Hiệu ứng quang điện — Mô phỏng 3D Tương tác (Vật lý THPT)
Câu hỏi trọng tâm: Cùng một chùm sáng, tại sao khi đổi sang kim loại khác lại không bứt ra được một electron nào? Động năng của quang electron thực sự do đại lượng nào của ánh sáng quyết định?
Phương trình / Nguyên lý cốt lõi: E_k = hν − W₀ · U_c = (h/e)ν − W₀/e
Đối chiếu Chương trình GDPT 2018: Chuyên đề Vật lý 12 · Chương IV Bài 2 (tr. 71–77)
Chuỗi bước khám phá và kết luận khoa học (9 bước)
- Bước 1 (Làm quen sơ đồ mạch điện): Trên bàn thí nghiệm có những gì? Dòng điện sinh ra từ đâu và đi theo chiều nào? — Kết luận: 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. |
hν > W₀ - Bước 2 (Tăng đến bão hòa): Tăng dần điện áp lên từng nấc, cường độ dòng điện có tăng mãi không? — Kết luận: 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. |
I_s ∝ tốc độ phát photon - Bước 3 (Quét điện áp ngược): Đảo chiều nguồn điện thì dòng điện thay đổi thế nào? Tăng điện áp ngược đến đâu thì dòng điện vừa vặn bằng không? — Kết luận: 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. |
½mₑv_c² = eU_c - Bước 4 (Thay đổi cường độ sáng): Cùng một màu ánh sáng nhưng tăng cường độ sáng mạnh hơn, dòng quang điện và điện áp hãm thay đổi thế nào? — Kết luận: 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. |
I_s ∝ P (ν không đổi) - Bước 5 (Thay đổi tần số): Đổi sang tấm kính lọc sắc khác, điện áp hãm có thay đổi không? Nếu tần số quá thấp thì điều gì xảy ra? — Kết luận: 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). |
ν < νc ⇒ I = 0 - Bước 6 (Thay đổi kim loại): Cùng một chùm sáng nhưng đổi sang catốt làm bằng kim loại khác, tại sao lại không có một electron nào? — Kết luận: 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. |
ν_c = W₀ / h - Bước 7 (Vẽ đồ thị đo hằng số h): Biểu diễn từng tần số và giá trị Uc tương ứng lên đồ thị, ta sẽ thu được hình gì? — Kết luận: 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. |
U_c = (h/e)ν − W₀/e - Bước 8 (Dụng cụ thực tế): Nhãn máy ghi 2.29 eV, tại sao kết quả đo thực tế lại lệch đi? — Kết luận: 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). |
U_c = (h/e)ν − W₀′/e - Bước 9 (Thực hành đánh giá): Đánh giá: Cho một tế bào quang điện thực tế chưa hiệu chuẩn, bạn cần chọn vạch phổ nào, cường độ sáng bao nhiêu và đặt điện áp đến mức nào để đo được một giá trị Uc đạt chuẩn? — Kết luận: 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. |
W₀ = hν/e − U_c
Xem trang chi tiết bài giảng, hướng dẫn lớp học và câu hỏi ôn tập Hiệu ứng quang điện · Trang chủ VietLab 3D