›

Khóa luận Cải tiến và sử dụng các thí nghiệm để dạy học một số kiến thức về phóng xạ nhằm khắc phục quan niệm sai lầm về phóng xạ cho học sinh lớp 12

pdf 72 trang thiennha21 15/04/2022 3820
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Khóa luận Cải tiến và sử dụng các thí nghiệm để dạy học một số kiến thức về phóng xạ nhằm khắc phục quan niệm sai lầm về phóng xạ cho học sinh lớp 12", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfkhoa_luan_cai_tien_va_su_dung_cac_thi_nghiem_de_day_hoc_mot.pdf

Nội dung text: Khóa luận Cải tiến và sử dụng các thí nghiệm để dạy học một số kiến thức về phóng xạ nhằm khắc phục quan niệm sai lầm về phóng xạ cho học sinh lớp 12

  1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Nguyễn Minh Duy CẢI TIẾN VÀ SỬ DỤNG CÁC THÍ NGHIỆM ĐỂ DẠY HỌC MỘT SỐ KIẾN THỨC VỀ PHĨNG XẠ NHẰM KHẮC PHỤC QUAN NIỆM SAI LẦM VỀ PHĨNG XẠ CHO HỌC SINH LỚP 12 KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thành phố Hồ Chí Minh - 2020
  2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Nguyễn Minh Duy CẢI TIẾN VÀ SỬ DỤNG CÁC THÍ NGHIỆM ĐỂ DẠY HỌC MỘT SỐ KIẾN THỨC VỀ PHĨNG XẠ NHẰM KHẮC PHỤC QUAN NIỆM SAI LẦM VỀ PHĨNG XẠ CHO HỌC SINH LỚP 12 Chuyên ngành: Sư phạm Vật lí KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TH.S LÊ ANH ĐỨC Thành phố Hồ Chí Minh - 2020
  3. Lời Cảm ơn Trong qua trình thực hiện và hồn thành khĩa luận, tơi đã nhận được sự quan tâm và giúp đỡ rất lớn thì quý Thầy, Cơ, gia đình và bạn bè. Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc nhất đến Th.S Lê Anh Đức đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn tơi trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện luận văn. Tơi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, quý Thầy, Cơ và các em học sinh trường Trung Học Thực Hành ĐHSP đã nhiệt tình giúp đỡ tơi trong việc điều tra, khảo sát và thực nghiệm sư phạm. Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã luơn bên cạnh, giúp đỡ và hỗ trợ tơi hồn thành khĩa luận của mình. Chân thành cảm ơn! 1
  4. DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1-1: Hiệu ứng quang điện. 15 Hình 1-2: Tán xạ Compton. 16 Hình 1-3: Hiệu ứng tạo cặp. 17 Hình 1-4: Sơ đồ các quá trình dịch chuyển electron trong tinh thể vơ cơ. 19 Hình 1-5: Sơ đồ cấu tạo của ống nhân quang điện. 22 [1] Hình 2-1: Nguyên vật liệu để chế tạo ―Buồng sương Wilson‖ sử dụng đá khơ 25 Hình 2-2: Sị nĩng lạnh đã được nối với phích cắm điện. 28 Hình 2-3: Các vệt tia phĩng xạ 29 Hình 2-4: Mặt trước của máy đếm. 30 Hình 2-5: Đầu dị nhấp nháy Model 44-10 32 Hình 2-6:Bộ nguồn chuẩn 32 Hình 2-7: Bộ chứa nguồn 33 Hình 2-8: Bộ vật liệu che chắn 33 Hình 2-9: Sơ đồ thí nghiệm ―Khảo sát tính chất đâm xuyên của tia gamma‖ 34 Hình 3-1: Giáo viên giới thiệu về thí nghiệm ―Khảo sát tính đâm xuyên của tia gamma‖. 51 Hình 3-2: Học sinh nhĩm A tiến hành thí nghiệm. 52 Hình 3-3: Học sinh nhĩm B tiến hành thí nghiệm. 52 Hình 3-4: Giáo viên giới thiệu về thí nghiệm ―Buồng sương Wilson‖. 53 Hình 3-5: Giáo viên lắp ráp thí nghiệm ―Buồng sương Wilson‖ 53 2
  5. DANH MỤC BẢNG Bảng 1-1: Kết quả khảo sát quan niệm của học sinh lớp 12.4 về phĩng xạ. 4 Bảng 2-1: Thơng tin về nguồn phĩng xạ. 33 Bảng 3-1: Tĩm tắt tiến trình dạy học. 50 Bảng 3-2: Kết quả khảo sát quan niệm của học sinh lớp 12.1 về phĩng xạ. 54 3
  6. DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Nội dung ĐHSP Đại học sư phạm GV Giáo viên HS Học sinh TNSP Thực nghiệm sư phạm TP HCM Thành phố Hồ Chí Minh THPT Trung học phổ thơng SGK Sách giáo khoa TN Thí nghiệm PPDH Phương pháp dạy học DH Dạy học TNTT Thí nghiệm tự tạo NQĐ Nhân quang điện 4
  7. MỤC LỤC CHƢƠNG I: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA VIỆC XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC BÀI “PHĨNG XẠ” VẬT LÍ 12 3 1.1 Các quan niệm về phĩng xạ 3 1.1.1 Các quan niệm về phĩng xạ của học sinh ngồi nước. 3 1.1.2 Các quan niệm về phĩng xạ của học sinh trong nước. 4 1.2 Phân tích nội dung kiến thức bài ―Phĩng xạ‖ 6 1.3 Thí nghiệm vật lí 7 1.3.1 Khái niệm thí nghiệm vật lí 7 1.3.2 Chức năng của thí nghiệm vật lí 7 1.3.3 Một số loại hình thí nghiệm vật lí 9 1.4 Các thí nghiệm ứng dụng trong dạy học chương ―Nguyên tử hạt nhân‖. 13 1.4.1 Buồng sương Wilson 13 1.4.2 Thí nghiệm ―Khảo sát tính đâm xuyên của tia gamma‖. 14 CHƢƠNG II. CẢI TIẾN VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC BÀI “PHĨNG XẠ” VẬT LÍ 12 24 2.1 Thí nghiệm ―Buồng sương Wilson‖ 24 2.1.1 Mục đích thí nghiệm 24 2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thí nghiệm 24 2.1.4 Cải tiến thí nghiệm 25 2.2 Thí nghiệm ―Khảo sát tính đâm xuyên của tia gamma‖ 30 2.2.1 Mục đích thí nghiệm 30 2.2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thí nghiệm 30 2.2.3 Các bước tiến hành thí nghiệm 34 2.3. Giáo án dạy học chuyên đề phĩng xạ 34 2.3.1 Mục tiêu 34 2.3.2 Phương pháp dạy học 35 2.3.3 Phương tiện dạy học. 35 2.3.4 Tiến trình dạy học 37 2.3.5 Củng cố 46 CHƢƠNG III. THỰC NGHIỆM SƢ PHẠM 48 5
  8. 3.1 Mục đích thực nghiệm sư phạm 48 3.2 Nhiệm vụ thực nghiệm sư phạm 48 3.3 Đối tượng thực nghiệm sư phạm 48 3.4 Phương pháp thực nghiệm sư phạm 48 3.5 Những thuận lợi và khĩ khăn gặp phải khi tiến hành thực nghiệm sư phạm 49 3.5.1 Thuận lợi 49 3.5.2 Khĩ khăn 49 3.6 Kế hoạch dự kiến TNSP 49 3.7 Diễn biến thực nghiệm sư phạm 49 3.8 Kết quả khảo sát của lớp 12.1 54 3.9 Đánh giá kết quả TNSP 56 6
  9. MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Vật lí là một mơn khoa học thực nghiệm. Những định luật hay thuyết vật lí chỉ được cơng nhận khi được kiểm chứng bằng các TN. Trong dạy học mơn vật lí ở các trường trung học, TN luơn đĩng một vai trị cực kì quan trọng, giúp học sinh lĩnh ngộ và nắm giữ các kiến thức, kĩ năng. Tuy nhiên, việc sử dụng TN trong dạy học vẫn cịn nhiều khĩ khăn và hạn chế đặc biệt là chương ―Hạt nhân nguyên tử‖ ở chương trình vật lí 12. Bên cạnh đĩ, đã cĩ những nghiên cứu chỉ ra rằng ở học sinh, sinh viên cĩ nhiều quan niệm sai lầm về phĩng xạ như: ―Phĩng xạ là sản phẩm nhân tạo”[18], “Phĩng xạ luơn gây nguy hiểm”[22], dù hầu hết những học sinh, sinh viên này đều ở những quốc gia cĩ nền cơng nghệ hạt nhân tiên tiến. Trên thực tế, đã cĩ nhiều cơng trình nghiên cứu về TN phĩng xạ cĩ thể thực hiện tại lớp như ―Chế tạo buồng sương bể cá‖ của Frances[28], ―Chế tạo buồng sương với đá Gel‖ của Masahiro Kamata and Miki Kubota[29] hay bài luận văn ―Chế tạo và sử dụng buồng sương Wilson trong dạy học bài ―phĩng xạ‖ vật lí 12‖ của Trần Nguyễn Hồng Duy[1]. Tuy nhiên, điểm chung của các TN trên là đều sử dụng đá khơ hoặc đá Gel, những dụng cụ này cĩ gây một số khĩ khăn cho cơng tác quản lý và sử dụng TN trong trường học. Do đĩ, chúng tơi lựa chọn nghiên cứu đề tài ―Cải tiến và sử dụng các thí nghiệm để dạy học một số kiến thức về phĩng xạ nhằm khắc phục quan niệm sai lầm về phĩng xạ cho học sinh lớp 12” với mong muốn gĩp phần nâng cao hiệu quả dạy học phĩng xạ ở trường học và khắc phục những quan niệm sai lầm của học sinh ở trường học. 2. Mục đích của đề tài Cải tiến TN Buồng sương Wilson và ứng dụng TN vào dạy học bài ―Phĩng xạ‖ nhằm khắc phục quan niệm sai lầm của học sinh. 3. Giả thuyết khoa học Nếu xây dựng các tiết học vật lí 12 ở ―Phĩng xạ‖ kết hợp với các TN sẽ gĩp phần giúp học sinh khắc phục quan niệm sai lầm. 4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 1
  10. 4.1 Đối tƣợng nghiên cứu - Nội dung kiến thức vật lí lớp 12 bài ―Phĩng xạ‖. - Các TN phĩng xạ: ―Buồng sương Wilson‖ và ―Khảo sát tính đâm xuyên của tia gamma‖. - Phương pháp tổ chức hoạt động dạy học sử dụng TN biểu diễn dạy học mơn vật lí 4.2 Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu tập trung vào cải tiến TN ―Buồng sương Wilson‖ và xây dựng tiết học thực nghiệm vật lí ở bài ―Phĩng xạ‖. 5. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu cơ sở lí luận và thực tiễn TN vật lí. - Phân tích mục tiêu về kiến thức, kĩ năng, cấu trúc, nội dung và các lưu ý khi dạy học bài Phĩng xạ - vật lí 12. - Nghiên cứu về TN ―Buồng sương Wilson‖ và ―Khảo sát tính đâm xuyên của tia gamma‖ 6. Phƣơng pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lí luận dạy học: + Nghiên cứu tài liệu về lí luận dạy học TN trong dạy học vật lí. - Phương pháp thực nghiệm sư phạm: + Giảng dạy thực nghiệm bài Phĩng xạ vật lí 12. + Quan sát, kiểm tra, đánh giá quan niệm của HS qua phiếu khảo sát. - Phương pháp nghiên cứu thực tiễn. 2
  11. CHƢƠNG I: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA VIỆC XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC BÀI “PHĨNG XẠ” VẬT LÍ 12 1.1 Các quan niệm về phĩng xạ 1.1.1 Các quan niệm về phĩng xạ của học sinh ngồi nước. - Quan niệm về phĩng xạ của học sinh ngồi nước: Đã cĩ bài báo nghiên cứu về quan niệm của học sinh ở lưới tuổi THPT về phĩng xạ như ―Ba quan điểm sai lầm về phĩng xạ‖ của Susanne Neuman, ―Kiến thức về phĩng xạ của học sinh Bồ Đào Nha‖ của Rego và Pelarta, Các bài báo đều đã chỉ ra rằng cĩ một số quan niệm sai lần ở học sinh. - Phĩng xạ là nhân tạo. Theo nghiên cứu của Hiệp hội giáo viên vật lí Mỹ, nhiều sinh viên cho rằng phĩng xạ là nhân tạo [18]. Ở Bồ Đào Nha hơn 50% sinh viên trẻ và từ 30% đến 40% những người lớn tuổi tuyên bố chưa bao giờ nghe về phĩng xạ tự nhiên[19] 84% học sinh Anh cho rằng phĩng xạ xuất phát từ nhà máy điện hạt nhân [20]. Thực tế phĩng xạ cĩ cả nguồn tự nhiên và nhân tạo. Trong tự nhiên, phĩng xạ được tìm thấy trong đất, đá, than đá, nước, khơng khí, gỗ Gỗ chứa đồng vị Carbon 14C - đồng vị phĩng xạ của nguyên tố carbon. - Sợ tiếp xúc với nguồn phĩng xạ trong tự nhiên. Phĩng xạ cĩ trong nước, khơng khí, cây gỗ .những thứ mà ta tiếp xúc hằng ngày nhưng hầu như khơng ai biết về điều đĩ. Khi được hỏi về việc tiếp xúc với phĩng xạ trong tự nhiên, 36% học sinh nĩi rằng họ khơng muốn tiếp xúc vì sợ bị phơi nhiễm phĩng xạ [21]. - Phĩng xạ luơn nguy hiểm. 78% học sinh Anh cho rằng phĩng xạ gây nguy hiểm chết người [22]. Phĩng xạ nguy hiểm đến con người phụ thuộc vào mật độ phĩng xạ. Tháng 3 năm 2019, Trường Trung học phổ thơng Trần Khai Nguyên đã cho học sinh tiến hành TN quan sát chuyển động của các tia phĩng xạ alpha, beta. Trước khi cho học sinh làm TN, giáo viên trường đã kiểm tra và đảm bảo an tồn cho học sinh. - Các vật dễ bị nhiễm phĩng xạ khi đặt gần nguồn phĩng xạ. Một quả dâu tây được đặt gần nguồn phĩng xạ, kết quả của Harrington chỉ ra rằng, 68% sinh viên vật lí tính tốn nghĩ rằng dâu tây sẽ vẫn phĩng xạ khi nguồn đã được gỡ bỏ [22]. 70% học sinh Thổ Nhĩ Kỳ cho rằng dâu tây trở thành một nguồn phĩng xạ và do đĩ cĩ hại [21]. 3
  12. 1.1.2 Các quan niệm về phĩng xạ của học sinh trong nước. Phĩng xạ hiện nay là một qua niệm khá quen thuộc đối với học sinh, sinh viên Việt Nam. Các thơng tin về phĩng xạ được truyền đạt tới mọi người qua báo chí, truyền hình, mạng internet nhưng hầu hết những thơng tin mà mọi người tiếp nhận là những tiêu cực, nguy hiểm mà phĩng xạ mang lại. Từ đĩ, mọi người cĩ những quan niệm, cách nhìn nhận khơng đúng về phĩng xạ. Chúng tơi đã tiến hành nghiên cứu quan niệm về phĩng xạ của học sinh lớp 12 sau khi các em đã được học về phĩng xạ theo bảng phụ lục 1. Sau khi khảo sát và thống kê thì chúng tơi thu được kết quả như sau: Bảng 1-1: Kết quả khảo sát quan niệm của học sinh lớp 12.4 về phĩng xạ. Câu 1: Nguồn phĩng xạ Đồng ý Phân vân Khơng đồng ý 1. Phĩng xạ được phát ra từ lị phản 97% 3% 0% ứng hạt nhân, phịng thí nghiệm hạt nhân. 2. Phĩng xạ cĩ trong mơi trường tự 63% 27% 20% nhiên xung quanh chúng ta như đất đá, nước 3. Phĩng xạ được phát ra từ điện 43% 33% 24% thoại, laptop, wifi, lị vi sĩng 4. Tia alpha, tia beta, tia gamma là tia 90% 7% 3% phĩng xạ. 5. Tia tử ngoại, tia X (trong chụp X- 43% 14% 43% quang) là tia phĩng xạ. Câu 2: Ứng dụng của phĩng xạ Đồng ý Phân vân Khơng đồng ý 1. Phĩng xạ được ứng dụng trong nhà 97% 3% 0% máy điện hạt nhân, lị phản ứng hạt nhân. 2. Phĩng xạ được ứng dụng trong soi 50% 17% 33% chiếu hành lí, kiểm tra an ninh tại sân bay. 3. Xạ trị ung thư, điều trị bướu cổ hay 87% 13% 0% 4
  13. chẩn đốn các khối u trong cơ thể 4. Chiếu xạ thực phẩm diệt khuẩn. 63% 23% 14% 5. Định tuổi các vật liệu khảo cổ. 80% 17% 3% Câu 3: Tác hại của phĩng xạ Đồng ý Phân vân Khơng đồng ý 1. Phĩng xạ luơn rất nguy hiểm khi 73% 10% 17% tiếp xúc gần nguồn phĩng xạ. 2. Các bác sĩ làm việc ở phịng xạ trị 57% 40% 3% với tần suất lớn sẽ gây ung thư. 3. Phĩng xạ gây chết người ngay lập 20% 33% 47% tức khi vừa tiếp xúc với nguồn phĩng xạ. 4. Đồng vị phĩng xạ nhân tạo được 70% 30% 0% ứng dụng trong y học để khám, chữa bệnh. 5. Một trái táo đặt rất gần nguồn 70% 27% 3% phĩng xạ, trái táo đĩ bị nhiễm phĩng xạ. Từ kết quả khảo sát, ta cĩ thể thấy một số học sinh cịn mắc qua niệm sai lầm như: + 43,3% học sinh cho rằng tia tử ngoại, tia X (trong chụp X-quang) là tia phĩng xạ. + 50% học sinh cho rằng phĩng xạ đứng ứng dụng trong soi chiếu hành lý, kiểm tra an ninh trong sân bay. + 57% học sinh cho rằng bác sĩ làm việc ở phịng xạ trị với tần suất lớn sẽ bị ung thư. + 70% học sinh cho rằng đặt trái táo gần nguồn phĩng xạ, trái táo sẽ bị nhiễm phĩng xạ. 5
  14. 1.2 Phân tích nội dung kiến thức bài “Phĩng xạ”. - Phĩng xạ là quá trình phân rã tự phát của một hạt nhân khơng bền vững (tự nhiên hay nhân tạo). - Quá trình phân rã này kèm theo sự tạo ra các hạt và cĩ thể kèm theo sự phát ra các bức xạ điện từ. Hạt nhân tự phân rã gọi là hạt nhân mẹ, hạt nhân được tạo thành sau phân rã gọi là hạt nhân con. 4 - Tia thực chất là dịng các hạt 2 He chuyển động với tốc độ cỡ 20.000 km/s. Quãng đường đi được của tia trong khơng khí chừng vài xentimét và trong vật rắn chừng vài micrơmét. - Tia  thực chất là dịng các hạt êlectron hay dịng các hạt pơzitron + Phĩng xạ  là quá trình phân rã phát ra tia . Tia là dịng các êlectron 0 1e chuyển động với tốc độ rất lớn, xấp xỉ tốc độ ánh sáng. Tia truyền đi được vài mét trong khơng khí và vài milimét trong kim loại. + Phĩng xạ  là quá trình phân rã phát ra tia . Tia là dịng các pơzitron 0 1e chuyển động với tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng. Pơzitron cĩ điện tích +e và khối lượng bằng khối lượng êlectron. Tia truyền đi được vài mét trong khơng khí và vài milimét trong kim loại. - Tia  cĩ bản chất là sĩng điện từ. Các tia cĩ thể đi qua được vài mét trong bê tơng và vài xen-ti-mét trong chì. - Trong quá trình phân rã, số hạt nhân phĩng xạ của một nguồn giảm theo quy luật hàm số mũ. Trong đĩ, N0 là số nguyên tử ban đầu của chất phĩng xạ, N là số nguyên tử chất ấy ở thời điểm t,  là hằng số phĩng xạ. t - Hệ thức của định luật phĩng xạ: N N0. e . - Chu kỳ bán rã T là đại lượng đặc trưng cho chất phĩng xạ, được đo bằng thời gian qua đĩ số lượng hạt nhân cịn lại là 50% (nghĩa là phân rã 50%), được xác định ln 2 bởi: T .  - Ngồi các đồng vị cĩ sẵn trong thiên nhiên gọi là các đồng vị phĩng xạ tự nhiên, người ta cịn tạo ra được nhiều đồng vị phĩng xạ khác, gọi là các đồng vị phĩng xạ nhân tạo. 6
  15. - Các đồng vị phĩng xạ nhân tạo cĩ nhiều ứng dụng trong sinh học, hố học, y học Trong y học, người ta đưa các đồng vị khác nhau vào cơ thể để theo dõi sự xâm nhập và di chuyển của nguyên tố nhất định trong cơ thể người. Đây là phương pháp nguyên tử đánh dấu, cĩ thể dùng để theo dõi được tình trạng bệnh lí. Trong ngành 14 khảo cổ học, người ta sử dụng phương pháp cacbon 6 C , để xác định niên đại của các cổ vật. 1.3 Thí nghiệm vật lí 1.3.1 Khái niệm thí nghiệm vật lí Khái niệm TN vật lí được hiểu theo các quan điểm sau: - Trong vật lí học, TN vừa là nguồn kiến thức và là một phương pháp nghiên cứu. TN Vật lí trong trường phổ thơng (cịn gọi là TN giáo khoa hay TN học tập) là sự phản ánh phương pháp nghiên cứu khoa học trong việc nghiên cứu các hiện tượng vật lí, vì vậy chúng mang những yếu tố cơ bản của TN khoa học vật lí. TN vật lí học tập được hiểu là sự tái tạo nhờ các dụng cụ đặc biệt, các hiện tượng vật lí trên lớp học, trong những điều kiện thuận tiện nhất để nghiên cứu chúng. Vì vậy, TN vật lí đồng thời là nguồn kiến thức, PPDH và là một dạng trực quan.[3] - Theo Nguyễn Đức Thâm và cộng sự, TN vật lí được hiểu là sự tác động cĩ chủ định, cĩ hệ thống của con người vào các đối tượng của hiện thực khách quan. Thơng qua sự phân tích các điều kiện mà trong đĩ đã diễn ra sự tác động và các kết quả của sự tác động, ta cĩ thể thu nhận tri thức mới. [4] - Mặt khác, TN là một phương pháp dạy học vật lí. Đĩ là cách thức, là biện pháp tổ chức các hoạt động dạy học của người GV thể hiện qua sự cộng tác giữa thầy và trị trong quá trình giảng dạy và học tập nhằm đạt được hiệu quả cao nhất trong việc truyền thụ, lĩnh hội tri thức vật lí và rèn luyện kĩ năng kĩ xảo thực hành. [5] 1.3.2 Chức năng của thí nghiệm vật lí [6] - Thí nghiệm là phương tiện thu nhận tri thức. + TN là một phương tiện quan trọng của hoạt động nhận thức của con người, thơng qua TN con người đã thu nhận được những tri thức khoa học cần thiết nhằm nâng cao năng lực của bản thân để cĩ thể tác động và cải tạo thực tiễn. Trong dạy học, TN là phương tiện của hoạt động nhận thức của HS, nĩ giúp người học trong việc tìm kiếm và thu nhận kiến thức khoa học cần thiết. 7
  16. + Trong dạy học VL, TN được sử dụng như một cơng cụ phân tích hiện thực khách quan, từ đĩ HS thu nhận tri thức về đối tượng, nếu ban đầu HS chưa biết hoặc biết một ít về đối tượng cần nghiên cứu, thì TN được sử dụng để thu nhận những kiến thức đầu tiên về nĩ, thơng qua TN, HS cĩ thể trả lời được các câu hỏi về hiện tượng xảy ra của đối tượng. + TN là nguồn cung cấp thơng tin chính xác về các sự vật, hiện tượng và chỉ cĩ TN thì kiến thức mà HS thu nhận mới đạt chất lượng, hiệu quả và chính việc sử dụng TN trong dạy học VL mới đem lại cho HS sự tự tin vào kiến thức được lĩnh hội. - Thí nghiệm là phương tiện kiểm tra tính đúng đắn của những tri thức thu nhận. + Trong dạy học VL, TN là một trong những phương tiện tốt để kiểm tra kiến thức VL đã được khái quát hố từ lí thuyết. Thực tế cho thấy, từ sự khái quát hố lí thuyết rồi đưa ra TN để kiểm tra lí thuyết khơng những làm cho hoạt động nhận thức của HS tích cực hơn mà cịn tạo được niềm tin về sự đúng đắn của kiến thức mà HS đã lĩnh hội. - Thí nghiệm là phương tiện để vận dụng tri thức vào thực tiễn. + Trong dạy học VL, TN khơng những cĩ vai trị rất lớn trong việc tích cực hĩa hoạt động nhận thức của HS, thể hiện ở khía cạnh cung cấp kiến thức, rèn luyện thao tác chân tay, tác động đến giác quan của HS , mà TN cịn cĩ một vai trị rất lớn khác trong việc giúp HS củng cố và vận dụng kiến thức một cách vững chắc. + TN VL giúp cho HS cĩ điều kiện vận dụng những kiến thức đã học vào thực tế cuộc sống, từ đĩ xố bỏ dần lối học vẹt, lí thuyết suơng đã tồn tại nhiều năm trước đây. - Thí nghiệm là một bộ phận của các phương pháp nhận thức. + Đối với phương pháp thực nghiệm, TN luơn cĩ mặt ở nhiều khâu khác nhau: làm xuất hiện vấn đề nghiên cứu, kiểm tra tính đúng đắn của các giả thuyết, + Trong phương pháp mơ hình, TN giúp ta thu thập các thơng tin về đối tượng gốc làm cơ sở cho việc xây dựng mơ hình. + Nhờ những kết quả của các TN được tiến hành trên vật gốc tạo cơ sở để đối chiếu với kết quả thu được từ mơ hình, qua đĩ để cĩ thể kiểm tra tính đúng đắn của mơ hình được xây dựng và chỉ ra giới hạn áp dụng của nĩ. 8
  17. 1.3.3 Một số loại hình thí nghiệm vật lí - Cĩ nhiều cách phân loại TN trong DH vật lí, tuỳ vào từng tiêu chí khác nhau, sẽ cĩ các kết quả phân loại khác nhau. Ví dụ: căn cứ vào đối tượng sử dụng, TN vật lí ở trường phổ thơng cĩ thể chia thành hai loại: TN biểu diễn (TN do GV tiến hành là chính, tuy cĩ thể cĩ sự hỗ trợ của HS) và TN thực hành (TN do HS tự tiến hành dưới sự hướng dẫn của GV). [4] - Căn cứ vào mơi trường trình diễn TN, TN vật lí cĩ thể phân loại thành TN thực và TN trên máy vi tính. - Đối với TN thực, tập trung vào hai loại hình chính: TN được trang cấp ở trường phổ thơng (gọi tắt là TN) và TN tự tạo. Trong phạm vi nghiên cứu, đề tài tập trung vào các loại hình TN tự tạo. 1.3.3.1 Thí nghiệm biểu diễn Là phương pháp dạy học vật lí trong đĩ giáo viên tiến hành các TN vật lí, tác động lên các đối tượng vật lí nhằm thơng qua đĩ trình bày lại cho học sinh phương pháp nghiên cứu và kết quả nghiên cứu đối tượng vật lí. [7] Các loại TN biểu diễn: [7] - Thí nghiệm vật lí mở đầu: là những TN đơn giản về dụng cụ và về quá trình thực hiện. Về thời gian chúng chỉ chiếm khoảng từ 1 đến 2 phút vào đầu tiết học. Mục đích của loại TN này là nhằm tạo ra một hiện tượng vật lí. Từ đĩ đặt ra cho học sinh một vấn đề cần nghiên cứu, giải quyết trong lớp học. Một mục đích khác của loại TN này là nhằm kích thích học sinh hứng thú giải quyết vấn đề. - Thí nghiệm nghiên cứu: Là những TN cĩ mức độ và qui mơ lớn (Trong phạm vi dạy học) về thiết bị, hệ thống các thao tác và thời gian. Chúng thường chiếm phần lớn thời gian của tiết học trên lớp, hoặc phải tiến hành trên phịng TN với các thiết bị đặc biệt. Mục đích của TN là tác động trực tiếp lên đối tượng để nghiên cứu những thuộc tính vật lí của chúng hoặc tìm ra các quy luật vật lí. Trong loại TN này, người ta cịn phân biệt hai loại là thí nghiệm khảo sát và thí nghiệm kiểm chứng – minh họa. + Thí nghiệm khảo sát: Là loại TN được tiến hành theo con đường qui nạp. Từ những kết quả của nhiều lần TN, trong cùng những điều kiện nhất định mà khái quát hĩa thành một kết luận chung cho các hiện tượng cùng loại. 9
  18. + Thí nghiệm kiểm chứng minh họa: Là loại TN được tiến hành theo con đường diễn dịch. Những kết quả của các TN này sẽ kiểm chứng hoặc minh họa cho những kết luận rút ra theo con đường tiên đề hoặc là từ những suy luận tốn học, từ những giả thuyết. - Thí nghiệm củng cố: Là loại TN trình bày những ứng dụng của vật lí vào trong khoa học, kĩ thuật và đời sống hoặc nhưng TN thể hiện những hiện tượng vật lí đã học. Mục đích của TN này là để học sinh thấy được vai trị của vật lí trong thực tế và để vận dụng lí thuyết đã học vào việc giải thích chúng, qua đĩ nắm vững kĩ năng vật lí.  Kĩ thuật và phương pháp tiến hành biểu diễn: [7] - Kĩ thuật tiến hành thí nghiệm biểu diễn: + TN phải được đặt đúng cách. + Phải tìm cách đánh dấu và làm nổi bật những đại lượng thay đổi để học sinh cĩ thể theo dõi được. + Phải làm cho tồn bộ học sinh theo dõi được các dụng cụ và tiến hành TN. + Phải cho học sinh theo dõi được số chỉ của các dụng cụ đo. + Phải cho học sinh thấy được sự thay đổi của các đại lượng phụ thuộc sự thay đổi yếu tố nào của TN. - Phương pháp tiến hành: + Bước 1: Nêu rõ mục đích và phương hướng tiến hành TN. + Bước 2: Vạch rõ kế hoạch TN. + Bước 3: Giới thiệu dụng cụ và lắp đặt TN. + Bước 4: Kiểm tra tồn bộ TN trước khi tiến hành. + Bước 5: Tiến hành TN theo kế hoạch đã định. + Bước 6: Phân tích kết quả và rút ra kết luận. + Bước 7: Tổng kết TN. 1.3.3.2 Thí nghiệm thực hành [7] Là phương pháp dạy học vật lí trong đĩ giáo viên tổ chức và hướng dẫn cho học sinh thực hành các TN vật lí nhằm mục đích tác động trực tiếp lên đối tượng vật lí để nghiên cứu chúng. 10
  19. Các TN thực hành cũng cĩ thể là những TN nghiên cứu trong vật lí, cũng cĩ thể là những TN lịch sử nhưng đã được cải biến và nhiều TN do các nhà sư phạm thiết kế nhằm mục đích tổ chức học tập cho học sinh. Các loại thí nghiệm thực hành: + Thí nghiệm thực hành trên lớp: Là loại TN do học sinh thực hiện trên lớp học, trong giờ học, dưới sự hướng dẫn trực tiếp của giáo viên nhằm mục đích nghiên cứu một kiến thức vật lí mới. + Thí nghiệm thực hành trên phịng thí nghiệm: Là các TN do học sinh thực hiện trên Các phịng TN vật lí của nhà trường với thời gian nhiều hơn, từ một đến hai tiết học. Điểm khác biệt của loại TN này là học sinh trước khi tiến hành TN đã nắm được cơ bản những vẫn đề lí thuyết và hệ thống thao tác nên tự chủ và nâng cao hơn được khả năng hoạt động độc lập cũng như phát triển được tư duy hơn. + Thí nghiệm thực hiện ở nhà: là loại TN do học sinh thực hiện ở nhà dưới sự hướng dẫn trên lớp của giáo viên. Các loại TN này chủ yếu là quan sát, định tính vì học sinh khơng thể tự làm các TN định lượng nếu khơng cĩ sự hướng dẫn trực tiếp của giáo viên. 1.3.3.3 Thí nghiệm tự tạo Trong quá trình nghiên cứu thiết kế, chế tạo và sử dụng TNTT, các tác giả đã đưa ra những định nghĩa khác nhau về TNTT. Theo tác giả Hans-Joachim Wilke (Đức) “Thí nghiệm tự tạo là những thí nghiệm được dùng trong dạy học vật lí và được tự tạo ra với những vật liệu và dụng cụ phổ biến trong đời sống hằng ngày”. [25] Các tác giả H. Joachim Schlichting, C. Berthold, D. Binzer, M. Herfert, H. Hilscher, J. Kraus, C. Mưller cho rằng: “Thí nghiệm tự tạo là những thí nghiệm được tạo ra với phương tiện chủ yếu là bàn tay với những vật liệu trong đời sống hằng ngày”. [23,24] Theo tác giả Lê Cao Phan: “Thí nghiệm tự làm là thí nghiệm do giáo viên hoặc học sinh thực hiện bằng các nguyên vật liệu dễ tìm kiếm, rẻ tiền, sẵn cĩ ở địa phương, phù hợp với hồn cảnh của nhà trường và học sinh”. [8] 11
  20. Cùng với sự phát triển của khoa học và cơng nghệ, khái niệm TNTT đã được phát triển. TNTT khơng chỉ được tạo ra bằng những nguyên vật liệu rẻ tiền, cĩ sẵn mà cĩ thể được tạo ra từ những thiết bị, linh kiện điện tử tinh vi. Theo tác giả Nguyễn Hồng Anh: ―Thí nghiệm tự tạo là những thí nghiệm từ đơn giản đến phức tạp được tạo ra chủ yếu bằng tay từ những nguyên vật liệu thiết bị, linh kiện phổ biến trong đời sống hằng ngày và được sử dụng trong quá trình dạy học”. [9]  Phân loại thí nghiệm tự tạo: [9] + Thí nghiệm tự tạo đơn giản: Là những TN được tạo ra từ những vật liệu, dụng cụ thơng dụng dễ kiếm như: vỏ lon, gỗ, TNTT đơn giản thường là những TN định tính. + Thí nghiệm tự tạo phức tạp: Là những TN được tạo ra từ các dụng cụ thơng dụng nhưng cĩ quá trình gia cơng, chế tạo dụng cụ TN phức tạp hơn so với TNTT đơn giản. + Thí nghiệm tự tạo hiện đại: Là những thí nghiệm được tạo ra trong đĩ cĩ sử dụng các loại thiết bị và linh kiện điện tử hiện đại như: vi điều khiển, mạch điện tử, bo mạch, Những TN này thường là những thiết bị tự động.  Các yêu cầu đối với việc tự tạo thí nghiệm [9] - Về mặt khoa học + Các TNTT được xây dựng phải đảm bảo khi tiến hành TN phải thành cơng, tạo ra hiện tượng rõ ràng, đúng với bản chất vật lí và điều khiển được các yêu tố tác động. + Quá trình thiết kế, chế tạo cần ứng dụng các thành tựu mới trong khoa học; cĩ câu tạo gọn nhẹ, thuận tiện trong quá trình sử dụng (tháo lắp, bố trí và tiến hành TN); Đảm bảo an tồn trong sử dụng, dễ sửa chữa, bảo quản và vận chuyển. Về mặt sư phạm + TNTT cĩ thể được sử dụng ở các giai đoạn khác nhau trong quá trình dạy học như: sử dụng trong đề xuất vấn đề nghiên cứu, sử dụng trong hình thành kiến thức mới và sử dụng trong củng cố, vận dụng kiến thức. + Kết quả của TNTT phải gắn liền với nội dung bài học, xuất hiện đúng lúc trong tiến trình DH, đồng thời kết quả TN phải được sử dụng cho mục đích DH một cách hợp lí, logic và khơng gượng ép. Về mặt thẩm mĩ 12
  21. + Các dụng cụ TNTT phải cĩ kích thước đủ lớn, đảm bảo cho cả lớp quan sát nhằm giúp cho HS dễ theo dõi diễn biến của TN để cĩ thể rút ra được những kết luận cần thiết. TN phải cĩ màu sắc thích hợp và hình dáng đẹp đẽ lơi cuốn sự chú ý của HS, đặc biệt là cần làm nổi bật bộ phận cần quan sát.  Quy trình tự tạo TN trong dạy hoc vật lí [9] - Bước 1: Xác định mục tiêu dạy học. - Bước 2: Nghiên cứu nội dung bài học. - Bước 3: Tìm hiểu thực trạng cơ sở vật chất, thiết bị TN. - Bước 4: Đề xuất, lựa chọn phương án TN. - Bước 5: Chuẩn bị các vật liệu, dụng cụ và linh kiện cần thiết. - Bước 6: Gia cơng, chế tạo dụng cụ TN. - Bước 7: Lắp ráp TN. - Bước 8: Tiến hành TN. - Bước 9: Hồn thiện TN. 1.4 Các thí nghiệm ứng dụng trong dạy học chƣơng “Nguyên tử hạt nhân”. 1.4.1 Buồng sương Wilson 1.4.1.1 Cơ sở khoa học [10] - Cơ sở khoa học để tạo ra thiết bị này là kết quả cơng trình nghiên cứu sự tạo thành những đám mây hay sương mù. Trước Wilson, trong các điều kiện phịng TN, người ta đã chỉ ra rằng hơi bão hịa cĩ thể bị ngưng tụ và tạo thành những giọt chất lỏng, nếu trong thể tích đã cho cĩ các tâm ngưng tụ. - Wilson đã chỉ ra rằng các ion cĩ thể là tâm ngưng tụ của hơi bão hịa. Hơn nữa các giọt chất lỏng đươc tạo thành sẽ phát triển đến kích thước nhìn thấy được. Cĩ thể quan sát và chụp ảnh được chúng một cách dễ dàng. 1.4.1.2 Lịch sử thí nghiệm [11] Năm 1897, Wilson chứng minh được rằng trong những điều kiện xác định, mỗi ion tích điện đều trở thành tâm ngưng tụ hơi nước. Vì thế cĩ thể nhận ra sự hiện diện của các ion bằng mắt thường. Đầu năm 1911, Wilson là người đầu tiên nhìn thấy và chụp ảnh vết của các hạt alpha, beta và các electron riêng biệt. Từ những lý thuyết trên, năm 1912 ơng đã phát minh ra một dụng cụ để theo dõi và chụp ảnh các vết của điện tích (sau này được gọi là buồng Wilson). 13
  22. Buồng Wilson cịn được gọi là buồng sương. Theo lời của nhà vật lí người Anh Ernest Rutherford, buồng sương là một ―dụng cụ độc đáo và đáng ngạc nhiên nhất‖ để ghi lại hoạt động của các hạt. Các nhà khoa học giải thích rằng để tạo ra sương cần cĩ các tâm ngưng tụ. Wilson phát hiện ra rằng các tâm ngưng tụ của hơi nước cĩ thể là các ion tạo thành khi hơi nước bão hịa bị chiếu rọi bởi các tia X hoặc các bức xạ khác như các tia alpha, beta và gamma. Sau khi tiến hành nghiên cứu trong nhiều năm, ơng đã chế tạo ra một dụng cụ cĩ thể ghi nhận các hạt. Đến năm 1923, buồng sương được hồn thiện và dẫn đến cĩ hai bài báo kinh điển của ơng về vết của các electron. 1.4.2 Thí nghiệm “Khảo sát tính đâm xuyên của tia gamma”. [12],[13],[14] 1.4.2.1 Tương tác của tia gamma với mơi trường vật chất a) Giới thiệu tia gamma -8 Bản chất của bức xạ gamma là sĩng điện từ cĩ bước sĩng nhỏ hơn 10 cm, được tạo ra khi hạt nhân nguyên tử ở trạng thái kích thích cĩ mức năng lượng cao chuyển về trạng thái cĩ mức năng lượng thấp hơn và dần chuyển về trạng thái cơ bản phát ra lượng tử cĩ mức năng lượng đúng bằng hiệu hai mức năng lượng mà nĩ chuyển đổi và cĩ dạng phổ vạch thì nĩ được gọi là bức xạ gamma. hf Eik E 34 Trong đĩ: h là hằng số Planck ( h 6,625.10 ), f là tần số sĩng điện từ, EEik, lần lượt là năng lượng liên kết của electron của lớp điện tử thứ i, k trong nguyên tử. Bức xạ gamma khi tương tác với vật chất cĩ tính chất cơ bản là tương tác với mơi trường vật chất theo các quá trình hấp thụ hay tán xạ và mất dần năng lượng theo quy luật suy giảm hàm mũ, được mơ tả theo cơng thức: mrx I I0 e Trong đĩ: I0 là cường độ chùm tia gamma ban đầu; I là cường độ chùm tia gamma khi đi qua lớp vật chất cĩ bề dày x; m là hệ số suy giảm tuyến tính và r là mật độ khối của vật chất suy giảm. Trong quá trình hấp thụ: Tia gamma truyền tồn bộ năng lượng cho vật chất. Năng lượng đĩ làm cho các hạt thứ cấp chuyển động trong mơi trường đồng thời tia gamma biến mất. 14
  23. Trong quá trình tán xạ: Tia gamma truyền một phần năng lượng cho các hạt vật chất và thay đổi phương chuyển động đồng thời giảm năng lượng. Lượng tử gamma khơng tích điện do đĩ quá trình làm chậm của lượng tử gamma trong mơi trường vật chất khơng được thực hiện liên tục như những hạt tích điện vì khi tương tác với electron và nguyên tử của mơi trường, lượng tử gamma tương tác theo các cơ chế hấp thụ (mất tồn bộ năng lượng) hoặc tán xạ (mất một phần năng lượng). Trong thực tế, để ghi nhận được bức xạ gamma khi nĩ tương tác với vật chất, ba hiệu ứng sau đây là quan trọng và cĩ ý nghĩa mà chúng ta cần quan tâm: + Hiệu ứng quang điện. + Tán xạ Compton. + Hiệu ứng tạo cặp trong trường hạt nhân sinh ra electron và positron. b) Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện xảy ra khi chùm bức xạ gamma tới cĩ năng lượng thấp (< 0,511 MeV) tương tác với mơi trường vật chất. Khi đĩ, lượng tử gamma biến mất khi truyền tồn bộ năng lượng cho các electron trong nguyên tử của nguyên tố vật chất cấu thành mơi trường mà nĩ truyền qua. Hay nĩi cách khác là bứt các electron ra khỏi nguyên tử. Năng lượng của electron được xác định từ hệ thức: TEIeg i Trong đĩ: Eg là năng lượng của lượng tử gamma tới; Ii là năng lượng ion hĩa của lớn điện tử thứ i (K, L, M, ). Từ hệ thức này, ta thấy rằng hiệu ứng quang điện chỉ cĩ thể xảy ra khi EIgi . Tuy nhiên, hiệu ứng quang điện xảy ra chủ yếu ở lớp điện tử K. Hình 1-1: Hiệu ứng quang điện. c) Tán xạ Compton 15
  24. Khi năng lượng hf của bức xạ gamma tới lớn hơn năng lượng liên kết của điện tử trong nguyên tử và nằm trong khoảng 0.511 Mev đến 5 Mev tương đương với bước sĩng < 1 Ao thì hiệu ứng hấp thu quang điện trở thành thứ yếu. Khi đĩ, sự va chạm đàn hồi giữa một photon (gamma) với một electron tạo ra một electron cĩ năng lượng lớn hơn năng lượng nghỉ của nĩ (0.511 Mev). Bức xạ gamma sau khi tán xạ sẽ lệch khỏi phương ban đầu một gĩc  và cĩ năng lượng bị giảm (bước sĩng tăng) cịn electron Compton bị bắn ra dưới một gĩc đĩ là hiệu ứng Compton. Hình 1-2: Tán xạ Compton. Điện tử Compton (các electron giật lùi) thu được năng lượng càng lớn nếu gĩc tán xạ của photon càng lớn. Nĩ thu năng lượng cực đại khi photon va chạm chính diện với electron, phần năng lượng được truyền phụ thuộc vào năng lượng của photon tới. Photon tới cĩ năng lượng nhỏ thì năng lượng của điện tử Compton sẽ nhỏ, điều này cho phép ta phân biệt các điện tử Compton và các quang điện tử. Tĩm lại, phần năng lượng truyền cho điện tử Compton phụ thuộc vào năng lượng và gĩc tương tác của photon tới. d) Hiệu ứng tạo cặp Lượng tử gamma trong điện trường của electron hoặc hạt nhân cĩ thể tạo ra cặp electron – positron khi năng lượng của chùm tia bức xạ gamma tới. Khi đĩ, lượng tử gamma bị hấp thu hồn tồn, năng lượng của nĩ truyền hết cho cặp electron – positron và nhân giật lùi. Quá trình tạo cặp phải thoả mãn định luật bảo tồn động lượng, do đĩ nĩ khơng thể xảy ra trong chân khơng. 16
  25. Gọi TA là năng lượng của hạt nhân giật lùi, từ định luật bảo tồn năng lượng, ta cĩ: 22 hf m c m c TA 2 2 Trong đĩ: mc là năng lượng của electron sinh ra, mc là năng lượng của positron sinh ra. Các positron khi sinh ra sẽ thốt khỏi nhân (do lực đẩy coloumb) cịn các electron sinh ra sẽ bị hãm lại. Khi các nguyên tử cĩ bậc số nguyên tử Z càng lớn thì sự khác nhau đĩ càng rõ nhưng khơng phụ thuộc một cách tuyến tính. Hiệu ứng tạo cặp chỉ cĩ thể xảy ra khi năng lượng của chùm tia gamma lớn hơn tổng năng lượng nghỉ của cặp electron – positron. hiệu ứng tạo cặp là chủ yếu ở vùng 2 năng lượng cao, nĩ tỉ lệ với Z . Cặp electron – positron cĩ thể được sinh ra trong trường của điện tử, tuy nhiên trong trường của điện tử sự hấp thụ tia gamma sẽ yếu hơn nhiều vì tiết diện tương tác cĩ giá trị nhỏ. Hình 1-3: Hiệu ứng tạo cặp. 1.4.2.2 Dectector nhấp nháy Sự tìm ra các bức xạ ion thơng qua các ánh sáng nhấp nháy phát ra từ một số vật chất nào đĩ là một kỹ thuật đã được biết đến. Quá trình nhấp nháy cịn là một trong những phương pháp hữu ích nhất trong việc dị tìm và phân loại quang phổ của các bức xạ. a) Nguyên tắc hoạt động Khi một hạt mang điện đi vào bản nhấp nháy sẽ kích thích các nguyên tử hay phân tử. Sau đĩ với sự dịch chuyển về trạng thái cơ bản chúng sẽ phát ra một ánh sáng nhấp nháy, đĩ là các photon. Qua một lớp dẫn sáng các photon đập vào bộ phận nhân quang điện (NQĐ) và ở lối ra của NQĐ xuất hiện một tín hiệu điện cĩ biên độ khá lớn, 17
  26. tín hiệu điện này được đưa vào bộ tiền khuếch đại để hịa hợp tổng trở giữa lối ra của detector và lối vào của bộ khuếch đại. Xung điện tạo thành sau khi qua bộ khuếch đại sẽ được tăng biên độ lên mấy bậc trước khi đưa vào phân tích và ghi nhận. b) Chất nhấp nháy Chất nhấp nháy là các chất đặc biệt nhạy với bức xạ ion hĩa và sẽ phát ra photon sau khi được chiếu xạ. Theo quan điểm ghi nhân bức xạ hạt nhân, một chất nhấp nháy lý tưởng cần phải cĩ những thuộc tính sau: + Nĩ cần phải chuyển đổi năng lượng của các bức xạ thành những ánh sáng cĩ thể tìm ra với hiệu quả cao, hiệu suất biến đổi của chất nhấp nháy phải cao (cịn gọi là hiệu suất vật lí). + Sự chuyển đổi trên cần phải tuyến tính, đầu ra của áng sáng tương xứng với năng lượng bức xạ đi vào chất nhấp nháy. + Chất nhấp nháy cần phải cĩ chất lượng quang học tốt. Và chất nhấp nháy phải sản xuất ra được với số lượng lớn + Chỉ số khúc xạ cần phải gần với sự ghép nối sao cho hiệu quả nhất của ánh sáng nhấp nháy với bộ phận nhân quang điện. Trong thực tế, khơng vật chất nào đồng thời đạt được tất cả tiêu chuẩn này, sự lựa chọn chất nhấp nháy luơn luơn là một thỏa hiệp giữa những tiêu chuẩn trên và các nhân tố khác. Chất nhấp nháy được ứng dụng rộng rãi nhất bao gồm những tinh thể halogen kiềm (ưa chuộng nhất là NaI(Tl)), chất lỏng và chất dẻo hữu cơ. Chất nhấp nháy vơ cơ cho ánh sáng ra tuyến tính tốt nhất, nhưng với một vài ngoại lệ là tương đối chậm trong sự đáp lại của thời gian (thời gian phát sáng tương đối lớn). Chất nhấp nháy hữu cơ thì cĩ thời gian phát sáng nhanh hơn nhưng năng suất thấp. Quá trình phát sáng trong chất nhấp nháy cĩ thể xảy ra theo hai cách: + Trong trường hợp các dịch chuyển cho phép nghĩa là các dịch chuyển từ trạng thái kích thích của phân tử chất nhấp nháy về trạng thái cơ bản thì nháy sáng thường phát ra rất nhanh (tương ứng thời gian sống trung bình của trạng thái này rất nhỏ sau khi bức xạ đập vào), loại phát sáng như vậy gọi là quá trình huỳnh quang. + Trong trường hợp các dịch chuyển bị cấm vì nguyên tắc lượng tử nào đĩ thì các trạng thái kích thích này gọi là các mức giả bền cĩ thời gian sống lớn và nhấp nháy 18
  27. xảy ra chậm so với thời điểm bức xạ đập vào, chính quá trình này gĩp phần vào sự kéo dài của tín hiệu, đấy gọi là quá trình lân quang. Chất nhấp nháy được chia thành 2 loại: chất nhấp nháy hữu cơ và chất nhấp nháy vơ cơ. Chúng tơi chỉ xét tới chất chấp nháy vơ cơ. c) Chất nhấp nháy vơ cơ  Cơ chế phát sáng của chất nhấp nháy vơ cơ: Cơ chế phát sáng của tinh thể vơ cơ được giải thích dựa trên cơ sở lý thuyết vùng của chất rắn. Theo đĩ các mức năng lượng trong tinh thể cĩ thể sắp xếp thành ba vùng: vùng hĩa trị, vùng dẫn và vùng cấm. Ở nhiệt độ bình thường (nhiệt độ phịng) và trong trạng thái cơ bản các mức năng lượng khả dĩ ở vùng hĩa trị hồn tồn bị chiếm đầy bởi các electron, trong khi đĩ ở vùng dẫn cịn cĩ nhiều mức chưa đầy. Hình 1-4: Sơ đồ các quá trình dịch chuyển electron trong tinh thể vơ cơ. Khi một bức xạ hạt nhân đi vào bản nhấp nháy, lúc này do tương tác sẽ cĩ thể truyền năng lượng cho electron nào đĩ để nĩ nhảy từ vùng hĩa trị lên vùng dẫn (quá trình 1). Trong một tinh thể rịng, quá trình phát sáng tiếp theo cĩ thể xảy ra khi cĩ sự dịch chuyển ngược lại của electron từ trạng thái kích thích ở vùng dẫn về lỗ trống mà nĩ vừa giải phĩng trong vùng hĩa trị (quá trình 2). Rõ ràng đây là một quá trình chậm tìm kiếm lỗ trống, ngồi ra năng lượng của photon phát ra trong sự dịch chuyển này xác định bởi chiều rộng của vùng cấm mà phổ phát xạ chồng lên phổ hấp thụ. Trong thực tế, cĩ sự tồn tại một số tạp chất trong tinh thể tạo ra sự sai hỏng mạng tinh thể, sinh ra các mức địa phương, tạo thành những tâm tắt. Tại đây, các mức địa phương là các lỗ trống đối với các electron, do sự khuyếch tán gần tâm phát sáng các 19
  28. electron sẽ bị bắt bởi các lỗ trống này và năng lượng kích thích thừa sẽ phát ra dưới dạng photon ánh sáng (quá trình 3). Dịch chuyển electron này từ mức địa phương về vùng hĩa trị cĩ thể theo đường khơng phát sáng (quá trình 4). Photon phát ra trong quá trình 3 khơng bị hấp thụ trong bản tinh thể vì năng lượng của nĩ bé hơn bề rộng vùng -8 cấm. Quá trình 3 là quá trình phát sáng huỳnh quang với thời gian cỡ 10 giây, tức cỡ thời gian sống của trạng thái kích thích nguyên tử. Bên cạnh đĩ cịn cĩ những mức giả bền, các electron kích thích cĩ thể bị bắt giữ ở đây (quá trình 5) cho đến khi cĩ thể chuyển ngược về vùng dẫn (quá trình 6) nhờ thu thêm năng lượng do dao động nhiệt. Từ vùng dẫn electron cĩ thể trở về vùng hĩa trị theo quá trình 3 – 4 và phát photon, đây là quá trình lân quang. Các loại chất nhấp nháy vơ cơ:  NaI Chất nhấp nháy NaI hơn hẳn các chất nhấp nháy vơ cơ khác là đầu ra của ánh sáng gần như là tuyến tính với hầu hết các năng lượng quan trọng của các bức xạ đi vào bản nhấp nháy. Với nguyên tử số Z lớn, làm tăng hệ số khuyếch tán ngược các electron khoảng 80 – 90 % nên ít đươc làm dùng detector ghi electron. Nhưng do hệ số hấp thụ gamma phụ thuộc vào mật độ và nguyên tử số Z vì vậy rất thích hợp dùng làm detector ghi gamma. Nếu bố trí hình học tốt và kích thước lớn cĩ thể đạt hiệu suất ghi đến 90 - 100%. Đây là tinh thể tinh thể vơ cơ tốt nhất hiện nay dùng để ghi gamma, nhưng nhược điểm đáng kể của tinh thể NaI là tinh chất dễ hút nước, dẫn đến hạn chế khả năng ghi các bức xạ mềm và gây phiền phức trong việc bảo quản.  CsI(Tl) và CsI(Na) Hai tinh thể này kém hơn NaI(Tl) một chút nhưng bù lại khơng hút nước, dễ dàng cho việc bảo quản, cho nên cĩ tính phổ biến cao. Khả năng chịu sự rung động tốt hơn NaI(Tl) vì ít giịn hơn, ngồi ra dễ gia cơng theo các kích thước và hình dạng theo mục đích sử dụng.  LiI(Eu) Đây là tinh thể vơ cơ được dùng để ghi neutron chậm và neutron nhiệt nhưng là tinh thể vơ cơ kém nhất để ghi gamma.  BGO ( Bi4 Ge 3 O 12 ) 20
  29. Được tìm ra vào năm 1970, cĩ tính thương mại rất cao và được sử dụng rộng rãi, 3 do mật độ cao (7,3g/cm ) và nguyên tử số Z lớn (83) dẫn đến hiệu suất ghi gamma rất cao. Thế nhưng, đầu ra của ánh sáng ở nhiệt độ phịng rất thấp, khi nhiệt độ càng tăng thì đầu ra của áng sáng lại càng thấp hơn nữa, vì vậy khơng thích hợp trong việc ghi các bức xạ cho những khu vực nhiệt độ cao.  BaF2 BaF2 là một chầt nhấp nháy vơ cơ thuần khiết, nĩ gây được sự chú ý là do ứng dụng tiềm tàng trong những phép đo với thời gian nhanh.  ZS(AG) Cĩ hiệu suất biến đổi cao (20 – 25%) và hầu như khơng phụ thuộc vào bản chất hạt ghi. Chỉ cĩ thể chế tạo ZnS ở dạng các tinh thể kích thước rất nhỏ với chiều dày 2 khơng quá 50mg/cm . Do độ trong suốt kém với bức xạ riêng cho nên tinh thể này thường dùng trong dạng bột rất mịn để ghi các hạt ion hĩa quãng chạy ngắn. 1.4.2.3 Ống nhân quang điện  Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động: Các photon phát ra từ bản nhấp nháy đập vào photocathode của ống nhân quang điện (NQĐ) sẽ đánh bật các electron quang điện ra khỏi đĩ, dưới tác dụng của điện trường các electron này được tăng tốc rồi đập vào dynode thứ nhất. Từ dynode thứ nhất phát ra một số electron thứ cấp nhiều hơn số electron đập vào, quá trình này xảy ra liên tục trên các dynode thứ hai – thứ ba (khoảng từ 10 đến 20 dynode) cứ như vậy tới anode sẽ thu được một dịng electron rất lớn so với dịng phát ra từ photocathode. Cuối cùng, do tương tác của một hạt mang điện thì tín hiệu ánh sáng phát ra từ bản nhấp nháy đã biến thành một xung điện cĩ biên độ khá lớn ở lối ra của NQĐ.  Hệ thống dynode và hệ số khuếch đại Các electron phát ra từ cathode, nhờ một màn hội tụ (điện cực hội tụ) tập trung vào dynode thứ nhất. Điện thế từ dynode đầu đến dynode cuối tăng và được cung cấp bằng một nguồn điện xoay chiều vài kilovolt qua một bộ chia thế. Để hội tụ tốt các electron về dynode thứ nhất ở mặt trong của ống NQĐ trong vùng hội tụ phủ một lớp dẫn. 21
  30. Hình 1-5: Sơ đồ cấu tạo của ống nhân quang điện. Bề mặt của dynode thường phủ một lớp vật chất cĩ hệ số phát xạ thứ cấp lớn hơn đơn vị. Ngồi ra, người ta cịn phải chọn hiệu thế giữa các dynode ứng với giá trị cực đại của hệ số  . Giả sử ống NQĐ cĩ n dynode và hệ số thứ cấp lần lượt là 1, 2 n. Hệ số khuyếch đại M của ống NQĐ cĩ thể xác định như sau: M 12.  n Nếu điều kiện để phát xạ thứ cấp trên tất cả các dynode như nhau tức hiệu suất tụ electron từ photocathode đến dynode thứ nhất và từ dynode này đến dynode khác đều bằng 1 thì: 12  n M n Yêu cầu sử dụng detector trong phổ năng lượng hạt nhân địi hỏi hệ số khuếch đại phải rất ổn định. Sự ổn định này quyết định bởi nhiều yếu tố, trước hết là nhiệt độ mơi trường để tránh tác động từ trường bên ngồi nhất là khi nĩ thăng giáng. Ống NQĐ cần phải được bao bọc bởi lớp vỏ ngăn cản từ trường, và cuối cùng là sự thăng giáng điện thế nguồn nuơi, đây chính là nguyên nhân chủ yếu làm khơng ổn định hệ số khuếch đại. Vì vậy, phẩm chất của nguồn nuơi và bộ chia thế cĩ vai trị rất quan trọng. 22
  31. KẾT LUẬN CHƢƠNG I Từ việc tìm hiểu cơ sở lí luận của TN vật lí, chúng tơi nhận thấy TN vật lí cĩ vai trị rất quan trọng trong quá trình lĩnh hội tri thức của học sinh. Do vậy, chúng tơi đã nghiên cứu hai TN đã nêu và nhận thấy rằng các TN này cĩ thể đưa vào dạy thực tế vì những lí do sau đây: - Các bộ TN được kiểm chứng an tồn cho HS. - Nội dung của các bộ TN phù hợp với kiến thức các em đã được học. - Các bộ TN được xây dựng dựa trên những nguyên lí mà các em hồn tồn cĩ thể giải thích được dựa trên những kiến thức đã học. - Quá trình thực hiện TN cĩ thể rèn luyện kĩ năng thực thành, tạo nên một tư duy khoa học cho các em HS. Từ những cơ sở lí luận ở chương 2, chúng tơi xây dựng các bộ TN ứng dụng vào việc dạy học bài ―Phĩng xạ‖ với mong muốn cĩ thể khắc phục các quan niệm sai lầm đã nêu ở chương 1 cho học sinh. 23
  32. CHƢƠNG II. CẢI TIẾN VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC BÀI “PHĨNG XẠ” VẬT LÍ 12 2.1 Thí nghiệm “Buồng sƣơng Wilson” 2.1.1 Mục đích thí nghiệm - Dùng để quan sát được đường bay của các tia alpha, beta - Nhận biết được 1 số tính chất của tia phĩng xạ: khả năng đâm xuyên, ion hĩa mơi trường, 2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thí nghiệm 2.1.2.1 Cấu tạo thí nghiệm “Buồn sương Wilson” sử dụng đá khơ Buồng sương là bình kín chứa đầy hơi chất lỏng (cồn 99%) ở trạng thái bão hịa và khơng bị ngưng tụ. Nếu thời điểm nào cĩ tia phĩng xạ bay qua thể tích nĩi trên thì nĩ sẽ làm ion hĩa các phân tử khí xung quanh tạo nên nhiều hạt mang điện. Các phân tử khí (hơi cồn) sẽ ngưng tụ vào các hạt mang điện này và sẽ bắt đầu xuất hiện các giọt nước. Vết của hạt cĩ thể thấy được và cĩ thể ghi nhận lại vết này. [26],[27] 2.1.2.2 Nguyên lý hoạt động Các phân tử cồn là phân cực, cĩ thể coi nĩ như thanh nam châm nhỏ, với cực dương là hidro và cực âm là oxy. Khi một ion hay một hạt tích điện bay qua đám mây phân tử này thì các lưỡng cực chịu ảnh hưởng và bắt đầu di chuyển lại gần ion và xếp sát vào nhau hơn. Tạo thành một đường dọc theo đường đi của ion đĩ. [26],[27] Miếng đệm mút chứa cồn, được gắn vào bên thành hộp và cồn sẽ bay hơi khi nĩ được làm ấm ở nhiệt độ phịng. Khi đáy hộp được làm lạnh, sự chênh lệch nhiệt độ được tạo ra trong hộp. Hơi cồn khuếch tán xuống phía dưới (bề mặt lạnh). Trong khi đĩ, nhiều ion dương và ion âm được tạo ra dọc theo đường đi của tia alpha. Các phân tử khí ngưng tụ trên các ion tạo thành sương dọc theo vết hạt tích điện. [26],[27] 2.1.3 Cách chế tạo thí nghiệm 2.1.3.1 Nguyên-vật liệu [1] Hộp thủy tinh, miếng mica, cồn isopropyl 99%, mút, nguồn phĩng xạ tự nhiên (mẫu đất tự nhiên lấy từ Ninh Thuận), túi nilon đen, đèn pin, keo nến, súng bắn keo. 24
  33. Hình 2-1: Nguyên vật liệu để chế tạo ―Buồng sương Wilson‖ sử dụng đá khơ [1] 2.1.3.2 Tiến trình thí nghiệm [1] - Bước 1: Dán miếng nilon đen vào đáy hộp thủy tinh. - Bước 2: Dán miếng mút xung quanh thành hộp. - Bước 3: Dùng dao gọt bỏ phần phía trong của nắp đậy và gắn miếng mica vào thay (nếu nắp quan sát bị mờ). - Bước 4: Nhỏ cồn vào mút một lượng vừa đủ. Đĩng kín nắp vào hộp thủy tinh bên trong hộp cĩ chứa nguồn phĩng xạ. - Bước 5: Đặt hộp thủy tinh chứa cồn và nguồn phĩng xạ lên đá khơ trong vùng khơng gian tối. Đợi một thời gian sau đĩ dùng đèn pin để quan sát các vệt. 2.1.3.3 Nhận xét - Ưu điểm: + Dụng cụ TN dễ kiếm. + TN dễ thực hiện, cĩ thể hướng dẫn học sinh làm trên lớp. - Nhược điểm: + TN phụ thuộc vào đá khơ, nhưng trung bình 1 kg đá khơ chỉ tồn tại trong khoảng 12h ở nhiệt độ phịng, như vậy như cầu sử dụng buồng sương ở các ngày khác nhau thì cần phải cĩ nhiều kg đá khơ hơn. Việc này gây tốn nhiều chi phí. + Sử dụng đá khơ sẽ cĩ thể gây bỏng lạnh cho học sinh. 2.1.4 Cải tiến thí nghiệm Để khắc phục những nhược điểm trên, chúng em đã chọn sị nĩng lạnh làm nguồn lạnh để thực hiện TN với nguyên lý hoạt động gần như khơng đổi. 25
  34. Để cĩ thể tạo ra bề mặt lạnh trong hộp, chúng ta sẽ sử dụng sị nĩng lạnh. Khi được đặt ở đúng hiệu điện thế định mức, một đầu của sị sẽ lạnh và đầu cịn lại sẽ nĩng. Chúng ta sẽ đưa mặt lạnh vào bên trong hộp để cĩ thể giúp việc làm lạnh nhanh chĩng và hiệu quả hơn. Khi nhiệt độ của mặt nĩng của sị càng lớn thì hiệu quả làm việc càng kém và cĩ thể làm hỏng sị. Vì vậy, chúng ta phải tản nhiệt lượng từ mặt nĩng của sị đi thơng qua miếng nhơm tản nhiệt và nguồn lạnh. 2.1.4.1 Nguyên vật liệu 2 Sị nĩng lạnh 12V-57W (4cm x 4cm), dây điện, nguồn điện 12V, hộp thủy tinh, nhựa mica trong suốt, kéo, bao ni-lơng đen, keo nến, cồn 99,7%, đèn pin, băng keo đen, băng keo cách nhiệt, mút-xốp, nhơm tản nhiệt, keo tản nhiệt, thau nước, nguồn phịng xạ, keo silicon, phích cắm điện. Dụng Sị nĩng lạnh Dây điện Nguồn điện Hộp thủy tinh cụ Hình ảnh Dụng Nhựa Mica Nilon đen Keo nến Cồn 99,7% cụ Hình ảnh 26
  35. Dụn Đèn pin Băng keo đen Băng keo cách Nam châm g cụ nhiệt Hình ảnh Dụng Nhơm tản nhiệt Keo tản nhiệt Thau nước Nguồn phĩng xạ cụ Hình ảnh Dụng Keo silicon Kéo Phích cắm điện cụ Hình ảnh 2.1.4.2 Tiến trình chế tạo - Đo kích thước của sị và đường kính của khung nắp. - Cắt laze phần kính nika dày 2mm cĩ hình trịn với đường kính bằng với đường kính khung nắp đã đo. Ở giữa miếng kính sẽ cắt 2 ơ vuơng (4,07mm x 4,07mm) cách nhau 1 – 1,5cm. - Dán miếng kính vào khung nắp bằng keo silicon sao cho thật kín. 27
  36. - Nối các dây của sị vào các phích cắm và phân biệt rõ cực âm và cực dương (màu đỏ cực dương, màu đen cực âm). Hình 2-2: Sị nĩng lạnh đã được nối với phích cắm điện. - Gắn sị vào miếng kính Mica sao cho khi đĩng nắp thì mặt lạnh (mặt cĩ chữ) quay vào trong hộp và mặt nĩng của 2 sị nằm trên cùng một mặt phẳng của nhơm tản nhiệt. - Cho keo nến vào các khe hỡ giữa miếng kính và sị ở cả 2 mặt trong và ngồi. - Dùng băng keo cách nhiệt dán xung quanh bên ngồi và bên trong hộp thủy tinh. - Cắt nhỏ miếng mút- xốp và dán xung quanh trong hộp thủy tinh bằng keo nến. - Cắt bao ni-lơng đen thành hình trịn vừa với phần nắp. Để TN cĩ thể vận hành tốt và thành cơng thì buồng sương chúng ta tạo ra phải đảm bảo 2 yếu tố là kín và càng cách nhiệt với mơi trường bên ngồi càng tốt. Việc kín cĩ thể đảm bảo thể tích khí trong buồng là khơng thay đổi đảm bảo hiện tượng ngưng tụ xảy ra. Qua nhiều lần thực hiện TN, chúng tơi nhận ra rằng việc giữ sao cho độ chênh lệch nhiệt độ bên trong và bên ngồi buồng sương càng tốt thì TN xảy ra càng nhanh và các tia quan sát càng rõ ràng hơn. 2.1.4.3 Tiến trình thí nghiệm - Bước 1: Bơi keo tản nhiệt vào mặt nĩng của 2 sị nĩng lạnh và dính chúng vào miếng nhơm tản nhiệt. - Bước 2: Đặt miếng nhơm vào thau nước và đổ 10-20ml cồn vào phần nắp. 28
  37. - Bước 3: Đổ một lượng cồn vừa phải vào các miếng mút đã được dán ở hộp thủy tinh sao cho các miếng mút chứa đầy cồn nhưng khi úp ngược hộp lại, khơng cĩ cồn chảy ra. - Bước 4: Đặt miếng ni-lơng đen lên mặt lạnh của 2 con sị. Đặt nguồn phĩng xạ vào hộp thủy tinh và giữ bằng nam châm. - Bước 5: Úp ngược hộp thủy tinh lên nắp, đĩng chặt và đợi 2-3p để cồn bay hơi. - Bước 6: Đề bộ TN vào thau nước. Bỏ nước vào thau sao cho mực nước khơng được tràn vào sị. - Bước 7: Cắm phích của sị nĩng lạnh vào nguồn điện 12V sao cho đúng cực và bật điện. - Bước 8: Sau khi đợi khoảng 2-3 phút, tắt đèn trong phịng và dùng đèn pin chiếu vào xung quanh nguồn để quan sát. 2.1.4.5 Kết quả và nhận xét Vì khu vực gần mặt lành của sị nĩng lạnh là khu vực cĩ nhiệt độ thấp nhất. Nên các hạt sương xung quanh chỗ đĩ sẽ cĩ mật độ dày đặc hơn. Khi đã cĩ hiện tượng sương rơi, quan sát sẽ thấy những vệt phĩng xạ xung quanh nguồn ở chỗ gần nơi đặt sị nĩng lạnh rất rõ rệt. Hình 2-3: Các vệt tia phĩng xạ 29
  38. 2.2 Thí nghiệm “Khảo sát tính đâm xuyên của tia gamma” 2.2.1 Mục đích thí nghiệm - Hiểu được phơng bức xạ. - Khảo sát tính đâm xuyên của tia gamma qua từng vật liệu. 2.2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thí nghiệm 2.2.2.1 Cấu tạo Gồm cĩ hai phần chính là: Máy đếm và đầu dị NaI.  Máy đếm LUDLUM MODEL 2200 SCALER RATEMETER [15] Máy đếm đơn kênh Ludulum Model 2200 là thiết bị được dùng cho việc phân tích phổ năng lượng gamma cùng với detector nhấp nháy, ống đếm Geiger-Muller và ống đếm tỷ lệ. Số đếm được hiển thị trên đèn LED và máy cĩ thể kết nối với máy vi tính thơng qua cổng RS-232 và cĩ phần mềm xử lý kết quả đo. Hình 2-4: Mặt trước của máy đếm. Mặt trước của máy bao gồm: + Đèn đếm (count Lamp): số đếm hiện thị bằng đèn LED gồm cĩ 6 số. 30
  39. + Cơng tắc đếm (count Switch): để xĩa và khởi động đếm, quá trình đếm sẽ tự động tắc khi kết thúc thời gian đã đặt trước. + Thời gian đếm (count Time): thời gian sử dụng để đo với đơn vị là phút từ 0- 999 với cơng tắc chỉnh X0.1 và X1. + Số phút (MINUTES): cài đặt thời gian cĩ thể điều chỉnh bằng tay cĩ núm 3 số thập phân dùng để đặt trước thời gian đếm. + Cơng tắc chọn chức năng (Ratemeter Function Selector): cĩ 3 vị trí được cài đặt sẵn RATE, HV, BAT. Chức năng của cơng tắc này (RATE) là cho phép điều khiển tốc độ đếm của đồng hồ, HV cài đặt điện thế và BAT kiểm tra tình trạng làm việc của pin trên đồng hồ. + Ngưỡng (THRESHOLD): Là một nút được chia ra làm 10 vạch nhỏ với 10 vịng dùng đề lựa chọn xung phù hợp với thang đo. Thiết bị điều khiển này thì cĩ giá trị tăng từ thế từ 1.00 đến 10.00. Nếu dưới 1.00 thì sẽ bị ảnh hưởng của tiếng ồn hay nhiễu do đĩ sẽ khơng ghi nhận được xung một cách chính xác. + Cửa sổ (WINDOW): là một nút gồm cĩ 10 vạch giống như Threshold được sử dụng để điều chỉnh độ rộng cửa sổ. Nĩ được điều chỉnh ngưỡng sao cho một vịng quay của việc điều chỉnh cửa sổ tương đương với một vịng quay điều chỉnh ngưỡng. + Tắt mở (ON-OFF): là cơng tắc bằng nút, mở hoặc đĩng cửa sổ. + Đầu nối vào detector (Detector input connection): đầu nối đồng trục nối tiếp ―C‖. Nĩ là đầu điều chỉnh khơng cĩ chỉ số chỉ thị, cho phép chọn điểm làm việc mà khơng vượt ra khỏi mạch tuyến tính của mạch Threshold/ Window. + Cơng tắc nguồn (Power Switch): cơng tắc cĩ 3 vị trí: OFF: tắt nguồn. LINE: cung cấp điện cho nguồn từ 85- 265 V và tần số từ 50-60 Hz. BAT: cáp nguồn từ 4 pn loại ―D‖. DISCR: cĩ 1 với đồng hồ điện thế để thiết lập phạm vi ngưỡng cho điện thế. + Cơng tắc chọn khoảng (RANGE Selector Switch): cĩ 4 vị trí cơng tắc sắp xếp theo hệ số nhân của 10 là X1, X10, X100, X1K ứng với thang đo của số đếm từ 0-500 counts-per-minute(cpm), 0-5000, 0-50000, 0-500,000 cpm. + Cơng tắc ZERO (ZERO Switch): khi ấn vào nút cơng tắc thì tụ điện tích hợp phĩng điện để đưa đồng hồ đo về mức 0. 31
  40. + Nút Fast- Slow (F-S Response): cơng tắc với 2 vị trí chỉ thị để điều chỉnh ở mức độ nhanh ở vị trí ―F‖ đồng hồ sẽ chỉ từ 0 đến 90% tồn bộ thang đo trong 4 giây, cịn ở vị trí ―S‖ đồng hồ thang đo sẽ chỉ từ 0 đến 90% tồn bộ thang đo trong 22 giây. + HV (Cao thế): nút chỉnh gồm cĩ 10 vịng được chia làm 10 vạch điều chỉnh cao thế từ 200 V đến 2500 V.  ĐẦU DỊ NaI [15] Đầu dị NaI sử dụng cho việc đo bức xạ gamma cĩ năng lượng trong khoảng 60 keV - 2 MeV. Đầu dị bao gồm: tinh thể NaI đường kính 2‖ (5,1cm) bề dày 2‖ (5,1cm) được nối với ống nhân quang điện và được bao bọc bằng một lớp nhơm mỏng 0,062‖. Hình 2-5: Đầu dị nhấp nháy Model 44-10 Đầu dị NaI dùng để xác định độ nhạy, phân tích phổ năng lượng được sử dụng cho máy đếm đơn kênh.  BỘ NGUỒN CHUẨN [15] Hình 2-6:Bộ nguồn chuẩn Ở TN này chúng ta sẽ sử dụng 2 nguồn là 60Co và 137Cs 32
  41. Bảng 2-1: Thơng tin về nguồn phĩng xạ. Ngày sản Năng T1 Nguồn Hoạt độ xuất 2 Tia lƣợng (MeV) 01-2008 1.173; 60 Co 1Ci 5,27 năm  , 1.332 137 Cs 01-2008 30,2 năm , 0.662  HỘP CHÌ CHỨA NGUỒN [15] Gồm miếng đựng nguồn và ống chuẩn trực. Hình 2-7: Bộ chứa nguồn  CÁC LOẠI VẬT LIỆU CHE CHẮN Gồm 3 vật liệu: Nhựa, chì và giấy. Hình 2-8: Bộ vật liệu che chắn 2.2.2.2 Nguyên lý hoạt động 33
  42. Hình 2-9: Sơ đồ thí nghiệm ―Khảo sát tính chất đâm xuyên của tia gamma‖ Khi bức xạ đi qua mơi trường vật liệu nhấp nháy, nĩ sẽ kích thích hoặc ion hĩa các phân tử. Khi các phân tử trở về trạng thái cân bằng, các photon ánh sáng (tia UV hoặc ánh sáng vùng thấy được) được sinh ra. Vật liệu dẫn sáng ―dẫn‖ các photon ánh sáng vào ống nhân quang điện. Ống nhân quang điện tạo xung tín hiệu điện. Máy đếm nhận tín hiệu điện và hiển thị kết quả. 2.2.3 Các bước tiến hành thí nghiệm [15] - Bước 1: Đặt cửa sổ ON - OFF tại OFF. - Bước 2: Cài đặt thời gian 12 giây. Nút cơng tắc ở ―X0.1‖ và thời gian đo (MINUTES) ở ―002‖. - Bước 3: Lên cao thế ở 4.0 HV (tương đương 920 V). - Bước 4: Đặt ngưỡng (Threshold) tại 1.0. - Bước 5: Cửa sổ (Window) đĩng. - Bước 6: Đo phơng, ghi lại số đếm NB. - Bước 7: Đặt nguồn cách bề mặt detector 7-10 cm và tiến hành đo khơng mẫu. Ghi lại số đếm N0. - Bước 8: Đặt lần lượt từng miếng vật liệu vào và tiến hành đo. Ghi lại số đếm N. 2.3. Giáo án dạy học chuyên đề phĩng xạ 2.3.1 Mục tiêu  Kiến thức - Phát biểu được các định nghĩa phĩng xạ. - Viết được phản ứng phĩng xạ α, β+, β-, và phản ứng phát xạ γ. 34
  43. - Liệt kê được các đặc tính cơ bản của qúa trình phĩng xạ. - Trình bày được định luật phân rã phĩng xạ, định nghĩa được chu kỳ bán rã và hằng số phân rã. - Viết được hệ thức giữa hoạt độ phĩng xạ, hằng số phân rã và số lượng hạt nhân đang tồn tại.  Kỹ năng - Khắc phục được quan niệm sai lầm. - Tiến hành thành cơng TN ―Buồng sương Wilson‖ và ―Khảo sát tính đâm xuyên của tia gamma‖.  Thái độ - Học sinh hứng thú, nghiêm túc với mơn học thơng qua các TN mới lạ.  Năng lực mong đợi - Năng lực cơng nghệ. - Năng lực tìm hiểu tự nhiên và xã hội. 2.3.2 Phương pháp dạy học - Phương pháp đàm thoại. - Phương pháp giảng giải. 2.3.3 Phương tiện dạy học.  Giáo viên - Bài giảng power point. - Dụng cụ các TN ―Buồng sương Wilson‖ và ―Khảo sát tính đâm xuyên của tia gamma‖. - Phiếu học tập theo mẫu: Họ và tên : PHIẾU HỌC TẬP CHUYÊN ĐỀ: PHĨNG XẠ 1) Phĩng xạ Phĩng xạ là hiện tượng một số hạt nhân tự và phát ra các bức xạ hạt nhân. Các nguyên tử cĩ tính phĩng xạ gọi là phĩng xạ. a) Nguồn gốc phĩng xạ 35
  44. Phĩng xạ cĩ trong: b) Các loại tia phĩng xạ  Phĩng xạ : Bản chất là dịng các nguyên tử Heli Tia cĩ những tính chất sau: + Tia bị . trong từ trường, điện trường. + Tia cĩ khả năng các nguyên tử rất mạnh, do đĩ mất năng lượng rất nhanh. + Khả năng của tia rất kém và chỉ đi được . trong khơng khí.  Phĩng xạ  : Bản chất là dịng các .(  ) hoặc (  ) + Tia bị lệch trong điện trường và từ trường nhiều hơn tia . + Các tia cĩ khả năng ion hĩa mơi trường và đi được trong khơng khí + Được phĩng ra với vận tốc rất lớn (~ 100000km/h ) + Cĩ khả năng đâm xuyên tốt hơn tia  Phĩng xạ  : Bản chất là dịng các mang năng lượng cao. + Do khơng mang điện nên tia gamma khơng bị lệch trong điện trường và từ trường. + Tia gamma vẫn cĩ khả năng ion hĩa khơng khí. + Do khối lượng rất nhỏ, năng lượng cao nên tia cĩ khả năng .mạnh. c) Ứng dụng của phĩng xạ 2) Thí nghiệm “Khảo sát tính đâm xuyên của tia gamma” Mục đích thí nghiệm: . Nguồn sử dụng: Thời gian mỗi lần đo: . Số đo phơng: Kết quả đo: 36
  45. 1 tấm 2 tấm 4 tấm 8 tấm Chì Nhơm Nhựa Kết luận: Vật liệu che chắn tia phĩng xạ tốt nhất là 3) Thí nghiệm Buồng sƣơng Wilson Mục đích thí nghiệm: Dụng cụ thí nghiệm: Hiện tượng quan sát được: Quãng chạy của tia phĩng xạ: 2.3.4 Tiến trình dạy học Hoạt động 1 (20p): Tìm hiểu hiện tượng phĩng xạ. 37
  46. Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học Kiến thức cần đạt đƣợc sinh I. Phĩng xạ 1. Định nghĩa hiện tượng - Nêu định nghĩ về phĩng - ―Đồng vị của cùng phĩng xạ. xạ. một nguyên tố hĩa - Là hiện tượng một số hạt - Yêu cầu nhắc lại khái học là những nguyên nhân nguyên tử khơng bền tự niệm đồng vị trong hĩa tử cĩ cùng số proton biến đổi và phát ra các bức học. nhưng khác nhau về xạ hạt nhân. số notron.‖ - Các nguyên tử cĩ tính phĩng xạ gọi là đồng vị phĩng xạ. 2. Các dạng phĩng xạ. - Giới thiệu khái niệm - Nghe giảng, ghi Tia là dịng các hạt nhân đồng vị phĩng xạ. chép. 4 Heli ( 2 He) - GV nêu tính chất của Các tính chất của tia : các tia phĩng xạ. + Là dịng các hạt mang điện. + Cĩ khả năng ion hĩa mạnh. + Chỉ đi được vài cm trong khơng khí. + Khả năng đâm xuyên yếu.  Tia - là dịng các hạt 0 + electron 1 e . Tia  là dịng 0 các hạt poziton 1 e . Các tính chất của tia  : + Là dịng các hạt mang điện. + Cĩ khả năng ion hĩa. 38
  47. + Khả năng đâm xuyên mạnh hơn tia . + Đi được vài m trong khơng khí.  Tia  là các bức xạ điện từ cĩ bước sĩng vào khoảng 1010 1412mm . Các tính chất của tia : + Khả năng đâm xuyên rất mạnh. + Là dịng các hạt photon-> khơng mang điện. + Cĩ khả năng ion hĩa yếu. + Chuyển động với vận tốc ánh sáng. Hoạt động 2 (10p): Tìm hiểu về phĩng xạ nhân tạo và nguồn phĩng xạ. Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học Kiến thức cần đạt đƣợc sinh II . ĐỒNG VỊ PHĨNG XẠ - Giới thiệu 2 dạng phĩng NHÂN TẠO VÀ PHĨNG xạ: phĩng xạ nhân tạo và XẠ TỰ NHIÊN phĩng xạ tự nhiên. 1. Phĩng xạ nhân tạo - Giới thiệu về phĩng xạ - Lắng nghe - Định nghĩa: Phĩng xạ nhân nhân tạo. tạo là hiện tượng phĩng xạ sinh ra khi bắn phá các vật chất khơng phải đồng vị phĩng xạ bằng các nucleon. - Bằng phương pháp phĩng xạ nhân tạo người ta người ta cĩ thể tạo ra được các hạt 39
  48. nhân khác theo sơ đồ tổng quát sau: A 1 A 1 Z X 0 n Z X A 1 Z X là đồng vị phĩng xạ của X, các hạt nhân phĩng xạ A 1 X được gọi là các nguyên Z tử đánh dấu. 2. Phĩng xạ trong tự nhiên. - Giới thiệu phĩng xạ - HS lắng nghe - Phĩng xạ cĩ ở mọi nơi trong tự nhiên. trong Trái Đất hoặc ngồi vũ trụ. Rất nhiều những vật dụng quen thuộc thậm chí là nhu yếu phẩm đều chứa các chất phĩng xạ: + Từ mặt trời: Ước tính mỗi giây, Mặt Trời sản sinh ra năng lượng (do phản ứng nhiệt hạch) tương đương 1 tỉ tấn thuốc nổ. Chúng hầu hết bị cản lại bởi khí quyển bao quanh Trái đất, chỉ một phần nhỏ tới được Trái đất. Trên đỉnh núi cao hoặc bên ngồi máy bay, độ phĩng xạ lớn hơn nhiều so với ở mặt biển. + Thức ăn: Thức ăn mà chúng ta ăn hằng ngày như rau, thịt cĩ chứa một lượng đồng vị 40 K . + Trong các phịng khám 40
  49. bệnh viện. + Trong các phịng thí nghiệm hĩa chất. + - Nêu một số ứng dụng - Lắng nghe. 3) Ứng dụng của phĩng xạ của phĩng xạ trong một - Tìm sự rị rỉ, vết nứt trong số lĩnh vực. các sản phẩm. - Định tuổi các mẫu vật. - Khử trùng thiết bị. - Chiếu xạ thực phẩm. - Phát ra năng lượng từ đồng vị phĩng xạ ( Máy phát nhiệt đồng vị). - Chuẩn đốn và điều trị một số bệnh. - Tạo ảnh phĩng xạ. - Hoạt động 3 (25p): Tìm hiểu và quan sát thí nghiệm ống ―Khảo sát tính đâm xuyên của tia gamma‖. Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học Kiến thức cần đạt đƣợc sinh - Nêu tác hại của tia III) Thí nghiệm “Khảo sát Gamma: Gây ung thư, tính đâm xuyên của tia hủy diệt tế bào, và nhấn gamma” mạnh tính chất đâm - Lắng nghe. 1) Mục đích thí nghiệm xuyên của tia gamma. - Nhận biết được bức xạ - Dẫn dắt mục đích thí - Quan sát dụng cụ thí phơng. nghiệm ―Khảo sát tính nghiệm, ghi chép. - Kiểm nghiệm tính chất đâm xuyên của tia đâm xuyên của tia phĩng xạ gamma‖. qua từng loại vật liệu. - Giới thiệu dụng cụ thí - Tìm ra vật liệu che chắn 41
  50. nghiệm và các bước thực tia phĩng xạ tốt nhất. hiện thí nghiệm. 2) Dụng cụ thí nghiệm - Nguồn phĩng xạ. - Hộp chì chứa nguồn. - Đầu dị Natri – Iot. - Bộ đếm. - Các tấm vật liệu mỏng: bằng nhựa mica, bằng giấy, - Cho học sinh tiến hành bằng nhơm, bằng chì được thí nghiệm và nhân xét. dát mỏng sẵn 1mm. - Tiến hành thí 3) Nguyên lý hoạt động nghiệm và ghi lại kết Khi tia bức xạ đi vào mơi quả và rút ra kết luận. trường trong ống, sẽ kích thích các nguyên tử, phân tử cĩ trong ống. Khi nguyên tử, phân tử trong ống chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cân bằng, chúng sẽ phát ra các bức xạ điện từ với bước sĩng nằm trong vùng tia UV hoặc ánh sáng nhìn thấy được. Các photon này sẽ được các vật liệu dẫn sáng dẫn vào ống nhân quang điện. Ống nhân quang điện sẽ tạo xung tín hiệu điện cho máy đếm hiển thị. 4) Tiến hành thí nghiệm - B1: Tiến hành đo phơng 42
  51. nền, ghi lại số đếm. - B2: Đặt nguồn phĩng xạ vào bộ đựng nguồn và để cách đầu dị 10cm. - B3: Đặt 1 tấm vật liệu. Tiến hành đo cường độ phĩng xạ trong 12 giây và ghi lại số đếm. - B4: Sau đĩ đặt thêm các tấm vật liệu và đo tương tự đến khi số lượng vật liệu đủ theo bảng. - B5: Đổi vật liệu và làm tương tự từ bước 4. Hoạt động 4 (35p): Tìm hiểu thí nghiệm buồng sương Wilson. Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học Kiến thức cần đạt đƣợc sinh IV) Thí nghiệm Buồng - Giới thiệu lịch sử thí sƣơng Wilson nghiệm ―Buồng sương 1) Mục đích thí nghiệm Wilson‖ - Nhận biết, quan sát được - Giới thiệu dụng cụ TN dấu hiệu của tia phĩng xạ. và nguyên lý hoạt động 2) Dụng cụ thí nghiệm của thí nghiệm. - Sị nĩng lạnh 280W. - Đặt câu hỏi: Trong các - “Tia và tia  vì 2 - Hộp thủy tinh loại tia phĩng xạ mình đã loại này mang điện, cĩ - Nắp thủy tinh đã được dán học, tia nào dễ quan sát thể trở thành tâm kính nica. nhất? Vì sao? ngưng tụ.‖ - Nguồn 12V. - Cồn 99 độ. - Miếng mút sốp. - Băng keo cách nhiệt. 43
  52. - Miếng nhơm dẫn nhiệt. - Thau đựng nước. - Keo tản nhiệt. - Nguồn phĩng xạ. - Nam châm. - Miếng nilon đã được cắt sẵn. 3) Nguyên lý hoạt động - Khi cho miếng đệm mút cĩ cồn vào một hộp kín cĩ gắn sị nĩng lạnh. Cồn bốc hơi tạo thành hiện tương hơi bão hịa. Các phân tử cồn là phân cực, cĩ thể coi nĩ như thanh nam châm nhỏ. Khi một ion hay một hạt tích điện bay qua đám mây phân tử này thì các lưỡng cực chịu ảnh hưởng và bắt đầu di chuyển lại gần ion và xếp sát vào nhau hơn. Tạo thành một đường dọc theo đường đi của ion đĩ. - Thơng báo và giải thích 4) Các bƣớc tiến hành thí các bước tiến hành thí - Lắng nghe. nghiệm nghiệm: -Bước 1: Bơi keo tản nhiệt + B1: Bơi keo tản nhiệt vào mặt nĩng của 2 sị nĩng vào mặt nĩng của sị để lạnh và dính chúng vào dán vào miêng nhơm tản miếng nhơm tản nhiệt. nhiệt sẽ đảm bảo nhiệt độ - Bước 2: Đặt miếng nhơm truyền từ sị sang miếng vào thau nước và đổ 10- 44
  53. nhơm với hiệu suất cao. 20ml cồn vào phần nắp. Tránh trường hợp khơng - Bước 3: Đổ một lượng cồn truyền nhiệt được sẽ làm vừa phải vào các miếng mút sị cháy. đã được dán ở hộp thủy tinh + B2, B3: Chúng ta vừa sao cho các miếng mút chứa đổ cồn vào phần nằm và đầy cồn nhưng khi úp phần mút vì muốn tối đa ngược hộp lại, khơng cĩ cồn hĩa lượng cồn cĩ ở trong chảy ra. hộp. Khi đổ cồn vào nắp, - Bước 4: Đặt miếng ni-lơng tránh việc đổ cồn ngập sị đen lên mặt lạnh của 2 con sẽ làm hiệu suất làm lạnh sị và đặt nguồn phĩng xạ sẽ k cịn cao. vào hộp thủy tinh và giữ + B4: Vì các vệt tia phĩng bằng nam châm. xạ là rất nhỏ nên chúng ta - Bước 5: Úp ngược hộp sẽ quan sát chúng trên nền thủy tinh lên nắp và đợi 2- tối. Việc giữ nguồn phĩng 3p để cồn bay hơi. xạ bằng nam châm để - Bước 6: Bỏ nước vào thau nguồn khơng bị ướt và sao cho mực nước khơng tránh việc tia phĩng xạ được tràn vào sị và bật chìm xuống dưới nước. điện. + B6: Tránh việc đổ mực - Bước 7: Sau khi đợi nước tràn vào sị sẽ gây rị - HS tiến hành thí khoảng 2-3 phút, tắt đèn rỉ điện và hư sị. nghiệm. trong phịng và dùng đèn pin chiếu vào xung quanh - Cho học sinh tiến hành nguồn để quan sát. thí nghiệm và nhận xét, 5) Kết quả đánh giá kết quả thí - Quan sát được vệt tia nghiệm. phĩng xạ để lại. 45
  54. 2.3.5 Củng cố - Học sinh hồn thành phiếu khảo sát theo mẫu phụ lục. 46
  55. KẾT LUẬN CHƢƠNG II Dựa vào cơ sở lí luận ở chương I, chương II chúng tơi: - Cải tiến TN tự tạo ―Buồng sương Wilson‖. - Nghiên cứu, lựa chọn những kiến thức phù hợp trong TN ―Khảo sát tính đâm xuyên của tia Gamma‖ để xây dựng kế hoạch dạy học. - Xây dựng các hoạt động dạy học cụ thể để đạt được mục tiêu đề ra. Để kiểm chứng giả thuyết khoa học cho đề tài, chúng tơi đã tiến hành thực nghiệm sư phạm ở trường THTH với nội dung được thể hiện ở chương III. 47
  56. CHƢƠNG III. THỰC NGHIỆM SƢ PHẠM 3.1 Mục đích thực nghiệm sƣ phạm Chúng tơi tiến hành thực nghiệm sư phạm: ―Ứng dụng thí nghiệm vào dạy học chương Hạt nhân – Nguyên tử‖ nhằm: + Kiểm chứng giả thuyết khoa học đã đề ra. + Đánh giá hiệu quả việc sử dụng TN vật lí trong dạy học chương Hạt nhân – Nguyên tử. 3.2 Nhiệm vụ thực nghiệm sƣ phạm Trong quá trình TNSP chúng tơi thực hiện các nhiệm vụ sư phạm sau: + Lên kế hoạch TNSP. + Khảo sát quan niệm của học sinh lớp 12 về phĩng xạ tại trường Trung học Thực Hành ĐHSP. + Chuẩn bị các nội dung và thiết bị cần thiết phục vụ cho cơng tác TNSP. + Trao đổi với giáo viên hướng dẫn thực tập và nhĩm HS thực nghiệm về phương pháp và nội dung tiết học. + Lập các phiếu học tập cho HS trước khi học. + Triển khai dạy học theo tiến trình đã soạn thảo. + Ghi lại diễn biến các hoạt động của học sinh và giáo viên. + Ghi nhận quan niệm của học sinh sau tiết học. + Xử lý, phân tích so sánh kết quả và rút ra kết luận về hiệu quả của đề tài. 3.3 Đối tƣợng thực nghiệm sƣ phạm - Học sinh lớp 12.1 ở trường Trung học Thực hành ĐHSP TP.HCM. - Số lượng: 10 học sinh. 3.4 Phƣơng pháp thực nghiệm sƣ phạm - Xin phép giáo viên hướng dẫn và ban giám hiệu của trường về việc tổ chức TNSP. - Điều chỉnh các TN và giáo án để thực nghiệm trong 1 tiết học. - Từ kết quả thực nghiệm, chúng tơi đánh giá kết quả và thu thập những hạn chế cần phải chỉnh sửa. 48
  57. 3.5 Những thuận lợi và khĩ khăn gặp phải khi tiến hành thực nghiệm sƣ phạm 3.5.1 Thuận lợi - Ban giám hiệu nhà trường và giáo viên hướng dẫn đã tạo điều kiện cho học sinh tham gia. - Học sinh tham gia thực nghiệm năng động, tích cực. - Học sinh đã được học qua nội dung bài ―Phĩng xạ‖ nên khơng tốn nhiều thời gian tìm hiểu phần lý thuyết. 3.5.2 Khĩ khăn - Việc chuẩn bị thiết bị để tổ chức dạy học rất mất thời gian và cần sự hỗ trợ của nhiều người. - Thời gian cho tiết thực nghiệm ngắn (1 tiết) so với lượng kiến thức và TN. - Số lượng mẫu khảo sát chưa đủ độ tin cậy cho những kết luận. 3.6 Kế hoạch dự kiến TNSP - Ngày 1/6: Chọn lớp thực nghiệm và thời gian thực nghiệm. - Ngày 2/6-3/6: Chuẩn bị cho tiết thực nghiệm. - Ngày 4/6: Tiến hành tiết thực nghiệm cho 10 học sinh lớp đã chọn, thu thập mẫu khảo sát của các em học sinh. - Ngày 5/6: Tổng hợp, so sánh mẫu báo cáo và tổng kết. 3.7 Diễn biến thực nghiệm sƣ phạm  Giai đoạn 1: Chuẩn bị o Chuẩn bị tư liệu dạy học: GV chuẩn bị giáo án, mẫu phiếu học tập và bản khảo sát cho các em học sinh. o Chuẩn bị thiết bị dạy học: GV lên phịng TN trước để chuẩn bị các bộ phận đã gia cơng và điều chỉnh các thiết bị, cụ thể: - Thí nghiệm ―Buồng sương Wilson‖: + Hộp thủy tinh đã được dán keo cách nhiệt và mút. + Nắp thủy tinh đã được gắn 2 sị nĩng lạnh. Trong đĩ, sị nĩng lạnh đã được nối với phích cắm. + Nguồn điện 12V-575W + Nguồn phĩng xạ. + Nam châm. 49
  58. + Thau đựng nước và đá lạnh. - Thí nghiệm ―Khảo sát tính đâm xuyên của tia Gamma‖: + Bộ nguồn phĩng xạ. + Bộ vật liệu che chắn (chì, nhựa, giấy). + Bộ đựng nguồn. + GV chuẩn bị điều chỉnh trước máy đếm.  Giai đoạn 2: Tiến hành dạy học - Do thời lượng tiết học khơng như mong đợi nên chúng tơi đã rút gọn lại phần dạy học kiến thức với nội dung như sau: Bảng 3-1: Tĩm tắt tiến trình dạy học. Tên hoạt động Nội dung thực hiện Thời gian - Dạy học kiến thức về - GV dạy học khái niệm phĩng xạ, phĩng xạ. nguồn gốc phĩng xạ. - GV dạy học về các loại tia phĩng xạ 15 phút và các tính chất của các tia phĩng xạ. - GV giới thiệu về 2 thí nghiệm. - Thí nghiệm ―Khảo sát - GV hướng dẫn cách tiến hành thí tính đâm xuyên của tia nghiệm. 20 phút Gamma‖. - HS tiến hành thí nghiệm và thu thập kết quả, nhận xét và kết luận. - Thí nghiệm ―Buồng - GV lắp ráp thí nghiệm ―Buồng sương sương Wilson‖. Wilson‖. 10 phút - Học sinh quan sát và ghi lại kết quả. o Dạy học kiến thức về phĩng xạ - GV giảng dạy các kiến thức về phĩng xạ, trong đĩ nhấn mạnh về nguồn gốc của phĩng xạ. Nhận xét: Do đã được học kiến thức về phĩng xạ nên cĩ một số em khơng tập trung khi GV dạy phần ―Khái niệm phĩng xạ‖ và ―Các loại tia phĩng xạ‖. o Thí nghiệm “Khảo sát tính đâm xuyên của tia gamma”. 50
  59. - GV đặt vấn đề cần giải quyết: ―Tia gamma nguy hiểm khi tiếp xúc thường xuyên, vậy vật liệu nào phù hợp nhất trong việc che chắn các tia này?‖. - GV mơ tả thí nghiệm. - GV giải thích về phơng bức xạ. - GV hướng dẫn học sinh làm thí nghiệm. - GV chia lớp thành 2 nhĩm A và B để làm thí nghiệm. Hình 3-1: Giáo viên giới thiệu về thí nghiệm ―Khảo sát tính đâm xuyên của tia gamma‖. - GV cho học sinh tiến hành thí nghiệm, ghi lại dữ kiệu và báo cáo kết quả. - Khi cho HS tiến hành thí nghiệm chúng tơi nhận thấy các em cịn thắc mắc một số vấn đề sau: + Số đo trên máy đếm thay đổi nhiều sau những lần đo với cùng vật chắn. + Khi cho thêm vật chắn cùng loại thì số đếm lại cĩ trường hợp lớn hơn hoặc ngang bằng với kết quả ban đầu.  GV cĩ nhiệm vụ nhấn mạnh rõ tính ngẫu nhiên của hiện tượng phĩng xạ để giúp học sinh hiểu rõ hơn. 51
  60. Hình 3-2: Học sinh nhĩm A tiến hành thí nghiệm. Hình 3-3: Học sinh nhĩm B tiến hành thí nghiệm. Kết quả: Cả 2 nhĩm đều nhận thấy được chì là vật liệu che chắn tia gamma tốt nhất. Nhận xét: Khi theo dõi quá trình, chúng tơi nhận thấy các em rất hứng thú và tập trung với việc làm thí nghiệm. o Thí nghiệm “Buồng sương Wilson”. - GV giới thiệu về thí nghiệm. - GV nêu nguyên lý hoạt động của buồng sương. - GV nêu các bước thí nghiệm và giải thích. 52
  61. Hình 3-4: Giáo viên giới thiệu về thí nghiệm ―Buồng sương Wilson‖. - GV lắp ráp thí nghiệm cho học sinh quan sát. - Trong quá trình quan sát, học sinh cĩ một số câu hỏi như: + Tại sao phải phân biệt cực của sị nĩng lạnh? + Tại sao phải sử dụng đúng loại cồn 99,7%? + Sử dụng 1 sị nĩng lạnh cĩ ảnh hưởng gì đến thí nghiệm khơng? Hình 3-5: Giáo viên lắp ráp thí nghiệm ―Buồng sương Wilson‖ Nhận xét: Do GV đã chuẩn bị dụng cụ sẵn nên HS cĩ thắc mắc về cơng dụng của chúng. Tất cả các em đều rất hào hứng quan sát thí nghiệm. o Tiến hành khảo sát 53
  62. - Đối tượng khảo sát: 10 em học sinh lớp 12.1 tham gia buổi học và các em học sinh lớp 12.4 khơng tham gia buổi học thí nghiệm. - Nội dung khảo sát: theo mẫu phụ lục 1. 3.8 Kết quả khảo sát của lớp 12.1. Sau khi khảo sát và thơng kê, chúng tơi thu được kết quả như sau: Bảng 3-2: Kết quả khảo sát quan niệm của học sinh lớp 12.1 về phĩng xạ. Câu 1: Nguồn phĩng xạ Đồng ý Phân vân Khơng đồng ý 1. Phĩng xạ được phát ra từ lị phản 90% 10% 0% ứng hạt nhân, phịng thí nghiệm hạt nhân. 2. Phĩng xạ cĩ trong mơi trường tự 90% 10% 0% nhiên xung quanh chúng ta như đất đá, nước 3. Phĩng xạ được phát ra từ điện 100% 0% 0% thoại, laptop, wifi, lị vi sĩng 4. Tia alpha, tia beta, tia gamma là tia 90% 10% 0% phĩng xạ. 5. Tia tử ngoại, tia X(trong chụp X- 60% 10% 30% quang) là tia phĩng xạ. Câu 2: Ứng dụng của phĩng xạ Đồng ý Phân vân Khơng đồng ý 1. Phĩng xạ được ứng dụng trong nhà 90% 10% 0% máy điện hạt nhân, lị phản ứng hạt nhân. 2. Phĩng xạ được ứng dụng trong soi 70% 20% 10% chiếu hành lí, kiểm tra an ninh tại sân bay. 3. Xạ trị ung thư, điều trị bướu cổ hay 80% 10% 10% chẩn đốn các khối u trong cơ thể 4. Chiếu xạ thực phẩm diệt khuẩn. 60% 30% 10% 54
  63. 5. Định tuổi các vật liệu khảo cổ. 90% 10% 0% Câu 3: Tác hại của phĩng xạ Đồng ý Phân vân Khơng đồng ý 1. Phĩng xạ luơn rất nguy hiểm khi 70% 20% 10% tiếp xúc gần nguồn phĩng xạ. 2. Các bác sĩ làm việc ở phịng xạ trị 70% 30% 0% với tần suất lớn sẽ gây ung thư. 3. Phĩng xạ gây chết người ngay lập 0% 40% 60% tức khi vừa tiếp xúc với nguồn phĩng xạ. 4. Đồng vị phĩng xạ nhân tạo được 80% 10% 10% ứng dụng trong y học để khám, chữa bệnh. 5. Một trái táo đặt rất gần nguồn 80% 20% 0% phĩng xạ, trái táo đĩ bị nhiễm phĩng xạ. Từ kết quả khảo sát, ta cĩ thể thấy một số học sinh cịn mắc qua niệm sai lầm như: + 100% học sinh cho rằng phĩng xạ xuất phán từ điện thoại, laptop, wifi, lị vi sĩng, + 60% học sinh cho rằng tia tử ngoại, tia X (trong chụp X-quang) là tia phĩng xạ. + 70% học sinh cho rằng phĩng xạ ứng dụng trong soi chiếu hành lí, kiểm tra an ninh tại sân bay. + 70% học sinh cho rằng phĩng xạ luơn nguy hiểm khi tiếp xúc gần nguồn phĩng xạ. + 70% học sinh cho rằng các bác sĩ làm việc ở phịng xạ trị với tần suất lớn sẽ bị ung thư. + 80% học sinh cho rằng đặt trái táo gần nguồn phĩng xạ, trái táo đĩ sẽ bị nhiễm phĩng xạ. 55
  64. 3.9 Đánh giá kết quả TNSP Qua kết quả khảo sát, chúng tơi thấy vẫn cịn nhiều những quan niệm sai lầm mà các em chưa khắc phục được. Sau khi thực nghiệm sư phạm, các em chỉ khắc phục được quan niệm ―Phĩng xạ gây chết người ngay lập tức khi chạm vào.‖ (0% đồng ý của lớp 12.1 và 20% đồng ý của lớp 12.4). Bên cạnh đĩ, HS rất quan tâm và hứng thú với những TN hơn những kiến thức hàn lâm. Các TN VL tạo điều kiện cho các em vận dụng các kiến thức đã học để giải thích các hiện tượng mà các em quan sát được. Tuy nhiên, kết quả thực nghiệm chưa kiểm chứng được giả thuyết khoa học đã đề ra. Một số nguyên nhân dẫn đến việc thực nghiệm chưa hồn hảo như mong muốn: + Do tình hình dịch bệnh kéo dài, học sinh phải học gấp rút để chuẩn bị cho kì thi cuối năm nên số lượng học sinh cĩ thể xin được cho thực nghiệm quá ít. + Thời gian của tiết dạy học là 1 tiết, đã ngắn hơn so với dự kiến do đĩ các nội dung truyền đạt cho học sinh khơng được đảm bảo. Bên cạnh đĩ, chúng tơi vừa phải đảm bảo hoạt động dạy học và khảo sát đều chỉ diễn ra trong 1 tiết học nên học sinh khơng cĩ đủ thời gian để tập trung cho việc khảo sát. 56
  65. KẾT LUẬN CHƢƠNG III Sau khi xác định được mục đích, nội dung, đối tượng và tính trình TNSP, chúng tơi đã tiến hành TNSP theo quy trình đã đề ra. Để đánh giá chất lượng học tập của HS, chúng tơi đã tiến hành khảo sát theo mẫu phụ lục 1. Kết quả khảo sát cho thấy học sinh đã bước đầu khắc phục được một số quan niệm sai lầm. Như vậy, việc đưa TN VL vào chương ―Nguyên tử hạt nhân‖ nhằm nâng cao chất lượng dạy học và kích thích sự hứng thú tị mị, vận dụng các kiến thức đã học vào thực tiễn là khả thi. Các TN VL cịn giúp các em phát triển những kĩ năng sau: + Kĩ năng thực hành TN. + Kĩ năng giao tiếp. + Kĩ năng làm việc nhĩm. Mặc dù vậy, do thời gian và số lượng HS cịn ít nên chưa thể đi đến kết luận mang tinh tổng quát cao. Chúng tơi sẽ tiếp tục tiến hành nghiên cứu kĩ hơn. 57
  66. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Từ kết quả thu được của luận văn, đối chiếu với những vấn đề đã đặt ra, chúng tơi đã giải quyết được những vấn đề sau: - Phân tích và làm rõ được tầm quan trọng của TN trong dạy học VL. - Cải tiến thành cơng TNTT ―Buồng sương Wilson‖. - Dựa trên các cơ sở lí luận, chúng tơi đã xây dựng thành cơng tiết học TN VL. Do vấn đề thời gian và tình hình diễn biến phức tạp, quá trình thực nghiệm chỉ tiến hành tổ chức dạy học trên nhĩm nhỏ khoảng 10 HS nên chưa cĩ tính khái quát cao. Để việc sử dụng TN VL vào dạy học mang lại hiệu quả cao, chúng tơi cĩ một số kiến nghị: - Tăng số lượng đối tượng khảo sát và thực nghiệm để kết quả khảo sát cĩ độ tin cậy cao hơn. - Kéo dài thời gian thực nghiệm để đảm bảo các tiến trình dạy học. 58
  67. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1]: Trần Nguyễn Hồng Duy (2019), ―Chế tạo và sử dụng buồng sương Wilson trong dạy học bài ―phĩng xạ‖ vật lí 12‖, Luận văn tốt nghiệp, Trường ĐHSP TPHCM. [2]: Bộ Giáo dục và Đào tạo (2015), Lương Duyên Bình (Tổng chủ biên), Vật lí 12 (Ban cơ bản), NXB Giáo dục Việt Nam. [3]: Tơ Văn Bình (2002), Thí nghiệm Vật lí ở trường phổ thơng, Đại học Sư phạm Thái Nguyên. [4]: Nguyễn Đức Thâm (chủ biên) - Nguyễn Ngọc Hưng - Phạm Xuân Quế (2002), Phương pháp dạy học vật lí ở trường phổ thơng, Nxb Đại học Sư Phạm. [5]: Phạm Hữu Tịng (1999), Hình thành vận dụng các phương pháp nhận thức khoa học trong dạy học vật lí (Sách bồi dưỡng thường xuyên chu kỳ 1997-2000 cho giáo viên THPT), Bộ Giáo dục và Đào tạo, Nxb Giáo dục. [6]: Nguyễn Thanh Hải, Chuyên đề ―Sử dụng thí nghiệm và các phương tiện hiện đại trong dạy học vật lí‖, Khoa Cơ bản - trường ĐH Phạm Văn Đồng. [7]: Nguyễn Mạnh Hùng (2001), Phương pháp dạy học vật lí ở trường trung học phổ thơng, Khoa vật lí, Trường Đại học Sư phạm TPHCM. [8]: Lê Cao Phan (2006), Xây dựng và sử dụng các thí nghiệm vật lí tự làm nhằm tích cực hĩa hoạt động học tập của học sinh trung học cơ sở, Luận án tiến sĩ, Đại học Vinh. [9]: Nguyễn Hồng Anh (2015), Xây dựng và sử dụng thí nghiệm tự tạo theo hướng tích cực hĩa hoạt động nhận thức của hoạc sinh trong dạy học phần ―Cơ học‖ vật lí 12 nâng cao, Luận án tiến sĩ giáo dục học. [10]: Nguyễn Triệu Tú (2007), Ghi nhận và đo lường bức xạ, nhà xuất bản đại học quốc gia Hà Nội. [11]: Phạm Thị Mỹ Nhân (2014-2015), Phịng bong bĩng, cơng cụ phát hiện ra các hạt cơ bản, Đề tài tiểu luận, Khoa vật lí, Trường ĐHSP TPHCM. [12]: Vũ Anh Duy (2004), Khảo sát đặc trưng của Detector nhấp nháy NaI(Tl), Luận văn tốt nghiệp, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên. 59
  68. [13]: Trần Phong Dũng – Châu Văn Tạo – Nguyễn Hải Dương (2005), Phương pháp ghi bức xạ Ion hĩa, NXB Đại học Quốc gia Tp.Hồ chí Minh. [14]: Dương Minh Hồn Vũ, Khảo sát Detector nhấp nháy NaI(Tl), Khĩa luận tốt nghiệp, Trường ĐH Khoa Học Tự Nhiên. [15]: Tài liệu thực hành Hạt nhân, Trường ĐH Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh. [16]: Bộ giáo dục và đào tạo, Chương trình Giáo dục Phổ thơng 2006. [17]: Nguyễn Phương Khả Trân, Nghiên cứu những quan niệm sai lầm về phĩng xạ của học sinh, sinh viên, Luận văn tốt nghiệp, Trường Đại học Sư Phạm TP HCM. Tiếng Anh [18]: Neumann, S. (2014). Three Misconceptions About Radiation — And What We Teachers Can Do To Confront Them. American Association of Physics, 52, 357-359. doi: 10.1119/1.489309. [19]: Rego, F. & Pelarta, L. (2006). Portuguese students’ knowledge of radiation physics. Phys. Educ., 41(3), 259-262. [20]: Australian students' views on nuclear issues: Does teaching alter prior beliefs? [21]: Prospective Physics Teachers’ Awareness of Radiation and Radioactivity. [22]: Identifying and Resolving Problematic Student Reasoning About Ionizing Radiation. [23]: H. Hilscher [Red.]; unter Mitarbeit von: C. Berthold, D. Binzer, G. Braam, J. Haubrich, M. Herfert, H. Hilscher, J. Kraus, Ch. Mưller (2004): Physikalische Freihandexperimente.Kưln (Aulis - Verl. Deubner). [24]: H. Joachim Schlichting: Hands- on, Low- cost, Freihand – Experimente zwischen Alltag und Physikunterricht. In: Physik in der Schule. 38. Jg. (2000), H. 4, S. 255–259. [25]: H. Joachim Wilke: Experimente zum Selbstbauen. In Physik Journal.08 / 2004 Seite: 89. [26]: Zani (2016), ―Wilson Cloud Chamber‖ G. Dept. of Physics, Brown University, RI USA. [27]: Das Gupta, N. N.; Ghosh S. K. (1946). "A Report on the Wilson Cloud Chamber and its Applications in Physics". Reviews of Modern Physics. [28]: Frances Green (2015), Making a fish tank cloud chamber, University of Nottingham, UK. 60
  69. [29]: Masahiro Kamata and Miki Kubota (2015), Simple cloud chambers using gel ice packs, Tokyo Gakuger University, Japan. 61
  70. PHỤ LỤC 1 [17] Khảo sát quan niệm về phĩng xạ ở học sinh, sinh viên Xin chào các ban! Ngày nay, ''phĩng xạ" là một từ khĩa khá quen thuộc với chúng ta. Các bạn đã được tìm hiểu về phĩng xạ thơng qua chương 7 "Hạt nhân nguyên tử" ở chương trình Vật Lí lớp 12. Hiện nay chúng tơi đang rất cần những quan niệm của các bạn về phĩng xạ dựa trên những kiến thức mà các bạn đã được học để phục vụ cho bài luận của mình. Chúng tơi rất mong các bạn dành một ít thời gian để đĩng gĩp vào phiếu khảo sát này. Câu trả lời của quý các bạn rất quý giá đối với nghiên cứu của chúng tơi, giúp chúng tơi cĩ cơ sở để đánh giá cách hiểu của học sinh, sinh viên về phĩng xạ. Chúng tơi xin cam đoan chỉ sử dụng kết quả từ khảo sát vào mục đích nghiên cứu khoa học và giữ bí mật tuyệt đối thơng tin cá nhân của bạn. Tơi rất mong nhận được sự hợp tác từ các anh/chị. Xin chân thành cảm ơn! I. THƠNG TIN CHUNG Câu 1: Hiện nay bạn đang là: o Học sinh o Sinh viên khoa học tự nhiên o Sinh viên khoa học xã hội Câu 2: Bạn cĩ thích các mơn học tự nhiên (Tốn, Lý, Hĩa, Sinh) khơng? o Khơng o Cĩ II. THỰC TRẠNG HIỆN NAY Câu 1: Bạn đã học phĩng xạ hạt nhân ở chƣơng trình Vật Lí lớp 12 tại THPT, bạn cĩ thể cho biết các Thầy/Cơ đã sử dụng những hình thức nào sau đây để giảng dạy những kiến thức này? □ Sử dụng Tranh ảnh làm ví dụ minh họa. □ Sử dụng Video minh họa. □ Thuyết trình nhĩm cĩ sử dụng minh họa (tranh ảnh, video, mơ hình ) □ Học thơng qua lí thuyết và làm bài tập. 62
  71. Câu 2: Bạn đã từng nghe, đọc, hoặc biết đến phĩng xạ qua các nguồn thơng tin nào khác? □ Sách, Tài liệu khoa học. □ Báo chí. □ Internet. □ Tivi. □ Những người xung quanh. □ Khơng nghe/ khơng đọc bao giờ. □ Khác . III. KHẢO SÁT (Bạn hãy đánh giá mức độ về phĩng xạ) Câu 1: Nguồn phĩng xạ Đồng ý Phân vân Khơng đồng ý 1. Phĩng xạ được phát ra từ lị phản ứng hạt o o o nhân, phịng thí nghiệm hạt nhân. 2. Phĩng xạ cĩ trong mơi trường tự nhiên xung o o o quanh chúng ta như đất đá, nước 3. Phĩng xạ được phát ra từ điện thoại, laptop, o o o wifi, lị vi sĩng 4. Tia alpha, tia beta, tia gamma là tia phĩng o o o xạ. 5. Tia tử ngoại, tia X(trong chụp X-quang) là o o o tia phĩng xạ. Câu 2: Ứng dụng của phĩng xạ Đồng ý Phân vân Khơng đồng ý 1. Phĩng xạ được ứng dụng trong nhà máy điện o o o hạt nhân, lị phản ứng hạt nhân. 2. Phĩng xạ được ứng dụng trong soi chiếu o o o hành lí, kiểm tra an ninh tại sân bay. 3. Xạ trị ung thư, điều trị bướu cổ hay chẩn o o o đốn các khối u trong cơ thể 63
  72. 4. Chiếu xạ thực phẩm diệt khuẩn. o o o 5. Định tuổi các vật liệu khảo cổ. o o o Câu 3: Tác hại của phĩng xạ Đồng ý Phân vân Khơng đồng ý 1. Phĩng xạ luơn rất nguy hiểm khi tiếp xúc o o o gần nguồn phĩng xạ. 2. Các bác sĩ làm việc ở phịng xạ trị với tần o o o suất lớn sẽ gây ung thư. 3. Phĩng xạ gây chết người ngay lập tức khi o o o vừa tiếp xúc với nguồn phĩng xạ. 4. Đồng vị phĩng xạ nhân tạo được ứng dụng o o o trong y học để khám, chữa bệnh. 5. Một trái táo đặt rất gần nguồn phĩng xạ, trái táo đĩ bị nhiễm phĩng xạ. o o o Ý kiến khác về phĩng xạ: 64