Rèn luyện kỹ năng giải bài tập và phát huy tính sáng tạo của học sinh lớp 12 khi giải quyết bài toán liên quan đến ứng dụng

MỤC LỤC Trang Lời 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 1.5 Những điểm SKKN Nội dung sáng kiến kinh nghiệm 2.1 Cơ sở lí luận sáng kiến kinh nghiệm 2.2 Thực trạng vấn đề trước áp dụng sáng kiến kinh nghiệm 2.4 Hiệu sáng kiến kinh nghiệm hoạt động giáo dục, với thân, đồng nghiệp nhà trường 14 Kết luận, kiến nghị 15 3.1 Kết luận 15 3.2 Kiến nghị 16 1 Lời mở đầu: 1.1 lí chọn đề tài Chương hạt nhân nguyên tử chương cuối chương trình vật lí 12 bản, ln chiếm phần không nhỏ đề thi tuyển sinh đề thi THPT quốc gia Đồng vị phóng xạ có ứng dụng cao thực tế, y học; sinh học ngành khảo cổ học Tuy nhiên tập đồng vị phóng xạ lại chưa giáo viên học sinh để ý nhiều chưa tạo hệ thống tập đầy đủ thể ứng dụng quan trọng đồng vị phóng xạ Chính tơi chọn đề tài “ Rèn luyện kỹ giải tập phát huy tính sáng tạo học sinh lớp 12 giải toán liên quan đến ứng dụng đồng vị phóng xạ” Với đề tài tơi mong góp phần nâng cao chất lượng học tập mơn vật lí, phát huy tính chủ động, tư sáng tạo tăng hứng thú cho học sinh học vật lí 12 để nâng cao kết thi THPT học sinh trường THPT Tĩnh gia 1.2 Mục đích nghiên cứu Đưa hệ thống lí thuyết, hệ thống tập, phương pháp giải, phương pháp giải nhanh tập phần đồng vị phóng xạ 1.3 Đối tượng nghiên cứu Các tính chất, đặc điểm đồng vị phóng xạ, định luật phóng xạ, độ phóng xạ, cơng thức liên quan, kiến thức tốn học liên quan hỗ trợ giải nhanh tập dạng tốn đồng vị phóng xạ 1.4 Phương pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp xây dựng sở lí thuyết Tìm hiểu thiết kế tập, thu thập thông tin qua thái độ hứng thú học tập phiếu khảo sát, thu nhận kết kiểm tra đánh giá thường xuyên 1.5 Những điểm sáng kiến kinh nghiệm Bổ túc phần toán học liên quan cho học sinh nhằm giúp học sinh nhớ vận dụng tốt kiến thức học Sau phần hướng dẫn phương pháp cố gắng đưa cơng thức mang tính tổng qt, sử dụng cho nhiều trường hợp khác Nhận xét, ứng dụng thực tế qua ví dụ điển hình 2 Nội dung sáng kiến kinh nghiệm 2.1 Cơ sở lí luận sáng kiến kinh nghiệm Qua thực tế giảng dạy học sinh 12 phần hạt nhân nguyên tử nói chung phần phóng xạ nói riêng tơi thấy em thường gặp khó khăn sau đây: + Kiến thức số mũ logrit, biết đổi toán học phần khơng học sinh cảm thấy khó khăn + Khả phân tích phối hợp kiến thức với chưa tốt + Kỹ phân loại dạng tốn tìm mối liên hệ tốn chưa tốt 2.2 Thực trạng vấn đề trước áp dụng sáng kiến kinh nghiệm Khảo sát chất lượng học sinh 12A7, 12A8, 12A2 năm học 2018- 2019 trường THPT Tĩnh Gia cho thấy việc học tập tập đồng vị phóng xạ số học sinh lớp 12A2 làm tốt chưa nhanh lại phận học sinh làm kết không thường điểm tập dạng này, học sinh lớp 12A7, 12A8 Từ vấn đề áp dụng sáng kiến vào thực tế giảng dạy bước đầu thu kết tốt năm 2018-2019 vừa qua 2.3 Các giải pháp sử dụng để giải vấn đề Để thực đề tài sử dụng tiết ôn tập tự chọn qua củng cố lí thuyết rèn luyện kỹ giải tập phát huy khả tư sáng tạo cho học sinh Trong tiết ôn tập tự chọn cho học sinh ôn tập kiến thức bản, tìm hiểu thêm phương pháp xác định tuổi cổ vật qua intenet nhà, lớp hướng dẫn em tìm hiểu sâu kiến thức phóng xạ đồng vị phóng xạ, hướng dẫn phương pháp, làm tập ví dụ, phần tập vận dụng giao nhà để em tự luyện 2.3.1 Bổ túc toán học phần số mũ, logarit + lne =1 + = a- x x a + eln x = x 2.3.2 Hệ thống lại kiến thức học Giúp học sinh hệ thống lại kiến thức học phóng xạ, đặc điểm phóng xạ 2.3.2.1 Khái niệm đặc điểm Định nghĩa phóng xạ Là q trình phân hủy tự phát hạt nhân không bền vững tự nhiên hay nhân tạo Quá trình phân hủy kèm theo tạo hạt kèm theo phóng xạ đện từ Hạt nhân tự phân hủy ℓà hạt nhân mẹ, hạt nhân tạo thành gọi ℓà hạt nhân Các dạng phóng xạ A X ® A-4 Y + 42 He a) Phóng xạ α: Z Z-2 - Bản chất ℓà dòng hạt nhân He mang điện tích dương, bị ℓệch tụ âm - Iơn hóa chất khí mạnh, vận tốc khoảng 20000km/s bay ngồi khơng khoảng vài cm - Phóng xạ α ℓàm hạt nhân ℓùi ô bảng hệ thống tuần hồn A X ® Z+A1 Y + - 01 e b) Phóng xạ β-: Z - Bản chất ℓà dòng eℓectron, mang điện tích âm bị ℓệch phía tụ điện dương - Vận tốc gần vận tốc ánh sáng, bay vài mét không khí xun qua nhơm dài cỡ mm - Phóng xạ β- ℓàm hạt nhân tiến bảng hệ thống tuần hồn so với hạt nhân mẹ A X ® Z-A1 Y + +01 e c) Phóng xạ β+: Z - Bản chất ℓà dòng hạt pozitron, mang điện tích dương, ℓệch tụ âm - Các tính chất khác tương tự β- - Phóng xạ β+ ℓàm hạt nhân ℓùi bảng hệ thống tuần hồn d) Phóng xạ γ : - Tia γ ℓà sóng điện từ có bước sóng ngắn (λ< 10-11 m) ℓà hạt phơtơn có ℓượng cao - Tia γ có khả đâm xuyên tốt tia α β nhiều - Tia γ thường kèm tia α β, phóng xạ γ khơng ℓàm hạt nhân biến đổi - Tia γ gây nguy hại cho sống *** Chú ý: Một chất phóng xạ α khơng thể phóng xạ β; ngược ℓại Định ℓuật phóng xạ a) Đặc tính q trình phóng xạ: - Có chất ℓà q trình biến đổi hạt nhân - Có tính tự phát không điều khiển được, không chịu tác động yếu tố bên - Là trình ngẫu nhiên b) Định ℓuật phóng xạ Theo số hạt nhân: -λt - Công thức xác định số hạt nhân ℓại: N = N0e Trong đó: λ = = N0 t - = N 0.2 t T 2T ln2 gọi ℓà số phóng xạ T t: thời gian nghiên cứu T: chu kỳ bán rã - Công thức xác định số hạt nhân bị phân rã: ∆N = N0 - N = N0(1 - t T ) “Trong trình phân rã, số hạt nhân phóng xạ giảm theo thời gian theo định ℓuật hàm số mũ.” Bảng tính nhanh phóng xạ (Số hạt ban đầu ℓà N0) Thời gian t 1T 2T 3T 4T 5T 6T N0 N0 N0 N0 N0 N0 N (Số hạt lại) 16 32 64 ΔN (Số hạt bị phân rã) Tỉ số DN N N0 3N 7N 15N 16 31N 32 63N 64 15 31 63 - Cơng thức tính số hạt nhân biết khối ℓượng: N = Trong đó: m N M A m: khối ℓượng (g) M: ℓà khối ℓượng moℓ NA = 6,02.1023 ℓà số Avogadro Theo khối ℓượng - Xác định khối ℓượng ℓại: m = m 0e -λt = m0 t T - = m0.2 t T Xác định khối ℓượng bị phân rã: Theo số moℓ - Xác định số mol ℓại: t ∆m = m0 - m = m0(1 - 2- T ) n = n0e -λt = n0 t T - = n0.2 t T - Xác định số mol bị phân rã: t ∆n = n0 - n = n0(1 - 2- T ) 2.3.3 Phân loại tập Tơi chia tập phần đồng vị phóng xạ thành dạng tập sau: Dạng 1: Tính tuổi cổ vật có nguồn gốc sinh học Dạng 2: Tính tuổi thiên thể, nham thạch, đá Dạng 3: Đo thể tích máu thể sống Dạng 4: Ứng dụng chữa bện ung thư Cụ thể, dạng gồm phương pháp tập ví dụ; hướng dẫn giải cuối phần tập vận dụng có đáp án Dạng 1: Tính tuổi cổ vật có nguồn gốc sinh học *Phương pháp: Các nhà khảo cổ học sử dụng phương pháp xác định tuổi theo lượng cácbon 14 để xác định niên đại cổ vật có nguồn gốc sinh vật khai thác Định tuổi cabon Tuổi cabon phương pháp xác định tuổi vật thể chứa vật liệu hữu cách sử dụng tính chất phóng xạ đồng vị phóng xạ cabon Phương pháp phát triển vào thập niên 1940 Willard Libby người đạt giải nobel hoá học vào năm 1960 Trên thực tế phương pháp dựa phóng xạ cabon 14 tạo liên tục khí phản ứng xạ vũ trụ khí nitơ khí Sau carbon 14 kết hợp với khí oxi khí tạo phóng xạ carbon dioxide, tích hợp vào thực vật vào quang hợp; động vật cách ăn thực vật Khi động vật thực vật chết đi, làm carbon ngừng trao đổi với môi trường, thời điểm lượng carbon 14 giảm phân rã phóng xạ Khi đo lượng carbon 14 mẫu thử động vật thực vật xác định tuổi chúng đo khối gỗ mảnh xương Những mẫu cũ lượng carbon 14 chu kỳ bán rã carbon 14 ( khoảng thời gian sau nửa mẫu cho bị phân rã) khoảng 5370 năm Tuổi đời mẫu cũ xác định phương pháp có tuổi đời khoảng 50.000 năm trước, phương pháp chuẩn bị đặc biệt cho phép phân tích xác mẫu cũ Những nghiên cứu tiến hành từ năm 1960 để xác định tỉ lệ carbon 14 khí 50000 năm qua [1] * Ví dụ 1: Bằng phương pháp cacbon 14 (chu kỳ bán rã C14 5600 năm) người ta đo số phân rã giây đĩa gỗ người Ai cập cổ 0,15 ; số phân rã giây khúc gỗ vừa chặt có khối lượng 0,25 Tuổi đĩa cổ * Hướng dẫn: Số phân rã giây tỉ lệ với số hạt chất phóng xạ thời điểm khảo sát - N = N 02 t T - Þ 0,15 = 0,25.2 Þ t » 4100 năm t T Ví dụ 2: Phân tích tượng gỗ cổ (đồ cổ) người ta thấy số phóng xạ btrong giây 0,385 lần số phóng xạ giây khúc gỗ chặt có khối lượng gấp đơi khối lượng tượng gỗ Đồng vị 14C có chu kỳ bán rã 5600 năm Xác định tuổi tượng gỗ * Hướng dẫn: Số phân rã giây tỉ lệ với số hạt chất phóng xạ thời điểm khảo sát Nmí i - Tt Ncỉ= 2 Nmí i - Tt Þ Ncỉ = { k 0,385N mí i Þ t » 2,11.103 năm Ví dụ 3: Một ngơi mộ cổ vừa khai quật Một mẫu ván quan tài chứa 50 g cacbon có độ phóng xạ 457 phân rã/phút (chỉ có C14 phóng xạ) Biết độ phóng xạ cối sống vào khoảng 3000 phân rã/phút tính 200 g cacbon Chu kì bán rã C14 khoảng 5600 năm Tuổi mộ cổ * Hướng dẫn: Số phân rã phút 50 gam mẫu 3000 50 = 750 phân rã/phút 200 Số phân rã giây tỉ lệ với số hạt khối lượng chất phóng xạ thời điểm khảo sát - N=N 02 t T - Þ 457 = 750.2 Þ t = năm t T Dạng 2: Xác định tuổi thiên thể, nham thạch, đá *Phương pháp: Giả sử hình thành thiên thể tỉ lệ hai đồng vị U238 U235 a:b (số hạt nguyên chất tương ứng aN0 bN0) Số hạt lại t ìï ỉ ùù ữ T1 ỗ1 1ữ N1 a ỗỗỗốT2 - T1ữữữứt ï N1 = a.N0 Þ = Þ giá trị thời gian t í t ïï N b ïï N2 = b.N T2 ïỵ * Ví dụ 4: Hiện quặng thiên nhiên có U238 U235 theo tỉ lệ số nguyên tử 140:1 Giả thiết thời điểm hình thành Trái Đất tỉ lệ 1:1 Tính tuổi Trái đất, biết chu kì bán rã U238 U235 T1= 4,5.109 năm T2 = 0,713.109 năm [2] * Hướng dẫn: t ìï ïï T1 ï N1 = N 0.2 í t ïï T2 ïï N2 = N 0.2 ùợ ổ ỗ1 1ữ ữ tỗ ữ ỗ ữ N1 ỗ ốT2 T1 ữ ứ ị =2 N2 ổ ỗ 1ử ữ ữ tỗ ữ ỗ 140 ữ ỗ ị = ố0,713 4,5ứ ị t » 6.109 năm * Ví dụ 5: Một mẫu quặng Uran tự nhiên gồm U235 với hàm lượng 0,72% phần lại U238 Hãy xác định hàm lượng U235 vào thời kì Trái Đất tạo thành cách 4,5 tỉ năm Cho biết chu kì bán rã đồng vị U235 U238 0,704 tỉ năm 4,46 tỉ năm * Hướng dẫn: Gọi m1,m2,m10, m20, T1,T2 khối lượng U 235 lúc sau, U 238 lúc sau, U 235 lúc đầu, U 238 lúc đầu, chu kỳ bán rã U 235, U 238 t ìï ïï T1 ï m1=m10.2 í t ïï T2 ïï m2=m20.2 ïỵ ổ ỗ1 1ữ ổ ỗ1 1ữ m1 m10 tỗỗỗốT2 - T1ữữữữứ ị = m2 m20 ổ1 ữ ỗ m20 m2 tỗỗốỗT2 - T1ữữữữứ 0,72 - 4,5ỗỗỗố4,46- 0,704ứữữữ ị = = ằ 0,303 m10 m1 99,28 Þ %m10 = 0, 303 » 0,23 = 23% 1,303 Vậy hàm lượng U235 23 % * Ví dụ 6: Một kĩ thuật dùng để xác định tuổi dòng nham thạch xa xưa có tên kĩ thuật Kali- Argon Đồng vị phóng xạ kali 40 (K40) có chu kì bán rã 1,28 tỉ năm phân rã β tạo thành đồng vị Argon 40 (Ar 40) Do argon khí nên khơng có dòng nham thạch Nhưng nham thạch hố rắn, tồn Ar tạo phân rã giữ lại tro Một nhà địa chất phát viên nham thạch sau đo đạc phát tỉ lệ số nguyên tử Ar K 0,12 Xác định tuổi viên nham thạch.[2] * Hướng dẫn giải: Gọi N0 số nguyên tử K 40 ban đầu Sau phân rã số hạt kali lại - N = N0 t T Số hạt argon tạo thành ΔN = N - N Theo ta có N -N ΔN = = 0,12 N N Þ N0 =1,12 N t Þ 2t = 1,12 Þ t = 209 (triệu năm) * Ví dụ 7: Hạt nhân Na phân rã β biến thành hạt nhân A với chu kì bán rã 15 Lúc đầu, mẫu Natri nguyên chất Tại thời điểm khảo sát thấy tỉ số khối lượng A khối lượng natri có mẫu 0,75 Xác định tuổi mẫu natri * Hướng dẫn giải: Phương trình phản ứng phóng xạ 23 Na ® b+ 23A Gọi N,N 0,T Số hạt lại , số hạt ban đầu Na Theo ta có mA =0,75 mNa 23.N A Þ = 0,75 23.N Na N Þ = 0,75 N0 - N - N 0.2 Þ t T - N0 - N 0.2 - Þ t T - 1- t T t T = 0,75 = 0,75 Þ t= Dạng 3: Đo thể tích máu thể sống * Phương pháp Để xác định thể tích máu có thể sống, ban đầu người ta đưa vào máu lượng chất phóng xạ với số hạt ban đầu N0, số mol ban đầu n 0, độ phóng xạ ban đầu H0 chờ thời điểm t để chất phóng xạ phân bố vào t t tồn thể tích máu V (lúc tổng lượng chất phóng xạ N 2- T , n 2- T 0 người ta lấy V1 thể tích máu để xác định lượng chất phóng xạ chứa V1 (N1, n1) ìï N - t ïï T = N1 ïï V V1 Ta có: íï t ïï n0 2- T = n1 ïï V V1 ïỵ Nếu lúc đầu đưa vào máu V thể tích dung dịch chứa chất phóng xạ với nồng độ CM0 n0 = V0CM lượng nước chứa thể tích V thẩm thấm V0CM - Tt n = ngồi nên khơng làm thay đổi thể tích máu: V V1 * Ví dụ 8: Để xác định thể tích máu thể sống bác sĩ cho vào V lít dung dịch chứa 24Na, biết đồng vị 24Na chất phóng xạ có chu kì bán rã T với nồng độ CM0 mol/lit Sau thời gian hai chu kì người ta lấy V lít máu bệnh nhân tìm thấy n1 mol 24Na Xác định thể tích máu bệnh nhân Giả thiết chất phóng xạ phân bố vào máu.[2] Hướng dẫn: 10 V0C M - Tt n = V V1 t VC n Þ M0 T = V V1 VVC Þ V = 0,25 M n1 * Ví dụ 9: Để xác định thể tích máu thể bệnh nhân bác sĩ cho vào mililit dung dịch chứa Iôt I-131 (Đồng vị I-131 chất phóng xạ có chu kì bán rã 8,06 giờ) có độ phóng xạ 14,8.104 phân rã giây Sau người ta lấy mililit máu bệnh nhân độ phóng xạ lượng máu 28,68 phân rã giây Xác định thể tích máu bệnh nhân Giả thiết chất phóng xạ phân bố vào máu [2] Hướng dẫn: Số phân rã giây tỉ lệ với số hạt chất phóng xạ thời điểm khảo sát N - Tt N = V V1 14,810 - Tt 28,68 Þ = V 10- Þ V » 4,71 lít Dạng 4:.Ứng dụng chữa bệnh ung thư Trong điều trị ung thư, bệnh nhân chiếu xạ với liều xác định D N D N - Tt = ta nguồn phóng xạ tức D N = D N nên thay vào công thức Dt D t0 được: 1 - Tt = D t D t0 t Þ D t = D t02T * Ví dụ 10: Trong điều trị ung thư, bệnh nhân chiếu xạ với liều xác định từ nguồn phóng xạ có chu kì bán rã 5,25 năm Khi nguồn sử dụng lần đầu thời gian cho liều chiếu xạ 15 phút Hỏi sau năm thời gian cho lần chiếu xạ phút? [2] 11 Hướng dẫn: D N D N0 - Tt = Dt D t0 1 Tt Þ = D t D t0 t T 5,25 Þ D t = D t02 = 15.2 Þ D t = 19,5phút * Ví dụ 11: Một bệnh nhân điều trị đồng vị phóng xạ, dùng tia gama để diệt tế bào bệnh Thời gian chiếu xạ lần đầu D t = 20 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 D t