VIII. Cấu trúc của đề tài
2.4.2 Phƣơng án dạy học kiến thức bài 44
tính sóng- hạt của ánh sáng.
Bài 44. THUYẾT LƢỢNG TỬ ÁNH SÁNG. LƢỠNG TÍNH SÓNG HẠT CỦA ÁNH SÁNG.
I. Mục tiêu
1. Kiến thức
- Nêu đƣợc nội dung cơ bản của giả thuyết lƣợng tử năng lƣợng của Planck và thuyết lƣợng tử ánh sáng của Anh-xtanh.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
- Viết đƣợc công thức Anh-xtanh về hiện tƣợng quang điện ngoài. - Nêu đƣợc ánh sáng có lƣỡng tính sóng hạt.
2. Kỹ năng
- Vận dụng đƣợc thuyết lƣợng tử ánh sáng để giải thích ba định luật quang điện. - Vận dụng công thức của Anh-xtanh và các công thức về quang điện để giải bài tập về quang điện.
3. Thái độ
- Có hứng thú, yêu thích học tập bộ môn vật lí.
- Có tinh thần đoàn kết, có thái độ hợp tác trong học tập, giúp đỡ lẫn nhau trong quá trình học tập. Có tác phong tỉ mỉ, cẩn thận, có tinh thần trách nhiệm, khách quan, trung thực. Tích cực, có khả năng làm việc tự lực, chủ động chiếm lĩnh kiến thức.
II. Chuẩn bị
1. Chuẩn bị của giáo viên
- Một số thí nghiệm ảo nhƣ hiện tƣợng quang điện, năng lƣợng của chùm phôtôn tỉ lệ với số phôtôn, electron trong mạng tinh thể.
- Một số hình ảnh trình chiếu PowerPoin nhƣ sóng hạt của ánh sáng, nhiễu xạ, giao thoa, cầu vồng, hiện tƣợng quang điện, sự thể hiện tính chất sóng, hạt của ánh sáng. - Phiếu học tập, giáo án...
2. Chuẩn bị của học sinh
- Ôn khái niện công, động năng, định luật bảo toàn năng lƣợng. - Ôn lại bài hiện tƣợng quang điện ngoài. Các định luật quang điện. - Ôn lại các khái niệm về hạt và sóng, thuyết điện từ ánh sáng.
- Sử dụng thuyết điện từ ánh sáng để giải thích hiện tƣợng quang điện.
III. Tiến trình dạy học
1. Kiến thức: Thuyết lƣợng tử ánh sáng; Giải thích các định luật quang điện; Lƣỡng tính sóng hạt của ánh sáng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
- Phát triển giả thuyết lƣợng tử năng lƣợng của Planck. hf
- Đƣa ra thuyết lƣợng tử ánh sáng của Anh-xtanh.
- Sử dụng công thức Anh-xtanh về hiện tƣợng quang điện.
- Giả thuyết lƣợng tử năng lƣợng của Planck: Lƣợng năng lƣợng mà mỗi lần
một nguyên tử, phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định và gọi là lƣợng tử năng lƣợng hf .
- Thuyết lƣợng tử AS của Anh-xtanh.
+ Chùm ánh sáng là một chùm các phôtôn. Mỗi phôtôn có năng lƣợng xác định
hf
. Cƣờng độ của chùm sáng tỉ lệ với số phôtôn phát ra trong một giây. + Phân tử, nguyên tử, electron… phát xạ hay hấp thụ phôtôn.
+ Các phôtôn bay dọc theo tia sáng với tốc độ c = 3.108
m/s trong chân không. - Công thức Anh-xtanh về hiện tƣợng quang điện:
2 0max 2 mv hf A Ánh sáng có lƣỡng tính sóng hạt. - Thuyết lƣợng tử của Anh-xtanh.
+ Chùm ánh sáng là một chùm các phôtôn. Mỗi phôtôn có năng lƣợng xác định
hf
. Cƣờng độ của chùm sáng tỉ lệ với số phôtôn phát ra trong một giây. + Phân tử, nguyên tử, electron… phát xạ hay hấp thụ phôtôn.
+ Các phôtôn bay dọc theo tia sáng với tốc độ c = 3.108
m/s trong chân không. - Công thức Anh-xtanh về hiện tƣợng quang điện:
2 0max 2 mv hf A Ánh sáng có lƣỡng tính sóng hạt.
- Ánh sáng là sóng điện từ có bƣớc sóng ngắn lan truyền trong không gian.
- Hiện tƣợng quang điện là hiện tƣợng ánh sáng làm bật các electron ra khỏi bề mặt kim loại.
- Nội dung ba định luật quang điện:
+ Điều kiện để xảy hiện tƣợng quang điện: 0
+ Đối với mỗi chùm sáng thích hợp thì Ibh Ikt
+ Wdmax của quang elecron , kt I A
Sử dụng thuyết điện từ ánh sáng giải thích hiện tƣợng quang điện?
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
3. Tiến trình dạy học bài: "Thuyết lượng tử ánh sáng. Lưỡng tính sóng- hạt của ánh sáng".
* Kiểm tra bài cũ
Câu 1. Phát biểu các định luật quang điện?
Định luật quang điện thứ 1. Hiện tƣợng quang điện chỉ xảy ra khi ánh sáng kích thích chiếu vào kim loại có bƣớc sóng nhỏ hơn hoặc bằng bƣớc sóng giới hạn quang điện của kim loại đó. 0
Định luật quang điện thứ 2. Đối với mỗi ánh sáng thích hợp, cƣờng độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ thuận với cƣờng độ của chùm sáng kích thích.
Định luật quang điện thứ 3. Động năng ban đầu cực đại của quang electron không phụ thuộc cƣờng độ của chùm sáng kích thích, mà chỉ phụ thuộc bƣớc sóng ánh sáng kích thích và bản chất kim loại.
GV: Kiểm chứng
HS: Quan sát
GV: Ánh sáng màu nào gây ra hiện tƣợng quang điện? Nhận xét gì về số electron
bật ra khỏi kim loại khi cƣờng độ thay đổi?
HS: Ánh sáng đỏ có cƣờng độ mạnh nhƣng bƣớc sóng không thích hợp thì không
gây ra hiện tƣợng quang điện.
Ánh sáng tím chỉ cần có cƣờng độ rất yếu nhƣng bƣớc sóng thích hợp thì gây ra hiện tƣợng quang điện. Nếu cƣờng độ càng lớn thì số electron bật ra khỏi kim loại càng nhiều.
* Đặt vấn đề
Câu 2. Hãy dùng thuyết sóng điện từ về ánh sáng để giải thích hiện tượng quang điện?
HS: Theo thuyết sóng, khi ánh sáng chiếu vào mặt catot, điện trƣờng biến thiên trong sóng ánh sáng sẽ làm cho các electron trong kim loại dao động.
Cƣờng độ của chùm sáng kích thích càng lớn, thì điện trƣờng đó càng mạnh và làm cho các electron dao động càng mạnh. Đến một mức độ nào đó thì các electron sẽ bị bật ra, tạo thành dòng quang điện.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Vậy bất kì chùm sáng nào cũng có thể gây ra hiện tƣợng quang điện, miễn là nó có cƣờng độ đủ lớn và động năng ban đầu cực đại của electron quang điện phải phụ thuộc vào cƣờng độ của chùm sáng kích thích.
Điều này trái với thực nghiệm.
GV: Nhận xét và kết luận: Thuyết sóng điện từ về ánh sáng không giải thích đƣợc hiện tƣợng quang điện. Các định luật quang điện có thể đƣợc giải thích nhƣ thế nào? Bên cạnh tính chất sóng, ánh sáng còn có tính chất nào không? Tại sao chỉ có ánh sáng có bƣớc sóng thích hợp mới gây ra hiện tƣợng quang điện? Đây là những vấn đề mà trong một thời gian dài các nhà bác học không trả lời đƣợc.
Để giải thích đƣợc các định luật quang điện, trên cơ sở giả thuyết của Planck , Anh-xtanh đã đƣa ra giả thuyết về bản chất hạt của ánh sáng. Chúng ta sẽ lần lƣợt nghiên cứu giả thuyết của Planck và thuyết lƣợng tử ánh sáng của Anh-xtanh
GV: Hãy cho biết cơ sở thực nghiệm trực tiếp và cơ sở lí thuyết quan trọng của thuyết lƣợng tử ánh sáng là gì?
HS: Thảo luận chỉ ra đƣợc: Cơ sở thực nghiệm trực tiếp của thuyết lƣợng tử ánh sáng là các thí nghiệm về hiện tƣợng quang điện.
Cơ sở lí thuyết quan trọng của thuyết lƣợng tử ánh sáng là giả thuyết lƣợng tử năng lƣợng của Plăng.
GV: Vậy thuyết lƣợng tử ánh sáng có nội dung nhƣ thế nào?
1. Thuyết lƣợng tử ánh sáng
GV: Trƣớc khi tìm hiểu nội dung thuyết lƣợng tử ánh sáng ta sẽ nghiên cứu cơ sở lí thuyết quan trọng của thuyết lƣợng tử ánh sáng là giả thuyết lƣợng tử năng lƣợng của Plăng.
a. Giả thuyết lượng tử năng lượng của Plăng
GV: Giả thuyết lƣợng tử năng lƣợng của Plăng có nội dung nhƣ thế nào? Các em
hãy nghiên cứu nội dung giả thuyết lƣợng tử năng lƣợng của Plăng ở trong SGK.
HS: Nghiên cứu sách giáo khoa và nhắc lại trƣớc lớp.
GV: Sự sáng tạo của Plăng kì diệu ở chỗ nào?
HS: Thảo luận và chỉ ra: Năng lƣợng mang tính gián đoạn và ông tìm ra đƣợc biểu thức của lƣợng tử năng lƣợng hf .
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
GV: Nêu nội dung giả thuyết lƣợng tử năng lƣợng của Plăng?
HS: Nêu nội dung của giả thuyết trong sách giáo khoa.
GV: Nhấn mạnh và kết luận giả thuyết: Những nguyên tử hay phân tử vật chất hấp thụ hay bức xạ năng lượng thành từng phần riêng biệt, gián đoạn. Mỗi phần mang một năng lượng hoàn toàn xác định gọi là lượng tử năng lượng, có độ lớn: hf .
f : là tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay được phát ra.
h: hằng số Planck được xác định bằng thực nghiệm. h = 6,625.10-34
J.
GV: Các em hiểu nhƣ thế nào về lƣợng tử năng lƣợng?
HS: Thảo luận chỉ ra đƣợc: Đó là lƣợng rất nhỏ, ta không thể chia nhỏ một lƣợng tử năng lƣợng thành những phần nhỏ hơn đƣợc. Lƣợng tử năng lƣợng có ý nghĩa là năng lƣợng tối thiểu do một dao động tử điều hòa phát ra. Lƣợng tử năng lƣợng phụ thuộc vào tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay đƣợc phát ra. Tức là tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay đƣợc phát ra càng lớn thì lƣợng tử năng lƣợng sẽ càng lớn.
GV: Vận dụng hãy xác định lƣợng tử năng lƣợng ứng với ánh sáng tím
0,4 m
?
HS: Thảo luận và tính toán đƣợc lƣợng tử năng lƣợng
34 8 19 6 6, 625.10 .3.10 4,965.10 0, 4.10 hc hf J
GV: Giả thuyết của Planck đã giải thích thành công nhiều hiện tƣợng mà vật lí học cổ điển đã phải bó tay, là một cơ sở lí thuyết rất quan trọng của thuyết photon ánh sáng. Năm 1905, Anh-xtanh đã vận dụng thành công giả thuyết của Planck để giải thích các định luật quang điện. Ông đã phát triển giả thuyết của Planck lên một bƣớc và đề xuất thuyết lƣợng tử ánh sáng.
b. Thuyết lượng tử ánh sáng.( thuyết Phôtôn)
GV : Yêu cầu học sinh nghiên cứu nội dung của thuyết lƣợng tử ánh sáng
HS : Nghiên cứu nội dung của thuyết lƣợng tử ánh sáng trong sách.
GV : Đối với ánh sáng, một lƣợng tử năng lƣợng còn đƣợc gọi là gì?
HS: Thảo luận và trả lời: Đối với ánh sáng, một lƣợng tử năng lƣợng còn đƣợc gọi là 1 phôtôn.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
GV: Phôtôn tồn tại ở trạng thái nào? Tốc độ của phôtôn có giá trị bao nhiêu?
HS: Phôtôn tồn tại ở trạng thái chuyển động. Tốc độ của phôtôn xấp xỉ bằng vận tốc ánh sáng?
GV: Anh-xtanh coi chùm sáng nhƣ một chùm hạt và gọi mỗi hạt là 1 phôtôn, mỗi
phôtôn ứng với một lƣợng tử ánh sáng. Nêu nội dung của thuyết lƣợng tử ánh sáng?
HS : Trả lời câu hỏi.
GV: Nhận xét và kết luận:
+ Ánh sáng là hạt phôtôn. Năng lƣợng của một phôtôn là hf , Icđsáng Nphoton + Phân tử, nguyên tử, electron hấp thụ và phát xạ đƣợc phôtôn.
+ Phôtôn bay dọc theo tia sáng với tốc độ c = 3.108
m/s.
GV: Theo quan niệm cổ điển thì chùm sáng đƣợc hiểu nhƣ thế nào?
HS: Thảo luận chỉ ra đƣợc: Chùm sáng đƣợc xem là liên tục, lƣợng năng lƣợng mà mỗi lần một nguyên tử hay phân tử hấp thụ hoặc phát xạ không có giá trị xác định.
GV: Điều này có mâu thuẫn với tính chất lƣợng tử của ánh sáng không ?
HS: Thảo luận chỉ ra đƣợc: Mỗi lƣợng tử ánh sáng là rất nhỏ. Nên mỗi chùm sáng dù yếu đến đâu cũng chứa một số rất lớn lƣợng tử ánh sáng. Do đó ta cảm giác chùm sáng là liên tục.
GV : Nhận xét quan hệ giữa năng lƣợng phôtôn và bƣớc sóng, giá trị của một phôtôn?
HS: Thảo luận và trả lời: năng lƣợng phôtôn tỉ lệ nghịch với bƣớc sóng, giá trị của một phôtôn là rất lớn.
GV: Kết luận: Các phôtôn có tần số khác nhau thì có năng lƣợng khác nhau. Các
phôtôn có cùng tần số thì có cùng năng lƣợng. Không phụ thuộc vào khoảng cách xa gần nguồn phát. Nhƣng càng xa nguồn sáng, thì cƣờng độ sáng thay đổi nhƣ thế nào? Tại sao?
HS: Thảo luận và trả lời: Càng xa nguồn sáng, thì cƣờng độ sáng càng giảm vì mật độ phôtôn giảm do một số phôtôn bị hấp thụ.
GV: Theo quan điểm Anh-xtanh, một tia sáng khi va chạm vào một vật hấp thụ ánh sáng thì số lƣợng phôtôn đến sẽ giảm đi, cho nên cƣờng độ ánh sáng sẽ giảm vì có
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
một số phôtôn đã tách khỏi tia sáng. Sự hấp thụ ánh sáng hoàn toàn khi mà toàn bộ số lƣợng phôtôn tới đều tách ra khỏi tia sáng.
GV: Giáo viên minh họa bằng thí nghiệm ảo. Khi thay đổi cƣờng độ chùm sáng thì số phôtôn thay đổi nhƣ thế nào?
HS: Quan sát và chỉ ra đƣợc: cƣờng độ chùm sáng càng lớn thì số phôtôn càng nhiều, năng lƣợng chùm sáng tỉ lệ số phôtôn và phôtôn bay dọc theo tia sáng.
THUYẾT LƢỢNG TỬ ÁNH SÁNG . LƢỠNG TÍNH SÓNG HẠT CỦA ÁNH SÁNG
GV: Một bóng đèn pin mỗi giây phát ra bao nhiêu phôtôn? Tại sao vậy?
HS : Thảo luận và trả lời: Một bóng đèn pin mỗi giây phát ra rất nhiều phôtôn. Do rất nhiều phân tử, nguyên tử, electron phát ra.
GV: Chính vì lí do đó ta nhìn thấy chùm sáng là liên tục. Trong chùm sáng màu đỏ có mấy loại phôtôn? Tại sao?
HS : Thảo luận và trả lời: Có vô số loại phôtôn. Vì bƣớc sóng của chùm sáng màu đỏ nằm trong dải từ 0,64d 0,75 ( m) .
GV: Vận dụng thuyết lƣợng tử ánh sáng để giải thích các định luật quang điện.
2. Giải thích các định luật quang điện
a. Công thức Anh-xtanh về hiện tượng quang điện
GV: Theo Anh-xtanh, trong hiện tƣợng quang điện có sự hấp thụ hoàn toàn phôtôn chiếu tới. Mỗi phôtôn bị hấp thụ sẽ truyền toàn bộ năng lƣợng của nó cho 1 electron. Chiếu video và yêu cầu học sinh trả lời câu hỏi sau?
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
THUYẾT LƢỢNG TỬ ÁNH SÁNG . LƢỠNG TÍNH SÓNG HẠT CỦA ÁNH SÁNG
2.Giải thích các định luật quang điện
HS: Quan sát và thảo luận trả lời câu hỏi: Do có lực liên kết giữa các electron với nút mạng tinh thể.
GV: Khi phôtôn chiếu vào mặt kim loại thì hiện tƣợng gì sẽ xảy ra?
HS: Thảo luận phán đoán hiện tƣợng xảy ra.
GV: Cho học sinh quan sát video và trả lời câu hỏi sau.
THUYẾT LƢỢNG TỬ ÁNH SÁNG . LƢỠNG TÍNH SÓNG HẠT CỦA ÁNH SÁNG
Chứng minh hệ thức 44.2 SGK
HS: Quan sát và thảo luận trả lời câu hỏi. Năng lƣợng của phôtôn mà electron hấp thụ đƣợc dùng vào ba mục đích.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
+ Cung cấp cho electron một công thoát A, để electron thắng đƣợc lực liên kết với mạng tinh thể và thoát ra khỏi bề mặt kim loại.
+ Truyền cho electron một động năng ban đầu. + Truyền một phần năng lƣợng cho mạng tinh thể.
GV: Nếu electron nằm ngay trên lớp bề mặt kim loại thì năng lƣợng của phôtôn đƣợc dùng vào mục đích nào?
HS: Thảo luận và trả lời: Năng lƣợng truyền cho mạng tinh thể bằng không vì lúc này electron thoát ra ngay ra khỏi kim loại. Động năng ban đầu của electron có giá trị cực đại.
GV: Hãy sử dụng định luật bảo toàn năng lƣợng viết biểu thức?
HS: Thảo luận và viết biểu thức, giải thích các đại lƣợng trong biểu thức:
2 0 max
2
mv hf A
GV: Nhận xét và kết luận: Công thoát 0
0
hc A hf
, 0 là giới hạn quang điện của
kim loại. Động năng ban đầu cực đại
2 0 max dmax W 2 mv
. Năng lƣợng của phôtôn