Giải Thiết kế phương án trang 54 Chuyên đề Vật lí 12

Lời giải

## a) Khi điều chỉnh con trượt, $U_{AK}$ thay đổi như thế nào?

Biến trở (thanh điện trở $R$ với con trượt $N$) được mắc theo kiểu phân áp (chia thế): nguồn một chiều $F$ đặt lên toàn bộ thanh điện trở, còn phần điện thế lấy ra đưa vào hai cực anode – cathode của tế bào quang điện $T$ tùy theo vị trí con trượt.

- Khi dịch con trượt $N$ dọc theo thanh điện trở, phần điện áp lấy ra thay đổi nên $U_{AK}$ biến thiên một cách liên tục.
- Nhờ cách mắc phân áp, $U_{AK}$ có thể đi từ giá trị âm (anode có điện thế thấp hơn cathode $\Rightarrow$ điện trường cản, hãm các electron quang điện), qua giá trị 0, đến các giá trị dương tăng dần, lớn nhất xấp xỉ bằng suất điện động của nguồn $F$ (anode hút electron quang điện về phía nó $\Rightarrow$ điện trường gia tốc).

Kết luận: Điều chỉnh con trượt cho phép thay đổi cả độ lớn lẫn dấu của $U_{AK}$ một cách tùy ý, từ âm (hãm) qua 0 đến dương cực đại (gia tốc), để khảo sát dòng quang điện.

---

##

b) Cường độ dòng quang điện qua ampe kế phụ thuộc vào những đại lượng nào?

Cường độ dòng quang điện $I$ phụ thuộc vào:

1. Hiệu điện thế $U_{AK}$: khi $U_{AK}$ dương và tăng, điện trường gia tốc electron về anode nên $I$ tăng, rồi đạt giá trị bão hòa $I_{bh}$ (mọi electron bứt ra đều về được anode). Khi $U_{AK}$ âm đến giá trị hãm $-U_h$ thì $I = 0$.
2. Cường độ (độ mạnh) của chùm sáng chiếu vào cathode: chùm sáng càng mạnh thì số photon tới cathode mỗi giây càng nhiều, số electron quang điện bứt ra mỗi giây càng lớn, do đó dòng bão hòa $I_{bh}$ càng lớn.
3. Tần số (bước sóng) của ánh sáng chiếu tới: phải có $f \ge f_0$ (tức $\lambda \le \lambda_0$, giới hạn quang điện) thì mới có dòng quang điện. Tần số quyết định động năng ban đầu cực đại của electron, tức ảnh hưởng đến hiệu điện thế hãm $U_h$ qua hệ thức Einstein: $$eU_h = hf - A.$$
4. Bản chất vật liệu làm cathode: xác định công thoát $A$ và giới hạn quang điện $\lambda_0 = \dfrac{hc}{A}$ (đại lượng cố định với một tế bào cho trước).

---

##

c) Thiết kế phương án khảo sát dòng quang điện

### Dụng cụ thí nghiệm
- Tế bào quang điện chân không $T$ (cathode $K$, anode $A$).
- Nguồn sáng LED (thay đổi được cường độ và màu sắc/bước sóng).
- Nguồn điện một chiều (bộ pin $F$), biến trở con trượt $N$–$Q$ với thanh điện trở $R$.
- Ampe kế $A$ (micro-ampe kế) mắc nối tiếp với tế bào để đo $I$.
- Vôn kế $V$ mắc song song giữa hai cực của $T$ để đo $U_{AK}$.
- Khóa điện $M$ và dây nối.

### Phương án 1 — Khảo sát đường đặc trưng vôn–ampe $I = f(U_{AK})$
*Mục đích:* tìm sự phụ thuộc của $I$ vào $U_{AK}$ khi giữ cố định tần số và cường độ sáng.
1. Lắp mạch theo Hình 9.7; chiếu LED (có $\lambda \le \lambda_0$) vào cathode với độ sáng không đổi; đóng khóa $M$.
2. Dịch con trượt để $U_{AK}$ về giá trị âm đủ lớn (lúc này $I = 0$).
3. Tăng dần $U_{AK}$ (từ âm qua 0 sang dương); tại mỗi vị trí đọc đồng thời số chỉ vôn kế ($U_{AK}$) và ampe kế ($I$), ghi vào bảng $(U_{AK}, I)$.
4. Tiếp tục đến khi $I$ không tăng nữa (đạt $I_{bh}$). Vẽ đồ thị $I = f(U_{AK})$.

*Kết quả:* khi $U_{AK} \le -U_h$ thì $I = 0$ $\Rightarrow$ xác định hiệu điện thế hãm $U_h$; đoạn nằm ngang cho dòng bão hòa $I_{bh}$.

### Phương án 2 — Khảo sát ảnh hưởng của cường độ sáng lên $I_{bh}$
1. Giữ nguyên loại LED (tần số không đổi), đặt $U_{AK}$ dương đủ lớn để $I = I_{bh}$.
2. Thay đổi cường độ chiếu sáng (đổi công suất LED hoặc đổi khoảng cách $d$ với $I_{sáng} \propto 1/d^2$); mỗi mức sáng ghi lại $I_{bh}$.
3. Vẽ đồ thị $I_{bh}$ theo cường độ sáng.

*Kết quả:* $I_{bh}$ tỉ lệ thuận với cường độ chùm sáng.

### Phương án 3 — Khảo sát ảnh hưởng của tần số lên $U_h$
1. Lần lượt dùng các LED có tần số $f_1, f_2, f_3,\ldots$ (đã biết bước sóng), giữ cường độ sáng không đổi.
2. Với mỗi LED, điều chỉnh $U_{AK}$ về âm đến khi $I = 0$, ghi $U_h$ tương ứng. Lập bảng $(f_i, U_{h,i})$.
3. Vẽ đồ thị $U_h$ theo $f$. Theo $$U_h = \frac{h}{e}\,f - \frac{A}{e},$$ đồ thị là đường thẳng; từ hệ số góc và tung độ gốc xác định hằng số Planck $h$ và công thoát $A$, kiểm chứng hệ thức Einstein về hiệu ứng quang điện.

Đáp số