SKKN Sử dụng phần mềm Matlab để thiết kế thí nghiệm mô phỏng cho quá trình γ + γ → e - + e + môn Vật lý 12 nâng cao

Mục lục
Mở đầu
Lý do chọn đề tài
Nguyên tử luận của Đêmôcrit ra đời từ thế kỷ V TCN, vậy mà phải tới cuối thế kỷ XIX nó mới được kiểm tra, khẳng định và phát triển. Thuyết tương đối hẹp của Anhxtanh và vật lý học các hạt cơ bản đã cho phép giải thích sự chậm trễ 25 thế kỷ đó. Nếu có nhiều vi hạt kết hợp với nhau để tạo thành một vi hạt lớn hơn thì vi hạt lớn này phải có môt năng lượng = ∆m.c2 .Để nghiên cứu cấu trúc của vi hạt lớn thì phải áp dụng phương pháp của Rơdơpho: Dùng một vi hạt khác có động năng lớn hơn làm “viên đạn” để bắn vào vi hạt lớn, phá vỡ nó và giải phóng các vi hạt thành phần, các vi hạt này là các hạt cơ bản. Nhiều hạt cơ bản không xuất hiện hay tồn tại lâu trong tự nhiên, khả năng nghiên cứu thế giới vô cùng nhỏ này tùy thuộc vào khả năng tạo ra những chùm vi hạt có năng lượng rất lớn đò hỏi các nhà vật lý phải dùng đến các máy gia tốc, các siêu máy tính với những phần mền chuyên dụng. Do đó ngành này còn được gọi là “vật lý năng lượng cao”.
Vì cần đến năng lượng cao và sử dụng công nghệ hiện đại nên nó là một vấn đề khó tiếp cận một cách trực quan đối với người học đặc biệt là học sinh phổ thông.
Không thể quan sát thông thường, không thể làm thí nghiệm trong nhà trường đó là một rào cản lớn cho người giáo viên muốn giải thích cho học sinh có thể mường tượng ra được những vấn đề mới mẻ trong vật lý này.
Ngày nay ngành vật lý lý thuyết trong đó có vật lý hạt cơ bản đang phát triển rất mạnh mẽ dựa vào sự phát triển của khoa học kỹ thuật ngày càng hiện đại, đó là những bước tiến ngày càng gần hơn đến những hiểu biết về vũ trụ của chúng ta.
Với những đặc thù cũng như khó khăn trong việc tiếp cận môn học như vậy là một giáo viên vật lý đang giảng dạy trực tiếp trong trường PTTH mong muốn đưa những kiến thức về hạt cơ bản, hạt nhân nguyên tử dễ hiểu hơn, sinh động hơn với người học tôi đưa ra đề tài “Sử dụng phần mềm Matlab để thiết kế thí nghiệm mô phỏng cho quá trình γ + γ→ e-+e+ môn vật lý 12 nâng cao” để đưa vào giảng dạy hiệu quả hơn.
Thực trạng của vấn đề nghiên cứu
Thực trạng
Chương X từ vi mô đến vĩ mô của chương trình vật lý 12 nâng cao giới thiệu một số nét khái quát về thế giới vô cùng bé, về thế giới vô cùng lớn và về thuyết Big Bang nhằm cho các em thấy được phần nào nguồn gốc của vật chất, sự tiến hóa của nó....Đây là một chương học đề cập đến những vấn đề khá lạ đối với những khái niệm hằng ngày trong thực tiễn tuy nhiên nó lại kích thích sự hiểu biết của học sinh vốn rất tò mò về thế giới và yêu thích sự khám phá.
Đây là những vấn đề không hề dễ để tiếp cận vì để hiểu nó chúng ta cần đến thuyết lượng tử, thuyết tương đối và bậc phổ thông chưa đáp ứng được những điều đó.
Những thí nghiệm thực hành cho chương này thì lại càng không thể thực hiện được do điều kiện khoa học kỹ thuật của chúng ta còn hạn chế.
Để các em có hứng thú hơn, dễ hiểu hơn trong khi học tập chương này, cũng như để dạy học cho chương này đỡ khô cứng hơn tôi có đưa ra thí nghiệm mô phỏng cho quá trình γ + γ→ e-+e+ được xây dựng bằng phần mềm Matlab.
Phần mềm powerpoint cũng có thể thiết kế về mặt hình học được quá trình này rất đơn giản tuy nhiên nếu sử dụng phần mềm này thì điều kiện đi kèm cho quá trình này lại không thể tích hợp được do vậy mà tôi đã sử dụng phần mềm Matlab để có hiệu quả cao hơn.
Kết quả và hiệu quả
a) Kết quả: Đây là một vấn đề phức tạp nhưng trong phạm vi trường phổ thông việc mô phỏng nó trực quan làm cho việc giảng dạy đơn giản hơn, dễ hiểu hơn không những không gây nặng cho các em khi học mà còn gây hứng thú cho các em.
b) Hiệu quả: Sau khi nhận thấy thực trạng trên, việc tìm hiểu tiếp cận các tài liệu và thiết kế nội dung đề tài, thực tế đã giải quyết được vấn đề đặt ra.
Nội dung sáng kiến kinh nghiệm
Cơ sở lý luận của vấn đề nghiên cứu
Các khái niệm 
* Hạt cơ bản và các đặc trưng, phản hạt, Electron, pozitron, phôtôn.
- Hạt cơ bản hay hạt sơ cấp là những hạt có kích thước và khối lượng nhỏ hơn hạt nhân nguyên tử như: electron, proton...Các hạt sơ cấp này có những đặc trưng đó là: Khối lượng nghỉ m0, điện tích, Spin, thời gian sống trung bình.
- Phản hạt: Phần lớn hạt sơ cấp đều tạo thành cặp, mỗi hạt gồm hai hạt có khối lượng nghỉ như nhau còn một số dặc trưng khác thì có trị số bằng nhau nhưng trái dấu. trong mỗi cặp có một hạt và một phản hạt của hạt đó. Trong các quá trình tương tác của các hạt sơ cấp, có thể xảy ra hiện tượng hủy một cặp “hạt + phản hạt” có khói lượng nghỉ khác 0 thành các photon hoặc cùng một lúc sinh ra một cặp “hạt + phản hạt” từ những photon.
- Electron (còn gọi là điện tử, được biểu diễn như là e−) là một hạt hạ nguyên tử, hay hạt sơ cấp. Trong nguyên tử, electron chuyển động xung quanh hạt nhân (bao gồm các proton và neutron) trên quỹ đạo electron. Từ electron bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp ηλεκτρον (phát âm là "êlectron") có nghĩa là "hổ phách" do người Hy Lạp cổ đại lần đầu tiên quan sát thấy khả năng hút các vật nhỏ (do lực hút tĩnh điện) của một miếng hổ phách sau khi được chà xát với lông thú.
Cấu trúc
Hạt cơ bản
Loại hạt
Fermion
Nhóm
Lepton
Tương tác cơ bản
Hấp dẫn, Điện từ, yếu
Phản hạt
Positron
Lý thuyết
G. Johnstone Stoney (1874)
Thực nghiệm
J.J. Thomson (1897)
Ký hiệu
e−, β−
Khối lượng
9,109 382 15(45) × 10–31 kg
5,485 799 09(27) × 10–4 u
1⁄1822.888 4843(11) u
0.510 998 918(44) MeV/c2
Điện tích
–1,602 176 487(40) × 10–19C
Spin
½
- Positron là phản hạt của electron với khối lượng và spin bằng khối lượng và spin của electron, nhưng có điện tích trái dấu với electron. Positron là phản hạt đầu tiên được phát hiện trong thế giới các hạt vi mô.
Trong chân không, positron tồn tại rất lâu với thời gian sống cỡ 4,3×1023 năm, tuy nhiên trong môi trường, nó lại có thời gian sống khá ngắn do bị hủy cặp gần như tức thời với electron của môi trường.
Cấu trúc
Hạt sơ cấp
Loại hạt
Fermion
Nhóm
Lepton
Tương tác cơ bản
Hấp dẫn, Điện từ, Yếu
Phản hạt
Electron
Lý thuyết
Paul Dirac, 1928
Thực nghiệm
Carl D. Anderson, 1932
Ký hiệu
β+, e+
Khối lượng
9.1093826(16) × 10−31 kg
1⁄1836.15267261(85) u
0.510998918(44) MeV/c2
Điện tích
1.602176462(63) × 10−19 C
Spin
½
- Photon: là một hạt cơ bản, đồng thời là hạt lượng tử của trường điện từ và ánh sáng cũng như mọi dạng bức xạ điện từ khác. Nó cũng là hạt tải lực của lực điện từ. Các hiệu ứng của lực điện từ có thể dễ dàng quan sát ở cả thang vi mô và vĩ mô do photon không có khối lượng nghỉ; và điều này cũng cho phép các tương tác cơ bản xảy ra được ở những khoảng cách rất lớn. Cũng giống như mọi hạt cơ bản khác, photon được miêu tả bởi cơ học lượng tử và biểu hiện lưỡng tính sóng- hạt  chúng thể hiện các tính chất giống như của cả sóng và hạt. 
Cấu trúc
Hạt sơ cấp
Loại hạt
Boson
Nhóm
Gauge boson
Tương tác cơ bản
Điện từ
Lý thuyết
Albert Einstein (1905-17)
Ký hiệu
γ, hν, hoặc ħω
Khối lượng
0
Thời gian sống
Bền
Điện tích
0
Spin
1
Sơ lược về phần mềm Matlab: 
Việc sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlab vào mô phỏng một số hệ Vật lý là rất hữu dụng vì đây là ngôn ngữ có khả năng ứng dụng rất lớn và linh hoạt trong quá trình thiết kế.
 MATLAB viết tắt từ "Matrix Laboratory". Ban đầu Matlab được thiết kế bởi Cleve Moler vào những năm 1970 để sử dụng như một công cụ dạy học. Từ đó đến nay nó đã được phát triển thành một bộ phần mềm thương mại rất thành công.
 Một trong những tính năng tuyệt vời nhất của Matlab nhìn từ góc độ những nhà khoa học tính toán là thư viện dựng sẵn to lớn rất phong phú các chu trình tính toán và các công cụ hiển thị đồ họa. 
Matlab cho phép người dùng tiến hành rất nhiều các nhiệm vụ thông thường liên quan tới việc giải quyết các vấn đề một cách số học. Nó cho phép chúng ta dành nhiều thời gian hơn cho việc suy nghĩ, khuyến khích chúng ta thí nghiệm.
Các tính toán rất mạnh có thể được thực hiện chỉ với một hoặc hai câu lệnh. Dễ dàng xây dựng riêng những hàm toán học cho những ứng dụng đặc biệt.
Chương trình viết bằng Matlab có thể dịch ra file EXE được, bằng công cụ gọi là Matlab Compiler (có sẵn trong bộ cài Matlab). Khi chạy chương trình đã dịch này thì không cần Matlab trong máy
Matlab cung cấp giao diện đồ họa tuyệt đẹp, các hình từ Matlab có thể chèn vào LATEX và các tài liệu Word.
Phương pháp xây dựng thí nghiệm mô phỏng
Thí nghiệm mô phỏng là tập hợp các tài nguyên số đa phương tiện nhằm mục đích mô phỏng các hiện tượng vật lý, hóa học, sinh họcxảy ra trong tự nhiên hay trong phòng thí nghiệm, có đặc điểm là có tính tương tác cao, giao diện thân thiện với người sử dụng và có thể mô phỏng những quá trình, điều kiện tới hạn khó xảy ra trong tự nhiên hay khó thu được trong phòng thí nghiệm.
Thí nghiệm mô phỏng có thể tiết kiệm thời gian, kinh phí, nguyên vật liệu, tránh được những trường hợp rủi ro, nguy hiểm trong điều kiện thực, giảm tác động xấu tới môi trường, thậm chí có thể làm được cái không thể làm trong điều kiện thực. Đó là những gì công nghệ mô phỏng có thể mang lại.
 Để xây dựng một thí nghiệm ảo mô phỏng ta phải làm các bước sau:
Khảo sát : Nhằm xem xét nội dung thí nghiệm, xem xét bản chất của sự vật, hiện tượng.
Xây dựng kịch bản: Bước này là quan trọng nhất.
Việc chuẩn bị tài liệu xây dựng thí nghiệm
Xây dựng khung thí nghiệm: Bước này mô hình hóa kịch bản, phân tích các cảnh, các công cụ sử dụng trong kịch bản, xây dựng các mô hình, phân tích các tượng tác của thí nghiệm.
Xây dựng thí nghiệm: Sau khi đã xây dựng được khung thí nghiệm, kết hợp các dụng cụ, tương tác, các cảnh trong kịch bản lắp ghép các công cụ lại thành 1 thí nghiệm hoàn chỉnh.
Hiệu chỉnh: Bước này nhằm tinh chỉnh, kiểm tra, xem xét lại toàn bộ thí nghiệm xem đã thể hiện đúng bản chất của sự việc hay chưa? Tại bước này thí nghiệm được kiểm tra cẩn trọng, tỷ mỉ nhằm phát hiện ra các phần còn thiếu xót của thì nghiệm.
Phương pháp thiết kế.
Xây dựng ý tưởng phù hợp với nội dung cần nghiên cứu. Căn cứ vào:
Đối tượng nghiên cứu.
Thời gian trình chiếu hoặc sử dụng.
Nguồn cung cấp tài liêu.
Chuẩn bị:
Phần mềm Matlab
Chương trình Nero để tạo đĩa. 
Quy trình thực hiện:
Bước 1: Cài đặt phần mềm.
Bước 2: Khảo sát quá tình sinh cặp e+,e- từ photon theo phương trình 
 γ + γ→ e-+e+
Điều kiện để quá trình này có thể xảy ra: Theo định luật bảo toàn năng lượng thì mỗi photon phải có năng lượng lớn hơn hay chí ít cũng phải bằng năng lượng của một electron hay positron tính theo công thức Einstein:
 E= mec2 = 0,511MeV 
Những chùm photon thỏa mãn điều kiện này chỉ có thể là các chùm tia laze
Vì xác xuất xảy ra quá trình này rất thấp nên đòi hỏi cường độ chùm sáng phải lớn
Kết quả của quá trình này là tạo ra các cặp e+ ,e- vốn dĩ có thể kết hợp quay trở lại để tạo thành ánh sáng nên phải có thêm một điện trường ngoài để tách chúng ra khi nó vừa được hình thành.
Bước 3: Viết kịch bản của thí nghiệm 
* Tạo các dụng cụ thí nghiệm
Tạo hai nguồn laze có thể thay đổi cường độ phát
Tạo một ống hình trụ rỗng kích thước nhỏ, rất mỏng để ánh sáng có thể đi qua làm bằng vàng là nơi gặp gỡ của hai nguồn sáng
Tạo một điện trường giữa hai bản kim loại đặt song song tích điện trái dấu
*Các cảnh diễn ra trong thí nghiệm
Cảnh một : Cho hai chùm ánh sáng laze, với mỗi chùm là tập hợp của các photon có năng lượng E < mec2 = 0,511 MeV gặp nhau.
 Kết quả: ánh sáng của hai chùm laze sau khi gặp nhau vẫn truyền theo phương cũ
Cảnh hai: Cho hai chùm ánh sáng laze, với mỗi chùm là tập hợp của các photon có năng lượng E >mec2 = 0,511 MeV với cường độ mỗi chùm nhỏ (số lượng photon ít )gặp nhau.
Kết quả: ánh sáng của hai chùm laze sau khi gặp nhau vẫn truyền theo phương cũ
Cảnh ba: Cho hai chùm ánh sáng laze, với mỗi chùm là tập hợp của các photon có năng lượng E > mec2 = 0,511 MeV với cường độ mỗi chùm lớn (số lượng photon nhiều )gặp nhau.
Kết quả: ánh sáng của hai chùm laze sau khi gặp nhau tạo ra các cặp e+,e- thể hiện bằng hai dòng hạt có màu xanh và đỏ, nhưng sau đó chúng lại kết hợp với nhau cho ra ánh sáng
Cảnh bốn: Cho hai chùm ánh sáng laze, với mỗi chùm là tập hợp của các photon có năng lượng E > mec2 = 0,511 MeV với cường độ mỗi chùm lớn (số lượng photon nhiều )gặp nhau, đồng thời đưa một điện trường lại ống hình trụ.
Kết quả: ánh sáng của hai chùm laze sau khi gặp nhau tạo ra các cặp e+,e- thể hiện bằng hai dòng hạt có màu xanh và đỏ, dưới tác dụng của điện trường, hạt màu xanh (e+) bị lệch về phía bản kim loại tích điện âm, hạt màu đỏ (e-) bị lệch về phía bản kim lại tích điện dương.
Bước 4: Các cảnh của thí nghiệm
Cảnh 1: 
Hình 4.1
Mỗi photon trong chùm ánh sáng đang có E<mec2=0,511Mev
Cảnh 2: 
Hình 4.2
Mỗi photon trong chùm ánh sáng đang có 
E> mec2=0,511Mev, nhưng cường độ chùm sáng nhỏ
Cảnh 3: 
Hình 4.3
Mỗi photon trong chùm ánh sáng đang có E>mec2=0,511Mev Và cường độ chùm sáng lớn
Cảnh 4: 
Hình 4.4
Mỗi photon trong chùm ánh sáng đang có E>mec2=0,511Mev, cường độ chùm sáng lớn
Bước 5: Chạy thử thí nghiệm, dịch ra file EXE và lập đĩa nhờ chương trình Nero D067.
Trình tự giải quyết các vấn đề
Chuẩn bị.
Giáo viên chuẩn bị kiến thức về bài hạt sơ cấp, quá trình sinh cặp e+, e- từ phôtôn, cài đặt phần mềm Matlab vào máy tính, kiểm tra các thiết bị máy móc hỗ trợ giảng dạy. 
Thực hiện trên lớp.
Sau khi giới thiệu phần 3 Phản hạt giáo viên đặt vấn đề: 
Lý thuyết và thực nghiệm đã chứng minh rằng các cặp electron-positron phân hủy tạo ra ánh sáng, vậy nên các cặp electron-positron cũng phải được sinh ra từ ánh sáng. Sự tiên đoán quá trình này bằng lý thuyết đã có cách đây từ hơn tám mươi năm trước nhưng mãi đến gần đây người ta mới tìm được phương án thí nghiệm để thực tiễn hóa vấn đề này. Mặc dù vậy thí nghiệm này đòi hỏi trình độ khoa học kỹ thuật cũng như máy móc hỗ trợ mà ở nước chúng ta vẫn chưa đáp ứng được.
Theo em điều kiện để xảy ra quá trình γ + γ→ e-+e+ là gì?
Gợi ý để học sinh trả lời được: Theo định luật bảo toàn năng lượng thì mỗi photon phải có năng lượng lớn hơn hay chí ít cũng phải bằng năng lượng của một electron hay positron tính theo công thức Einstein: E= mec2 = 0,511MeV.
Thực hiện thí nghiệm mô phỏng mô tả quá trình γ + γ→ e-+e+ trên máy: 
+ Mở file: Vat ly - Trinh Thi Nga - THPT Tong Duy Tan - Vinh Loc.exe
+ Chọn ô “Thi nghiem”
+ Nhập thông số “E” vào ô trống. 
+ Nháy chuột vào nút “Thực hiện”
+ Lần lượt nháy chuột vào các nút “Cảnh 1” đến “Cảnh 4” để thực hiện mô phỏng.
Kết luận, đề xuất.
Kết quả quá trình học
Vì bài các hạt sơ cấp nhiều kiến thức lạ, mới nên việc thực hiện được một thí nghiệm mô phỏng ngắn gọn làm các em dễ hiểu, hứng thú hơn với bài học vốn khá nặng về tư duy.
Kiến nghị và đề xuất.
Đối với giáo viên:
Trong qua trình giảng dạy giáo viên phải chú ý các vấn đề sau:
+ Kiểm tra máy móc dụng cụ hỗ trợ trước khi lên lớp.
+ Thí nghiêm phải ngắn gọn để không làm ảnh hưởng đến thời lượng tiết học.
Đối với nhà trường
- Nên bố trí một máy tính cùng với hệ thống loa ở phòng máy chiếu để tiết kiệm thời gian lắp máy cho giáo viên.
- Nên trang bị hệ thống rèm cửa cho phòng học máy chiếu để các hình ảnh trình chiếu rõ nét hơn nhất là vào mùa hè.
Tài liệu tham khảo
Sách giáo khoa vật lý 12 nâng cao NXB giáo dục.
https://www.google.com.vn
XÁC NHẬN CỦA THỦ TRƯỞNG ĐƠN VỊ
Thanh Hóa, ngày.... tháng ... năm2016
Tôi xin cam đoan đây là SKKN của mình viết, không sao chép nội dung của người khác.