Cách giải bài tập Hiện tượng quang, Phát quang, tia laze hay, chi tiết - Vật Lí lớp 12

Cách giải bài tập Hiện tượng quang, Phát quang, tia laze hay, chi tiết

Với Cách giải bài tập Hiện tượng quang, Phát quang, tia laze hay, chi tiết Vật Lí lớp 12 gồm đầy đủ phương pháp giải, ví dụ minh họa và bài tập trắc nghiệm có lời giải chi tiết sẽ giúp học sinh ôn tập, biết cách làm dạng bài tập Hiện tượng quang, Phát quang, tia laze từ đó đạt điểm cao trong bài thi môn Vật Lí lớp 12.

A. Phương pháp & Ví dụ

1. Phương pháp

1. Hiện tượng quang - phát quang

a) Định nghĩa

- Một số chất có khả năng hấp thụ ánh sáng có bước sóng này để phát ra ánh sáng có bước sóng khác. Hiện tượng trên gọi là hiện tượng quang - phát quang.

Ví dụ: Chiếu tia tử ngoại vào dung dịch fluorexein thì dung dịch này sẽ phát ra ánh sáng màu lục. Trong đó tia tử ngoại là ánh sáng kích thích còn ánh sáng màu lục là ánh sáng phát quang.

- Ngoài hiện tượng quang - phát quang ta còn đề cập đến một số hiện tượng quang khác như: hóa - phát quang (đom đóm); phát quang ca tốt (đèn hình ti vi); điện - Phát quang (đèn LED)…

b) Phân loại quang phát quang

Định luật Stock về hiện tượng phát quang: λ_k < λ_p

- Năng lượng mất mát trong quá trình hấp thụ phô tôn:

- Công thức hiệu suất phát quang:

2. Laser (LAZE)

• Định nghĩa laser

- Laze là một nguồn sáng phát ra một chùm sáng cường độ lớn dựa trên hiện tượng phát xạ cảm ứng.

• Đặc điểm của tia laze.

    + Tính đơn sắc cao vì (có cùng năng lượng ứng với sóng điện từ có cùng bước sóng)

    + Tính định hướng rất cao (bay theo cùng một phương)

    + Tính kết hợp cao (cung pha)

    + Cường độ của chumg sáng rất lớn(số phô tôn bay theo cùng một hướng rất lớn)

• Ứng dụng của tia laze:

    + Trong y học dùng làm dao mổ trong các phẫu thuật tinh vi

    + Thông tin liên lạc (vô tuyến định vị, liên lạc vệ tinh)

    + Trong công nghiệp dùng để khoan cắt, tôi chính xác

    + Trong trắc địa dùng để đo khoảng cách, tam giác đạc….

    + Laze còn dùng trong các đầu đọc đĩa Τ.

3. Hiện tượng quang điện trong

a) Quang điện trong: Hiện tượng ánh sáng giải phóng các e liên kết để cho chúng trở thành các electron dẫn đồng thời tạo ra các lỗ trống cùng tham gia vào quá trình dẫn điện gọi là hiện tượng quang điện trong

b. Chất quang dẫn: hiện tượng giảm điện trở suất, tức là tăng độ dẫn điện của bán dẫn, khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào gọi là hiện tượng quang dẫn.

c) Pin quang điện: là pin chạy bằng năng lượng ánh sáng nó biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng. Pin hoạt động dựa vào hiện tượng quang điện trong của một số chất bán dẫn như đồng oxit, Selen, Silic….

d) Quang điện trở: là một tấm bán dẫn có giá trị điện trở thay đổi khi cường độ chùm sáng chiếu vào nó thay đổi

2. Ví dụ

Ví dụ 1: Trong các hiện tượng sau: hiện tượng nào là hiện tượng quang - phát quang?

A. Than đang cháy hồng         B. Đom đóm nhấp nháy

C. Màn hình ti vi sáng         D. Đèn ống sáng

Hướng dẫn:

- Than cháy hồng là nguồn sáng do phản ứng đốt cháy

- Đom đóm nhấp nháy là hiện tượng hóa phát quang

- Màn hình ti vi là hiện tượng phát quang ca tốt

- Đèn ống sang là hiện tượng quang phát quang.

Ví dụ 2: Một chât phát quang có khả năng phát ra ánh sáng có bước sóng λ_p = 0,7 μm. Hỏi nếu chiếu vào ánh sáng nào dưới đây thì sẽ không thể gây ra hiện tượng phát quang?

A. 0,6 μm         B. 0,55 μm         C. 0,68 μm         D. Hồng ngoại

Hướng dẫn:

• Theo định luật Stock về hiện tượng phát quang ta có λ_k ≤ λ_p = 0,7 μm

⇒ Chỉ có tia Hồng ngoài có λ_{hồngngoại} > λ_p = 0,7 μm ⇒ Không có hiện tượng quang phát quang xảy ra

Ví dụ 3: Một vật có thể phát ra ánh sáng phát quang màu đỏ với bước sóng λ = 0.7 μm. Hỏi nếu chiếu vật trên bằng bức xạ có bước sóng λ = 0,6 μm thì mỗi phô ton được hấp thụ và phát ra thì phần năng lượng tiêu hao là bao nhiêu?

A. 0,5 MeV          B. 0,432 eV          C. 0,296 eV         D. 0,5 eV

Hướng dẫn:

B. Bài tập trắc nghiệm

Bài 1: Phát biểu nào sau đây là đúng khi nói về hiện tượng quang dẫn?

A. Trong hiện tượng quang dẫn, êlectron được giải phóng khỏi khối bán dẫn.

B. Đó là hiện tượng giảm mạnh điện trở của chất bán dẫn khi được chiếu sáng bằng ánh sáng thích hợp.

C. Ứng dụng quan trọng nhất của hiện tượng quang dẫn là tạo ra đèn ống.

D. Chỉ xảy ra khi ánh sáng kích thích có bước sóng nhỏ hơn ánh sáng nhìn thấy.

Lời giải:

Dựa vào các kiến thức đã nêu ở mục I và trong SGK, sẽ thấy:

- Phương án A sai, vì electron được giải phóng nhưng vẫn ở trong khối bán dẫn.

- Phương án C sai, vì ứng dụng quan trọng của hiện tượng quang dẫn là quang điện trở và pin quang điện.

- Phương án D sai, vì ánh sáng kích thích có bước sóng nằm trong miền hồng ngoại. Đáp án B.

Bài 2: Kí hiệu các màu như sau: (1) Màu cam; (2) Màu lam; (3) Màu tím; (4) Màu lục. Một chất phát quang phát ra ánh sáng màu vàng. Khi chiếu ánh sáng nào kể trên vào chất đó thì không thể xảy ra hiện tượng phát quang?

A. (1).    B. (2) và (3).

C. (3) và (4).    D. (1) và (2).

Lời giải:

Dựa vào kiến thức cơ bản đã nêu ở mục I ta thấy hiện tượng phát quang chỉ xảy ra khi ánh sáng kích thích có bước sóng ngắn hơn ánh sáng do chất phát quang phát ra. Như vậy muốn chất phát quang phát ra ánh sáng màu vàng thì phải chiếu vào nó ánh sáng màu lục, lam, chàm, tím. Do đó Đáp án A.

Bài 3: Kí hiệu các tính chất sau: (1) Công suất rất lớn; (2) Cường độ rất lớn; (3) Tình kết hợp rất cao; (4) Tính đơn sắc rất cao.

Laze có tính chất nào kể trên?

A. (1) và (4)    B. (2) và (3).

C. (2), (3) và (4).    D. (1), (3) và (4).

Lời giải:

Tia laze có tính đơn sắc cao, là chùm sáng kết hợp, song song, có cường độ lớn. Vì vậy Đáp án C.

Bài 4: Những nguồn ánh sáng nào sau đây phát ra quang phổ liên tục?

(I) Các đèn ống xanh, đỏ ở các biển quảng cáo.

(II) Dòng nham thạch mới chảy ra khỏi miệng núi lửa.

(III) Quang phổ của các sao.

(IV) Lò luyện kim.

A. (III).    B. (II) và (IV).

C. (III) và (II)    D. (I) và (II).

Lời giải:

Các đèn ống xanh, đỏ ở các biển quảng cáo phát ra quang phổ vạch phát xạ. Dòng nham thạch mới chảy ra khỏi miệng núi lửa, lò luyện kim là nguồn phát ra quang phổ liên tục. Các sao cũng có thể coi như những Mặt Trời ở rất xa chúng ta. Quang phổ của các sao là quang phổ hấp thụ. Đáp án B.

Bài 5: Xét quang phổ của ánh sáng do các nguồn sau đây phát ra:

(I) Bóng đèn nêon trong bút thử điện.

(II) Dây tóc bóng đèn nung nóng.

(III) Ngọn lửa đèn cồn có rắc vài hạt muối vào bấc.

(IV) Một tia chớp.

Trong các trường hợp kể trên, trường hợp nào thuộc loại quang phổ vạch phát xạ?

A. (I) và (III).    B. (II) và (IV).

C. (I), (II) và (III).    D. (I) và (IV).

Lời giải:

Khi có hiệu điện thế giữa hai đầu bút thử điện thì bóng đèn trong bút sẽ phát ra ánh sáng đỏ do khí nêon ở trong bóng được kích thích phát sáng bằng một dòng điện phóng qua đèn. Do đó quang phổ của nó là quang phổ vạch phát xạ.

Dây tóc bóng đèn nóng sáng là một vật rắn phát sáng. Quang phổ của nó là quang phổ liên tục. Ngọn lửa đèn cồn có rắc một vài hạt muối vào bấc sẽ phát ra ánh sáng màu vàng. Đó là ánh sáng màu vàng đặc trưng của nguyên tử natri. Sở dĩ như vậy là vì trong ngọn lửa đèn cồn, muối sẽ bị bay hơi và phân tích thành các nguyên tử, phân tử và ion. Các nguyên tử natri bị kích thích phát sáng bằng ngọn lửa sẽ phát ra ánh sáng vàng. Do đó, quang phổ là quang phổ vạch phát xạ của natri. Mặt khác, ngọn lửa đèn cồn sẽ cho một nền quang phổ liên tục. Tia chớp là ánh sáng do các nguyên tử không khí phát ra khi bị kích thích bởi một tia lửa điện rất mạnh phóng giữa hai đám mây. Quang phổ của tia chớp là quang phổ bạch phát xạ. Đáp án D.

Bài 6: Một chất phát quang có khả năng phát ra ánh sáng màu vàng khi được kích thích phát sáng. Hỏi khi chiếu vào chất đó ánh sáng đơn sắc nào dưới đây thì chất đó sẽ phát quang?

A. Vàng.    B. Lục.

C. Đỏ.    D. Da cam.

Lời giải:

Để kích thích phát quang được thì ánh sáng kích thích phải có bước sóng nhỏ hơn ánh sáng phát quang: λ_KT < λ_PQ. Đáp án B.

Bài 7: Một chất có khả năng phát ra ánh sáng phát quang với tần số 6.10¹⁴ Hz. Cho biết hằng số tốc độ ánh sáng trong chân không là c = 3.10⁸ m/s. Khi dùng ánh sáng kích thích có bước sóng nào dưới đây không thể gây ra sự phát quang cho chất này?

A. 0,40 μm.    B. 0,55 μm.

C. 0,38 μm.    D. 0,45 μm.

Lời giải:

Bước sóng ánh sáng phát quang:

Để xảy ra sự phát quang thì ánh sáng kích thích phải có bước sóng nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng phát quang. Nên với λ = 0,55 µm không gây ra sự phát quang cho chất này. Đáp án B.

Bài 8: Tia laze không có đặc điểm nào dưới đây:

A. Độ đơn sắc cao.    B. độ định hướng cao.

C. Cường độ lớn.    D. Công suất lớn.

Lời giải:

Đáp án D. Tia laze có thể có công suất khác nhau.

Bài 9: Trong laze rubi có sự biến đổi của dạng năng lượng nào dưới đây thành quang năng?

A. Điện năng.    B. Cơ năng.

C. Nhiệt năng.    D. Quang năng.

Lời giải:

Đáp án D. Theo nguyên tắc tạo ra laze rubi.

Bài 10: Hiệu suất của một laze:

A. nhỏ hơn 1.    B. Bằng 1.

C. lớn hơn 1.    D. rất lớn so với 1.

Lời giải:

Đáp án C. Hiệu suất < 1.

Bài 11: Laze rubi không hoạt động theo nguyên tắc nào dưới đây?

A. Dựa vào sự phát xạ cảm ứng.

B. Tạo ra sự đảo lộn mật độ.

C. Dựa vào sự tái hợp giữa êléctron và lỗ trống.

D. Sử dụng buồng cộng hưởng.

Lời giải:

Đáp án C. Theo nguyên tắc hoạt động của laze rubi.

Bài 12: Hãy chỉ ra câu có nội dung . Khoảng cách 2 gương trong laze có thể bằng:

A. một số chẵn lần nửa bước sóng.

B. một số lẻ lần nửa bước sóng.

C. một số chẵn lần phần tư bước sóng.

D. một số lẻ lần phần tư bước sóng của ánh sáng đơn sắc mà laze phát ra.

Lời giải:

Đáp án D. Để tạo ra cộng hưởng thì khoảng cách 2 gương phải khác lẻ lần phần từ bước sóng (điều kiện có biên độ dao động cực tiểu).

Bài 13: Người ta dùng một laze hoạt động dưới chế độ liên tục để khoan một tấm thép. Công suất chùm là P = 10W. Đường kính của chùm sáng là d = 1mm, bề dày tấm thép là e = 2mm. Nhiệt độ ban đầu là t₁ = 30ºC. Khối lượng riêng của thép là: D = 7800kg/m³; nhiệt dung riêng của thép là: c = 4481J/kg.độ; Nhiệt nóng chảy của thép: L = 270KJ/Kg; điểm nóng chảy của thép là T = 1535ºC. Thời gian tối thiểu để khoan là:

A. 1,16s;    B. 2,12s;    C. 2,15s;    D. 2,275s.

Lời giải:

Đáp án A. Thể tích thép cần nấu chảy:

Khối lượng thép cần nấu chảy: V = m.D = 122,46.10^-7 kg.

Nhiệt lượng cần thiết để đưa khối thép lên điểm nóng chảy: Q₁ = m.C(T_C - T₀) = 6,257 J.

Nhiệt lượng cần thiết để đưa khối thép chuyển từ thể rắn sang lỏng là: Q₂ = m.L = 3,306J.

Thời gian khoang thép là:

Bài 14: Người ta dùng một loại laze CO₂ có công suất P = 10W để làm dao mổ. Tia laze chiếu vào chỗ mổ sẽ làm cho nước ở phần mô chỗ đó bốc hơi và mô bị cắt. Chùm laze có đường kính r = 0,1mm và di chuyển với vận tốc v = 0,5cm/s trên bề mặt của mô mềm. Nhiệt dung riêng của nước: c = 4,18KJ/kg.độ; nhiệt hoá hơi của nước: L = 2260J/kg, nhiệt độ cơ thể là 37ºC. Thể tích nước mà tia laze làm bốc hơi trong 1s là:

A. 2,892 mm².    B. 3,963mm³;

C. 4,01mm²;    D. 2,55mm².

Lời giải:

Đáp án B. Khối lượng nước cần bốc hơi: m = V.D = 10^-6 kg.

Nhiệt lượng cần thiết để đưa khối lượng nước từ 37ºC đến điểm sôi: Q₁ = mC(100-37) = 0,26334J.

Nhiệt lượng cần thiết để làm khối lượng nước chuyển từ lỏng sang khí: Q₂ = mL = 2,26 J.

Nhiệt lượng nước cần bốc hơi là: Q = Q₁ + Q₂ = 2,52 J

Bài 15: Người ta dùng một loại laze CO₂ có công suất P = 10W để làm dao mổ. Tia laze chiếu vào chỗ mổ sẽ làm cho nước ở phần mô chỗ đó bốc hơi và mô bị cắt. Chùm laze có đường kính r = 0,1mm và di chuyển với vận tốc v = 0,5cm/s trên bề mặt của mô mềm. Nhiệt dung riêng của nước: c = 4,18KJ/kg.độ; nhiệt hoá hơi của nước: L = 2260J/kg, nhiệt độ cơ thể là 37ºC. Chiều sâu cực đại của vế cắt là:

A. 1mm;    B. 2mm;    C. 3mm;    D. 4mm.

Lời giải:

Đáp án D.

Nhiệt lượng vùng mô bị chiếu nhân từ tia laze trong 1s: Q' = P.1 = 10J.

Thể tích nước bốc hơi trong 1s: V' = Q'/Q = 3,963 mm².

Chiều dài vết cắt trong 1s: L' = v.1 = 5mm. Diện tích vết cắt trong 1s: S = 2r.L = 1mm².

Chiều sâu cực đại vết cắt: h = V'/S = 3,963 mm.

Bài 16: Để đo khoảng cách từ trái đất dến Mặt Trăng người ta dùng một loại laze phát ra những xung ánh sáng có bước sóng 0,52μm, chiếu về phía Mặt Trăng và đo khoảng thời gian ngăn cách giữa thời điểm xung được phát ra và trời điểm một máy thu đặt ở Trái Đất nhận được xung phản xạ. thời gian kéo dài của một xung là τ = 100ns. Khoảng thời gian ngăn cách giữa thời điểm phát và nhận xung là 2,667s. năng lượng của mỗi xung ánh sáng là W0 = 10KJ. Khoảng cách giữa trái đất và mặt trăng là:

A. 200.000 km.    B. 400.000 km;

C. 500.000 km;    D. 300.000 km.

Lời giải:

Đáp án B.

Bài 17: Một laze phát ra chùm sáng lục có bước sóng λ = 0,5145μm và có công suất P = 0,5W. Góc mở của chùm sáng là α = 5,2.10^-3rad. Đường kính của chùm sáng sát mặt gương bán mạ là D₀ = 200μm. Đường kính D của vệt sáng trên một màn ảnh đặt vuông góc với trục chùm sáng, cách gương bán mạ d = 50cm là:

A. 1,4mm.    B. 2,8mm;    C. 3,6mm;    D. 5,2mm.

Lời giải:

Đáp án B.

Gọi D₀ và D là đường kính của chùm ánh sáng ở mặt gương bán mạ và ở trên màn ảnh' H và h là khoảng cách từ đỉnh của góc mở đến gương bán mạ và từ gương bán mạ đến màn ảnh; α là góc mở của chùm sáng. Ta có:

Bài 18: Một laze phát ra chùm sáng lục có bước sóng λ = 0,5145μm và có công suất P = 0,5W. Góc mở của chùm sáng là α = 5,2.10^-3rad. Đường kính của chùm sáng sát mặt gương bán mạ là D₀ = 200μm. Cường độ chùm sáng I tại một điểm trên màn ảnh là:

A. 8,12.10⁴ W/m²;    B. 6,09.10⁴ W/m²;

C. 4,06.10⁴ W/m²;    D. 3,45.10⁴ W/m².

Lời giải:

Đáp án A. Diện tích vệt sáng:

Cường độ sáng tại một điểm trên màn:

Bài 19: Một laze phát ra chùm sáng lục có bước sóng λ = 0,5145μm và có công suất P = 0,5W. Góc mở của chùm sáng là α = 5,2.10^-3rad. Đường kính của chùm sáng sát mặt gương bán mạ là D₀ = 200μm. Số phôtôn N đến đập vào màn ảnh trong 1s là:

A. 1,29.10¹⁸ hạt;    B. 2,58.10¹⁸ hạt;

C. 3,87.10¹⁸ hạt;    D. 5,16.10¹⁸ hạt.

Lời giải:

Đáp án A. Số phôton đập vào màn ảnh trong 1s:

Bài 20: Một chất phát quang được kích thích bằng ánh sáng có bước sóng 0,26 μm thì phát ra ánh sáng có bước sóng 0,52 μm. Giả sử công suất của chùm sáng phát quang bằng 20% công suất của chùm sáng kích thích. Tỉ số giữa số phôtôn ánh sáng phát quang và số phôtôn ánh sáng kích thích trong cùng một khoảng thời gian là:

A. 4/5.    B. 1/10.    C. 1/5.    D. 2/5.

Lời giải:

Số photon ánh sáng phát quang:

Số photon ánh sáng kích thích:

Công suất của chùm sáng phát quang bằng 20% công suất của chùm sáng kích thích:

P’ = 20%P.

Tỉ số giữa số phôtôn ánh sáng phát quang và số phôtôn ánh sáng kích thích trong cùng một khoảng thời gian:

Đáp án D.

Bài 21: Laze A phát ra chùm bức xạ có bước sóng 0,45 μm với công suất 0,8 W. Laze B phát ra chùm bức xạ có bước sóng 0,60 μm với công suất 0,6 W. Tỉ số giữa số phôtôn của laze B và số phôtôn của laze A phát ra trong mỗi giây là:

A. 3/4.    B. 20/9.    C. 1.    D. 2.

Lời giải:

Số photon do laze A phát ra:

Số photon do laze B phát ra:

Tỉ số giữa số phôtôn của laze B và số phôtôn của laze A phát ra trong cùng một khoảng thời gian:

Đáp án C.