Sử dụng phần mềm matlab để thiết kế thí nghiệm mô phỏng cho quá trình γ + γ→ e +e+ môn vật lý 12 nâng cao

Mục lục 1 Mở đầu 1.1 Lý chọn đề tài Nguyên tử luận Đêmôcrit đời từ kỷ V TCN, mà phải tới cuối kỷ XIX kiểm tra, khẳng định phát triển Thuyết tương đối hẹp Anhxtanh vật lý học hạt cho phép giải thích chậm trễ 25 kỷ Nếu có nhiều vi hạt kết hợp với để tạo thành vi hạt lớn vi hạt lớn phải có môt lượng ∆E = ∆m.c2 Để nghiên cứu cấu trúc vi hạt lớn phải áp dụng phương pháp Rơdơpho: Dùng vi hạt khác có động lớn ∆E làm “viên đạn” để bắn vào vi hạt lớn, phá vỡ giải phóng vi hạt thành phần, vi hạt hạt Nhiều hạt không xuất hay tồn lâu tự nhiên, khả nghiên cứu giới vô nhỏ tùy thuộc vào khả tạo chùm vi hạt có lượng lớn đò hỏi nhà vật lý phải dùng đến máy gia tốc, siêu máy tính với phần mền chuyên dụng Do ngành gọi “vật lý lượng cao” Vì cần đến lượng cao sử dụng công nghệ đại nên vấn đề khó tiếp cận cách trực quan người học đặc biệt học sinh phổ thông Không thể quan sát thông thường, làm thí nghiệm nhà trường rào cản lớn cho người giáo viên muốn giải thích cho học sinh mường tượng vấn đề mẻ vật lý Ngày ngành vật lý lý thuyết có vật lý hạt phát triển mạnh mẽ dựa vào phát triển khoa học kỹ thuật ngày đại, bước tiến ngày gần đến hiểu biết vũ trụ Với đặc thù khó khăn việc tiếp cận môn học giáo viên vật lý giảng dạy trực tiếp trường PTTH mong muốn đưa kiến thức hạt bản, hạt nhân nguyên tử dễ hiểu hơn, sinh động với người học đưa đề tài “Sử dụng phần mềm Matlab để thiết kế thí nghiệm mô cho trình γ + γ→ e-+e+ môn vật lý 12 nâng cao” để đưa vào giảng dạy hiệu 1.2 Thực trạng vấn đề nghiên cứu 1.2.1 Thực trạng Chương X từ vi mô đến vĩ mô chương trình vật lý 12 nâng cao giới thiệu số nét khái quát giới vô bé, giới vô lớn thuyết Big Bang nhằm cho em thấy phần nguồn gốc vật chất, tiến hóa Đây chương học đề cập đến vấn đề lạ khái niệm ngày thực tiễn nhiên lại kích thích hiểu biết học sinh vốn tò mò giới yêu thích khám phá Đây vấn đề không dễ để tiếp cận để hiểu cần đến thuyết lượng tử, thuyết tương đối bậc phổ thông chưa đáp ứng điều Những thí nghiệm thực hành cho chương lại thực điều kiện khoa học kỹ thuật hạn chế Để em có hứng thú hơn, dễ hiểu học tập chương này, để dạy học cho chương đỡ khô cứng có đưa thí nghiệm mô cho trình γ + γ→ e-+e+ xây dựng phần mềm Matlab Phần mềm powerpoint thiết kế mặt hình học trình đơn giản nhiên sử dụng phần mềm điều kiện kèm cho trình lại tích hợp mà sử dụng phần mềm Matlab để có hiệu cao 1.2.2 Kết hiệu a) Kết quả: Đây vấn đề phức tạp phạm vi trường phổ thông việc mô trực quan làm cho việc giảng dạy đơn giản hơn, dễ hiểu không gây nặng cho em học mà gây hứng thú cho em b) Hiệu quả: Sau nhận thấy thực trạng trên, việc tìm hiểu tiếp cận tài liệu thiết kế nội dung đề tài, thực tế giải vấn đề đặt Nội dung sáng kiến kinh nghiệm 2.1 Cơ sở lý luận vấn đề nghiên cứu 2.1.1 Các khái niệm * Hạt đặc trưng, phản hạt, Electron, pozitron, phôtôn - Hạt hay hạt sơ cấp hạt có kích thước khối lượng nhỏ hạt nhân nguyên tử như: electron, proton Các hạt sơ cấp có đặc trưng là: Khối lượng nghỉ m0, điện tích, Spin, thời gian sống trung bình - Phản hạt: Phần lớn hạt sơ cấp tạo thành cặp, hạt gồm hai hạt có khối lượng nghỉ số dặc trưng khác có trị số trái dấu cặp có hạt phản hạt hạt Trong trình tương tác hạt sơ cấp, xảy tượng hủy cặp “hạt + phản hạt” có khói lượng nghỉ khác thành photon lúc sinh cặp “hạt + phản hạt” từ photon - Electron (còn gọi điện tử, biểu diễn e−) hạt hạ nguyên tử, hay hạt sơ cấp Trong nguyên tử, electron chuyển động xung quanh hạt nhân (bao gồm proton neutron) quỹ đạo electron Từ electron bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp ηλεκτρον (phát âm "êlectron") có nghĩa "hổ phách" người Hy Lạp cổ đại lần quan sát thấy khả hút vật nhỏ (do lực hút tĩnh điện) miếng hổ phách sau chà xát với lông thú Cấu trúc Hạt Loại hạt Fermion Nhóm Lepton Tương tác Hấp dẫn, Điện từ, yếu Phản hạt Positron Lý thuyết G Johnstone Stoney (1874) Thực nghiệm Ký hiệu Khối lượng J.J Thomson (1897) e−, β− 9,109 382 15(45) × 10–31 kg 5,485 799 09(27) × 10–4 u ⁄1822.888 4843(11) u 0.510 998 918(44) MeV/c2 Điện tích –1,602 176 487(40) × 10–19C Spin ½ - Positron phản hạt electron với khối lượng spin khối lượng spin electron, có điện tích trái dấu với electron Positron phản hạt phát giới hạt vi mô Trong chân không, positron tồn lâu với thời gian sống cỡ 4,3×1023 năm, nhiên môi trường, lại có thời gian sống ngắn bị hủy cặp gần tức thời với electron môi trường Cấu trúc Hạt sơ cấp Loại hạt Fermion Nhóm Lepton Tương tác Hấp dẫn, Điện từ, Yếu Phản hạt Electron Lý thuyết Paul Dirac, 1928 Thực nghiệm Carl D Anderson, 1932 Ký hiệu β+, e+ Khối lượng 9.1093826(16) × 10−31 kg ⁄1836.15267261(85) u 0.510998918(44) MeV/c2 Điện tích 1.602176462(63) × 10−19 C Spin ½ - Photon: hạt bản, đồng thời hạt lượng tử trường điện từ ánh sáng dạng xạ điện từ khác Nó hạt tải lực lực điện từ Các hiệu ứng lực điện từ dễ dàng quan sát thang vi mô vĩ mô photon khối lượng nghỉ; điều cho phép tương tác xảy khoảng cách lớn Cũng giống hạt khác, photon miêu tả học lượng tử biểu lưỡng tính sóng- hạt  chúng thể tính chất giống sóng hạt Cấu trúc Hạt sơ cấp Loại hạt Boson Nhóm Gauge boson Tương tác Điện từ Lý thuyết Albert Einstein (1905-17) Ký hiệu γ, hν, ħω Khối lượng Thời gian sống Bền Điện tích Spin 2.1.2 Sơ lược phần mềm Matlab: Việc sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlab vào mô số hệ Vật lý hữu dụng ngôn ngữ có khả ứng dụng lớn linh hoạt trình thiết kế MATLAB viết tắt từ "Matrix Laboratory" Ban đầu Matlab thiết kế Cleve Moler vào năm 1970 để sử dụng công cụ dạy học Từ đến phát triển thành phần mềm thương mại thành công Một tính tuyệt vời Matlab nhìn từ góc độ nhà khoa học tính toán thư viện dựng sẵn to lớn phong phú chu trình tính toán công cụ hiển thị đồ họa Matlab cho phép người dùng tiến hành nhiều nhiệm vụ thông thường liên quan tới việc giải vấn đề cách số học Nó cho phép dành nhiều thời gian cho việc suy nghĩ, khuyến khích thí nghiệm Các tính toán mạnh thực với hai câu lệnh Dễ dàng xây dựng riêng hàm toán học cho ứng dụng đặc biệt Chương trình viết Matlab dịch file EXE được, công cụ gọi Matlab Compiler (có sẵn cài Matlab) Khi chạy chương trình dịch không cần Matlab máy Matlab cung cấp giao diện đồ họa tuyệt đẹp, hình từ Matlab chèn vào LATEX tài liệu Word 2.1.3 Phương pháp xây dựng thí nghiệm mô Thí nghiệm mô tập hợp tài nguyên số đa phương tiện nhằm mục đích mô tượng vật lý, hóa học, sinh học…xảy tự nhiên hay phòng thí nghiệm, có đặc điểm có tính tương tác cao, giao diện thân thiện với người sử dụng mô trình, điều kiện tới hạn khó xảy tự nhiên hay khó thu phòng thí nghiệm Thí nghiệm mô tiết kiệm thời gian, kinh phí, nguyên vật liệu, tránh trường hợp rủi ro, nguy hiểm điều kiện thực, giảm tác động xấu tới môi trường…, chí làm làm điều kiện thực Đó công nghệ mô mang lại Để xây dựng thí nghiệm ảo mô ta phải làm bước sau: Khảo sát : Nhằm xem xét nội dung thí nghiệm, xem xét chất vật, tượng Xây dựng kịch bản: Bước quan trọng Việc chuẩn bị tài liệu xây dựng thí nghiệm Xây dựng khung thí nghiệm: Bước mô hình hóa kịch bản, phân tích cảnh, công cụ sử dụng kịch bản, xây dựng mô hình, phân tích tượng tác thí nghiệm Xây dựng thí nghiệm: Sau xây dựng khung thí nghiệm, kết hợp dụng cụ, tương tác, cảnh kịch bản… lắp ghép công cụ lại thành thí nghiệm hoàn chỉnh Hiệu chỉnh: Bước nhằm tinh chỉnh, kiểm tra, xem xét lại toàn thí nghiệm xem thể chất việc hay chưa?… Tại bước thí nghiệm kiểm tra cẩn trọng, tỷ mỉ nhằm phát phần thiếu xót nghiệm 2.2 Phương pháp thiết kế 2.2.1 Xây dựng ý tưởng phù hợp với nội dung cần nghiên cứu Căn vào: - Đối tượng nghiên cứu - Thời gian trình chiếu sử dụng - Nguồn cung cấp tài liêu 2.2.2 Chuẩn bị: - Phần mềm Matlab - Chương trình Nero để tạo đĩa 2.2.3 Quy trình thực hiện: Bước 1: Cài đặt phần mềm Bước 2: Khảo sát tình sinh cặp e + ,e - từ photon theo phương trình γ + γ→ e - +e + Điều kiện để trình xảy ra: Theo định luật bảo toàn lượng photon phải có lượng lớn hay chí phải lượng electron hay positron tính theo công thức Einstein: E= mec2 = 0,511MeV Những chùm photon thỏa mãn điều kiện chùm tia laze Vì xác xuất xảy trình thấp nên đòi hỏi cường độ chùm sáng phải lớn Kết trình tạo cặp e + ,e- kết hợp quay trở lại để tạo thành ánh sáng nên phải có thêm điện trường để tách chúng vừa hình thành Bước 3: Viết kịch thí nghiệm * Tạo dụng cụ thí nghiệm Tạo hai nguồn laze thay đổi cường độ phát Tạo ống hình trụ rỗng kích thước nhỏ, mỏng để ánh sáng qua làm vàng nơi gặp gỡ hai nguồn sáng Tạo điện trường hai kim loại đặt song song tích điện trái dấu *Các cảnh diễn thí nghiệm Cảnh : Cho hai chùm ánh sáng laze, với chùm tập hợp photon có lượng E < mec2 = 0,511 MeV gặp Kết quả: ánh sáng hai chùm laze sau gặp truyền theo phương cũ Cảnh hai: Cho hai chùm ánh sáng laze, với chùm tập hợp photon có lượng E >mec2 = 0,511 MeV với cường độ chùm nhỏ (số lượng photon )gặp Kết quả: ánh sáng hai chùm laze sau gặp truyền theo phương cũ Cảnh ba: Cho hai chùm ánh sáng laze, với chùm tập hợp photon có lượng E > mec2 = 0,511 MeV với cường độ chùm lớn (số lượng photon nhiều )gặp Kết quả: ánh sáng hai chùm laze sau gặp tạo cặp e+,ethể hai dòng hạt có màu xanh đỏ, sau chúng lại kết hợp với cho ánh sáng Cảnh bốn: Cho hai chùm ánh sáng laze, với chùm tập hợp photon có lượng E > mec2 = 0,511 MeV với cường độ chùm lớn (số lượng photon nhiều )gặp nhau, đồng thời đưa điện trường lại ống hình trụ Kết quả: ánh sáng hai chùm laze sau gặp tạo cặp e+,ethể hai dòng hạt có màu xanh đỏ, tác dụng điện trường, hạt màu xanh (e+) bị lệch phía kim loại tích điện âm, hạt màu đỏ (e -) bị lệch phía kim lại tích điện dương Bước 4: Các cảnh thí nghiệm Cảnh 1: Hình 4.1 Cảnhphoton 2: Mỗi chùm ánh sáng có E mec2=0,511Mev, cường độ chùm sáng nhỏ Cảnh 3: Hình 4.3 Mỗi photon chùm ánh sáng có E>mec2=0,511Mev Và cường độ chùm sáng lớn Cảnh 4: Hình 4.4 Bước 5: Chạy thử thí nghiệm, dịch file EXE lập đĩa nhờ chương chùm ánh sáng có trình Mỗi Nerophoton D067 E>m cường độcác chùm 2.3.ec =0,511Mev, Trình tự giải vấnsáng đề lớn 2.3.1 Chuẩn bị Giáo viên chuẩn bị kiến thức hạt sơ cấp, trình sinh cặp e +, e- từ phôtôn, cài đặt phần mềm Matlab vào máy tính, kiểm tra thiết bị máy móc hỗ trợ giảng dạy 2.3.2 Thực lớp Sau giới thiệu phần Phản hạt giáo viên đặt vấn đề: Lý thuyết thực nghiệm chứng minh cặp electron-positron phân hủy tạo ánh sáng, nên cặp electron-positron phải sinh từ ánh sáng Sự tiên đoán trình lý thuyết có cách từ tám mươi năm trước đến gần người ta tìm phương án thí nghiệm để thực tiễn hóa vấn đề Mặc dù thí nghiệm đòi hỏi trình độ khoa học kỹ thuật máy móc hỗ trợ mà nước chưa đáp ứng Theo em điều kiện để xảy trình γ + γ→ e-+e+ gì? Gợi ý để học sinh trả lời được: Theo định luật bảo toàn lượng photon phải có lượng lớn hay chí phải lượng electron hay positron tính theo công thức Einstein: E= m ec2 = 0,511MeV Thực thí nghiệm mô mô tả trình γ + γ→ e - +e + máy: + Mở file: Vat ly - Trinh Thi Nga - THPT Tong Duy Tan - Vinh Loc.exe + Chọn ô “Thi nghiem” + Nhập thông số “E” vào ô trống + Nháy chuột vào nút “Thực hiện” + Lần lượt nháy chuột vào nút “Cảnh 1” đến “Cảnh 4” để thực mô Kết luận, đề xuất 3.1 Kết trình học Vì hạt sơ cấp nhiều kiến thức lạ, nên việc thực thí nghiệm mô ngắn gọn làm em dễ hiểu, hứng thú với học vốn nặng tư 3.2 Kiến nghị đề xuất 3.2.1 Đối với giáo viên: Trong qua trình giảng dạy giáo viên phải ý vấn đề sau: + Kiểm tra máy móc dụng cụ hỗ trợ trước lên lớp + Thí nghiêm phải ngắn gọn để không làm ảnh hưởng đến thời lượng tiết học 3.2.2 Đối với nhà trường - Nên bố trí máy tính với hệ thống loa phòng máy chiếu để tiết kiệm thời gian lắp máy cho giáo viên - Nên trang bị hệ thống rèm cửa cho phòng học máy chiếu để hình ảnh trình chiếu rõ nét vào mùa hè Tài liệu tham khảo Sách giáo khoa vật lý 12 nâng cao NXB giáo dục http://www.youtube.com http://vi.wikipedia.org https://www.google.com.vn XÁC NHẬN CỦA THỦ TRƯỞNG ĐƠN VỊ Thanh Hóa, ngày tháng năm2016 Tôi xin cam đoan SKKN viết, không chép nội dung người khác 10 ... thiết kế thí nghiệm mô cho trình γ + γ e- +e+ môn vật lý 12 nâng cao để đưa vào giảng dạy hiệu 1.2 Thực trạng vấn đề nghiên cứu 1.2.1 Thực trạng Chương X từ vi mô đến vĩ mô chương trình vật lý 12. .. dựng phần mềm Matlab Phần mềm powerpoint thiết kế mặt hình học trình đơn giản nhiên sử dụng phần mềm điều kiện kèm cho trình lại tích hợp mà sử dụng phần mềm Matlab để có hiệu cao 1.2.2 Kết hiệu... Theo định luật bảo toàn lượng photon phải có lượng lớn hay chí phải lượng electron hay positron tính theo công thức Einstein: E= m ec2 = 0,511MeV Thực thí nghiệm mô mô tả trình γ + γ e - +e +