Phương pháp và bài tập Vật lý lớp 12: Phần Vật lý hạt nhân

Phương pháp giải các dạng bài tập Vật Lý 12 – Phần: Vật lí hạt nhân<br /> <br /> A - PHẦN MỞ ĐẦU<br /> I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI.<br /> Hiện nay, khi mà hình thức thi trắc nghiệm khách quan được áp dụng trong các<br /> kì thi tốt nghiệp và tuyển sinh đại học, cao đẳng thì yêu cầu về việc nhận dạng để<br /> giải nhanh và tối ưu các câu trắc nghiệm, đặc biệt là các câu trắc nghiệm định lượng<br /> là rất cần thiết để có thể đạt được kết quả cao trong kì thi. Trong đề thi tuyển sinh<br /> ĐH và CĐ các năm gần đây môn Vật Lý có những câu trắc nghiệm định lượng khá<br /> khó mà các đề thi trước đó chưa có, nếu chưa gặp và chưa giải qua lần nào thì thí<br /> sinh khó mà giải nhanh và chính xác các câu này.<br /> Để giúp các em học sinh nhận dạng được các câu trắc nghiệm định lượng từ đó<br /> có thể giải nhanh và chính xác từng câu, tôi xin tập hợp ra đây các bài tập điển hình<br /> trong sách giáo khoa và trong các đề thi tốt nghiệp THPT, thi tuyển sinh ĐH – CĐ<br /> trong những năm qua và phân các câu trắc nghiệm này thành những dạng cơ bản từ<br /> đó đưa ra phương pháp giải cho từng dạng. Trong các năm học trước tôi đã trình<br /> bày đề tài này ở các chương: Dao động cơ học – Sóng cơ, sóng âm – Dòng điện<br /> xoay chiều – Dao động và sóng điện từ - Sóng ánh sáng – Lượng tử ánh sáng trong<br /> chương trình Vật lý 12 – Ban cơ bản và đã may mắn được HĐKH Sở GD&ĐT Tỉnh<br /> Bình Thuận thẩm định, đánh giá đạt giải. Tài liệu cũng đã được đưa lên một số<br /> trang web chuyên ngành như: thuvienvatly.com, violet.vn, ..., được khá nhiều thành<br /> viên tải về sử dụng và có những nhận xét tích cực. Vì vậy tôi xin viết tiếp chương<br /> cuối của chương trình Vật Lí 12 – Ban cơ bản: Hạt nhân nguyên tử. Hy vọng rằng<br /> tập tài liệu này giúp ích được một chút gì đó cho các quí đồng nghiệp trong quá<br /> trình giảng dạy và các em học sinh trong quá trình kiểm tra, thi cử.<br /> <br /> Nguyenvanthien2k@gmail.com<br /> <br /> Page 1<br /> <br /> Phương pháp giải các dạng bài tập Vật Lý 12 – Phần: Vật lí hạt nhân<br /> <br /> II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG<br /> 1) Đối tượng sử dụng đề tài:<br /> + Giáo viên dạy môn Vật lý lớp 12 tham khảo để hướng dẫn học sinh giải bài<br /> tập, đặc biệt là các giải các câu trắc nghiệm định lượng.<br /> + Học sinh học lớp 12 luyện tập để kiểm tra, thi môn Vật Lý.<br /> 2) Phạm vi áp dụng:<br /> Phần Vật lí hạt nhân trong chương trình Vật Lý 12 – Ban Cơ bản.<br /> III. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br /> Xác định đối tượng áp dụng đề tài.<br /> Tập hợp các câu trắc nghiệm định lượng trong các đề thi tốt nghiệp THPT, thi<br /> tuyển sinh ĐH – CĐ trong những năm qua (từ khi thực hiện chương trình mới) và<br /> phân các câu trắc nghiệm này thành các dạng bài tập cơ bản.<br /> Hệ thống các công thức, kiến thức liên quan và phương pháp giải cho từng<br /> dạng.<br /> Có hướng dẫn giải chi tiết các câu trắc nghiệm để các em học sinh có thể kiểm<br /> tra so sánh với bài giải của mình.<br /> <br /> Nguyenvanthien2k@gmail.com<br /> <br /> Page 2<br /> <br /> Phương pháp giải các dạng bài tập Vật Lý 12 – Phần: Vật lí hạt nhân<br /> <br /> B - NỘI DUNG<br /> I. Khối lượng, năng lượng của các hạt vi mô – Cấu tạo của hạt nhân nguyên tử<br /> * Công thức:<br /> + Khối lượng tương đối tính: m =<br /> <br /> + Năng lượng toàn phần: E = mc2 =<br /> <br /> m0<br /> v2<br /> 1 2<br /> c<br /> m0<br /> 1<br /> <br /> .<br /> <br /> 2<br /> <br /> c2.<br /> <br /> v<br /> c2<br /> <br /> + Năng lượng nghỉ: E0 = m0c2.<br /> + Động năng Wđ = E – E0 = mc2 – m0c2 =<br /> <br /> m0<br /> v2<br /> 1 2<br /> c<br /> <br /> c2 – m0c2.<br /> <br /> A<br /> <br /> + Hạt nhân Z X , có A nuclôn; Z prôtôn; N = (A – Z) nơtrôn.<br /> + Đơn vị khối lượng nguyên tử: 1u = 1,66055.10-27 kg = 931,5 MeV/c2.<br /> + Số Avôgađrô: NA = 6,022.1023mol-1.<br /> + Số hạt nhân trong m gam chất đơn nguyên tử: N =<br /> <br /> m<br /> NA .<br /> A<br /> <br /> * Phương pháp giải:<br /> Để tìm một số đại lượng liên quan đến khối lượng, năng lượng của các hạt vi mô,<br /> cấu tạo của hạt nhân nguyên tử, ta viết biểu thức liên hệ giữa những đại lượng đã<br /> cho và đại lượng cần tìm, từ đó suy ra và tính đại lượng cần tìm.<br /> * Một số câu trắc nghiệm định lượng minh họa:<br /> 1 (CĐ 2011). Một hạt đang chuyển động với tốc độ bằng 0,8 lần tốc độ ánh sáng trong<br /> chân không. Theo thuyết tương đối hẹp, động năng Wđ của hạt và năng lượng nghỉ E0 của<br /> nó liên hệ với nhau bởi hệ thức<br /> A. Wđ =<br /> <br /> 3E0<br /> .<br /> 2<br /> <br /> B. Wđ =<br /> <br /> 8 E0<br /> .<br /> 15<br /> <br /> C. Wđ =<br /> <br /> 2 E0<br /> .<br /> 3<br /> <br /> D. Wđ =<br /> <br /> 15 E0<br /> .<br /> 8<br /> <br /> 2 (CĐ 2012). Biết động năng tương đối tính của một hạt bằng năng lượng nghỉ của nó.<br /> Tốc độ của hạt này (tính theo tốc độ ánh sáng trong chân không c) bằng<br /> A.<br /> <br /> 1<br /> c.<br /> 2<br /> <br /> B.<br /> <br /> 2<br /> c.<br /> 2<br /> <br /> C.<br /> <br /> 3<br /> c.<br /> 2<br /> <br /> D.<br /> <br /> 3<br /> c.<br /> 4<br /> <br /> 3 (ĐH 2009). Một vật có khối lượng nghỉ 60 kg chuyển động với tốc độ 0,6c (c là tốc<br /> độ của ánh sáng trong chân không) thì khối lượng tương đối tính của nó là<br /> A. 100 kg.<br /> B. 80 kg.<br /> C. 75 kg.<br /> D. 60 kg.<br /> 4 (ĐH 2010). Một hạt có khối lượng nghỉ m0. Theo thuyết tương đối, động năng của<br /> hạt này khi chuyển động với tốc độ 0,6c (c là tốc độ ánh sáng trong chân không) là<br /> A. 1,25m0c2.<br /> B. 0,36m0c2.<br /> C. 0,25m0c2.<br /> D. 0,225m0c2.<br /> <br /> Nguyenvanthien2k@gmail.com<br /> <br /> Page 3<br /> <br /> Phương pháp giải các dạng bài tập Vật Lý 12 – Phần: Vật lí hạt nhân<br /> <br /> 5 (ĐH 2011). Theo thuyết tương đối, một electron có động năng bằng một nữa năng<br /> lượng nghỉ của nó thì electron này chuyển động với tốc độ bằng<br /> A. 2,41.108 m/s. B. 1,67.108 m/s.<br /> C. 2,24.108 m/s.<br /> D. 2,75.108 m/s.<br /> -27<br /> 8<br /> 6. Cho 1u = 1,66055.10 kg; c = 3.10 m/s; 1 eV = 1,6.10-19 J. Hạt prôtôn có khối<br /> lượng mp = 1,007276 u, thì có năng lượng nghỉ là<br /> A. 940,86 MeV. B. 980,48 MeV.<br /> C. 9,804 MeV.<br /> D. 94,08 MeV.<br /> 7. Một electron được gia tốc đến vận tốc v = 0,5c thì năng lượng sẽ tăng bao nhiêu %<br /> so với năng lượng nghỉ?<br /> A. 50%.<br /> B. 20%.<br /> C. 15,5%.<br /> D. 10%.<br /> 8. Một hạt sơ cấp có động năng lớn gấp 3 lần năng lượng nghỉ của nó. Tốc độ của hạt<br /> đó là<br /> A.<br /> <br /> 15<br /> c.<br /> 4<br /> <br /> B.<br /> <br /> 1<br /> c.<br /> 3<br /> <br /> C.<br /> <br /> 13<br /> c.<br /> 4<br /> <br /> D.<br /> <br /> 5<br /> c.<br /> 3<br /> <br /> 9 (CĐ 2009). Biết NA = 6,02.1023 mol-1. Trong 59,5 g 238 U có số nơtron xấp xỉ là<br /> 92<br /> 23<br /> 25<br /> 25<br /> A. 2,38.10 .<br /> B. 2,20.10 .<br /> C. 1,19.10 .<br /> D. 9,21.1024.<br /> 10. Biết số Avôgađrô là NA = 6,02.1023 hạt/mol và khối lượng của hạt nhân bằng số<br /> khối của nó. Số prôtôn trong 0,27 gam 27 Al là<br /> 13<br /> 22<br /> 22<br /> A. 9,826.10 .<br /> B. 8,826.10 .<br /> C. 7,826.1022.<br /> D. 6,826.1022.<br /> 11 (ĐH 2013). Một hạt có khối lượng nghỉ m0. Theo thuyết tương đối, khối lượng động<br /> (khối lượng tương đối tính) của hạt này khi chuyển động với tốc độ 0,6c (c là tốc độ<br /> ánh sáng trong chân không) là<br /> A. 1,75 m0.<br /> B. 1,25 m0.<br /> C. 0,36 m0.<br /> D. 0,25 m0.<br /> 12 (ĐH 2013). Một lò phản ứng phân hạch có công suất 200 MW. Cho rằng toàn bộ<br /> năng lượng mà lò phản ứng này sinh ra đều do sự phân hạch của 235U và đồng vị này<br /> chỉ bị tiêu hao bởi quá trình phân hạch. Coi mỗi năm có 365 ngày; mỗi phân hạch sinh<br /> ra 200 MeV; số A-vô-ga-đrô NA = 6,02.1023 mol-1. Khối lượng 235U mà lò phản ứng<br /> tiêu thụ trong 3 năm là<br /> A. 461,6 g.<br /> B. 461,6 kg.<br /> C. 230,8 kg.<br /> D. 230,8 g.<br /> * Đáp án: 1C. 2C. 3C. 4C. 5C. 6A. 7C. 8A. 9B. 10C. 11B. 12C.<br /> * Giải chi tiết:<br /> 1. Ta có: Wđ =<br /> <br /> m0<br /> 1<br /> <br /> 2. Ta có: Wđ =<br /> <br /> v2<br /> c2<br /> <br /> m0<br /> 1<br /> <br /> v2<br /> c2<br /> <br /> c2 - m0c2 = m0c2(<br /> <br /> 2<br /> 2<br /> 1<br /> - 1) = m0c2 = E0. Đáp án C.<br /> 3<br /> 3<br /> 0, 6<br /> <br /> c2 - m0c2 = m0c2 <br /> <br /> 1<br /> 1<br /> <br /> v2<br /> c2<br /> <br /> =21-<br /> <br /> 1<br /> 3<br /> v2<br /> = v=<br /> c.<br /> 2<br /> 4<br /> 2<br /> c<br /> <br /> Đáp án C.<br /> 3. Ta có: m =<br /> <br /> m0<br /> v2<br /> 1 2<br /> c<br /> <br /> =<br /> <br /> 60<br /> <br />  0, 6c <br /> 1<br /> <br /> 2<br /> <br /> = 75 (kg). Đáp án C.<br /> <br /> c2<br /> <br /> Nguyenvanthien2k@gmail.com<br /> <br /> Page 4<br /> <br /> Phương pháp giải các dạng bài tập Vật Lý 12 – Phần: Vật lí hạt nhân<br /> <br /> 4. Wđ =<br /> <br /> m0<br /> 1<br /> <br /> 2<br /> <br /> m0<br /> <br /> c2 - m0c2 =<br /> <br /> v<br /> c2<br /> <br /> 1<br /> <br />  0, 6c <br /> <br /> 2<br /> <br /> c2 - m0c2 = 0,25m0c2. Đáp án C.<br /> <br /> c2<br /> 1<br /> m0<br /> 5. Ta có: Wđ =<br /> c2 - m0c2 = m0c2 <br /> 2<br /> v2<br /> 1 2<br /> c<br /> <br /> v=<br /> <br /> 1<br /> 1<br /> <br /> v2<br /> c2<br /> <br /> =<br /> <br /> 3<br /> 4<br /> v2<br /> 1- 2 =<br /> 9<br /> 2<br /> c<br /> <br /> 5<br /> c = 2,24.108 m/s. Đáp án C.<br /> 3<br /> <br /> 6. Ta có: E0 = m0c2 = 15,05369.10-11 J = 940,86 MeV. Đáp án A.<br /> m0<br /> <br /> 7. Ta có: E = mc2 =<br /> <br /> 1<br /> <br /> 8. Ta có: Wđ =<br /> <br /> m0<br /> 1<br /> <br /> v2<br /> c2<br /> <br /> 2<br /> <br /> m0<br /> <br /> c2 =<br /> <br /> v<br /> c2<br /> <br /> 1<br /> <br /> (0,5c)<br /> c2<br /> <br /> 2<br /> <br /> c2 - m0c2 = 3m0c2 <br /> <br /> c2 = 1,1547m0c2. Đáp án C.<br /> <br /> 1<br /> 1<br /> <br /> v2<br /> c2<br /> <br /> =41-<br /> <br /> 1<br /> v2<br /> =<br /> v=<br /> 2<br /> 16<br /> c<br /> <br /> 15<br /> c.<br /> 4<br /> <br /> Đáp án A.<br /> m<br /> .NA.(A – Z) = 220.1023. Đáp án B.<br /> A<br /> m<br /> 10. Ta có: Np = .NA.Z = 0,7826.1023. Đáp án C.<br /> A<br /> m0<br /> m<br /> 11. Ta có: m =<br /> = 0 = 1,25 m0. Đáp án B.<br /> 2<br /> 0,8<br /> v<br /> 1 2<br /> c<br /> P.t 200.106.3.365.86400<br /> <br /> 12. Ta có: N =<br /> = 5913.1023;<br /> E<br /> 200.1,6.1013<br /> <br /> 9. Ta có: Nn =<br /> <br /> m=<br /> <br /> N . A 5913.1023.235<br /> <br /> = 230823 (g). Đáp án C.<br /> NA<br /> 6, 02.1023<br /> <br /> II. Năng lượng hạt nhân<br /> * Công thức:<br /> + Liên hệ giữa năng lượng và khối lượng: E = mc2.<br /> + Độ hụt khối của hạt nhân: m = Zmp + (A – Z)mn – mhn.<br /> + Năng lượng liên kết: Wlk = mc2.<br /> + Năng lượng liên kết riêng:  =<br /> <br /> Wlk<br /> . Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng càng lớn<br /> A<br /> <br /> thì càng bền vững (các hạt nhân nằm ở khoảng giữa của bảng tuần hoàn ứng với:<br /> 50 < A < 80 có năng lượng liên kết riêng cở 8,8 MeV là bền vững hơn cả).<br /> A<br /> A<br /> A<br /> A<br /> + Năng lượng tỏa ra hoặc thu vào trong phản ứng: Z 1 X1 + Z 1 X2  Z 1 X3 + Z 1 X4.<br /> 1<br /> 1<br /> 1<br /> 1<br /> - Khi mtrước = m1 + m2 > msau = m3 + m4: phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng.<br /> - Khi mtrước = m1 + m2 < msau = m3 + m4: phản ứng hạt nhân thu năng lượng.<br /> + Năng lượng tỏa ra hoặc thu vào trong phản ứng hạt nhân:<br /> <br /> Nguyenvanthien2k@gmail.com<br /> <br /> Page 5<br /> <br />