Giáo án chuyên đề Vật lí 12 chân trời Bài 7: Hiệu ứng quang điện và năng lượng của photon

HOẠT ĐỘNG CỦA GV - HS

DỰ KIẾN SẢN PHẨM

Nhiệm vụ 1: Tìm hiểu thí nghiệm Hertz về hiệu ứng quang điện

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

- GV yêu cầu HS đọc SCĐ, có thể cho HS quan sát video về sự tìm thấy hiệu ứng quang điện khi thực hiện thí nghiệm Hertz

link video

- HS trả lời câu hỏi Thảo luận (SCĐ.43)

 1. Dự đoán hiện tượng xảy ra nếu trong thí nghiệm của Hertz ở Hình 7.1, ta thay đèn hồ quang bằng nguồn phát ánh sáng nhìn thấy.

2. Dự đoán hiện tượng xảy ra khi chiếu tia tử ngoại vào bản kẽm tích điện dương trong thí nghiệm của Hertz ở Hình 7.1.

- HS tìm hiểu và trình bày:

+ Thế nào là hiệu ứng quang điện? Thế nào là quang electron?

Bước 2: HS thực hiện nhiệm vụ học tập

- HS đọc thông tin SCĐ sau đó trao đổi, thảo luận trả lời các câu hỏi mà GV đưa ra.

- GV quan sát, hướng dẫn, hỗ trợ HS (nếu cần thiết).

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động và thảo luận

- GV mời đại diện các nhóm báo cáo kết quả thảo luận

* Trả lời Thảo luận 1 (SCĐ – tr43)

Khi thay đèn hồ quang bằng nguồn phát ánh sáng nhìn thấy thì góc giữa hai lá kim loại trước và sau khi chiếu ánh sáng không thay đổi, tức là không xảy ra hiệu ứng quang điện.

* Trả lời Thảo luận 2 (SCĐ – tr43)

Khi chiếu tia tử ngoại vào bản kẽm tích điện dương, góc giữa hai lá kim loại vẫn được giữ như trước và sau khi chiếu ánh sáng không thay đổi, tức là không xảy ra hiệu ứng quang điện.

- GV mời HS khác nhận xét, bổ sung. 

Bước 4: Đánh giá kết quả, thực hiện nhiệm vụ học tập

- Từ kết quả thảo luận của nhóm, GV nhận xét, đánh giá quá trình HS thực hiện nhiệm vụ.

- GV kết luận về hiệu ứng quang điện.

1. HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN

1.1. Thí nghiệm Hertz về hiệu ứng quang điện

- Hiệu ứng các electron bị bứt ra khỏi bề mặt kim loại khi được chiếu bởi bức xạ điện từ có bước sóng thích hợp được gọi là hiệu ứng quang điện ngoài, hay hiệu ứng quang điện. 

- Các electron bị bật ra khỏi bề mặt kim loại trong hiệu ứng này gọi là quang electron hay electron quang điện.

Nhiệm vụ 2: Thực hiện thí nghiệm khảo sát dòng quang điện

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

- HS thảo luận theo kĩ thuật khăn trải bàn, tìm hiểu và trình bày:

Phương án thí nghiệm khảo sát dòng quang điện.

- HS tiến hành thí nghiệm dưới sự hướng dẫn của GV.

- HS ghi lại các số liệu thu thập được vào bảng số liệu (theo mẫu Bảng 7.1 trong SCĐ trang 44). HS dựa vào bảng số liệu để vẽ đường đặc trưng vôn – ampe của tế bào quang điện. Từ đó rút ra nhận xét về sự phụ thuộc của I vào U_AK và cường độ chùm sáng.

- HS trả lời câu hỏi Thảo luận (SCĐ.43)

 3. Dựa vào các dụng cụ được gọi ý trong Hình 7.2 để thiết kế phương án thí nghiệm vẽ đường đặc trưng vôn - ampe của tế bào quang điện.

4. Giải thích vì sao vỏ của tế bào quang điện thường bằng thạch anh.

Bước 2: HS thực hiện nhiệm vụ học tập

- HS đọc thông tin SCĐ sau đó trao đổi, thảo luận trả lời các câu hỏi mà GV đưa ra.

- GV quan sát, hướng dẫn, hỗ trợ HS (nếu cần thiết).

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động và thảo luận

- GV mời đại diện các nhóm báo cáo kết quả thảo luận

* Gợi ý Thảo luận 3 (SCĐ – tr43)

HS có thể tham khảo phương án gợi ý trong SCĐ để thiết kể phương án thí nghiệm vẽ đường đặc trưng vôn – ampe của tế bào quang điện.

* Trả lời Thảo luận 4 (SCĐ – tr43)

Thạch anh không hoặc rất ít hấp thụ tia tử ngoại. Do đó, thạch anh được dùng làm vỏ tế bào quang điện để tia tử ngoại có thể đi vào bên trong tế bào quang điện.- GV mời HS khác nhận xét, bổ sung. 

Bước 4: Đánh giá kết quả, thực hiện nhiệm vụ học tập

- Từ kết quả thảo luận của nhóm, GV nhận xét, đánh giá quá trình HS thực hiện nhiệm vụ.

- GV kết luận về hiệu ứng quang điện.

1.2. Thí nghiệm khảo sát dòng quang điện

* Mục đích:

- Vẽ đường đặc trưng vôn – ampe của tế bào quang điện.

- Khảo sát sự phụ thuộc của cường độ dòng quang điện vào cường độ chùm sáng.

* Dụng cụ (SCĐ -tr.44)

* Tiến hành thí nghiệm (SCĐ -tr.44)

Nhiệm vụ 3: Tìm hiểu về các định luật quang điện

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

- GV có thể sử dụng phương pháp đàm thoại kết hợp với kĩ thuật thảo luận nhóm đôi để định hướng cho HS tìm hiểu về các định luật quang điện. 

- HS thảo luận nhóm đôi để trả lời câu Luyện tập.

Quan sát Hình 7.4 và sắp xếp các đường đồ thị (1), (2). (3) theo thứ tự tăng dần của cường độ bức xạ điện từ kích thích.

Bước 2: HS thực hiện nhiệm vụ học tập

- HS đọc thông tin SCĐ sau đó trao đổi, thảo luận trả lời các câu hỏi mà GV đưa ra.

- GV quan sát, hướng dẫn, hỗ trợ HS (nếu cần thiết).

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động và thảo luận

- GV mời đại diện các nhóm báo cáo kết quả thảo luận

* Gợi ý Luyện tập (SCĐ – tr45)

Do cường độ dòng quang điện bão hoà tỉ lệ thuận với cường độ của bức xạ điện từ kích thích nên ta có thể sắp xếp các đường đồ thị theo thứ tự tăng dần của cường độ bức xạ điện từ kích thích như sau: (3), (2), (1).

Bước 4: Đánh giá kết quả, thực hiện nhiệm vụ học tập

- Từ kết quả thảo luận của nhóm, GV nhận xét, đánh giá quá trình HS thực hiện nhiệm vụ.

- GV kết luận về định luật quang điện.

1.3. Các định luật quang điện

a) Định luật quang điện thứ nhất về giới hạn quang điện

Đối với mỗi kim loại, hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi bước sóng bức xạ điện tử kích thích nhỏ hơn hoặc bằng một giá trị xác định, gọi là giới hạn quang điện của kim loại đó.

(7.1)

b) Định luật quang điện thứ hai về dòng quang điện bão hoà

Khi xảy ra hiệu ứng quang điện, cường độ dòng quang điện bão hoà tỉ lệ thuận với cường độ của bức xạ điện từ kích thích.

c) Định luật quang điện thứ ba về động năng ban dầu cực đại của quang electron

Động năng ban đầu cực đại của quang electron không phụ thuộc vào cường độ của bức xạ điện từ kích thích mà chỉ phụ thuộc vào bước sóng của bức xạ điện từ kích thích và bản chất của kim loại.

HOẠT ĐỘNG CỦA GV - HS

DỰ KIẾN SẢN PHẨM

Nhiệm vụ 1: Tìm hiểu về giả thuyết lượng tử của Planck

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

- GV yêu cầu HS tìm hiểu nội dụng và trình bày: 

+ Giả thuyết lượng tử của Planck. 

+ Cách tính đơn vị đo năng lượng eV.

-  HS trả lời câu hỏi Thảo luận 5 (SCĐ -tr.46)

Năng lượng của sóng điện từ phụ thuộc như thế nào vào bước sóng?

Bước 2: HS thực hiện nhiệm vụ học tập

- HS đọc thông tin SCĐ sau đó trao đổi, thảo luận trả lời các câu hỏi mà GV đưa ra.

- GV quan sát, hướng dẫn, hỗ trợ HS (nếu cần thiết).

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động và thảo luận

- GV mời đại diện các nhóm báo cáo kết quả thảo luận:

*Trả lời Thảo luận 5 (SCĐ – tr46)

Một cách tổng quát, năng lượng của sóng điện từ chỉ phụ thuộc biên độ và tần số của sóng.

- GV mời HS khác nhận xét, bổ sung. 

Bước 4: Đánh giá kết quả, thực hiện nhiệm vụ học tập

- Từ kết quả thảo luận của nhóm, GV nhận xét, đánh giá quá trình HS thực hiện nhiệm vụ.

- GV kết luận về nội dung giả thuyết lượng tử của Planck.

2. TÍNH LƯỢNG TỬ CỦA BỨC XẠ ĐIỆN TỪ

2.1. Giả thuyết lượng tử của Planck

- Các nguyên tử hay phân tử chỉ phát xạ hoặc hấp thụ năng lượng theo từng lượng nhỏ, gián đoạn. Mỗi lượng nhỏ này được gọi là lượng tử năng lượng và có giá trị xác định bởi biểu thức:

(7.2)

Trong đó, ƒ là tần số của bức xạ điện từ mà nguyên tử hoặc phân tử hấp thụ hay bức xạ, là hằng số Planck.

- Đơn vị đo năng lượng eV: được định nghĩa là độ lớn của công cần thực hiện để dịch chuyển một điện tích nguyên tố e giữa hai điểm có hiệu điện thế 1 V. Do đó:

Nhiệm vụ 2: Tìm hiểu về khái niệm photon và năng lượng photon

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

- GV yêu cầu HS tìm hiểu nội dụng và trả lời một số câu hỏi:

+ Trình bày ý tưởng về tính chất hạt của ánh sáng do Albert Einstein đề xuất.

+ Năng lượng của mỗi photon được tính như thế nào?

- GV cho HS quan sát và giảng giải về Ví dụ SCĐ.

-  HS trả lời câu hỏi Thảo luận 6 (SCĐ -tr.46) và Luyện tập

Sử dụng biểu thức (7.3) để giải thích vì sao các tia X và tia gamma có khả năng đâm xuyên lớn qua một số vật liệu.

+ Luyện tập (SCĐ – tr47)

Một bút laser có công suất 5,00 mW phát ánh sáng đơn sắc có bước sóng 650 nm. Tính số photon phát ra bởi bút laser này trong thời gian 1 phút.

Bước 2: HS thực hiện nhiệm vụ học tập

- HS đọc thông tin SCĐ sau đó trao đổi, thảo luận trả lời các câu hỏi mà GV đưa ra.

- GV quan sát, hướng dẫn, hỗ trợ HS (nếu cần thiết).

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động và thảo luận

- GV mời đại diện các nhóm báo cáo kết quả thảo luận:

*Trả lời Thảo luận 5 (SCĐ – tr46)

Theo biểu thức (7.3), năng lượng của bức xạ điện từ tỉ lệ nghịch với bước sóng. Vì các tia X và tia gamma có bước sóng rất ngắn nên mang năng lượng lớn, dẫn đến có khả năng đâm xuyên lớn qua một số vật liệu, lớn hơn so với ánh sáng nhìn thấy.

*Trả lời Luyện tập (SCĐ – tr47)

Năng lượng của mỗi photon:

Số photon phát ra bởi bút laser trong thời gian 1 phút:

photon

- GV mời HS khác nhận xét, bổ sung. 

Bước 4: Đánh giá kết quả, thực hiện nhiệm vụ học tập

- Từ kết quả thảo luận của nhóm, GV nhận xét, đánh giá quá trình HS thực hiện nhiệm vụ.

- GV kết luận về nội dung năng lượng photon.

2.2. Khái niệm photon. Năng lượng photon

- Albert Einstein đã đề xuất ý tưởng về tính chất hạt của ánh sáng:

• Ánh sáng là tập hợp các photon (hạt ánh sáng) chuyển động với tốc độ c = 3.108 m/s trong chân không.
• Mỗi photon của bức xạ có tần số f mang năng lượng được tính theo biểu thức (7.2).

- Năng lượng của mỗi photon là: (7.3)

Ví dụ (SCĐ – tr.46)

HOẠT ĐỘNG CỦA GV - HS

DỰ KIẾN SẢN PHẨM

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

- HS tìm hiểu nội dung mục 3 và trình bày:

Phương trình Einstein về hiệu ứng quang điện.

- GV hình thành 3 trạm với các nhiệm vụ để giải thích 3 định luật quang điện.

- HS thực hiện nhóm: Nhóm 1 làm việc tại trạm 1, nhóm 2 làm việc tại trạm 2, nhóm 3 làm việc tại trạm 3 trong thời gian quy định.

- Sau thời gian quy định, các nhóm HS tự động chuyển trạm (chuyển nhiệm vụ, không chuyển vị trí để tránh mất trật tự) cho đến khi tất cả các nhóm đều hoàn thành cả 3 trạm. 

- Sau thời gian làm việc, nhiệm vụ:

+ Nhóm 1 trình bày về việc giải thích định luật quang điện thứ nhất (trạm 1), 

+ Nhóm 2 trình bày về việc giải thích định luật quang điện thứ hai (trạm 2), 

+ Nhóm 3 trình bày về việc giải thích định luật quang điện thứ ba (trạm 3). 

(Phiếu học tập của các trạm được đính kèm dưới)

- GV cho HS thảo luận trả lời Luyện tập (SCĐ -tr.48)

Biết rằng phải chiếu vào cathode bằng sodium (Na) bức xạ điện từ có bước sóng nhỏ hơn hoặc bằng 504 nm thì hiệu ứng quang điện mới xảy ra. Khi hiệu điện thế giữa anode và cathode nhỏ hơn hoặc bằng -2,46 V thì dòng quang điện tắt.

…………………….

3. GIẢI THÍCH CÁC ĐỊNH LUẬT QUANG ĐIỆN

3.1. Phương trình Einstein về hiệu ứng quang điện.

(7.4)

với m là khối lượng của electron và 

là động năng ban đầu cực đại của quang electron.

3.2. Giải thích các định luật quang điện

a) Giải thích định luật quang điện thứ nhất

- Công thoát (kí hiệu A): Năng lượng mà các electron dẫn (electron chuyển động tự do) cần được cung cấp để thoát ra khỏi bề mặt một tấm kim loại.

- Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi:

hay tức là .

- Năng lượng cung cấp bởi bức xạ điện từ kích thích cho mỗi electron không phụ thuộc cường độ của bức xạ điện từ chiếu vào kim loại mà chỉ phụ thuộc năng lượng của mỗi photon (hoặc bước sóng) của bức xạ điện từ tương ứng.

Trả lời Thảo luận 7 (SCĐ -tr.48)

Giới hạn quang điện ở của các kim loại trong Bảng 7.2 đều nằm trong vùng tử ngoại, do đó, để tạo ra hiệu ứng quang điện trong thí nghiệm Herzt, ta phải sử dụng chùm tia tử ngoại có bước sóng , theo định luật quang điện thứ nhất.

Trả lời Thảo luận 8 (SCĐ -tr.48)

Từ phương trình (7.4), ta có:

Do   nên . Suy ra .

Đặt  , ta có

Đây là định luật quang điện thứ nhất về giới hạn quang điện.

Trả lời Thảo luận 9 (SCĐ -tr.48)

Theo lí thuyết sóng thì năng lượng sóng điện từ không phụ thuộc vào bước sóng nên không thể giải thích vì sao khi bước sóng nhỏ hơn hay bằng một giá trị nào đó (giới hạn quang điện) thì xảy ra hiệu ứng quang điện.

b) Giải thích định luật quang điện thứ hai

- Khi xảy ra hiệu ứng quang điện, số quang electron bật khỏi cathode trong một đơn vị thời gian tỉ lệ thuận với số photon đập vào cathode trong một đơn vị thời gian, tức là tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ điện từ kích thích. 

Vì vậy, khi cường độ của dòng quang điện đạt giá trị bão hoà (tức là khi toàn bộ quang electron bật ra khỏi cathode trong một đơn vị thời gian đều về được anode), giá trị bão hoà này tỉ lệ thuận với cường độ của bức xạ điện từ kích thích.

Trả lời câu Thảo luận 10: 

……………………….