Bài tập chuyên đề Vật lí 10 Bài 3: Ứng dụng của vật lí trong một số ngành nghề có đáp án

Trả lời:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Trả lời:

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

Trả lời:

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

Trả lời:

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

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

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

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

Vệ tinh nano.

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

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

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

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

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

Robot con bọ.

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

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

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

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

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

Trả lời:

Nhìn sao đoán thời tiết

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

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

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