Microsoft Word BÀi giảng Váº�t lý 2 vÀ thÃ� nghiá»⁄m bản in HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG ========== BÀI GIẢNG MÔN HỌC VẬT LÝ 2 VÀ THÍ NGHIỆM Biên soạn TS VÕ THỊ THANH HÀ TS NGUYỄN T[.]
HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG ========== BÀI GIẢNG MƠN HỌC VẬT LÝ VÀ THÍ NGHIỆM Biên soạn: TS VÕ THỊ THANH HÀ TS NGUYỄN THỊ THÚY LIỄU HÀ NỘI – 2015 Lời nói đầu LỜI NĨI ĐẦU Việc đào tạo đại học cao đẳng theo mơ hình Tín nhằm kích thích tính độc lập, sáng tạo tự học sinh viên, nâng cao trình độ người học thời kỳ hội nhập Tuy nhiên để thực mục đính người dạy người học phải có đủ trang thiết bị cần thiết mà trước hết giáo trình, tài liệu tham khảo Theo chương trình cải cách giáo dục Bộ Giáo dục Đào tạo thông qua (1990) đề cương Vật lý đại cương Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng thơng qua ngày 26 tháng năn 2009, để có tài liệu sát với chương trình đào tạo cho sinh viên hệ đại học quy Học viện chúng tơi viết giảng Bộ giảng gồm có: Tập BÀI GIẢNG VẬT LÍ VÀ THÍ NGHIỆM: Ts Lê Thị Minh Thanh, ThS Hoàng Thị Lan Hương ThS Vũ Hồng Nga biên soạn năm 2010 Dùng cho Sinh viên năm thứ ngành Điện tử - Viễn thông Công nghệ thông tin Tập BÀI GIẢNG VẬT LÍ VÀ THÍ NGHIỆM: TS Võ Thị Thanh Hà TS Nguyễn Thị Thúy Liễu biên soạn năm 2011 Dùng cho sinh viên năm thứ 2, chuyên ngành Điện tử - Viễn thông Tập BÀI GIẢNG VẬT LÍ VÀ THÍ NGHIỆM: TS Võ Thị Thanh Hà TS Nguyễn Thị Thúy Liễu biên soạn năm 2011 Dùng cho sinh viên năm thứ 2, chuyên ngành Công nghệ thông tin Tập BÀI GIẢNG VẬT LÍ ĐẠI CƯƠNG: TS Lê Thị Minh Thanh TS Nguyễn Thị Thúy Liễu biên soạn Dùng cho sinh viên năm thứ 1, chuyên ngành Công nghệ Đa phương tiện Sau thời gian sử dụng, để phù hợp với nhu cầu trình độ Sinh viên theo mơ hình tín Năm 2013, tập giảng hiệu chỉnh lại Tập giảng Vật lý thí nghiệm TS.Nguyễn Thị Thúy Liễu ThS Hoàng Thị Lan Hương hiệu chỉnh Tập giảng vật lý giúp cho sinh viên trang bị kiến thức bản, có sở vật lý để tiếp tục học môn chuyên ngành Điện tử- Viễn thơng Nội dung gồm có 10 chương thí nghiệm Chương trình bày dao động sóng làm sở cho quang học sóng Tiếp theo chương 2, 3, 4, thể hiện tượng đặc trưng cho tính chất sóng ánh sáng giao thoa, nhiễu xạ, tán sắc, hấp thụ, tán xạ phân cực ánh sáng Chương nói đến phụ thuộc vào chuyển động không gian, thời gian khối lượng vật chuyển động với vận tốc gần vận tốc ánh sáng Chương thể tính chất hạt ánh sáng tượng: Bức xạ nhiệt, tượng quang điện hiêụ ứng Compton Chương cung cấp kiến thức chuyển động vật thể vi mô giới vi mô, giúp giải nhiều vấn đề có liên quan đến tính chất vật lý vật chất mức độ sâu sắc Chương vận dụng kết học lượng tử để nghiên cứu phổ đặc tính nguyên tử Chương 10 nghiên cứu vật rắn chất bán dẫn Trong chương lí thuyết có: Mục đích, u cầu giúp sinh viên nắm trọng tâm chương; Tóm tắt nội dung giúp sinh viên nắm bắt vấn đề đặt ra, hướng giải Lời nói đầu kết cần nắm vững; Câu hỏi lí thuyết giúp sinh viên tự kiểm tra phần học hiểu mình; Bài tập giúp sinh viên tự kiểm tra khả vận dụng kiến thức lí thuyết để giải tốn cụ thể Các thí nghiệm Vật lý cho thấy chất lưỡng tính sóng- hạt ánh sáng ứng dụng thực tế nói chung chuyên ngành nói riêng q trình sóng, q trình điện- quang, quang - điện Tập thể biên soạn hy vọng với giảng bạn sinh viên đạt kết tốt trình học tập mơn Vật lý đại cương Trong q trình viết giảng nhận động viên, khích lệ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng góp ý q báu cán giảng dạy môn Vật lý Chúng xin chân thành cám ơn giúp đỡ q báu Trong q trình biên soạn, khơng thể tránh khỏi thiếu sót Chúng tơi mong nhận đóng góp ý kiến đồng nghiệp bạn đọc NHÓM TÁC GIẢ MỤC LỤC Chương 1: DAO ĐỘNG VÀ SÓNG………………………………………………… 11 1 11 A Dao động……………………………………………………………………… Dao động cơ…………………………………………………………………… 1 Dao động điều hòa…………………………………………………………… 1 Dao động tắt dần…………………………………………………………… 1 Dao động cưỡng bức………………………………………………………… Dao động điện từ……………………………………………………………… Dao động điện từ điều hoà……………………………………………………… 2 Dao động điện từ tắt dần………………………………………………………… Dao động điện từ cưỡng bức…………………………………………………… Sự tổng hợp dao động………………………………………………………… Tổng hợp hai dao động điều hòa phương, tần số…………………… Tổng hợp hai dao động điều hịa có phương vng góc, tần số…………… B 1 Sóng …………………………………………………………………………… Sóng cơ, sóng âm hiệu ứng Doppler……………………………………… 1 Một số khái niệm sóng……………………………………………… 1 Sóng cơ………………………………………………………………………… 1 Sóng âm hiệu ứng Doppler………………………………………………… Sóng điện từ………………………………………………………………… Thí nghiệm Hertz tạo sóng điện từ……………………………………… Những tính chất sóng điện từ……………………………………………… HƯỚNG DẪN HỌC CHƯƠNG 1…………………………………………………… I Mục đích, yêu cầu……………………………………………………………… III Câu hỏi lý thuyết………………………………………………………………… II IV Tóm tắt nội dung ……………………………………………………………… Bài tập…………………………………………………………………………… Chương 2: GIAO THOA ÁNH SÁNG……………………………………………… Cơ sở quang học sóng…………………………………………………… 1 Thuyết điện từ ánh sáng Maxwell……………………………………… 2 Quang lộ………………………………………………………………………… Định lý Malus quang lộ……………………………………………………… Hàm sóng ánh sáng……………………………………………………………… 11 11 12 14 15 15 17 19 22 22 23 27 27 27 28 32 35 35 36 38 38 39 43 45 48 48 49 49 50 50 Cường độ ánh sáng……………………………………………………………… 51 Nguyên lý Huyghen- Fresnel…………………………………………………… 51 Nguyên lý chồng chất sóng………………………………………………… 2 Hiện tượng giao thoa ánh sáng……………………………………………… 2 Định nghĩa……………………………………………………………………… 2 Khảo sát tượng giao thoa………………………………………………… Giao thoa gây mỏng……………………………………………… Thí nghiệm Lloyd…………………………………………………………… Giao thoa gây mỏng…………………………………………………… Các ứng dụng tượng giao thoa……………………………………… Kiểm tra mặt kính phẳng lồi………………………………………………… Khử phản xạ mặt kính……………………………………………………… Giao thoa kế Rayleigh…………………………………………………………… 4 Giao thoa kế Michelson………………………………………………………… HƯỚNG DẪN HỌC CHƯƠNG 2…………………………………………………… I Mục đích, yêu cầu……………………………………………………………… III Câu hỏi lý thuyết………………………………………………………………… II Tóm tắt nội dung………………………………………………………………… IV Bài tập…………………………………………………………………………… Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng………………………………………………… Chương 3: NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG………………………………………………… Nhiễu xạ ánh sáng sóng cầu……………………………………………… Phương pháp đới cầu Fresnel…………………………………………………… 2 Nhiễu xạ qua lỗ tròn…………………………………………………………… 3 Nhiễu xạ qua đĩa tròn……………………………………………………… 3 Nhiễu xạ gây sóng phẳng Cách tử nhiễu xạ…………………………… 3 Nhiễu xạ ánh sáng sóng phẳng qua khe hẹp…………………………… 3 Nhiễu xạ sóng phẳng qua nhiều khe – Cách tử nhiễu xạ…………………… 3 Nhiễu xạ tinh thể…………………………………………………………… HƯỚNG DẪN HỌC CHƯƠNG 3…………………………………………………… I Mục đích, yêu cầu……………………………………………………………… III Câu hỏi lý thuyết……………………………………………………………… II Tóm tắt nội dung……………………………………………………………… IV Bài tập………………………………………………………………………… 51 52 52 52 57 57 58 62 63 63 64 65 65 65 66 69 70 77 77 79 79 80 81 82 82 84 87 88 88 88 92 92 Chương 4: TÁN SẮC, HẤP THỤ VÀ TÁN XẠ ÁNH SÁNG …………………… 97 1 Hiện tượng tán sắc lăng kính……………………………………………… 97 Sự tán sắc ánh sáng………………………………………………………… Đường cong tán sắc độ tán sắc……………………………………………… 97 98 Sự hấp thụ ánh sáng………………………………………………………… 100 2 Giải thích theo quan điểm cổ điển ……………………………………………… 100 Hiện tượng hấp thụ ánh sáng …………………………………………………… Ðịnh luật Bouguer hấp thụ ánh sáng …………………………………… 4 Lý thuyết tán sắc hấp thụ ánh sáng………………………………… Sự tán xạ ánh sáng…………………………………………………… 4 Hiện tượng tán xạ ánh sáng……………………………………………………… 4 Tán xạ Tyndall………………………………………………………………… 4 Tán xạ phân tử………………………………………………………………… 4 Tán xạ Raman………………………………………………………………… 4 Tán xạ Mandelstam – Brillouin………………………………………………… Cầu vồng…………………………………………………………………… I Mục đích, yêu cầu……………………………………………………………… HƯỚNG DẪN HỌC CHƯƠNG 4…………………………………………………… II III Tóm tắt nội dung………………………………………………………………… Câu hỏi lý thuyết………………………………………………………………… Chương 5: PHÂN CỰC ÁNH SÁNG………………………………………………… Sự phân cực ánh sáng………………………………………………………… 1 Ánh sáng tự nhiên……………………………………………………………… Ánh sáng phân cực……………………………………………………………… Định luật Malus phân cực ánh sáng………………………………………… Sự phân cực ánh sáng phản xạ khúc xạ…………………………………… Phân cực lưỡng chiết……………………………………………………… Tính lưỡng chiết tinh thể…………………………………………………… 2 Mặt sóng mơi trường tinh thể đơn trục…………………………………… Các loại kính phân cực………………………………………………………… Ánh sáng phân cực elip, phân cực tròn……………………………………… Bản phần tư bước sóng………………………………………………………… Bản nửa bước sóng……………………………………………………………… 3 Bản bước sóng……………………………………………………………… 100 100 102 105 105 106 108 109 111 112 114 114 114 117 119 119 119 120 120 122 123 123 124 126 128 129 130 130 5 Lưỡng chiết nhân tạo………………………………………………………… Lưỡng chiết biến dạng học……………………………………………… Lưỡng điện trường…………………………………………………… 5 Sự quay mặt phẳng phân cực………………………………………………… Một số ứng dụng khác ……………………………………………………… I Mục đích, yêu cầu……………………………………………………………… HƯỚNG DẪN HỌC CHƯƠNG 5…………………………………………………… II Tóm tắt nội dung………………………………………………………………… IV Bài tập…………………………………………………………………………… III Câu hỏi lý thuyết………………………………………………………………… Chương 6: THUYẾT TƯƠNG ĐỐI HẸP EINSTEIN……………………………… Hai tiên đề Einstein…………………………………………………………… 1 Không gian tuyệt đối ête…………………………………………………… Các phép đo thời gian độ dài - Một vấn đề nguyên lý……………………… Các tiên đề Einstein…………………………………………………………… Phép biến đổi Lorentz hệ quả………………………………………… Mâu thuẫn phép biến đổi Galileo với thuyết tương đối Einstein…………… 2 Phép biến đổi Lorentz…………………………………………………………… Các hệ phép biến đổi Lorentz………………………………………… Động lực học tương đối tính – Hệ thức Einstein…………………………… 6.3.1 Phương trình chuyển động chất điểm……………………………… Động lượng lượng……………………………………………………… 3 Các hệ quả……………………………………………………………………… HƯỚNG DẪN HỌC CHƯƠNG 6…………………………………………………… I Mục đích, yêu cầu……………………………………………………………… III Câu hỏi lý thuyết………………………………………………………………… II Tóm tắt nội dung………………………………………………………………… IV Bài tập…………………………………………………………………………… Chương 7: QUANG HỌC LƯỢNG TỬ…………………………………………… Bức xạ nhiệt………………………………………………………………… 1 Bức xạ nhiệt cân bằng………………………………………………………… Các đại lượng đặc trưng xạ nhiệt cân bằng…………………………… Định luật Kirchhoff……………………………………………………………… Các định luật phát xạ vật đen tuyệt đối………………………………… 131 131 132 133 135 135 135 136 139 140 144 144 144 145 145 146 146 147 148 152 152 152 153 154 154 155 156 156 159 159 159 159 161 161 Định luật Stephan-Boltzmann…………………………………………………… 161 Sự khủng hoảng vùng tử ngoại……………………………………………… 162 2 Định luật Wien………………………………………………………………… Thuyết lượng tử Planck thuyết photon Einstein……………… Thuyết lượng tử lượng Planck………………………………………… Thành công thuyết lượng tử lượng…………………………………… 3 Thuyết phôtôn Einstein…………………………………………………… Động lực học photon…………………………………………………………… Hiện tượng quang điện……………………………………………………… Định nghĩa……………………………………………………………………… Các định luật quang điện giải thích………………………………………… Hiệu ứng Compton…………………………………………………………… Thí nghiệm Compton…………………………………………………………… Giải thích hiệu ứng Compton…………………………………………………… HƯỚNG DẪN HỌC CHƯƠNG 7…………………………………………………… I Mục đích, yêu cầu……………………………………………………………… II Tóm tắt nội dung………………………………………………………………… IV Bài tập………………………………………………………………………… III Câu hỏi lý thuyết………………………………………………………………… Chương 8: CƠ HỌC LƯỢNG TỬ…………………………………………………… Lưỡng tính sóng-hạt vi hạt…………………………………………… 1 Lưỡng tính sóng hạt ánh sáng……………………………………………… Giả thuyết de Broglie…………………………………………………………… Thực nghiệm xác nhận tính chất sóng hạt vi mơ……………………… 8 Hệ thức bất định Heisenberg………………………………………………… Hàm sóng……………………………………………………………………… Biểu thức hàm sóng………………………………………………………… Ý nghĩa thống kê hàm sóng………………………………………………… 3 Điều kiện hàm sóng……………………………………………………… 8 Phương trình Schrodinger…………………………………………………… Ứng dụng phương trình Schrodinger………………………………… Vật thể vi mô chuyển động giếng năng……………………………… Hiệu ứng đường ngầm………………………………………………………… Dao động tử điều hòa lượng tử………………………………………………… 162 163 163 163 164 164 164 165 166 167 167 168 169 170 170 173 173 178 178 178 179 173 181 182 182 183 183 184 185 185 188 191 HƯỚNG DẪN HỌC CHƯƠNG 8…………………………………………………… 192 II Tóm tắt nội dung………………………………………………………………… 192 IV Bài tập…………………………………………………………………………… 194 I Mục đích, yêu cầu……………………………………………………………… 192 III Câu hỏi lý thuyết………………………………………………………………… Chương 9: VẬT LÝ NGUYÊN TỬ………………………………………………… Nguyên tử Hyđrô………………………………………………………… 194 200 200 1 Chuyển động electrôn nguyên tử hiđrô……………………………… 200 Các kết luận…………………………………………………………………… 202 Năng lượng electrơn hóa trị ngun tử kim loại kiềm……………… 205 Nguyên tử kim loại kiềm…………………………………………………… 2 Quang phổ nguyên tử kim loại kiềm……………………………………… 205 206 Mômen động lượng mômen từ electron……………………………… 207 Mômen động lượng quĩ đạo…………………………………………………… 207 3 Hiện tượng Zeeman…………………………………………………………… 209 Mômen từ……………………………………………………………………… Spin electron……………………………………………………………… Sự tồn spin electron……………………………………………………… Trạng thái lượng electrôn nguyên tử………………………… Cấu tạo bội vạch quang phổ………………………………………………… Hệ thống tuần hoàn Mendeleev……………………………………………… Hệ hạt đồng thống kê lượng tử…………………………………… Hê hạt đồng 208 210 210 212 213 214 215 215 Thống kê lượng tử 216 HƯỚNG DẪN HỌC CHƯƠNG 9…………………………………………………… 218 II 218 I Mục đích, u cầu……………………………………………………………… III Câu hỏi lý thuyết……………………………………………………………… Tóm tắt nội dung………………………………………………………………… IV Bài tập…………………………………………………………………………… Chương 10: VẬT LÝ CHẤT RẮN VÀ BÁN DẪN………………………………… 10 Vật lý chất rắn………………………………………………………………… 10 1 Cấu trúc mạng tinh thể chất rắn………………………………………… 10 Lý thuyết vùng lượng…………………………………………………… 10 Vật lý bán dẫn………………………………………………………………… 218 222 222 226 226 226 227 233 Thí nghiệm Vật lý phần Nếu ánh sáng phân cực đầu mút vectơ sáng E chuyển động đường elip (hay đường trịn) gọi ánh sáng phân cực elip (trịn) Có thể tạo ánh sáng phân cực phẳng cách cho ánh sáng tự nhiên truyền qua phân cực (tinh thể Tuamalin, pôlarôit hêrapatit) Nguyên nhân tượng tính hấp thụ dị hướng tinh thể Trong phân cực có phương đặc biệt gọi quang trục tinh thể (kí hiệu ) Theo phương quang trục, ánh sáng không bị hấp thụ truyền tự qua tinh thể, theo phương vng góc với quang trục, ánh sáng bị hấp thụ hồn tồn (hình 3-b) Hình 3-a Hình 3-b Nếu ánh sáng truyền tới phân cực ánh sáng phân cực thẳng có vectơ sóng sáng , E1 nghiêng góc so với quang trục này, có thành phần E song song ,, với quang trục truyền qua bản, cịn thành phần E vng góc với quang trục bị cản lại Như sau có quang trục ta nhận ánh sáng phân cực tồn phần , có vectơ sáng E E cường độ sáng I2 : I E 22 E12 cos I I cos Đây công thức định luật Malus phân cực ánh sáng Rõ ràng, =0 cos =1 cường độ sáng sau kính phân cực đạt cực đại I2max= I1, = 900 cos = 0: cường độ sáng sau kính phân cực cực tiểu I2min= Bản tinh thể T1 gọi kính phân cực, tinh thể T2 gọi kính phân tích (hình3-a) Do tính đối xứng ánh sáng tự nhiên xung quanh phương truyền nên ta quay phân cực (tuamalin) xung quanh tia sáng vị trí có ánh sáng truyền qua Cịn tia sáng chiếu đến phân cực ánh sáng phân cực quay phân cực cường độ sáng sau thay đổi Như phân cực giúp ta phân biệt chùm sáng tự nhiên chùm sáng phân cực 294 Thí nghiệm Vật lý III THIẾT BỊ VÀ TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM III.1 THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM Nguồn phát tia laser bán dẫn Cảm biến photodiode silicon + ống che sáng Thước đo góc - 3600 , xác 10 Giá quang học Bản kính phân cực ; III.2 TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM Bộ khuếch đại thị cường độ sáng Quan sát thiết bị thí nghiệm gồm diode laser DL (3,8V - mW) phát chùm tia laser màu đỏ chiếu vng góc vào tâm mặt phân cực P Một thước tròn T (được chia độ từ 3600) gắn chặt với phân cực P dùng đo góc phương vectơ sóng sáng E truyền tới phân cực P quang trục Q Để khảo sát thay đổi cường độ ánh sáng phân cực sau truyền qua phân cực P, ta dùng cảm biến quang điện silicon QĐ đặt bên ống che sáng Tín hiệu laser truyền qua kính phân cực tới rọi vào cảm biến quang điện silicon QĐ đưa vào khuếch đại thị cường độ sáng KĐ nhờ chốt cắm C Toàn thiết bị thí nghiệm đặt giá quang học G Cắm phích lấy điện khuếch đại thị cường độ sáng KĐ vào nguồn điện ~ 220V Vặn núm biến trở R vị trí tận bên phải Bấm khóa đóng điện K mặt khuếch đại KĐ : đèn tín hiệu LED phát sáng Nới lỏng vít hãm V quay ống chắn sáng cảm biến quang điện QĐ để trục qua tâm phân cực P Chờ khoảng phút để khuếch đại KĐ ổn định, thực việc điều chỉnh vị trí số milivonkế điện-tử Nếu kim điện kế không số phải vặn từ từ núm "qui 0" kim thị quay trở số Chú ý : Sau điều chỉnh xong, phải giữ nguyên vị trí núm "qui 0" suốt thời gian làm thí nghiệm Cắm phích lấy điện nguồn ni diode laser DL vào nguồn điện xoay chiều ~220V Bật công tắc K1 diode laser DL, ta nhận chùm tia sáng laser màu đỏ Điều chỉnh để chùm tia sáng laser phát từ cửa sổ diode laser DL qua tâm phân cực P chiếu vào tâm vít V Khi giữ nguyên độ cao cảm biến quang điện QĐ quay chùm tia laser rọi thẳng vào cảm biến quang điện QĐ Quay thước tròn chia độ T kim điện kế đạt độ lệch lớn Vặn núm biến trở R khuếch đại ngược chiều kim đồng hồ cho kim milivơnke 100, giá trị góc = Đọc ghi giá trị góc quay ban đầu (trên thước tròn chia độ T) phân cực P vào bảng 295 Thí nghiệm Vật lý Tiếp tục quay thước tròn chia độ T để tăng góc (mỗi lần tăng 50) từ giá trị ban đầu đến giá trị = + 900 Đọc ghi giá trị tương ứng góc cường độ sáng I1 (tỷ lệ với giá trị microvônkế ) lần đo vào bảng Đọc ghi số liệu sau vào bảng : - Độ chia nhỏ thước tròn chia độ T - Độ chia nhỏ thang đo 100 micrôvônkế điện tử Dựa vào giá trị đo cường độ sáng I1 góc quay tương ứng bảng 1, vẽ đồ thị biểu diễn hàm số : I1 = f ( X ) với X = cos2 (3) Chú ý : Cần kiểm tra xác vị trí cường độ sáng đạt cực đại cực tiểu cách lân cận hai phía vị trí (trong giới hạn 50) thay đổi lần 10 góc quay đọc giá trị cường độ sáng I1 tương ứng Từ xác định xác vị trí mặt phẳng phân cực chùm tia laser Trường hợp thí nghiệm có sử dụng phần mềm Cassy Lab - Máy tính :Khảo sát phụ thuộc cường độ ánh sáng laser sau qua phân cực theo góc hợp vectơ sáng laser với quang trục phân cực Khởi động phần mềm Cassy Lab - Lấy tín hiệu từ Milivon kế điện tử MV cho vào UA1 Cassy - Trong “Start” chọn “Program” chọn “Cassy Lab”, nhấp đúp chuột vào UA1, chọn 10V - Cửa sổ “input setting” chọn “Averagd Valuse”, “left” - Cửa sổ Measing parametes chọn “Manual” - Nhấp đúp chuột vào UB1, chọn -10V - Cửa sổ “input setting” chọn “Averagd Valuse”, “left” - Cửa sổ Measing parametes chọn “Manual” - Cài đặt trục tọa độ, hoành độ biểu thị cos α , tung độ biểu thị cường độ sáng I - Muốn cài đặt trục tọa độ cửa sổ “setting” chọn “parameter Formula FFT” * Khai báo cường độ sáng I: - Chọn “new quantity” - Trong hộp “select quantity” điền vào tên đại lượng “I” - Chọn “formula” điền công thức mối liên hệ đại lượng với đại lượng cũ: UA1/0.45*150 - điền “symbol” : I Unit: Cd 296 From: To: 150 Thí nghiệm Vật lý *Khai báo cosx Chọn “new quantity” Trong hộp “select quantity” điền vào tên đại lượng “cosx” Chọn “formula” điền công thức mối liên hệ đại lượng với đại lượng cũ: cos((n-1)*5) - Điền “symbol”: cosx *Chọn hiển thị đồ thị I – cosx Unit: From: To: 1.5 - Trong “setting” chọn ‘display” - Chọn “new display” - Trong hộp “select display” ghi tên đồ thị I – cosx - Trong X – Axis chọn cosx Y – Axis chọn I - Sau bấm F9 để bắt đầu đo, với lần dịch chuyển thước đo độ, bấm F9 IV CÂU HỎI KIỂM TRA Nêu rõ thuyết điện từ Maxwell chất ánh sáng Ánh sáng sóng ngang hay sóng dọc ? Định nghĩa ánh sáng tự nhiên ánh sáng phân cực phần, toàn phần 3.Cách phân biệt ánh sáng tự nhiên với ánh sáng phân cực thực nghiệm Nêu ứng dụng phân cực ánh sáng ánh sáng phân cực Giải thích chùm tia laser truyền qua phân cực P , cường độ sáng I phía sau phân cực P lại thay đổi phụ thuộc vào góc vectơ sóng sáng E truyền tới phân cực P quang trục Q Phát biểu viết biểu thức định luật Malus phân cực ánh sáng 297 Thí nghiệm Vật lý BÁO CÁO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM (theo mẫu gợi ý) KHẢO SÁT SỰ PHÂN CỰC ÁNH SÁNG Xác nhận giáo viên Trường Lớp Tổ Họ tên MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM BảNG - GIÁ TRị Độ CHIA NHỏ NHấT CủA THƯớC ĐO GÓC T : - Giá trị độ chia nhỏ micrôvônkế V : I1 cos cos2 50 10 60 55 15 65 20 70 25 75 30 80 35 85 40 90 45 298 I1 cos cos2 Thí nghiệm Vật lý Vẽ đồ thị I1 = f ( X ) với X = cos2 Nhận xét kết thí nghiệm (so với định luật Malus) 299 Thí nghiệm Vật lý Bài KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN I MỤC ĐÍCH - Khảo sát tượng quang điện chất hạt ánh sáng - Nghiệm lại định luật quang điện - Vẽ đặc tuyến von-ampe tế bào quang điện Xác định số Planck II CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hiện tượng quang điện hiệu ứng bắn electron từ kim loại dọi vào kim loại chùm sáng có bước sóng thích hợp Các electron bắn gọi electron quang Electron kim loại muốn ngồi kim loại phải có lượng cơng Ath electron kim loại Bình thường động chuyển động nhiệt electron nhỏ Ath Khi xạ điện từ thích hợp dọi tới, electron tự kim loại hấp thụ photon Mỗi photon có lượng h Năng lượng phần chuyển thành cơng Ath phần cịn lại chuyển thành động ban đầu electron quang Động ban đầu lớn electron gần bề mặt kim loại kết động ban đầu cực đại với quang electron sát bề mặt kim loại Theo định luật bảo toàn lượng ta có: mv h Ath max Ath Wd max 2 Khi chiếu vào catốt ánh sáng có bước sóng thích hợp mạch xuất dòng quang điện Muốn cho dòng quang điện triệt tiêu hồn tồn phải đặt vào anốt catốt hiệu điện cản Sự tồn hiệu điện cản chứng tỏ bật khỏi mặt kim loại, electron quang có vận tốc ban đầu v0 Điện trường cản mạnh đến mức electron có vận tốc ban đầu lớn v0max khơng bay đến anốt Lúc dịng (1) Hình quang điện triệt tiêu hồn tồn cơng điện trường cản có giá trị động ban đầu cực đại electron quang: Wđmax = eUh 300 (2) Thí nghiệm Vật lý Uh hiệu điện làm cho dịng quang điện triệt tiêu hồn tồn, gọi hiệu điện hãm Kết hợp phương trình (1) (2) ta có: h Ath eU h A h U h th e e Đồ thị biểu diễn phụ thuộc hiệu điện hãm vào tần số ánh sáng kích thích có dạng hình III.1 DỤNG CỤ: III THIẾT BỊ VÀ TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM Thiết bị nghiên cứu hiệu ứng quang điện xác định số Planck , với thông số : Tế bào quang điện chân khơng loại Cs-Sb , dịng điện tối không lớn 3nA Sai số xác định điện áp gia tốc electron 2% Bộ gồm kính lọc sắc : 635nm, 570nm, 540nm, 460nm Nguồn sáng : Đèn Halogen 12V/35W Nguồn cung cấp cho thiết bị : AC 220V, 50 Hz III.2 THIẾT BỊ ĐO: (1) Đồng hồ thị dòng điện hiệu điện (2) Chuyển mạch thay đổi hai kiểu làm việc đồng hồ: Đo dòng điện (Current), Đo hiệu điện (Voltage) (3) Chuyển mạch chọn thang đo dịng điện : 301 Thí nghiệm Vật lý Vị trí x1 đo cường độ dịng quang điện có giá trị 10-6A Vị trí x 0.01 đo cường độ dịng quang điện có giá trị 10-8A Vị trí x 0.1 đo cường độ dịng quang điện có giá trị 10-7A Vị trí x0.001 đo cường độ dịng quang điện có giá trị 10-9A (4) Chuyển mạch chọn cường độ sáng đèn chiếu, có vị trí : Vị trí đèn sáng mạnh (STRONG) Vị trí đèn sáng yếu (WEAK) Vị trí ngắt điện đèn chiếu sáng (OFF) (5) Núm điều chỉnh hiệu điện chiều cung cấp cho mạch điện tế bào quang điện, thay đổi từ đến 15V Chuyển mạch thay đổi chiều điện áp đặt vào mạch điện tế bào quang điện (6) Công-tắc nguồn, có vị trí : bật điện (ON) tắt điện (OFF) (7) Đèn báo hiệu (8) Hộp kín, bên có tế bào quang điện (9) Đèn chiếu sáng, có hai chế độ làm việc (sáng mạnh, sáng yếu) trượt dọc theo ray để thay đổi khoảng cách đến tế bào quang điện III.3 TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM: Chuẩn bị thí nghiệm: Chuyển mạch (4) bật vị trí WEAK (đèn sáng yếu) Nới lỏng ốc giữ đèn chiếu cho dịch chuyển đèn chiếu nhẹ nhàng đường ray để thay đổi khoảng cách đèn chiếu tế bào quang điện Đặt đèn chiếu vị trí 40cm Cắm phích lấy điện vào ổ điện 220V Bật công-tắc nguồn (7) sang vị trí ON : đèn chiếu (10) phát sáng, báo hiệu máy sẵn sàng hoạt động Quan sát bóng đèn chiếu thắp sáng (yếu) Tháo nắp che tế bào quang điện thay kính lọc sắc màu đỏ Bật công-tắc cường độ sáng (4) vị trí OFF, WEAK, STRONG để kiểm tra chế độ hoạt động đèn chiếu Vẽ đặc tuyến vôn-ampe tế bào quang điện: Lắp kính lọc sắc màu đỏ vào cửa sổ tế bào quang điện Gạt chuyển mạch chiều điện áp (6) vị trí + Chuyển mạch cường độ sáng (4) đặt vị trí WEAK (sáng yếu) Dịch chuyển đèn chiếu đến vị trí 18cm Đặt chuyển mạch thang đo dòng điện (3) vị trí x1 x0,1 Xoay nhẹ núm điều chỉnh điện áp (5) tận trái (ứng với hiệu điện ban đầu 0V) 302 Thí nghiệm Vật lý Muốn đo hiệu điện thế, ta gạt chuyển mạch (2) vị trí VOLTAGE Muốn đo dịng quang điện, ta gạt chuyển mạch (2) vị trí CURRENT Xoay nhẹ núm điều chỉnh điện áp (5) để tăng dần hiệu điện 0,5V một, từ 0V đến 10V Đọc ghi giá trị dòng quang điện tương ứng vào bảng Từ kết thu được, vẽ đồ thị biểu diễn phụ thuộc cường độ dòng quang điện vào hiệu điện đặt anốt catốt tế bào quang điện Xác định hiệu bắt đầu dịng quang điện bão hồ 3 Nghiên cứu định luật dịng quang điện bão hồ : Giữ nguyên kính lọc sắc đỏ lắp cửa sổ tế bào quang điện Điều chỉnh hiệu điện hai cực tế bào quang điện 10V Đọc ghi giá trị dòng quang điện tương ứng vào bảng vị trí r=18cm Đèn chiếu để vị trí r = 18 cm Tăng dần khoảng cách đèn chiếu tế bào quang điện 10mm một, từ vị trí r = 18cm đến vị trí r = 40cm Đọc ghi vào bảng giá trị dòng quang điện bào hồ I tương ứng với vị trí r đèn chiếu Từ kết thu được, vẽ đồ thị biểu diễn phụ thuộc cường độ dịng quang điện bão hồ vào nghịch đảo bình phương khoảng cách từ đèn chiếu đến tế bào quang điện : I ~ 1/r2 Ghi : Cho biết độ dọi sáng vào tế quang điện đèn chiếu gửi đến tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách từ đèn chiếu đến tế bào quang điện Xác định số Planck : Đặt đèn chiếu vị trí r = 40cm Lắp kính lọc sắc màu đỏ (bước sóng = 635nm) vào cửa sổ tế bào quang điện Chuyển mạch thang đo dòng điện (3) đặt vị trí x0,001 Xoay nhẹ núm điều chỉnh điện áp (5) vị trí tận trái (hiệu điện đặt vào hai cực tế bào quang điện 0V) Bật đèn chiếu sang vị trí STRONG (sáng mạnh) Gạt chuyển mạch (2) vị trí CURRENT để đo dòng quang điện ban đầu Gạt chuyển mạch chiều dịng điện (6) vị trí có dấu - (đảo chiều điện áp đặt hai cực tế bào quang điện để tạo hiệu điện cản) Xoay nhẹ núm điều chỉnh điện áp (5) để tăng dần hiệu cản cường độ dòng quang điện giảm tới giá trị Gạt chuyển mạch (2) vị trí VOLTAGE để đọc giá trị hiệu điện hãm Uh ghi vào bảng với giá trị bước sóng tương ứng 303 Thí nghiệm Vật lý Lần lượt thay kính lọc sắc đỏ kính lọc sắc vàng ( = 570nm) kính lọc sắc lục ( = 540nm) , lặp lại bước thí nghiệm với kính lọc sắc cho Đọc ghi kết thí nghiệm vào bảng Nhấn công-tắc đèn chiếu công-tắc nguồn vị trí OFF để ngắt điện cho thiết bị Tháo kính lọc sắc, xếp cẩn thận vào hộp xốp đậy nắp che cửa sổ tế bào quang điện IV CÂU HỎI KIỂM TRA Định nghĩa tượng quang điện Thế hiệu điện hãm, động ban đầu cực đại quang electron ? Phát biểu ba định luật quang điện dùng thuyết phơtơn Anhxtanh để giải thích định luật quang điện Nêu phương pháp nghiên cứu định luật dòng quang điện bão hòa Mối liên hệ cường độ dòng quang điện khoảng cách từ nguồn sáng đến tế bào quang điện ? Nêu phương pháp xác định số Planck thí nghiệm Hãy nêu nguyên nhân gây nên sai số phép đo 304 Thí nghiệm Vật lý BÁO CÁO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN (theo mẫu gợi ý) Trường Xác nhận giáo viên Lớp Tổ Họ tên I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM II KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Bảng Vẽ đặc tuyến vôn-ampe tế bào quang điện : TT Hiệu điện 1,0 Cường độ dòng điện 13 2.5 14 3,0 4,5 12 2,0 10 11 1.5 Hiệu điện 0.5 TT 15 3.5 16 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 Bảng Nghiên cứu định luật dòng quang điện bão hồ : TT Vị trí r 40 (cm) 38 Cường độ dòng điện ( nA) TT Vị trí r 28 Cường độ dịng điện (cm) Cường độ dịng điện ( nA) 26 305 Thí nghiệm Vật lý 36 32 TT 24 34 10 22 30 12 18 11 20 Bảng Đo hiệu điện hãm xác đinh số Planck: Kính lọc sắc đỏ Bước sóng (nm) Tần số (Hz) Hiệu điện hãm Uh (V) vàng lục Vẽ đồ thị tương ứng với bảng 1, , Rút kết luận định luật quang điện nghiệm qua thí nghiệm nói 2.Từ đồ thị mô tả quan hệ tần số ánh sáng đơn sắc chiếu vào tế bào quang điện hiệu điện hãm tương ứng Tính số Planck cơng êlectrơn theo phương trình Einstein : h = A + eUh , = c/ A cơng êlectrôn 306 Phụ lục PHỤ LỤC MỘT SỐ HẰNG SỐ VẬT LÝ CƠ BẢN Ký hiệu Gía trị Vận tốc ánh sáng chân không c 3.108m/s Khối lượng electrơn me 9,11.10-31kg = 5,49.10-4u Hằng số Điện tích ngun tố Khối lượng prôtôn Khối lượng nơtrôn Hằng số Placnk Bước sóng Compton electrơn Hằng số Avogadro Hằng số Boltzman Hằng số Stephan – Boltzman Hằng số Wien Hằng số Rydberg Bán kính Bohr Manhêtơn Bohr e mp mn h λc NA k σ b R rB μB 1,6.10-19C 1,67.10-27kg = 1,0073u 1,68.10-27kg = 1,0087u 6,625.10-34J.s 2,426.10-12m 6,023.1023mol-1 1,38.10-23J/K 5,67.10-8 W/m2K4 2,868.10-3 m.K 3,29.1015s-1 0,529.10-10m 9,27.10-24J/T 307 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.Vật lí đại cương, tập I, II, III - Lương Dun Bình, Ngơ Phú An, Lê Băng Sương Nguyễn Hữu Tăng Nhà xuất Giáo dục - 2003 Cơ sở Vật lí, Tập VI - Halliday, Resnick, Walker Nhà xuất Giáo dục 1998 Vật lí đại cương, tập I, II, III - Đặng Quang Khang Nguyễn Xuân Chi Nhà xuất Đại học Bách khoa Hà Nội - 2001 Bài tập Vật lí Đại cương tập I, II, III - Lương Duyên Bình Nhà xuất Giáo dục - 1999 Quang học, Huỳnh Huệ Nhà xuất Giáo dục - 1992 Quang học Nguyễn Thế Bình Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà nội - 2007 Vật Lý Đại cương tập II, Nguyễn Viết Kính, Bạch Thành Cơng, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà nội - 2007 Vật lí đại cương tập 3: Các nguyên lý ứng dụng, Trần Ngọc Hợi Phạm văn Thiều, Nhà xuất Giáo dục Vật lí đại - Ronald Gautreau – William Savin; Ngô Phú An - Lê Băng Sương dich Nhà xuất Giáo dục- 2009 308