Xây dựng bài tập tự luận và trắc nghiệm quang lượng tử trong học phần quang học đại cương

Trong giai đoạn này, nền Vật lý ngoài những thànhtựu đóng góp cho sự phát triển của Vật lý thì còn đứng trước một vấn đề khó khăn mà Vật lýhọc cổ điển không thể đưa ra sự giải thích cho

Lời cảm ơn

Để đạt được kết quả như ngày hôm nay tác giả xin chân thành cảm ơn cha mẹ, gia đình, thầy

cô và bạn bè đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập cũng như thực hiện khóa luận này.Tác giả xin bày tỏ lòng trân trọng và cảm ơn đến:

Giảng viên hướng dẫn, cô Nguyễn Thị Hảo đã giúp đỡ, hướng dẫn tôi rất nhiều trong quá trìnhtìm hiểu và thực hiện khóa luận, hướng dẫn đề tài cũng như dành nhiều thời gian để đọc vàsửa chữa khóa luận cho tôi

Các bạn sinh viên khoa Vật lý trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh đã giúp tôilàm bài khảo sát Điều này làm cho khóa luận được hoàn thiện và kịp thời hạn

Bên cạnh đó, tôi xin gửi lời tri ân đến các thầy cô trong khoa Vật lý đã giảng dạy, truyền đạtnhững kiến thức và kinh nghiệm cho tôi trong suốt quá trình học tập

Xin được phép gửi lời biết ơn đến các thầy cô trong hội đồng đã đọc, nhận xét và đóng gópnhững ý kiến quý báu cho khóa luận

Tôi cũng xin gửi lời biết ơn đến Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chính Minh đã tạocho tôi có một môi trường học tập và rèn luyện một cách thuận lợi và tốt nhất

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè xung quanh tôi đã động viên, giúp đỡtôi trong suốt khóa học

Bùi Lê Hoàng Nghĩa

Mục lục

1.1 Bức xạ nhiệt 6

1.1.1 Các khái niệm cơ bản 6

1.1.2 Các định luật về bức xạ vật đen 10

1.1.3 Đường đặc trưng phổ phát xạ của vật đen 13

1.2 Hiện tượng quang điện 18

1.2.1 Khảo sát thực nghiệm 18

1.2.2 Các định luật quang điện 20

1.2.3 Thuyết lượng tử ánh sáng 20

1.2.4 Khối lượng nghỉ và động lượng của photon 21

1.2.5 Ý nghĩa của thuyết lượng tử ánh sáng 22

1.3 Hiệu ứng Compton 22

1.3.1 Giới thiệu tia X 22

1.3.2 Khảo sát thực nghiệm 23

1.3.3 Khảo sát lý thuyết 25

II Phân loại và phương pháp giải bài tập Quang lượng tử 27 2 Sử dụng bài tập Vật lý trong dạy và học 28 2.1 Khái niệm bài tập Vật lý 28

2.2 Vai trò và tác dụng của bài tập Vật lý 28

2.2.1 Vai trò 28

2.2.2 Tác dụng 29

2.3 Phân loại bài tập Vật lý 29

2.3.1 Bài tập định tính 29

2.3.2 Bài tập tính toán 30

2.3.3 Bài tập thí nghiệm 30

2.3.4 Bài tập đồ thị 31

2.4 Hoạt động giải bài tập Vật lý 31

2.5 Phương pháp giải bài tập Vật lý 32

2.5.1 Tìm hiểu đầu bài 32

2.5.2 Phân tích hiện tượng 32

2.5.3 Xây dựng lập luận 32

2.5.4 Biện luận 33

2.6 Xây dựng lập luận trong giải bài tập Vật lý 33

2.6.1 Xây dựng lập luận trong giải bài tập định tính 34

2.6.2 Xây dựng lập luận trong giải bài tập tính toán tổng hợp 35

2.7 Các bước chung giải bài tập Vật lý 37

2.8 Lựa chọn bài tập Vật lý 38

3 Phân loại bài tập Bức xạ nhiệt 39 3.1 Dạng 1: Tính toán và chứng minh các đại lượng vật lý trong lượng tử 39

3.1.1 Phương pháp 39

3.1.2 Bài tập có hướng dẫn 40

3.1.3 Bài tập tự luyện 42

3.1.4 Đáp số và hướng dẫn giải bài tập tự luyện 43

3.2 Dạng 2: Các bài toán liên quan đến các định luật bức xạ nhiệt 43

3.2.1 Phương pháp 43

3.2.2 Bài tập minh họa 44

3.2.3 Bài tập tự luyện 48

3.2.4 Đáp án và hướng dẫn giải bài tập tự luyện 48

3.3 Dạng 3: Vận dụng vào bài toán trong thiên văn 49

3.3.1 Phương pháp 49

3.3.2 Bài tập minh họa 50

3.3.3 Bài tập tự luyện 56

3.3.4 Đáp số và hướng dẫn giải bài tập tự luyện 57

4.1.1 Phương pháp 58

4.1.2 Bài tập có hướng dẫn 58

4.1.3 Bài tập tự luyện 64

4.1.4 Đáp số và hướng dẫn giải bài tập tự luyện 65

4.2 Dạng 2: Chuyển động của electron trong điện trường và từ trường 67

4.2.1 Phương pháp 67

4.2.2 Bài tập minh họa 68

4.2.3 Bài tập tự luyện 78

4.2.4 Đáp án và hướng dẫn giải bài tập tự luyện 79

4.3 Dạng 3: Công suất bức xạ và hiệu suất lượng tử 81

4.3.1 Phương pháp 81

4.3.2 Bài tập minh họa 81

4.3.3 Bài tập tự luyện 87

4.3.4 Đáp số và hướng dẫn giải bài tập tự luyện 88

4.4 Dạng 4: Ứng dụng của hiện tượng quang điện trong việc đo các hằng số vật lý 89 4.4.1 Phương pháp 89

4.4.2 Bài tập có hướng dẫn giải 90

4.4.3 Bài tập tự luyện 93

5 Phân loại bài tập Hiệu ứng Compton 94 5.1 Dạng 1: Các bài toán liên quan đến tia X 94

5.1.1 Phương pháp 94

5.1.2 Bài tập minh họa 95

5.1.3 Bài tập tự luyện 99

5.1.4 Đáp số và hướng dẫn giải bài tập tự luyện 99

5.2 Dạng 2: Xác định các đại lượng cơ bản trong hiệu ứng Compton 100

5.2.1 Phương pháp 100

5.2.2 Bài tập minh họa 100

5.2.3 Bài tập tự luyện 105

5.2.4 Đáp số và hướng dẫn bài tập tự luyện 105

5.3 Dạng 3: Các vấn đề mở rộng 106

5.3.1 Phương pháp 106

5.3.2 Bài tập minh họa 107

5.3.3 Bài tập tự luyện 111

5.3.4 Đáp số và hướng dẫn giải bài tập tự luyện 111

III Xây dựng hệ thống câu hỏi trắc nghiệm 112

6.1 Tổng quan về đo lường 113

6.1.1 Nhu cầu đo lường trong giáo dục 113

6.1.2 Các dụng cụ đo lường 113

6.2 Các hình thức câu trắc nghiệm 114

6.3 Các bước soạn thảo một bài trắc nghiệm 114

6.3.1 Xác định mục đích bài kiểm tra 115

6.3.2 Xác định mục tiêu học tập 115

6.3.3 Phân tích nội dung, lập bảng phân tích nội dung 116

6.3.4 Thiết kế dàn bài trắc nghiệm 117

6.3.5 Lựa chọn câu hỏi cho bài trắc nghiệm 117

6.3.6 Trình bày bài kiểm tra 118

6.4 Các chỉ số cần quan tâm khi phân tích câu trắc nghiệm 118

6.4.1 Đánh giá bài trắc nghiệm 118

6.4.2 Phân tích câu trắc nghiệm 120

6.4.3 Một số tiêu chuẩn để chọn được câu trắc nghiệm tốt 123

7 Quy hoạch bài trắc nghiệm 124 7.1 Cấu trúc chương trình phần Quang lượng tử 124

7.1.1 Bức xạ nhiệt 124

7.1.2 Hiệu tượng quang điện 124

7.1.3 Hiệu ứng Compton 125

7.2 Phân tích nội dung và mục tiêu học tập phần Quang lượng tử 125

7.2.1 Bức xạ nhiệt 125

7.2.2 Hiện tượng quang điện 127

7.2.3 Hiệu ứng Compton 128

7.2.4 Khảo sát thực nghiệm 128

7.2.5 Khảo sát lý thuyết 128

7.3 Thiết kế dàn bài trắc nghiệm 129

7.3.1 Dàn bài chung 129

7.3.2 Dàn bài chi tiết 129

8 Hệ thống câu hỏi trắc nghiệm 131 8.1 Hệ thống câu hỏi trắc nghiệm 131

8.1.1 Bức xạ nhiệt 131

8.1.3 Hiện ứng Compton 139

8.2 Đáp án và hướng dẫn giải 142

8.2.1 Đáp án 142

8.2.2 Hướng dẫn giải câu hỏi định lượng 142

9 Phân tích và đánh giá kết quả khảo sát 146 9.1 Thực nghiệm sư phạm 146

9.1.1 Mục đích thực nghiệm sư phạm 146

9.1.2 Phương pháp trắc nghiệm 146

9.2 Phân tích bài trắc nghiệm 148

9.2.1 Đánh giá bài trắc nghiệm thông qua điểm số 148

9.2.2 Đánh giá bài trắc nghiệm thông qua điểm số trung bình 154

9.3 Phân tích câu trắc nghiệm 155

9.3.1 Đánh giá câu trắc nghiệm thông qua chỉ số độ khó và độ phân cách 155

9.3.2 Phân tích chi tiết câu trắc nghiệm thông qua kết quả khảo sát 163

Danh mục các bảng

Bảng 7.1 Bảng số liệu dàn bài chung cho các mục tiêu kiến thức 129

Bảng 7.2 Bảng phân bố số lượng từng câu theo mục tiêu chương Hiện ứng Compton 129 Bảng 7.3 Bảng phân bố số lượng từng câu theo mục tiêu chương Bức xạ nhiệt 130

Bảng 7.4 Bảng phân bố số lượng từng câu theo mục tiêu chương Hiện tượng quang điện 130

Bảng 8.1 Đáp án các câu hỏi trắc nghiệm 142

Bảng 9.1 Bảng tổng hợp điểm thô và điểm cơ số 10 thông qua phân bố điểm số của sinh lớp học phần 1521PHYS101303 149

Bảng 9.2 Bảng tổng hợp điểm thô và điểm cơ số 10 thông qua phân bố điểm số của sinh viên lớp học phần 1521PHYS101301 và 1521PHYS101302 149

Bảng 9.3 Bảng phân bố các loại điểm lớp học phần lần 1 và lần 2 150

Bảng 9.4 Bảng phân bố điểm chuẩn của sinh viên lớp học phần 1521PHYS101303 152 Bảng 9.5 Bảng phân bố điểm chuẩn của sinh viên lớp học phần 1521PHYS101301 153 Bảng 9.6 Bảng tổng hợp kết quả trắc nghiệm lần 1 - lớp 1521PHYS101303 154

Bảng 9.7 Bảng tổng hợp kết quả trắc nghiệm lần 2 - lớp 1521PHYS101301 và 1521PHYS101302 155

Bảng 9.8 Bảng đánh giá độ khó và độ phân cách câu của lớp 1521PHYS101303 156

Bảng 9.9 Bảng đánh giá độ khó và độ phân cách câu của lớp 1521PHYS101301 và 1521PHYS101302 157

Bảng 9.10 Bảng tổng hợp các câu theo mức độ khó ở hai lần khảo sát 159

Bảng 9.11 Bảng thống kê độ khó theo mức độ nhận thức lần 1 160

Bảng 9.12 Bảng thống kê độ khó theo mức độ nhận thức lần 2 160

Bảng 9.13 Bảng tổng hợp các câu theo mức độ phân cách ở hai lần khảo sát 161

Bảng 9.14 Bảng thống kê độ phân cách theo mức độ nhận thức lần 1 162

Bảng 9.15 Bảng thống kê độ phân cách theo mức độ nhận thức lần 2 162

Bảng 9.16 Bảng kết quả sau khi phân tích chi tiết các câu hỏi trắc nghiệm 164

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 1.1 Minh họa độ chói năng lượng 8

Hình 1.2 Minh họa mô hình vật đen 10

Hình 1.3 Thí nghiệm định luật Krichhoff 10

Hình 1.4 Bố trí thí nghiệm xác định phổ bức xạ vật đen 13

Hình 1.5 Đường đặc trưng phổ phát xạ của vật đen ở các nhiệt độ khác nhau 14

Hình 1.6 Đường đặc trưng phổ phát xạ theo Wien và đường thực nghiệm 14

Hình 1.7 Đường đặc trưng phổ phát xạ theo Rayleigh - Jeans và đường thực nghiệm 16 Hình 1.8 So sánh lý thuyết của Wien, của Rayleigh – Jeans và của Planck 18

Hình 1.9 Sơ đồ khảo sát hiện tượng quang điện 18

Hình 1.10 Sự phụ thuộc của dòng quang điện vào hiệu điện thế UAK 19

Hình 1.11 Ống phát tia X 23

Hình 1.12 Sơ đồ tạo ra ra tia X 23

Hình 1.13 Sơ đồ thí nghiệm Compton 24

Hình 1.14 Phổ thu được ứng với những góc tán xạ khác nhau 24

Hình 1.15 Tán xạ tia X từ electron 26

Hình 2.1 Sơ đồ lập luận theo phương pháp phân tích 35

Hình 2.2 Sơ đồ lập luận theo phương pháp tổng hợp 36

Hình 3.1 Năng lượng tại Trái đất và lớp khí nhà kính 54

Hình 4.1 Mô tả chuyển động của electron trong điện trường khi ~v0 ⊥ ~E 71

Hình 4.2 Mô tả chuyển động của electron trong điện trường khi v~0, ~E= α 73

Hình 6.1 Sơ đồ các hình thức thông dụng của Trắc nghiệm 113

Hình 6.2 Minh họa lập dàn bài trắc nghiệm 117

Hình 6.3 Hình minh họa độ khó câu trên trục số 121

Hình 9.1 Đồ thị biểu diễn phân bố các loại điểm ở hai lần khảo sát 151

Hình 9.2 Đồ thị biểu diễn loại điểm số và tần số phân bố tương ứng của lớp học phần 1521PHYS101303 152

Hình 9.3 Đồ thị biểu diễn loại điểm số và tần số phân bố tương ứng của lớp học phần 1521PHYS101301 và 1521PHYS101302 153

Hình 9.4 Đồ thị biểu diễn tỉ lệ độ khó câu ở 2 lần khảo sát 160

Hình 9.5 Đồ thị biểu diễn tỉ lệ độ phân cách câu ở hai lần khảo sát 161

Lời mở đầu

Vật lý học là cơ sở của nhiều ngành kĩ thuật và công nghệ Sự phát triển của khoa học, Vật

lý gắn bó chặt chẽ và có tác động qua lại, trực tiếp với sự tiến bộ của khoa học, kĩ thuật vàcông nghệ Vì vậy những hiểu biết và nhận thức về Vật lý có giá trị to lớn trong đời sống vàsản xuất, đặc biệt trong công cuộc công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước Từ những hiểubiết về Vật lý đó con người đã có những nghiên cứu, khám phá thế giới tự nhiên và đồng thời,với những nhận thức đó con người đã phát minh ra nhiều thứ thiết yếu phục vụ cho cuộc sốngcủa con người hiện tại và trong tương lai

Theo dòng lịch sử, sự phát triển của Vật lý học đã có những bước chuyển mình mạnh mẽ, đặcbiệt vào cuối thế XIX và đầu thế kỉ XX Trong giai đoạn này, nền Vật lý ngoài những thànhtựu đóng góp cho sự phát triển của Vật lý thì còn đứng trước một vấn đề khó khăn mà Vật lýhọc cổ điển không thể đưa ra sự giải thích cho một loạt các kết quả từ thí nghiệm như đườngđặc trưng phổ bức xạ nhiệt của vật đen, hiệu ứng quang điện, quang phổ vạch của nguyên tử,hiện tượng Compton, Đây chính là tín hiệu tốt cho sự phát triển của nền Vật lý Các nhàVật lý đã cố gắng đưa ra những giả thuyết để giải thích những vấn đề trên nhưng đều khôngthành công Đến năm 1900, khi Planck đưa ra giả thuyết về lượng tử năng lượng, các vấn đềtrên đã được giải thích một cách chính xác và mở ra một hướng đi mới cho Vật lý, Vật lý lượng

tử Một trong những phần của Vật lý lượng tử là Quang lượng tử

Ở cấp trung học phổ thông, ta đã được tìm hiểu vấn đề này ở chương trình Vật lý 12 trongchương “Lượng tử ánh sáng” Đến cấp học cao hơn, ta được tiếp cận đầy đủ hơn về Quanglượng tử trong học phần Quang học đại cương Lúc này, ta tìm hiểu thêm nhiều hiện tượngthuộc lĩnh vực Quang lượng tử Điều đó đó đồng nghĩa với việc lượng kiến thức tăng lên Để

có thể lĩnh hội và vận dụng các kiến thức đã học, chúng ta cần làm nhiều bài tập và đây cũng

là vấn đề khó khăn đối với người học Sinh viên có thể tìm được nguồn bài tập phong phú từgiáo trình mà giáo viên giới thiệu hoặc internet Tuy nhiên, các bài tập này không được phândạng và được sắp xếp theo chủ quan của tác giả Vì kiến thức ở bài tập không được sắp xếplogic như quá trình học trên lớp nên sinh viên cảm thấy khó khăn khi thực hiện các bài tậpnày Bên cạnh đó, Quang lượng tử là một phần khá khó, đòi hỏi sinh viên cần có tư duy tốt và

có kĩ năng toán học vững vàng Do đó, để sinh viên lĩnh hội kiến thức tốt hơn thông qua việclàm bài tập, các bài tập phải được phân dạng và có phương pháp giải cụ thể Từ đó, sinh viên

sẽ hứng thú và học tập tích cực hơn

Phương pháp kiểm tra đánh giá bằng trắc nghiệm khách quan hiện đang được quan tâm rộngrãi ở bậc phổ thông trung học Ở bậc đại học, phương pháp này cũng đã được quan tâm ở các

nước phát triển và hiện nay cũng đang được quan tâm ở Việt nam Trong những năm gần đây,hình thức kiểm tra trắc nghiệm khách quan đã được áp dụng rộng rãi và bước đầu thể hiệnđược những ưu điểm của nó so với hình thức tự luận như: có thể kiểm tra kiến thức ở mức độbao quát; hạn chế được tình trạng học tủ, học vẹt; hạn chế những tiêu cực trong công tác kiểmtra, đánh giá Đối với khoa Vật lý, trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh, hìnhthức kiểm tra trắc nghiệm đã được áp dụng vào một số môn học (Cơ, Điện, Chuyên đề Quang,Điện kĩ thuật, Cấu trúc hạt nhân, ) trong đó có môn Quang học Thực tế cho thấy phươngpháp kiểm tra, đánh giá này đối với môn Quang học là phù hợp, có thể kiểm tra được mức độnắm bắt kiến thức của sinh viên theo chiều rộng cũng như chiều sâu Tuy nhiên, việc kiểm tra

và đánh giá bằng trắc nghiệm vẫn chưa được nhiều và chủ yếu áp dụng trong những đợt kiểmtra giữa kì nên kinh nghiệm mà sinh viên rút ra từ những đợt kiểm tra chưa đáng kể Do đó,việc phát triển hình thức thi cử này là tất yếu và đòi hỏi phải có một ngân hàng đề thi trắcnghiệm khách quan

Vì những lý do trên, tôi đã chọn đề tài: “Xây dựng bài tập tự luận và trắc nghiệm Quanglượng tử trong học phần Quang học đại cương” nhằm phục vụ cho việc học tập và kiểmtra đánh giá học phần Quang học đại cương ở chủ đề Quang lượng tử trong chương trình đàotạo bậc đại học của Khoa Vật lý, trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh

Khóa luận này bao gồm hai phần chính, phần đầu là xây dựng hệ thống bài tập tự luận Quanglượng tự có phân dạng và phương pháp giải rõ ràng và phần hai là xây dựng hệ thống câu hỏitrắc nghiệm Quang lượng tử nhằm bổ sung vào ngân hàng đề của tổ bộ môn Vật lý đại cương.Mục tiêu của khóa luận là:

1 Phân loại và phương pháp giải bài tập tự luận chủ đề Quang lượng tử Trong phần này,các bài tập tự luận được phân dạng một cách cụ thể Ứng với mỗi dạng sẽ có phươngpháp giải riêng và đi kèm theo đó là những ví dụ mẫu Bên cạnh đó, để phát huy khảnăng tự học của sinh viên sẽ có thêm bài tập rèn luyện

2 Đưa vào ngân hàng đề của tổ bộ môn Vật lý đại cương khoảng 40 câu trắc nghiệm kháchquan bốn lựa chọn phù hợp đề cương cương môn học và chương trình đào tạo của khoaVật lý trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh

Để thực hiện mục tiêu trên, tôi cần có được hệ thống bài tập Quang lượng tử phong phú vàphần mềm phân tích thống kê phân kết quả bài thi trắc nghiệm Hệ thống bài tập tự luận vàtrắc nghiệm được tham khảo từ [1], [3], [4], [6], [7], [10], [12], [16], [17] Những công việc cụ thểcần thực hiện trong khóa luận này là:

1 Hệ thống hóa các kiến thức của Quang lượng tử trong học phần Quang học đại cươngtrên cơ sở của [2], [?], [14]

2 Tìm hiểu cơ sở lý luận của việc làm bài tập trong quá trình học Vật lý dựa vào [11], [13].

3 Tiến hành phân loại và xây dựng phương pháp giải bài tập Quang lượng tử cho từngdạng bài

4 Tìm kiếm hệ thống bài tập phần Quang lượng tử phù hợp với chương trình đào tạo và

đề cương môn học

5 Tìm hiểu cơ sở lý luận về kiểm tra đánh giá bằng bằng trắc nghiệm khách quan dựa vào[15]

6 Xây dựng 60 câu hỏi trắc nghiệm khách quan bốn lựa chọn của phần Quang lượng tử

7 Tiến hành đo lường và đánh giá các câu trắc nghiệm và đưa vào ngân hàng đề những câutốt nhất

Nội dung của khóa luận bao gồm bốn phần Cụ thể các phần như sau:

Phần một có một chương là “Cơ sơ lý thuyết Quang lượng tử” Trong chương này, tôi trìnhbày tóm tắt lý thuyết của Quang lượng tử trong học phần Quang học đại cương Nội dungtrình bày bao gồm ba phần: Bức xạ nhiệt, hiệu ứng quang điện và hiện tượng Compton theo

đề cương môn học đưa ra

Phần hai là “Phân loại và phương pháp giải bài tập Quang lượng tử” Trong phần này, cơ sở lýluận của việc giải bài tập Vật lý sẽ được trình bày rõ ràng và thông qua đó, các bài tập Quanglượng tử sẽ được phân loại với phương pháp giải tương ứng Phần này bao gồm bốn chương,

từ chương 2 đến chương 5

ˆ Trong chương 2, “Sử dụng bài tập Vật lý trong dạy và học”, tôi sẽ trình bày tổng quan

về việc sử dụng bài tập trong quá trình dạy và học Vật lý Phần đầu của chương, tôi sẽtrình bày khái niệm về bài tập Vật lý và vai trò của việc làm bài tập Vật lý Thông qua

đó, các bài tập Vật lý sẽ được phân loại rõ ràng Bên cạnh đó, phương pháp giải chungcho tất cả các bài tập cũng được đề cập đến Phần cuối của chương nói đến việc lựa chọnbài tập Vật lý sao cho phù hợp với những yêu cầu cụ thể Điều đó sẽ làm nâng cao chấtlượng học tập Vật lý cho người học

ˆ Trong chương 3, 4 và 5, tôi sẽ trình bày về phân loại cũng như phương pháp giải bài tậpQuang lượng tử Tôi trình bày về phân loại bài tập bức xạ nhiệt ở chương 3; phân loạibài tập hiệu tượng quang điện ở chương 4 và phân loại bài tập hiện tượng Compton ởchương 5 Các chương này có cấu trúc như nhau Phần đầu của mỗi chương là phươngpháp giải của từng loại bài tập cụ thể Sau đó là những ví dụ mẫu có hướng dẫn giải chitiết Phần cuối cuối là bài tập rèn luyện Ở phần này, các bài tập chỉ có đáp án hoặc lượcgiải

Phần ba là “Xây dựng hệ thống câu hỏi trắc nghiệm” Trong phần này, hệ thống câu hỏi trắcnghiệm khách quan bốn lựa chon phần Quang lượng tử sẽ được xây dựng Sau đó, những câuhỏi sẽ đem đi đo lường, đánh giá và cuối cùng là chọn những câu hỏi tốt nhất vào ngân hàng

đề Phần này bao gồm bốn chương, từ chương 6 đến chương 9

ˆ Trong chương 6, “Cơ sở lý luận về kiểm tra đánh giá bằng trắc nghiệm khách quan”, tôi

sẽ trình bày tổng quan nội dung của lý thuyết kiểm tra đánh giá bằng hình thức trắcnghiệm khách quan Trong phần đầu của chương, các hình thức đo lường trong giáo dục

sẽ được đề cập đến Mỗi hình thức đo lường sẽ có công cụ đo khác nhau và ưu nhượckhác nhau Trong phần tiếp theo, tôi sẽ trình bày công cụ đo lường bằng hình thức trắcnghiệm khách quan bao gồm hai nội dung chính là: Các hình thức câu hỏi trắc nghiệm

và các bước soạn thảo một bài trắc nghiệm Trong phần cuối, nội dung được đế cấp đến

là các chỉ số cần quan tâm trong phân tích câu hỏi trắc nghiệm Những chỉ số này đượcxem như là thước đo khi sử dụng công cụ đo lường là hình thức trắc nghiệm khách quan

ˆ Trong chương 7, “Quy hoạch bài trắc nghiệm”, tôi sẽ đề cập ba nội dung Phần đầu củachương, tôi sẽ trình bày cấu trúc chương trình của Quang lượng tử theo đề cương mônhọc Phần tiếp theo, tôi sẽ phân tích nội dung và mục tiêu học tập phần Quang lượng tửdựa vào cấu trúc chương trình Phần cuối của chương, tôi sẽ thiết kế dàn bài trắc nghiệmphần Quang lượng tử từ những cơ sở trên

ˆ Trong chương 8, “Hệ thống câu hỏi trắc nghiệm”, các câu hỏi trắc nghiệm khách quanbốn lựa chọn ứng với mỗi phần trong Quang lượng tử sẽ được đề cập đến Các câu hỏitrắc nghiệm này sẽ được đem đo và phân tích cụ thể ở chương 9

ˆ Trong chương 9, “Phân tích và đánh giá kết quả khảo sát”, các câu hỏi trắc nghiệm sẽđược đem đi đo lường phân tích cụ thể Việc phân tích bao gồm hai nội dung: Phân tíchbài thi trắc nghiệm và phân tích câu trắc nghiệm Việc tính toán các kết quả thống kêđược hỗ trợ bởi phần mềm TEST của thầy Lý Minh Tiên, giảng viên khoa Tâm lý, Đạihọc Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh Sau khi có kết quả phân tích, tôi sẽ đánh giá bàitrắc nghiệm ở hai khía cạnh tương ứng với việc phân tích, đó là đánh giá bài trắc nghiệm

và đánh giá câu trắc nghiệm

Kết luận và hướng phát triển là phần cuối cùng của luận văn Trong phần này tôi sẽ trình bàytóm tắt các kết quả thu được khi thực hiện khóa luận cũng như đề ra hướng phát triển cho đềtài này

Phần I

Cơ sở lý thuyết Quang lượng tử

1.1.1.2 Công suất bức xạ

- Công suất bức xạ của nguồn là năng lượng do nguồn phát ra theo tất cả mọi phương gồmtất cả các đơn sắc trong một đơn vị thời gian

- Nếu ∆W là năng lượng bức xạ toàn phần (gồm tất cả các bước sóng và phát ra theo tất

cả mọi phương) phát ra trong thời gian ∆t thì công suất bức xạ là:

- Đơn vị của công suất bức xạ là Watt (W)

1.1.1.3 Năng suất phát xạ toàn phần

- Năng suất phát xạ toàn phần (độ trưng của vật phát xạ) là năng lượng do vật bức xạ từmột đơn vị diện tích bề mặt của nó trong một đơn vị thời gian, theo mọi phương và mọibước sóng

- Nếu δW là năng lượng bức xạ toàn phần phát ra bởi một diện tích dS của bề mặt vậtbức xạ trong một đơn vị thời gian thì năng suất phát xạ toàn phần là:

R = δW

- Đơn vị của R: W/m2, J/ m2.s

1.1.1.4 Hệ số phát xạ đơn sắc

- Xét các bức xạ có độ dài bước sóng ở trong khoảng λ và λ + dλ Năng lượng δWλ phát

ra theo mọi phương bởi một diện tích dS trong một đơn vị thời gian mang bởi các đơnsắc trên, thì tỉ lệ với diện tích dS và với dλ Do đó:

Rλ được gọi là hệ số phát xạ đơn sắc ứng với độ dài bước sóng λ có đơn vị W/m3

- Năng lượng toàn phần phát ra trong một đơn vị thời gian bởi diện tích dS là:

R và Rλ phụ thuộc vào nhiệt độ của vật bức xạ

1.1.1.5 Độ chói năng lượng

- Xét diện tích vi cấp dS bao xung quanh điểm A trên vật bức xạ Xét chùm tia có góckhối dω với phương trung bình AA’ (hình 1.1)

Hình 1.1: Minh họa độ chói năng lượng [14]

- Gọi dW là năng lượng do dS phát ra trong 1 đơn vị thời gian ứng với mọi bước sóng:

với

ˆ dσ là hình chiếu dS lên mp vuông góc AA’

ˆ e là độ chói năng lượng của nguồn theo phương AA’ e chỉ tùy thuộc vào bản chất

và nhiệt độ của nguồn, và tùy thuộc vào phương AA’

1.1.1.6 Hệ số chói năng lượng đơn sắc

- Bức xạ phát ra bởi một nguồn có thể gồm nhiều đơn sắc Năng lượng phát ra ứng vớicác đơn sắc khác nhau thì không bằng nhau Do đó, người ta đưa vào một đại lượng đặctrưng trong sự bức xạ, gọi là hệ số chói năng lượng đơn sắc eλ Gọi dWλ là năng lượng

do dS phát ra theo phương AA’ trong một đơn vị thời gian mang bởi góc khối dω ứngvới đơn sắc λ → λ + dλ

aλ = dW

00 λ

dW0 λ

(1.9)

a là tỉ số giữa hai đại lượng cùng thứ nguyên, do đó không có đơn vị Với mọi vật, ta có

0 ≤ aλ ≤ 1

1.1.1.8 Vật đen

Vật đen là những vật hấp thụ hoàn toàn năng lượng bức xạ chiếu tới (không có phản xạ, khúc

xạ, nhiễu xạ, tán xạ, khuếch tán) đối với mọi bước sóng và đối với mọi góc tới Nghĩa là vớivật đen ta có aλ = 1 với tất cả các độ dài sóng Như vậy nếu ta chiếu tới vật đen một tia sángthì tất cả đều bị vật hấp thụ, không có ánh sáng phản xạ, không có ánh sáng khuếch tán, cũngkhông có ánh sáng truyền qua [9]

Các vật thể này luôn phát xạ trở lại môi trường xung quanh các bức xạ điện từ, tạo nên quangphổ đặc trưng cho nhiệt độ của vật gọi là bức xạ vật đen Do vậy, ta phải hiểu vật đen không

có nghĩa là có màu đen Khi nhiệt độ càng cao, vật đen càng có khuynh hướng bức xạ điện từ

ở vùng bước sóng khả kiến, tạo nên màu sáng cho vật đen Mặt trời là một ví dụ về vật đentrong tự nhiên [8]

Trong tự nhiên khó có vật đen tuyệt đối nhưng người ta có thể tạo các mẫu vật đen có tínhchất đặc trưng của vật đen tuyệt đối, đó là bình kín, rỗng, có một lỗ nhỏ Phía trong bình cóphủ lớp mồ hóng để tăng năng suất hấp thụ tại thành bình Mọi bức xạ đi qua lỗ có xác suấtrất nhỏ để quay trở lại đúng lỗ và thoát ra ngoài sau khi phản xạ trên thành bình, cho nên hầunhư tất các tia bức xạ đi vào lỗ đều bị hấp thụ Lỗ hổng trên thành bình bây giờ giữ vai trònhư một vật đen tuyệt đối Mô hình này rất thuận tiện để nghiên cứu phổ bức xạ vật đen

Hình 1.2: Minh họa mô hình vật đen [8], [9]

1.1.1.9 Mật độ năng lượng đơn sắc

Xét bên trong khoảng rỗng của vật đen, mật độ năng lượng đơn sắc uλ là năng lượng trong 1đơn vị thể tích ứng với đơn sắc λ → λ + dλ

ˆ Khi năng lượng vật M phát xạ bằng năng lượng vật M hấp thụ thì có sự cân bằng nhiệt

ˆ Xét diện tích vi cấp dS bao quanh điểm A của vật M Phương bức xạ AA’

Hình 1.3: Thí nghiệm định luật Krichhoff [14]

ˆ Thí nghiệm cho thấy dù vật M làm bằng chất gì và có nhiệt độ ban đầu là bao nhiêu thìsau một thời gian, nhiệt độ của M cũng bằng với nhiệt độ của bình Trong trường hợpnày, sự truyền nhiệt không thể xảy ra do hiện tượng dẫn nhiệt hay hiện tượng đối lưu,

mà sự cân bằng được thực hiện là do sự trao đổi năng lượng dưới dạng bức xạ giữa bình

Eλ là hệ số tỉ lệ phụ thuộc vào nhiệt độ T và độ dài bước sóng λ Như vậy Eλ = E(T, λ)

là một hàm phổ biến theo nhiệt độ T và độ dài bước sóng λ (phổ biến vì chung cho mọivật) Eλ được gọi là cường độ riêng của bức xạ nhiệt trong chân không

Định luật Kirchhoff Dựa vào (1.10), định luật Kirchhoff được phát biểu như sau:

Tỉ số giữa năng suất phát xạ đơn sắc và hệ số hấp thụ đơn sắc của cùng một vật ở một nhiệt

độ nhất định là một hàm chỉ phụ thuộc vào bước sóng và nhiệt độ, mà không phụ thuộc vào bảnchất vật đó

Ý nghĩa của định luật Kirchhoff

ˆ Một vật phát ra bức xạ λ càng mạnh nếu nó hấp thụ bức xạ này càng mạnh Nói cáchkhác, đối với một bức xạ λ, một vật bức xạ tốt nếu nó là một vật hấp thụ tốt

= e

vđ λ

Tỉ số giữa hệ số chói năng lượng đơn sắc và hệ số hấp thụ (ứng với cùng một độ dài sóng

và xét cùng một phương) của một vật bất kỳ thì bằng hệ số chói năng lượng đơn sắc củavật đen đối với cùng một độ dài sóng và ở cùng một nhiệt độ

ˆ Muốn eλ 6= 0 thì aλ 6= 0 và eλ vật đen 6= 0 Vật phát xạ bước sóng nào thì phải có khảnăng hấp thụ bước sóng đó và đồng thời vật đen phải có khả năng phát xạ bước sóng đó

1.1.2.2 Định luật Stefan – Boltzmann

Phát biểu Năng suất phát xạ toàn phần của vật đen tuyệt đối tỉ lệ với lũy thừa bậc bốn củanhiệt độ tuyệt đối của nó

Biểu thức

trong đó σ là hằng số Stefan – Boltzmann: σ = 5.67 × 10−8 (W/m2K4)

Nếu không phải vật đen thì:

với 0 < aλ < 1 là hệ số hấp thụ của vật

1.1.2.3 Định luật Wien (định luật dịch chuyển)

Phát biểu Bước sóng λmax ứng với sự phát xạ cực đại cũng thay đổi, nhưng tích số của nhiệt

độ tuyệt đối T và bước sóng λmax tương ứng là không đổi

Biểu thức

với b = 2.898 × 10−3m.K là hằng số Wien

1.1.3 Đường đặc trưng phổ phát xạ của vật đen

Đường cong biểu diễn sự biến thiên của Eλ, Rλ, uλ theo bước sóng λ được gọi là đườngđặc trưng phổ phát xạ của vật Ta xác định được đặc trưng phổ phát xạ của vật đen bằng thínghiệm sau

ˆ Chùm tia nhiễu xạ hội tụ khe f nhờ thấu kính hội tụ (TKHT) L2 của ống E

ˆ Chùm tia ló ở khe f được hấp thụ nhờ tấm kim loại mỏng bôi đen K

ˆ Cặp nhiệt điện I có đầu a nối với K, đầu b với một nguồn lạnh Sự chênh lệch nhiệt độ

a, b tạo dòng điện làm lệch kim điện kế G

Đường cong phổ phát xạ vật đen chính là đồ thị biểu diễn sự biến thiên độ chỉ của G theo bướcsóng Bằng cách thay đổi nhiệt độ T của vật đen, ta vẽ được nhiều đường đặc trưng ứng vớinhiều nhiệt độ khác nhau

Hình 1.5: Đường đặc trưng phổ phát xạ của vật đen ở các nhiệt độ khác nhau

ˆ Năng suất phát xạ toàn phần của vật đen tuyệt đối : RT (W/m2) được biểu thị qua diệntích giới hạn bởi đường đặc trưng phổ phát xạ và trục hoành

1.1.3.2 Phương trình đường đặc trưng phổ phát xạ của vật đen

Phương trình của Wien

ˆ Hạn chế: Phương trình được xây dựng theo lí thuyết, nhưng hằng số C1, C2 xây dựngtheo thực nghiệm.

ˆ Nhận xét: : Đồ thị của Wien phù hợp với đường cong thực nghiệm về phía có bước sóngngắn, nhưng lại bị lệch về phía bước sóng dài

Phương trình của Rayleigh – Jeans (cổ điển)

ˆ Hai ông cho rằng bức xạ điện tử phản chiếu đi lại nhiều lần bên trong khoảng rỗng củavật đen Những bức xạ có phương truyền và độ dài sóng thích hợp với kích thước củakhoảng rỗng hợp với các sóng phản xạ của chúng tạo thành một hệ thống sóng dừng

ˆ Năng lượng bên trong khoảng rỗng vật đen là năng lượng của các loại sóng dừng (do sóngdừng là sóng tổng hợp của sóng tới và sóng phản xạ trên thành bình) Năng lượng đó

Hình 1.7: Đường đặc trưng phổ phát xạ theo Rayleigh - Jeans và đường thực nghiệm [14]

Phương trình của Planck

ˆ Planck nhận thấy từ phương trình của Wien nếu thêm -1 vào mẫu và hiệu chỉnh C1 ,

C2 thì đường cong lí thuyết phù hợp với đường cong thực nghiệm Mặt khác, Planck dòlại hết sức cặn kẽ lý luận của Rayleigh và Jeans nhưng không phát hiện được kẻ hở nàotrong lý thuyết này Điều này có nghĩa là khuyết điểm không phải nằm trong lý thuyếtcủa Rayleigh mà nằm trong cơ sở của lý thuyết đó Planck đi tính lại năng lượng trungbình này trên một cơ sở khác

ˆ Planck cho rằng: năng lượng bên trong khoảng rỗng của vật đen là năng lượng của cáchạt dao động vi cấp và đó cũng là năng lượng trung bình của mỗi loại sóng dừng, nănglượng đó đó biến thiên rời rạc, gián đoạn

ˆ Năng lượng trung bình của các hạt dao động vi cấp là:

W = Tổng số năng lượngTổng số hạt vi cấpNăng lượng mức m: mε

B là cấp số nhân: số hạng đầu u1 = 1, công bội q = x < 1, vô số hạng

vẽ được bởi thực nghiệm

ˆ Năng lượng của một vật dao động chỉ có thể thay đổi nhỏ nhất là: ε = hν

ˆ Ta có thể từ công thức Planck tìm lại các định luật Stefan – Boltzmann, định luật Wien,công thức Rayleih – Jeans khi λ lớn Điều này xác định sự đúng đắn của giả thuyết Planck

về lượng tử

Kết luận: Phương trình của Planck phù hợp hoàn toàn với đường cong thực nghiệm Phù hợpvới mọi miền bước sóng, nhiệt độ Sự khủng hoảng ở vùng tử ngoại đã được giải quyết

Hình 1.8: So sánh lý thuyết của Wien, của Rayleigh – Jeans và của Planck

1.2 Hiện tượng quang điện

1.2.1 Khảo sát thực nghiệm

Hiện tượng quang điện là hiện tượng phát ra các electron khi chiếu ánh sáng lên bề mặt kimloại Các electron này được gọi là electron quang điện và sự dịch chuyển có hướng của chúngtạo nên dòng quang điện

Hình 1.9: Sơ đồ khảo sát hiệu ứng quang điện [8]

Hình 1.9 trình bày sơ đồ thí nghiệm để khảo sát hiện tượng quang điện Ta có thể đo mật độdòng electron bay ra dưa vào số đo cường độ dòng quang điện Ngoài ra, ta có thể xác địnhđược vận tốc của electron thoát ra khỏi bề mặt kim loại bằng cách áp điện thế ngược vào điệncực dương và điện cực âm sao cho dòng quang điện bằng không Khảo sát sự phụ thuộc củavận tốc thoát của electron và cường độ dòng quang điện bão hòa vào cường độ cũng như bướcsóng chùm sáng tới, ta thu được các quy luật rất đặc biệt gọi là các định luật quang điện

có ánh sáng chiếu vào thì trong mạch không có dòng điện (kim điện kế không lệch) Khi chiếuánh sáng có tần số thích hợp vào quang cathod thì trong mạch hiện dòng điện Điều này chứng

tỏ đã có các electron bứt ra khỏi quang cathod, dưới tác dụng của điện trường, các electron bịkéo về anod do đó trong mạch xuất hiện dòng điện, được gọi là dòng quang điện

Khi ta thay đổi giá trị UAK và đo sự biến thiên của cường độ dòng quang điện theo hiệu điệnthế UAK, ta đo được đường cong a Sau đó tăng gấp đôi cường độ sáng và lặp lại thí nghiệm,

ta thu được đường cong b [9] Đồ thị được biễu diễn như hình 1.10

Hình 1.10: Sự phụ thuộc của dòng quang điện vào hiệu điện thế UAK [9]

Ta thấy rằng, khi UAK tăng thì dòng quang điện tăng theo Nếu tiếp tục tăng UAK thì I sẽ đạtđến một giá trị không đổi gọi là dòng bão hòa I0 Điều này có thể giải thích như sau: Hiệu điệnthế UAK dương có tác dụng kéo các electron phát ra từ quang cathod về anod Khi UAK cànglớn thì số electron tạo ra ở cathod (K) về được anod (A) ngày càng nhiều và dòng quang điệncàng lớn Đến một lúc nào đó, khi mọi quang electron phát ra ở K đều tập trung ở A thì dù cótăng UAK thì dòng điện cũng không thể tăng được nữa Khi đó ta có dòng bão hòa Như vậycường độ dòng bão hòa tỉ lệ số quang electron phát ra So sánh các giá trị I0 ứng với trườnghợp a và b ta thấy khi cường độ sáng tăng gấp đôi thì cường độ dòng bão hòa cũng tăng gấpđôi Như vậy, số quang electron phát ra tỉ lệ với cường độ ánh sáng tới

Ngoài ra, ta thấy khi UAK âm thì ứng với một giá trị UAK = −Uh thì dòng quang điện triệttiêu, Uh được gọi là thế hãm Thế hãm có ý nghĩa là: Bức xạ chiếu vào quang cathod đã cungcấp năng lượng làm các electron bứt ra khỏi kim loại và cung cấp cho mỗi electron một độngnăng ban đầu W0 Nhờ có động năng này các electron có thể chuyển động đến anod khi không

có điện trường hoặc khi điện trường có tác dụng chống lại chuyện động Giá trị UAK = −Uhứng với khi các electron có động năng ban đầu lớn nhất W0max vừa đúng bị hãm bởi điện trường

Ta có thể tính đượcW0max bằng cách dùng định luật bảo toàn năng lượng, tổng động năng vàthế năng của electron trong điện trường là không đổi Khi đó:

Từ (1.18) ta thấy W0max phụ thuộc vào Uh Mặt khác từ đồ thị 1.10, ta thấy Uh không phụthuộc vào cường độ ánh sáng tới Do đó, Động năng ban đầu cực đại không phụ thuộc vào cường

độ ánh sáng tới Đây là một điều khó hiểu nếu nhìn dưới quan điểm của thuyết sóng ánh sáng[8]

Bây giờ, ta thay đổi tần số của ánh sáng tới và đo sự phụ thuộc của Uh theo tần số thì thấyrằng Uh là hàm tuyến tính của tần số ánh sáng tới Do đó động năng ban đầu cực đại cũng làhàm tuyến tính của tần số Tần số mà tại đó Uh = 0 gọi là tần số ngưỡng kí hiệu là ν0 Khiánh sáng đến có tần số nhỏ hơn tần số ngưỡng thì không có dòng điện trong mạch Vậy khiánh sáng đến có tần số nhỏ hơn tần số ngưỡng ν0 thì hiệu ứng quang điện không xảy ra Bướcsóng λ0 = c

ν0 được gọi là giới hạn quang điện Thực nghiệm cho thấy giới hạn quang điện phụthuộc vào bản chất của kim loại

Ta có tóm tắt các kết quả thực nghiệm như sau [2], [8], [9], [14]:

ˆ Số quang electron phát ra tỉ lệ với cường độ ánh sáng chiếu tới

ˆ Động năng ban đầu cực đại của quang electron không phụ thuộc vào cường độ mà phụthuộc vào tần số ánh sáng tới

ˆ Khi ánh sáng tới có tần số nhỏ hơn tần số ngưỡng hay bước sóng ánh sáng lớn hơn giớihạn quang điện thì hiệu ứng quang điện không xảy ra

1.2.2 Các định luật quang điện

Từ các kết quả thí nghiệm về hiệu ứng quang điện, người ta rút ra được ba định luật như sau[2], [8], [9], [14]:

1 Hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi ánh sáng kích thích có bước sóng nhỏ hơn hay bằnggiới hạn quang điện (λ ≤ λ0)

2 Vận tốc của electron bức ra không phụ thuộc vào cường độ mà chỉ phụ thuộc vào bướcsóng của chùm ánh sáng chiều tới

3 Cường độ dòng quang điện bão hòa không phụ thuộc vào bước sóng mà tỉ lệ thuận vớicường độ ánh sáng tới

1.2.3 Thuyết lượng tử ánh sáng

Năm 1905, Einstein đã công bố công trình quan trọng giải thích một cách trọn vẹn hiệu ứng

E = hν = hc

λ.

Với giả thuyết trên, Einstein cho rằng khi một photon găp một electron trong kim loại, nó sẽ

bị hấp thụ hoàn toàn Sau khi electron nhận được năng lượng, nó sẽ tiêu một công thoát Wbằng năng lượng liên kết của nó trong kim loại và bức ra khỏi bề mặt kim loại với động nănglà:

Dựa vào (1.19), ta thấy hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi hc

λ ≥ A hay khi bước sóng có giátrị nhỏ hơn giá trị tới hạn λmax= hc

A Cũng từ (1.19), ta thấy động năng của electron bức rakhông phụ thuộc vào cường độ mà chỉ phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng tới Ngoài ra, docường độ ánh sáng tỉ lệ thuận với số photon đi qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thờigian, việc tăng cường ánh sáng tới, nghĩa là tăng số photon tới, sẽ dẫn đến việc tăng dần sốelectron bức ra khỏi bề mặt kim loại trong một đơn vị thời gian Vì thế, dòng quang điện bãohòa sẽ tăng tỉ lệ thuận với cường độ ánh sáng tới

1.2.4 Khối lượng nghỉ và động lượng của photon

Giả thuyết của Einstein cho thấy photon có tính chất như một hạt và mang năng lượng hν,chuyển động với vận tốc ánh sáng trong chân không Khi một hạt chuyển động, nó sẽ có độnglượng Do đó, photon cũng có động lượng Để tìm động lượng của photon ta phải tìm khốilượng nghỉ của nó Để tìm khối lượng này, ta bắt đầu từ công thức tổng quát cho năng lượngtoàn phần của một hạt có khối lượng nghỉ m0 chuyển động với vận tốc v là:

1.2.5 Ý nghĩa của thuyết lượng tử ánh sáng

Như vậy, bằng giả thuyết lượng tử ánh sáng, Einstein đã giải thích thành công ba định luậtcủa hiệu ứng quang điện mà lý thuyết cổ điển không làm được Lý thuyết của Einstein khôngnhững giải quyết một vấn đề bế tắc trong vật lý cổ điển mà còn mở ra một tư duy hoàn toànmới về bản chất của thế giới vi mô Albert Einstein được trao giải thưởng Nobel vào năm 1921cho việc giải thích hiệu ứng quang điện

1.3 Hiệu ứng Compton

1.3.1 Giới thiệu tia X

Tia X được khám phá ra vào năm 1895 bởi nhà Vật lý người Đức, Wilhelm Roentgen

1.3.1.1 Bản chất của tia X

Tia X là một dạng của sóng điện từ, nó có bước sóng trong khoảng từ 0.01 nm đến 1 nm Bướcsóng của nó ngắn hơn tia tử ngoại nhưng dài hơn tia gamma

1.3.1.2 Tính chất

ˆ Khả năng xuyên thấu lớn

ˆ Gây ra hiện tượng phát quang ở một số chất

ˆ Làm đen phim ảnh, kính ảnh

ˆ Ion hóa các chất khí

ˆ Tác dụng mạnh lên cơ thể sống, gây hại cho sức khỏe

1.3.1.3 Cách tạo ra tia X

Cấu tạo ống phát tia X

ˆ Ống thủy tinh chân không: dây nung bằng vonfam (làm nguồn electron) và hai điện cực

ˆ Catod K: bằng kim loại, hình chỏm cầu

ˆ Anod A: bằng kim loại, khối lượng nguyên tử lớn, điểm nóng chảy cao và được làm nguộibằng dòng nước khi hoạt động.

Hình 1.11: Ống phát tia X

Cách tạo tia X

ˆ Tia X được phát ra khi các electron hoặc các hạt mang điện khác bị hãm bởi một vậtchắn và xuất hiện trong quá trình tương tác giữa bức xạ γ với vật chất Các electronđược tạo ra do nung nóng catod Giữa catod và anod có điện áp cao nên các electronđược tăng tốc với tốc độ lớn đập vào anod Nếu electron tới có năng lượng đủ lớn làmbứt các electron ở lớp bên trong nguyên tử của anot thì nguyên tử ở trạng thái kích thíchvới một lỗ trống trong lớp electron Khi lỗ trống đó được lấp đầy bởi một electron ở lớpbên ngoài thì tia X phát ra với năng lượng bằng hiệu các mức năng lượng electron đượcphát ra

Hình 1.12: Sơ đồ tạo ra ra tia X

ˆ Thông thường để tạo ra tia X người ta sử dụng electron vì để gia tốc electron đòi hỏiđiện thế thấp hơn các hạt mang điện khác

1.3.2 Khảo sát thực nghiệm

Tính chất hạt của ánh sáng tiếp tục được củng cố khi Compton tiến hành thí nghiệm của mìnhvào năm 1923 Ông chiếu một chùm tia X có bước sóng λ vào một bản graphit và khảo sát

chùm tia tán xạ theo góc tán xạ θ nhờ máy quang phổ Ông nhận thấy rằng, ngoài vạch phổứng với bước sóng λ thì còn có một vạch khác ứng với bước sóng λ0 nhỏ hơn λ.

Hình 1.13: Sơ đồ thí nghiệm Compton [14]

Sơ đồ khảo sát hiệu ứng Compton như hình 1.13 Chùm tia X song song (chuẩn trực qua haikhe F1 và F2) phóng ra từ ống phát đập vào tấm bia graphit Một phần của chùm tia này đithẳng qua tấm bia, một phần bị tán xạ Các chùm tia tán xạ được thu vào detector với các góctán xạ khác nhau Ứng với một góc tán xạ θ, máy quang phổ ghi được hai vạch ứng với hai độdài sóng λ và λ0

Thí nghiệm cho thấy độ lệch về độ dài sóng ∆λ = λ0 − λ không tùy thuộc năng lượng củaphoton X và chất tán xạ, mà chỉ phụ thuộc góc tán xạ θ Hình 1.14 là kết quả của hiệu ứngCompton thực hiện với vạch Kα của Molybden, tán xạ bởi Carbon, đo ở các góc 0◦, 45◦, 90◦,

135◦ [9]

Hình 1.14: Phổ thu được ứng với những góc tán xạ khác nhau

1.3.3 Khảo sát lý thuyết

Hiệu ứng Compton là kết quả của quá trình tán xạ đàn hồi của photon tia X và electron liênkết yếu trong nguyên tử Trong phổ các vạch tán xạ, vạch có bước sóng đúng bằng bước sóngcủa chùm tia X là kết quả sự tương tác giữa chùm tia X và electron ở sâu trong nguyên tử, liênkết mạnh với hạt nhân, vạch có bước sóng λ0 > λ là sự tán xạ của chùm tia X với electron lớpngoài liên kết rất yếu với hạt nhân: các electron này có thể coi như là electron tự do

Compton đã giải thích kết quả thí nghiệm trên bằng cách giả thuyết rằng tia X gồm các dònghạt photon có năng lượng và động lượng xác định Sự tán xạ của tia X trong bia có thể xem làkết quả của quá trình va chạm đàn hồi giữa photon và electron, trong đó các electron ban đầuđứng yên và gần như hoàn toàn tự do Khi một photon đến va chạm với một electron liên kếtyếu trong vật chất, trong quá trình này, photon bị lệch hướng và truyền bớt động năng choelectron này, do đó giảm bớt năng lượng, tức là có bước sóng tăng lên Ngoài ra, khi va chạmvới một electron liên kết chặt với nguyên tử thì photon chỉ mất rất ít năng lượng và có bướcsóng gần như không đổi Điều đó giải thích sự tồn tại của hai bước sóng trong tán xạ Compton

Ta có thể tìm được biểu thức của λ0 từ các định luật bảo toàn năng lượng vào động lượng nhưsau:

Hạt

Trước va chạm Sau va chạm Trước va chạm Sau va chạm

Hình 1.15: Tán xạ tia X từ electron [14]

Chiếu xuống phương Ox:

p = p0cos θ + pecos ϕhν

hν0

c cos θ +

mvq

mec gọi là bước sóng Compton.

Mặc dù sự thay đổi độ dài sóng ∆λ không phụ thuộc vào bước sóng tới nhừng hiệu số ∆λ rất

bé nên chỉ khi λ thật sự nhỏ sao cho ∆λ/λ có giá trị đáng kể thì mới quan sát được sự hiệndiện của hai vạch phổ Điều này chỉ ra tại sao ta không ghi nhận được hiệu ứng Compton trongvùng ánh sáng nhìn thấy được

Phần II Phân loại và phương pháp giải bài tập

Quang lượng tử

Chương 2

Sử dụng bài tập Vật lý trong dạy và học

2.1 Khái niệm bài tập Vật lý

Bài tập Vật lý là một yêu cầu đặt ra cho người học, được người học giải quyết dựa trên cơ sởlập luận logic, nhờ các phép tính toán, các thí nghiệm, dựa trên những kiến thức về khái niệm,định luật và các thuyết Vật lý [5]

2.2 Vai trò và tác dụng của bài tập Vật lý

2.2.1 Vai trò

Xét về mặt phát triển tính tự lực của người học, nhất là rèn luyện kĩ năng vận dụng đã lĩnhhội được thì vai trò của bài tập Vật lý trong quá trình học tập có một giá trị rất lớn Bài tậpVật lý được sử dụng ở nhiều khâu trong quá trình dạy học

Bài tập là một phương tiện nghiên cứu hiện tượng Vật lý Trong quá trình dạy học Vật lý,người học được làm quen với bản chất của các hiện tượng Vật lý bằng nhiều cách khác nhaunhư: kể chuyện, biễu diễn thí nghiệm, làm bài thí nghiệm, Chiều sâu và độ vững chắc củakiến thức sẽ lớn nhất khi “tình huống có vấn đề” được tạo ra [11], [13], trong nhiều trường hợp,nhờ tình huống này có làm thể xuất hiện một kiểu bài tập mà trong quá trình giải người học

sẽ phát hiện lại quy luật Vật lý chứ không tiếp thu quy luật dưới hình thức có sẵn

Bài tập là một phương tiện phát triển tư duy Vật lý cho người học Việc giải bài tập làm pháttriển tư duy logic, sự nhanh trí Trong quá trình tư duy có sự phân tích và tổng hợp mối liên

hệ giữa các hiện tượng , các đại lượng Vật lý đặc trưng cho chúng

Bài tập là một phương tiện rèn luyện kĩ năng vận dụng các kiến thức của người học vào thựctiễn Đối với giáo dục kĩ thuật tổng hợp, bài tập Vật lý có ý nghĩa rất lớn, nó là một trongnhững phương tiện để người học liên hệ giữa lý thuyết với thực hành, học tập với đời sống.Bài tập về hiện tượng Vật lý trong sinh hoạt hằng ngày có ý nghĩa to lớn Chúng giúp ngườihọc nhìn thấy khoa học Vật lý xung quanh chúng ta Với các bài tập này, trong quá trình giải,

các hiện tượng Vật lý khác nhau trong tự nhiên, trong kĩ thuật và trong đời sống, đặc biệt cónhững bài tập đòi hỏi người học phải sử dụng kinh nghiệm từ thực tế lao động, sinh hoạt vàquan sát thực tế hằng ngày thì mới có thể giải quyết được.

2.2.2 Tác dụng [11]

ˆ Bài tập giúp cho việc ôn tập, đào sâu kiến thức

ˆ Bài tập có thể là điểm khỏi đầu để dẫn dắt đến kiến thức mới

ˆ Giải bài tập Vật lý rèn luyện kĩ năng, kĩ xảo vận dụng lý thuyết vào thực tiễn, rèn luyệnthói quen vận dụng kiến thức khái quát

ˆ Giải bài tập là một trong hình thức làm việc tự lực cao của người học

ˆ Giải bài tập để góp phần làm phát triển tư duy sáng tạo

ˆ Giải bài tập để kiểm tra mức độ nắm vững kiến thức

2.3 Phân loại bài tập Vật lý

Có nhiều cách phân loại bài tập Vật lý Nếu dựa vào các phương tiện giải, có thể chia bài tậpVật lý thành bài tập định tính, bài tập tính toán, bài tập thí nghiệm, bài tập đồ thị Nếu dựavào mức đó khó của bài tập thì có thể chia bài tập Vật lý thành bài tập tập dượt, bài tập tổnghợp, bài tập sáng tạo [11], [13]

2.3.1 Bài tập định tính

Bài tập định tính là những bài tập mà khi giải, người làm không cần thực hiện các phép tínhtoán phức tạp hay chỉ phải làm những phép tính đơn giản, có thể tính nhẫm được Muốn giảinhững bài tập định tính, người làm phải thực hiện những phép suy luận logic, do đó phải hiểubản chất của khái niệm, định luật Vật lý và nhận biết những biểu hiện của chúng trong cáctrường hợp cụ thể [11]

Bài tập định tính có rất nhiều ưu điểm về mặt phương pháp học Nhờ đưa được lý thuyết đượchọc vào trong đời sống, các bài tập này làm tăng thêm sự hứng thú đối với môn học, tạo điềukiện phát triển óc quan sát của người học Vì phương pháp giải những bài tập này bao gồmviệc xây dựng những suy lý logic dựa trên các định luật Vật lý nên chúng là phương tiện rấttốt để phát triển tư duy của người học [13] Việc giải các bài tập đó rèn luyện cho người học

hiểu rõ được bản chất của các hiện tượng Vật lý và những quy luật của chúng Việc giải bàitập định tính làm cho người học chú trọng đến phân tích nội dung của các bài tập tính toán.

2.3.2 Bài tập tính toán

Bài tập tính toán là những bài tập mà muốn giải chúng, ta phải thực hiện một loạt phép tính

và kết quả là thu được một đáp số định lượng, tìm giá tri của một số đại lượng Vật lý Có thểchia bài tập tính toán thành hai loại: bài tập tính toán tập dượt và bài tập tính toán tổng hợp

2.3.2.1 Bài tập tính toán tập dượt

Bài tập tính toán tập dượt là những bài tập cơ bản, đơn giản, trong đó chỉ đề cập đến mộthiện tượng, một định luật và sử dụng một vài phép tính đơn giản [11] Những bài tập này cótác dụng củng cố kiến thức cơ bản vừa học, làm cho người học hiểu rõ ý nghĩa của các địnhluật và các công thức biểu diễn chúng, sử dụng các đơn vị Vật lý và thói quen cần thiết để giảinhững bài toán phức tạp hơn

Ta có thể thấy rằng, xét về thực chất thì bài tập tính toán tổng hợp cũng nhằm mục đích làmsáng tỏ nội dung Vật lý của các định luật, quy tắc biểu hiện dưới dạng công thức Bởi vậy, khigiải bài tập này, cần phân tích yếu tố định tính của bài tập trước khi lựa chọn các công thức

và thực hiện các phép tính toán

2.3.3 Bài tập thí nghiệm

Bài tập thí nghiệm là bài tập đòi hỏi phải làm thí nghiệm để kiểm chứng lời giải lý thuyết hoặc

để tìm những số liệu cần thiết cho việc giải bài tập [5] Những thí nghiệm này thường là thínghiệm đơn giản, có thể làm tại nhà với những dụng cụ đơn giản dễ tìm hoặc tự làm Để giải

bài thí nghiệm Bài tập thí nghiệm có thể ở dạng định tính hay đinh lượng.

Bài tập thí nghiệm giúp làm sáng tỏ mối quan hệ giữa lý thuyết và thực tiễn

Cần lưu ý rằng: trong bài tập thí nghiệm thì thí nghiệm chỉ cho các số liệu để để giải bài tập,chứ không cho biết tại sao hiện tượng lại xảy ra như thế Cho nên, phần vận dụng các địnhluật Vật lý để lý giải các hiện tượng mới là nội dụng chính của nội dung thí nghiệm

2.3.4 Bài tập đồ thị

Bài tập đồ thị là bài tập trong đó các số liệu được dùng làm dữ kiện để giải phải tìm trongcác đồ thị cho trước hoặc ngược lại, đòi hỏi người học phải hiểu quá trình diễn biến của hiệntượng nêu trong bài tập bằng đồ thị [11]

Ta đã biết: đồ thị là một hình thức để biểu đạt mối quan hệ giữa hai đại lượng Vật lý, tươngđương với cách biểu đạt bằng lời hay công thức Nhiều khi nhờ vẽ được chính xác đồ thị biểudiễn các số liệu thực nghiệm mà ta có thể tìm được định luật Vật lý mới Bởi vậy các bài tập

sử dụng đồ thị hoặc xây dựng đồ thị có vị trí ngày càng quan trọng trong việc dạy và học Vậtlý

2.4 Hoạt động giải bài tập Vật lý

Mục tiêu cần đạt tới khi giải một bài tập Vật lý là tìm được câu trả lời đúng đắn, giải đápđược vấn đề đặt ra một cách có căn cứ khoa học chặt chẽ Quá trình giải một bài toán thựcchất là tìm hiểu điều kiện của bài toán, xem xét hiện tượng Vật lý được đề cập và dựa trêncác kiến thức Vật lý, tính toán để tìm mối liên hệ có thể của cái đã cho và cái cần tìm sao chothấy được cái phải tìm có mối liên hệ trực tiếp hoặc gián tiếp với cái đã cho, từ đó đi đến chỉ

rõ được mối liên hệ tường minh trực tiếp của cái phải tìm với cái đã biết nghĩa là đã tìm đượclời giải cho bài toán đặt ra [11], [5]

Hoạt động giải bài tập Vật lý có hai phần quan trọng cơ bản [13]:

+ Việc xác lập các mối quan hệ cơ bản, cụ thể dựa trên sự vận dụng kiến thức Vật lý vàođiều kiện cụ thể bài toán đã cho

+ Sự tiếp tục luận giải, tính toán, đi từ mối liên hệ đã xác lập được đến kết quả cuối cùngcủa việc giải đáp vấn đề được đặt ra trong bài toán đã cho

Sự nắm vững lời giải của một bài toán Vật lý phải thể hiện ở khả năng trả lời được câu hỏi:Việc giải bài tập này cần thiết lập mối quan hệ nào? Sự xác lập các mối quan hệ cơ bản nàydựa trên sự vận dụng kiến thức Vật lý nào? Vào điều kiện cụ thể nào của bài toán?