm, kiểm tra mối hàn, đo mật độ mà không phá hủy mẫu vật.

- Trong thực phẩm: Chiếu xạ để diệt vi sinh vật, phá hủy cấu trúc DNA (Deoxyribo Nucleic Acid) giúp trái cây được bảo quản lâu hơn ở điều kiện thường.

Trả lời câu hỏi 2:

HOẠT ĐỘNG CỦA GIÁO VIÊN - HỌC SINH

DỰ KIẾN SẢN PHẨM

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

- GV đưa ra câu hỏi:

Đối tượng nghiên cứu của Vật lí nano là gì?

- GV đưa ra các câu hỏi thảo luận, HS nghiên cứu và trả lời:

Câu 3: Nêu một số ví dụ khác về ứng dụng của công nghệ nano trong đời sống.

- GV nêu câu hỏi luyện tập:

Tìm hiểu ứng dụng của công nghệ nano trong chế tạo pin và thiết bị lưu trữ năng lượng.

Bước 2: HS thực hiện nhiệm vụ học tập

- HS các nhóm đọc sách chuyên đề, nghiên cứu thông tin, và trả lời câu hỏi.

- GV hướng dẫn, hỗ trợ HS (nếu cần thiết).

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động và thảo luận

- GV mời HS đại diện nhóm lên trình bày phần thảo luận của nhóm.

- GV mời HS nhóm khác nhận xét, bổ sung.

Bước 4: Đánh giá kết quả, thực hiện nhiệm vụ học tập

GV đánh giá, nhận xét, chuẩn kiến thức, chuyển sang nội dung mới

2. Vật lí nano

a) Đối tượng nghiên cứu của Vật lí nano

- Vật lí nano nghiên cứu vật chất hay các thiết bị có kích thước từ 1 tới 100 nm.

VD: Ống nano carbon được tạo từ Graphene bởi một lớp các nguyên tử ¹²C có độ cứng hơn thép khoảng 100 lần nhưng lại rất nhẹ và có tính chất dẫn điện tốt.

b) Một số ứng dụng của Vật lí nano

Trả lời câu hỏi 3:

Một số ví dụ khác về ứng dụng của công nghệ nano trong đời sống.

- Ứng dụng trong ngành sản xuất điện tử:

+ Công nghệ nano làm giảm kích thước các linh kiện điện tử, thiết bị lưu trữ thông tin của máy tính.

+ Tăng hiệu suất sử dụng năng lượng.

- Ứng dụng trong lĩnh vực may mặc

+ Vật liệu nano siêu nhẹ, siêu bền phục vụ trong may mặc

+ Quần áo có khả năng diệt khuẩn không gây mùi hôi.

+ Biến chiếc áo của bạn thành một trạm phát điện di động.

- Ứng dụng trong ngành thực phẩm

+ Lưu trữ thực phẩm được lâu hơn.

+ Các loại máy khử độc rau củ bằng công nghệ nano thông minh.

- Ứng dụng trong lĩnh vực y tế

+ Các robot được chế tạo với kích thước nhỏ giúp mang thuốc tiêu diệt chính xác tế bào ung thư, hạn chế ảnh hướng tiêu cực tới các tế bào khỏe mạnh xung quanh.

Trả lời câu hỏi luyện tập:Tăng hiệu suất pin quang điện sử dụng năng lượng mặt trời. Việc phủ một lớp vật liệu nano lên hai điện cực giúp tăng hiệu suất sử dụng năng lượng của pin, tăng khả năng chống ăn mòn điện cực từ đó tăng tuổi thọ của pin lên nhiều lần và đồng thời giảm thời gian giữa hại lần sạc đầy pin.

HOẠT ĐỘNG CỦA GIÁO VIÊN - HỌC SINH

DỰ KIẾN SẢN PHẨM

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

- GV giới thiệu lịch sử phát triển của Vật lí Laser

- GV đưa ra câu hỏi:

Đối tượng nghiên cứu của Vật lí Laser là gì?

- GV đưa ra các câu hỏi thảo luận, HS nghiên cứu và trả lời:

Câu 4: Liệt kê một số thiết bị sử dụng Laser trong kĩ thuật, công nghệ và cuộc sống hằng ngày.

Câu 5: Quan sát Hình 2.10, tìm hiểu và trình bày sơ lược những hiểu biết của em về sự phát triển của một trong những công nghệ được giới thiệu.

Câu 6: Trình bày một số trường hợp có thể gây nguy hiểm khi sử dụng Laser.

- GV nêu câu hỏi luyện tập:

Trình bày sơ lược một số ứng dụng khác của Laser trong đời sống hằng ngày.

- GV nêu câu hỏi vận dụng, giao nhiệm vụ cho HS viết bài thuyết trình ngắn tại nhà và nộp lại.

(HS đánh dấu về nhà làm)

Tìm hiểu và viết bài luận ngắn về sự phát triển của một công nghệ cụ thể với sự hỗ trợ của Vật lí Laser.

(Gợi ý: Có thể sử dụng công nghệ điều trị các tật khúc xạ của mắt hoặc công nghệ cắt, khắc công nghiệp).

Bước 2: HS thực hiện nhiệm vụ học tập

- HS các nhóm đọc sách chuyên đề, nghiên cứu thông tin, và trả lời câu hỏi.

- GV hướng dẫn, hỗ trợ HS (nếu cần thiết).

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động và thảo luận

- GV mời HS đại diện nhóm lên trình bày phần thảo luận của nhóm.

- GV mời HS nhóm khác nhận xét, bổ sung.

Bước 4: Đánh giá kết quả, thực hiện nhiệm vụ học tập

GV đánh giá, nhận xét, chuẩn kiến thức, chuyển sang nội dung mới

3. Vật lí Laser

Dựa vào những tiên đoán của Einstein về một loại “ánh sáng nhân tạo với năng lượng cao”, ba nhà vật lí Charles H. Townes; Nikolay basov; Alexander Prokhorov đã đọc lập xây dựng những lí thuyết nền tảng cho sự phát triển của Laser vào đầu thập niên 1950.

Năm 1960, nhà vật lí Theodore H. Maiman đã thành công trong việc chế tạo bộ phát Laser đầu tiên trên thế giới.

a) Đối tượng nghiên cứu của Vật lí Laser

Cùng với sự phát triển của các phân ngành khác trong Vật lí hiện đại, đối tượng nghiên cứu trong Vật lí Laser rất phong phú và đa dạng:

- Nghiên cứu cấu trúc của nguyên tử, phân tử thông qua các hiệu ứng quang phi tuyến.

- Nghiên cứu để quan sát sự hình thành các liên kết hóa học trong thời gian rất ngắn bằng cách sử dụng những xung Laser cực ngắn nhằm tạo ra độ phân giải thời gian phù hợp.

- Nghiên cứu chế tạo các tiết bị quang học, quang – điện từ mới có những tính năng vượt trội.

- Nghiên cứu chế tạo công cụ, thiết bị để bẫy nguyên tử hay các hạt có kích thước từ micromet đến nanomet.

- Nghiên cứu phát triển công nghệ chụp ảnh cấu trúc vật liệu mà không phá hỷ mẫu vật.

- Nghiên cứu phát triển các công nghệ mới để chẩn đoán và điều trị bệnh trong lĩnh vực y học.

b) Một số ứng dụng của Vật lí nano

Trả lời câu hỏi 4: Một số thiết bị sử dụng Laser trong kĩ thuật, công nghệ và cuộc sống hằng ngày: bút trình chiếu, thiết bị đo đạc khoảng cách, mắt đọc của chuột máy tính, máy quét mã vạch, mã QR, máy cắt CNC,...

Trả lời câu hỏi 5: Công nghệ khắc Laser sử dụng sự hội tụ của tia Laser cường độ cao vào vật liệu cần cắt, khắc tên trên các vật liệu. Tia Laser cường độ cao sinh ra nhiệt lượng làm bốc hơi hay đốt cháy bề mặt của vật cần được cắt hay khắc.

Ưu điểm:

- Tia Laser có độ hội tụ cao nên vết cắt sắc nét, chính xác cao, vật liệu ít biến dạng so với phương pháp truyền thống sau khi cắt, khắc.

- Có thể áp dụng cho nhiều loại vật liệu từ kim loại, nhựa, gỗ.

- Giảm thiểu bụi mịn so với phương pháp cơ khí truyền thống, từ đó giảm nguy cơ mắc bệnh đường hô hấp cho người lao động.

Trả lời câu 6: Một số trường hợp nguy hiểm khi sử dụng Laser:

- Tia Laser có công suất đủ lớn sẽ gây nguy hại đến màng lưới (võng mạc) khi chiếu vào mắt.

- Tia Laser khi chiếu vào da có thể gây bỏng da.

- Tia Laser khi chiếu vào vạt liệu dễ cháy có thể gây hỏa hoạn.

Trả lời câu hỏi luyện tập: Một số ứng dụng khác của Laser trong đời sống hằng ngày:

- Đo đạc khoảng cách, xác định vị trí các vật thể trong không gian.

- Dẫn đường cho các thiết bị lái tự động.

- Sử dụng trong các hệ thống cảnh báo va chạm, hệ thống chống trộm.

- Hỗ trợ công nghệ thực tế ảo tăng cường.

HOẠT ĐỘNG CỦA GIÁO VIÊN - HỌC SINH

DỰ KIẾN SẢN PHẨM

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

- GV đưa ra câu hỏi:

Đối tượng nghiên cứu của Vật lí tính toán lượng tử là gì?

- GV đưa ra các câu hỏi thảo luận, HS nghiên cứu và trả lời:

Nêu một số ứng dụng của vật lí tính toán lượng tử?

- GV nêu câu hỏi luyện tập:

Tìm hiểu về khái niệm 1 kg trước và sau ngày 20/05/2019.

Bước 2: HS thực hiện nhiệm vụ học tập

- HS các nhóm đọc sách chuyên đề, nghiên cứu thông tin, và trả lời câu hỏi.

- GV hướng dẫn, hỗ trợ HS (nếu cần thiết).

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động và thảo luận

- GV mời HS đại diện nhóm lên trình bày phần thảo luận của nhóm.

- GV mời HS nhóm khác nhận xét, bổ sung.

Bước 4: Đánh giá kết quả, thực hiện nhiệm vụ học tập

GV đánh giá, nhận xét, chuẩn kiến thức, chuyển sang nội dung mới

2. Vật lí tính toán lượng tử

a) Đối tượng nghiên cứu của Vật lí tính toán lượng tử

- Nghiên cứu các thuật toán và xây dựng các thư viện lập trình tính toán cho máy tính lượng tử.

- Nghiên cứu chế tạo mạch lượng tử, các cổng logic lượng tử, bộ nhớ lượng tử, bit lượng tử (qubit – quanlum) và các bộ mô phỏng lượng tử để xây dựng máy tính lượng tử.

b) Một số ứng dụng của Vật lí tính toán lượng tử.

- Trong lĩnh vực công nghệ cảm biến: Phát triển các công nghệ cảm biến mới giúp xe hơi có thể cảm nhận được các vật bị che bởi sương mù, chuẩn đoán những dấu hiệu bệnh tim.

- Trong lĩnh vực đo lường: Giúp hoàn chỉnh hệ thống đo lường về kilogam tiêu chuẩn theo hằng số Planck.

- Phát minh ra những thiết bị, dụng cụ như: máy vi tính, điện thoại thông minh, công nghệ vật liệu, quang học lượng tử,...

Trả lời câu hỏi luyện tập:

- Trước ngày 20/05/2019, 1 kg chuẩn được định nghĩa dựa vào một ống trụ làm bằng hợp kim gồm 90% platinium và 10% iridium có đường kính 39 mm, cao 39 mm. Mẫu chuẩn này được chế tạo năm 1879 ở London sau đó được bảo quản, đậy kín bằng một chuông kính đặt tại văn phòng quốc tế đo lường Paris (Pháp).

- Sau ngày 20/05/2019, 1kg được định nghĩa dựa trên hằng số Planck – một hằng số vốn rất ổn định đo tỉ lệ năng lương lượng so với tần số của một photon (hạt) ánh sáng. Định nghĩa mới này giúp các nhà khoa học có được quan sát chính xác, tỉ mỉ về khối lượng. Nguyên nhân vì đơn vị của hằng số Planck trong hệ SI là kg., trong đó 1 m được định nghĩa dựa vào hằng số c là tốc độ truyền ánh sáng trong chân không và 1 s được định nghĩa dựa vào đồng hồ nguyên tử ¹³³Cs.

HOẠT ĐỘNG CỦA GIÁO VIÊN - HỌC SINH

DỰ KIẾN SẢN PHẨM

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

- GV đưa ra câu hỏi:

Đối tượng nghiên cứu của Vật lí vật chất ngưng tụ là gì?

- GV đưa ra các câu hỏi thảo luận, HS nghiên cứu và trả lời:

Câu 7: Thế nào là vật chất ngưng tụ? Nêu những hiểu biết của em về ứng dụng của vật chất ngưng tụ trong thực tiễn.

- GV nêu câu hỏi:

Nêu một số ứng dụng của vật lí ngưng tụ Bose – Einstein.

- GV nêu câu hỏi luyện tập:

Trình bày ngắn gọn hiểu biết của em về hiện tượng siêu dẫn.

- GV giao nhiệm vụ cho HS viết bài thuyết trình ngắn tại nhà và nộp lại.

(HS làm về nhà)

Tìm hiểu và trình bày sơ lược về máy tính lượng tử được chế tạo bởi Google vào năm 2019 và Trung Quốc vào năm 2021.

Bước 2: HS thực hiện nhiệm vụ học tập

- HS các nhóm đọc sách chuyên đề, nghiên cứu thông tin, và trả lời câu hỏi.

- GV hướng dẫn, hỗ trợ HS (nếu cần thiết).

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động và thảo luận

- GV mời HS đại diện nhóm lên trình bày phần thảo luận của nhóm.

- GV mời HS nhóm khác nhận xét, bổ sung.

Bước 4: Đánh giá kết quả, thực hiện nhiệm vụ học tập

GV đánh giá, nhận xét, chuẩn kiến thức, chuyển sang nội dung mới

2. Vật lí vật chất ngưng tụ

a) Đối tượng nghiên cứu của Vật lí tính toán lượng tử

- Nghiên cứu hiệu ứng ngưng tụ Bose – Einstein để chế tạo bit lượng tử (qubit) và Laser nguyên tử (atom laser) từ các hệ nguyên tử siêu lạnh phục vụ cho các nghiên cứu về máy tính lượng tử và các công nghệ đo lường chính xác cao.

- Nghiên cứu liên ngành với hóa học, công nghệ nano,... về các tính chất điện và từ của các loại vật liệu, cấu trúc của mạng tinh thể để chế tạo những vật liệu mới với những tính chất ưu việt như ống nano carbon, graphene,...

- Nghiên cứu về vật liệu bán dẫn phục vụ ngành điện – điện tử và ngành công nghiệp về bán dẫn như chế tạo vì xử lí trung tâm của máy tính, vi mạch điện tử,...

b) Một số ứng dụng của Vật lí tính toán lượng tử.

Trả lời câu hỏi 7:

- Vật lí vật chất ngưng tụ là một nhánh của Vật lí nghiên cứu các tính chất vật lí của pha ngưng tụ của vật chất. Những pha ngưng tụ quen thuộc nhất là pha rắn và lỏng, trong khi những pha ngưng tụ kì lạ hơn bao gồm pha siêu dẫn xuất hiện ở những vật liệu cụ thể tại nhiệt độ thấp và ngưng tụ Bose – Einstein xảy ra ở hệ các nguyên tử siêu lạnh.

- Ứng dụng: Chất bán dẫn ứng dụng trong chế tạo vi mạch điện tử, vi xử lí máy tính, phát triển transistror bán dẫn và công nghệ laser.

c) Một số ứng dụng của Vật lí ngưng tụ Bose – Einstein

- Trong lĩnh vực đo lường độ chính xác cao: Phát triển công nghệ laser nguyên tử siêu lạnh, phục vụ công nghệ đo đạc yêu cầu độ phân giải cao về mặt không gian.

- Trong lĩnh vực thông tin lượng tử và máy tính lượng tử:

+ Mạng quang học

+ Kiểm soát và trích xuất tính chất lượng tử của từng nguyên tử. Tạo ra các bộ mô phỏng lượng tử trong nghiên cứu chế tạo máy tính lượng tử, phục vụ cho ngành công nghệ thông tin lượng tử.

Trả lời câu hỏi luyện tập: Một số hiểu biết đơn giản về hiện tượng siêu dẫn:

- Điện trở của vật dẫn ở trạng thái siêu dẫn bằng 0. Dòng điện có thể được truyền tải mà không bị cản trở.

- Hiện tượng siêu dẫn xảy ra ở nhiệt độ rất thấp.

- Các nhà khoa học đang cố gắng nghiên cứu để chế tạo vật liệu siêu dẫn có nhiệt độ cao để ứng dụng vào cuộc sống như truyền tải điện năng, tàu điện cao tốc đệm từ trường.