Giáo án Vật lý Lớp 12 - Bài 30: Hiện tượng quang điện các định luật quang điện thuyết lượng tử ánh sáng

HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN CÁC ĐỊNH LUẬT QUANG ĐIỆN THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG I / MỤC TIÊU : Hiểu và nhớ được các khái niệm : hiện tượng quang điện, êlectron quang điện, dòng quang điện, giới hạn quang điện, dòng quang điện bão hòa, hiệu điện thế hãm. Hiểu được nội dung và nhận xét kết quả TN khảo sát định lượng hiện tượng quang điện. Hiểu và phát biểu được các định luật quang điện. Nắm chắc nội dung thuyết lượng tử ánh sáng và vận dụng để giải thích các định luật quang điện. Nắm được công thức Anh-xtanh để giải bài tập về hiện tượng quang điện. II / CHUẨN BỊ : 1 / Giáo viên : Vẽ trên giấy khổ lớn các Hình 59.2 và 59.3 SGK. 2 / Học sinh : Ôn lại các kiến thức về công của lực điện trường, định lí động năng, khái niệm cường độ dòng điện bão hòa (SGK Vật lí 11). III / GỢI Ý VỀ TỔ CHỨC HOẠT ĐỘNG DẠY – HỌC : Hoạt động của học sinh Hoạt động của giáo viên Hoạt động 1 : HS : Học sinh quan sát thí nghiệm. HS : Hồ quang điện. HS : Tấm kẽm mất điện tích âm. HS : Không xảy ra. HS : Không bị cụp lại : tấm kẽm không mất điện tích âm. HS : Nêu định nghĩa. HS : Nêu định nghĩa. Hoạt động 2 : HS : Xuất hiện do hiện tượng quang GV : Giáo viên hướng dẫn học sinh làm thí nghiệm 59.1 GV : Hãy kể tên mot số nguồn phát ra tia tử ngoại ? GV : Hai lá của điện nghiệm khép lại chứng tỏ điều gì ? GV : Nếu tấm kẽm mang điện dương thì hiện tượng trên có xảy ra không ? GV : Nếu chắn chùm tia hồ quang bằng tấm thủy tinh không màuthì hai lá của điện nghiệm như thế nào ? GV : Hiện tượng quang điện là gì ? GV : Electron quang điện là gì ? GV : Tại sao dòng điện xuất hiện trong điện. HS : Giới hạn quang điện. HS : Có nhưng nhỏ. HS : Không HS : Hiệu điện thế hãm. HS : Cường độ dòng quang điện bão hòa tăng. Hoạt động 3 : HS :  < 0 HS : Electron quang điện. HS : Khác nhau. Hoạt động 4 : HS : Học sinh xem SGK trang 253 HS : Thí nghiệm Hertz mạch là dòng quang điện ? GV : 0 có tên gọi là gì ? GV : Khi UAK = 0 thì dòng quang điện có xuất hiện trong mạch không ? GV : Khi UAK =  Uh thì dòng quang điện có xuất hiện trong mạch không ? GV : Uh có tên gọi là gì ? GV : Giữ nguyên bước sóng , nhưng tăng cường độ sáng chiếu vào catốt thì dòng quang điện sẽ như thế nào ? GV : Khi nào có dòng quang điện ? GV : Dòng quang điện là dòng chuyển dời có hướng của các hạt nào ? GV : Động năng của các electron quang điện có đặc điểm gì ? GV : Viết công thức động năng ban đầu cực đại của các electron quang điện ? GV : Giới thiệu định luật thứ nhất ? GV : Định luật này được rút ra từ kết quả TN nào ? HS : Học sinh xem SGK trang 353 HS : Khác nhau. HS : Không xảy ra hiện tượng quang điện. Hoạt động 5 : HS : Học sinh xem SGK trang 254 HS : Thí nghiệm tế bào quang điện. HS : Học sinh trả lời Hoạt động 6 : HS : Học sinh xem SGK trang 254 HS : Thí nghiệm tế bào quang điện. HS : Hiện tượng quang điện. Hoạt động 7 : HS : Học sinh xem SGK trang 254 GV : Yêu cầu HS xem bảng giới hạn quang điện của một số kim loại ? GV : Nêu nhận xét về trị số của o đối với các kim loại khác nhau ? GV : Nếu trong TN Héc không dùng tấm kẽm mà dùng tấm kali hoặc xesi thì các kết quả thu được có điều gì khác ? GV : Giới thiệu định luật thứ hai ? GV : Định luật này được rút ra từ kết quả TN nào ? GV : Cường độ của chùm sáng là gì ? GV : Giới thiệu định luật thứ ba ? GV : ĐL này rút ra từ kết quả TN nào ? GV : Thuyết điện từ về ánh sáng không giải thích được gì ? (GV gợi ý HS chú ý đến đặc tuyến vôn – ampe đường cong 1 và 2) của tế bào quang điện và lưu ý đến công thức (59.1) SGK. GV : Trình bày giả thuyết lượng tử HS : Học sinh xem SGK trang 255 HS : Rất nhỏ HS : 2 0max 2 mvhf A  Hoạt động 8 : HS : Ta có : hf ≥ A hay h c  ≥ A. Từ đó suy ra :  ≤ o, với o = h c A HS : Với các chùm sáng có khả năng gây ra hiện tượng quang điện, thì số êlectron quang điện bị bật ra khỏi mặt catôt trong một đơn vị thời gian tỉ lệ thuận với số phôtôn đến đập vào mặt catôt trong thời gian đó. Số phôtôn này tỉ lệ với cường độ của chùm sáng tới. Mặt khác cường độ của dòng quang điện bão hòa lại tỉ lệ thuận với số êlectron quang điện bật ra khỏi catôt trong một đơn vị thời gian. Từ đó suy ra, cường độ năng lượng của Plăng ? GV : Trình bày thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein ? GV : Hãy tính năng lượng của phôtôn ứng với ánh sáng đỏ ? Nêu nhận xét ? GV : Hướng dẫn học sinh thiết lập phương trình Einstein ? GV : Hướng dẫn học sinh dựa vào phương trình Einstein để chứng định luật 1 ? GV : Hướng dẫn học sinh dựa vào phương trình Einstein để chứng định luật 2 ? của dòng quang điện bão hòa tỉ lệ thuận với cường độ của chùm sáng chiếu vào catôt IV / NỘI DUNG : 1. Hiện tượng quang điện a) Chiếu tia tử ngoại vào một tấm kẽm ban đầu tích điện âm tấm kẽm bị mất điện tích âm. Tia tử ngoại đã làm bứt các êlectron ra khỏi tấm đó. b) Các thí nghiệm với các tấm kim loại khác đã dẫn đến kết luận sau. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng quang điện. Các êlectron bị bật ra được gọi là êlectron quang điện. 2. Thí nghiệm khảo sát định lượng hiện tượng quang điện a) Thí nghiệm b) Kết quả thí nghiệm + Khi UAK > 0, chiếu chùm ánh sáng có bước sóng, trong mạch xuất hiện dòng điện gọi là dòng quang điện. Nhỏ hơn hoặc bằng trị số o; o : giới hạn quang điện. 3. Các định luật quang điện a) Định luật quang điện thứ nhất Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi ánh sáng kích thích chiếu vào kim loại có bước sóng nhỏ hơn hoặc bằng bước sóng o. o được gọi là giới hạn quang điện của kim loại :  ≤ o b) Định luật quang điện thứ hai Đối với mỗi ánh sáng thích hợp (có  ≤ o) cường độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ thuận với cường độ của chùm sáng kích thích c) Định luật quang điện thứ ba Động năng ban đầu cực đại của êlectron quang điện không phụ thuộc cường độ của chùm sáng kích thích, mà chỉ phụ thuộc bước sóng ánh sáng kích thích và bản chất của kim loại. 4. Thuyết lượng tử ánh sáng “Chùm ánh sáng là một chùm hạt, mỗi hạt gọi là một phôtôn (hay lượng tử ánh sáng). Phôtôn có vận tốc của ánh sáng, có một động lượng xác định và mang một năng lượng xác định  = chf h   .  chỉ phụ thuộc tần số f của ánh sáng, mà không phụ thuộc khoảng cách từ nó đến nguồn sáng. Cường độ chùm sáng tỉ lệ với số phôtôn phát ra trong một đơn vị thời gian. 5. Giải thích các định luật quang điện a) Hiện tượng quang điện là sự va chạm giữa phôtôn với êlectron trong kim loại. Trong va chạm đó, phôtôn bị êlectron quang điện hấp thụ hoàn toàn, và nhường toàn bộ năng lượng  = h f của nó cho êlectron. Đối với các êlectron nằm ngay trên bề mặt kim loại, thì năng lượng  này được dùng vào hai việc : - Cung cấp cho êlectron một công A, gọi là công thoát, để nó thắng được lực liên kết với mạng tinh thể và thoát ra ngoài mặt kim loại; - Truyền cho êlectron đó một động năng ban đầu cực đại 2 0max 2 mv , ngay sau khi nó bứt ra khỏi bề mặt kim loại. Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng ta có 2 0max 2 mvhf A  Là công thức Anh-xtanh về hiện tượng quang điện. b) Giải thích các định luật quang điện - Định luật thứ nhất. Muốn cho hiện tượng quang điện xảy ra thì phôtôn của chùm sáng chiếu vào catôt phải có năng lượng lớn hơn, hoặc ít nhất phải bằng công thoát A, nghĩa là phải có hf ≥ A hay h c  ≥ A. Từ đó suy ra  ≤ o, với o = h c A . o chính là giới hạn quang điện của kim loại làm catôt. - Định luật thứ hai. Với các chùm sáng có khả năng gây ra hiện tượng quang điện, thì số êlectron quang điện bị bật ra khỏi mặt catôt trong một đơn vị thời gian tỉ lệ thuận với số phôtôn đến đập vào mặt catôt trong thời gian đó. Số phôtôn này tỉ lệ với cường độ của chùm sáng tới. Mặt khác cường độ của dòng quang điện bão hòa lại tỉ lệ thuận với số êlectron quang điện bật ra khỏi catôt trong một đơn vị thời gian. Từ đó suy ra, cường độ của dòng quang điện bão hòa tỉ lệ thuận với cường độ của chùm sáng chiếu vào catôt V / CỦNG CỐ VÀ DẶN DÒ : Trả lời câu hỏi 1, 2, 3, 3, 4, 5, 6, 7 và làm bài tập 1, 2, 3 Xem bài 62