Bài 2. Giới thiệu một số lĩnh vực nghiên cứu trong Vật lí - Chuyên đề học tập Lí 10 Chân trời sáng tạo

CH

Mô tả một số ví dụ về ứng dụng của Vật lí hạt nhân

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức trong sách chuyên đề

Lời giải chi tiết:

- Ứng dụng phổ biến của Vật lí hạt nhân là 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, những kiến thức về Vật lí hạt nhân đang được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ chẩn đoán và điều trị bệnh, đặc biệt là ung thư

- Ngoài ra, công nghệ hạt nhân còn có một số ứng dụng thực tiễn sau:

+ 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 giúp trái cây được bảo quản lâu hơn ở điều kiện thường.

CH

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

Lời giải chi tiết:

- Lợi ích:

+ Nguồn nhiên liệu để sản xuất điện dồi dào

+ Có nhiều ứng dụng trong y học, công nghiệp, nông nghiệp và trong khoa học kĩ thuật

- Tác hại:

+ Chất thải phóng xạ có thời gian phân hủy rất dài, khó xử lí triệt để. Nếu bị rò rỉ sẽ làm tổn hại môi trường

+ Lợi dụng công nghệ hạt nhân để chế tạo vũ khí hủy diệt hàng loạt.

CH

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

Lời giải chi tiết:

Một số ứng dụng của công nghệ nano trong đời sống:

+ Sử dụng công nghệ nano để xử lí các vấn đề ô nhiễm môi trường

+ Ứng dụng công nghệ nano vào chế tạo các chất khử khuẩn, khử mùi trong y tế và gia đình

+ Ứng dụng công nghệ nano trong việc chế tạo mĩ phẩm, các thiết bị gia dụng, sơn phủ nano cho xe máy, xe ô tô

LT

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

Phương pháp giải:

Liên hệ thực tiễn

Lời giải chi tiết:

Ứng dụng của công nghệ nano: 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 hai lần sạc đầy pin.

CH

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

Lời giải chi tiết:

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

CH

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

Lời giải chi tiết:

Công nghệ khắc laser sử dụng sự hội tụ của tia laser cường độ cao vào vật liệu cần cắt, khắc 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, vâtk 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

CH

Trình bày một số trường hợp có thể gây nguy hiểm khi sử dụng laser

Lời giải chi tiết:

Một số trường hợp gây 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 vật liệu dễ cháy có thể gây hỏa hoạn.

LT

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

Lời giải chi tiết:

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

VD

Tìm hiểu và viết bài luận ngắn về sự phát triển của một số 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).

Lời giải chi tiết:

Bài luận ngắn về công nghệ cắt plasma

Cắt plasma được phát triển lần đầu tiên vào cuối những năm 1950 bởi các kĩ sư của Union Carbide Corp. Ngày nay, đây là một trong những phương pháp cắt tấm kim loại được sử dụng rộng rãi nhất cho nhiều ngành công nghiệp

Máy cắt plasma đầu tiên được sử dụng chủ yếu để cắt thép không gỉ và tấm nhôm dày từ 12 mm đến hơn 15 mm. Các máy này vẫn giữ nguyên chuẩn thiết kế ngàu nay, là phương pháp thiết thực nhất để cắt tấm kim loại đen hạng nặng. Hầu hết máy được thiết lập 2 trục theo phương XY sử dụng các đầu dò quang học để sao chép đường bao hình dạng của sản phẩm cắt, haowcj một máy quét từ tính để cắt theo biên dạng khuôn. Các kĩ sư liên tục làm việc không ngừng nghỉ từ suốt những năm 1960 với mục tiêu cải thiện chất lượng cắt, tuổi thọ của béc cắt và hao mòn điện cực trong mỏ cắt. Plasma bắt đầu đạt được hiệu suất cao trong suốt quá trình cải thiện và người dùng cũng nhận thức được khó khăn trong việc cắt các hình dạng phức tạp ở tốc độ cao với kim loại màu

Năm 1968 cắt thủy lực được giới thiệu. Công nghệ béc cắt được cấp bằng sáng chế này sử dụng nước tinh khiết được bơm xung quanh tia plasma để hạn chế hồ quang, tăng mật độ năng lượng, cải thiện khả năng làm mát béc cắt. Do đó cho phép tốc độ, chất lượng cắt cao hơn và khả năng cắt thép carbon ở công nghệ này nhanh hơn bốn đến sáu lần so với quy trình cắt gió đá.

Cũng trong khoảng thời gian đó, công nghệ máy cắt dẫn động theo tọa độ XY đang được cải thiện. Công nghệ điều khiển vi xử lí bắt đầu thành bộ não của các máy điều khiển chuyển động XY, cho phép độ chính xác, tốc độ, mức độ tự động hóa và năng suất cao hơn

Trong những năm 1970, công nghệ cắt plasma đã thay thế nhiều ứng dụng cắt thép dựa trên cắt gió đá dày từ 6 mm đến 25 mm, trong khi vẫn duy trì điểm mạnh của mình trên thị trường là thép không gỉ và nhôm. Mặc dù plasma có thể cắt thép dày hơn 25 mm, những cắt gió đá vẫn là một sự lựa chọn vì chi phí thấp hơn

LT

Tìm hiểu về khái niệm 1 kg trước và sau ngày 20/5/2019

Lời giải chi tiết:

- Trước ngày 20/5/2019, 1 kg chuẩn được định nghĩa dựa vào một ống hình 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 1897 ở London sau đó được bảo quản, đậy kín bằng một chuông kính đặt tại văn phòng quốc tế về đo lường Paris (Pháp)

- Sau ngày 20/5/2019, 1 kg được định nghĩa dựa trên hằng số Planck – một hằng số vốn rất ổn định đo tỉ lệ năng lượng so với tần số của một photon 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.m2 .s-1 , trong đó 1 m được định nghĩa dựa vào hằng số c là tốc độ ánh sáng trong chân không và 1 s được định nghĩa dựa vào đồng hồ nguyên tử 133Cs.

CH

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

Lời giải chi tiết:

- 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 nguyênt ử siêu mạnh. Khoa học nghiên cứu Vật lí vật chất ngưng tụ bao gồm những đo đạc về các tính chất của vật liệu thông qua các thí nghiệm thăm dò song hành với các kĩ thuật dựa trên Vật lí lí thuyết phát triển các mô hình toán học giúp hiểu được các tính chất vật lí của hệ

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

LT

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

Lời giải chi tiết:

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

VD

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.

Phương pháp giải:

Tìm hiểu trên Internet, sách báo

Lời giải chi tiết:

Máy tính lượng tử có tốc độ lấy mẫu hạt Boson nhanh hơn siêu máy tính số một thế giới Fugaku lên tới 100.000 tỷ lần, tốc độ tính toán cũng nhanh hơn 10 tỷ lần so với nguyên mẫu máy tính lượng tử Sycamore có tốc độ cử lí 53 qubit (bit lượng tử) do hãng Google của Mỹ công bố năm 2019. Máy tính lượng tử được cho là có thể thay đổi thế giới, từ chuyển đổi ngành y học và mật mã học, tới cách mạng hóa ngành thông tin và trí tuệ nhân tạo (AI), đồng thời được đánh giá là xu hướng của tương lai do được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Những đột phá về loại thiết bị này có thể hỗ trợ y học nghiên cứu kéo dài sự sống, tạo siêu vật liệu mới, thậm chí có thể sẽ ảnh hưởng đến thị trường tài chính, chính phủ và quân đội.

Bài 1

Tìm hiểu về hệ thống phân loại mức độ của laser và thiết kế bảng các quy tắc an toàn khi sử dụng laser.

Lời giải chi tiết:

Theo tiêu chuẩn mới về mức độ an toàn của laser, mức độ an toàn của laser được phân thành 4 cấp chính:

- Cấp 1 và cấp 1M bao gồm những laser có bước sóng ở vùng hồng ngoại, có công suất rất thấp dưới 0,039 mW, nhìn chung là an toàn, không gây hại cho con người trong điều kiện sử dụng bình thường, không bị hội tụ bởi các dụng cụ quang học có tính hội tụ.

- Cấp 2 và cấp 2M: có bước sóng ở vùng khả kiến, công suất dưới 1 mW, nhìn chung là an toàn

- Cấp 3R và cấp 3B: cấp 3R có công suất từ 1 – 5 mW và cấp 3B có công suất từ 5 – 50 mW. Cần cẩn thận trong quá trình sử dụng, hạn chế tiếp xúc với tia laser ở cấp độ 3.

- Cấp 4: Những laser cấp độ 4 là loại có công suất cao (trên 500 mW) gây ảnh hưởng nặng cho da và mắt khi tiếp xúc trực tiếp. Những laser cấp độ 4 và tia phản xạ của chúng qua các dụng cụ quang học có khả năng đốt cháy một số vật liệu dễ cháy và gây ra hỏa hoạn. Do đó, người sử dụng laser cấp độ 4 cần phải được đào tạo bài bản, có chuyên môn vững và luôn tuân thủ các quy tắc an toàn trong suốt quá trình sử dụng

Bài 2

Tìm hiểu những giới hạn của máy tính hiện tại và những ưu điểm vượt trội của máy tính lượng tử

Lời giải chi tiết:

- Giới hạn của máy tính hiện tại: Tốc độ tính toán bị giới hạn và phụ thuộc nhiều vào độ phức tạp của các vấn đề cần được giải quyết và các thuật toán được sử dụng. Do đó, các điều kiện gần đúng được sử dụng để đơn giản hóa vấn đề, tuy nhiên điều này lại dẫn đến việc không thể mô tả một cách hoàn chỉnh vấn đề đặc biệt là việc mô phỏng các hệ lượng tử trên máy tính cổ điển. Mặc dù độ an toàn và bảo mật thông tin cao, nhưng vẫn thấp hơn máy tính lượng tử.

- Ưu điểm của máy tính lượng tử:

+ Nhìn chung tốc độ tính toán và độ phức tạp của các vấn đề mà máy tính lượng tử có thể giải quyết được về lí thuyết vượt trội hơn hẳn máy tính cổ điển. Máy tính cổ điển (kể cả những siêu máy tính hiện nay) gặp khó khăn khi giải quyết các vấn đề có độ phức tạp quá lớn, các máy tính cổ điển không thể giải quyết được do mức độ phức tạp quá cao và có nhiều sự tương tác phức tạp giữa các biến số. Ví dụ như trong vấn đề dự báo thời tiết khi tất cả các biến số đều thay đổi theo thời gian thực. Hay như việc phân tích cấu trúc DNA tốn nhiều thời gian tính toán do lượng dữ liệu rất lớn. Trong khi đó, máy tính lượng tử có thể tính toán đến tất cả các tương tác phức tạp giữa biến số và độ phức tạp của các dữ liệu này dựa trên các hiệu ứng lượng tử như sự vướng víu luongwj tử và sự chồng chập các trạng thái lượng tử.

+ Thêm vào đó, máy tính lượng tử cũng đảm bảo thông tin được bảo mật cao hơn so với các phương pháp bảo mật thông tin hiện tại trên các máy tính cổ điển. Ngoài ra, máy tính lượng tử có thể giúp các nhà Vật lí thực sự mô tả các hệ lượng tử.