Chuyên đề Vật lí 10 Bài 2 (Chân trời sáng tạo): Giới thiệu một số lĩnh vực nghiên cứu trong vật lí

Giải bài tập Chuyên đề Vật lí 10 Bài 2: Giới thiệu một số lĩnh vực nghiên cứu trong vật lí

A/ Câu hỏi đầu bài

Mở đầu trang 14 Chuyên đề Vật lí 10: Từ khi trở thành một ngành Khoa học độc lập, Vật lí đã có những tác động mạnh mẽ đến mọi mặt đối với sự phát triển của nền văn minh nhân loại. Trong thế kỷ XXI này các nhà vật lí tập trung nghiên cứu những đối tượng nào sử dụng những công cụ hay mô hình lý thuyết gì để thực hiện những nghiên cứu đó? Ngoài ra những tiến bộ từ việc nghiên cứu Vật lí đã được vận dụng vào thực tế nhưng cải tiến công nghệ hiện tại và phát triển công nghệ tương lai như thế nào? Trong bài học này, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về ba trong số những lĩnh vực vật lí có nhiều đóng góp quan trọng hiện nay và hai lĩnh vực có vai trò định hướng cho sự phát triển của khoa học kỹ thuật và thu hút nhiều nhân lực chất lượng cao trong tương lai.

Lời giải:

Trong thế kỷ XXI này các nhà vật lí tập trung nghiên cứu:

- Vật lí hạt nhân: nghiên cứu các hiện tượng phóng xạ, 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.

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 bệnh ung thư. Tuy nhiên thiết bị xạ trị này hiện nay chỉ được sử dụng tại các nước phát triển do những yêu cầu cao trong quá trình vận hành cũng như chi phí điều trị rất cao.

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

Vật lí nano được chia thành hai ngành nhỏ hơn là khoa học nano và công nghệ nano. Khoa học nano nghiên cứu các tính chất vật lí, hóa học đặc biệt của các loại vật liệu ở cấp độ nm. Trong khi đó công nghệ nano tập trung triển khai những thành tựu của khoa học nano vào thực tế.

Các thành tựu của vật lí nano đã góp phần không nhỏ trong sự phát triển kinh tế xã hội. Các công nghệ nano có thể giúp giảm kích thước các linh kiện điện tử hay thiết bị lưu trữ thông tin của máy tính, các thiết bị giải trí đồng thời tăng hiệu suất sử dụng năng lượng… Sự phát triển mạnh mẽ của vật lí nano nói riêng và công nghệ nano nói chung đang đòi hỏi nguồn nhân lực lớn. Nhân lực của ngành vật liệu nano không chỉ có thể làm trong các phòng thí nghiệm mà còn có thể tham gia vào rất nhiều lĩnh vực nghề nghiệp khác như công nghệ vật liệu, công nghệ vi sinh, công nghệ sản xuất hàng tiêu dùng (thực phẩm, mỹ phẩm, đồ gia dụng…).

- Vật lí laser có đối tượng nghiên cứu 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 của hợp chất, nghiên cứu chế tạo các thiết bị quang học, quang - điện tử 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 micrômet đến nanomet, nghiên cứu phát triển công nghệ chụp ảnh cấu trúc vật liệu mà không phá hủy mẫu vật, nghiên cứu phát triển các công nghệ mới để chẩn đoán và điều trị bệnh trong lĩnh vực y học.

Trong lĩnh vực y học laser đã và đang được sử dụng để phát triển các công nghệ chụp ảnh, chẩn đoán như chẩn đoán u sắc tố, chụp ảnh và chẩn đoán các bệnh liên quan đến da và các cơ quan khác như mắt, não…

- 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 và các bộ mô phỏng lượng tử để xây dựng máy tính lượng tử.

B/ Câu hỏi giữa bài

1. Vật lí hạt nhân

Câu hỏi 1 trang 14 Chuyên đề Vật lí 10: Mô tả về một số ví dụ về ứng dụng của vật lí hạt nhân

Lời giải:

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 những kiến thức về vật lí hạt nhân đang được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ chuẩn đoán và điều trị bệnh, đặc biệt là bệnh ung thư. Ví dụ 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) như (Hình 2.2).

- Sử dụng các loại tia phóng xạ trong trị xạ ung thư được 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 (Hình 2.3).

 - Hiện nay kĩ thuật tiên tiến nhất trong xạ trị ung thư có thể 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 (Hình 2.4).

- 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.

Câu hỏi 2 trang 15 Chuyên đề Vật lí 10: Thảo luận và đánh giá những lợi ích, tác hại tiềm ẩn của công nghệ hạt nhân đối với nhân loại.

Lời giải:

Những lợi ích, tác hại tiềm ẩn của công nghệ hạt nhân đối với nhân loại.

Lợi ích:

- Thứ nhất, góp phần thúc đẩy tăng trưởng kinh tế và hạn chế tình trạng khai thác quá mức các nguồn tài nguyên gây tổn hại "các dịch vụ tự nhiên" như đa dạng sinh học, nguồn nước ngọt, không khí sạch và đất canh tác cũng như đe dọa sự phát triển bền vững. IAEA đã phát triển phương pháp mới, cho phép phân tích đồng thời và đồng bộ các tương tác phức tạp giữa thời tiết, sử dụng đất, các chiến lược năng lượng và nước..., nhằm tạo điều kiện thuận lợi giúp các nước dễ thích nghi hơn với các tình huống mới.

- Thứ hai, giúp xác định và xây dựng bản đồ các nguồn nước ngầm khả thi và nhanh hơn so với các công nghệ khác, từ đó nhân loại có thể dễ dàng tiếp cận các nguồn nước sạch và an toàn. Công nghệ hạt nhân cũng cải thiện hiệu quả các hệ thống thủy lợi hiện đang sử dụng tới 70% nguồn nước ngọt của thế giới. 

- Thứ ba, giúp các nước sử dụng năng lượng hạt nhân an toàn và bền vững hơn, giảm thiểu lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính và tác động của biến đổi khí hậu. Trong bối cảnh nhu cầu điện của thế giới được dự báo tăng từ 60-100% vào năm 2030, năng lượng hạt nhân với sự giám sát trực tiếp của IAEA sẽ góp phần tăng cường hòa bình và an ninh trên thế giới. 

- Thứ tư, góp phần tăng sản lượng lương thực, đánh giá để bảo tồn và nâng cao độ phì nhiêu của các nguồn đất và quản lý nguồn nước trong bối cảnh an ninh lương thực vẫn là thách thức lớn của toàn cầu trong thập kỷ tới. 

- Thứ năm, giúp nhận thức và bảo vệ tốt hơn các đại dương của thế giới thông qua giám sát quá trình axit hóa trong các đại dương. Công nghệ hạt nhân cũng là công cụ để phát triển bức tranh tổng thể về các đại dương.

- Thứ sáu, cung cấp các chẩn đoán chính xác và quan trọng giúp phát hiện và điều trị các bệnh lây nhiễm và không lây nhiễm. Hàng triệu người trên thế giới hàng ngày đang phụ thuộc vào các phương pháp chẩn đoán và điều trị bệnh từ ứng dụng của công nghệ hạt nhân như dược phẩm phóng xạ... Sử dụng an toàn và phối hợp tốt công nghệ hạt nhân trong điều trị bệnh đang góp phần tích cực nâng cao sức khỏe và ổn định xã hội trên thế giới.

Tác hại:

- Kể từ khi quân đội Mỹ ném hai quả bom nguyên tử xuống thành phố Hiroshima và Nagasaki (Nhật Bản) trong Thế chiến thứ II, cướp đi sinh mạng của hàng vạn người, nhân loại luôn đứng trước nguy cơ chiến tranh hạt nhân có thể hủy diệt sự sống trên trái đất. Bên cạnh đó, nguy cơ khủng bố phát tán chất phóng xạ; sự cố do các nhà máy điện hạt nhân, phương tiện sử dụng năng lượng hạt nhân,… gây ô nhiễm phóng xạ trên diện rộng, kéo theo những hậu quả nghiêm trọng về kinh tế, môi trường và sức khỏe con người, v.v. Nhận thức sâu sắc vấn đề đó, cộng đồng quốc tế đã ra sức đấu tranh nhằm cấm việc phát triển, thử nghiệm, sản xuất, tàng trữ, chuyển giao, sử dụng và đe doạ sử dụng vũ khí hạt nhân, tiến tới thủ tiêu loại vũ khí nguy hiểm này. Tuy nhiên, đến nay, số quốc gia sở hữu vũ khí hạt nhân không những không giảm mà còn tăng thêm. Nguy hiểm hơn là, một số quốc gia lợi dụng thành tựu của cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ tư, đẩy nhanh nghiên cứu, phát triển, hiện đại hóa kho vũ khí hạt nhân, làm cho chúng “thông minh” hơn, sức hủy diệt cao hơn và có thể lẩn tránh được sự giám sát của luật pháp quốc tế. Mặt khác, một số quốc gia, trong đó có các nước trong khu vực đã xây dựng nhiều nhà máy điện hạt nhân; nguy cơ rò rỉ, phát tán phóng xạ do sự cố như ở nhà máy điện hạt nhân Fukushima của Nhật Bản, năm 2011 là một ví dụ, làm gia tăng nguy cơ sự cố bức xạ, hạt nhân, v.v. Tình hình trên đặt ra yêu cầu bức thiết, đòi hỏi chúng ta phải tích cực xây dựng, củng cố tiềm lực mọi mặt, nâng cao khả năng phòng, chống vũ khí hạt nhân và ứng phó có hiệu quả sự cố bức xạ và hạt nhân, làm giảm thiệt hại tới mức thấp nhất về người và tài sản, đáp ứng yêu cầu nhiệm vụ xây dựng và bảo vệ Tổ quốc trong tình hình mới.

2. Vật lí nano

Câu hỏi 3 trang 16 Chuyên đề Vật lí 10: Nêu một số ví dụ khác về ứng dụng của công nghệ nano trong đời sống.

Lời giải:

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 đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực sản xuất điện tử. Đặc biệt là đối với công nghệ năng lượng. Pin nano trong tương lai sẽ được cấu tạo theo kiểu ống nanowhiskers. Cấu trúc ống này sẽ làm cho các cực của pin có diện tích bề mặt lớn hơn rất nhiều lần. Để từ đó giúp nó lưu trữ được thêm nhiều điện năng hơn. Trong khi kích thước của những viên pin sẽ ngày càng được thu hẹp lại.

- Ứng dụng trong lĩnh vực may mặc

Việc áp dụng công nghệ nano đối với một số loại vải đặc biệt được coi là một kế hoạch phát triển tốt. Để sản xuất ra loại quần áo có khả năng diệt vi khuẩn gây mùi hôi khi được áp dụng các hạt nano bạc. Ngoài ứng dụng trong khử mùi, nano trong ngành may còn được sử dụng biến chiếc áo bạn đang mặc trở thành một trạm phát điện di động. Sử dụng các nguồn năng lượng như gió, năng lượng mặt trời kết hợp với công nghệ nano bạn sẽ có thể sạc điện cho chiếc điện thoại thông minh của mình mọi lúc mọi nơi.

- Ứng dụng trong ngành thực phẩm

Công nghệ nano cũng sẽ giúp hỗ trợ các công việc lưu trữ thực phẩm được lâu hơn rất nhiều lần. Bằng cách tạo ra những vật liệu chứa đựng thực phẩm có khả năng diệt khuẩn. Hơn nữa, ngày nay chúng ta còn có rất nhiều loại máy có thể khử độc rau củ bằng công nghệ nano thông minh. Ngoài ra, chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy nhiều loại tủ lạnh hiện nay đều sẽ được phủ một lớp nano bạc bên trong để thực hiện tác dụng tiêu diệt vi khuẩn. Thậm chí một số loại hộp thực phẩm cao cấp cũng sẽ được phủ một lớp bạc nano bên trong.

- Ứng dụng trong lĩnh vực y tế

Nano trong y học đang rất phổ biến nhất. Ví dụ như trong việc hỗ trợ điều trị bệnh ung thư, kết hợp với nhiều phương pháp điều trị khác nhau đã được thử nghiệm nhằm có thể hạn chế các khối u phát triển và giúp tiêu diệt chúng ở cấp độ tế bào. Một nghiên cứu đã đưa ra kết quả khả quan khi dùng các hạt nano vàng chống lại nhiều loại ung thư. Các phân tử nano sẽ được đưa vào cơ thể, đi đến các khối u. Tiếp đó chúng được điều chỉnh tăng nhiệt độ bằng tia laser hồng ngoại chiếu từ bên ngoài để có thể làm tiêu diệt các khối u.

Luyện tập trang 16 Chuyên đề Vật lí 10: Tìm hiểu ứng dụng của công nghệ nano trong chế tạo pin và thiết bị lưu trữ năng lượng.

 Lời giải:

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

- Thiết bị quang điện: các pin mặt trời được tối ưu hóa bằng vật liệu và cấu trúc nano (polymer, chất nhuộm, chấm lượng tử, màng mỏng, cấu trúc đa chuyển tiếp, các lớp chống phản xạ).

- Pin nhiên liệu: các màng và điện cực được tối ưu hóa bằng nano, sử dụng cho các pin nhiên liệu hiệu suất cao, ứng dụng trong các thiết bị điện tử di động và trong xe hơi.

- Công nghệ nano trong thiết bị lưu trữ

+ Pin: các pin Li-ion được tối ưu hóa dựa trên các điện cực cấu trúc nano và màng phân tách điện tích mềm dẻo sử dụng vật liệu gốm, ứng dụng trong các thiết bị điện tử di động, ô tô, quản lý tải linh hoạt trong lưới điện.

+ Siêu tụ: các vật liệu nano sử dụng cho các điện cực (carbon-aerogels, ống nano các-bon, các ô-xít kim loại và chất điện phân sử dụng trong các hệ trữ năng lượng mật độ cao).

3. Vật lí laser

Câu hỏi 4 trang 17 Chuyên đề Vật lí 10: Liệt kê một số thiết bị sử dụng laser trong kĩ thuật, công nghệ và cuộc sống hàng ngày.

Lời giải:

Một số thiết bị sử dụng laser trong kĩ thuật, công nghệ như: làm mắt đọc đĩa quang CD/DVD, máy in laser, máy quét mã vạch, công cụ trình tự DNA, internet cáp quang, truyền dữ liệu trong không gian vũ trụ, máy cắt, máy hàn, máy phẫu thuật laser, nhắm bắn bằng laser, laser được dùng để đánh dấu, đo khoảng cách và tốc độ của mục tiêu, tia laser được ứng dụng để nghiên cứu chuyển động Brown của các hạt, máy bắn laser có thể đo được các chất gây ô nhiễm trong không khí,...…

Một số thiết bị sử dụng laser trong cuộc sống hàng ngày như: tẩy mụn ruồi, laser được sử dụng trong các sân khấu như hòa âm ánh sáng, laser được sử dụng để cắt thủy tinh và thạch anh.…

Câu hỏi 5 trang 18 Chuyên đề Vật lí 10: 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:

Sơ lược những hiểu biết của em về sự phát triển của một trong những công nghệ được giới thiệu.

- Phẫu thuật khúc xạ (LASIK)

Trong các phương pháp mổ mắt cận thị, phẫu thuật LASIK là phương pháp được nhiều người, đặc biệt là các bạn trẻ sử dụng nhiều nhất vì ưu điểm diễn ra nhẹ nhàng, nhanh chóng khoảng 2-5 phút mỗi mắt.

- Phẫu thuật LASIK là gì ?

LASIK viết tắt từ Laser Assisted in Situ Keratomileusis, là phương pháp phẫu thuật tiên tiến sử dụng laser excimer điều chỉnh bề mặt cong của giác mạc để điều trị các tật khúc xạ như cận thị, viễn thị và loạn thị. Phẫu thuật LASIK đầu tiên được thực hiện năm 1990 sau đó đã phát triển nhanh chóng, cho tới nay khoảng 30 triệu ca mổ mắt đã được thực hiện trên khắp thế giới.

Quy trình phẫu thuật LASIK

– Bước 1: Tạo vạt giác mạc.

– Bước 2: Chiếu laser

– Bước 3: Đặt lại vạt giác mạc.

Trước tiên, một vạt giác mạc bề dày khoảng 110 micromet được tạo ra bằng dụng cụ tự động (microkeratome), vạt này được gạt sang bên hoặc lật lên để bộc lộ ra nền nhu mô giác mạc bên dưới. Tiếp theo, từng lớp mỏng nhu mô giác mạc nền sẽ được bóc bay dưới tác động của các xung laser theo một chương trình lập sẵn tùy theo tật khúc xạ.

Thời gian chiếu laser rất nhanh được tính bằng giây. Sau cùng, vạt giác mạc được đặt lại để che chở cho vết mổ và mắt tự lành không cần khâu.

Laser tác động lên phần trung tâm giác mạc để điều trị cận thị, tác động lên phần xa trung tâm điều trị viễn thị, hoặc theo một trục làm giác mạc trở thành hình chỏm cầu để điều trị loạn thị. Kết quả mổ mắt là bệnh nhân có thể nhìn rõ tối đa mà không cần kính.

Ưu điểm của phẫu thuật LASIK:

– Nhẹ nhàng không đau, chỉ cần nhỏ thuốc tê, không chảy máu.

– Độ an toàn, chính xác cao với các thế hệ máy Laser hiện đại.

– Phẫu thuật nhanh trong vài phút và xuất viện ngay sau mổ.

– Thị lực phục hồi trong ngày, trở lại công việc cơ bản ngay ngày hôm sau.

Câu hỏi 6 trang 19 Chuyên đề Vật lí 10:

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

 Lời giải:

Một số trường hợp có thể gây nguy hiểm khi sử dụng laser

Tổn thương ở mắt do laser

Tia laser nhìn có vẻ an toàn nhưng nó có thể gây tổn hại mắt một cách nặng nề như:

- Tổn thương lên võng mạc, giác mạc, đồng tử,… có thể gây mù mắt nhanh chóng. Mặc dù trước đó mắt của bạn không có cảm giác đau hay bất kỳ triệu chứng nào.

- Vì tia laser khi chiếu lên bề mặt da sẽ bị phản xạ hay tán xạ đến mắt người thực hiện hay người quan sát gần đó. Bất kỳ ai nhìn trực tiếp hoặc gián tiếp tia laser đều có thể bị tổn thương mắt khi không đeo kính bảo vệ.

- Cách bảo vệ đó là đeo kính thích hợp với các loại máy laser để phản xạ lại các tia laser không đến được mắt, ngăn chặn tổn thương lên mắt.

Tổn thương trên da do laser

Công nghệ laser được ứng dụng để điều trị các bệnh lý ở da và chăm sóc thẩm mỹ cho khách hàng. Tuy nhiên, năng lượng phát ra từ tia laser không an toàn tuyệt đối. Có thể gây nên những tổn thương mới hay làm nặng hơn tình trạng da trước đó của bệnh nhân, khách hàng.

Tổn thương do hóa học và điện.

- Rò rỉ hóa chất từ máy laser gây độc cho bệnh nhân, khách hàng và nhiều nhất là bác sĩ, kỹ thuật viên, những người trực tiếp thực hiện và phải tiếp xúc thường xuyên.

- Cháy nổ có thể xảy ra do nguồn điện không ổn định.

Luyện tập trang 19 Chuyên đề Vật lí 10: Trình bày sơ lược một số ứng dụng khác của laser trong đời sống hàng ngày.

Lời giải:

Ứng dụng của laser trong y học

- Tia laser được sử dụng làm dao mổ trong phẫu thuật. Vì dễ điều khiển, kiểm soát độ sâu và có diện tích tiếp xúc nhỏ.

- Tia laser có thể dùng phục hồi thị giác cho các trường hợp cận thị, kết hợp với sợi quang học để có thể chữa các bệnh về võng mạc, chuẩn đoán ung thư,….

Ứng dụng của laser trong thẩm mĩ

- Trong lĩnh vực này tia laser cũng có những ứng dụng rộng rãi như tái tạo bề mặt da, làm săn chắc da, điều trị các tổn thương sắc tố trên da, xóa bỏ hình xăm,…

Ứng dụng của laser trong các ngành công nghiệp

- Các vật liệu cứng như thạch anh và thủy tinh đều có thể ứng dụng tia laser để cắt.

- Súng laser được sử dụng trong các ngành bán hàng như quét mã vạch.

- Trong xây dựng để ứng dụng đo đạc trong các loại máy đo khoảng cách, máy cân bằng laser,…

- Trong lĩnh vực quảng cáo, tia laser có thể dùng để khắc laser, khắc chữ làm biển quảng cáo, cắt chữ kim loại, cắt laser kim loại, …

Ứng dụng trong khoa học và công nghệ

Tia laser được ứng dụng để nghiên cứu chuyển động Brown của các hạt. Máy bắn laser có thể đo được các chất gây ô nhiễm trong không khí,…

Ứng dụng trong quân đội

Công cụ tìm phạm vi laser được sử dụng để xác định khoảng cách đế đối tượng. Máy bắn tia laser được sử dụng như một đèn chiếu sáng bí mật để theo dõi đối tượng với độ chính xác cao khi trinh sát ban đêm,…

Vận dụng trang 19 Chuyên đề Vật lí 10: Tìm hiểu và viết bài luận ngắn về sự phát triển của một công nghệ cụ thể với sự hỗ trợ của vật lý 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:

Ứng dụng của công nghệ cắt Laser trong ngành công nghiệp chế tạo xe ô tô

- Ngành công nghiệp ô tô là một trong những ngành công nghiệp đòi hỏi khắt khe về chất lượng. Chính vì vậy, công nghệ Laser với khả năng tự động hóa dễ dàng và linh hoạt, đã đáp ứng phần lớn các yêu cầu quan trọng trong lĩnh vực chế tạo các thiết bị và bộ phận của ô tô.

- Quá trình cắt Laser sử dụng tia Laser cường độ cao được dẫn hướng thông qua hệ thống các thấu kính đến bề mặt vật liệu để cắt hoặc khắc theo các hình dạng có thể lập trình trước và đa chiều. Công nghệ Laser chính xác có thể tạo ra các loại lỗ, khe với đường kính nhỏ đáng kể (với độ sai nhỏ hơn) hơn các phương pháp cắt truyền thống. Đây là một quá trình cắt không có va chạm, không cần dùng các vật liệu cứng, do đó bạn sẽ tiết kiệm được chi phí và thời gian cả trong quá trình chọn lựa vật liệu lẫn gia công.

- Chính nhờ những ưu điểm đó mà gia công cắt CNC Laser đã được rất nhiều doanh nghiệp lựa chọn để chế tạo các bộ phận, máy móc của ô tô. Với những ưu điểm vượt trội so với các phương pháp cắt thông thường khác như khả năng cắt các đường cạnh chính xác, nhiệt độ đầu vào thấp, tốc độ xử lý nhanh không làm ảnh hưởng, biến dạng đến chất liệu và được ứng dụng để cắt được nhiều loại vật liệu khác nhau như kim loại, vải, nhựa …Công nghệ cắt Laser được ứng dụng tạo ra các bộ phận kim loại, mã vạch và nội thất bên trong xe.

+ Cắt túi khí xe ô tô: Công nghệ cắt gọt kim loại bằng Laser ngoài lợi thế là tốc độ cắt cực nhanh thì còn có thể làm nóng chảy các cạnh cắt ngay lập tức, qua đó giúp bảo vệ túi khí tránh bị mài mòn và hư hỏng.

+ Cắt bộ phận xung quanh xe ô tô: Hệ thống robot hiện đại kết hợp với nguồn Laser bán dẫn và hệ quang học Fiber giúp cho quy trình cắt các bộ phận hình học phức tạp như ăng-ten hoặc cần gạt trái phải,..được diễn ra nhanh và đạt chất lượng thẩm mỹ tốt nhất.

+ Khắc nhãn mác: Với công nghệ Laser chỉ trong vòng vài giây, việc khắc nhãn mác ngay lập tức được hoàn thành cùng lúc với quy trình khắc chữ, khắc số seri, khắc mã vạch. Ngoài ra, các nội dung khắc và hình dạng nhãn mác đó hoàn toàn có thể được lập trình một cách dễ dàng. Các nhãn này được cắt ra mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng phôi nguyên liệu.

+ Khắc lốp xe ô tô: Công nghệ Laser còn có thể được sử dụng để khắc số serial, khắc mã code và các thông tin dạng chữ hoặc số khắc vào lốp xe. Điều này cho phép các nhà sản xuất lốp xe và khách hàng dễ dàng xác định thông tin cá nhân sản phẩm thậm chí là qua nhiều năm, sau khi chúng được sản xuất ra. Công nghệ khắc dấu Laser còn có khả năng chống mài mòn và không ảnh hưởng đến cấu trúc lốp xe.

4. Vật lí tính toán lượng tử

Luyện tập trang 21 Chuyên đề Vật lí 10: Tìm hiểu về khái niệm 1 kg trước và sau ngày 20/5/2019

Lời giải:

Từ trước đến nay, 1kg chưa bao giờ là một đại lượng hoàn hảo

- Trong hơn 1 thế kỷ qua, khái niệm 1kg được định nghĩa hết sức đơn giản: là một khối kim loại được làm từ platinum và iridi mang tên "Le Grand K" (hay International Prototype Kilogram - IPK). Bản gốc của IPK được đặt tại Văn phòng Cân đo Quốc tế ở Pháp từ năm 1889, nằm trong một bình chứa có độ bảo mật cực cao. Để tiếp cận IPK, chỉ có các nhà khoa học được ủy quyền mới có thể thôi.

IPK được đặt trong 3 chiếc lồng kính được khóa chặt, chỉ các

nhà khoa học có ủy quyền mới tiếp cận được

- Nhưng bản thân IPK lại không hề hoàn hảo. Dù có cất kín thế nào thì qua thời gian, nó sẽ hấp thụ thêm nguyên tử từ môi trường và trở nên nặng hơn, nên đòi hỏi phải được bảo dưỡng thường xuyên. Và sự thực là có đến hơn 40 bản sao của IPK ở khắp nơi trên thế giới, đâm ra quy chuẩn này trở nên mông lung hơn bao giờ hết.

- Vào thập niên 1980, người ta đã tiến hành kiểm tra lại IPK sau khi bảo dưỡng và phát hiện ra nó đã nhẹ hơn một vài microgram so với dữ liệu trước đó. Điều này có nghĩa rằng các sản phẩm được thiết kế theo quy chuẩn kilogram IPK đều phải tính toán lại trọng lượng. Doanh nghiệp sản xuất khi đó đã rất tức giận, luật sư được mời đến, trong khi các nhà đo lường bị chỉ trích và nghi ngờ về năng lực.

Nhưng kể từ hôm nay - 20/5/2019 - nó sẽ là 1 đại lượng hoàn hảo 

- Muốn khái niệm về kilogram trở nên hoàn hảo, chúng ta phải đưa định nghĩa của nó về một đại lượng bất biến, không bao giờ thay đổi - hay còn gọi là hằng số.

Và 1kg mới sẽ được định nghĩa lại theo hằng số Planck - do Max Planck tìm ra.

Max Planck

100 năm trước, Max Planck đã phát hiện ra rằng năng lượng có thể phân thành những đại lượng tách biệt - hay còn gọi là lượng tử hóa. Các đại lượng này bao gồm kilogram, mét, và giây, hợp lại thành một hằng số.

5. Vật lí vật chất ngưng tụ

Câu hỏi 7 trang 21 Chuyên đề Vật lí 10:

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

Lời giải:

Vật chất ngưng tụ nghiên cứu các tính chất vật lý của pha ngưng tụ của vật chất

- Nghiên cứu trong vật lý vật chất ngưng tụ đem đến một số thiết bị ứng dụng, như sự phát triển của tranzitor bán dẫn, và công nghệ laser. Một số hiện tượng nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ nano trở thành nội dung nghiên cứu của vật lý vật chất ngưng tụ. Các kỹ thuật như kính hiển vi quét chui hầm được sử dụng để điều khiển các quá trình ở cấp nano, và khai sinh ra ngành nghiên cứu lắp ráp và chế tạo thiết bị nano (nanofabrication). Một vài hệ vật chất ngưng tụ đang được nghiên cứu với khả năng ứng dụng cho máy tính lượng tử, bao gồm các thí nghiệm về chấm lượng tử, SQUID, và các mô hình lý thuyết như mã vòng xuyến (toric code) và mô hình dimer lượng tử (quantum dimer model).Các hệ vật chất ngưng tụ có thể tinh chỉnh để cung cấp các điều kiện cần thiết cho tính kết hợp (coherence) và độ nhạy pha (phase-sensitivity) là những thành phần cần thiết trong lưu trữ thông tin lượng tử. Spintronics (điện tử học spin) là một lĩnh vực công nghệ mới nghiên cứu cách xử lý và truyền thông tin, dựa trên tính chất spin hơn là sự vận chuyển các electron. Vật lý vật chất ngưng tụ cũng có ứng dụng quan trọng trong lý sinh học, ví như trong kỹ thuật chụp ảnh cộng hưởng từ sử dụng rộng rãi trong chẩn đoán y học.

Luyện tập trang 22 Chuyên đề Vật lí 10:

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

Lời giải:

 – “Siêu dẫn” là “hiệu ứng vật lý xảy ra đối với một số vật liệu ở nhiệt độ đủ thấp và từ trường đủ nhỏ, đặc trưng bởi điện trở bằng 0 dẫn đến sự suy giảm nội từ trường (hiệu ứng Meissner)”. Siêu dẫn là một hiện tượng lượng tử. Trạng thái vật chất này không nên nhầm với mô hình lý tưởng dẫn điện hoàn hảo trong vật lý cổ điển, ví dụ từ thủy động lực học.

– Từ trường bên trong vật dẫn điện hoàn hảo và vật siêu dẫn dưới tác động của môi trường ngoài ở nhiệt độ phòng và nhiệt độ thấp (nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ Curie). Từ trường bị đẩy ra khỏi vật siêu dẫn ở nhiệt độ thấp không phụ thuộc vào trạng thái ban đầu của vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng. Trạng thái của vật siêu dẫn ở nhiệt độ thấp là trạng thái không thuận nghịch.

– Khi nhiệt độ giảm, điện trở suất của kim loại giảm liên tục. Đến gần 0 K điện trở của kim loại sạch đều rất bé.

– Một số kim loại và hợp kim, khi nhiệt độ thấp hơn một nhiệt độ tới hạn Tc thì điện trở suất đột ngột giảm xuống bằng 0. Ta nói rằng các vật liệu ấy đã chuyển sang trạng thái siêu dẫn.

– Ứng dụng của hiện tượng siêu dẫn:

+ Các cuộn dây siêu dẫn được dùng để tạo ra các từ trường rất mạnh.

+ Dự kiến dùng dây siêu dẫn để tải điện và tổn hao năng lượng trên đường dây không còn nữa.

Vận dụng trang 22 Chuyên đề Vật lí 10:

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

Lời giải:

Máy tính lượng tử (Quantum Computing) tận dụng những hiện tượng cơ học của hạt lượng tử để tạo ra các đối tượng truyền tải dữ liệu, thông tin cực nhanh. Máy có năng lực tính toán gấp cả tỉ lần so với máy tính mạnh nhất hiện nay.

- Vào năm 2019, Google đã khiến cả thế giới phải giật mình khi sử dụng công nghệ lượng tử để giải quyết một vấn đề trong 3 phút 20 giây, trong khi một máy tính thông thường cần đến 10.000 năm. Với tốc độ này, máy tính lượng tử sẽ dễ dàng bẻ khóa mọi mật mã hiện nay. Các nhà công nghệ trên khắp thế giới đang sử dụng các máy điện toán lượng tử để nghiên cứu ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như tài chính, quân sự, điều chế thuốc, năng lượng hạt nhân, trí tuệ nhân tạo (AI), hàng không vũ trụ. Quốc gia nào sản xuất máy tính lượng tử hoạt động hiệu quả sẽ có lợi thế chính về kinh tế, quốc phòng và an ninh mạng, theo trang tin Axios.

- Bà Laura Thomas, cựu nhân viên CIA và giám đốc mảng giải pháp an ninh quốc gia của Công ty máy tính lượng tử ColdQuanta, cho biết: "Mỹ đang đi trước trong nhiều lĩnh vực điện toán lượng tử và chúng tôi có rất nhiều tài năng. Tuy nhiên, Trung Quốc đang bắt kịp để thu hẹp khoảng cách đó rất nhanh chóng". Trong khi các công ty Mỹ nói chung đang dẫn đầu trong việc xây dựng máy tính lượng tử tốt hơn, thì Trung Quốc đã đầu tư ồ ạt vào ngành này. Họ đã đầu tư một phòng thí nghiệm quốc gia trị giá 11 tỉ USD cho khoa học thông tin lượng tử.

- Các nhà nghiên cứu Trung Quốc đã tạo ra những bước đột phá về truyền thông lượng tử, bao gồm cả vệ tinh lượng tử. Tháng 5.2021, nhóm nghiên cứu của Pan Jianwei đã thiết kế một hệ thống tính toán lượng tử siêu dẫn có tốc độ xử lý 66 qubit (bit lượng tử), đặt tên là "Zuchongzhi 2.1" - theo tên nhà toán học và thiên văn học người Trung Quốc thế kỷ thứ 5. Tân Hoa Xã cho hay, hệ thống này nâng cao đáng kể lợi thế lượng tử cho Trung Quốc.

"Zuchongzhi 2.1", nhanh hơn 10 triệu lần so với siêu máy tính nhanh nhất thế giới hiện tại và độ phức tạp tính toán của nó cao hơn 1 triệu lần so với bộ xử lý Sycamore của Google. Đây là lần đầu tiên Trung Quốc đạt được lợi thế lượng tử trong một hệ thống tính toán lượng tử siêu dẫn.

"Zuchongzhi 2.1" đã đạt được lợi thế lượng tử lần đầu tiên so với một bộ xử lý trước đó có tên "Zu Chongzhi" - một nguyên mẫu lượng tử siêu dẫn có tốc độ xử lý 62 qubit.

C. Bài tập

Bài tập 1 trang 22 Chuyên đề Vật lí 10:

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

Lời giải:

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 1mW, 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 – 500 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 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 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 tập 2 trang 22 Chuyên đề Vật lí 10:

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

Lời giải:

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 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 lượng 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 đại 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.

Xem thêm lời giải Chuyên đề Vật lí lớp 10 bộ sách Chân trời sáng tạo hay, chi tiết khác:

Bài 3: Ứng dụng của vật lí trong một số ngành nghề

Bài 4: Xác định phương hướng

Bài 5: Chuyển động nhìn thấy của một số thiên thể trên nền trời sao

Bài 6: Một số hiện tượng thiên văn

Bài 7: Môi trường và bảo vệ môi trường