(SKKN 2022) phương pháp giải nhanh một số bài tập vật lí hạt nhân và nâng cao kĩ năng đọc hiểu các bài tập vận dụng thực tế

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ TRƯỜNG THPT TĨNH GIA I SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM PHƯƠNG PHÁP GIẢI NHANH MỘT SỐ BÀI TẬP VẬT LÍ HẠT NHÂN VÀ NÂNG CAO KĨ NĂNG ĐỌC – HIỂU CÁC BÀI TẬP VẬN DỤNG THỰC TẾ Người thực hiện: Nguyễn Thị Mỹ Hạnh Chức vụ: Giáo viên SKKN thuộc lĩnh vực: Vật lí MỤC LỤC Tên nội dung Trang Mở đầu 1.1 Lí chọn đề tài 1.2 Mục đích nghiên cứu 1.3 Đối tượng nghiên cứu 1.4 Phương pháp nghiên cứu 2 Nội dung sáng kiến kinh nghiệm 2.1 Cơ sở lí luận 2.1.1 Tỉ lệ số hạt bị phân rã hai thời điểm khác 2.1.a Khoảng thời gian phân rã giống 2.1.b Khoảng thời gian phân rã khác nhau(chữa bệnh ung thư) 2.1.2 Tỉ lệ số hạt nhân số hạt nhân mẹ mẫu 2.1.3 Tỉ lệ khối lượng hạt nhân hạt nhân mẹ mẫu 2.1.4 Năng lượng phản ứng hạt nhân 2.1.5 Hiệu suất lò phản ứng hạt nhân 2.2 Thực trạng vấn đề trước áp dụng sáng kiến kinh nghiệm 2.3 Một số biện pháp Dạng 1: Xác định tuổi cổ vật gốc sinh vật Dạng 2: Xác định tuổi thiên thể, mẫu đá chứa chất phóng xạ Dạng 3:Phương pháp nguyên tử đánh dấu dùng để đo thể tích máu Dạng 4: Xác định mức độ nhiễm phóng xạ thơng qua độ phóng xạ Dạng 5: Ứng dụng chữa bệnh ung thư đồng vị phóng xạ Dạng 6: Ứng dụng phản ứng phân hạch lò phản ứng, nhà 11 máy điện, tàu ngầm hạt nhân nguyên tử Dạng 7: Ứng dụng phản ứng nhiệt hạch tương lai 15 2.4 Hiệu sáng kiến kinh nghiệm hoạt động giáo dục, với 18 thân, đồng nghiệp nhà trường Kết luận, kiến nghị 19 3.1 Kết luận 19 3.2 Kiến nghị 19 MỞ ĐẦU 1.1 Lý chọn đề tài Trong q trình giảng dạy phân tích đề thi THPT Quốc Gia mơn Vật Lí năm - tham khảo đề thi đánh giá lực tư trường Đại học năm học 2021 -2022, tơi nhận thấy chủ đề tập Phóng xạ hạt nhân xuất tần suất thường xuyên thường nằm vùng câu hỏi từ câu 35 đến 40 Nội dung khơng địi hỏi kiến thức q khó với học sinh phần Cơ, Sóng Điện gặp dạng em thường bị điểm khơng luận đề tính tốn dài dịng, lại câu hỏi khơng q khó để ghi điểm bứt phá lên Với hình thức thi trắc nghiệm việc giải nhanh xác yêu cầu hàng đầu người học, cần đường ngắn cơng thức tính nhanh giúp tiết kiệm thời gian Cịn với thi tư lực cần đọc – hiểu văn trước suy luận trả lời để rèn luyện khả tư lực phát vấn đề người học Với mục tiêu chương trình GDPT 2018 việc dạy học Vật lí phải giới thiệu thêm nhiều ứng dụng thực tiễn mơn ngân hàng đề cịn mảng Trên sở với vai trò Giáo Viên thường xuyên phụ trách ơn thi THPT Quốc Gia, để góp phần giúp học sinh giải vấn đề dễ dàng hơn, đạt kết cao kì thi THPT Quốc Gia, dành nhiều điểm 9,10 cho môn Vật lí tỉnh nhà, tiếp cận tốt thi đánh giá lực, tơi mạnh dạn tìm hiểu đề tài : “ Phương pháp giải nhanh số tập Vật lí hạt nhân nâng cao kĩ đọc - hiểu tập vận dụng thực tế ” làm sáng kiến kinh nghiệm cho Với hy vọng đề tài tài liệu tham khảo phục vụ cho việc học tập em học sinh 12 cung cấp tư liệu thêm cho quý đồng nghiệp cần đến 1.2 Mục đích nghiên cứu - Giới thiệu phương pháp giải tối ưu cơng thức tính nhanh giúp học sinh dễ hiểu, dễ vận dụng nhằm giúp em đạt nhiều điểm cao, phối hợp môn khác nhằm đạt 27đ để em có thêm hội vào trường đại học danh tiếng theo nguyện vọng sở thích nghề nghiệp Tiếp cận làm quen với luận đọc – hiểu nâng cao khả tư phân tích vấn đề thi đánh giá lực, khảo sát tư trường Đại học theo hình thức thi - Mặt khác gần xung đột chiến tranh với đe dọa dùng vũ khí hạt nhân số nước hay cố rị rỉ phóng xạ Fukushima (Nhật Bản) năm 2011, kiện lịch sử Hiroshima 1945 làm em suy nghĩ tiêu cực khoa học hạt nhân Tôi muốn thơng qua ưu mơn may mắn dạy - truyền tải thơng điệp tích cực, niềm vui đam mê khám phá, ngưỡng mộ thành tựu nghiên cứu nhiều nhà khoa học biết ứng dụng hay đồng vị phóng xạ tự nhiên nhân tạo nhiều lĩnh vực nhằm phục vụ cho mục đích nâng cao chất lượng sống người hịa bình cho nhân loại 1.3 Đối tượng nghiên cứu - Đề tài nghiên cứu cụ thể hệ thống tập khó ứng dụng đồng vị phóng xạ (từ câu 35 đến 40 đề thi THPT Quốc Gia), kết hợp với luận đọc – hiểu thực tế ứng dụng hạt nhân thi đánh giá lực, kiểm tra tư trường Đại Học - Học sinh lớp 12 ôn thi THPT Quốc Gia 1.4 Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu xây dựng sở lí thuyết: nghiên cứu tài liệu từ tạp chí Vật Lí tuổi trẻ, đề thi thử trường chuyên nước, đề minh họa đề thi thức Bộ GD&ĐT, đề thi đanh giá lực ĐHQG… - Phương pháp điều tra khảo sát thực tế, thu thập thông tin: trao đổi kinh nghiệm với giáo viên, thăm dị học sinh để tìm hiểu tình hình học tập em cách tiếp cận với đề tài - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Thực nghiệm sư phạm đánh giá hiệu sử dụng đề tài nghiên cứu bồi dưỡng học sinh mũi nhọn Vật lý qua năm học Trường THPT Tĩnh Gia NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM 2.1 Cơ sở lý luận 2.1.1 Tỉ lệ số hạt bị phân rã hai thời điểm khác a/ Khoảng thời gian phân rã nhau: −t - Định luật số hạt phóng xạ : N = N T = N e − λt ∆N = N − N = N − N0 - Số hạt phân rã thời gian t : − t T t  −  T  = N0 − ÷  ÷   - Vậy ta có cơng thức tính nhanh tuổi cổ vật có nguồn gốc sinh vật: t −1   N 1 − T ÷ t ∆N1   ⇒ ∆N1 = T = t t −  −1  ∆N ∆N N0 T 1 − T ÷   b/ Khoảng thời gian phân rã khác (chữa bệnh ung thư): - Khi thời gian chiếu xạ bé so với chu kì bán rã thì: t = T ⇒ ∆N = N (1 − e− λt ) ≈ N λt t ∆N1 t = 2T t2 - Nên ta có cơng thức tính nhanh cho toán điều trị ung thư: ∆N 2.1.2 Tỉ lệ số hạt nhân số hạt nhân mẹ mẫu - Số hạt nhân mẹ lại sau thời gian phân rã t: − - Số hạt nhân tạo thành sau thời gian t: t N = ∆N = N (1 − T ) - Ta suy cơng thức tính nhanh số tuổi mẫu đá chứa chất phóng xạ: t N = (2 T − 1) N me 2.1.3 Tỉ lệ khối lượng hạt nhân hạt nhân mẹ mẫu - Tương tự phần trên, ta có cơng thức tính nhanh tuổi cổ vật: t mcon A = (2 T − 1) mme Ame 2.1.4 Năng lượng phản ứng hạt nhân - Năng lượng tỏa phản ứng : ∆E = ( mt − ms ) c - Mặt khác độ hụt khối, lượng liên kết lượng liên kết riêng có cơng thức: ∆m = Z m p + ( A − Z ).mn − mhn W lk Wlk = ∆mc 2;ε= A - Nên ta có thêm cơng thức tính nhanh lượng phản ứng: ∆E = (∆ms − ∆mt )c ∆E = ε s As − ε t At ∆E = WLK S − WLK T ; ∆E = K s − K t ; - Tổng lượng tỏa nhiều phản ứng: 2.1.5 Hiệu suất lò phản ứng hạt nhân - Phản ứng phân hạch : - Năng lượng có ích: - Năng lượng tồn phần: E = N ∆E = m N A E M U + 01n → X + Y + k n 235 92 A = P.t E = NU ∆E = n.N A ∆E H= Acóích 100(%) Atp - Hiệu suất lị phản ứng: 2.2 Thực trạng vấn đề trước áp dụng sáng kiến kinh nghiệm - Qua nhiều năm dạy học phần Vật lí hạt nhân tơi nhận thấy: phần kiến thức khơng q khó Dao động cơ, Sóng, Điện xoay chiều - vận dụng vào giải tập đa số học sinh thường lúng túng, sử dụng định luật phóng xạ lập hệ giải nên thời gian tìm đáp án, chí loay hoay tốn có hai nghiệm trở lên phải loại nghiệm - Ngun trên theo tơi chương trình SGK sâu vào lí thuyết, chuyên đề tập chưa mở rộng chưa giới thiệu nhiều ứng dụng thực tế tượng phóng xạ hay lượng hạt nhân Trong với xu hướng đề thi nay, đặc biệt thi đánh giá lực tập ứng dụng thực tiễn trở nên phong phú, đa dạng, đòi hỏi hs phải nhận diện đề vận dụng cách linh hoạt - Mặt khác trước trường Đại học chưa thi kiểu đánh giá lực tư nên em không quen với luận ứng dụng thực tiễn hạt nhân nguyên tử, ngân hàng thầy cịn dạng đọc – hiểu 2.3 Một số biện pháp - Căn vào thực trạng vấn đề xin giới thiệu số tập nghiêng ứng dụng hạt nhân nhiều lĩnh vực giải theo cơng thức tính nhanh giúp em tiết kiệm thời gian tính tốn giới thiệu tập đọc – hiểu theo xu hướng thi đánh giá lực để thấy tính hiệu đề tài này: Dạng 1: Xác định tuổi cổ vật gốc sinh vật Câu 1(Minh họa 2022): Để xác định tuổi cổ vật gỗ, nhà khoa 14 học sử dụng phương pháp xác định tuổi theo lượng   C Khi sống, 14 nhờ trao đổi chất với môi trường nên tỉ số số nguyên tử   C số 12 nguyên tử   C có nhỏ không đổi Khi chết, − 14 trao đổi chất khơng cịn   C chất phóng xạ β với chu kì bán rã 14 12 5730 năm nên tỉ số số nguyên tử   C số nguyên tử   C có gỗ 14 giảm Một mảnh gỗ cổ vật có số phân rã   C 497 Biết với mảnh gỗ khối lượng loại chặt số phân rã 14   C 921 Tuổi cổ vật là: A.1500 năm B.5100 năm C.8700 năm D.3600 năm Hướng dẫn: - Áp dụng cơng thức tính nhanh: - Ta có: t 2T = 921 497  t = 5099, 44 (năm) Câu 2: Dựa vào thông tin cung cấp để trả lời từ câu đến câu Định tuổi đồng vị phóng xạ kỹ thuật xác định tuổi vật liệu, dựa so sánh lượng đồng vị liên quan đến q trình phân rã phóng xạ hay vài đồng vị phóng xạ đặc trưng có mẫu thử Q trình phân rã phóng xạ diễn với tốc độ phân rã cố định, sản phẩm phân rã chốt lại vật liệu mẫu kể từ hóa rắn Kết tuổi cho tuổi tuyệt đối Đây nguồn thông tin quan trọng việc định tuổi xác đá yếu tố địa chất khác bao gồm tuổi Trái Đất, sử dụng để định tuổi vật liệu tự nhiên nhân tạo 1/ Phóng xạ tượng hạt nhân A phát xạ điện từ B tự phát phóng tia α,β,γ, khơng thay đổi hạt nhân C tự phát phóng tia phóng xạ biến đổi thành hạt nhân khác D phóng tia phóng xạ, bị bắn phá hạt chuyển động với tốc độ lớn 2/ Chu kì bán rã chất phóng xạ khoảng thời gian để A q trình phóng xạ lại lặp lại lúc ban đầu B nửa số nguyên tử chất biến đổi thành chất khác C khối lượng chất giảm phần định, tùy thuộc vào cấu tạo D nửa số nguyên tử chất hết khả phóng xạ 3/ Thành phần đồng vị phóng xạ 14 C có khí có chu kỳ bán rã 5568 năm Mọi thực vật sống Trái Đất hấp thụ bon dạng CO2 chứa lượng cân 14 C Trong mộ cổ người ta tìm thấy mảnh xương nặng 18g với độ phóng xạ 112 phân rã/phút Hỏi vật hữu 14 chết cách lâu? Biết độ phóng xa từ C thực vật sống 12 phân rã/g.phút A 5378,58 năm B 5068,28 năm C 5168,28 năm D 5275,86 năm t t H0 216 = 2T ⇒ 2T = ⇒ t = 5275,86(nam) H 112 Hướng dẫn: Dạng 2: Xác định tuổi thiên thể, mẫu đá chứa chất phóng xạ Câu (Chuyên Vinh 2021): Hạt nhân urani đổi thành hạt nhân 234 92 U 238 92 U sau chuỗi phân rã, biến Trong q trình đó, chu kì bán rã Một khối đá phát có chứa 1,978.1020 hạt nhân nhân 234 92 238 92 U Giả sử, khối đá lúc hình thành khơng chứa 234 U 234 92 238 92 U 4,5 tỉ năm 6,539.1018 hạt U tất 238 lượng 92 U có mặt sản phẩm phân rã 92 U Tuổi khối đá phát xấp xỉ A 2,5.107 năm B 2,1.108 năm C 3,7.109 năm D 3,1.108 năm Hướng dẫn: Suy : t = 2,1.108 (năm) Câu (Chuyên KHTN – Hà Nội 2022): Do tượng xói mịn, phần đá bị tan vào nước biển Trong có chứa urani 234 (234 U92) chất phóng xạ α phân rã tạo thành thori 230Th90 Chất thori chất phóng xạ α với chu kì bán rã 80000 năm Urani tan vào nước biển, thori không tan lắng xuống đáy biển Một mẫu vật hình trụ cao 10 cm lấy từ đáy biển Phân tích lớp bề mặt phía mẫu người ta thấy có 10-6 gam thori, lớp bề mặt phía mẫu có 0,12.10-6 gam thori Tốc độ tích tụ trầm tích biển vị trí lấy mẫu A 0,27.10 -4 mm/năm B 4,1.10-4 mm/năm C 3,14.10-3 mm/năm D 1,12.10-4 mm/năm Hướng dẫn: - Thời gian lắng xuống đáy biển Thori tuổi mẫu chất này: nên t = 244711,5 (năm) - Tốc độ tích tụ trầm tích là: Dạng 3: Phương pháp nguyên tử đánh dấu dùng đo thể tích máu 24 Câu 5: Tiêm vào máu bệnh nhân 10cm3 dung dịch chứa 11 Na có chu kì bán rã T 24 = 15h với nồng độ 10-3mol/lít Sau 6h lấy 10cm3 máu tìm thấy 1,5.10-8 mol 11 Na 24 Coi 11 Na phân bố thể người Thể tích máu người tiêm khoảng: A 5,05 lít B lít C lít D lít Hướng dẫn: 24 11 - Số mol Na tiêm vào máu ban đầu: 24 - Số mol 11 Na lại sau 6h: n0 = CM.V = 10-3.10-2 =10-5 mol n = = 0,7579.10-5 mol 0,7579.10 −5.10 −2 7,578 = = 5,05l ≈ 5lit 1,5.10 −8 1,5 - Thể tích máu bệnh nhân V = Câu 6: Để xác định lượng máu bệnh nhân người ta tiêm vào máu 24 người lượng nhỏ dung dịch chứa đồng vị phóng xạ 11 Na ( chu kỳ bán rã 15 giờ) có độ phóng xạ 2µCi Sau 7,5 người ta lấy 1cm3 máu người thấy có độ phóng xạ 502 phân rã/phút Thể tích máu người bao nhiêu? A 6,25 lít B 6,54 lít C 5,52 lít D 6,00 lít Hướng dẫn: - Ta có độ phóng xạ sau thời gian là: 7, 4.104.2−0,5 8,37 - Thể tích máu người là: V = = 6251,6 cm3 = 6,25 (lít) Dạng 4: Xác định mức độ nhiễm phóng xạ thơng qua độ phóng xạ Câu 7: Trong vụ nổ nhà máy điện hạt nhân Fukushima I hồi tháng 3/2011 Nhật Bản có lượng chất phóng xạ lan khơng khí Mưa làm cỏ số vùng Hàn Quốc bị nhiễm chất phóng xạ sau xuất sữa bị với độ phóng xạ 2900 Bq/lit Biết ngưỡng phóng xạ an tồn sữa bị an tồn 185 Bq/lit Chu kì bán rã 8,04 ngày Để sữa bò địa phương an toàn cần thời gian tối thiểu : A 40 ngày B 32 ngày C 28 ngày D 30 ngày Hướng dẫn: - Độ phóng xạ sau thời gian là: - Thời gian tối thiểu an toàn cho phép: - Giới thiệu cho hs biết thêm biển cảnh báo nguy hiểm có chất phóng xạ: Dạng 5: Ứng dụng chữa bệnh ung thư đồng vị phóng xạ 10 60 Câu 8(ĐH 2021): Một mẫu chất chứa Co chất phóng xạ với chu kì bán rã 5,27 năm, sử dụng điều trị ung thư Gọi ∆No số hạt nhân Co mẫu phân rã phút sản xuất Mẫu coi hết “hạn 60 sử dụng” số hạt nhân Co mẫu phân rã phút nhỏ 0,7∆No Nếu mẫu sản xuất vào tuần tháng năm 2020 “hạn sử dụng” đến A tháng năm 2023 B.tháng năm 2022 C.tháng năm 2023 D.tháng năm 2024 Hướng dẫn: - Áp dụng cơng thức tính nhanh cho dạng thời gian phân rã nhau: Suy ra: t < 32,54 tháng ≈ năm 8,54 tháng - Vậy hạn sử dụng: tháng năm 2020 + năm 8,54 tháng ≈ tháng năm 2023 Câu 9(Chuyên KonTum 2022): Các tế bào ung thư dễ bị tổn thương tác dụng tia X tia gamma tế bào khỏe mạnh Mặc dù ngày có máy gia tốc tuyến tính thay thế, trước nguồn tiêu chuẩn để điều 60 60 trị phóng xạ Co Đồng vị phân rã β thành Ni trạng thái kích thích, 60 Ni sau trở trạng thái phát hai photon gamma, photon có lượng xấp xỉ 1,2 MeV Biết chu kì bán rã phân rã β 60 5,27 năm Xác định số hạt nhân Co có mặt nguồn 6000 Ci thường dùng bệnh viện 22 14 11 22 A 5,33.10 B 3, 2.10 C 9,98.10 D 3, 69.10 Hướng dẫn: 60 60 - Độ phóng xạ hạt nhân Co là: H=N ln H.T 6000.3, 7.1010.5, 27.365, 25.86400 ⇒N= ⇒N= ≈ 5,33.1022 ( hat ) T ln ln Câu 10: Một bệnh nhân điều trị đồng vị phóng xạ, dùng tia γ để diệt tế bào bệnh Thời gian chiếu xạ lần đầu 30 phút, sau tháng bệnh nhân phải tới bệnh viện khám bệnh tiếp tục chiếu xạ Biết đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã T = tháng (coi ∆t