Hệ thống các bài tập hay và khó chương quang sóng và quang lượng tử

SVTH: Phạm Thị Tuyết Sương GVHD: ThS Trần Bá Nam ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA VẬT LÝ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ Đề tài: HỆ THỐNG CÁC BÀI TẬP HAY VÀ KHÓ CHƯƠNG QUANG SÓNG VÀ QUANG LƯỢNG TỬ Người hướng dẫn: ThS Trần Bá Nam Người thực hiện: Phạm Thị Tuyết Sương Đà Nẵng, tháng 5/2013 SVTH: Phạm Thị Tuyết Sương GVHD: ThS Trần Bá Nam Lời cảm ơn! Sau thời gian tìm tịi, nghiên cứu, bảo tận tình thầy Trần Bá Nam, đến luận văn em hoàn thành Em xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc thầy! Em xin cảm ơn thầy giáo khoa Vật Lí quan tâm tạo điều kiện để em hoàn thành luận văn Đồng thời mong muốn gởi lời cảm ơn tới tất bạn đồng môn – người ủng hộ, động viên giúp đỡ tơi suốt q trình làm luận văn Đà Nẵng, ngày 20 tháng 05 năm 2013 Sinh viên Phạm Thị Tuyết Sương SVTH: Phạm Thị Tuyết Sương GVHD: ThS Trần Bá Nam MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Giới hạn đề tài PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG I:TỔNG QUAN LÝ THUYẾT CHƯƠNG QUANG SÓNG VÀ QUANG LƯỢNG TỬ 1.1 TÓM TẮT LÝ THUYẾT CHƯƠNG QUANG SÓNG 1.1.1 Ánh sáng đơn sắc – Ánh sáng trắng 1.1.2 Giao thoa ánh sáng 1.1.3 Tóm tắt số công thức giao thoa ánh sáng: 1.1.3.1 Giao thoa với khe Young (Iâng) 1.1.3.2 Giao thoa với Gương Frexnel: 1.1.3.3 Giao thoa với lưỡng lăng kính Frexnen 1.1.3.4 Giao thoa với lưỡng thấu kính Billet 1.1.4 Tóm tắt số công thức nhiễu xạ ánh sáng: 1.1.4.1 Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng: 1.1.4.2 Phương pháp đới cầu Fresnel: 1.1.4.3 Nhiễu xạ sóng cầu qua lỗ trịn: 1.1.4.4 Nhiễu xạ sóng phẳng qua kh hẹp: 10 1.1.4.5 Nhiễu xạ qua nhiều khe hẹp – Cách tử: 10 1.2 TÓM TẮT LÝ THUYẾT CHƯƠNG QUANG LƯỢNG TỬ 11 1.2.1 Hiện tượng quang điện ngoài: 11 1.2.2 Bức xạ nhiệt: 14 1.2.3.Hiệu ứng Compton: 19 SVTH: Phạm Thị Tuyết Sương GVHD: ThS Trần Bá Nam CHƯƠNG II: HỆ THỐNG BÀI TẬP HAY VÀ KHÓ CHƯƠNG QUANG SÓNG VÀ QUANG LƯỢNG TỬ 2.1 HỆ THỚNG CÁC BÀI TẬP CHƯƠNG QUANG SĨNG 20 2.1.1.Giao thoa: 20 2.1.2.Nhiễu xạ: 36 2.2 Hệ thống tập chương quang lượng tử 42 2.2.1 Hiện tượng quang điện 42 2.2.2 Hiệu ứng Compton 53 2.2.3 Bức xạ nhiệt: 65 PHẦN KẾT LUẬN 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 SVTH: Phạm Thị Tuyết Sương GVHD: ThS Trần Bá Nam PHẦN MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài: Quang học ngành vật lí học, nghiên cứu tượng ánh sáng Hiện môn quang học phân chia thành nhiều ngành ngành riêng biệt phát triển sâu rộng Nhiều ngành trở thành ngành độc lập, đứng ngang hàng với mơn Quang học Vì việc phân chia ngành Quang học có tính chất tương đối Nhìn chung phân loại Quang học thành ba ngành lớn: Quang hình học, Quang lí học Trắc quang học Quang hình học nghiên cứu định luật tổng quát truyền chùm tia sáng qua môi trường Trắc quang học nghiên cứu việc đo đạc đại lượng ánh sáng Quang lí học nghiên cứu tượng liên quan đến chất ánh sáng Bản chất tính chất ánh sáng ln đề tài tranh luận đặc biệt sôi suốt hai trăm năm qua người theo đuổi thuyết truyền thẳng ánh sáng Newton đề xuất từ kỉ XVIII với người xem ánh sáng sóng lan truyền môi trường ete Huyghen đưa sau Mỗi thuyết cho phép giải thích số tính chất ánh sáng Thuyết sóng cơng nhận rộng rãi số nhà vật lí kỉ XIX đặc biệt từ Young phát tượng giao thoa ánh sáng Nhưng từ phát photon vào đầu kỉ XX thuyết sóng bắt đầu bị lung lay cuối phải nhường chỗ cho quang điểm lưỡng tính sóng hạt ánh sáng kết cách mạng không khoang nhượng quang niệm vật lí học Ngày việc giảng dạy môn Quang học trường đại học trung học phổ thơng có nhiều tài liệu biên soạn tương đối hồn hảo Tuy nhiên để có đánh giá cụ thể tính hay khó tập chất ánh sáng việc sưu tầm giải tập cần thiết Nhằm đóng góp phần nhỏ bé việc giúp cho số đồng nghiệp em học sinh thuận lợi trình nghiên cứu chuẩn bị cho kì thi học sinh giỏi, định chọn đề tài “Hệ thống tập hay khó chương Quang sóng Quang lượng tử” để làm luận văn tốt nghiệp cuối khóa SVTH: Phạm Thị Tuyết Sương GVHD: ThS Trần Bá Nam Mục đích nghiên cứu:  Hệ thống kiến thức chương Quang sóng Quang lượng tử  Lựa chọn, phân loại tập khó hay Quang sóng Quang lượng tử nhằm giúp cho em học sinh rèn luyện kĩ giải tập Phương pháp nghiên cứu:  Thu thập sách tài liệu liên quan đến đề tài  Đọc tra cứu tài liệu chương Quang sóng Quang lượng tử  Trên sở lý thuyết hệ thống, phân loại tập, dạng tốn khó hay chương Quang sóng Quang lượng tử Sau hướng dẫn giải chi tiết tập  Cuối đưa kết luận chung cho đề tài Giới hạn đề tài: Trong khuôn khổ luận văn tốt nghiệp đại học, đề tài cần quan tâm nghiên cứu số vấn đề sau:  Nghiên cứu tổng quan lý thuyết chương Quang sóng Quang lượng tử  Hệ thống phân loại tập hay khó chương Quang sóng Quang lượng tử  Hướng dẫn giải chi tiết tập SVTH: Phạm Thị Tuyết Sương GVHD: ThS Trần Bá Nam PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT CHƯƠNG QUANG SÓNG VÀ QUANG LƯỢNG TỬ 1.1 TÓM TẮT LÝ THUYẾT CHƯƠNG QUANG SÓNG 1.1.1 Ánh sáng đơn sắc – Ánh sáng trắng + Ánh sáng đơn sắc ánh sáng khơng bị tán sắc qua lăng kính Mỗi ánh sáng đơn sắc có màu định gọi màu đơn sắc + Ánh sáng trắng tập hợp vô số ánh sáng đơn sắc khác có màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím + Kết thí nghiệm tán sắc ánh sáng Niutơn: tượng tán sắc ánh sáng tượng tia sáng sau qua lăng kính khơng bị lệch phía đáy lăng kính mà cịn bị tách thành dãy màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím Màu đỏ bị lệch nhất, màu tím bị lệch nhiều + Kết thí nghiệm với ánh sáng đơn sắc: chùm sáng có màu xác định (chẳng hạn màu lục) qua lăng kính bị lệch phía đáy lăng kính mà khơng bị tán sắc 1.1.2 Giao thoa ánh sáng a Nguồn kết hợp: nguồn có tần số độ lệch pha khơng đổi theo thời gian b Thí nghiệm + Kết thí nghiệm giao thoa ánh sáng đơn sắc Young (Iâng): Trên ảnh ta thu vạch sáng song song cách vạch tối (các vạch sáng tối xen kẻ đặn) c Giải thích: - Hiện tượng giao thoa ánh sáng giải thích thừa nhận ánh sáng có tính chất sóng - Trong vùng gặp sóng ánh sáng có chỗ hai sóng gặp pha, chúng tăng cường lẫn tạo nên vân sáng Ngược lại, hai sóng ngược pha chúng triệt tiêu lẫn tạo nên vân tối SVTH: Phạm Thị Tuyết Sương GVHD: ThS Trần Bá Nam d Ý nghĩa: giao thoa ánh sáng chứng thực nghiệm quan khẳng định ánh sáng có tính chất sóng e Khoảng vân + Khoảng vân (i) khoảng cách hai vân sáng cạnh nhau, hay khoảng cách hai vân tối cạnh i D a λ(m): bước sóng ánh sáng D (m): khoảng cách từ khe đến ảnh a (m): khoảng cách khe + Khoảng cách l n vân sáng liên tiếp (n-1) khoảng vân l  (n  1)i f Vị trí vân giao thoa - Vị trí vân sáng: xk D a hay x  ki Trong k số bậc vân ( k  0, 1, 2, ) Hình 2.1 - Vị trí vân tối: x  (2k  1) D D hay x   k   hay x   k   i   2 a 2 2a Trong k số nguyên ( k  0, 1, 2, ) 1.1.3 Tóm tắt số cơng thức giao thoa ánh sáng: 1.1.3.1 Giao thoa với khe Young (Iâng) Thí nghiệm giao thoa ánh sáng Young SVTH: Phạm Thị Tuyết Sương GVHD: ThS Trần Bá Nam Hình 2.2 S1, S2 hai khe sáng; O vị trí vân sáng trung tâm a (m): khoảng cách hai khe sáng D (m): khoảng cách từ hai khe sáng đến λ (m): bước sóng ánh sáng L (m): bề rộng vùng giao thoa, bề rộng trường giao thoa a Hiệu đường từ S1, S2 đến điểm A ax Xét D >> a, x thì: d2  d1  D b Vị trí vân sáng vân tối + Vị trí vân sáng Những chỗ hai sóng gặp pha, chúng tăng cường lẫn tạo nên vân sáng Tại A có vân sáng hai sóng pha, hiệu đường số nguyên lần bước sóng: d2  d1  k Điều kiện gọi điều kiện cực đại giao thoa Ta có: xk D a với ( k Z ) Khi k = x = 0: ứng với vân sáng trung tâm hay vân sáng + Vị trí vân tối Tại M có vân tối hai sóng từ hai nguồn đến M ngược pha nhau, chúng triệt tiêu lẫn tạo nên vân tối Điều kiện thỏa mãn hiệu đường từ hai nguồn đến M số lẻ nửa bước sóng SVTH: Phạm Thị Tuyết Sương GVHD: ThS Trần Bá Nam d2  d1  (2k  1)  Điều kiện gọi điều kiện cực tiểu giao thoa x  (2k  1) Ta có: D 2a 1.1.3.2 Giao thoa với Gương Frexnel: Hai gương phẳng đặt lệch góc α S1, S2 ảnh ảo S cho hai gương, coi nguồn sáng kết hợp S1, S2, S nằm đường trịn bán kính r Từ hình vẽ ta có: Hình 2.3 Khoảng cách từ hai nguồn kết hợp đến màn: S1S2  a  2S1H  2SI sin   2r a  2r D  HO  r cos   d  r  d Drd α : Góc hai gương phẳng r : khoảng cách giao tuyến hai gương nguồn S 1.1.3.3 Giao thoa với lưỡng lăng kính Frexnen Trong thí nghiệm GTAS với lưỡng lăng kính Fresnel: gồm hai lăng kính 10 SVTH: Phạm Thị Tuyết Sương Hay: Từ (4) ta suy ra: GVHD: ThS Trần Bá Nam    '       2hv  mec      mec2  2h mec  34 3.10 31 16  2.6,625.10  9,1.10 9.10  12   1  25.10   1   9,1.1031.9.1016    v 0, 426     0,17559  0,176 c 2, 426 v  0,176.3.105  53000 km/s * Vì vận tốc electron khơng lớn lắm, nên tính động electron công thức cổ điển: Ed  mev2 viết phương trình (2) thành: hv  hv '  mev2 Hay: 2hv 2hv ' mev2   c c c (2’) Nhân hai vế (1) cho kết hợp với (1) ta được: 2hv 2hv '   2mev c c (1’) mev2 4hv  2mev  Cộng (1’) (2’), ta phương trình bậc 2: c mev2  2mecv  4hv  Phương trình có nghiệm dương v ≈ 53400km/s Chỉ sai khác giá trị chưa tới 1% Bài tập 4: Sau thí nghiệm để xác định lượng liên kết electron lớp K nguyên tử bạc Người ta chiếu tia X có bước sóng λ = 0,0480nm lên mỏng bạc Các electron bị bứt sau qua khe có đường kính d = 1,0μm vào vùng từ trường B = 0,71.10-2T có phương vng góc với mặt 61 SVTH: Phạm Thị Tuyết Sương GVHD: ThS Trần Bá Nam phẳng quỹ đạo electron Các electron chuyển động theo quỹ đạo trịn bán kính r = 12,5mm a) Hãy xác định lượng photon chiếu đến theo J eV b) Tính vận tốc electron c) Tính lượng liên kết electron lớp K d) Tính lại động electron theo thuyết tương đối so sánh với kết câu c e) chứng tỏ ta bỏ qua chất sóng electron qua khe d Giải: a)   hv  b) v  hc   4,14.1015 J  25,9keV rBe  1,56.107 m/s m mv2  0,6917 keV c) Động electron: Ed  Năng lượng liên kết electron, tức công thoát: Elk    Ed  25,2 keV d) Động lượng electron: p  reB  1,42.1023 kgms-1 Năng lượng toàn phần electron: E  Ed  mc2  p2c2  m2c4 Từ đó: Ed  p2c2  m2c4  mc2  0,6912 keV Sai số tương đối so với kết cũ là: 0,07% e) Giữa sóng hạt có mối liên hệ:   h p Kích thước bước sóng Đơ Brơi electron so với kích thước khe là:  d  h  4,7.105 Vì ta bỏ qua tính chất sóng electron pd Bài tập 5: Xét trình va chạm photon electron tự đứng yên a) Chứng minh trình va chạm này, lượng xung lượng photon khơng truyền hồn tồn cho electron 62 SVTH: Phạm Thị Tuyết Sương GVHD: ThS Trần Bá Nam b) Sau va chạm electron nhận phần lượng photon chuyển động giật lùi, cịn photon bị tán xạ Tính độ dịch chuyển bước sóng trước sau va chạm photon c) Giả sử photon tới có lượng ε = 2E0, cịn electron giật lùi có động Wđ=E0 (ở E0 = 0,512MeV lượng nghỉ electron) Tính góc giật lùi electron ( góc hướng photon tới hướng chuyển động electron) Giải: a) Sử dụng định luật bảo toàn lượng xung lượng trình hf 1  mv  c  v điều khơng thể xảy tương tác, ta có: hf  mv2 ; c 2 b) Trường hợp tương tác photon electron tự do, không bị hấp thụ hoàn toàn nên photon sau tương tác giảm lượng xung lượng thay đổi ( tán xạ) Trong trường hợp tương ứng với tượng tán xạ Compton Ta tính độ dịch chuyển bước sóng photon tương tác Áp dụng định luật bảo toàn lượng xung lượng: hf  m0c  hf ' mc (1) r ur uur uur uur  p  p '  pe  p '  mv(2) Ta lại có: (mv)2  p2  p '2  pp ' cos Thay p  (3) hf hf ' , p'  vào (3) ta có: c c m2v2c2h2 f  h2 f '2  2h2 ff ' cos (4) Từ phương trình (1) rút ra: mc2  hf  hf ' m0c2 (1a) Lấy bình phương hai vế (1a): m2c4  h2 f  h2 f '2  m02c4  2h( f  f ')m0c2  2h2 ff ' (5) Trừ (5) cho (4) vế theo vế: m2c4 (1  )  2h2 ff '(1  cos)  2h( f  f ')m0c2  m02c4 (6) 63 SVTH: Phạm Thị Tuyết Sương GVHD: ThS Trần Bá Nam v ( với   ) c m0 Vì m  1  nên vế trái (6) m02c4 ,do từ (6) rút ra: ff '(1  cos )  m0c2 ( f  f ') h c c h 2h    (1  cos )  sin f ' f m0c m0c Hay là: Vì f '  c ' ; f  c  , đặt    '  nên ta có:   2h  sin m0c  gọi độ dịch chuyển bước sóng c) Tính góc giật lùi electron: Áp dụng định luật bào toàn lượng: hv  m0c2  hv ' Wd  m0c2 Vì p   c  (7) hf ' hf ; p'  nên (7) viết lại sau: c c p'  p  Wd c (7a) Ta lại có: uur ur uur p  pe2  p '2 p '  p  pe  cos  p pe (8) W  m02c4 (Wd  E0 )2  E02 Wd2  2Wd E0   Ta cịn có: p  c2 c2 c2 e Với: W (9) pec  m02c ; E0  m0c2  0,512 MeV lượng nghỉ cua electron Thay (7a), (9) biểu thức p  Thay số ta có: cos   c vào (8) ta được: cos  1 E0  1 E0 Wd  Góc giật lùi electron 300 64 SVTH: Phạm Thị Tuyết Sương GVHD: ThS Trần Bá Nam Bài tập 6: Một photon chùm tia X hẹp, sau va chạm với electron đứng yên, tán xạ theo phương làm với phương ban đầu góc θ Gọi λ bước sóng tia X 1) Cho λ = 6,2pm θ = 600, xác định: a) Bước sóng  ' tia X tán xạ b) Phương độ lớn vận tốc electron sau va chạm 2) Tia X phát từ ống Cu-lít-giơ ( Coolidge) ni máy tăng áp, có tỉ số biến áp k = 1000 Hai cực cuộn sơ cấp mắc vào điện áp xoay chiều u biến thiên cách liên tục ( cách dùng biến áp tự ngẫu) từ đến 500V Hỏi: a) Để tạo tia X phần a điện áp u phải có giá trị hiệu dụng tối thiểu Um bao nhiêu? b) Với điện áp Um ấy, vận tốc electron tới đối âm cực bao nhiêu? 3) Để phương chuyển động electron vng góc với phương photon tán xạ (  ' ) bước sóng λ photon tới khơng vượt q giá trị bao nhiêu? Giả sử electron sau va chạm có vận tốc v = 200000km/s vng góc với tia X tán xạ, tính bước sóng tia X tới điện áp hiệu dụng U cần đặt vào cuộn sơ cấp biến áp ni ống Cu-lít-giơ Giải: a) Tính bước sóng  ' tia X: h  6,625.1034    '   sin   1,21.1012 m = 1,2 pm m0c 9,1.1031.3.108    '      6,2  1,2  7,3 pm b) Tính v: Hình 2.14 65 SVTH: Phạm Thị Tuyết Sương GVHD: ThS Trần Bá Nam hf hf '  hf   hf '  (mv)2      2 cos  c   c  c c Với   600 ; cos  f' f 1  ;  c  c ' 1  h2   m2v2  h2     (   '2   ')  2    '  '    '  7,32  6,22  7,2.6,3  m v h   6,22.7,32.1024  2  v  6,623.1068.46,44  v2   m02v  1    1   0,995.1044 24 45,26 10  c   c   0,995.1044   v  9,12.1062   0,995.1044 ; v  9,3.107 m/s (3.108 )2   a) Tính U: Ta có: eU0  hf  U max  hc  ; U0  hc 6,625.1034.3.108   200 kV e 1,6.1019.6,2.1012 U0 200.103   141,4 V k 1000 b) Tính v: mc2  eUmax  m0c2  hc   m0c2 ; m0c2 1 v2 c2  m0c2  hc    9,1.1031.32.1016 v  m0c   1     0,5161 34 hc  c   6,625.10 3.10  31 16  m0c    9,1.10 9.10    6,2.1012   v2  0,4839  v  0,696.c  2,09.108 m/s c a) Giá trị lớn λ: Để phương chuyển động electron vng góc với phương photon tán xạ, ta phải có: hf ' hf   cos  '  c c cos (1) 66 SVTH: Phạm Thị Tuyết Sương GVHD: ThS Trần Bá Nam Thoe công thức Compton:    cos    c (1  cos ) với c  h  2,42 pm m0c Do đó:   ccos Và   c  2,42 pm ; max  c  2,42 pm (2) b) Tính λ: Từ (1) (2) ta suy ra:    ' cos ;   ccos  '  c  Do đó: h m0c 2 m2v2 h2   h  h   m v           1      '  v  ' cos   1 c 2 Mặt khác: Với v     c thì: nS m02 c 2  h   1  m2c   1  cos2  h2  cos2  1 m02c     cos  cos    ccos  2,42 Từ đó: 2,236  1,8 pm Do đó: U0  U 690 hc 6,625.1034.3.108  484 V   690 kV U   19 12 e 1,6.10 1,8.10 k 1,414 Bài tập 7: Một ống phát tia Rơn-ghen ( Roentghen) làm việc hiệu điện U = 105 V Bỏ qua động electron bứt khỏi catơt Một photon có bước sóng ngắn phát từ ống tới tán xạ electron tự đứng yên Do kết tương tác, electron bị giật lùi a) Hãy tính góc giật lùi electron ( góc hướng bay electron hướng photon tới) góc tán xạ photon Biết động electron giật lùi Wđc = 10keV b) Tính động lớn mà electron thu q trình tán xạ 67 SVTH: Phạm Thị Tuyết Sương GVHD: ThS Trần Bá Nam Giải: Theo định lí động năng: eU  Wd Năng lượng E photon tới thỏa mãn điều kiện: hc E  hf  Wd  eU    hf max  min  eU  min  hc eU (là bước sóng ngắn chùm photon ống phát ra) Thay số ta min  0,124 A a) Tính góc giật lùi electron góc tán xạ photon Động lượng photon tới là: p   c  eU c (1) -Từ định luật bảo tồn lượng ta có: pc  mec2  p ' c  Wde  mec2 (p' động lượng photon tán xạ)  p'  p  Wde eU  Wde  c c (2) - Từ định luật bảo toàn động lượng ta có: ur uur uur p  p '  pe Ta có: p '2  p2  pe2  ppecos (3) ( φ góc giật lùi electron) - Từ hệ thức tương đối tính: E2  pe2c2  me2c4  (Wde  mec2 )2 Suy ra: pe2  W  2Wdemec2   de c (4) Thay (1), (2) (4) vào (3) ta có:  eU Wde  me   c   E 1 c  cos   e U Wde2  2Wdemec2 E 1 Wde (5) Với E0 = mec2 = 0,511 MeV, ε = eU = 0,1 MeV Thay số ta có φ ≈ 5307' 68 SVTH: Phạm Thị Tuyết Sương Ta lại có: pe2  p  p '2  pp ' cos  cos  GVHD: ThS Trần Bá Nam p  p '2  pe2 pp ' Với α góc tán xạ photon Từ (1), (2) (4) ta được: E0 cos        W  1 de Thay số ta cosα = 0,432 suy ra: α ≈ 64024' b) Tính Wdemax Từ (5) ta thấy Wde đạt cực đại cosφ có giá trị lớn nhất, tức φ = Vì ta có: Wde max  2E0  E0  1     Thay số ta tính được: Wde max  28 keV 2.2.3 BỨC XẠ NHIỆT: Bài tập 1: Một thiên thạch coi có hình cầu, bay cách Mặt Trời khoảng 150.106 km Cho Mặt Trời xạ vật đen tuyệt đối nhiệt độ T0 = 6000K nhiệt độ điểm thiên thạch Xác định nhiệt độ T thiên thạch, hấp thụ phát xạ sóng điện từ vật đen tuyệt đối Bán kính mặt trời 6,95.108 m Giải: Độ trưng lượng toàn phần Mặt Trời: R0  T04 với T0 = 6000K Độ chói Mặt Trời: B0  R0  69 SVTH: Phạm Thị Tuyết Sương GVHD: ThS Trần Bá Nam Dòng quang diện tích nhỏ ds Mặt Trời gửi đến thiên thạch: dE  B0 ds.d  B0.ds .r l2 r bán kính thiên thạch; l  150.106 km = 150.1010 m Dòng quang Mặt Trời gởi đến thiên thạch là: E   dE  B0 r r2 l2   rr   B0   với r0 = 6,95.108 m  l  Ở trạng thái cân nhiệt, lượng mà thiên thạch nhận đơn vị thời gian lượng mà tỏa thời gian Như vậy, độ trưng lượng thiên thạch là: R E T04  r0    T 4 r  l  T  T0 T nhiệt độ thiên thạch: r0 suy T = 289K 2l Bài tập 2: Một hạt bụi nhôm, coi cầu, bay không gian vũ trụ Hệ số phản xạ 0,9 Tính bán kính hạt bụi, biết lực hấp dẫn mặt Trời cân với áp lực tia sáng Mặt Trời tác dụng lên Mặt Trời coi vật đen tuyệt đối phát xạ với nhiệt độ bề mặt 6000K Khối lượng riêng nhôm D = 2,7.103 kg/m3 ; σ = 5,67.10-8 W/m2.K4 ; đường kính góc Mặt Trời α = 30' ; khoảng cách Mặt Trời – Trái Đất d = 150.106 km ; khối lượng Mặt Trời M0 = 1,95.1030 kg ; số hấp dẫn G = 6,67.10-11 m3/kg.s2 Giải: Độ trưng lượng Mặt Trời: R  T với T = 6000K Dịng quang tồn phần Mặt Trời phát theo đủ phương: E  4 R02 R  4T R02 Với R0 bán kính Mặt Trời: R0   d .30 180.60.2 150.109  6,545.108 m ( α = 30' d = 150.109m) 70 SVTH: Phạm Thị Tuyết Sương GVHD: ThS Trần Bá Nam Cường độ chùm sáng Mặt Trời vị trí có hạt bụi: I  E R   T    r 4 r với r khoảng cách từ Mặt Trời đến hạt bụi Áp suất ánh sáng Mặt Trời tác dụng lên hạt bụi: I T R  p  (1  k )  (1  k )   với k = 0,9 c = 3.108m/s  r c c Áp lực mà ánh sáng Mặt Trời đẩy hạt bụi xa: F  p.s    p     T c R  (1  k )   với ρ bán kính hạt bụi  r Lực hấp dẫn mà Mặt Trời tác dụng lên hạt bụi: Fhd  G M 0m 43DM  G r2 3r Với G = 6,67.10-11 m3/kg.s2 ; D = 2700kg/m3 M0 =1,95.1030 kg 3T R02 (1  k ) Vì F =Fhd nên ta có:   4GcDM Tính ρ = 426.10-9 m = 0,426 μm Kết không phụ thuộc khoảng cách từ hạt bụi đến Mặt Trời Bài tập 3: Một vệ tinh nhân tạo bay quỹ đạo quanh Trái Đất Vệ tinh có dạng hình cầu Khi vệ tinh bị ánh sáng Mặt Trời rọi vào tất phần vệ tinh coi có nhiệt độ Mặt Trời xạ vật đen tuyệt đối nhiệt độ 6000K Khoảng cách Mặt Trời – Trái Đất 1,5.108 km a) Coi vệ tinh vật đen tuyệt đối Xác định nhiệt độ vệ tinh Cho σ = 5,67.10-8 W/m2K2 Góc trơng đĩa Mặt Trời từ Trái Đất 30' b) Để hạ nhiệt độ vệ tinh, người ta sơn bên vệ tinh lớp sơn có đặc điểm phản xạ hồn tồn tất sóng điện từ có bước sóng ngắn 24 μm hấp thụ hồn tồn sóng điện từ có bước sóng dài từ 24 μm trở lên Xác định nhiệt độ vệ tinh trường hợp Cho ex ≈ + x , x  0,1 71 SVTH: Phạm Thị Tuyết Sương GVHD: ThS Trần Bá Nam Giải: a) Độ trưng lượng Mặt Trời: R0  T04 với T0 = 6000K Độ chói Mặt Trời: B0  R0   T04  Dòng quang diện tích nhỏ ds Mặt Trời gởi đến vệ tinh: r2 r2 dE  B0 ds.d  B0ds  T ds d d với r bán kính vệ tinh ; d =1,5.108 km = 15.1010 m khoảng cách từ Mặt trời đến vệ tinh Dòng quang mà Mặt Trời gởi đến vệ tinh: r2 r2  2r  d  r E   dE  T S  T04r02  T04    T04   d d d 4 0 với S0 diện tích, r0 bán kính đĩa Mặt Trời α góc trơng đĩa Mặt Trời từ vệ tinh Độ trưng lượng vệ tinh: R E T04 2r T04    T S 4.4 r 16 với S diện tích T nhiệt độ vệ tinh: T  T0  Thay số ta T ≈ 280K b) Đặt λ0 = 0,24μm Ta tính độ trưng lượng Mặt Trời ứng với xạ có bước sóng từ 0,24μm đến ∞ Độ trưng lượng vật đen tuyệt đối ứng với vùng ánh sáng dλ là: Rλ = ρ(λ,T)dλ Độ trưng lượng Mặt Trời ứng với vùng ánh sáng từ λ0 đến ∞ là:  R0   R   (, T0 )d  với ( , T0 )  2 hc 0 Ta có:  5 hc e kT0 1 hc 6,625.1034.3.108   0,1 0kT0 24.106.1,38.1023.6000 Với   0 số mũ nhỏ Vì ta có: 72 SVTH: Phạm Thị Tuyết Sương hc e kT0 hc   kT0 GVHD: ThS Trần Bá Nam  5 hc e  kT0 1 kT0 4  hc   kT0 4  d   2 ckT0   4d  hc 0 0 Kết là: R0  2 hc2   2 ckT0 R0    ckT0  3   303 Độ chói Mặt Trời vùng ánh sáng nói trên: B0  R0   2ckT0 303 Dòng quang vùng ánh sáng nói diện tích nhỏ ds Mặt Trời r 2ckT0  r gởi đến vệ tinh: dE  B0ds.d  B0ds  ds d 3 30 d Dòng quang vùng ánh sáng nói đĩa Mặt Trời gởi đến vệ tinh: 2 ckT0r 2 ckT0r 2 ckT0r   2d  E   dE  S  ( R0 )  303d 303d 303d     2ckT0r 2 603 Độ trưng lượng vệ tinh đó: E  2ckT0r 2  ckT0 R'     T 3 S 60 4 r 240 T nhiệt độ vệ tinh đó: T   ckT0 2403 Thay số ta được: T = 23,7K 73 SVTH: Phạm Thị Tuyết Sương GVHD: ThS Trần Bá Nam PHẦN KẾT LUẬN Sau thời gian tiến hành thực luận văn với mục tiêu đề ra, đồng thời nhờ giúp đỡ tận tình thầy giáo hướng dẫn Trần Bá Nam bạn đồng môn, luận văn thu kết sau: * Hệ thống hóa kiến thức về: + Hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ + Hiện tượng quang điện ngoài, xạ nhiệt, hiệu ứng Compton * Trên sở nhiều tài liệu khác nhiều tác giả sưu tầm, hệ thống tập hay khó; giải chi tiết tập tượng giao thoa, nhiễu xạ, tượng quang điện ngồi, xạ nhiệt, hiệu ứng Compton Vì luận văn tài liệu tham khảo tốt cho học sinh, sinh viên bạn đồng nghiệp nghiên cứu, giảng dạy tính chất sóng – hạt ánh sáng Bản luận văn đóng góp nhỏ việc sưu tầm tập hay khó phần Quang lí Quang lượng tử, tương lai tơi hồn chỉnh thêm phần để có tài liệu hữu ích Mặc dù có nhiều cố gắng trình thực đề tài, vốn kiến thức thân hạn hẹp, kinh nghiệm non yếu nên luận văn khơng thể tránh khỏi thiếu sót, kính mong nhận góp ý bảo quý thầy cô bạn 74 SVTH: Phạm Thị Tuyết Sương GVHD: ThS Trần Bá Nam TÀI LIỆU THAM KHẢO Tơ Giang – Vũ Thanh Khiết – Đặng Đình Tới (2012) Tài liệu chuyên Vật lí – Bài tập Vật lí 12, Nhà xuất Giáo dục Việt Nam Vũ Thanh Khiết (2009) Bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lí trung học phổ thơng – Vật lí đại, Nhà xuất Giáo dục Việt Nam Vũ Quang (2010) Bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lí Trung học phổ thông – Quang học 2, Nhà xuất Giáo dục Việt Nam Lương Duyên Bình – Nguyễn Hữu Hồ - Lê Văn Nghĩa (2007) Bài tập vật lí đại cương – tập 3, Nhà xuất Giáo dục Vũ Thanh Khiết – Vũ Đình Túy (2011) Các đề thi học sinh giỏi Vật lí 20012010, Nhà xuất Giáo dục Việt Nam Ngô Quốc Quýnh (2004) Tuyển tập tập Vật lí nâng cao Trung học phổ thông – tập 5, Nhà xuất Giáo dục Vũ Thanh Khiết Những tập Vật lí – hay khó – tập 3, Nhà xuất Đại học quốc gia Hà Nội Lương Dun Bình (2009) Vật lí đại cương – Tập 3, Nhà xuất Giáo dục Lê văn Thông – Nguyễn Văn Thoại (2000) Giải tốn Vật lí – Quang lí Quang hạt nhân, Nhà xuất trẻ 10 Vũ Thanh Khiết – Vũ Đình Túy (2003) Chuyên đề bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lí – tập 5, Nhà xuất Giáo dục 75 ... dịch chuyển bước sóng ∆λ chất tán xạ CHƯƠNG II: HỆ THỐNG BÀI TẬP HAY VÀ KHÓ CHƯƠNG QUANG SÓNG VÀ QUANG LƯỢNG TỬ 2.1 HỆ THỚNG CÁC BÀI TẬP CHƯƠNG QUANG SĨNG 2.1.1.GIAO THOA: Bài tập 1: Trong... tra cứu tài liệu chương Quang sóng Quang lượng tử  Trên sở lý thuyết hệ thống, phân loại tập, dạng tốn khó hay chương Quang sóng Quang lượng tử Sau hướng dẫn giải chi tiết tập  Cuối đưa kết...  Nghiên cứu tổng quan lý thuyết chương Quang sóng Quang lượng tử  Hệ thống phân loại tập hay khó chương Quang sóng Quang lượng tử  Hướng dẫn giải chi tiết tập SVTH: Phạm Thị Tuyết Sương GVHD: