Sáng kiến kinh nghiệm Phương pháp giải nhanh bài toán phóng xạ trong chương trình Vật lý lớp 12

 BÁO CÁO KẾT QUẢ 
 NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG SÁNG KIẾN 
I. LỜI GIỚI THIỆU 
 Trong những năm gần đây Bộ GD - ĐT luôn chú trọng và tăng cƣờng đổi 
mới phƣơng pháp giảng dạy - học tập nhằm phát triển năng lực ngƣời học giúp 
ngƣời học chủ động trong việc tiếp nhận kiến thức và giúp ngƣời học có năng lực 
giải quyết vấn đề thực tiễn, có khả năng tự học và sáng tạo. Để thực hiện tốt mục 
tiêu trong bối cảnh khoa học kĩ thuật phát triển với tốc độ cự kì nhanh chóng, tạo ra 
khối lƣợng tri thức cần nắm bắt, vận dụng cực kì lớn, trong đó có cả những tri thức 
Vật lý. Ở trƣờng trung học phổ thông đòi hỏi ngƣời giáo viên phải tích cực và tiên 
phong trong việc đổi mới phƣơng pháp giảng dạy, giúp học sinh có phƣơng pháp 
học tập phù hợp nhằm tiếp thu và vận dụng kiến thức tốt nhất vào khoa học cũng 
nhƣ cuộc sống hàng ngày. 
 Đi cùng với công việc đổi mới phƣơng pháp giảng dạy là quá trình kiểm tra 
đánh giá phải đa dạng và phong phú phù hợp với đối tƣợng và ngƣời học. Hình 
thức thi trắc nghiệm khách quan vẫn đƣợc triển khai và áp dụng rộng rãi do tính ƣu 
việt của nó nhất là giai đoạn hiện nay, đó là sự lựa chọn cần thiết và đang đƣợc 
khuyến khích trong các kì thi, kiểm tra đánh giá trên lớp, đặc biệt là kì thi trung học 
phổ thông Quốc gia và một số kì thi tuyển sinh vào lớp 10, thi học sinh giỏi cấp 
tỉnh. 
 Trong những năm qua Bộ GD - ĐT vẫn duy trì hình thức thi trắc nghiệm 
khách quan với một lựa chọn đúng đã đem lại sự đổi mới mạnh mẽ trong việc giảng 
dạy và học tập của giáo viên cũng nhƣ của học sinh các cấp. Tuy nhiên trong thời 
gian thực thế giảng dạy ở trƣờng THPT, giảng dạy các lớp chuyên đề ôn thi THPT 
Quốc gia để đạt hiệu quả cao trong việc tiếp nhận kiến thức cũng nhƣ việc làm các 
bài thi thì phần Vật lý hạt nhân, cụ thể là bài toán phóng xạ hạt nhân bản thân tôi 
nhận thấy có một số vấn đề sau: 
 Đối với giáo viên giảng dạy và cả học sinh khi tiếp cận kiến thức phần này 
không thấy khó khăn so với các chƣơng về dao động điều hòa hay chƣơng dòng 
điện xoay chiều, tuy nhiên không khó khăn nhƣng không dễ lấy điểm trong các kì 
thi THPT Quốc gia. 
 Để tháo gỡ những khó khăn trên, bằng những kinh nghiệm thực tế đã giảng 
dạy: Hệ thống các kiến thức cơ bản, trọng tâm, tập trung hƣớng dẫn chi tiết phƣơng 
pháp làm các dạng bài tập để hiểu bản chất, những bí quyết tránh đƣợc những sai 
lầm, sau đó rút ngắn gọn thành những phƣơng pháp giải nhanh, những công thức 
giải nhanh dễ vận dụng và dễ học, khi làm bài học sinh rất hào hứng thay vì phải 
 1 
 Vật lý ở trƣờng THPT nói chung hay trực tiếp giảng dạy bài toán phóng xạ của Vật 
lý lớp 12 nói riêng tham khảo và trao đổi chuyên môn. 
7.2. Nhiệm vụ nghiên cứu sáng kiến 
 Nghiên cứu thực trạng giảng dạy và học tập của giáo viên, học sinh về bài 
toán phóng xạ chuẩn bị cho kì thi THPT Quốc gia. 
 Nghiên cứu một số vấn đề lý luận về bài toán Vật lý hạt nhân trong chƣơng 
trình Vật lý THPT. 
 Ứng dụng giải nhanh một số bài toán về phóng xạ hạt nhân trong chƣơng 
trình Vật lý lớp 12. 
 Xác định cơ sở lý thuyết, hệ thống hóa kiến thức cho học sinh, nhấn mạnh 
kiến thức trọng tâm cho học sinh khi học về phóng xạ hạt nhân của chƣơng trình 
Vật lý lớp 12. 
 Thực nghiệm sƣ phạm nhằm kiểm tra hiệu quả của sáng kiến. 
7.3. Đối tượng và khách thể sáng kiến nghiện cứu 
 Đối tƣợng nghiên cứu của sáng kiến kinh nghiệm là học sinh lớp 12 trƣờng 
THPT Xuân Hòa, thành phố Phúc Yên, tỉnh Vĩnh Phúc đăng kí thi THPT Quốc gia 
và xét tuyển đại học môn Vật lý. 
 Khách thể nghiện cứu: Quá trình giảng dạy và học tập môn Vật lý lớp 12 
trƣờng THPT. 
7.4. Phạm vi nghiên cứu của sáng kiến kinh nghiệm 
 Hoạt động giảng dạy và học tập chuyên đề môn Vật lý lớp 12 ở trƣờng 
THPT để chuẩn bị cho kì thi THPT Quốc gia và xét tuyển vào các trƣờng Đại học, 
Cao đẳng. 
 Phạm vi thực nghiệm sƣ phạm giới hạn ở trƣờng THPT Xuân Hòa, thành phố 
Phúc Yên, tỉnh Vĩnh Phúc. 
7.5. Phương pháp nghiên cứu của sáng kiến 
 Nghiên cứu lý thuyết 
 Nghiên cứu những tài liệu, tƣ liệu liên quan làm cơ sở lý luận cho đề tài. 
 Nghiên cứu chƣơng trình, SGK Vật lý 12 và các tài liệu khoa học, sách báo, 
tạp chí Vật lý, sách bồi dƣỡng cho học sinh giỏi, học sinh ôn tập chuẩn bị thi THPT 
Quốc gia có liên quan đến kiến thức dạy và học môn Vật lý lớp 12, đặc biệt phần 
phóng xạ hạt nhân. 
 Phương pháp điều tra 
 Thực hiện tại trƣờng THPT Xuân Hòa, thành phố Phúc Yên, tỉnh Vĩnh Phúc 
để thu thập các thông tin cần thiết về thực trạng giảng dạy và học tập phần Vật lý 
hạt nhân, cụ thể là bài toán phóng xạ trong chƣơng trình Vật lý THPT của giáo viên 
 3 
 Nhằm phát huy tính tự giác của học sinh trong quá trình học tập, kích thích 
sự ham học của học sinh từ đó giúp giáo viên củng cố, khích lệ tinh thần học tập, 
lòng say mê tìm hiểu những kiến thức về môn học Vật lý. 
7.7. Cơ sở lý luận và thực tiễn của sáng kiến 
7.7.1. Thực trạng trước khi nghiên cứu vấn đề 
 Trong những năm trở lại đây, việc giảng dạy của giáo viên và học tập của 
học sinh cũng nhƣ công tác kiểm tra đánh giá môn Vật lý trong trƣờng THPT nói 
chung và trƣờng THPT Xuân Hòa nói riêng đã có rất nhiều chuyển biến theo hƣớng 
tích cực. Tuy nhiên việc giảng dạy, học tập và hình thức kiểm tra trắc nghiệm còn 
một số băn khoăn, vƣớng mắc nhƣ sau: 
 + Với giáo viên, những định hƣớng đổi mới phƣơng pháp giảng dạy theo 
hƣớng tích cực hóa hoạt động ngƣời học diễn ra thƣờng máy móc, thực hiện chƣa 
triệt để và không linh hoạt. Đặc biệt các môn học thực nghiệm chƣa thực sự tận 
dụng các trang thiết bị hoặc ứng dụng công nghệ thông tin vào giảng dạy 
 + Với học sinh tiếp cận kiến thức và tƣ duy bài toán thiếu logich, hiểu hiện 
tƣợng, bản chất sơ sài, học sinh thƣờng ngại với những bài toán trắc nghiệm dài và 
khó. Khi làm những bài tập này thƣờng đoán kết quả dẫn đến sai lầm phổ biến. 
 + Học sinh thƣờng học thuộc các công thức mà xem nhẹ bản chất hiện tƣợng 
cũng nhƣ các ứng dụng trong khoa học kĩ thuật hay đời sống hàng ngày. 
 + Học sinh rất ngại thực hiện tính nhẩm với những phép tính đơn giản mà 
hoàn toàn ỷ lại vào máy tính, làm cho việc thực hiện các bài toán trắc nghiệm phần 
nào giảm tốc độ, thời gian làm bài sẽ lâu hơn. 
 + Khả năng tích hợp các môn học vào môn Vật lý chƣa cao, học sinh huy 
động kiến thức các môn Toán học, Hóa học còn chậm và nhầm lẫn. 
 + Trong các đề thi THPT Quốc gia, số lƣợng câu hỏi phần Vật lý hạt nhân 
chiếm tƣơng đối, đặc biệt luôn có các câu hỏi thuộc phần phóng xạ hạt nhân. 
 Trên đây là một số vấn đề nổi cộm trong thực tế ở trƣờng THPT khi giáo 
viên giảng dạy, học sinh học tập môn Vật lý nói chung và phần phóng xạ lớp 12 nói 
riêng. 
7.7.2. Yêu cầu cần đạt về kiến thức, kỹ năng, năng lực cần phát triển của 
phương pháp giải nhanh bài toán phóng xạ trong chương trình Vật lý lớp 12 
 Kiến thức: 
 Nêu đƣợc cấu tạo của hạt nhân nguyên tử. 
 Nêu đƣợc đặc điểm các tia phóng xạ. 
 Phát biểu đƣợc hiện tƣợng phóng xạ và đặc điểm của hiện tƣợng phóng xạ. 
 5 
 Phần kiến thức Vật lý 12 tuy khó nhƣng lại có tính thực tế và kích thích đƣợc trí tò 
mò, bản tính ƣa khám phá của HS. 
 Sở Giáo dục và đào tạo Vĩnh phúc cùng nhà trƣờng luôn quan tâm, không 
ngừng đầu tƣ trang thiết bị giảng dạy, tổ chức các buổi tập huấn và sinh hoạt 
chuyên môn thƣờng xuyên trong nhóm GV giảng dạy môn Vật lý của trƣờng THPT 
xuân hòa và nhóm GV viên Vật lý của các trƣờng bạn trên địa bàn thành phố Phúc 
Yên và Tỉnh Vĩnh Phúc. 
 Phần lớn học sinh có ý thức học tập, có hứng thú tìm hiểu môn Vật lý. 
 Khó khăn: 
 Trên thực tế, thiết bị dạy học môn Vật lý hiện nay đơn giản, tính thực tiễn, 
ứng dụng chƣa cao, chƣa sát với thực tế... giáo viên khó khăn trong quá trình giảng 
dạy cũng nhƣ chƣa đủ để tạo nhiều hứng thú học tập cho học sinh. 
 Một số học sinh chƣa tích cực trong học tập, chƣa thực sự tìm tòi, suy nghĩ, 
nghiên cứu để phát hiện kiến thức mới, ứng dụng kiến thức cũ. 
 Mặt khác chất lƣợng học sinh không đồng đều, nhiều học sinh chƣa chú tâm 
học tập, chƣa học bài cũ và chuẩn bị bài trƣớc ở nhà. 
 Yêu cầu của chƣơng trình đối với học sinh lớp 12 THPT tƣơng đối nặng, Đòi 
hỏi HS phải đầu tƣ nhiều thời gian và trí lực. 
7.7.4. Cơ sở lý thuyết về phóng xạ hạt nhân 
I. Cấu tạo hạt nhân 
1.1. Cấu tạo hạt nhân 
 Hạt nhân của nguyên tử mang điện tích dƣơng, đƣợc cấu tạo từ những hạt 
nhỏ hơn gọi là các Nuclon. 
 Có hai loại Nuclon là Proton và nơtron. 
 + Proton kí hiệu là p có điện tích và khối lƣợng là 
 27
 qpp e,m 1,007276u 1,672.10 kg. 
 + Nơtron kí hiệu là n có điện tích và khối lƣợng là 
 27
 qnn 0,m 1,008665u 1,674.10 kg. 
 Trong đó u là đơn vị khối lƣợng nguyên tử, với 1u 1,66055.10 27 kg. 
 A
 Hạt nhân nguyên tố X có số khối A, số thứ tự Z kí hiệu là Z X , với A là tổng 
 1 4 27
số Nuclon trong hạt nhân. Ví dụ: 1H, 2 He, 13 Al... 
1.2. Đồng vị 
 Đồng vị là những nguyên tử mà hạt nhân có chứa cùng số Proton Z nhƣng 
khác số Nơtron. 
 7 
 Phóng xạ γ không có sự biến đổi hạt nhân, chỉ có sự thay đổi trạng thái kích 
thích của hạt nhân. 
 2.3. Định luật phóng xạ 
 Trong quá trình phân rã, số hạt nhân phóng xạ giảm theo thời gian theo định 
luật hàm mũ với số mũ âm. 
 Các công thức biểu thị định luật phóng xạ: 
 t t
 T t T t
 Nt N o .2 N o .e mt m o .2 m o .e 
 Trong đó: 
No, Nt: Số hạt nhân tại thời điểm ban đầu và thời điểm t khảo sát. 
mo, mt: Khối lƣợng hạt nhân tại thời điểm ban đầu và thời điểm t khảo sát. 
 ln 2 0,693
  gọi là hằng số phóng xạ, đặc trƣng cho từng chất phóng xạ. 
 TT
T gọi là chu kì bán rã, cứ sau mỗi chu kì bán rã thì số lƣợng hạt nhân của chất 
phóng xạ còn lại 50% ( 50% số lƣợng hạt nhân bị phân rã) 
III. Phản ứng hạt nhân 
3.1. Phản ứng hạt nhân 
 Phản ứng hạt nhân là mọi quá trình dẫn đến sự biến đổi hạt nhân 
 A1 A2 A3 A4
 Z1XXXX 1Z2 2 Z3 3 Z4 4 
 A1 A2 A3 A4
 Hay Z1ABCD Z2 Z3 Z4 
 Phản ứng hạt nhân thƣờng đƣợc chia thành hai loại: 
 + Phản ứng hạt nhân tự phân rã một hạt nhân không bền vững thành các hạt 
khác. 
 + Phản ứng trong đó các hạt nhân tƣơng tác với nhau, dẫn đến sự biến đổi 
chúng thành các hạt khác 
 Phản ứng hạt nhân tổng quát: ABCD 
 Trƣờng hợp phóng xạ: ABC 
3.2. Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân 
 Định luật bảo toàn số khối: Trong phản ứng hạt nhân, tổng số nuclon của các 
hạt tƣơng tác bằng tổng số nuclon của các hạt sản phẩm. 
 AAAA1 2 3 4 
 Định luật bảo toàn điện tích: Tổng đại số điện tích của các hạt tƣơng tác bằng 
tổng đại số các điện tích của các hạt sản phẩm. 
 ZZZZ1 2 3 4 
7.8. Bài học kinh nghiệm về phương pháp giải nhanh bài toán phóng xạ trong 
chương trình Vật lý lớp 12 
 9 
 Cách giải thông thường 
Số nguyên tử Po ban đầu: 
 m .N 0,21.6,02.1023
 N oA 6,02.1020 . 
 o A 210
Số nguyên tử còn lại sau 414 ngày đêm: 
 NN6,02.1020
 N oo 7,525.1019 . 
 t t 2233
 2T
Số nguyên tử bị phân rã sau 414 ngày đêm: 
 19
 N No N 52,675.10 . 
Cách giải nhanh 
Số nguyên tử bị phân rã sau 414 ngày đêm: 
 m .N 1 0,21.6,02.1023 1
 N oA (1 ) (1 ) 52,675.1019 . 
 At 210 414
 2T2 138
Bài 2: Đồng vị phóng xạ của một chất phóng xạ tia β- có chu kỳ bán rã là 20 ngày. 
Xác định phần trăm chất đó bị phân rã trong 100 ngày? 
 Hướng dẫn giải 
Cách giải thông thường 
 t.ln2
 T
Lƣợng chất phóng xạ còn lại sau 100 ngày: m mo .e 
 t.ln2
 T
Lƣợng chất phóng xạ đã bị phân rã sau 100 ngày: m moo m m (1 e ) 
Phần trăm chất phóng xạ bị phân rã trong 100 ngày: 
 t.ln 2 100.ln 2
 m T 20
 (1 e ).100% (1 e ).100% 96,875% 
 mo
Cách giải nhanh 
Phần trăm chất phóng xạ bị phân rã trong 100 ngày: 
 t.ln 2 100.ln 2
 m T 20
 (1 e ).100% (1 e ).100% 96,875% 
 mo
 224 A
Bài 3: Hạt nhân 88 Ra phóng xạ hạt α, phôtôn γ và tạo thành Z Rn.Một nguồn phóng 
xạ có khối lƣợng ban đầu là mo sau 14,8 ngày khối lƣợng của nguồn còn lại là 
 23 -1
4,48g. Biết chu kỳ phóng xạ của là 3,7 ngày, NA= 6,02.10 mol . Xác định 
 a) Khối lƣợng hạt nhân ban đầu mo? 
 b) Số hạt nhân đã bị phân rã? 
 c) Khối lƣợng đã bị phân rã? 
 Hướng dẫn giải 
 11