Khóa luận tốt nghiệp hệ thống câu hỏi và bài tập trắc nghiệm phần quang lượng tử

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÍ  LÊ THANH MAI HỆ THỐNG CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP TRẮC NGHIỆM PHẦN QUANG HỌC LƢỢNG TỬ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Vật lí đại cƣơng HÀ NỘI, 2018 TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÍ  LÊ THANH MAI HỆ THỐNG CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP TRẮC NGHIỆM PHẦN QUANG HỌC LƢỢNG TỬ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Vật lí đại cƣơng Ngƣời hƣớng dẫn khoa học TS Phan Thị Thanh Hồng HÀ NỘI, 2018 MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Theo nghị số 29-NQ/TW ngày 4-11-2013 Hội nghị Trung ƣơng khóa XI đổi toàn diện giáo dục đào tạo, cần phải đổi mục tiêu chƣơng trình, nội dung giáo dục, phƣơng pháp dạy học đặc biệt phƣơng pháp kiểm tra đánh giá kết học tập học sinh Việc kiểm tra đánh giá có hệ thống thƣờng xuyên cung cấp kịp thời thông tin cần thiết giúp học sinh tự điều chỉnh hoạt động học đồng thời giúp giáo viên có thơng tin phản hồi để điều chỉnh, hồn thiện q trình dạy học Hình thức kiểm tra tự luận mang tính truyền thống, kiểm tra trình độ tƣ học sinh trình độ cao, nhƣng giới hạn phần kiến thức định Hình thức trắc nghiệm khách quan đƣợc d ng để kiểm tra đánh giá kiến thức vùng rộng cách nhanh chóng, xác, khách quan; cho phép xứ lí kết theo nhiều chiều với học sinh nhƣ tổng thể lớp học giúp cho giáo viên kịp thời điều chỉnh hoàn thiện phƣơng pháp dạy để nâng cao hiệu dạy học Quang học môn học nghiên cứu chất ánh sáng, lan truyền tƣơng tác ánh sáng với mơi trƣờng mà qua Các nghiên cứu ánh sáng chứng tỏ rằng, ánh sáng vừa có tính chất sóng (sóng điện từ) lại vừa có tính chất hạt (lƣợng tử ánh sáng) Các tƣợng giao thoa, nhiễu xạ, phân cực chứng thực nghiệm chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng Các tƣợng quang điện, phát quang, tán xạ Compton, chứng thực nghiệm chứng tỏ ánh có tính chất lƣợng tử Vì vậy, việc tìm hiểu tính chất sóng nhƣ tính chất lƣợng tử ánh sáng đề tài có ý nghĩa khoa học thực tiễn Xuất phát từ nhận thức, suy nghĩ trên, em chọn đề tài “Hệ thống câu hỏi tập trắc nghiệm phần quang lƣợng tử” làm đề tài nghiên cứu Mục đích nghiên cứu Sƣu tầm, xây dựng hệ thống câu hỏi tập trắc nghiệm (có đáp án) phần “Quang lƣợng tử” Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Quang học lƣợng tử Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống câu hỏi tập trắc nghiệm khách quan phần “Quang lƣợng tử” chƣơng trình vật lí đại cƣơng Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu tài liệu liên quan đến phần quang lƣợng tử - Sƣu tầm, xây dựng hệ thống câu hỏi tập trắc nghiệm khách quan (có đáp án) phần “Quang lƣợng tử” Phƣơng pháp nghiên cứu - Tìm đọc, nghiên cứu tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu - Phân dạng, xây dựng câu hỏi tập trắc nghiệm Quang lƣợng tử - Tổng hợp kiến thức thu đƣợc để viết khóa luận Đóng góp đề tài Sƣu tầm, xây dựng cách có hệ thống câu hỏi tập trắc nghiệm khách quan (có đáp án) phần “Quang lƣợng tử” chƣơng trình vật lí đại cƣơng Bố cục đề tài Ngoài phần mở đầu, kết luận danh mục tài liệu tham khảo, cấu trúc khóa luận gồm chƣơng: Chƣơng Các kiến thức tính chất lƣợng tử ánh sáng Chƣơng Hệ thống câu hỏi tập trắc nghiệm NỘI DUNG Chƣơng CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ TÍNH CHẤT LƢỢNG TỬ CỦA ÁNH SÁNG 1.1 Hiện tƣợng quang điện (ngoài) 1.1.1 Khái niệm - Hiện tƣợng quang điện (ngoài) tƣợng ánh sáng làm bật electron khỏi bề mặt kim loại - Các electron bị bật khỏi bề mặt kim loại gọi electron quang điện (Hình 1.1) Hình 1.1 1.1.2 Thí nghiệm Stoletop 1.1.2.1 Thí nghiệm - Sơ đồ thí nghiệm (Hình 1.2) Tế bào quang điện gồm điện cực catot anot đặt bóng chân khơng có cửa sổ quang học thạch anh, catot đƣợc làm kim loại cần nghiên cứu tƣợng quang điện Khi rọi vào catot ch m sáng đơn sắc có bƣớc sóng thích hợp, mạch điện có Hình 1.2 dịng điện- gọi dịng quang điện 1.1.2.2 Đƣờng đặc trƣng Vơn- Ampe tế bào quang điện - Đƣờng đặc trƣng Vôn- Ampe tế bào quang điện đƣờng cong mơ tả phụ thuộc cƣờng độ dịng quang điện vào hiệu điện UAK (Hình 1.3) - - Khi UAK >0: tăng UAK theo UAK tăng U0 dịng quang điện khơng thay đổi tiếp tục tăng UAK Giá trị = I0 gọi dịng quang điện bão hịa Hình 1.3 I  ne e Trong đó: (1.1) số electron đến anot s điện tích electron ( e  1,6.1019 C ) - Khi UAK =0, có dịng quang điện ( - Khi UAK giá trị âm ( =0), 0) dòng quang điện bị triệt tiêu đƣợc gọi hiệu điện hãm đƣợc liên hệ với động ban đầu cực đại quang electron công thức: e U h  Wđomax (1.2) Chú ý: Hiệu suất lƣợng tử (hiệu suất quang điện): H ne n (1.3) 1.1.2.3 Các định luật quang điện a) Định luật giới hạn quang điện - Đối với kim loại xác định, hiệu ứng quang điện xảy tần số (hay bƣớc sóng giá trị ánh sáng rọi vào kim loại lớn (nhỏ hơn) (hay đó, (hay ) đƣợc gọi tần số (hay bƣớc sóng) giới hạn quang điện - Nói cách khác, điều kiện để xảy tƣợng quang điện: f  f0 (1.4) hay   0 (1.5) b) Định luật cường độ dòng quang điện bão hịa - Với ánh sáng có tần số khơng đổi rọi vào catot cƣờng độ dịng quang điện bão hòa tỉ lệ với cƣờng độ chùm sáng mà catot nhận đƣợc ( hay , cƣờng độ chùm sáng) c) Định luật động (vận tốc) ban đầu cực đại quang electron - Động (vận tốc) ban đầu cực đại quang electron không phụ thuộc vào cƣờng độ chùm sáng rọi vào catot mà phụ thuộc vào tần số (bƣớc sóng) chùm sáng chất kim loại làm catot 1.2 Thuyết lƣợng tử ánh sáng Công thức Einstein Photon 1.2.1 Thuyết lƣợng tử ánh sáng - Chùm sáng ch m photon (các lƣợng tử ánh sáng) Mỗi photon có lƣợng xác định: (1.6) ( tần số ánh sáng có bƣớc sóng đơn sắc tƣơng ứng) Cƣờng độ chùm sáng tỉ lệ với số photon phát 1s - Phân tử, nguyên tử, electron, phát xạ hay hấp thụ ánh sáng, có nghĩa chúng phát xạ hay hấp thụ photon - Các photon chuyển động với tốc độ c  3.108 m / s chân không Năng lƣợng photon nhỏ Mỗi chùm sáng dù yếu chứa nhiều photon nhiều nguyên tử phát Vì ta thấy ch m sáng nhƣ liên tục Năng lƣợng chùm sáng: E  N  Nhf (1.7) Một ch m sáng đơn sắc chứa photon giống (c ng lƣợng) Cƣờng độ chùm sáng điểm tỉ lệ với số photon ch m sáng qua diện tích 1m2 đặt điểm đó, vng góc với tia sáng giây Photon tồn trạng thái chuyển động Khơng có photon đứng yên 1.2.2 Công thức Einstein - Theo Einstein, có chùm sáng thích hợp rọi đến catot, electron tự kim loại hấp thụ photon Mỗi electron hấp thụ photon nhận đƣợc lƣợng Năng lƣợng phần chuyển hóa thành cơng A electron khỏi kim loại, phần lại chuyển thành động ban đầu quang electron Động ban đầu lớn electron gần mặt ngồi kim loại, electrong sâu kim loại, phần lƣợng mà hấp thụ photon bị tiêu hao trình chuyển động từ mặt kim loại Nhƣ động ban đầu cực đại electron sát mặt kim loại Theo định luật bảo toàn lƣợng, Einstein đƣa phƣơng trình cho hiệu ứng quang điện là:   A  Wđ Trong đó:   hf  hc A  hf  hc Wđo max (1.8) o max (1.9)  (1.10) 0 mv02max   e Uh (1.11) - Các công thức thƣờng dùng:  Cơng suất nguồn sáng: Trong P  n  nhf  n hc   Nhc t (1.12) số photon chiếu tới bề mặt catot 1s  Nếu vật cô lập điện đƣợc chiếu sáng thích hợp điện cực đại mà vật đạt đƣợc có cân động số electron bị bứt số electron bị hút trở lại: Vmax   hf  A e (1.13)  Động cực đại quang electron đập vào anot: Wđ Amax mvAmax   Wđ0 max  e U AK (1.14) (Khi UAK>0, electron đƣợc tăng tốc, UAK Số electron bật đến đƣợc anot 1s là: ne  46 I  1,125.1016 e - Mà hiệu suất lƣợng tử H  ne 100%  n p  1,125.1018 np - Công suất xạ mà catot nhận đƣợc là: P  n p  Câu 70 D - Cƣờng độ dịng quang điện bão hịa tồn electron quang điện bật bay hết anot Ta có I bh  q eN e  t t (1) - Công suất chiếu sáng lƣợng photon đến catot tính đơn vị thời gian, ta có P   N p t  hfN p t (2) - Theo giả thiết, photon đến giải phóng electron quang điện nên: N p  Ne (3) - Từ (1), (2), (3) đƣợc: I bh  e P hf hc eP0 Mặt khác: hf  A  mv   eU h  I bh  0 hc  eU h0 Câu 71 B Ta có: H  ne I P I I ' , ne  , n p   H  ,H '  np e  eP eP ' Theo giả thiết ta có: P '  P  20%P  1,2P , I '  I  10%I  1,1I  H' I ' eP '   1,1I e.1,2 P Nên hiệu suất giảm  11 H  H ' H 12 H H  H '  H H Câu 72 C - Khi bay vào v ng từ trƣờng theo hƣớng vng góc với đƣờng cảm ứng từ, lực từ trƣờng tác dụng lên electron buộc electron 47 chuyển động trịn Lực Lorenxo đóng vai trị lực hƣớng tâm nên FL  Fht  eBv.sin   mv mv  eB  R R - Vì bán kính electron cực đại nên chúng có vận tốc ban đầu cực đại  vo max  eBRmax m - Thay giá trị vào công thức Einstein: hc   hc  mv02max  0 0 Câu 73 B - Điều kiện triệt tiêu dòng quang điện: e Uh U h e  mevo2max  vo max  me - Khi electron bay từ trƣờng theo quỹ đạo tròn lực Lonrenxo đóng vai trị lực hƣớng tâm Ta có: B e vo max mevo2max mv   Rmax  e o max Rmax Be Câu 74 A - Từ công thức Einstein: hc  A  mvo2max  v0 max  - Vì electron mang điện âm nên lực điện tác dụng lên nguộc chiều với vecto cƣờng độ điện trƣờng Lực ngƣợc chiều với chiều chuyển động không đổi nên làm cho electron chuyển động chậm dần với gia tốc: a  F e.E  m m v  v02 v02  - Quãng đƣờng đƣợc electron là: s  2a 2a 48 Câu 75 B - Để electron không bị lệch hƣớng mơi trƣờng có điện trƣờng từ trƣờng lực điện trƣờng lực Lorenxo tác dụng vào electron ngƣợc chiều có độ lớn (Hình 2.1), ta có: eE  eBv0max  v0max - Từ cơng thức Einstein: Hình 2.1 hc 2hc  A  mvo2max     2 A  mvo2max Câu 76 A - Electron chuyển động vùng từ trƣờng có 300 nên quỹ đạo quang electron quỹ đạo xoắn ốc - Bán kính quỹ đạo xoắn là: R mvn mv.sin    0,0167m eB eB Hình 2.2 Câu 77 A - Từ công thức Einstein: hc  A  mvo2max  v0 max  - Khi electron chuyển động thẳng vùng có điện trƣờng từ trƣờng lực điện trƣờng lực Lorenxo phải cân nhau: U e  B.v0 max e  U  Bv0 max d d 49 Câu 78 B - Với electron bay theo phƣơng Ox cho tầm xa lớn (Hình 2.3) - Ta có: vx  v, vy  { - Khi đến dƣơng Hình 2.3 2m 2m 2mv t d  Rmax  x  vd d eU AK eU AK eU AK 2.2 Hiện tƣợng quang điện Câu 79 D Câu 80 B Câu 81 B Câu 82 C Câu 83 D Câu 84 A Câu 85 B Câu 86 B Câu 87 A Câu 88 B Câu 89 D Câu 90 D Câu 91 C Câu 92 B Câu 93 A Hiện tƣợng quang dẫn không xảy f Câu 94 C f0=4,8.1014 Hz Câu 95 C 2.3 Hiện tƣợng quang- phát quang Câu 96 C Câu 97 D Câu 98 B Câu 99 D Câu 100 A Câu 101 D Câu 102 B Câu 103 D Câu 104 D Câu 105 C Câu 106 D Câu 107 C 50 Câu 108 B Câu 109 B Câu 110 A Câu 111 D Câu 112 A Câu 113 A Câu 114 A Câu 115 B Câu 116 C Câu 117 A Câu 118 A Áp dụng công thức (1.22) Câu 119 C Áp dụng công thức (1.12) P  n  nhf  n hc   Nhc t Câu 120 C Áp dụng công thức (1.12) Câu 121 B Áp dụng cơng thức (1.12) Ta có: = 1,2 Câu 122 B Áp dụng công thức (1.12) Áp dụng công thức P  n  N P  N hc Pt  pq  pq pq N N kt Pkt kt t  hc Câu 123 B Áp dụng công thức (1.29) H N pq  pq N kt kt  20%  N pq  20% kt  pq N kt Câu 124 B Ta có: N pq N kt  Ppq  pq Pkt kt  1,5% 0,5  0,3 40 Câu 125 A 51 Ta có: Ppq  n pq hc  pq n pq hc  0,01.Pkt   pq  n pq  Ppq  pq hc 2.4 Hiện tƣợng tán xạ Compton Câu 126 D Câu 130 A Câu 127 B Câu 128 A Câu 129 A Áp dụng công thức (1.23) Câu 131 D Có lƣợng photon tới:   hc    hc  Áp dụng công thức (1.23) đƣợc:  '   c (1  cos )  c  Câu 132 C Áp dụng công thức: hc    c (1  cos )  cos   2c sin  hc c    50022'  Câu 133 D ( Áp dụng công thức: Theo định luận bảo toàn lƣợng: hc   m0c  hc hc  mc   K  m0c  K ' ' Câu 134 A - Hình 1.4 - Ta có độ dời Compton:  '   k (1  cos )  '  p    c (1  cos )    c (1  cos )   p'  - Áp dụng định lí hàm sin ta có: sin   p' sin  pe (1) Hình 2.4 52 p  pe2  p '2 p pe - Áp dụng định lí hàm cos ta có: cos  - Lại có: pe2  p  p '2  pp 'cos  cos   p  p 'cos pe (2) p  cos p'     - Từ (1) (2) ta đƣợc: cot    1  c  tan sin    Câu 135 C Hình 2.5 - Ta có độ dời Compton:  '   k (1  cos )  p  '    c (1  cos )    c (1  cos ) p'    - Áp dụng định luật bảo toàn lƣợng ta có:    ' K    2 K  K   '2 (1) - Áp dụng định luật bảo toàn động lƣợng ta có: uur pe  p '2 c  p 2c  pe2c  ppec cos (2) - Lại có: p 2c  K  2KE0 (3) Hình 2.5 - Từ (1), (2), (3) đƣợc: K 2m0c 2      1  tan     c  53 KẾT LUẬN CHƢƠNG Qua chƣơng 2, khóa luận hệ thống phân dạng đƣợc dạng tập trắc nghiệm (có đáp án) phần “Quang học lƣợng tử” gồm: - Trắc nghiệm tƣợng quang điện Thuyết lƣợng tử ánh sáng Công thức Einstein - Hiện tƣợng quang điện - Hiện tƣợng quang- phát quang - Hiện tƣợng tán xạ Compton Việc giải toán phức tạp trở nên dễ dàng biết phân tích tốn, áp dụng cơng thức tính tốn dạng tập 54 KẾT LUẬN CHUNG Sau thời gian tích cực tìm hiểu, nghiên cứu tài liệu với hƣớng dẫn tận tình TS Phan Thị Thanh Hồng, em hồn thành đề tài nghiên cứu mình, khóa luận đạt đƣợc yêu cầu sau: - Hệ thống lại kiến thức phần “Quang học lƣợng tử” - Hệ thống phân dạng câu hỏi tập trắc nghiệm phần “Quang học lƣợng tử” - Đáp án câu hỏi tập trắc nghiệm phần “Quang học lƣợng tử” - Hƣớng dẫn giải số câu hỏi tập trắc nghiệm phần “Quang học lƣợng tử” Nhƣ vậy, đề tài đạt đƣợc mục đích đề Tuy nhiên, trình nghiên cứu thực đề tài khơng tránh khỏi thiếu sót Kính mong nhận đƣợc góp ý thầy tổ mơn để đề tài đƣợc hồn thiện 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lƣơng Duyên Bình (chủ biên), Vũ Quang, Nguyễn Thƣợng Chung, Tơ Giang, Trần Chí Minh, Ngơ Quốc Quỳnh (2008), Vật lí 12, Nhà xuất Giáo dục [2] Huỳnh Huệ (1991), Quang học, Nhà xuất giáo dục [3] Vũ Thanh Khiết (1993), tập vật lí đại cương tập 2, Nhà xuất giáo dục [4] Vũ Quang (chủ biên), Lƣơng Dun Bình, Tơ Giang, Ngơ Quốc Quỳnh (2008), Bài tập vật lí 12, Nhà xuất Giáo dục [5] Nguyễn Anh Vinh (2011), Cẩm nang ơn luyện thi đại học mơn vật lí tập2, Nhà xuất đại học sƣ phạm [6] Đề thi tuyển sinh đại học khối A năm Các trang web: [7] https://tailieu.vn [8] http://thuvienvatly.com [9] http://vatly247.com 56