Tài liệu tập huấn giảng viên dạy chuyên ngành bằng tiếng anh (khoa vật lý)

4 Tài liệu tập huấn giảng viên dạy chuyên ngành bằng tiếng Anh đảm nhiệm nhằm luyện các kỹ năng nghe nói đọc viết thông thường và 1 học phần tiếng Anh chuyên ngành Vật lí do khoa Vật lí

Trang 1

TÀI LIỆU TẬP HUẤN GIẢNG VIÊN DẠY CHUYÊN NGÀNH BẰNG TIẾNG ANH

KHOA: VẬT LÍ

Trang 2

2 Tài liệu tập huấn giảng viên dạy chuyên ngành bằng tiếng Anh

MỤC LỤC

BÀI 1: KINH NGHIỆM DẠY TIẾNG ANH CHUYÊN NGÀNH 3

BÀI 2: XÂY DỰNG BÀI GIẢNG VẬT LÍ (LÍ THUYẾT) BẰNG TIẾNG

Trang 3

BÀI 1: KINH NGHIỆM DẠY TIẾNG ANH CHUYÊN NGÀNH

I Giới thiệu hoạt động tập huấn

Việt Nam là một đất nước giầu tiềm năng về phát triển kinh tế xã hội Những thế mạnh về truyền thống hiếu học, khả năng tư duy sáng tạo, tình hình chính trị, xã hội ổn định cộng với chính sách mở cửa của Nhà nước…đã thu hút được sự quan tâm đặc biệt của các nhà đầu tư nước ngoài Chính những chính sách đầu tư vào các hoạt động sản xuất và thương mại này đã đóng vai trò to lớn trong sự phát triển xã hội như ngày nay Tuy nhiên, nguồn nhân lực chất lượng cao của chúng ta đã chưa đáp ứng được với nhu cầu thực tiễn cho nên chúng ta đã mất đi một nguồn lợi đáng kể Một trong những nguyên nhân của tình trạng này là do trình độ ngoại ngữ của người lao động Việt Nam còn rất kém, tạo rào cản lớn trong việc tiếp thu công nghệ hiện đại Nắm bắt được thực trạng trên, trong những năm gầm đây, Nhà nước đã có những chính sách đặc biệt nhằm từng bước nâng cao năng lực ngoại ngữ của giới trẻ Chính sách này được thể hiện qua “dự án Ngoại Ngữ 2020” trong đó việc giảng dạy các môn khoa học tự nhiên bằng tiếng Anh là một trong những nội dung quan trọng

Trên thực tế, bộ Giáo dục đã tổ chức nhiều khóa tập huấn dạy vật lí bằng tiếng Anh cho các giáo viên vật lí Tuy nhiên, công việc này gặp không ít khó khăn vì các giáo viên này vốn là các giáo viên Vật lí thuần túy, trình

độ ngoại ngữ còn hạn chế Năm 2014, lần đầu tiên khoa Vật lí Đại học Sư phạm Hà Nội tuyển sinh lớp đào tạo giáo viên dạy và học Vật lí bằng tiếng Anh Đây là khóa sinh viên được kỳ vọng sẽ trở thành các giáo viên dạy Vật lí giỏi tiếng Anh và có khả năng dạy Vật lí bằng tiếng Anh một cách chuyên nghiệp

Theo chương trình đào tạo, các sinh viên theo học lớp học Vật lí bằng tiếng Anh phải học tất cả các môn Vật lí và Toán bằng tiếng Anh Để chuẩn bị cho việc tiếp nhận các kiến thức bằng tiếng Anh, trong học kỳ đầu, sinh viên được bồi dưỡng tiếng Anh một cách khá bài bản Sinh viên được học 3 học phần tiếng Anh cơ bản và nâng cao (do khoa Tiếng Anh

Trang 4

đảm nhiệm) nhằm luyện các kỹ năng nghe nói đọc viết thông thường và 1 học phần tiếng Anh chuyên ngành Vật lí (do khoa Vật lí đảm nhiệm) nhằm nâng cao kỹ năng sử dụng tiếng Anh trong việc diễn đạt các nội dung vật lí theo đúng chuẩn văn phong khoa học đồng thời cung cấp từ vựng chuyên ngành và kỹ năng giao tiếp trong trường học để chuẩn bị cho nhiệm vụ học tập các môn Toán và Vật lí bằng tiếng Anh

Học phần tiếng Anh cho Vật lí đã được thực hiện một học kỳ, bài viết này nhằm chia sẻ những kinh nghiệm trong dạy và học tiếng Anh chuyên ngành Nội dung

cụ thể sẽ được trình bày ở mục sau

II Các tài liệu tập huấn

2.1 Chuẩn bị tài liệu học

Tiếng Anh cho Vật lí (English for Physics) hướng tới đối tượng sinh viên Vật

lí học bằng tiếng Anh Các bài học được soạn theo các chủ đề vật lí Mỗi chủ đề đều nhằm rèn các kỹ năng cơ bản cần thiết trong dạy và học vật lí như: Kỹ năng xây dựng khái niệm (defining), kỹ năng mô tả (describing), kỹ năng xây dựng giả thuyết (hypothesizing), kỹ năng so sánh (comparing), kỹ năng xây dụng thí nghiệm (experimenting)… Thông thường, mỗi bài học được chia thành các phần bao gồm: 1 bài đọc ngắn (short reading) có nội dung liên quan đến một chủ đề thuộc Vật lí trong đó tác giả có sử các kỹ năng như trình bày

ở trên (experimenting, describing, comparing, hypothesizing, defining…) Từ bài đọc này, các mẫu câu nhằm diễn đạt các nội dung tư duy Vật lí được liệt kê dưới dạng công thức để sinh viên thực hành viết (nói) để diễn đạt những nội dung tương tự 2 Bài đọc hiểu và từ vựng (Reading and vocabulary comprehension): phần này được soạn dưới dạng các bài trắc nghiệm điền từ vào chỗ trống hoặc thay thế từ bằng từ có nghĩa tương đương hoặc viết lại câu 3 Nghe hiểu (listening comprehension) và nói: Sinh viên được nghe người bản xứ đọc một đoạn dài Sau mỗi đoạn có những câu hỏi hoặc những nhận định mang tính chủ quan Sinh viên được chia thành từng nhóm để thảo luận và đưa ra quan điểm của mình Các nhóm có thể có quan điểm khác nhau Do đó, từng nhóm phải tranh luận để bảo vệ quan điểm của mình

2.2 Tổ chức lớp học, xây dựng các nhóm học tập

Trang 5

Một đặc điểm của lớp học này là các sinh viên có trình độ ngoại ngữ khá chênh lệch Một số em thi đầu vào khối A1 số còn lại thuộc khối A, một

số em học ở các thành phố lớn, một số em học ở quê chính là nguyên nhân dẫn đến chất lượng đầu vào khác nhau Đây vừa là khó khăn nhưng cũng là thuận lợi vì có thể tận dụng khả năng của các sinh viên giỏi giúp các sinh viên còn chưa giỏi Trên tinh thần lấy hoạt động của học sinh là chính, lớp học được chia làm nhiều nhóm, mỗi nhóm có 4 sinh viên sao cho mỗi nhóm đều có những sinh viên giỏi đóng vai trò dẫn dắt Các nhóm học tập này sẽ thường xuyên trao đổi nội dung học tập ở nhà cũng như trên lớp học Khi có bài tập, hoặc câu hỏi gì, các thành viên trong nhóm phải trao đổi với nhau bằng tiếng Anh dưới sự giám sát của giáo viên Với cách học tập như trên, tất cả các sinh viên đều phải làm việc và đều có cơ hội nói tiếng Anh trong mỗi giời học

2.3 Xây dựng kịch bản dạy học cho mỗi bài học

Trước khi vào bài học chính, sinh viên có khoảng 15 phút khởi động (warm up) bằng bài nói tự do (free talking) về một chủ đề ngẫu hứng nào

đó Sau phần warm up, sinh viên bắt đầu làm việc theo nhóm Ví dụ dưới

là một bài học về kỹ năng xây dựng một khái nệm vật lí (Defining) với chủ đề năng lượng (Energy)

Short Reading: Sinh viên sẽ đọc bài đọc ngắn về chủ đề năng lượng Trong bài đọc, có rất nhiều khái niệm về năng lượng được đề cập tới Sinh viên phải khái quát thành các cấu trúc câu để dựa vào đó có thể diễn

tả các khái niêm vật lí khác Sinh viên hoạt động theo nhóm để giải quyết các yêu cầu của giáo viên được ghi ở cuối bài đọc

Read the following passage to find definitions for as many types of energy as you can

The Many Forms of Energy

Energy is the ability to do work When a hammer strikes a nail, it exerts

a force on the nail that causes it to move The movement of the hammer has the ability to do work and therefore has a form of energy that we call kinetic energy Kinetic energy is the energy of motion

An object may have energy not only because of its motion but also

Trang 6

because of its position or shape For example, when a watch spring is wound, it is storing energy When this energy release, it will do the work

of moving the hands of the watch This form of energy is called potential energy Potential energy is stored energy Water in a dam is another example of potential energy

There are many types of kinetic and potential energy, including chemical, thermal, mechanical, electrical, and nuclear energy Chemical energy is potential energy that is stored in gasoline, food, and oil Just as the watch spring needs to be released to do the work of moving the hands, the energy stored in food molecules needs to be released by enzymes or substances in the body, and the energy stored in gasoline must be released by the spark plug to do its work of propelling the car forward Thermal energy may be defined as the kinetic energy of molecules When a substance is heated, the molecules move faster, which causes that substance to feel hot? Mechanical energy is energy related to the movement of objects Electric energy is energy that is produced by electric charges Nuclear energy is the energy that is stored

in the nucleus of certain kinds of atoms, like uranium

Understanding the reading

Task 1 Read out loud the passage

Task 2 Underline the sentences that describe an energy concept How many types of energy are there in the passage? What are they?

Task 3 Lear the ways that author defines new concept

NOTE: When defining, remember the following:

Definitions require the present simple tense and the verb to be

The definite article, the, is usually not used with the term being defined

because definitions are general statements For example, we would

define a giraffe (in general), not the giraffe (a specific giraffe)

Sentence Patterns

Trang 7

Analyzing Definitions: In each of the following definitions,

underline the general class once, and the specific

characteristic(s) twice

1 Helium is an inert gas that is light and nonflammable

2 Protozoa are one -celled organisms

3 A machine is a device that transforms energ y from one

6 Fog is a cloud that forms on the ground

7 Ecolog y is the study of the environment

8 A satellite is a celestial bod y that orbits another celestial

bod y

Relative Clauses

Trang 8

A clause is a part of a sentence that contains a noun and a verb A

relative clause is one that begins with which, that, where, or who, which and that are most commonly used in science definitions; who is used

when referring to people Science definitions often include relative clauses containing the characteristics that distinguish an item from others

in the class

Using Relative Clauses: Combine each of the following pairs of sentences

to produce a one sentence definition with a relative clause

1 Protons are positively charged particles They are contained in the nucleus of an atom

Protons are positively charged particles that are contained in the nucleus of an atom

2 A black hole is an area in space It has a gravitational pull so powerful that nothing, not even light, can escape

3 Marine biologists are scientists They study animals and plants that live in the sea,

4 The stratosphere is a portion of the atmosphere It is over seven miles high

5 Insulin is used in the treatment of diabetes It is a hormone

produced by the pancreas

6 The most abundant form of life on earth are bacteria They are simple forms of plant life

7 Oxidation is a chemical reaction It involves the loss of one or more electrons by an atom or ion

8 Nitrogen makes up 80 percent of the air It is a colorless, odorless gas

Creating Definitions: A good wa y to see if a definition is

complete is to reverse it For example, if we reverse an elephant

is an animal, we get an animal is an elephant, and it is obvious that

the definition is inadequate Formulate a definition for each

Trang 9

of the following words and test each on e b y reversing it If you need help, use a dictionar y

Led Lens Mirror Motor Multimeter Ohmmeter

Resistor Ruler Speed Velocity Voltage Voltmeter

Speaking: Sinh viên được cung cấp một số danh từ thường thường

gặp, họ có thể sử dụng từ điển nếu họ muốn Tiếp theo các nhóm

sẽ thảo luận với nhau để tìm cách định nghĩa các từ đó bằng tiếng Anh Cuối cùng, các nhóm sẽ kiểm tra chéo lên nhau bằng cách nhóm này đọc khái niệm, nhóm kia phải nói xem cái đó là cái gì Quá trình được thực hiện đến khi nào hai bên hiểu đúng ý của

nhau

Separate class in to 4 groups Group 1 choses five words in the table above and define them The others groups have to name the works

Example:

Group 1 says: This is an electric tool that used to

measure electric current

Do the same activities with the other groups

Listening:

Bài nghe được gửi trước cho sinh viên nghiên cứu ở nhà Trước khi nghe, sinh viên được cung cấp các từ được nhắc nhiều trong bài nghe Sinh viên sẽ sử dụng từ điển nói (talking dictionary) chuẩn để nghe những từ này Phần này sinh viên phải học ở nhà

Trang 10

trước khi lên lớp

Listen and answer the questions

Note: Before listening, look up talking dictionary and try to study the new words

Tape 1

New works

Ability, brain, categories, change, chemical, comfortable, contracts, energy, forms, heat, illuminates, kinetic, lights, motion, muscles, object, planet, position, potential, scientists, signals, sound, surface, transmits

Tape 2

New works

Amount, assuming, calculate, contains, dependent, directly, equation, explore, important, mass, object, pretty, proportional, relationship, rest, speed, twice, upon, variables, variables, velocity

Tape 3

New works

Absorbers, arrangement, automobiles, balls, beams, bonds, broken, buildings, burned, catches, chemicals, construct, contain, contains, couple, devices, distance, existing, explored, force, gasoline, hold, individual, likewise, look, metal, mouse, obviously, original, perhaps, released, resting, result, resumes, shape, shock, something, specifically, spring, stored, system, tires, trap, tripped, work, wrecking

Tape 4

New works

Alone, bicycle, bike, contract, converted, dependent, discuss, exist, food, formerly, hill, order, relationship, ride, roll, tightly

Listen and answer the questions: Nội dung này được cung cấp tại lớp

học (sinh viên không được biết trước câu hỏi ở nhà) Các nhóm sẽ cùng thảo luận với nhau bằng tiếng Anh dưới sự giám sát của giáo viên để

Trang 11

phán đoán câu trả lời Tiếp theo, sinh viên sẽ được nghe lại bài nghe, từng nhóm sẽ trả lời câu hỏi và giả thích tại sao họ lại lựa chọn câu trả lời như vậy Các nhóm sẽ cùng góp ý với nhau về các câu trả lời của từng nhóm

Tape 1

1 What is the best title of the lecture?

A) How to change energy from one form into another

B) Relationship in Different Energy Types

C) Energy illuminates the lights in our homes and moves cars down the road

D) The different forms of energy

2 Energy warms surface of

3 According to lecture, which of the following is not true?

A) Energy can do work

B) Energy moves the cars from our home to road

C) Energy blows the wind through our hair

D) Energy illuminates the lights in our homes

4 What have scientists learned

A) The way to save energy

B) The way to change energy to the light

C) The way to change energy from one form into another

Trang 12

D) How to use energy right way to make our lives more

comfortable

5 According to lecture, how many forms of energy existing in

different forms are there?

1 When does kinetic energy occur?

A) When an object is at rest

B) When an object is in motion

C) When an object receives heat

D) When an object releases energy

2 How many variables do the amount of kinetic energy of an object depend on? What are there?

A) 1

B) 2

C) 3

D) 4

3 How do you calculate kinetic energy?

4 Which of the following is true?

A) Smaller change in speed, larger changes in kinetic energy B) Smaller change in mass, larger changes in kinetic energy C) Kinetic energy is directly proportional to the mass of the object

or the square of its speed

Trang 13

D) If a car moves twice as fast as another, it will contain tow times as much kinetic energy

Tape 3

1 What is lecture about?

A) Explore kinetic energy

B) Explore potential energy

C) How to store energy

D) How to do work on an object

2 According to the lecture, what type of energy is stored in an object when you finish doing work on it?

A) Kinetic energy

B) Potential energy

C) Heat energy

D) Mechanical energy

3 According to the lecture, when is the trap-stored potential energy?

A) The spring does work

B) The trap catches a mouse

C) The lever is in the set position

D) The trap is tripped

4 Apart from the trap, how many devices are there mentioned in the lecture can be store potential energy?

Trang 14

A) The chemical potential energy is related to the arrangement of the chemicals

B) Reaction between to chemical elements

C) The energy existing within a chemical system

D) The different chemicals are mixed together

6 What happen when gasoline is burned?

A) The bonds within the gasoline are broken resulting in releasing potential energy

B) The bonds within the gasoline are broken resulting in storing potential energy

C) To provide food for our bodies

D) To break down food chemicals

Tape 4

1 What is the best title of the lecture?

A) The Relationship between Kinetic and Potential Energy

B) Difference between Kinetic and Potential Energy

C) Difference ways to store energy

D) To convert energy from food into kinetic energy

2 According to lecture, why do we have a difficulty to discuss kinetic

or potential energy alone?

A) Because they are quite different

B) Because they are so tightly related and even dependent upon each other

C) Because they do not happen at the same time

D) Because they do not happen at the same position

3 How does the way any kinetic energy exist?

A) An object is stored energy

Trang 15

B) It is released from potential energy

C) The kinetic energy is used store potential energy in any system D) To store potential energy in food to contract muscle

4 The person rides the bike to the top of a hill What type energy is formed when he (or she) stays in the top of a hill

A) The energy is used to roll the bike down the hill

B) The potential energy

C) The kinetic energy of motion

D) The heat energy

Trang 16

BÀI 2: XÂY DỰNG BÀI GIẢNG VẬT LÍ (LÍ THUYẾT) BẰNG TIẾNG

ANH

1 Giới thiệu

Dạy học Vật lí là một trong những phần quan trọng nhất, quyết định chất lượng giáo viên Vật lí được đào tạo ở các trường Đại học Sư phạm Các học phần Vật lí (lí thuyết) vừa có vai trò củng cố sâu sắc thêm kiến thức Vật lí cần cho người học khi dạy ở trường phổ thông, vừa có vai trò hình thành và xây dựng nội dung kiến thức mới cần thiết trong cả giảng dạy và nghiên cứu

Gần đây, việc đào tạo chương trình cử nhân bằng tiếng nước ngoài

đã được đưa vào thực hiện tại một số trường đại học trong nước, đáp ứng phần nào nhu cầu du học tại chỗ Từ năm 2014, Trường ĐHSP HN đã tổ chức tuyển sinh hệ Cử nhân Sư phạm Vật lí dạy bằng tiếng Anh khóa đầu tiên Trên cơ sở đó, báo cáo này đưa ra một số điểm lưu ý trong việc xây dựng một bài giảng lí thuyết Vật lí bằng tiếng Anh ở Khoa Vật lí, Đại học Sư phạm Hà Nội

Các vấn đề được trình bày trong báo cáo:

+ Chuẩn bị nội dung (kiến thức);

+ Các bước xây dựng một bài giảng

1.1 Chuẩn bị nội dung kiến thức

+ Chuẩn bị nội dung kiến thức Vật lí (bằng tiếng Việt): các giảng

viên dạy lí thuyết hệ cử nhân Sư phạm Vật lí bằng tiếng Anh (nên) là những giảng viên có kinh nghiệm giảng dạy nhiều năm, do đó đã nắm vững nội dung kiến thức Vật lí Trong trường hợp các trợ giảng lần đầu, giảng viên cần tham khảo các giáo trình Vật lí bằng tiếng Việt trước để nắm vững nội dung cần thiết Trong phần này cần xác định được phần kiến thức nào sẽ được kiểm tra, củng cố trong bài, chú ý đến các khối kiến thức Vật lí phổ thông, khối kiến thức hay dùng trong cuộc sống; xác định phần kiến thức mới trong bài Hai phần kiến thức này sẽ hỗ trợ nhau nâng cao hiệu quả của bài giảng

Trang 17

+ Chuẩn bị nội dung kiến thức Vật lí (bằng tiếng Anh): việc chuẩn

bị nội dung kiến thức bằng tiếng Anh có thể tiến hành bằng cách dịch tài liệu tiếng việt Tuy nhiên không nên làm như vậy, mà nên tham khảo trực tiếp giáo trình bằng tiếng Anh do các trường đại học lớn trên thế giới biên soạn Thông thường khi tham khảo các tài liệu này, một số kiến thức Vật lí trong giáo trình tiếng Việt cũng được cập nhật, chuẩn hóa lại Cách tốt nhất là xem các bài giảng của các Giáo sư trên mạng, tham gia các lớp học mở trực tuyến như trong một số trang mạng ở dưới đây:

1.2 Các bước xây dựng một bài lí thuyết Vật lí

+ Xác định mục đích, yêu cầu của bài giảng:

Đọc kỹ giáo trình (xem mục Chuẩn bị nội dung kiến thức ở trên), kết hợp với các tài liệu liên quan để tìm hiểu kĩ nội dung của của bài học và cái đích cần đạt tới của bài Sau đó giảng viên xác định cái đích cần đạt tới (khi giảng xong, học viên thu nhận được cái gì) về cả 3 mặt kiến thức, kỹ năng và tình cảm-thái độ Qua đó giảng viên có thể định ra các yêu cầu trong quá trình giảng dạy của mình để đạt cái đích đã đề ra ở trên (giảng như thế nào)

+ Lựa chọn những kiến thức cơ bản, trọng tâm để đưa vào các slide:

Trang 18

Đây là bước quan trọng thể hiện toàn bộ nội dung của bài giảng Các nội dung đưa vào các slide phải thật sự chắt lọc từ những kiến thức cơ bản của từng chương, mục, tiết, đoạn Dung lượng thông tin chứa đựng trong một slide không nên dài dòng, đòi hỏi giảng viên phải có tư duy tổng hợp, khái quát để có thể chọn lựa, chắt lọc kiến thức cơ bản nhất đưa vào các slide Tuy nhiên, cũng cần tương đối chi tiết để khi sinh viên có thể hiểu và nhớ lại được những gì đã học khi xem lại handout bài giảng (quan trọng đối với sinh viên khi nghe giảng bằng tiếng Anh)

+ Thu thập bổ sung tài liệu liên quan đến nội dung, xây dựng kho

tư liệu để làm phong phú bài giảng:

Thu thập chính từ Internet: ví dụ các trang ở mục 2.1.1 Lưu ý các kĩ năng khi search với google để đạt hiệu quả cao nhất

+ Xây dựng kịch bản cho bài giảng:

Đây là khâu quan trọng trong việc thiết kế bài giảng Kịch bản xây dựng phải bảo đảm các nguyên tắc sư phạm, nội dung kiến thức cơ bản của bài giảng, đáp ứng mục đích, yêu cầu đã đặt ra Kịch bản xây dựng còn phụ thuộc vào các sản phẩm có được trong kho tư liệu Giảng viên cần phải biết lựa chọn phù hợp để xây dựng kịch bản có chất lượng

+ Xây dựng giáo án điện tử:

Trong Microsoft Office, PowerPoint là một trong những chương trình trình diễn cho phép thực hiện hầu hết các yêu cầu trong giảng dạy theo phương pháp hiện đại; là một chương trình có nhiều tiện ích đối với việc thiết kế, trình bày bài giảng với nhiều tính năng đa dạng và phong phú

Để thiết kế một giáo án điện tử theo chương trình PowerPoint đảm bảo các yêu cầu đúng về nội dung và đẹp về hình thức, giảng viên nên quan tâm đến năm bước của quy trình đã nêu trên

2 Tài liệu tập huấn

Bài minh họa “Blackbody radiation” (Bức xạ của vật đen)

Trang 19

Blackbody radiation

Our Goals

• To consider the fundamental constituent of light, the photon

• To study the removal of an electron by an incident photon, the photoelectric effect

• To understand how the photon concept explains x-ray

production, x-ray scattering, and pair production

• To interpret light diffraction and interference in the photon picture

• To introduce the Heisenberg uncertainty principle

• To study the photon gas

• To study blackbody radiation

• …

Trang 20

Introduction

• Until the late 19th and early 20th centuries, light was well

understood as an electromagnetic wave.

• In the same year (1905) that Einstein published his famous

paper on Special Relativity, he also published a paper on the photoelectric effect He won the Nobel Prize for the later, but remarkably no prize was ever given for Relativity!

• When Einstein and others published work on the photoelectric

effect, scientists began to understand light also as a discrete unit, the photon.

The photoelectric effect

• Blue light striking a cesium target causes the cesium to emit electrons Red light does not, no matter how intense This violates the wave-

description of light

• Einstein’s explanation: Light comes in photons To emit an electron, the

cesium atom must absorb a single photon whose energy exceeds the

ionization energy of the outermost electron in cesium A blue photon has enough energy;

a red photon does not.

0

eV hf 

Trang 21

Einstein’s explanation of the photoelectric effect

• A photon contains a discrete amount of

energy For light of frequency f and

wavelength , this energy is E = hf or

E = (hc)/, where h is Planck’s constant

6.626 10−34J-s = 4.136 10−15eV-s.

• 1 eV = 1.602 10−19J-s

• This explains how the energy of an emitted

electron in the photoelectric effect depends

on the frequency of light used.

• Different materials can have a different

threshold frequency, but once that threshold

is exceeded, the dependence is the same.

• The momentum of a photon of wavelength 

is p = E/c = h/ Can write it in terms of

h

The photoelectric effect—examples

• Example 1—Laser-pointer photons.

Let’s explore this idea of photons and get an idea of the numbers of photons

in a typical laser pointer Say a red laser pointer (wavelength  = 650 nm)

has 0.5 mW of output power Each photon has an energy E = hc/ , =

6.6310 -34 *310 8 /6.5010 -7 = 3.0610 -19 J Since 0.5 mW = 510 -3 J/s,

this is 510 -3 J/s / 3.0610 -19 J/photon = 1.6310 16 photons/s.

• Example 2—Determining and h experimentally.

In a photoelectric experiment you measure stopping potentials V0for light

of three different wavelengths, 1.0 V for 600 nm, 2.0 V for 400 nm, and

3.0 V for 300 nm Determine the work function and Planck’s constant h.

To do this, we need the frequencies

Any two of these is enough for a straight line.

Trang 22

X-ray production

• The reverse process of the photoelectric effect—instead of a photon

being absorbed on interaction with matter and emitting an electron, we have an electron interacting with matter and emitting a photon

• An experiments show that the greater the kinetic energy of the electrons that strike the anode, the shorter the minimum wavelength of the x rays emitted by the anode.

• The photon model explains this behavior: Higher-energy electrons can convert their energy into higher-energy photons, which have a shorter wavelength.

X-ray scattering: The Compton experiment

• In the Compton experiment, x rays are

scattered from electrons The scattered x

rays have a longer wavelength than the

incident x rays, and the scattered

wavelength depends on the scattering

angle 

• Explanation: When an incident photon

collides with an electron, it transfers some

of its energy to the electron The scattered

photon has less energy and a longer

wavelength than the incident photon These

are elastic collisions, so both momentum

and energy are conserved.

(1 cos )

h mc

      

2

(cons of energy) (cons of momentum)

e e

pcmc p c E



 

p p P

Trang 23

•Example 3—Compton Scattering: You use 0.124-nm x-ray photons in a Compton-scattering experiment (a) At what angle is the wavelength of the scattered photons 1.0% longer than the incident x-rays? (b) How much energy went into the scattering particle?

• Example 3—Compton Scattering: You use 0.124-nm x-ray photons in a

Compton-scattering experiment (a) At what angle is the wavelength of the scattered photons 1.0% longer than the incident x-rays? (b) How much energy went into the scattering particle?

(a) Since ′ is 1% longer, ′ – = 0.01  , so solving for  ,

(b) The photon energy lost in the scattering is

That is the same energy gained by the particle.

Note max change in wavelength is for “head-on” collision (  = 180),

(1 cos )

h mc

    

Trang 24

Pair production

• When gamma rays of sufficiently short wavelength are fired into a metal

plate, they can convert into an electron and a positron (positively-charged

electron, or anti-matter electron), each of mass m and rest energy mc2

• The photon model explains this: The photon wavelength must be so short that

the photon energy is at least 2mc2 Note that the particles have to have exactly the same energy and angle in order to conserve momentum

• The reverse process can occur—the positron and electron can come together and annihilate to produce a photon (or more than one photon)

• Example 4: An electron and positron,

initially far apart, move toward each other at the same speed They collide head-on, annihilating each other and producing two photons Find the energies, wavelengths and frequencies of the two photons if the initial kinetic energies of the two are (a) negligible, or (b) both 5.00 MeV.

(a) In this case, the energies of the particles are each

just their rest masses mc2 , so each photon has that energy.

Diffraction and uncertainty

• When a photon passes through a narrow slit, its momentum becomes uncertain and the photon can deflect to either side By limiting the size vertical space to

the slit width a, the vertical (y) momentum becomes uncertain according to the

Heisenberg Uncertainty Principle:

• Each photon lands with some uncertainty, but a diffraction pattern is the result of many photons hitting the screen The pattern appears even if only one photon is present at a time in the experiment.Tthe pattern is not a consequence of

interference between two photons Each photon interferes with itself.

2

x p

  

Trang 25

The Heisenberg Uncertainty Principle

• You cannot simultaneously know the position and

momentum of a photon with arbitrarily great precision

The better you know the value of one quantity, the less

well you know the value of the other.

• In addition, the better you know the energy of a photon,

the less well you know when you will observe it

Better localization

in space

Worse knowledge

of wavelength (momentum)

Blackbody Radiation

Two types of bosons:

(a) Composite particles which contain an

even number of fermions These number

of these particles is conserved if the energy does not exceed the dissociation energy (~ MeV in the case of the nucleus).

(b) particles associated with a field, of which

the most important example is the photon These particles are not conserved: if the total energy of the field changes, particles appear and disappear We’ll see that the chemical potential of such particles is zero in equilibrium, regardless of density.

Trang 26

Ultraviolet Catastrophe (classical E&M)

Normal modes (standing waves) of EM wave in a

box:

, 1, 2, 3,

i i i L

p

Each mode has degeneracy 2 degrees of

freedom (polarization) From equipartition

theorem:

1 2 2

Solution: Light consist of quantized energy

units, called photons with energy  and

momentum p:

2 ,

And equipartition theorem is only applicable when i k T B

The partition function of photon gas in a box:    

0

1 exp

Recall Bose-Einstein distribution: For photon:

Photons are bosons with =0 Why ph=0?Photons are not conserved because they can be emitted or absorbed by matters Therefore, free

energy cannot depends on total number (Nph) of photons, i.e



Trang 27

The Planck spectrum (photon gas)

The total energy of photon gas at temperature T:

32 15

'

T V

Trang 28

max  max

1 exp

1 8

1 exp

8 , ,

3

3 2

hc

T k hc

c h

hc T u hc d

d d T u d

max 

T k h B



- does this mean that

8 2

max





T k hc B

/ 1 exp

5 1

/ 1 exp

1

2 5

2 6

x x

const x

x dx

d const df

The surface temperature of the Sun - 5,800K.

As a function of energy, the spectrum of

sunlight peaks at a photon energy of

m 5 0 5

T k hc B

eV T

k h

umax max 2 8 B  1 4

Spectral sensitivity of human eye:

- close to the energy gap in Si, ~1.1 eV, which has been so far the best material for solar cells

Trang 29

Blackbody radiation (photons escape from a hole)

Blackbody: absorb all EM radiation falls on it Blackbody

also emits photons with Planck spectrum (Blackbody could

be very bright, e.g Sun)

The photons that come out of the hole (i.e emitted by a

blackbody with area A) come from the photon gas inside the box that is in thermal equilibrium of the wall of box at

temperature T.

A

A physical mode of a blackbody

with surface area A a hole of

area A of a very large box (so that

incoming photo get absorbed

before escape)

Blackbody radiation = photon flux (EM energy) of a photon

gas at temperature T through surface area A (the hole).

Blackbody radiation (photons escape from a hole)

A

power energy flux

5 4

3 2

2 15

Trang 30

Sun’s Mass Loss

The spectrum of the Sun radiation is close to the black body spectrum with the maximum at a wavelength  = 0.5  m Find temperature of the sun and the mass loss for the Sun in one second How long it takes for the Sun to loose 1% of its mass due

to radiation? Radius of the Sun: 7·10 8 m, mass - 2 ·10 30 kg.

B B

740 , 5 10 5 0 10 38 1 5

10 3 10 6 6 5

8 34 max



This result is consistent with the flux of the solar radiation energy received by the Earth (1370 W/m 2 ) being multiplied by the area of a sphere with radius 1.5·10 11 m (Sun-Earth distance).

4 2 8 2

3 4 5

K m

W 10 7 5 15

by emitted

2 4 max

10 3

W 10 8

2 8 26

dm

the mass loss per one second

1% of Sun’s mass will be lost in 4 7 10 s 1.5 10 yr

kg/s 10 2 4 kg 10 2 / 01

M t

Radiative Energy Transfer Dewar

Liquid nitrogen and helium are stored in a vacuum or Dewar flask, a container surrounded by a thin evacuated jacket While the thermal conductivity of gas at very low pressure is small, energy can still be transferred by radiation Both surfaces, cold and warm, radiate at a rate:

Let the total ingoing flux be J,

and the total outgoing flux be J’:

i=a for the outer (hot) wall, i=b for the inner (cold) wall,

r – the coefficient of reflection, (1-r) – the coefficient of emission

r J

If r=0.98 (walls are covered with silver mirror), the net flux is reduced to 1% of the

value it would have if the surfaces were black bodies (r=0).

Trang 31

Superinsulation

Two parallel black planes are at the temperatures T1and T2respectively The

energy flux between these planes in vacuum is due to the blackbody

radiation A third black plane is inserted between the other two and is allowed

to come to an equilibrium temperature T3 Find T3, and show that the energy

flux between planes 1 and 2 is cut in half because of the presence of the third

2 4 1 0

T T

Without the third plane, the energy flux per unit area is:

The equilibrium temperature of the third plane can be found from the energy balance:

4 2 4 1 3 4 3 4 2 4 1 4 2 4 3 4 3 4 1

2 4 1

4 2 4 1 4 1 4 3 4 1

2

1 2

1

T T T T

Superinsulation: many layers of aluminized Mylar foil loosely

wrapped around the helium bath (in a vacuum space between the

walls of a LHe cryostat) The energy flux reduction for N heat

The Greenhouse Effect

Transmittance of the Earth atmosphere

Absorption:

Emission: Power out  4 pR E2T E4

the flux of the solar radiation energy received by the Earth ~ 1370 W/m 2

To maintain a comfortable temperature on the

Earth, we need the Greenhouse Effect !

However, too much of the greenhouse effect

leads to global warming:

Trang 32

Thermodynamic Functions of Blackbody Radiation

4 4

4

3

4 3

16 4

VT c

VT c TS U

 N

PV F PV TS U

G      0  

Now we can derive all thermodynamic functions of blackbody radiation:

the Helmholtz free energy:

the Gibbs free energy:

The heat capacity of a photon gas at constant volume:   16 3

VT c T

T u c

V V

This equation holds for all T (it agrees with

the Nernst theorem), and we can integrate it

to get the entropy of a photon gas:

0 2

16 16

VT c T T c

V T T T c T S

T T

F P

N

1 3

3

1



For comparison, for a non-relativistic monatomic gas– PV = (2/3)U The difference

– because the energy-momentum relationship for photons is ultra-relativistic, and

the number of photon depends on T.

Problem (blackbody radiation)

The cosmic microwave background radiation (CMBR) has a temperature of

approximately 2.7 K.

(a) (5) What wavelength λmax(in m) corresponds to the maximum spectral density

u( λ,T) of the cosmic background radiation?

(b) (5) What frequency max(in Hz) corresponds to the maximum spectral density

u(,T) of the cosmic background radiation?

(c) (5) Do the maxima u( λ,T) and u(,T) correspond to the same photon energy? If

not, why?

mm m T

k hc B

1 1 10 1 1 7 2 10 38 1 5

10 3 10 6 6 5

3 23

8 34

T

34 23

10 6 6

7 2 10 38 1 8 2 8

1 1

1 8

, ,

hc T u c d

d d T u d T u

Định dạng
Số trang	65
Dung lượng	2,55 MB