جواب تمرینات آخر فصل ۵ فیزیک دوازدهم

جواب تمرینات آخر فصل ۵ فیزیک دوازدهم

جواب صفحه ۱۳۴، ۱۳۵ و ۱۳۶ فیزیک دوازدهم ریاضی

 جواب تمرینات آخر فصل ۵ فیزیک دوازدهم

جواب صفحه ۱۳۴، ۱۳۵ و ۱۳۶ فیزیک دوازدهم ریاضی

/  فصل ۵ فیزیک دوازدهم ریاضی / پرسش‌ها و مسئله‌های فصل ۵ صفحه ۱۳۴، ۱۳۵ و ۱۳۶ فیزیک دوازدهم ریاضی

جواب صفحه ۱۳۴ فیزیک دوازدهم ریاضی

۱-۵اثر فوتوالکتریک و فوتون
۱- یک لامپ حاوی گاز کم فشار سدیم، فوتون‌هایی با طول موج ۵۸۹nm گسیل می‌کند.
الف) بسامد و انرژی فوتون‌های گسیلی را حساب کنید. انرژی را بر حسب ژول و همچنین الکترون ولت بیان کنید. جواب تمرین ۵-۳ صفحه ۱۲۴ فیزیک دوازدهم ریاضی

ب) فرض کنید توان تابشی مفید لامپ ۵/۰W است. در هر دقیقه چند فوتون از این لامپ گسیل می‌شود؟جواب تمرین ۵-۳ صفحه ۱۲۴ فیزیک دوازدهم ریاضی


۲- توان باریکه نور خروجی یک لیزر گازی هلیم نئون ۵/۰mW است. اگر توان ورودی این لیزر۵۰/۰W باشد،
الف) بازده لیزر را حساب کنید. جواب صفحه ۱۳۴ فیزیک دوازدهم ریاضی

ب) اگر طول موج باریکه نور خروجی ۶۳۳nm باشد، شمار فوتون‌هایی را پیدا کنید که در هر ثانیه از این لیزر گسیل می‌شود.

جواب صفحه ۱۳۴ فیزیک دوازدهم ریاضی


۳- یک لامپ رشته‌ای با توان ۱۰۰W از فاصله یک کیلومتری دیده می‌شود. فرض کنید نور لامپ به طور یکنواخت در فضای اطراف آن منتشر می‌شود و بازده لامپ ۵ درصد است (یعنی ۵W تابش مرئی گسیل می‌کند) و فقط ۱ درصد این تابش دارای طول موجی در حدود ۵۵۰nm است. در هر ثانیه چه تعداد فوتون با این طول موج وارد مردمک های چشم ناظری می‌شود که در این فاصله قرار دارد؟ (قطر مردمک را ۲/۰nm در نظر بگیرید.)
ابتدا شدت تابش را در فاصله یک کیلومتری پیدا میکنیم و سپس میزان انرژی که وارد هر یک از مردمک های چشم این شخص میشود را به دست میآوریم:جواب صفحه ۱۳۴ فیزیک دوازدهم ریاضی


۴- شدت تابشی خورشید در خارج جو زمین حدود ۱۳۶۰W/m۲ است؛ یعنی در هر ثانیه به سطحی برابر ۱m۲، مقدار انرژی ۱۳۶۰J می‌رسد. وقتی این تابش به سطح زمین می‌رسد مقداری زیادی از شدت آن، به علت جذب در جو و ابرها از دست می‌رود. اگر شدت تابشی متوسط خورشید در سطح زمین به ازای هر متر مربع حدود ۳۰۰W/m۲ باشد، در هر ثانیه چند فوتون به هر متر مربع از سطح زمین می‌رسد؟ طول موج متوسط فوتون‌ها را ۵۷۰nm فرض کنید.
جواب به روش اول: جواب صفحه ۱۳۴ فیزیک دوازدهم ریاضی

جواب به روش دوم: جواب صفحه ۱۳۴ فیزیک دوازدهم ریاضی


۵- الف) منظور از اثر فوتوالکتریک چیست؟
جدا کردن الکترون از سطح یک فلز بوسیله تاباندن نور به آن را پدیده فوتو الکتریک نامیده میشود.

ب) توضیح دهید نظریه. کوانتومی تابش که توسط اینشتین مطرح شد و در آن نور به صورت مجموعه‌ای از بسته‌های انرژی در نظر گرفته شد چگونه به تبیین اثر فوتوالکتریک کمک کرد؟
 اینشتین نور را مجموعهای از بسته های انرژی به نام فوتون فرض کرد. وقتی نوری تکفام بر سطح فلزی میتابد، هر فوتون صرفاً یا یکی از الکترون های فلز برهم کنش میکند. اگر فوتون انرژی کافی برای جدا کردن الکترون از سطح فلز را داشته باشد، الکترون به صورت آنی خارج میشود.

پ) معادله مربوط به اثر فوتوالکتریک به صورت Kmax=hf−W۰ بیان می‌شود. سه بخش این معادله را به طور جداگانه توضیح دهید.
Kmax بیشترین انرژی جنبشی فوتوالکترون های گسیل شده از صفحه های فلزی است.
hf: انرژی فوتون فرودی است که به فلز می تابد.
W۰: تابع کار فلز، کمترین مقدار انرژی الزام برای کندن الکترون از سطح فلز، که بستگی به جنس فلز دارد

 


۶- توضیح دهید برای یک فلز معیّن، تغییر هر یک از کمیت‌های زیر چه تأثیری در نتیجه اثر فوتوالکتریک دارد.
الف) افزایش یا کاهش بسامد نور فرودی نسبت به بسامد آستانه
اگر بسامد نور فرودی بیشتر از آستانه بسامد باشد پدیده‌ی فوتوالکتریک رخ میدهد.پدیده‌ی فوتوالکتریک 

اگر بسامد نور فرودی کمتر از آستانه بسامد باشد پدیده‌ی فوتوالکتریک رخ نمیدهد.پدیده‌ی فوتوالکتریک

ب) افزایش شدت نور فرودی در بسامدهای کوچک‌تر از بسامد آستانه
افزایش شدت نور فرودی در بسامد کمتر از آستانه تاثیری در پدیده فوتوالکتریک ندارد.

پ) کاهش شدت نور فرودی در بسامدهای بزرگ‌تر از بسامد آستانه
در بسامد های بزرگتر از بسامد آستانه، پدیده‌ی فوتوالکتریک رخ میدهد که با کاهش شدت نور فرودی تعداد الکترون های کمتری از سطح جدا میشوند و جریان کمتری به وجود میآید.


۷- حداقل انرژی لازم برای جدا کردن یک الکترون از سطح فلز سدیم برابر ۲/۲۸e است.
الف) طول موج آستانه برای گسیل فوتوالکترون از سطح فلز سدیم چقدر است و با مراجعه به شکل ۵-۶ معلوم کنید این طول موج مربوط به چه رنگی است؟ جواب صفحه ۱۳۴ فیزیک دوازدهم ریاضیرنگ سبز

ب) آیا فوتون‌هایی با طول موج ۶۸۰nm قادر به جدا کردن الکترون از سطح این فلز هستند؟
جواب به روش اول:
خیر. شرط رخ دادن اثر فوتوالکتریکجواب صفحه ۱۳۴ فیزیک دوازدهم ریاضیاگر طول موج فوتون گسیلی از طول موج آستانه بزرگتر باشند. انرژی الزم برای جدا کردن الکترون را ندارد.جواب صفحه ۱۳۴ فیزیک دوازدهم ریاضیپدیده فوتوالکتریک رخ نمی دهد

جواب به روش دوم:
خیر – طول موج آستانه حداکثر طول موجی است که میتواند موجب کنده شدن الکترون از سطح فلز شود، بنابراین برای طول موجهای باالتر
از آن پدیده فوتوالکتریک مشاهده نمیشود


۸- تابش فرابنفشی با طول موج ۲۰۰nm بر سطح تیغه‌ای از جنس نیکل با تابع کار ۴/۹e تابیده می‌شود. بیشینه تندی فوتوالکترون‌های جدا شده از سطح نیکل را حساب کنید.جواب صفحه ۱۳۴ فیزیک دوازدهم ریاضی


۹- هر گاه بر سطح فلزی نوری با طول موج ۴۲۰nm بتابد بیشینه انرژی جنبشی فوتوالکترون‌های گسیل شده حدود ۰/۵۰eV است. بسامد آستانه برای گسیل فوتوالکترون‌ها از سطح این فلز چقدر است؟ جواب صفحه ۱۳۴ فیزیک دوازدهم ریاضی


۲-۵ و ۳-۵ طیف خطی و مدل اتم رادرفورد بور
۱۰- الف) طیف گسیلی یک جسم در چه مواردی پیوسته و در چه مواردی گسسته یا خطی است؟ منشأ فیزیکی این تفاوت را توضیح دهید.
طیف گسیلی حاصل از جامدهای ملتهب یا مذاب‌های داغ پیوسته است و تشکیل این طیف پیوسته ناشی از بر هم‌کنش قوی بین اتم‌های سازنده آن است و طیف گسیلی حاصل از گازهای کم‌فشار و رقیق خطی (یا گسسته) است، زیرا اتم‌های منفرد آن‌ها از برهم‌کنش قوی موجود در جامد آزادند و به جای طیف پیوسته، طیفی گسسته گسیل می‌کنند.
ب) توضیح دهید چگونه می‌توان طیف‌های گسیلی پیوسته و خطی را ایجاد کرد.
اگر یک جسم جامد را گرم کرده تا دمای آن بالا برود تا نور مرئی گسیل کند و نور تولید شده را از یک منشور بگذرانیم، طیفی پیوسته خواهیم داشت.
برای تولید طیف گسسته، بخار رقیق از یک عنصر را درون شیشهای قرار داده و دو سر آن را به اختلاف پتانسیل بالا متصل میکنیم. نور تابش شده از این لامپ شیشه‌ای را از منشور عبور میدهیم، تا طیف گسسته بر روی نوار طیف سنجی تشکیل شود.


۱۱- شکل صفحه بعد سه رشته طیف گسیلی گاز هیدروژن اتمی را روی نمودار تراز انرژی نشان می‌دهد که بر اساس مدل اتمی بور رسم شده است.

جواب صفحه ۱۳۵ فیزیک دوازدهم ریاضی

جواب صفحه ۱۳۵ فیزیک دوازدهم ریاضی

الف) منظور از n=۱ و انرژی چیست؟
n=۱ مربوط به پایین ترین تراز انرژی در اتم است که آن را تراز پایه مینامند.
۱۳/۶۰eV− انرژی مربوط به تراز پایه است، به عبارت دیگر برای اینکه الکترون را کاملا از قید هسته جدا کنیم باید به این اندازه به آن انرژی بدهیم.
ب) بر اساس مدل اتمی بور دلیل خطی بودن طیف گسیلی گاز هیدروژن اتمی را توضیح دهید.
الکترون زمانی که از یک حالت مانا با انرژی بیشتر به حالت مانای دیگر با انرژی کمتر برود، فوتون تابش می‌کند که انرژی فوتون تابشی برابر با اختلاف انرژی دو تراژ است و چون ترازهای انرژی گسسته و دارای مقادیر معینی هستند، لذا طیف گسیلی خطی است.

پ) اختلاف کوتاه‌ترین و بلندترین طول موج در هر رشته را، گستره طول موج‌های آن رشته می‌نامند. گستره طول موج‌های رشته لیمان (n′=۱) را پیدا کنید. جواب صفحه ۱۳۵ فیزیک دوازدهم ریاضی


۱۲- الف) فرایند جذب فوتون توسط اتم را توضیح دهید.
در فرایند جذب فوتون، الکترون‌ها از ترازهای پایین‌تر به تراز‌های بالاتر گذار می‌کنند و در این حالت مطابق شکل اتم فوتونی را که دقیقا انرژی لازم برای گذار را دارد جذب می‌کند.
الکترون هایی که از تراز های انرژی پایینتر با جذب فوتون به تراز های انرژی بالاتر میروند. در این حالت، اتم، فوتونی را که دقیقاً انرژی لازم برای گذار را دارد جذب می کند.جواب صفحه ۱۳۵ فیزیک دوازدهم ریاضی

ب) با استفاده از مدل بور، چگونه می‌توانید خط‌های تاریک در طیف جذبی گاز هیدروژن اتمی را توجیه کنید؟
وقتی نور سفیدی را به گاز هیدروژن رقیق می‌‌تابانیم الکترون های گاز بعضی از فوتون های نور فرودی را جذب کرده و به تراز های بالاتر می روند. اگر نور خروجی از گاز را از منشور عبور دهیم یک دسته خط های جذبی تاریک در طیف پیوسته مشاهده میکنید.

پ) وقتی که نور فرابنفش به بسیاری از مواد تابیده شود، تابش مرئی از خود گسیل می‌کنند. این پدیده فیزیکی نمونه‌ای از فلوئورسانی است. آزمایش نشان می دهد در پدیده فلوئورسانی طول موج‌های گسیل یافته معمولاً برابر همان طول موج نور فرودی یا بزرگ‌تر از آن است. این پدیده را چگونه به کمک مدل بور می‌توانید تبیین کنید؟
هنگامی که نور فرابنفش به مواد تابیده میشود، تعدادی از الکترون های آنها با جذب انرژی به مدارهای بالاتر میروند و در اصلاح برانگیخته میشوند. اما در برگشت این الکترون ها به مدار خود، یکباره به مدار اصلی برنمی‌گردند، بلکه به صورت پلکانی، برگشته و در طی این بازگشت فوتون هایی با طول موج های بیشتر، گسیل میکنند که برخی از آنها در ناحیه نور مرئی قرار دارند.


۱۳- مبنای مدل رادرفورد، نتایج آزمایش‌هایی بود که از پراکندگی ذره‌های آلفا توسط یک ورقه نازک طلا به دست آمده بود (شکل الف).جواب صفحه ۱۳۵ فیزیک دوازدهم ریاضی
الف) توضیح دهید چرا بیشتر ذره‌های آلفا مانند ذره‌های ۱ و ۲ یا اصلاً منحرف نمی‌شوند یا به مقدار کمی منحرف می‌شوند.
ذرات آلفا دارای بار مثبت‌اند، که تعداد زیادی از این ذرات از فضای خالی اتم عبور میکنند و یا در انحراف بسیار کمی در اثر نیروی دافعه از کنار هسته‌ی اتم میگذرند. که نشان میدهد بیشتر حجم ماده (اتم ها) از فضای خالی تشکیل شده است.

ب) تنها تعداد بسیار کمی از ذره‌ها مانند ذره ۳ منحرف می‌شوند. این امر چه نکته‌ای را درباره ساختار اتم طلا نشان می‌دهد؟
تعداد بسیار کمی از ذرات آلفا به مرکز اتم برخورد می‌‌نمایند و به سمت عقب باز میگردند. که نشان می‌دهد که توسط یک مرکز بسیار چگال و دارای بار مثبت منحرف شده باشند که حجم آن در مقایسه با حجم اتم بسیار کم است.

پ) چرا رادرفورد در آزمایش خود از صفحه بسیار نازک طلا استفاده کرده بود؟
۱- زیرا فلز طلا چکش‌خواری خیلی خوبی دارد و به راحتی می‌توان ورقه بسیار نازکی از آن ساخت.
۲- تعداد الکترون‌های آن زیاد است و می‌توان میزان پراکندگی ذرات سنگین آنها را بهتر بررسی کرد.
ت) شکل ب، به کدام مشکل مدل رادرفورد اشاره دارد؟ در مدل بور چگونه این مشکل رفع شده است؟

اگر الکترون ها مانند سیاره های منظومه خورشیدی به دور هسته در گردش باشند، حرکت آنها شتاب دار است، و بنابر نظریه فیزیک کلاسیک این حرکت شتابدار موجب گسیل امواج الکترومغناطیس شده که بسامد آن با بسامد حرکت مداری الکترون برابر است. با تابش موج الکترومغناطیس از انرژی آن کاسته شده و در نتیجه شعاع حرکت آن کوچکتر و نتیجتا بسامد آن به تدریج بزرگتر میشود. بدین ترتیب بسامد امواج گسیل شده از آن نیز به تدریج افزایش مییابد. در نهایت روی هسته سقوط میکند، مضاف بر اینکه در این مدت طیف پیوسته‌ای را گسیل کرده است. (به صورت خلاصه این شکل به ناپایداری مدل را درفورد و گسیل طیف پیوسته به جای طیف گسسته اشاره دارد).
در مدل بور فرض بر این است که الکترون ها بر روی مدارهای با شعاع گسسته و معین گردش میکنند و مادامی که روی این مدار قرار دارند موجی گسیل نمیکنند.


۱۴- با استفاده از رابطه بور برای انرژی الکترون در اتم هیدروژن،
الف) اختلاف انرژی ΔE(nU→nL)=EU−EL را حساب کنید.

جواب به روش اول:

جواب صفحه ۱۳۵ فیزیک دوازدهم ریاضیجواب به روش دوم: جواب صفحه ۱۳۵ فیزیک دوازدهم ریاضی

ب) نشان دهید که:
ΔE(۴→۲)=ΔE(۴→۳)+ΔE(۳→۲)Δ
ΔE(۴→۱)=ΔE(۴→۲)+ΔE(۲→۱)

جواب به روش اول: جواب صفحه ۱۳۵ فیزیک دوازدهم ریاضی

جواب به روش دوم: جواب صفحه ۱۳۵ فیزیک دوازدهم ریاضی


۱۵- الکترون اتم هیدروژنی در تراز n=۱ قرار دارد.
الف) با در نظر گرفتن تمام گذارهای ممکن، اگر این اتم به حالت پایه برود، امکان گسیل چند نوع فوتون با انرژی متفاوت وجود دارد؟جواب صفحه ۱۳۵ فیزیک دوازدهم ریاضی

ب) فرض کنید فقط گذارهای Δn=۱ مجاز باشند، در این صورت امکان گسیل چند نوع فوتون با انرژی متفاوت وجود دارد؟

جواب صفحه ۱۳۵ فیزیک دوازدهم ریاضی

جواب صفحه ۱۳۶ فیزیک دوازدهم ریاضی

۴-۵ لیزر
۱۶- شکل زیر فرایند ایجاد باریکه لیزر را به طور طرح وار در ۴ مرحله نشان می‌دهد.

جواب صفحه ۱۳۶ فیزیک دوازدهم ریاضی

الف) منظور از عبارت «اتم‌ها در وضعیت معمول» چیست؟
این وضعیت بیانگر زمانی است که بیشتر الکترون ها در تراز های انرژی پایینتر قرار داشته و هنوز برانگیخته نشده‌اند.

ب) نقش انرژی داده شده چیست و معمولاً این انرژی چگونه تأمین می‌شود؟
چشمه انرژی خارجی مناسب، سبب برانگیخته شدن الکترون ها به تراز های انرژی بالاتر میشود.
این انرژی به روش های متعددی از جمله درخش های شدید نور معمولی و یا تخلیه های ولتاژ بالا صورت میگیرد.

پ) منظور از «وارونی جمعیت» چیست؟
اگر انرژی کافی به اتم ها داده شود، تعداد الکترون هایی که به تراز بالاتر میروند، از تعداد الکترون هایی که در تراز پایینتر قرار دارند، بیشتر می‌‍شود، به چنین شرایطی، وارونی جمعیت گفته می‌شود.

ت) انرژی فوتون ورودی چقدر باید باشد تا فرایند گسیل القایی انجام شود؟
برای ایجاد فرآیند گسیل القایی، انرژی فوتون القایی باید برابر با اختلاف انرژی دو تراز باشد

ث) فوتون‌هایی که بر اثر فرایند گسیل القایی و جهش الکترون‌ها به تراز پایین‌تر ایجاد می‌شوند چه ویژگی‌های مشترکی دارند؟
 فوتون های باریکه لیزر، هم بسامد، هم جهت و هم فاز هستند.


۱۷- در شکل زیر نحوه گسیل فوتون‌ها از سه چشمه نور شامل لامپ رشته‌ای، چراغ قوه با لامپ رشته‌ای و لیزر با یکدیگر مقایسه شده است.جواب صفحه ۱۳۶ فیزیک دوازدهم ریاضی
الف) با توجه به آنچه در این فصل فراگرفتید تفاوت فوتون‌های گسیل شده از هر چشمه را با یکدیگر بیان کنید.

فوتون‌های خروجی از یک لامپ رشته‌ای در تمام جهت‌ها گسیل و پراکنده می‌شوند و برای ایجاد فوتون‌های لامپ رشته‌ای و چراغ قوه به فرایند گسیل القایی نیاز نیست، بلکه گسیل خود به خود رخ می‌دهد و در چراغ قوه فوتون‌های خروجی نسبت به لامپ در جهت‌های محدودتری گسیل می‌شوند، زیرا با قرار دادن یک عدسی در جلوی لامپ چراغ قوه از پراکنده شدن آنها جلوگیری می‌کنند. در لیزر فوتون‌ها در فرایند گسیل القایی ایجاد شده و باریکه‌ای از لیزر را داریم که این باریکه از فوتون‌هایی که همگی هم‌جهت، هم‌فاز و هم‌انرژی‌اند ایجاد می‌شود.
فوتو‌ن‌های لامپ رشته‌ای و چراغ قوه با مختصری اختلاف زمانی به هدف می‌رسند، در حالی که فوتون‌های پرتو لیزر همه دقیقاً باهم حرکت می‌کنند. نور لیز از یک طول موج تشکیل شده است، ولی نور معمولی لامپ شامل طیف وسیعی از طول موج‌هاست.
ب) چرا توصیه جدی می‌شود که هیچ گاه به طور مستقیم به باریکه نور ایجادشده توسط لیزر نگاه نکنید؟
نور لیزر دارای تعداد زیادی فوتونهای همفاز، هم بسامد و همجهت میباشند لذا دارای انرژی بسیار
زیاد و قدرت نفوذ پذیری بالایی دارند. اگر وارد چشم شوند میتوانند باعث صدمه زدن به چشم شوند

برای مشاهده سوالات و گام به گام کتاب‌های درسی خود، کافی است نام درس یا شماره صفحه مورد نظر را همراه با عبارت "همیار" در گوگل جستجو کنید.