Hiện tượng quang điện ngoài và Hằng số Planck

Phương trình / Quy luật áp dụng: hν > W₀

Giải thích chuẩn SGK: Khi chiếu sáng, catốt K phát xạ quang electron, anốt A thu nhận chúng tạo thành dòng quang điện trong mạch; khi U = 0 dòng điện vẫn khác 0 (do electron bứt ra đã có sẵn động năng ban đầu); dòng điện này xuất hiện gần như tức thời — SGK chỉ nêu “xảy ra ngay lập tức / gần như tức thời” mà không đưa ra bậc độ lớn, nên bài học này cũng không hiển thị thời gian thiết lập dòng điện.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Nhận biết dụng cụ là kỹ năng đầu tiên của thí nghiệm này (Yêu cầu cần đạt 3.4.1 “Thông qua thí nghiệm, tìm hiểu hiện tượng quang điện”; bài này không phải thí nghiệm bắt buộc, mục A1 đã nêu rõ). Trình tự thao tác: quan sát thang đo trước khi đọc số liệu.

Phương trình / Quy luật áp dụng: I_s ∝ tốc độ phát photon

Giải thích chuẩn SGK: SGK tr. 72: Khi điện áp tăng, dòng quang điện tiến dần tới giá trị bão hòa, dù tiếp tục tăng điện áp dòng điện cũng không tăng thêm — vì số electron thoát ra trong một đơn vị thời gian là xác định, khi điện áp đủ lớn thì toàn bộ số electron này đều bị cực A thu hết; khi U = 0 dòng điện vẫn khác 0.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra: Giải thích tại sao khi tăng điện áp dòng quang điện lại đạt bão hòa (nguyên văn SGK tr. 72); nhận định “dòng bão hòa càng lớn thì Uc càng lớn” là sai (A7.10).

Phương trình / Quy luật áp dụng: ½mₑv_c² = eU_c

Giải thích chuẩn SGK: SGK tr. 72: Điện áp ngược làm cho dòng quang điện giảm về 0 gọi là điện áp hãm Uc, và ½mₑv_c² = eU_c. SGK chỉ đưa ra định nghĩa “điện áp ngược làm dòng quang điện giảm về 0”; còn việc “giảm dần về 0 trong khoảng từ −Uc đến 0” là suy luận từ mệnh đề gốc (vc là vận tốc cực đại) trong bài học này.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Bẫy hay gặp: Định nghĩa điện áp hãm và hệ thức U_c = E_k/e (A7.7, A7.8). Trình tự thao tác: đảo chiều nguồn điện trước, sau đó tăng từng nấc từ 0 đến đúng nấc vừa vặn bằng 0 thì dừng lại.

Phương trình / Quy luật áp dụng: I_s ∝ P (ν không đổi)

Giải thích chuẩn SGK: SGK tr. 72: Khi tần số không đổi, ánh sáng chiếu tới càng mạnh thì dòng quang điện bão hòa càng lớn (số photon nhiều → số electron bứt ra nhiều); dù ánh sáng mạnh hay yếu thì điện áp hãm vẫn như nhau — cường độ sáng chỉ làm thay đổi số lượng electron, không làm thay đổi năng lượng của mỗi electron.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra: Cường độ sáng làm thay đổi đại lượng nào và không làm thay đổi đại lượng nào (Bài tập 1 tr. 77 SGK, A7.13). Trình tự thao tác: mỗi lần đổi cường độ sáng phải quét lại điểm 0 một lần (ô Uc không tự lưu lại số liệu của mức trước).

Phương trình / Quy luật áp dụng: ν < νc ⇒ I = 0

Giải thích chuẩn SGK: SGK tr. 72: Khi tần số ánh sáng thay đổi thì Uc cũng thay đổi; khi tần số giảm tới một giá trị νc xác định thì dòng quang điện triệt tiêu, thấp hơn tần số giới hạn sẽ không xảy ra hiện tượng quang điện (không phụ thuộc vào cường độ sáng hay điện áp).

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra: Khi ν < νc thì không xảy ra hiện tượng quang điện, bất kể cường độ sáng; cách đọc đồ thị Bài tập 2 tr. 77 SGK (A7.14).

Phương trình / Quy luật áp dụng: ν_c = W₀ / h

Giải thích chuẩn SGK: Bảng tr. 73 + tr. 72 SGK: Tần số giới hạn phụ thuộc vào bản chất của kim loại (νc = W₀/h). Vì vậy với cùng một chùm sáng, khi đổi sang catốt khác có thể không bứt ra được quang electron nào; ở cùng một tần số, kim loại có W₀ càng lớn thì Uc càng nhỏ.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra: Đổi kim loại chỉ làm thay đổi tung độ gốc và hoành độ gốc, không làm thay đổi hệ số góc (A7.11). Trình tự thao tác: so sánh ν với νc trước khi đọc số liệu — không quét được điểm 0 là do không có quang electron chứ không phải do hỏng đồng hồ.

Phương trình / Quy luật áp dụng: U_c = (h/e)ν − W₀/e

Giải thích chuẩn SGK: SGK tr. 75: U_c = (h/e)ν − W₀/e, đồ thị Uc-ν là một đường thẳng có hệ số góc h/e → h = e · hệ số góc. Đây chính là cách làm của Bài tập 4 tr. 77 SGK: dùng cùng một tế bào quang điện với ít nhất hai chùm sáng đơn sắc đã biết tần số. Hình 4.2-5 chỉ mượn hình thức “các điểm đo + đường thẳng đỏ”: chú thích hình chỉ ghi “một kim loại nào đó” và hệ số góc trên hình nhỏ hơn h/e khoảng 5 %, nên bài học không lấy tọa độ điểm từ hình vẽ đó.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra: Từ đồ thị Uc-ν tìm hằng số Planck h (hệ số góc) cùng W₀ và νc (hai giao điểm trục tọa độ); nguyên mẫu Bài tập 4 tr. 77 SGK. Trình tự thao tác: trên cùng một tế bào quang điện, đo với ít nhất hai tần số khác nhau (A4.5).

Phương trình / Quy luật áp dụng: U_c = (h/e)ν − W₀′/e

Giải thích chuẩn SGK: Cần tách bạch hai vấn đề: ① Giá trị danh định ≠ Giá trị thực tế — con số 2.29 eV trong bảng tr. 73 SGK là giá trị chuẩn của “kim loại Natri”; nhưng trạng thái bề mặt catốt của chiếc ống quang điện cụ thể này có khác biệt, làm W₀ thực tế = 2.305 eV, dẫn đến ở cùng tần số thì Uc giảm đi 0.015 V. Đó chính là lý do “bắt buộc phải đo thực nghiệm chứ không thể chỉ tra bảng”. ② Hai nguồn sai số phép đo có chiều hướng riêng, cần tính riêng rồi tổng hợp lại: độ chia nhỏ nhất 0.01 V buộc Uc_đo phải làm tròn lên theo nấc lưới (ở chế độ Lý tưởng lệch +0.0008 V, luôn nằm trong khoảng 0–+0.01 V); ở chế độ Thực, thang đo điện áp lệch +0.4 % làm điện áp thực lớn hơn số chỉ, khiến điểm triệt tiêu rơi vào số đọc nhỏ hơn (giá trị thực quy đổi ra số đọc là 1.0898 V, tức số đọc bị hụt 0.0044 V); tổng hợp cả hai yếu tố = đo được 1.09 V, nhỏ hơn giá trị thực 1.0942 là 0.0042 V — vì vậy 1.09 < 1.0942 không phải là tính sai. Ngoài ra I_sat_đo bị hụt 0.0069 μA do ở 6.00 V chưa thu đạt 100 %; khi cường độ sáng vượt quá thang đo thì số chỉ bị cắt phẳng ở 5.000 → dòng bão hòa đo được chắc chắn bị nhỏ đi (nhưng Uc không bị ảnh hưởng).

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Năng lực thực nghiệm: Nêu được nguồn gốc và chiều hướng sai số của dụng cụ thực tế (Yêu cầu cần đạt “Tìm tòi khám phá khoa học”); trọng tâm: Tại sao phải đo W₀ — giá trị 2.29 eV trong bảng SGK là giá trị danh định của “kim loại Natri”, còn trạng thái bề mặt catốt của từng ống thực tế là khác nhau.

Phương trình / Quy luật áp dụng: W₀ = hν/e − U_c

Giải thích chuẩn SGK: Không có kết luận mới: phải có ν > νc mới bứt được electron, điện áp ngược phải tăng đến đúng nấc lần đầu tiên số đọc về 0.000 mới là Uc, khi Uc quá nhỏ (< 0.10 V) chỉ có 2–3 nấc chia nên đo không chính xác, và cường độ sáng không được lớn tới mức làm dòng bão hòa vượt thang đo — cả bốn quy tắc đều đã học ở các bước trước; hệ thức W₀ = hν/e − Uc chính là vận dụng phương trình đường thẳng ở Bước 7 cho một điểm đo trên cùng ống quang điện.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Tổng hợp: Tần số giới hạn (ν > νc) + Chuỗi thao tác đo Uc (quét tới điểm 0 và dừng lại) + Ý thức về giới hạn đo. Trình tự thao tác: chọn vạch phổ và cường độ sáng trước, sau đó mới quét điện áp ngược.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Natri (Na). Ánh sáng 546.1 nm có tần số 5.4935×10¹⁴ Hz, chỉ có Natri có tần số giới hạn cao hơn giá trị này nên Natri không bứt ra được quang electron nào (dữ kiện A2.2, B2.1 Bảng 2).

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Dòng quang điện bão hòa. Cường độ sáng chỉ làm tăng số photon chiếu tới trong một đơn vị thời gian → số electron bứt ra nhiều hơn → dòng quang điện bão hòa tăng lên; còn điện áp hãm, động năng ban đầu cực đại và tần số giới hạn đều do tần số ánh sáng và bản chất kim loại quyết định (dữ kiện A2.3, A2.5, kiểm chứng D4).

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Hiển thị 1.11 V khi dừng ở đúng nấc 1.11 V, nếu tăng thêm nữa sẽ quay về “—”. Ô Uc chỉ hiển thị khi “dừng ở đúng nấc điện áp ngược đầu tiên làm dòng điện về 0”; nếu tiếp tục tăng sang nấc tiếp theo mà nấc trước đó đã bằng 0 thì không còn là “lần đầu tiên về 0” nữa (dữ kiện B2.1 mục 8, Cổng kiểm tra A M1).

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Natri (Na) > Kali (K) > Rubidi (Rb). Ở cùng một tần số, công thoát W₀ càng lớn thì Ek = hν − W₀ càng nhỏ, nên Uc = Ek/e càng nhỏ; thực nghiệm đo được 1.11 V (Na) < 1.15 (K) < 1.27 (Rb), do đó thứ tự độ lớn là Rubidi (Rb) > Kali (K) > Natri (Na) (dữ kiện A2.9, B2.1 Bảng 1).

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: 6.6×10⁻³⁴ J·s, lệch khoảng −0.5 % so với giá trị trong SGK. h = a × 10⁻¹⁴ × e = 0.4117 × 10⁻¹⁴ × 1.602×10⁻¹⁹ = 6.596×10⁻³⁴ J·s, nhỏ hơn giá trị 6.626×10⁻³⁴ trong SGK khoảng 0.46 % (dữ kiện B2.1 mục 10, A2.11).