2.2.6.1.Mục tiêu bài học a. Mục tiêu kiến thức
- Nhận biết đƣợc các dụng cụ, cách thức thực hiện và nắm đƣợc kết quả của thí nghiệm Héc về hiện tƣợng quang điện.
- Nêu đƣợc định nghĩa hiện tƣợng quang điện.
- Nắm đƣợc tác nhân gây ra hiện tƣợng quang điện. Phát biểu đƣợc định luật về giới hạn quang điện.
- Nêu đƣợc giả thuyết Plăng và hiểu đƣợc khái niệm lƣợng tử ánh sáng là gì, viết đƣợc biểu thức của lƣợng tử năng lƣợng.
- Phát biểu đƣợc thuyết lƣợng tử ánh sáng và nêu đƣợc các đặc điểm của photon.
- Vận dụng thuyết photon để giải thích định luật về giới hạn quang điện.
- Nắm đƣợc lƣỡng tính sóng - hạt của ánh sáng. b. Mục tiêu kĩ năng
- Vận dụng thuyết photon tìm điều kiện ánh sáng để xảy ra hiện tƣợng quang điện đối với một số kim loại thông thƣờng.
- Có sự nhìn nhận tổng thể hơn về bản chất của ánh sáng : lƣỡng tính sóng-hạt. 2.2.6.2.Chuẩn bị của giáo viên và học sinh:
a. Giáo viên :
- Soạn thảo giáo án powerpoint trong đó bao gồm : sơ đồ cấu tạo của thí nghiệm Héc, hình ảnh động khi chiếu tia sáng vào bảng kim loại thì làm các electron bật ra, bộ câu hỏi trắc nghiệm nhằm tiết kiệm thời gian.
- Bộ câu hỏi trắc nghiệm dẫn dắt, tái hiện, ôn tập cho kiến thức của toàn bài.
- Hình ảnh của Plăng, Einstein và những câu chuyện lịch sử có liên quan đến kiến thức bài học.
b. Học sinh:
- Ôn lại kiến thức của tia tử ngoại, tia X, tĩnh điện kế.
- Chia nhóm nghiên cứu, thảo luận.
HIỆN TƢỢNG QUANG ĐIỆN THUYẾT LƢỢNG TỬ ÁNH SÁNG
2.2.6.3. Thiết kế phƣơng án xây dựng kiến thức a. Lựa chọn phƣơng pháp
- Vì nội dung bài học là hoàn toàn mới mẻ và mục tiêu bài học phải nắm đƣợc khá nhiều loại kiến thức: Một hiện tƣợng vật lý - hiện tƣợng quang điện; một định luật vật lý - định luật về giới hạn quang điện, một thuyết vật lý - thuyết lƣợng tử ánh sáng; và giả thiết hoàn toàn mới của Plăng; Các khái niệm vật lý – photon ánh sáng… Do đó GV cần sử dụng phƣơng pháp thuyết trình và phƣơng pháp vấn đáp, đàm thoại là chủ yếu. Ngoài ra dùng phƣơng pháp phát hiện và giải quyết vấn đề ở một số chỗ cần thiết để HS nhớ kiến thức sâu hơn.
b.Phƣơng án
- Đầu tiên, mô tả thí nghiệm Héc,thông báo kết quả. Cần nhấn mạnh hai vấn đề:
+Tĩnh điện kế cho biết lúc đầu tấm kẽm tích điệm âm, nghĩa là nó đang thừa electron.
+Chiếu tia tử ngoại vào tấm kẽm, tĩnh điện kế cho biết tấm kẽm mất bớt điện tích âm.
- Ánh sáng hồ quang đã làm electron bật khỏi tấm kẽm, hiện tƣợng này gọi là hiện tƣợng quang điện.
- Để kiểm chứng tia tử ngoại có phải là tác nhân gây ra hiện tƣợng quang điện hay không. Chắn chùm ánh sáng hồ quang (là chùm phát ra tia tử ngoại) bằng một tấm thủy tinh dày thì hiện tƣợng trên không xảy ra nữa. Vì thủy tinh hấp thụ rất mạnh tia tử ngoại, chứng tỏ bức xạ tử ngoại gây ra hiện tƣợng quang điện ở kẽm. Còn ánh sáng nhìn thấy thì không. Tuy nhiên có những kim loại có khả năng xảy ra hiện tƣợng quang điện đối với cả ánh sáng khả kiến.
- Để HS nắm đƣợc nội dung của định luật quang điện, ta xây dựng định luật này bằng thực nghiệm là không khả thi. Do đó, nên dùng phƣơng pháp kể lại con đƣờng hình thành, cách thức xây dựng định luật này. Sau đó cho HS tham khảo giới hạn quang điện của một số kim loại trong sách giáo khoa.
- Định hƣớng HS phát hiện mâu thuẫn về bản chất sóng điện từ của ánh sáng trong hiện tƣợng này.
- Để HS nắm đƣợc nội dung của thuyết lƣợng tử, yêu cầu HS đọc trong SGK về giải thuyết của Plăng, lƣợng tử năng lƣợng và nội dung của thuyết. Tuy nhiên phần này, SGK chƣa tƣờng minh về lƣợng tử năng lƣợng. Đọc SGK, HS chỉ hiểu ở mức độ lƣợng tử năng lƣợng có liên quan đến ánh sáng thông qua tần số của nó. Thật ra, có
thể hiểu một chùm sáng là một chùm hạt, mỗi hạt mang một năng lƣợng là hf. Yêu cầu HS trả lời những câu hỏi nhằm nắm chắc hơn về nội dung của thuyết lƣợng tử.
- Định hƣớng HS hiểu công thoát là gì, suy ra hiện tƣợng quang điện xảy ra phải thỏa mãn điều kiện gì, từ đó giải thích định luật về giới hạn quang điện.
- Cuối cùng yêu cầu một nhóm nêu bằng chứng ánh sáng có tính chất sóng, một nhóm nêu bằng chứng ánh sáng có tính chất hạt. Dùng phƣơng pháp vấn đáp, đàm thoại để HS thấy đƣợc lƣỡng tính sóng - hạt của ánh sáng.
- Tổng kết bài học.
2.2.6.4.Tiến trình hoạt động dạy học cụ thể:
Hoạt động của GV Hoạt động của HS
Hoạt động 1 : Giới thiệu về hiện tƣợng quang điện.
Giới thiệu lịch sử: Năm 1887, Héc làm thí nghiệm và phát hiện khi chiếu ánh sáng thích hợp vào kim loại, electron bị bật khỏi bề mặt kim loại, nhiều thí nghiệm tƣơng tự cũng đƣa ra kết quả trên. Dùng thuyết sóng ánh sáng không giải thích đƣợc hiện tƣợng này. Khi nghiên cứu bằng thực nghiệm, quang phổ của các nguồn sáng, ta thu những kết quả không thể giải thích đƣợc bằng lý thuyết sóng ánh sáng. Để giải quyết những khó khăn này, Plăng đã đề ra giả thuyết về sự phát xạ hay hấp thụ năng lƣợng của các nguyên tử, phân tử. Sau đó vài năm, dựa vào giải thuyết của Plăng, Einstein đề ra thuyết lƣợng tử ánh sáng. Sự ra đời của thuyết này đã giúp sự hiểu biết của chúng ta về ánh sáng nói riêng, về thế giới vi mô nói chung thêm sâu sắc.
Sau đó giới thiệu kiến thức cần học trong chƣơng này.
Hoạt động 2: Tìm hiểu về hiện tƣợng quang điện.
GV trình chiếu đoạn video hoặc hiệu ứng powerpoint mô tả các electron bật ra khỏi bề mặt kim loại khi bị chiếu ánh sáng thích hợp.
Câu 30.1: Điền từ thích hợp vào chỗ trống:
1. Một vật tích điện âm khi ……… 2. Vật sẽ mất điện tích âm khi ……… 3. Trong thí nghiệm của Héc, ánh sáng hồ quang đã gây ra hiện tượng gì? ……… 4. Nếu chắn ánh sáng của hồ quang điện bằng tấm thủy tinh thì hiện tượng trên có xảy ra không?………
5. Hồ quang điện là nguồn phát ra những bức xạ nào?………
6. Thủy tinh đã đóng vai trò gì khi chắn ánh sáng hồ quang chiếu đến tấm kẽm? ………… 7. Tác nhân nào làm bật electron khỏi kim loại?…
8. Hiện tượng bật electron ra khỏi kim loại khi kim loại được chiếu ánh sáng thích hợp gọi là hiện tượng ………
Câu 30.2: Khi chiếu tia tử ngoại vào một tấm kẽm nhiễm điện dương thì điện tích của tấm kẽm không bị thay đổi vì:
A. Tia tử ngoại không làm bật các electron ra khỏi tấm kẽm.
B. Tia tử ngoại làm bật đồng thời electron và ion dương khỏi tấm kẽm
C. Tia tử ngoại làm bật electron khỏi tấm kẽm nhưng lại bị tấm kẽm nhiễm điện dương hút lại.
D. Tia tử ngoại làm bật electron ra khỏi tấm kẽm, vì tấm kẽm đang thiếu electron nên nó tiếp tục nhiễm điện dương.
GV chốt lại thông tin về hiện tƣợng quang điện.
HS quan sát, suy nghĩ và trả lời câu hỏi.
1. thừa electron.
2. mất hết electron thừa.
3. làm bật electron ra khỏi kim loại. 4. không. 5. tử ngoại, hồng ngoại, ánh sáng khả kiến. 6. hấp thụ tia tử ngoại. 7. tia tử ngoại. 8. quang điện. Câu 30.2: Đáp án D
Hoạt động 3: Tìm hiểu về giới hạn quang điện
Kể cho HS nghe cách thức xây dựng định luật giới hạn quang điện.
Tiếp theo cung cấp cho HS nội dung định luật.
Câu 30.3: Dùng bảng 30.1 trong sách giáo khoa để trả lời câu hỏi sau, trong các bức xạ sau, khi chiếu bức xạ nào vào tấm đồng thì gây ra hiện tượng quang điện:
A. Hồng ngoại.
B. Ánh sáng đỏ thật đơn sắc.
C. Tia tử ngoại có bước sóng lớn hơn 0,3µm.
D. Tia X
Câu 30.4: Nhận định nào sau đây là sai khi nói về giới hạn quang điện của kim loại:
A. Đặc trưng cho kim loại đó về khả năng xảy ra hiện tượng quang điện.
B. Giới hạn quang điện càng lớn thì hiện tượng quang điện càng dễ xảy ra.
C. Giới hạn quang điện λ0 là bước sóng của kim loại.
D. Giới hạn quang điện càng lớn thì kim loại đó càng dễ cho bật electron.
GV chốt lại thông tin và giải thích.
Định hƣớng để HS phát hiện mâu thuẫn khi dùng lý thuyết bản chất sóng ánh sáng để giải thich nội dung định luật.
GV cung cấp cho HS: chỉ có thể giải thích định luật giới hạn quang điện bằng thuyết lƣợng tử.
HS lắng nghe và ghi nhớ.
HS tham khảo bảng 30.1 sách giáo khoa về giới hạn quang điện λ0 của một số kim loại và trả lời các câu hỏi.
Câu 30.3: D
Câu 30.4: C
HS thảo luận nhóm, đọc sách giáo khoa để tự phát hiện vấn đề và thuyết trình trƣớc lớp.
Hoạt động 4: Tìm hiểu nội dung thuyết lƣợng tử ánh sáng và dùng lý thuyết lƣợng tử ánh sáng để giải thích định luật về giới hạn quang điện.
GV cung cấp thông tin về sự ra đời của thuyết luợng tử, yêu cầu HS đọc SGK tìm hiểu: giả thuyết Plăng và nội dung thuyết lƣợng tử.
Sau đó GV bổ sung thông tin lƣợng tử năng lƣợng đƣợc xem là năng lƣợng của một hạt ánh sáng (một photon) nó phụ thuộc vào bƣớc sóng ánh sáng. Bƣớc sóng càng ngắn thì năng lƣợng photon càng lớn và ngƣợc lại. Khi chiếu ánh sáng vào kim loại thì các photon mang năng lƣợng chuyển động với vận tốc c=3.108m/s đến va chạm vào electron trong kim loại. Va chạm này xảy ra sự trao đổi năng lƣợng theo tỷ lệ một photon truyền hết năng lƣợng cho một electron. Lƣu ý cho HS khắc sâu tỷ lệ va chạm 1:1.
Yêu cầu HS trả lời câu hỏi sau:
Câu 30.5: Những phát biểu sau đây, phát biểu nào đúng, phát biểu nào sai khi nói về thuyết lượng tử ánh sáng?
1. Ánh sáng được tạo thành bởi các hạt ……… 2. Mỗi hạt ánh sáng được gọi là một photon …. 3. Các photon chuyển động trong chân không với vận tốc khác nhau………
4. Các photon chuyển động dọc theo tia sáng … 5. Mỗi photon mang một năng lượng xác định… 6. Năng lượng của một photon được tính bằng công thức ε=hf………
7. Năng lượng này tỷ lệ thuận với bước sóng ánh sáng………
8. Một chùm sáng đơn sắc bao gồm rất nhiều photon, các photon này không giống nhau.…… 9. Một nguyên tử hay phân tử vật chất có thể
HS lắng nghe và đọc sách giáo khoa để tìm hiểu giả thuyết Plăng, lƣợng tử năng lƣợng là gì và nội dung của thuyết lƣợng tử ánh sáng. 1. Đúng 2. Đúng 3. Sai 4. Đúng 5. Đúng 6. Đúng 7. Sai 8. Sai 9. Đúng 10.Sai
hấp thụ hoặc phát xạ ánh sáng có nghĩa rằng chúng đang hấp thụ hoặc phát xạ một photon… 10. Khi ánh sáng đứng yên có nghĩa là photon đang đứng yên.………
Sau khi HS trả lời GV xác nhận lại thông tin đúng – sai và chốt lại kiến thức cần nhớ.
Định hƣớng HS hiểu công thoát của electron:
+Trong kim loại, electron ở trạng thái nào.
+Vậy khi nào ánh sáng chiếu vào kim loại làm electron bật ra khỏi bề mặt kim loại.
+Khi electron bắn ra khỏi kim loại thì bƣớc sóng của ánh sáng kích thích cần thỏa mãn điều kiện gì.
+Nêu lý do đặt λ0=hc
A
Khái quát lại hai luận điểm chính: công thoát A và điều kiện xảy ra hiện tƣợng quang điện.
Làm theo yêu cầu của GV
+Trong kim loại, electron chịu các liên kết.
+Electron bắn ra khỏi kim loại khi năng lƣợng mà nó nhận đƣợc từ photon đủ cho nó thực hiện công thắng đƣợc các liên kết. Tức là: hf >A hay hc
λ > 𝐴
+Suy ra λ < hc
A
+Tiếp tục suy luận rút ra đƣợc khi λ < λ0 thì xảy ra hiện tƣợng quang điện.
Hoạt động 5: Tìm hiểu lƣỡng tính sóng hạt của ánh sáng.
Yêu cầu HS nêu những bằng chứng chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng và những bằng chứng ánh sáng có tính chất hạt. Vậy ánh sáng có tính chất sóng hay tính chất hạt.
Thông báo thêm: dù tính chất nào của ánh sáng thể hiện ra thì ánh sáng vẫn có bản chất điện từ. Những sóng điện từ có tần số càng lớn thì photon của chúng có năng lƣợng càng lớn. Tính chất hạt thể hiện càng rõ nét thì tính chất sóng càng ít thể hiện, và ngƣợc lại.
HS thảo luận và trả lời, từ đó rút ra ánh sáng vừa có bản chất sóng, vừa có bản chất hạt.
Hoạt động 6: Củng cố, ôn tập và vận dụng
GV lựa chọn thời gian thích hợp chốt lại kiến thức cần nắm trong bài và trả lời câu hỏi TNKQ
Câu 30.6: Hiện tượng quang điện là hiện tượng:
A. chùm các electron bật ra khỏi tấm kim loại do bị nung nóng.
B. chùm các electron bật ra khỏi kim loại do bị chiếu sáng bằng bức xạ thích hợp.
C. chùm các ion dương bứt khỏi kim loại do bị chiếu bằng bức xạ năng lượng lớn.
D. xuất hiện dòng điện đồng thời phát sáng trong kim loại.
Câu 30.7: Trong thí nghiệm của Héc, khi chiếu ánh sáng hồ quang vào tấm kẽm tích điện âm thì nó bị mất bớt điện tích âm vì:
A. ánh sáng hồ quang cung cấp ion dương vào tấm kẽm nên làm trung hòa electron.
B. ánh sáng hồ quang làm bật các electron ra khỏi tấm kẽm.
C. tấm kẽm rất dễ mất bớt electron khi để ngoài không khí.
D. ánh sáng hồ quang kích thích ion dương có trong kim loại trung hòa electron.
Câu 30.8: Chiếu ánh sáng đơn sắc vàng vào một tấm vật liệu thì hiện tượng quang điện xảy ra. Tấm vật liệu này chắc chắn phải là:
A. Kim loại kiềm. B. Kẽm. C. Dung dịch dẫn điện. D. Nhôm.
Câu 30.9: Giới hạn quang điện phụ thuộc vào:
A. bản chất của kim loại.
B. hiệu điện thế giữa anốt và catốt của tế bào quang điện.
C. bước sóng ánh sáng kích thích.
D. cường độ chùm ánh sáng kích thích.
Câu 30.10: Chiếu một chùm bức xạ đơn sắc vào một tấm nhôm có giới hạn quang điện là 0,36µm. Hiện tượng quang điện sẽ không xảy ra khi chùm bức xạ là:
A. ánh sáng tím. B. ánh sáng đỏ. C. tia hồng ngoại. D. tia tử ngoại.
Câu 30.11: Giới hạn quang điện của tấm đồng là 0,35µm. Chiếu vào nó một số bức xạ có bước sóng λ1=0,36µm; λ2=0,35µm; λ3=0,4µm; λ4=0,45µm. Những bức xạ nào có thể gây ra hiện tượng quang điện:
A. λ1 B. λ1 và λ2 C. λ3 và λ4 D. λ4
Câu 30.12: Theo nội dung của thuyết lượng tử, phát biểu nào sau đây là không đúng:
A. Chùm ánh sáng là một chùm hạt, mỗi hạt là một photon có năng lượng xác định.
B. Các photon có năng lượng như nhau vì chúng chuyển động cùng vận tốc..
C. Cường độ của chùm sáng phụ thuộc vào số photon trong chùm.
Câu 30.13: Chỉ ra câu sai:
A. Thuyết lượng tử do Plăng đặt nền móng.
B. Einstein cho rằng ánh sáng gồm các hạt riêng biệt, mang năng lượng xác định gọi là photon.
C. Mỗi photon bị hấp thụ sẽ truyền toàn bộ năng lượng của nó cho một electron.
D. Hiện tượng quang điện chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng.
Câu 30.14: Lượng tử năng lượng là:
A. năng lượng nhỏ nhất và là năng lượng của một “hạt” trong chùm bức xạ điện từ.