Giáo án chuyên đề Vật lí 12 cánh diều Bài 1: Tia X và tạo ảnh bằng tia X

HOẠT ĐỘNG CỦA GV - HS

DỰ KIẾN SẢN PHẨM

Nhiệm vụ 1. Tìm hiểu về khái niệm tia X

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

- GV chiếu hình ảnh Wilhelm Conrad Rontgen (hình 1.2) cho HS quan sát.

- GV giới thiệu về nhà vật lí Rontgen, người đã phát hiện ra tia X.

- GV yêu cầu HS làm việc cá nhân, nghiên cứu SGK và nêu khái niệm về tia X.

- GV chiếu hình ảnh sơ đồ biểu diễn vùng tia X trong thang sóng điện từ (hình 1.3) và giới thiệu về vùng tia X trong thang sóng điện từ.

- GV kết luận về khái niệm tia X.

Bước 2: HS thực hiện nhiệm vụ học tập

- HS đọc thông tin SGK sau đó trao đổi, thảo luận trả lời các câu hỏi mà GV đưa ra.

- GV quan sát, hướng dẫn, hỗ trợ HS (nếu cần thiết).

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động và thảo luận

- GV mời đại diện các nhóm báo cáo kết quả thảo luận.

- GV mời HS khác nhận xét, bổ sung. 

Bước 4: Đánh giá kết quả, thực hiện nhiệm vụ học tập

- Từ kết quả thảo luận của nhóm, GV nhận xét, đánh giá quá trình HS thực hiện nhiệm vụ.

- GV kết luận về nội dung Khái niệm về tia X.

- GV chuyển sang nội dung Cách tạo ra tia X.

I. TIA X

1. Khái niệm về tia X

- Tia X là những bức xạ điện từ có bước sóng trong khoảng 10^-11 m đến 10^-8 m.

Nhiệm vụ 2. Tìm hiểu về cách tạo ra tia X

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

- GV chiếu hình ảnh ảnh chụp bằng tia X của xương bị gãy cho HS quan sát.

­- GV yêu cầu HS thảo luận theo nhóm đôi, nghiên cứu SGK và trả lời nội dung Câu hỏi 1 (SGK – tr25)

Tia X được tạo ra như thế nào?

- GV chiếu hình ảnh sơ đồ cấu tạo và nguyên lí hoạt động của ống tia X (hình 1.4) cho HS quan sát.

- GV yêu cầu HS thảo luận theo nhóm đôi, nghiên cứu SGK và trả lời nội dung Câu hỏi 2 (SGK – tr25)

Mô tả cấu tạo của ống tia X đơn giản.

- GV tổng kết về nội dung cách tạo ra tia X và giới thiệu cho HS ống tia X có anode quay (hình 1.5)

- GV yêu cầu HS đọc nội dung Em có biết (SGK – tr26) để tìm hiểu tia X và Rontgen.

Bước 2: HS thực hiện nhiệm vụ học tập

- HS đọc thông tin SGK sau đó trao đổi, thảo luận trả lời các câu hỏi mà GV đưa ra.

- GV quan sát, hướng dẫn, hỗ trợ HS (nếu cần thiết).

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động và thảo luận

- GV mời đại diện các nhóm báo cáo kết quả thảo luận:

*Trả lời Câu hỏi 1 (SGK – tr25)

Tia X được tạo ra bằng thiết bị gọi là ống tia X.

*Trả lời Câu hỏi 2 (SGK – tr25)

(Như nội dung DKSP)

- GV mời HS khác nhận xét, bổ sung. 

Bước 4: Đánh giá kết quả, thực hiện nhiệm vụ học tập

- Từ kết quả thảo luận của nhóm, GV nhận xét, đánh giá quá trình HS thực hiện nhiệm vụ.

- GV kết luận về nội dung Cách tạo ra tia X.

- GV chuyển sang nội dung Điều khiển cường độ và độ cứng của tia X, Sự suy giảm tia X.

2. Cách tạo ra tia X

- Tia X được tạo ra bằng một thiết bị được gọi là ống tia X.

- Ống tia X có cấu tạo gồm một ống chân không, trong ống có hai điện cực. Cực âm (cathode) là dây điện trở được đốt nóng đề phát các electron. Đối diện với cực âm là cực dương (anode), ở cực dương có đổi cathode được làm bằng kim loại có nguyên từ lượng lớn và nhiệt độ nóng chảy cao như tungsten. Khi hoạt động, anode bị đốt nóng do electron va chạm, vì vậy, người ta làm anode quay để vùng bị đốt nóng được thay đổi liên tục và do đó có thể hạ bớt nhiệt độ. Một số ống tia X có nước lưu thông qua anode để làm mát.

Nhiệm vụ 3. Tìm hiểu cách điều khiển cường độ, độ cứng của tia X, sự suy giảm tia X

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

- GV đặt vấn đề: Để có thể thu được hình ảnh tia X rõ nét, cần kiểm soát cả cường độ và độ cứng của chùm tia X.

- GV yêu cầu HS nghiên cứu SGK để tìm hiểu về điều khiển cường độ tia X.

- GV yêu cầu HS nêu ý nghĩa của độ tương phản và độ sắc nét của hình ảnh tạo bởi chùm tia X.

- GV chiếu hình ảnh xương bàn tay chụp bằng tia X (hình 1.6) cho HS quan sát và giới thiệu về các vị trí hấp thụ tia X tốt và kém.

- GV yêu cầu HS nêu nội dung cường độ của chùm tia X.

- GV yêu cầu HS thảo luận theo nhóm đôi, nghiên cứu SGK và trả lời nội dung Câu hỏi 3 (SGK – tr27)

Đề xuất cách làm tăng số lượng electron được tạo ra từ cathode của ống tia X.

- GV kết luận về nội dung điều khiển cường độ tia X.

- GV yêu cầu HS đọc và trả lời nội dung Tìm hiểu thêm (SGK – tr27) để tìm hiểu về các tính chất đặc trưng của tia X.

- GV yêu cầu HS nghiên cứu SGK để tìm hiểu về điều khiển độ cứng của tia X.

- GV yêu cầu HS nêu khái niệm độ cứng và các yếu tố ảnh hưởng tới độ cứng.

- GV yêu cầu HS đọc và trả lời nội dung Tìm hiểu thêm (SGK – tr28) để tìm hiểu về độ lớn của hiệu điện thế giữa anode và cathode của ống tia X.

- GV kết luận về nội dung điều khiển cường độ tia X.

- GV yêu cầu HS nghiên cứu SGK để tìm hiểu về sự suy giảm tia X.

- GV đặt câu hỏi: 

+ Nêu khái niệm sự suy giảm tia X.

+ Nêu công thức xác định cường độ chùm tia X.

+ Câu hỏi 4 (SGK – tr29): Công thức (1.4) có được dùng cho chùm tia X phân kì không? Vì sao?

- GV chiếu hình ảnh 7.1 và giới thiệu về sự thau đổi độ cường độ chùm tia X truyền qua độ dày của môi trường hấp thụ.

- GV kết luận về nội dung suy giảm tia X.

Bước 2: HS thực hiện nhiệm vụ học tập

- HS đọc thông tin SGK sau đó trao đổi, thảo luận trả lời các câu hỏi mà GV đưa ra.

- GV quan sát, hướng dẫn, hỗ trợ HS (nếu cần thiết).

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động và thảo luận

- GV mời đại diện các nhóm báo cáo kết quả thảo luận:

*Trả lời Câu hỏi 3 (SGK – tr27)

- Để tăng số lượng electron tạo ra từ cathode của ống tia X, cần làm tăng nhiệt độ của cathode bằng cách tăng hiệu điện thế đặt vào dây nung.

- Mở rộng: Chế tạo bề mặt kim loại làm catode dễ thoát electron với cùng một nhiệt độ (bằng kim loại kiềm hoặc kim loại thổ).

*Trả lời Câu hỏi 4 (SGK – tr28)

- Công thức (1.4) dùng cho chùm tia X song song, có cường độ I như nhau ở cùng vị trí x, vì vậy không sử dụng cho chùm tia X phân kì.

- GV mời HS khác nhận xét, bổ sung. 

Bước 4: Đánh giá kết quả, thực hiện nhiệm vụ học tập

- Từ kết quả thảo luận của nhóm, GV nhận xét, đánh giá quá trình HS thực hiện nhiệm vụ.

- GV kết luận về nội dung Điều khiển cường độ và độ cứng của tia X, Sự suy giảm tia X.

- GV chuyển sang nội dung Quá trình tạo ảnh bằng tia X.

3. Điều khiển cường độ và độ cứng của tia X

*Điều khiển cường độ tia X

- Cường độ I được xác định bằng công thức:

Trong đó:  là công suất bức xạ và S là diện tích mặt cắt vuông góc với phương truyền. Đơn vị cường độ I là W/m².

- Cường độ chùm tia X ảnh hưởng đến mức độ tương phản của hình ảnh tạo bởi chùm tia X.

- Cường độ của chùm tia X là số đo năng lượng tia X phát ra trong một đơn vị thời gian qua một đơn vị diện tích, tức là phụ thuộc vào số lượng electron đập vào đối cathode trong một đơn vị thời gian.

*Điều khiển độ cứng của tia X

- Độ cứng được định nghĩa là độ đâm xuyên của chùm tia X qua vật được chiếu.

- Bước sóng của tia X càng ngắn thì khả năng đâm xuyên của chúng càng lớn (tia X càng cứng).

- Có thể điều khiển độ cứng của chùm tia X phát ra nhờ thay đổi hiệu điện thế giữa anode và cathode của ống tia X.

4. Sự suy giảm tia X

- Sự giảm dần cường độ của chùm tia X khi nó đi qua một môi trường được gọi là sự suy giảm tia X.

- Cường độ chùm tia X truyền qua được xác định bởi:

I = I₀e^-µx

Trong đó, x là độ dày của môi trường mà tia X truyền qua, I₀ là cường độ ban đầu, µ là hệ số suy giảm tuyến tính.