TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG LÊ HOÀN SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM MỘT SỐ GIẢI PHÁP GIÚP HỌC SINH PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC TƯ DUY VÀ HOÀN THIỆN KĨ NĂNG GIẢI NHANH CÁC BÀI TOÁN VỀ HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆ
Trang 1TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG LÊ HOÀN
SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM
MỘT SỐ GIẢI PHÁP GIÚP HỌC SINH PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC TƯ DUY VÀ HOÀN THIỆN KĨ NĂNG
GIẢI NHANH CÁC BÀI TOÁN VỀ HIỆN
TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI
Người thực hiện: Nguyễn Văn Quyền
Chức vụ: Tổ phó
SKKN thuộc lĩnh vực: Vật lí
THANH HOÁ NĂM 2016
Trang 2M c l cục lục ục lục
Trang
Phần I ĐẶT VẤN ĐỀ
Phần II NỘI DUNG
1 Dạng toán áp dụng các công thức cơ bản về hiện tượng quang điện ngoài 6
2 Bài toán về cường độ dòng quang điện, công suất chùm sáng và hiệu
suất lượng tử
8
3 Bài toán chuyển động của electron quang điện trong điện trường và từ
trường
10
Phần III KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
I KẾT LUẬN 19
II KIẾN NGHỊ 19 Tài liệu tham khảo 20
Phần II ĐẶT VẤN ĐỀ
1 Lí do chọn đề tài
Vật lí là một môn học tự nhiên gắn liền với các hiện tượng thực tế xảy ra trong cuộc sống hằng ngày, vì vậy kiến thức về Vật lí với học sinh khá trừu tượng và khó Phần khó nhất là bài tập bởi vì bài tập Vật lí rất đa dạng và phong phú Lượng bài tập trong sách giáo khoa và sách bài tập Vật lí chưa đủ đáp ứng được với nhu cầu tuyển sinh đại học và thi học sinh giỏi của học sinh Để đáp ứng với nhu cầu thực tế trên, mỗi giáo viên dạy môn Vật lí cần tìm ra phương pháp tốt nhất, cung cấp những kiến thức cần thiết nhằm tạo cho học sinh niềm say mê, yêu thích môn học này, khắc phục những hạn chế cho học sinh giúp học
Trang 3sinh hiểu rõ hơn về các hiện tượng Vật lí và thu được kết quả cao hơn trong các
kì thi hiện nay Cụ thể là giúp học sinh nắm chắc lí thuyết, hiểu sâu nội dung các định luật Vật lí, từ đó phân loại được các dạng bài tập và hướng dẫn giải chi tiết từng dạng một là điều rất cần thiết
Trong những năm gần đây, bộ môn Vật lí là một trong số các môn học được Bộ Giáo dục và Đào tạo chọn hình thức thi theo phương pháp trắc nghiệm khách quan Với hình thức thi này, thời gian dành cho mỗi câu hỏi và bài tập là rất ngắn, trung bình khoảng 1,7 phút Nếu học sinh không được cung cấp các công thức tổng quát và các công thức hệ quả ở mỗi dạng bài tập để tìm ra kết quả nhanh nhất thì không thể đủ thời gian để hoàn thành tốt bài thi
Các câu bài tập trong đề thi môn Vật lí những năm gần đây ngày một dài
và khó hơn, cứ năm sau khó hơn năm trước kể từ khi thay sách giáo khoa lớp 12 năm học 2008-2009 đến năm học này 2015-2016 là 8 năm nhưng cả thầy và trò hình như vẫn bị choáng ngợp với sự đa dạng và phong phú của hình thức trắc nghiệm Hơn thế nữa, yêu cầu của xã hội ngày càng cao nên nội dung đề thi luôn phải đáp ứng được sự sàng lọc và phân hóa rõ nét, chính vì vậy yêu cầu kiến thức ngày một cao là tất yếu
Hiện tượng quang điện ngoài là bài toán thường gặp trong các đề kiểm tra định kì và các đề thi quốc gia Chương trình sách giáo khoa Vật lí 12 nâng cao chỉ đề cập đến các vấn đề cơ bản như: Năng lượng của phôtôn ánh sáng; công thức Anhxtanh về quang điện ngoài; hiệu điện thế hãm để triệt tiêu dòng quang điện Trong khi các bài toán trong đề thi về quang điện ngoài đã phát triển đa dạng hơn nhiều, để làm tốt được yêu cầu học sinh phải vận dụng tốt các kiến thức đã học ở lớp10 và lớp 11
Trong thực tế giảng dạy và tìm hiểu quá trình học tập của học sinh tôi nhận thấy đa số học sinh gặp rất nhiều khó khăn khi giải các bài toán mở rộng về hiện tượng quang điện ngoài
Vì những lý do trên, để giúp các em học sinh có đựơc nhận thức đầy đủ về hiện tượng và giúp các em giải được các bài toán khó về quang điện ngoài một cách nhanh nhất, tôi đã nghiên cứu các tài liệu và tham khảo các sách bài tập để đưa ra một số phương pháp giải nhanh một số dạng bài tập phần này, đặc biệt là các bài toán nâng cao hơn như chuyển động của electron quang điện trong điện trường và từ trường; bài toán về tia X Phương pháp này cũng giúp các em rèn luyện kĩ năng giải nhanh một số bài tập trắc nghiệm, tự luận trong các bài kiểm tra định kỳ và làm hành trang cho các em bước vào các kỳ thi THPT quốc gia sắp tới
2 Mục đích nghiên cứu
SKKN tập trung phân loại các dạng bài tập một cách có hệ thống, đề xuất phương pháp giải nhanh từng dạng toán nhằm giúp học sinh tiếp cận dễ dàng, logic và khắc sâu chuyên đề về Hiện tượng quang điện ngoài, đáp ứng tốt nhất yêu cầu thi trắc nghiệm THPT Quốc gia và luyện thi học sinh giỏi
Trang 4Trong đề tài này tôi đưa ra một số dạng toán thường gặp sau đây:
Dạng 1 Bài toán áp dụng các công thức cơ bản về hiện tượng quang điện ngoài Dạng 2 Bài toán về cường độ dòng quang điện, công suất chùm sáng và hiệu
suất lượng tử
Dạng 3 Bài toán chuyển động của electron quang điện trong điện trường và từ
trường
Dạng 4 Bài toán về tia X (tia Rơnghen).
3 Đối tượng nghiên cứu
Thông qua SKKN này, tác giả tập trung xây dựng, phân loại, hệ thống kiến thức các dạng toán về hiện tượng quang điện ngoài, đặc biệt là các dạng toán nâng cao hay và khó
4 Phương pháp nghiên cứu
Khi tiến hành nghiên cức đề tài tôi sử dụng các phương pháp:
- Phương pháp điều tra khảo sát học sinh khối 12 khi học và vận dụng kiến thức
về hiện tượng quang điện ngoài trong các kì thi
- Trên có sở đó thông kê và sử lý số liệu kết quả của học sinh
- Xây dựng cơ sở lý thuyết về hiện tượng, xây dựng các dạng toán và phương pháp giải
- Áp dụng cho học sinh khối 12 học theo phương pháp của đề tài và đánh giá kết quả
Phần II NỘI DUNG
I Cơ sở lí luận
1 Lý luận dạy học Vật lí
Bộ môn Vật lí được đưa vào giảng dạy trong nhà trường phổ thông nhằm cung cấp cho học sinh những kiến thức phổ thông, cơ bản, có hệ thống toàn diện
về Vật lí Hệ thống kiến thức này phải thiết thực gắn liền với các ứng dụng của Vật lí trong đời sống và kỹ thuật, có tính tổng hợp và đặc biệt phải phù hợp với quan điểm và sự phát triển của Vật lí hiện đại Để học sinh có thể hiểu được một
Trang 5cách sâu sắc những kiến thức và áp dụng các kiến thức đó vào thực tiễn cuộc sống thì cần phải rèn luyện cho các học sinh những kỹ năng, kỹ xảo thực hành như: Kỹ năng kỹ xảo giải bài tập, kỹ năng đo lường, quan sát
Bài tập Vật lí với tư cách là một phương pháp dạy học, nó có ý nghĩa hết sức quan trọng trong việc thực hiện nhiệm vụ dạy học Vật lí ở nhà trường phổ thông Thông qua việc giải tốt các bài tập Vật lí các học sinh sẽ có được những kỹ năng
so sánh, phân tích, tổng hợp … do đó sẽ góp phần to lớn trong việc phát triển tư duy của học sinh Đặc biệt bài tập Vật lí giúp học sinh củng cố kiến thức có hệ thống cũng như vận dụng những kiến thức đã học vào việc giải quyết những tình huống cụ thể, làm cho bộ môn trở nên hấp dẫn, lôi cuốn các em hơn
2 Cơ sở lí thuyết
* Quang điện ngoài là hiện tượng ánh sáng làm giải phóng electron ra khỏi bề mặt kim loại
* Các công thức cơ bản về hiện tượng quang điện ngoài
+ Công thức về năng lượng của phôtôn ánh sáng
f h.
Chú ý: Khi xét trong môi trường chân không và không khí thì:
h f
h
Khi xét trong môi trường trong suốt khác như nước, thủy tinh có chiết suất n > 1 thì:
n
v h f h
+ Công thức của Anhxtanh về hiện tượng quang điện ngoài
Maxx
đ
W A
0
+ Công thức về công thoát A và giới hạn quang điện 0
0
.
c h
A (3)
+Công thức về hiệu điện thế hãm (hiệu điện thế để triệt tiêu dòng quang điện)
Maxx
đ
h W U e
0
II THỰC TRẠNG
Quang điện ngoài là kiến thức trọng tâm trong chương lượng tử Qua khảo sát tác giả nhận thấy khi sử dụng kiến thức cơ bản đã học, đa số học sinh (theo kết
Trang 6quả điều tra tại trường là 80% giải sai) và một bộ phận giáo viên lúng túng trước những câu hỏi theo hướng "đánh giá năng lực” hay mức độ vận dụng cao
III GIẢI PHÁP
Để khắc phục thực trạng trên, Tác giả đã phân loại các dạng bài tập và đề xuất phương pháp giải nhanh:
1.D ng I ạng I Bài toán áp dụng các công thức cơ bản về hiện tượng quang điện ngoài
A Các công thức
1.1> Công thức về năng lượng của phôtôn ánh sáng
f h.
Chú ý: Khi xét trong môi trường chân không và không khí thì:
h f
h
Khi xét trong môi trường trong suốt khác như nước, thủy tinh có chiết suất n > 1 thì:
n
v h f h
1.2> Công thức của Anhxtanh về hiện tượng quang điện ngoài
Maxx
đ
W A
0
1.3> Công thức về công thoát A và giới hạn quang điện 0
0
.
c h
A (3)
1.4> Công thức về hiệu điện thế hãm (hiệu điện thế để triệt tiêu dòng quang điện)
Maxx
đ
h W U e
0
Chú ý: Giá trị của các hằng số và đơn vị của các đại lượng thường dùng:
+ h = 6,625 Js
+ c = 3.108m/s
+ (m) với 1 m 10 6m; 1nm 10 9m
+ A (J) với 1eV = 1,6.10-19J
B Bài tập áp dụng
Bài 1 Trong chân không, bức xạ đơn sắc vàng có bước sóng là 0,589 m Lấy h
= 6,625.10-34J.s; c=3.108 m/s và e = 1,6.10-19 C Năng lượng của phôtôn ứng với bức xạ này có giá trị là
Hướng dẫn:
Ta có: h f h c 3 , 37 10 J 2 , 11eV
10 589 , 0
10 3 10 625 , 6
6
8 34
Chọn đáp án: A
Bài 2 Chiếu lên bề mặt catôt của một tế bào quang điện chùm sáng đơn sắc có
bước sóng 0,485 μm thì thấy có hiện tượng quang điện xảy ra Biết hằng số Plăng h = 6,625.10-34 J.s, vận tốc ánh sáng trong chân không c = 3.108 m/s, khối
Trang 7lượng nghỉ của êlectrôn (êlectron) là 9,1.10-31 kg và vận tốc ban đầu cực đại của êlectrôn quang điện là 4.105 m/s Công thoát êlectrôn của kim loại làm catôt bằng
A 6,4.10-20 J B 6,4.10-21 J C 3,37.10-18 J D 3,37.10-19 J
Hướng dẫn:
Ta có:
J v
m hc A
v m A hc
W A
Max Max
đ Maxx
19 10 37 , 3
2 1
2 1
2 0
2 0
0
Chọn đáp án: D
Bài 3 Lần lượt chiếu vào catôt của một tế bào quang điện các bức xạ điện từ
gồm bức xạ có bước sóng λ1 = 0,26 μm và bức xạ có bước sóng λ2 = 1,2λ1 thì vận tốc ban đầu cực đại của các êlectrôn quang điện bứt ra từ catôt lần lượt là v1
và v2 với v2 = 3v1/4 Giới hạn quang điện λ0 của kim loại làm catôt này là:
A 1,45 μm B 0,90 μm C 0,42 μm D 1,00 μm
Hướng dẫn:
Áp dụng công thức: A W đ Maxx
0
2 2
2
2 1
2 1 16 9 2
1 2 1
mv A
mv A hc
mv A hc
2 2
2 1
2 1 16 9
2 1 16 9 16
9 16
9
mv A
hc
mv A
hc
m
hc A
hc hc
42 , 0 9 16 7
16
9 1 16
7
16
7 16
7 16
9
2 1
2 1 0
1 2
0
0 1
2
Chọn đáp án: C
Bài 4. Chiếu đồng thời hai bức xạ có bước sóng 0,452 µm và 0,243 µm vào catôt của một tế bào quang điện Kim loại làm catôt có giới hạn quang điện là 0,5 µm Lấy h = 6,625 10-34 J.s, c = 3.108 m/s và me = 9,1.10-31 kg Vận tốc ban đầu cực đại của các êlectron quang điện bằng
A 2,29.104 m/s B 9,24.103 m/s C 9,61.105 m/s D.1,34.106 m/s
Hướng dẫn:
Vì 1 0 , 542 m 2 0 , 243 m nên vận tốc cực đại e đạt được ứng với bức xạ 2
Ta có:
s m m
hc v
mv hc
hc
/ 10 61 , 9
1 1 2 2
max 0
2 max 0 0
2
Chọn đáp án: C
Bài 5 Catôt của một tế bào quang điện làm bằng kim loại có công thoát 2eV,
chiếu vào catôt bức xạ có bước sóng 0 , 3975 m Cho hằng số Plăng
Trang 8h=6,625.10-34Js, tốc độ ánh sáng trong chân không c=3.108m/s và điện tích của electron e=-1,6.10-19C Hiệu điện thế UAK đủ để triệt tiêu dòng quang điện là:
Hướng dẫn:
Ta có: hc A W đ A e U AK
V A
hc e
U AK 1 1 , 125
Vậy UAK = -1,125V
Chọn đáp án: A
Bài 6 Công thoát êlectron của một kim loại là 7,64.10-19J Chiếu lần lượt vào bề mặt tấm kim loại này các bức xạ có bước sóng là 1 = 0,18 m, 2 = 0,21 m và
3 = 0,35 m Lấy h=6,625.10-34 J.s, c = 3.108 m/s Bức xạ nào gây được hiện tượng quang điện đối với kim loại đó?
A Hai bức xạ (1 và 2) B Không có bức xạ nào trong ba bức xạ trên
C Cả ba bức xạ (1, 2 và 3) D Chỉ có bức xạ 1
Hướng dẫn:
A
hc
Vậy 1 ; 2 0 nên bức xạ gây ra hiện tượng quang điện với kim lại là 1 ; 2
Chọn đáp án: A
2 Dạng II Bài toán về cường độ dòng quang điện, công suất chùm sáng và hiệu suất lượng tử
A Các công thức
2.1> Công thức về cường độ dòng quang điện
e n
I (5) (Trong đó n là số electron quang điện về đến anôt trong 1s)
Chú ý: Khi dòng quang điện đạt giá trị bão hòa thì:
e n
I0 0 (5/) (Trong đó n0 là số electron quang điện về đến anôt trong 1s và bằng số electron bật ra khỏi catôt trong 1s)
2.2> Công suất của chùm sáng.( Năng lượng chùm sáng đến catôt trong 1s)
.
N
P (6) (Trong đó N là số phôtôn chiếu đến catôt trong 1s)
2.3> Hiệu suất lượng tử ( Hiệu suất giải phóng electron khỏi catôt)
Là tỉ số giữa số electron bật ra khỏi catôt và số phôtôn chiếu đến catôt trong 1s
N
n
H 0
B Bài tập áp dụng
Trang 9Bài 1 Một nguồn sáng chỉ phát ra ánh sáng đơn sắc có tần số bước sóng
m
0 , 3 Công suất bức xạ điện từ của nguồn là 2,5 W Cho hằng số Plăng h=6,625.10-34Js, tốc độ ánh sáng trong chân không c=3.108m/s Số phôtôn mà nguồn phát ra trong một phút xấp xỉ bằng
A 2,26.1020 B 5,8.1018 C 3,8.1020 D 3,24.1019
Hướng dẫn:
Ta có: . 3 , 77 10 18
hc
P p
Số phô tôn phát ra trong 1 phút là: 60N 2 , 26 10 20
Chọn đáp án: A
Bài 2 Khi chiếu bức xạ có bước sóng 0 , 41 mvào một tế bào quang điện thì dòng quang điện bão hòa đạt được là 2mA Biết công suất của chùm sáng là 3,03W Cho hằng số Plăng h=6,625.10-34Js, tốc độ ánh sáng trong chân không c=3.108m/s Hiệu suất lượng tử của tế bào quang điện có giá trị:
Hướng dẫn:
.
.
0
0
e P
c h I
hc P e I
N
n H
Chọn đáp án: A
Bài 3 Chiếu chùm bức xạ đơn sắc có bước sóng 0,2m thích hợp vào tế bào quang điện với công suất 3mW Cứ 10000 phôtôn đến catôt thì có 94 electron bật ra Cho hằng số Plăng h=6,625.10-34Js, tốc độ ánh sáng trong chân không c=3.108m/s, điện tích của electron là -1,6.10-19C nếu cường độ dòng quang điện
là 2,25A thì có bao nhiêu phần trăm electron đến được anôt?
Hướng dẫn
Ta có: I n.e ne I ( n là số e đến anôt)
Mà P N N P P hc
hc
P H N n N
n
H 0 0 ( số e bật ra khỏi catôt)
0
H P e
Ihc n
n h
Chọn đáp án: C
Bài 4 Một tế bào quang điện khi chiếu bức xạ thích hợp và điện áp UAK có giá trị nhất định thì chỉ có 30% electron bứt ra về đến anôt Khi đó cường độ dòng điện là 3mA Khi tăng hiệu điện thế UAK lên thì cường độ dòng quang điện bão hòa là:
Hướng dẫn
Trang 10Ta có I n e I n
e n
0 0
n
n
I 0 10
Chọn đáp án: C
Bài 5 Cho h=6,625.10-34Js, c=3.108m/s, e=-1,6.10-19C Chiếu bức xạ đơn sắc vào catôt thì cường độ dòng quang điện bão hòa là 0,3A Biết rằng cứ 200 phôtôn đập vào catôt thì có một electron bật ra Công suất của chùm sáng là 207
m
Bước sóng của ánh sáng sử dụng là:
Hướng dẫn
e PH
hc I e
P
hc I
hc P e I
N
n
0
Chọn đáp án: C
3.Dạng III Bài toán chuyển động của electron quang điện trong điện trường và từ trường
A Các công thức
3.1 Chuyển động của electron quang điện trong điện trường
3.1.1> Chuyển động trong điện trường dọc theo đường sức
* Theo định lý động năng khi electron quang điện chuyển động từ catôt đến anôt: W đ(A) W đ(K) e U AK(8)
* UAK > 0 electron chuyển động nhanh dần đều trong từ trường
UAK < 0 electron chuyển động chậm dần đều
trong từ trường
UAK = Uh thì vA=0
3.1.2> Chuyển động trong điện trường theo phương
vuông góc với đường sức
Chon hệ trục x0y như hình vẽ 0 là vị trí electron đi
vào điện trường
Phân tích chuyển động làm hai thành phần
+ Theo 0x chuyển động thẳng đều với vx=v0
+ Theo 0y Chuyển động biến đổi đều với
gia tốc:
md
U e m
E e m
F
a đ
Phương trình chuyển động trong điện
trường:
) (
.
2
2
.
.
2
2
2 y v a x Parabol
t
a
y
t
v
x
Vận tốc tại thời điểm t:
2 2
0 2
2 v v ( t a )
v
v x y
