Chuyên đề Vật lí 10 Bài 3 (Chân trời sáng tạo): Ứng dụng của vật lí trong một số ngành nghề

Giải bài tập Chuyên đề Vật lí 10 Bài 3: Ứng dụng của vật lí trong một số ngành nghề

A/ Câu hỏi đầu bài

Mở đầu trang 23 Chuyên đề Vật lí 10: Cùng với sự phát triển của kinh tế xã hội, các lĩnh vực nghề nghiệp ngày càng được chuyên môn hóa với trình độ ứng dụng công nghệ ngày càng cao. Sự phát triển của khoa học công nghệ đòi hỏi sự đóng góp của rất nhiều ngành khoa học. Vậy, vật lý đã đóng vai trò như thế nào trong sự hình thành, phát triển của những nhóm ngành nghề trong xã hội?

Lời giải:

Vật lí đã đóng vai trò trong sự hình thành, phát triển của những nhóm ngành nghề trong xã hội là

- Trong quân sự nghiên cứu và chế tạo các thiết bị quân sự để đảm bảo vấn đề an ninh, quốc phòng của nước ta. Công nghệ nano có nhiều ưu điểm, không chỉ làm cho việc chế tạo các loại vũ khí thông thường dễ dàng với chi phí thấp hơn nhiều mà còn có thể phát triển các loại vũ khí mới rất tinh vi, phức tạp. 

- Trong khí tượng thủy văn việc đo dòng chảy của sông được thực hiện liên tục chính xác bằng phương pháp phân tích hình ảnh KU_STIV nhằm đưa ra những chiến lược quản lí rủi ro, lũ lụt. Ngành khí tượng thủy văn đã xây dựng được một số mô hình vật lí - toán học cho dữ liệu lớn (big data), kết hợp với những máy tính siêu hiện đại để mô phỏng những diễn biến của thời tiết, thủy văn từ đó đưa ra những dự báo sớm và chính xác. Sự phát triển của vệ tinh nhân tạo và công nghệ chụp ảnh viễn thám cho phép chụp ảnh Trái Đất từ không gian với độ phân giải cao cũng góp phần rất lớn trong việc cung cấp thông số đầu vào cho các mô hình dự báo khí tượng thủy văn, việc dự báo chính xác các hiện tượng thời tiết bất thường đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ người dân các cơ sở sản xuất kinh tế và cơ sở hạ tầng kĩ thuật khỏi những thiệt hại nghiêm trọng.

- Trong nông lâm nghiệp ứng dụng của vật lý đã góp phần chuyển đổi canh tác truyền thống thành các phương pháp hiện đại với năng suất vượt trội. Sự phát triển của công nghệ cảm biến kết nối không dây với điện thoại thông minh đã giúp tạo ra các thiết bị kiểm tra chất lượng nước cho các hồ thủy sản giúp người nuôi liên tục giám sát chất lượng nước trong hồ từ đó giảm rủi ro và tăng năng suất nuôi trồng. Trong lĩnh vực lâm nghiệp hệ thống cảm biến không dây cũng đang được sử dụng trong các hệ thống cảnh báo sớm và giám sát cháy rừng, từ đó bảo vệ nguồn oxygen cho Trái Đất.

- Sự phát triển của cơ khí tự động hóa cũng đã góp phần nâng cao năng suất của ngành nông nghiệp bằng việc kết hợp kiến thức về khí động lực học, các cảm biến chuyển động và công nghệ điều khiển không dây, máy bay không người lái đã được phát triển và ứng dụng vào việc chụp ảnh độ phân giải cao ở các khu vực trồng trọt. Sau đó các thuật toán xử lý hình ảnh sẽ phát hiện tình trạng sâu bệnh và mức độ phát triển của cây trồng. Ngoài ra các hệ thống tưới tự động sử dụng cảm biến độ ẩm, hệ thống phun thuốc trừ sâu tự động không gây hại cho sức khỏe của con người; các máy móc cơ khí giúp cho quá trình nuôi trồng thu hoạch được thuận lợi hơn.

- Trong điện tử: Thiết bị tích trữ tĩnh điện có tên gọi là Chai Leyden, tụ điện đầu tiên được sử dụng rộng rãi trong thí nghiệm về điện học thời bấy giờ. Phát minh này đặt nền móng cơ bản cho sự phát triển của điện tử học.

- Từ các linh kiện điện tử rời rạc như tụ điện, điện trở, transistor, diode,… các nhà nghiên cứu đã chế tạo ra mạch tích hợp IC đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển các thiết bị điện tử, mạch FPGA (Field – Programable Gate Array) có khả năng được lập trình theo mục đích sử dụng. Ngày nay, các linh kiện điện tử được phát triển dựa trên công nghệ bán dẫn giúp các thiết bị có giá rẻ, kích thước nhỏ, giảm diện tích.

- Việc sử dụng năng lượng mặt trời đầu tiên được Charles Fritts (Sác-lơ Phờ - rit) (1850 – 1903) thực hiện vào năm 1884 với những tấm pin năng lượng mặt trời trên mái nhà của mình tại New York . Các tấm pin năng lượng mặt trời ngày một cải tiến nhằm nâng cao hiệu suất và ứng dụng phổ biến trong cuộc sống. Pin năng lượng mặt trời được sử dụng cho thiết bị thăm dò trên hỏa tinh mới NASA năm 2021.

- Trong cơ khí, tự động hóa: Vào thế kỷ thứ XVII - XVIII những đột phá trong Vật lí đã được ứng dụng vào trong lĩnh vực cơ khí như: đồng hồ bấm giờ chính xác đầu tiên vào năm 1657, máy hơi nước của James Watt tạo nền tảng cho cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ nhất tại nước Anh.

- Trong cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư cơ khí tự động hóa dựa trên nền tảng robotic, công nghệ chế tạo cảm biến đang ngày càng xuất hiện phổ biến trong các chuỗi cung ứng sản xuất và đời sống như: dây chuyền sản xuất tự động ô tô, dây chuyền sản xuất tự động cơm hộp hoặc cao cấp hơn là hệ thống lái của ô tô. Nền tảng của cơ khí tự động hóa chính là công nghệ cảm biến và những thuật toán máy tính là nền tảng cho trí thông minh nhân tạo giúp máy móc có thể tự vận hành, tự học tập với những hành vi thông minh như loài người.

- Ngoài ra xu hướng sử dụng robot trí tuệ nhân tạo thay thế con người trong việc sửa chữa các trạm vũ trụ và khám phá không gian vũ trụ cũng đã dần được hình thành và phát triển với mô hình đầu tiên (Robonaut) đã được NASA phát triển vào những năm đầu của thế kỷ XXI.

- Trong thông tin truyền thông: Những nghiên cứu về mạch điện, điện tử (tụ điện, diode, transitor, LED, nam châm ,…) đã được ứng dụng để chế tạo các phần cứng máy tính, điện thoại; những nghiên cứu về công nghệ vật liệu, vật liệu bán dẫn đang được ứng dụng để phát triển chip vi xử lí cho máy tính, điện thoại; những nghiên cứu về từ tính, quang học đang được ứng dụng trong một số bộ phận liên quan như ổ cứng, thẻ nhớ, đầu đĩa DVD.

- Những nghiên cứu liên quan đến công nghệ vật liệu, quang học trong hệ thống cáp quang cũng đã tạo ra một phương pháp mới trong việc truyền tải thông tin giúp cho truyền hình kỹ thuật số có những phát triển vượt bậc trong những năm gần đây.

- Trong các ngành khoa học khác: Sự phát triển của bộ xử lí đồ họa (GPU) đã tạo điều kiện cho các nhà khoa học thực hiện những mô phỏng động lực học phân tử (MD – Molecular Dynamics). Mô phỏng MD đang được sử dụng để nghiên cứu những tính chất vật lí của các phân tử, đại phân tử, từ đó có rất nhiều ứng dụng trong việc nghiên cứu DNA, bào chế thuốc, chế tạo vật liệu mới,…

- Các phương pháp nhiễu xạ tinh thể, phát xạ hồng ngoại, quang phổ huỳnh quang, quang phổ tử ngoại - khả kiến (UV –VIS) cũng được áp dụng rộng rãi trong hóa học, sinh học để nghiên cứu các tính chất hóa lí của các chất.

B/ Câu hỏi giữa bài

1. Ứng dụng của vật lí trong quân sự

Câu hỏi 1 trang 23 Chuyên đề Vật lí 10: Thảo luận về vai trò của một số kiến thức vật lí được ứng dụng trong quân sự.

Lời giải:

- Khoa học quân sự đã có những bước tiến vượt bậc cùng với sự phát triển của vật lí. Các kiến thức vật lí đã được áp dụng vào việc chế tạo thiết bị quân sự một cách đa dạng hơn: máy bay tiêm kích sử dụng các kiến thức về khí động lực học, bảo toàn động lượng, hệ thống hệ thống tên lửa phòng không, sử dụng hệ thống phát và thu sóng điện từ kết hợp với các thuật toán quỹ đạo để phát hiện tên lửa mục tiêu và điều khiển hệ thống tên lửa bám hướng đến tiêu diệt mục tiêu, tàu ngầm quân sự hoạt động dựa trên định luật Ác-si-mét, nguyên lí Pascal, năng lượng hạt nhân.

Câu hỏi 2 trang 24 Chuyên đề Vật lí 10: Thảo luận về vai trò tích cực của các thiết bị quân sự.

Lời giải:

Vai trò tích cực của các thiết bị quân sự: Trong những năm gần đây việc ứng dụng vật lý vào nghiên cứu và chế tạo các thiết bị quân sự để đảm bảo vấn đề an ninh, quốc phòng của nước ta.

Luyện tập trang 24 Chuyên đề Vật lí 10:

Trình bày một số ứng dụng khác của vật lí trong lĩnh vực quân sự mà em biết.

Lời giải:

- Công nghệ nano có nhiều ưu điểm, không chỉ làm cho việc chế tạo các loại vũ khí thông thường dễ dàng với chi phí thấp hơn nhiều mà còn có thể phát triển các loại vũ khí mới rất tinh vi, phức tạp. 

- Các nhà khoa học quân sự dự đoán rằng, vũ khí trang bị nano sẽ phát triển theo hai hệ thống chính: thông tin nano và tấn công nano. Hệ thống thông tin nano truyền tải, lưu trữ và xử lý tin tức trên cơ sở các thành tựu của công nghệ nano, tiêu biểu gồm:

+ Máy bay điều khiển từ xa: Là thiết bị bay điều khiển từ xa có kích thước không lớn hơn một quân bài tú lơ khơ. Trên máy bay có gắn thiết bị cảm ứng, có thể “ngửi” thấy khí thải từ các máy móc, thiết bị khác và truyền tín hiệu về trung tâm phân tích để xác định loại máy móc đó. Nó còn có thể chụp ảnh trong bóng tối, truyền các tin tức tình báo mới nhất về cơ sở cách xa hàng nghìn km, hoặc truyền các số liệu về tọa độ của quân đối phương về trận địa phóng tên lửa. Mới đây, phòng thực nghiệm Đại học Ilinois (Mỹ) đã chế tạo một máy bay gián điệp nano dài khoảng 15 cm, có thể bay liên tục một giờ đồng hồ, hành trình đạt tới 16 km. Nó có thể bay gần một thiết bị hay vật thể mà ra-đa thông thường không thể phát hiện; chụp những bức ảnh hồng ngoại rõ nét trong đêm tối và báo mục tiêu địch về cơ quan tác chiến; hướng dẫn đường đạn tấn công chính xác vào mục tiêu. Hiện nay, Đức đã chế tạo thành công máy bay trực thăng chỉ lớn bằng con ong, trọng lượng không đến 0,5g, có thể bay cao 130 m, bộ phận phát động chỉ lớn bằng ngòi bút, nhưng tốc độ quay cánh quạt có thể đạt 100.000 vòng/phút.

+ Vệ tinh nano: Là hệ thống thiết bị hàng không vũ trụ siêu nhỏ (vi hình) chuyên dụng kết hợp giữa hệ thống vi cơ điện và vi điện tử. Thực tế đây là một hệ thống kết cấu vệ tinh kiểu mạng, được bố trí thành những nhóm cục bộ hoặc mạng vệ tinh. Hệ thống này ưu việt hơn hệ thống kiểu tập trung, có thể tránh được những nguy hại thường xảy ra sau khi một thiết bị vũ trụ đơn nhất mất nhạy, nâng cao độ bền và tính linh hoạt của hệ thống hàng không vũ trụ. Vệ tinh nano có nhiều ưu điểm nổi bật như có thể thay thế, sắp xếp lại; có thể thu nhỏ rất nhiều bộ phận của vệ tinh thông thường như bộ phận phân tích tầng khí tượng, bộ cảm biến, máy phát vi sóng và các động cơ... tích hợp lên các tấm tinh thể bán dẫn, chế thành các môđun tổ hợp cơ bản của vệ tinh vi hình; khả năng sống còn lớn...

Vệ tinh nano.

- Các loại vi người máy trinh sát (người máy trinh sát nano), gồm: Người máy côn trùng bay (mô phỏng phương thức nâng mình trong không trung của côn trùng, bay theo kiểu vỗ cánh, nhờ vậy khắc phục được nhược điểm của các thiết bị bay hiện nay đang sử dụng cánh quạt hay chân vịt, dễ bị đối phương phát hiện); người máy côn trùng bò (đặc trưng chủ yếu là thể tích nhỏ, chỉ có một khả năng do thám và trinh sát nên khi thực hiện nhiệm vụ, cần sự trợ giúp của những người máy khác để bổ sung tính năng)...

+ Phương tiện trinh sát thụ động: Được thiết kế như hình viên đá, cành cây, bụi cỏ rải ở một khu vực nhất định, bên trong có lắp máy trinh sát điện tử, máy ảnh và sensơ có độ nhạy cao, nếu cần có thể di chuyển đến những vị trí do thám có lợi nhất. Có thể rải chúng trên mặt đất hoặc thả trong nước và có khả năng phát hiện ra xe thiết giáp, máy bay trực thăng bay thấp, tàu ngầm ở độ sâu nhất định.

- Đối với hệ thống tấn công nano, bao gồm:

+ Hệ thống điện tử nano robot: Là một tổ hợp của hệ thống truyền cảm, dẫn đường tự động, các thiết bị sát thương, hệ thống thông tin và nguồn điện. Khi hệ thống điện tử nano robot tiếp cận mục tiêu, nó có thể nhận biết được vị trí hệ thống điện tử, xâm nhập và tấn công làm cho đối phương mất khả năng tác chiến.

+ Phần cứng côn trùng: Dùng côn trùng làm bộ phận ngoại vi cho hệ thống điện tử nano robot. Người ta cấy hệ thống này vào hệ thần kinh của côn trùng để có thể điều khiển chúng bay tới mục tiêu thu thập tin tức tình báo, cũng có thể lợi dụng chúng làm tê liệt khả năng tác chiến của mục tiêu hoặc sát thương binh lính.

Robot con bọ.

+ Kiến máy: Có kích thước chỉ bằng một con kiến thật nhưng lại có khả năng phá hủy lớn. Trên lưng nó có gắn một pin mặt trời siêu nhỏ làm động lực, nhờ vậy có thể xâm nhập vào bộ chỉ huy đối phương thu thập tin tức tình báo hoặc phá huỷ mạng máy tính và đường truyền tin.

+ Côn trùng máy: Trên thực tế là một kiểu robot chiến địa. Chúng có các kích cỡ khác nhau, lớn có thể bằng một hộp giày, nhỏ thì giống như một đồng xu, có thể bò, nhảy hoặc bay, vừa làm công việc dò quét địa lôi, vừa thu thập tin tức tình báo ngoài cự ly 1.000 km.

+ Người máy cá biển: Có hình dáng rất giống một con cá chuồn hay con sứa, khi được lắp thuốc nổ có thể tấn công các chiến hạm trong quân cảng.

+ Phương tiện bay: Trong 4 năm, Viện nghiên cứu hải quân Mỹ đã tiêu tốn 35 triệu USD để chế tạo thành công loại máy bay chiến đấu siêu nhỏ MAV, với tổng chiều dài và chiều rộng 15cm, trọng lượng khoảng 65g. MAV có thể căn cứ vào địa hình để lựa chọn đường bay, mang theo một gói thuốc nổ siêu nhỏ nhưng có sức công phá cực mạnh, trở thành bom điều khiển siêu chính xác, có thể bay vào bộ chỉ huy của đối phương, phá huỷ căn cứ quân sự hay các vũ khí trang bị.

+ Phương tiện công kích mặt đất: Những thiết bị này chỉ bé bằng con kiến, tiến hành tìm kiếm mục tiêu nhờ vào các cảm biến sensơ siêu nhỏ trên thân mình để thu thập tin tức tình báo, khi đã xác định được mục tiêu thì công kích bằng liều thuốc nổ nhỏ nhưng cực mạnh.

2. Ứng dụng của vật lí trong khí tượng thủy văn

Câu hỏi 3 trang 24 Chuyên đề Vật lí 10: Nêu một kinh nghiệm dân gian về dự báo khí tượng thủy văn mà em biết.

Lời giải:

Nhìn sao đoán thời tiết

- Số lượng các vì sao trên bầu trời hoàn toàn không thay đổi về số lượng, nhưng do trạng thái bề mặt và mây nhiều hay ít khác nhau nên bằng mắt thường có thể nhìn thấy sao hay không. Mây ít, trời xanh thì sao nhiều, mây nhiều che khuất thì ta nhìn thấy ít đi. Nếu thấy sao sáng nhấp nháy như nháy đèn thì trời sắp mưa.

- Hiện tượng chuồn chuồn bay cao, bay thấp hoặc côn trùng bò lên cao có thể dự đoán được thời tiết khả năng cao sẽ có mưa, bão.

- Hiện tượng thủy triều để dự báo về con nước, lượng hải sản nhiều hay ít khi có biến động biển.

Luyện tập trang 25 Chuyên đề Vật lí 10: Trình bày sơ lược những kiến thức vật lí được ứng dụng trong việc cảnh báo động đất và sóng thần.

Lời giải:

Những kiến thức vật lí được ứng dụng trong việc cảnh báo động đất và sóng thần:

- Hệ thống rada cảm biến, xác định những biến đổi ở tầng địa chất, những đứt gãy địa chất để xác định nguy cơ xảy ra động đất sóng thần.

- Các nhà địa chấn của tập đoàn Caltech cùng với một nhóm chuyên gia cáp quang của Google đang hợp tác phát triển một giải pháp công nghệ, giúp biến các tuyến cáp quang ngầm dưới biển thành thiết bị phát hiện động đất mà không phải dùng thêm thiết bị đặc biệt nào.

- Thách thức nằm ở chỗ, các trận sóng xung kích di chuyển ở tốc độ âm thanh và vì thế sẽ rất khó để đưa ra cảnh báo sớm về một trận sóng thần gây đe dọa các vùng bờ biển. Nếu mạng cáp ngầm có khả năng thu nhận, phát hiện những dịch chuyển như vậy, chúng sẽ ở sát nguồn sóng và những cảnh báo thu nhận sẽ được phát vào bờ ngang với tốc độ âm thanh. 

- Ý tưởng biến cáp ngầm thành mạng địa chấn chuyên theo dõi, cảnh báo động đất, sóng thần không phải là mới. Nhưng các phương án đưa ra trước đó đều đặt ra yêu cầu lắp đặt một thiết bị đặc biệt, sử dụng mạng cáp chạy không (độc lập với cáp quang viễn thông) hoặc cả hai. Phương pháp của Caltech/Google có điểm đột phá, khi chủ yếu khai thác mạng cáp quang mà các công ty viễn thông đặt ngầm dưới biển từ những năm 1980. 

Trong điều kiện hoạt động bình thường, sóng xung laser vốn đảm nhận việc truyền đa kênh dữ liệu được phân cực hóa. Khi những sóng xung này dội vào điểm đầu cuối, chúng sẽ được tiếp nhận, giám sát thường kỳ.

3. Ứng dụng của vật lí trong nông, lâm nghiệp

Câu hỏi 4 trang 26 Chuyên đề Vật lí 10:

Mô tả một số ví dụ thực tế cho thấy việc sử dụng kiến thức vật lý trong nông, lâm nghiệp.

Lời giải:

- Bức xạ ion hóa gây đột biến và tạo ra các giống có đặc tính mới như hình dáng đẹp như cúc Chrysanethemum đột biến (Hình 3.5); năng suất cao chất dinh dưỡng tốt; chịu hạn tốt; đề kháng sâu bệnh và dễ thu hoạch như giống “siêu lúa” NPT 5 (Hình 3.6). Bức xạ ion hóa còn giúp tiêu diệt tế bào thực vật, côn trùng gây hại cho cây trồng, lương thực thực phẩm.

- Sự phát triển của công nghệ cảm biến kết nối không dây với điện thoại thông minh đã giúp tạo ra các thiết bị kiểm tra chất lượng nước cho các hồ thủy sản giúp người nuôi liên tục giám sát chất lượng nước trong hồ từ đó giảm rủi ro và tăng năng suất nuôi trồng. Trong lĩnh vực lâm nghiệp hệ thống cảm biến không dây cũng đang được sử dụng trong các hệ thống cảnh báo sớm và giám sát cháy rừng (Hình 3.7), từ đó bảo vệ nguồn oxygen cho Trái Đất.

- Sự phát triển của cơ khí tự động hóa cũng đã góp phần nâng cao năng suất của ngành nông nghiệp bằng việc kết hợp kiến thức về khí động lực học, các cảm biến chuyển động và công nghệ điều khiển không dây, máy bay không người lái đã được phát triển và ứng dụng vào việc chụp ảnh độ phân giải cao ở các khu vực trồng trọt. Sau đó các thuật toán xử lý hình ảnh sẽ phát hiện tình trạng sâu bệnh và mức độ phát triển của cây trồng (Hình 3.8).

- Ngoài ra các hệ thống tưới tự động sử dụng cảm biến độ ẩm hệ thống phun thuốc trừ sâu tự động không gây hại cho sức khỏe của con người; các máy móc cơ khí giúp cho quá trình nuôi trồng thu hoạch được thuận lợi hơn.

Luyện tập trang 26 Chuyên đề Vật lí 10: Tìm hiểu những ứng dụng khác của vật lí trong lĩnh vực nông, lâm nghiệp.

Lời giải:

Những ứng dụng khác của vật lí trong lĩnh vực nông, lâm nghiệp:

- Ứng dụng của từ trường nhân tạo để kích thích sinh trưởng và phát triển một số giống cây trồng trong giai đoạn nuôi cấy mô và ươm.

Hình 1. Ứng dụng từ trường nhân tạo để kích thích sinh trưởng và phát triển một số giống cây trồng trong giai đoạn nuôi cấy mô và giai đoạn vườn ươm

- Nước từ tính(ferrofluid)­Nguồn nước tưới đầy tiềm năng

Ngày nay, nhiều công trình khoa học của các nhà sinh học và lý sinh đã mô tả ảnh hưởng của từ trường đối với việc sản xuất của các nhà máy. Dựa trên những nghiên cứu này, “Công nghệ Nam châm” đã được nhiều công ty đưa ra một phương pháp đó là tác động của từ trường đối với vùng nước tự do. Phương pháp này là một phần thiết yếu trong toàn bộ hoạt động phức tạp của việc sử dụng từ trường trong nông nghiệp. Nó bao gồm sự thay đổi hóa học các thông số nước tự nhiên, dẫn đến cải thiện các đặc tính lọc và tác động vào một số các tính chất của nước. Những thay đổi này dẫn đến kết quả là sự đồng hóa tốt hơn các chất dinh dưỡng cho cây và tạo ra lượng phân bón trong các nhà máy phục vụ cho quá trình phát triển của thực vật.

Hình 2. Nước từ tính phù hợp cho hệ thống trồng thủy canh.

- Loại bỏ cỏ dại trên cánh đồng nhờ vào nam châm lọc sắt

Trong canh tác, người nông dân thường gặp rất nhiều khó khăn đối với việc diệt cỏ dại trên quy mô lớn. Thông thường, nông dân sẽ dùng các chế phẩm hóa học để diệt cỏ, điều này gây ra nhiều vấn đề bất cập như: chất hóa học không phân hủy hoặc phân hủy với tốc độ chậm gây ô nhiễm môi trường; tiêu diệt cùng lúc các thiên địch của các loài gây hại;…Cho nên để khắc phục vấn đề này, các nhà khoa học đã thực hiên dự án loại bỏ hạt giống cỏ dại bằng nam châm lọc sắt.

Hình 3. Ứng dụng nam châm diệt trừ cỏ dại

- Nam châm giúp bò giảm chứng viêm màng ruột

Nghe có vẻ khó tin, nhưng khẩu phần ăn của các chú bò hiện nay thường được bổ sung thêm một viên nam châm nhỏ. Nguyên nhân của việc thêm nếm nghe có vẻ khá dị thường này là do vai trò của nam châm trong việc chữa trị chứng viêm màng bụng ở các loài động vật nhai lại như bò.

Hình 4. Bò sữa ở trang trại

Bò cũng như tất cả các loài động vật nhai lại khác không nhai trước khi nuốt. Tuy chúng dành rất nhiều thời gian để nhai lại thức ăn đùn lên từ dạ dày, nhưng chúng luôn nuốt chửng thức ăn trước tiên. Điều đó đồng nghĩa với việc chúng nuốt luôn tất cả những mảnh vụn kim loại nằm lẫn trong đám cỏ chúng ăn vào. Những miếng kim loại này đọng lại ở màng bụng, ngăn thứ hai của dạ dày, và dính chặt lại ở đó. Những mảnh sắc thậm chí có thể thọc qua dạ dày và đi thẳng vào tim. Nguy hiểm hơn nữa, chúng có thể ngăn cản quá trình tiêu hóa và khiến cơ thể con vật phồng trương .

Hình 5. Miếng nam châm có kích cỡ bằng ngón tay út

- Nâng cao năng suất cây trồng nhờ ánh đơn sắc LED:

Sau nhiều nghiên cứu về tác động của ánh sáng lên tốc độ tăng trưởng của thực vật, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng các sắc tố quang hợp khác nhau sử dụng các bước sóng khác nhau và trong mỗi giai đoạn sinh trưởng khác nhau thì cây cần các bước sóng khác nhau. Dựa vào đặc điểm sinh trưởng của mỗi cây mà người ta sẽ phối trộn các ánh sáng đơn sắc mà cây cần hấp thụ theo tỉ lệ thích hợp, nhờ đó giảm chi phí tiêu thụ năng lượng và chi phí đầu tư, tăng hiệu suất canh tác tránh lãng phí, thích hợp cho việc canh tác trong nhà kính và các sản phẩm nông nghiệp đạt chất lượng cao.

Ứng dụng của đèn LED trong chăn nuôi

Hình 6.  Sử dụng hệ thống đèn LED trong chăn nuôi gia cầm

Màu sắc của ánh sáng có thể ảnh hưởng tới sản lượng trứng, hình dạng trứng, khối lượng của trứng, thành phần dinh dưỡng và tỷ lệ ấp nở của trứng gà. Ngoài tác dụng sinh lí, đèn LED còn có tác dụng nhiệt. Đặc tính này được áp dụng trong máy ấp trứng giúp nâng cao tỉ lệ trứng nở, khắc phục những yếu điểm so với ấp nở tự nhiên, tạo điều kiện cho việc sản xuất con giống gia cầm đại trà

 Hình 8. Hệ thống soi trứng

- Đèn LED­ chìa khóa vàng cho khai thác đánh bắt thủy hải sản

Hình 9. Ứng dụng đèn LED đánh bắt thủy hải sản

Hầu hết các loài cá nhỏ và phù du trôi nổi trong nước thường bị ánh sáng thu hút,đồng thời các loài cá lớn, mực, tôm,…theo dấu con mồi bơi lên chỗ có nhiều thức ăn. Lợi dụng đặc điểm đó ngư dân đã dùng đèn LED có công suất lớn đặt trên tàu để thu hút và đánh bắt thủy sản.

- Ứng dụng tia LASER đối với cây trồng

Ở viện nghiên cứu Krasnodar phía Nam nước Nga, năm 1976 đã xử lí tia laser lên hạt lúa mì gây đột biến Ljubov có hàm lượng protein tăng và năng suất tăng 15% so với giống gốc.

Hình 10. Lúa mỳ

4. Ứng dụng của vật lí trong điện tử

Câu hỏi 5 trang 27 Chuyên đề Vật lí 10: Vật lí đóng vai trò như thế nào trong việc sản xuất các vi xử lí của máy tính và các thiết bị tự động.

Lời giải:

- Thiết bị tích trữ tĩnh điện có tên gọi là Chai Leyden, tụ điện đầu tiên được sử dụng rộng rãi trong thí nghiệm về điện học thời bấy giờ. Phát minh này đặt nền móng cơ bản cho sự phát triển của điện tử học.

- Từ các linh kiện điện tử rời rạc như tụ điện, điện trở, transistor, diode,… các nhà nghiên cứu đã chế tạo ra mạch tích hợp IC đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển các thiết bị điện tử, mạch FPGA (Field – Programable Gate Array) có khả năng được lập trình theo mục đích sử dụng. Ngày nay, các linh kiện điện tử được phát triển dựa trên công nghệ bán dẫn giúp các thiết bị có giá rẻ, kích thước nhỏ, giảm diện tích.

- Việc sử dụng năng lượng mặt trời đầu tiên được Charles Fritts (Sác-lơ Phờ - rit) (1850 – 1903) thực hiện vào năm 1884 với những tấm pin năng lượng mặt trời trên mái nhà của mình tại New York . Các tấm pin năng lượng mặt trời ngày một cải tiến nhằm nâng cao hiệu suất và ứng dụng phổ biến trong cuộc sống. Pin năng lượng mặt trời được sử dụng cho thiết bị thăm dò trên hỏa tinh mới NASA năm 2021.

Luyện tập trang 27 Chuyên đề Vật lí 10: Liệt kê các thiết bị điện tử mà em thường sử dụng trong đời sống hàng ngày.

Lời giải:

Các thiết bị điện tử mà em thường sử dụng trong đời sống hàng ngày như: tivi, máy lạnh, tủ lạnh, máy giặt, cân treo điện tử, cân bàn điện tử, cân điện tử…

Vận dụng trang 27 Chuyên đề Vật lí 10: Phân tích vai trò của các thiết bị điện tử trong một số ngành nghề khác.

Lời giải:

- Khi nghe đến thiết bị điện tử thường người ta sẽ nghĩ đến các thiết bị dùng trong khoa học công nghệ. Thực chất, các thiết bị điện tử là những thiết bị mà chúng ta dùng trong đời sống thường ngày. Những thiết bị này giúp làm thay hoạt động của con người như nấu cơm, đun nước, quạt tay,…

- Trước khi thiết bị điện tử ra đời để thay thế sức lực cho con người thì người ta phải dùng sức rất nhiều và mất nhiều thời gian cho những việc thường ngày. Hiệu quả công việc đó có khi không được cao.

- Việc máy vi tính ra đời để giúp cho con người đỡ tốn thời gian, mực của bút, giấy và các dị tật do cầm bút gây ra. Nếu như viết tay một tài liệu mấy chục trang trong một ngày thì khả năng công việc lại không hiệu quả. 

- Sự ra đời của máy chụp X - quang là tốt cho quá trình chẩn đoán bệnh và những thiết bị điện tử dùng trong ngành Y tế là những đột phá mới cho sự khám chữa bệnh ở người thay vì bắt mạch, châm cứu, cạo gió,…

Ngày nay, các thiết bị điện tử góp phần quan trọng trong đời sống hằng ngày của mỗi gia đình. Nó cũng góp phần cho sự phát triển của xã hội.  

5. Ứng dụng của vật lí trong cơ khí, tự động hóa

Câu hỏi 6 trang 28 Chuyên đề Vật lí 10: Trình bày vai trò của vật lý trong việc phát triển công nghệ tự động hóa.

Lời giải:

- Vào thế kỷ thứ XVII - XVIII những đột phá trong Vật lí đã được ứng dụng vào trong lĩnh vực cơ khí như: đồng hồ bấm giờ chính xác đầu tiên vào năm 1657, máy hơi nước của James Watt tạo nền tảng cho cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ nhất tại nước Anh.

- Trong cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư cơ khí tự động hóa dựa trên nền tảng robotic, công nghệ chế tạo cảm biến đang ngày càng xuất hiện phổ biến trong các chuỗi cung ứng sản xuất và đời sống như: dây chuyền sản xuất tự động ô tô, dây chuyền sản xuất tự động cơm hộp hoặc cao cấp hơn là hệ thống lái của ô tô. Nền tảng của cơ khí tự động hóa chính là công nghệ cảm biến và những thuật toán máy tính là nền tảng cho trí thông minh nhân tạo giúp máy móc có thể tự vận hành, tự học tập với những hành vi thông minh như loài người.

- Ngoài ra xu hướng sử dụng robot trí tuệ nhân tạo thay thế con người trong việc sửa chữa các trạm vũ trụ và khám phá không gian vũ trụ cũng đã dần được hình thành và phát triển với mô hình đầu tiên (Robonaut) đã được NASA phát triển vào những năm đầu của thế kỷ XXI.

Luyện tập trang 28 Chuyên đề Vật lí 10: Mô tả và phân tích những ví dụ cho thấy kiến thức vật lí được sử dụng trong công nghệ ô tô tự lái.

Lời giải:

Xe ô tô tự lái (hay còn gọi là xe không người lái) - là một phương tiện ô tô có khả năng cảm nhận môi trường xung quanh và hoạt động mà chỉ cần ít hoặc dường như không cần bất kỳ sự tham gia nào của con người trong việc điều khiển chúng.

Nguyên lý hoạt động của xe ô tô tự lái

Xe ô tô tự lái hoạt động dựa trên các cảm biến, bộ truyền động, thuật toán phức tạp, hệ thống học máy (Machine Learning) và bộ xử lý mạnh mẽ để thực thi phần mềm.

Đầu tiên, xe sẽ tạo và duy trì bản đồ môi trường xung quanh bằng hệ thống định vị GPS và nhiều loại cảm biến nằm ở các bộ phận khác nhau của xe.

- Cảm biến RADAR giám sát vị trí của các phương tiện gần đó.

Có 2 loại RADAR được sử dụng:

+ Cảm biến RADAR tầm dài (Long-Range RADAR): Điều khiển hành trình thích ứng.

+ Cảm biến RADAR tấm ngắn (Short-Medium Range RADAR): Giúp phát hiện điểm mù, cảnh báo va chạm.

- Cảm biến LIDAR (Light + RADAR) phản xạ xung ánh sáng từ môi trường xung quanh ô tô, giám sát khoảng cách của những người đi bộ và bất kỳ phương tiện nào khác phía trước nó. Từ đó, ra lệnh phanh giảm tốc độ hoặc dừng khẩn cấp.

- Cảm biến siêu âm (Ultrasonic Sensor) sử dụng sự truyền âm thanh để phát hiện vật thể. Theo dõi các chuyển động của xe, phát hiện lề đường và các phương tiện khác khi đỗ xe. Thông thường, cảm biến này được kích hoạt khi xe chuyển động ngược chiều.

- Camera sẽ phát hiện đèn giao thông, đọc biển báo đường bộ, cảnh báo chệch làn đường, nhận dạng, theo dõi người đi bộ và các phương tiện khác.

Sau đó, phần mềm sẽ xử lý tất cả đầu vào của những cảm biến này và thông qua những thuật toán, phần mềm sẽ vạch ra các cách vận hành và gửi hướng dẫn đến bộ truyền động của ô tô, nơi có nhiệm vụ điều khiển tốc độ, phanh và hệ thống lái.

6. Ứng dụng của vật lí trong thông tin truyền thông

Câu hỏi 7 trang 29 Chuyên đề Vật lí 10: Mô tả một vài ví dụ về sự ứng dụng của vật lý trong thông tin truyền thông.

Lời giải:

- Những nghiên cứu về mạch điện, điện tử (tụ điện, diode, transitor, LED, nam châm ,…) đã được ứng dụng để chế tạo các phần cứng máy tính, điện thoại; những nghiên cứu về công nghệ vật liệu, vật liệu bán dẫn đang được ứng dụng để phát triển chip vi xử lí cho máy tính, điện thoại; những nghiên cứu về từ tính, quang học đang được ứng dụng trong một số bộ phận liên quan như ổ cứng, thẻ nhớ, đầu đĩa DVD.

- Những nghiên cứu liên quan đến công nghệ vật liệu, quang học trong hệ thống cáp quang cũng đã tạo ra một phương pháp mới trong việc truyền tải thông tin giúp cho truyền hình kỹ thuật số có những phát triển vượt bậc trong những năm gần đây.

- Ngoài ra công nghệ truyền dữ liệu không dây đã và đang phát triển mạnh mẽ nhờ vào sự phát triển của công nghệ chế tạo và phóng vệ tinh nhân tạo. Trong tương lai gần các công nghệ mạng không dây sẽ đóng vai trò quan trọng trong công nghệ định vị dẫn đường, internet vạn vật (IoT),…

Luyện tập trang 29 Chuyên đề Vật lí 10: Liệt kê một số ứng dụng của công nghệ truyền dữ liệu không dây trong thực tiễn.

Lời giải:

Một số ứng dụng của công nghệ truyền dữ liệu không dây trong thực tiễn

- Công nghệ peer-to-peer (mạng ngang hàng): bluetooth truyền thống, wifi trực tiếp (Wifi direct), kết nối NFC (Near-Field Communication)

- Công nghệ lưới công suất thấp / phạm vi ngắn / dữ liệu thấp: Bluetooth năng lượng thấp (BLE), Zigbee, Z-Wave và 6LoWPAN.

- Công nghệ di động truyền xa: GSM / GPRS, LTE

- Công nghệ truyền xa năng lượng thấp: LoRa/ LoRaWAN, NB-IOT và LTE-M

7. Ứng dụng của vật lí trong các ngành khoa học khác

Câu hỏi 8 trang 30 Chuyên đề Vật lí 10: Liệt kê những ứng dụng của vật lý trong việc phát triển những ngành khoa học khác.

Lời giải:

- Sự phát triển của bộ xử lí đồ họa (GPU) đã tạo điều kiện cho các nhà khoa học thực hiện những mô phỏng động lực học phân tử (MD – Molecular Dynamics). Mô phỏng MD đang được sử dụng để nghiên cứu những tính chất vật lí của các phân tử, đại phân tử, từ đó có rất nhiều ứng dụng trong việc nghiên cứu DNA, bào chế thuốc, chế tạo vật liệu mới,…

- Các phương pháp nhiễu xạ tinh thể, phát xạ hồng ngoại, quang phổ huỳnh quang, quang phổ tử ngoại - khả kiến (UV –VIS) cũng được áp dụng rộng rãi trong hóa học, sinh học để nghiên cứu các tính chất hóa lí của các chất.

Vận dụng trang 30 Chuyên đề Vật lí 10: Chọn một ngành nghề mà em thích và liệt kê một số kiến thức vật lí có liên quan đến ngành nghề đó.

Lời giải:

Một ngành nghề mà em thích là ngành điện tử, công nghệ viễn thông.

- Kiến thức về Vật lí lý thuyết, Vật lí chất rắn, Vật lí quang phổ, Vật lí điện tử, vi mạch và xử lí tín hiệu số, Vật lí nano…

C. Bài tập

Bài tập 1 trang 30 Chuyên đề Vật lí 10: Nêu một số ứng dụng của Vật lí trong lĩnh vực nghệ thuật và thể thao.

Lời giải:

- Ứng dụng của Vật lí trong nghệ thuật:

+ Các kiến thức về đường truyền của ánh sáng được ứng dụng để chế tạo máy chụp hình, quay phim.

+ Các kiến thức về sóng điện từ được ứng dụng trong truyền thanh, truyền hình.

+ Các kiến thức về điện – điện tử được ứng dụng trong các thiết bị giải trí như loa, tivi, đèn LED nghệ thuật, …

- Ứng dụng của Vật lí trong thể thao

+ Các kiến thức về cơ học được ứng dụng trong môn trượt băng nghệ thuật, việc thay hình dạng cơ thể giúp vận động viên thay đổi tốc độ góc trong các kĩ thuật xoay người để ghi điểm cao.

+ Trong bộ môn nhảy sào, việc nghiên cứu chuyển động của trọng tâm cơ thể, sức bật của chân giúp các vận động viên cải thiện thành tích.

+ Các kiến thức về khí động học và cơ học chất lưu được áp dụng để tối ưu hóa xe đua.

Bài tập 2 trang 30 Chuyên đề Vật lí 10: Kể tên những ứng dụng của Vật lí trong lĩnh vực xây dựng.

Lời giải:

Một số ứng dụng của Vật lí trong lĩnh vực xây dựng:

- Các nghiên cứu về kết cấu, sự biến dạng và sức bền vật liệu đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực xây dựng khi đảm bảo tính ổn định, chắc chắn và bền vững của các công trình.

- Kiến thức cơ học ứng dụng và hệ thống tời, ròng rọc giúp vận chuyển các vật liệu xây dựng lên cao một cách hiệu quả.

- Các thiết bị cơ giới trong xây dựng như máy kéo, máy trộn bê tông, máy khoan, … đều được vận hành trên các cơ sử của vật lí như cơ học, điện – điện tử giúp tăng hiệu quả làm việc của công nhân xây dựng.

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

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

Bài 8: Năng lượng hóa thạch và năng lượng tái tạo