Vật lý đại cương (bài giảng, giáo trình)

TS DƯƠNG XUÂN NÚI (Chủ biên) ThS LƯU BÍCH LINH, ThS BÙI THỊ TỒN THƯ, ThS NGUYỄN VŨ CẨM BÌNH, ThS NGUYỄN HỮU CƯƠNG, TS NGUYỄN THỊ QUỲNH CHI, ThS NGUYỄN THỊ HUYỀN, ThS NGUYỄN THỊ THÚY HIỀN VËT Lý ĐạI CƯƠNG TRNG I HC LM NGHIP - 2021 TS DƯƠNG XUÂN NÚI (Chủ biên) ThS LƯU BÍCH LINH, ThS BÙI THỊ TỒN THƯ, ThS NGUYỄN VŨ CẨM BÌNH, ThS NGUYỄN HỮU CƯƠNG, TS NGUYỄN THỊ QUỲNH CHI, ThS NGUYỄN THỊ HUYỀN, ThS NGUYỄN THỊ THÚY HIỀN BÀI GIẢNG VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG (Dùng cho Trường Đại học Lâm nghiệp) TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP - 2021 LỜI NÓI ĐẦU Bài giảng Vật lý đại cương biên soạn với mục đích làm tài liệu thức phục vụ đào tạo cho sinh viên ngành Quản lý tài nguyên rừng Môi trường, Hệ thống thông tin, Công nghệ chế biến lâm sản Trường Đại học Lâm nghiệp phê duyệt Nội dung giảng bao gồm chương đề cập đến kiến thức phần Cơ học chất điểm; Chất lỏng; Hệ nhiệt động; Trường điện từ Quang học biên soạn giảng viên Bộ môn Vật lý GVC TS Dương Xuân Núi - Chủ biên, biên soạn mở đầu, chương 3: Hệ nhiệt động chương 5: Quang học; GVC ThS Lưu Bích Linh biên soạn chương 1: Cơ học chất điểm; GVC ThS Nguyễn Hữu Cương biên soạn chương 3: Hệ nhiệt động; GVC ThS Bùi Thị Toàn Thư biên soạn chương 4: Trường điện từ chương 5: Quang học; GVC ThS Nguyễn Vũ Cẩm Bình biên soạn chương 2: Chất lỏng chương 5: Quang học; GVC TS Nguyễn Thị Quỳnh Chi biên soạn chương 5: Quang học; GV ThS Nguyễn Thị Huyền biên soạn chương 5: Quang học; GV ThS Nguyễn Thúy Hiền biên soạn chương 1: Cơ học chất điểm Trong q trình biên soạn nhóm tác giả nhận góp ý đồng nghiệp Khoa Cơ điện Cơng trình, Trường Đại học Lâm nghiệp giảng viên Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, Học viện Quân y, Học viện Y dược học cổ truyền Việt Nam Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn góp ý q báu thầy để giúp hồn thiện giáo trình Mặc dù cố gắng trình biên soạn chỉnh sửa nội dung, song lần biên soạn nên chắn khơng thể tránh sai sót, mong nhận góp ý đồng nghiệp sinh viên để hồn thiện giáo trình lần tái sau Các ý kiến góp ý xin gửi Bộ môn Vật lý, Khoa Cơ điện Cơng trình, Trường Đại học Lâm nghiệp Nhóm tác giả i ii MỤC LỤC Lời nói đầu i Mục lục iii BÀI MỞ ĐẦU Chương CƠ HỌC CHẤT ĐIỂM 1.1 Động học chất điểm 1.1.1 Vectơ vận tốc 1.1.2 Vectơ gia tốc 13 1.1.3 Chuyển động với gia tốc không đổi 16 1.2 Động lực học chất điểm 24 1.2.1 Ba định luật Newton 24 1.2.2 Các lực học thường gặp 28 1.3 Công lượng 33 1.3.1 Công Công suất 33 1.3.2 Cơ định luật bảo toàn trường lực 35 Bài tập chương 43 Chương CƠ HỌC CHẤT LƯU 45 2.1 Tĩnh học chất lưu 45 2.1.1 Mở đầu chất lưu 45 2.1.2 Áp suất phương trình của tĩnh học chất lưu 46 2.2 Động lực học chất lưu lý tưởng 50 2.2.1 Chuyển động của chất lỏng lý tưởng 50 2.2.2 Định lý Bernoulli 53 2.2.3 Ứng dụng của định lý Bernoulli 58 2.3 Trạng thái lỏng 60 2.3.1 Cấu trúc phân tử chuyển động của chất lỏng 60 2.3.2 Năng lượng mặt lực căng mặt 62 2.3.3 Hiện tượng biên chất lỏng chất rắn Hiện tượng mao dẫn 67 Bài tập chương 74 Chương HỆ NHIỆT ĐỘNG 76 3.1 Mở đầu chất khí 76 3.1.1 Thông số trạng thái 76 iii 3.1.2 Nhiệt độ 76 3.1.3 Nội dung thuyết động học phân tử chất khí .77 3.1.4 Phương trình của thuyết động học phân tử 78 3.1.5 Khí lý tưởng 78 3.1.6 Phương trình trạng thái khí lý tưởng .78 3.2 Nguyên lý thứ nhiệt động học 80 3.2.1 Khái niệm hệ nhiệt động Nội năng, công nhiệt của khối khí lý tưởng trình cân 80 3.2.2 Nguyên lý thứ nhiệt động lực học 87 3.3 Nguyên lý thứ hai nhiệt động học 96 3.3.1 Sự xuất tất yếu của nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học .96 3.3.2 Nguyên lý thứ hai nhiệt động học 101 3.3.3 Động nhiệt Hiệu suất của động nhiệt 103 3.3.4 Chu trình Carnot hiệu suất của chu trình Carnot .105 Bài đọc thêm 110 Bài tập chương 113 Chương TRƯỜNG ĐIỆN TỪ 115 4.1 Điện tích Điện trường 115 4.1.1 Điện tích, Định luật bảo tồn điện tích 115 4.1.2 Định luật Culông tương tác tĩnh điện 117 4.1.3 Điện trường vectơ cường độ điện trường 121 4.2 Từ trường 127 4.2.1 Tương tác từ, khái niệm từ trường 127 4.2.2 Từ trường của số dòng điện đặc biệt 130 4.3 Hiện tượng cảm ứng điện từ 134 4.3.1 Từ thông, tượng cảm ứng điện từ 134 4.3.2 Hiện tượng tự cảm, tượng hỗ cảm 140 4.3.3 Năng lượng trường điện từ 144 Bài tập chương .146 Chương QUANG HỌC .147 5.1 Cơ sở quang hình học 147 5.1.1 Các định luật của quang hình học .147 5.1.2 Các đại lượng trắc quang 153 iv 5.2 Quang học sóng 156 5.2.1 Cơ sở của quang học sóng 156 5.2.2 Hiện tượng giao thoa ứng dụng 160 5.3 Quang lượng tử 170 5.3.1 Cơ sở của quang học lượng tử 170 5.3.2 Hiện tượng quang điện ứng dụng 173 Bài tập chương 181 Tài liệu tham khảo 183 v vi BÀI MỞ ĐẦU Đối tượng phương pháp nghiên cứu vật lý Vật lý học môn khoa học tự nhiên, môn khoa học nghiên cứu giới tự nhiên, bắt phục vụ lợi ích người Thế giới tự nhiên vật chất Thuộc tính vật chất phương thức tồn vận động khơng ngừng Do đó, nghiên cứu giới tự nhiên nghiên cứu vận động giới vật chất Vận động vật chất có nhiều dạng khác nhau, từ dạng đơn giản rời chỗ không gian (vận động học) đến dạng phức tạp sống sinh vật (vận động sinh vật học), biến đổi nguyên tố hóa học (vận động hóa học), biến đổi điện, từ trường mạch dao động điện từ (dao động điện từ) Với loại vận động người ta nghiên cứu phương pháp riêng Chính sở mà triết học tự nhiên phân chia thành khoa học riêng biệt: vật lý, hóa học, sinh học Vật lý khoa học nghiên cứu dạng vận động đơn giản nhất, tổng quát vật chất: vận động cơ, vận động nhiệt, vận động điện từ, vận động nguyên tử Vì thế, chừng mực định, vật lý coi khoa học nhiều ngành khoa học, kỹ thuật khác hóa học, kỹ thuật điện điện tử, kỹ thuật laser, công nghệ nano Vật lý học khoa học thực nghiệm Mọi định luật vật lý có giá trị giải thích đắn tượng có thực, phải thiết lập sở quan sát thực nghiệm Tuy nhiên, để phát biểu định luật vật lý cịn cần hoạt động tích cực tư duy, tức phải có phương pháp suy luận Phương pháp nghiên cứu vật lý gồm bước theo thứ tự sau: Đặt vấn đề: Đây bước quan trọng, có đặt vấn đề giải Những tượng ta gặp thường phức tạp phụ thuộc nhiều yếu tố Khi nghiên cứu tượng cần phải cụ thể hóa cần tìm yếu tố chủ yếu, yếu tố thứ yếu loại bỏ, để cuối phải phát biểu vấn đề mà ta nghiên cứu cách cụ thể ngôn ngữ vật lý Xây dựng giả thuyết: Trên sở quan sát thực nghiệm dựa nguyên lý thừa nhận, nhà vật lý, mẫn cảm tư sáng tạo đưa giả thuyết mô hình gần đơn giản hóa tượng nghiên cứu Khi dịch chuyển gương song song với dọc theo tia sáng đoạn λ/2 hiệu quang lộ hai tia thay đổi λ hệ thống vân dịch chuyển khoảng vân Vậy muốn đo chiều dài vật ta dịch chuyển gương từ đầu sang đầu vật đếm số vân dịch chuyển Nếu hệ thống vân dịch chuyển m khoảng vân chiều dài vật cần đo là: lm  Nhờ giao thoa kế Maikenxơn so sánh chiều dài mét mẫu so với bước sóng ánh sáng, sở để định nghĩa mét qua bước sóng ánh sáng Cũng nhờ giao thoa kế đó, Maikenxơn hồn thành thí nghiệm tiếng: xác định tính bất biến vận tốc ánh sáng hệ quy chiếu, tiên đề thuyết tương đối Anhxtanh 5.3 Quang lượng tử 5.3.1 Cơ sở quang học lượng tử 5.3.1.1 Đại cương xạ nhiệt Theo quan điểm cổ điển, xạ có dao động điện tích có vật chất (cịn gọi dao động tử) Trong trình xạ kèm lượng dạng lượng sóng điện từ (bức xạ điện từ) Để trì xạ, cần phải cung cấp lượng cho vật, lượng cung cấp xuất phát từ nhiều nguồn khác nhau: Nếu lượng cung cấp phản ứng hóa học xảy bên vật ta gọi hóa phát quang, lượng cung cấp vật hấp thụ ánh sáng ta gọi quang phát quang, lượng cung cấp điện trường tác dụng lên vật ta có điện phát quang, lượng cung cấp đun nóng vật nhiệt phát quang (cịn gọi xạ nhiệt) Bức xạ nhiệt xạ tạo kích thích phân tử, nguyên tử chất chuyển động nhiệt chúng Bức xạ nhiệt có đặc tính khác hẳn so với loại xạ khác trạng thái cân nhiệt vật trạng thái cân bền Trạng thái vật gọi cân phân bố lượng vật tia xạ giữ không đổi theo thời gian, hay lượng phát xạ vật phát lượng nhiệt mà vật hấp thụ Ta thấy lượng xạ nhỏ lượng cung cấp (năng lượng hấp thụ) cho vật vật nóng lên đến đạt trạng thái cân bằng, lượng xạ lớn lượng hấp thụ vật nguội cân nhiệt xuất Ngoài ra, tất vật thể 170 có nhiệt độ lớn độ khơng tuyệt đối phát xạ nhiệt, xạ nhiệt tượng đáng quan tâm nhà vật lý Tuy vậy, nghiên cứu xạ nhiệt, xuất phát từ quan điểm coi nguyên tử, phân tử phát xạ hay hấp thụ cách liên tục sở lí thuyết xạ điện từ cổ điển khơng giải thích triệt để kết thực nghiệm thu Trong lịch sử vật lý, khoảng thời gian dài cuối kỷ XIX gọi "sự khủng hoảng vùng tử ngoại" để nói điều Cuộc khủng hoảng chấm dứt Max Planck đưa khái niệm hoàn toàn vật chất xạ vào năm 1900 Đó xạ hấp thụ lượng gián đoạn lượng Đó ý tưởng lượng tử mở đầu cho phát triển vật lý lượng tử sau 5.3.1.2 Thuyết lượng tử lượng của Planck (1900) a Nội dung thuyết lượng tử của Planck Các nguyên tử, phân tử phát xạ hay hấp thụ lượng xạ điện từ cách gián đoạn: phần lượng phát xạ hay hấp thụ bội số nguyên lượng lượng nhỏ xác định gọi lượng tử lượng Đối với xạ điện từ đơn sắc tần số , bước sóng  lượng tử lượng tương ứng bằng:  = h. = h c  (5.18) Trong đó: h = 6,625.10-34 J.s gọi số Planck; c  3.108 m / s vận tốc ánh sáng chân không b Công thức Planck Trên sở thuyết lượng tử lượng Planck đưa biểu thức cho hàm mật độ phổ suất xạ vật đen tuyệt đối (cịn gọi cơng thức Planck xạ): f ( , T )  2hc  hc exp ( ) 1  k BT (5.19) Trong đó: k B  1,38.10 23 J/ độ số Boltzman Khảo sát biến thiên hàm f(, T) cho công thức Planck (5.19) nhiệt độ khác ta thu đường cong hoàn toàn phù hợp với 171 thực nghiệm Chính điều khẳng định giả thuyết vật xạ lượng gián đoạn lượng đắn Một số định luật thực nghiệm xạ nhiệt định luật Stefan Boltzmann, định luật Wien, công thức Rayleigh - Jeans… đời trước công thức Planck song định luật hồn tồn chứng minh nhờ cơng thức Planck coi hệ rút từ công thức 5.3.1.3 Thuyết lượng tử ánh sáng của Anhxtanh (1905) Thuyết lượng tử Planck nêu lên quan điểm đại lượng: lượng điện từ phát xạ hay hấp thụ có giá trị gián đoạn hay lượng điện từ phát xạ hay hấp thụ bị lượng tử hóa Nhưng thuyết lượng tử Planck chưa nêu lên chất gián đoạn xạ điện từ Đến năm 1905, Einstein dựa lý thuyết lượng tử lượng Planck đưa khái niệm hạt ánh sáng (photon) hồn thiện thuyết lượng tử ánh sáng (cịn gọi thuyết photon) a Nội dung thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein - Bức xạ điện từ cấu tạo vô số hạt gọi lượng tử ánh sáng hay photon - Với xạ điện từ đơn sắc định, photon giống mang lượng xác định bằng:  = h. = h c  (5.20) - Trong môi trường (và chân không) photon truyền với vận tốc c = 3.108m/s - Cường độ chùm xạ tỉ lệ với số photon phát từ nguồn đơn vị thời gian - Khi vật phát xạ hay hấp thụ xạ điện từ vật phát xạ hay hấp thụ photon Thuyết photon sở lý thuyết dùng để giải thích hàng loạt tượng quan trọng tượng quang điện, tượng phát quang, hiệu ứng Compton… mà thuyết sóng khơng giải thích b Động lực học photon Khi quan niệm ánh sáng chùm hạt, hạt (photon) có khối lượng, vận tốc, động lượng lượng tương ứng Xét photon ứng với xạ điện từ đơn sắc tần số , bước sóng  ta thu kết luận sau thuộc tính hạt photon: 172 c - Photon có lượng tỉ lệ thuận với tần số ánh sáng:  = h. = h  - Photon có vận tốc v = c =3.108 m/s - Photon có khối lượng: m   c h h   c c  m0 v2 1 c Trong đó: m0 khối lượng nghỉ photon (là khối lượng hạt không chuyển động) Vì v = c, đề đảm bảo giá trị m ln hữu hạn khác khơng m0 = 0, hay photon có khối lượng nghỉ khơng - Photon có động lượng: p  mc   c  h h   c Như vậy, động lượng photon tỉ lệ thuận với tần số tỉ lệ nghịch với bước sóng xạ điện từ tương ứng Bài tập áp dụng 5.5: Hãy xác định lượng, động lượng khối lượng photon ứng với xạ có bước sóng 1A0 Tóm tắt:  = 1A0 = 10-10(m);  = ?; p = ?; m = ? Giải: - Năng lượng photon:   hc - Động lượng photon: p  h - Khối lượng photon: m     c2  6,625.10 34.3.108  20,775.10 16 J 10 10  6,625.10 34  6,625.10 24 kg.m / s 10 10  20,775.10 16  2,3.10 32 kg (3.108 ) 5.3.2 Hiện tượng quang điện ứng dụng 5.3.2.1 Hiện tượng quang điện ứng dụng a Hiện tượng Hiện tượng quang điện ngồi (cịn gọi tượng quang điện) tượng điện tử giải phóng khỏi bề mặt kim loại tác dụng kích thích chùm ánh sáng thích hợp Các điện tử bắn gọi quang điện tử Dịng chuyển động có hướng quang điện tử tác dụng điện trường gọi dòng quang điện 173 K A G  R Hình 5.19 Sơ đồ mạch thí nghiệm Có thể nghiên cứu thực nghiệm sơ đồ thí nghiệm bố trí hình 5.19 phận tế bào quang điện Tế bào quang điện bóng thủy tinh chân khơng cao (p  10-6 mmHg) bên có hai điện cực anơt A catôt K, điện cực catôt làm kim loại cần nghiên cứu Nối hai điện cực với nguồn điện, dùng biến trở R để thay đổi hiệu điện hai điện cực, điện kế nhạy G dùng để đo dòng điện sinh Một chùm sáng thích hợp chiếu vào bề mặt kim loại dùng làm catôt, kim điện kế G khác không chứng tỏ mạch có dịng điện Thay đổi hiệu điện UAK anôt katôt ta thu phụ thuộc dòng điện vào hiệu điện UAK gọi đường đặc trưng Vôn - Ampe tế bào quang điện (Hình 5.20) Ibh I UAK(V) Ugh Hình 5.20 Đường đặc trưng Vơn - Ampe tế bào quang điện Qua đồ thị hình 5.20 ta thấy: Khi tăng dần UAK, cường độ dòng quang điện tăng theo Khi tăng đến mức đó, cường độ dịng điện đạt tới giá trị khơng đổi gọi cường độ dòng quang điện bão hòa Người ta nhận thấy UAK = cường độ dịng quang điện có giá trị khác I0  0, lí số điện tử nằm mặt ngồi kim loại giải phóng có động đủ lớn để bay anơt mà không cần tác dụng điện trường Để triệt tiêu dòng quang điện, ta đặt vào hai đầu điện cực tế bào quang điện hiệu điện ngược (gọi hiệu điện cản UC) 174 Hiệu điện cản có giá trị cho cơng cản điện trường động ban đầu cực đại quang điện tử: e.U C  m.v02max b Vận dụng thuyết photon giải thích định luật quang điện Hiện tượng quang điện với định luật Hertz Stoletop tìm từ cuối kỉ 19 khơng giải thích lí thuyết sóng điện từ ánh sáng cổ điển Chỉ có sở thuyết photon Einstein giải thích thấu đáo chất định luật tượng quang điện * Định luật quang điện thứ (về giới hạn quang điện) Đối với kim loại xác định, tượng quang điện xảy chùm sáng kích thích có bước sóng  nhỏ giá trị xác định gọi giới hạn quang điện o của kim loại Như biết điện tử tự chuyển động thể tích kim loại Khi điện tử muốn ngồi kim loại phải nhận đủ lượng thắng cơng A điện tử kim loại Bình thường động chuyển động nhiệt điện tử nhỏ cơng Khi ánh sáng thích hợp rọi tới, điện tử tự kim loại hấp thụ photon, truyền thêm c lượng   h  h Nếu lượng hấp thụ lớn cơng  điện tử thoát khỏi kim loại trở thành quang điện tử, nghĩa là:   h  h Hay:   Đặt: h c  A hc A c  0 gọi bước sóng giới hạn quang điện, ta thấy 0 phụ thuộc vào A chất kim loại Như vậy, điều kiện cần để xảy tượng quang điện là:   0 175 (5.21) * Định luật quang điện thứ hai (về dòng quang điện bão hòa) Cường độ dòng quang điện bão hoà tỉ lệ thuận với cường độ chùm ánh sáng kích thích Theo thuyết lượng tử ánh sáng, cường độ chùm sáng tỉ lệ với số photon phát từ nguồn đơn vị thời gian Khi chiếu chùm sáng thích hợp vào kim loại để xảy tượng quang điện, tương ứng photon có khả bứt điện tử tự Và toàn số điện tử bị bứt khỏi kim loại đơn vị thời gian đến cực dương (anốt), ta có dịng quang điện bão hồ Như vậy, cường độ dịng quang điện bão hồ phải tỉ lệ với cường độ chùm sáng kích thích * Định luật quang điện thứ ba (về động ban đầu cực đại quang điện tử) Đối với kim loại xác định, động cực đại ban đầu của quang điện tử không phụ thuộc vào cường độ của chùm ánh sáng kích thích mà phụ thuộc vào tần số của ánh sáng Đối với khối kim loại xác định, có điện tử sát mặt ngồi, có điện tử nằm sâu bên kim loại Với điện tử sát bề mặt chiếu sáng, lượng  = h mà hấp thụ phần thắng cơng A phần lại chuyển thành động ban đầu quang điện tử Động ban đầu lớn điện tử gần mặt kim loại kết động ban đầu cực đại điện tử sát bề mặt kim loại Đối với quang điện tử này, theo định luật bảo tồn lượng ta có:   A  Wđ max Hay: Trong Wđ0max = h  A  mvo2max (5.22) mvo2max động ban đầu cực đại quang điện tử Như vậy, với kim loại xác định cơng A xác định nên động Wđ0max phụ thuộc vào tần số  ánh sáng kích thích Bài tập áp dụng 5.6: Chiếu chùm sáng có bước sóng 0,497 m, có cơng suất 0,5 mW vào catốt kim loại tế bào quang điện Dòng quang điện triệt tiêu hiệu điện anốt catốt UC  - 0,4 V Cho vận tốc ánh sáng chân không, số Plăng, giá trị tuyệt đối điện tích electron c = 3.108 m/s; e = 1,6.10-19 C; h = 6,625.10-34 J.s Xác định cơng electron kim loại số photon đập vào katot giây 176 Tóm tắt:  = 0,497 m = 0,497.10-6 m; P = 0,5 mW = 5.10-4 W; UC  - 0,4 V; c = 3.108 m/s; e = 1,6.10-19 C; h = 6,625.10-34 J.s A=?N=? Giải: Theo công thức Anhxtanh tượng quang điện:   A  Wđ max  h c   A  eU c 6,625.10 34.3.108  A  h  eU c   (1,6.10 19 )(0,4)  3,359.10 19 J  2,1eV 6  0,497.10 c Số photon đập vào catốt 1s: A  P.t  N   N  Pt   Pt 5.10 4.1.0,497.10 6   0,125.10 20 photon 34 hc 6,625.10 3.10 c Ứng dụng của tượng quang điện Ứng dụng tượng quang điện ngồi để chế tạo nguồn thu tín hiệu quang như: tế bào quang điện, nhân quang điện * Tế bào quang điện Tế bào quang điện nguồn thu quang dựa hiệu ứng quang điện ánh sáng tương tác trực tiếp với điện tử vật liệu kim loại dùng làm catot Cấu tạo tế bào quang điện bầu thủy tinh nhỏ kín chân khơng có hai điện cực catot anot Catot thường làm kim loại kiềm Đối diện với catot cửa sổ suốt với ánh sáng cần đo (Hình 5.21) E G Hình 5.21 Tế bào quang điện Nguyên tắc hoạt động tế bào quang điện: đặt hiệu điện vào hai cực khoảng 75 V đến 125 V Khi ánh sáng chiếu tới, dòng quang điện xuất mạch qua điện trở R Cường độ dòng điện qua R hiệu điện R tỷ 177 lệ với cường độ ánh sáng tới Dòng quang điện tạo tế bào quang điện có giá trị nhỏ * Nhân quang điện Hoạt động nguyên tắc tế bào quang điện có thêm phận nhân điện tử làm khuếch đại dòng quang điện hiệu ứng phát xạ điện tử thứ cấp (Hình 5.22) Hình 5.22 Nhân quang điện Nhân quang điện có cửa sổ đặt đầu ống có độ nhạy cao nguồn thu quang vùng tử ngoại vùng ánh sáng nhìn thấy Để thuận tiện cho sử dụng, loại bỏ ảnh hưởng môi trường người ta chế tạo ống nhân quang điện cửa số đặt mặt bên có cấu tạo nhỏ gọn Nhờ có cửa sổ mặt bên nên ống nhân quang điện có vùng nhạy quang rộng đồng hơn, thời gian đáp ứng nhanh đạt độ nhạy cao so với nhân quang điện cửa sổ đầu ống Một ví dụ điển hình nhân quang điện cửa sổ mặt bên nhân quang R 928 hãng Hamamasu (Nhật Bản) sản xuất Nhân quang R 928 có hiệu suất lượng tử cao, khuếch đại dịng lớn, tỷ lệ tín hiệu ồn tốt Đây loại nhân quang điện có vùng hoạt động rộng bước sóng từ 185 nm đến 900 nm, thích hợp cho quang phổ kế băng rộng, quang phổ kế phát xạ quang phổ kế hấp thụ nguyên tử 5.3.2.2 Hiện tượng quang điện ứng dụng a Hiện tượng Hiện tượng quang điện tượng chiếu ánh sáng thích hợp vào chất bán dẫn giải phóng electrơn liên kết bên chất bán dẫn, biến 178 chúng thành electrôn dẫn đồng thời tạo lỗ trống tham gia vào trình dẫn điện Chú ý electrơn dẫn chuyển động bên khối chất bán dẫn mà không bị bứt tượng quang điện Đây lý mà người ta gọi tượng tượng quang điện Điều kiện để xảy tượng quang điện trong: Bước sóng  ánh sáng kích thích phải nhỏ bước sóng giới hạn 0 chất bán dẫn, bước sóng giới hạn 0 gọi giới hạn quang dẫn Giới hạn quang dẫn đa số chất bán dẫn miền hồng ngoại, đó, cần dùng ánh sáng kích thích ánh sáng thấy đủ để xảy tượng quang dẫn b Ứng dụng Ứng dụng tượng quang điện ứng dụng quang điện trở pin quang điện * Quang điện trở Quang điện trở điện trở làm chất quang dẫn Các chất quang dẫn chất bán dẫn Ge, Si, PbS… có tính dẫn điện tốt kích thích ánh sáng thích hợp Khi ánh sáng chiếu tới electron liên kết giải phóng trở thành electron dẫn đồng thời tạo lỗ trống tham gia dẫn điện Quang điện trở có cấu tạo gồm sợi dây chất quang dẫn gắn đế cách nhiệt Bình thường khơng chiếu sáng điện trở có giá trị cỡ vài mêgaôm (M) ánh sánh thích hợp chiếu đến quang điện trở giảm giá trị xuống cịn vài chục ơm * Pin quang điện Pin quang điện hay gọi pin Mặt Trời ứng dụng quan trọng hiệu ứng quang điện Là nguồn điện sử dụng lượng ánh sáng mặt trời nhằm trực tiếp biến đổi quang thành điện Hiện phát triển có triển vọng nguồn lượng mặt trời cung cấp cho vơ tận Hiệu suất pin quang điện đạt khoảng 10% 179 Hình 5.23 Pin mặt trời Cấu tạo pin quang điện bao gồm bán dẫn loại n, bên có phủ lớp mỏng bán dẫn loại p Trên lớp kim loại mỏng Dưới đế kim loại Các kim loại đóng vai trị điện cực trơ Một lớp chuyển tiếp gọi lớp chặn đặt bán dẫn loại n loại p Nguyên tắc hoạt động pin quang điện: chiếu ánh sáng có bước sóng ngắn giới hạn quang điện vào lớp kim loại mỏng ánh sáng xuyên qua lớp vào lớp loại p gây tượng quang điện giải phóng cặp electron lỗ trống, electron dễ dàng qua lớp chặn xuống bán dẫn loại n Cịn lỗ trống bị giữ lại lớp p Kết điện cực kim loại mỏng phía nhiễm điện dương trở thành điện cực dương pin đế kim loại nhiễm điện âm trở thành điện cực âm pin Suất điện động pin quang điện nằm khoảng từ 0,5 V đến 0,8 V Với tiến khoa học kỹ thuật ngày người ta chế tạo loại pin mặt trời có hiệu suất đạt tới 30% Pin quang điện ứng dụng máy đo ánh sáng, máy tính bỏ túi… Người ta chế tạo thử thành công ô tô máy bay chạy pin quang điện tương lai pin mặt trời nhỏ gọn dùng để sạc điện cho máy tính sách tay điện thoại di động 180 BÀI TẬP CHƯƠNG Bài tập 5.1: Một tia sáng rọi vào bể nước cho phản xạ tia khúc xạ vng góc với Biết góc tới có sin i  0,8 Hãy tính chiết suất nước Đáp số: n = 4/3 Bài tập 5.2: Một tia sáng rọi vào thủy tinh có chiết suất n   1,732 cho tia khúc xạ lệch phương so với tia tới góc  = 300 Tìm góc tới tia sáng Đáp số: i = 600 Bài tập 5.3: Một nguồn sáng điểm đẳng hướng O với cường độ sáng 100 Cd chiếu sáng cho điểm hình 5.24 Tính độ rọi điểm M (trên sàn nhà), N (trên tường nhà), A1 (góc nhà phía sàn), A2 (góc nhà phía tường) O 3m N 4m A2 M A1 Hình 5.24 Tính độ rọi nguồn điểm đẳng hướng Đáp số: EM = 25/4 lux; EN = 100/9 lux; EA1 = 16/5 lux; EA2 = 12/5 lux Bài tập 5.4: Chiếu chùm xạ có bước sóng  = 0,27 m vào Katốt tế bào quang điện Biết giới hạn quang điện kim loại dùng làm Katốt 0 = 0,45 m vận tốc ban đầu cực đại quang điện tử bao nhiêu? Bài tập 5.5: Trong thí nghiệm giao thoa Iâng, hai khe hẹp cách 2,4 mm Màn quan sát đặt cách khe 1,6 m Khoảng cách hai vân sáng liên tiếp 0,45 mm Tính bước sóng ánh sáng khoảng cách từ vân sáng thứ đến vân tối thứ Bài tập 5.6: Trong thí nghiệm giao thoa Iâng, hai khe hẹp cách mm Màn quan sát đặt cách khe 80 cm Đặt mỏng hai mặt song song, chiết suất n = 1,5 trước khe hệ vân dịch chuyển 4,2 mm Tính độ dày mỏng? 181 Bài tập 5.7: Một bóng đèn cơng suất 40 W phát ánh sáng đơn sắc có bước sóng  = 0,6 m Tìm số photon nguồn phát 10 giây? Bài tập 5.8: Cơng điện tử kim loại 7,64.10-19 J Chiếu vào bề mặt kim loại xạ có bước sóng 1 = 0,18 m, 2 = 0,21 m 3 = 0,35 m Bức xạ gây tượng quang điện kim loại bao nhiêu? Bài tập 5.9: Cho số Plăng: h = 6,625.10-34 J.s, bước sóng ánh sáng  = 0,55 m, vận tốc ánh sáng chân không c = 3.108 m/s Năng lượng photon ánh sáng bao nhiêu? Bài tập 5.10: Chiếu vào kim loại Xêsi ánh sáng có bước sóng  vận tốc ban đầu quang điện tử 6,5.105 m/s Biết cơng điện tử khỏi kim loại Xêsi 3,044.10-19 J Tính số bước sóng  nói 182 TÀI LIỆU THAM KHẢO Ngơ Phú An, Lương Dun Bình tác giả (1978) Vật lý đại cương Nxb Đại học Trung học chuyên nghiệp Dương Trọng Bái, Đào Văn Phúc, Vũ Quang (1998) Bài tập Vật lý 12 Nxb Giáo dục Lương Duyên Bình (2014) Vật lý đại cương (tập 1, 2, 3) Nxb Giáo dục Việt Nam Lương Duyên Bình (chủ biên) (1997) Vật lý đại cương (Cơ - nhiệt) Nxb Giáo dục Bộ môn Vật lý (2008) Bài giảng Vật lý đại cương Tập I Trường Đại học Xây dựng Bộ môn Vật lý (2014) Bài giảng Vật lý đại cượng Học phần vật lý Trường Đại học Xây dựng Phạm Thị Cúc, Tạ Văn Tùng (2009) Vật lý đại cương Nxb Giáo dục Việt Nam Nguyễn Hữu Hồ, Lê Băng Sương (dịch) (2006) Cơ học chất lỏng Nxb Giáo dục Nguyễn Văn Hòa (2013) Bài giảng Vật lý Trường Đại học Lâm nghiệp 10 Nguyễn Văn Hòa (2007) Bài giảng Vật lý đại cương Trường Đại học Lâm nghiệp 11 Nguyễn Văn Hòa (2008) Bài giảng Vật lý đại cương Trường Đại học Lâm nghiệp 12 Nguyễn Văn Hòa, Đỗ Hữu Điền, Nguyễn Xuân Linh (1995) Bài giảng Vật lý đại cương (A1+A2) Trường Đại học Lâm nghiệp 13 Nguyễn Văn Hòa, Đỗ Hữu Điền, Nguyễn Xuân Linh (2004) Bài giảng Vật lý đại cương (A3) Trường Đại học Lâm nghiệp 14 Trần Ngọc Hợi, Phạm Văn Thiều (2006) Vật lý đại cương - Các nguyên lí ứng dụng (tập 1, 2, 3) Nxb Giáo dục 15 Nguyễn Xuân Hy, Vũ Như Ngọc tác giả (1976) Vật lý đại cương Nxb Đại học Trung học chuyên nghiệp 16 Lưu Bích Linh (2016) Tài liệu thực hành môn Vật lý đại cương Trường Đại học Lâm nghiệp 17 Trần Văn Quảng, Nguyễn Công Tỏan, Nguyễn Bảo Chung (2007) Phương pháp giải tập Vật lý đại cương Nxb Thế giới 18 Nguyễn Huy Sinh (2012) Giáo trình Vật lý - nhiệt đại cương Nxb Giáo dục Việt Nam 19 Lại Kim Tiến, Vũ Tự Tân (1990) Vật lý Trường Đại học Nông nghiệp I, Hà Nội 183 20 Bùi Thị Tồn Thư (2016) Tài liệu thực hành mơn Vật lý Trường Đại học Lâm nghiệp 21 I V Xaveliev (1982) Giáo trình Vật lý đại cương Tập Nxb Đại học Trung học chuyên nghiệp 22 Nguyễn Vũ Cẩm Bình (Chủ biên), Lưu Bích Linh, Bùi Thị Tồn Thư, Dương Xuân Núi Nguyễn Thị Quỳnh Chi (2017) Giáo trình Vật lý Nxb Nơng nghiệp 23 David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker (1998) Cơ sở vật lý (trọn bộ) Nxb Giáo dục 24 David Halliday, Robert Resnick and Jearl Walker (2003) Fundamentals of Physics (10th edition) United States of America ISBN 978-1-118-23072-5 184 ... nguyên đại lượng vật lý 3.1 Đơn vị vật lý Phép đo đại lượng vật lý so sánh trực tiếp gián tiếp đại lượng phải đo với đại lượng loại chọn làm đơn vị Tỉ số đại lượng phải đo đơn vị số đo đại lượng... định Ăngghen vật lý học, đại ý: Vật lý học khoa học nhất, phổ biến nhất, trừu tượng trị Giảng dạy tốt nâng cao trình độ vật lý vấn đề cốt tử phát triển xã hội tương lai Đại lượng vật lý Mỗi thuộc... lượng vật dương không đổi, phụ thuộc vào lượng vật chất chứa vật Trong vật lý, khối lượng vật đại lượng vật lý đặc trưng cho mức độ qn tính vật Vật có khối lượng lớn có sức ì lớn cần có lực lớn