Chọn đến phần học sinh cần nhanh chóng thông qua mục lục bằng cách click đến phần đó
Câu hỏi mở đầu trang 44
Đề bài: Chỉ với một chiếc điện thoại thông minh hay chiếc máy tính được kết nối với internet, ta có thể trao đổi thông tin với nhau trên khắp toàn cầu. Vậy tại sao thông tin lại có thể lan truyền được trong không gian?
Lời giải:
Thông tin có thể lan truyền được trong không gian nhờ sóng điện từ:
- Sóng điện từ là điện từ trường lan truyền trong không gian, có thể truyền đi cả trong chân không (không cần môi trường vật chất).
- Tốc độ truyền sóng điện từ trong chân không bằng tốc độ ánh sáng ($c = 3 \cdot 10^8$ m/s) → truyền rất nhanh đến mọi nơi.
- Nhờ vậy, thông tin được mã hoá thành sóng điện từ và truyền đi qua không khí, qua vệ tinh, qua cáp quang… đến khắp toàn cầu.
I. Sóng điện từ
Câu hỏi trang 44
Đề bài: Một vệ tinh thông tin (vệ tinh địa tĩnh) chuyển động trên quỹ đạo tròn ngay phía trên xích đạo của Trái Đất, quay cùng hướng và cùng chu kì tự quay của Trái Đất ở độ cao 36 600 km so với đài phát trên mặt đất. Đài phát nằm trên đường thẳng nối vệ tinh và tâm Trái Đất. Coi Trái Đất là một hình cầu có bán kính R = 6 400 km. Vệ tinh nhận sóng truyền hình từ đài phát rồi phát lại tức thời tín hiệu đó về Trái Đất. Biết tốc độ truyền sóng $c = 3 \cdot 10^8$ m/s. Tính khoảng thời gian lớn nhất mà sóng truyền hình đi từ đài phát đến một điểm trên mặt Trái Đất, vẽ hình minh hoạ.
Lời giải:
Phân tích bài toán:
Quãng đường lớn nhất mà sóng đi gồm hai chặng:
- Chặng 1: Từ đài phát A lên vệ tinh V (đoạn AV = h).
- Chặng 2: Từ vệ tinh V xuống một điểm M xa nhất còn nhận được sóng trên mặt Trái Đất (đoạn VM).
Điểm M xa nhất là điểm mà đường thẳng VM tiếp xúc với mặt Trái Đất → tam giác OMV vuông tại M (OM ⊥ VM).
Bước 1: Tính chặng AV.
$$AV = h = 36,600 ; \text{km}$$
Bước 2: Tính chặng VM.
Trong tam giác OMV vuông tại M:
- $OM = R = 6,400$ km
- $OV = R + h = 6,400 + 36,600 = 43,000$ km
Áp dụng định lí Pythagoras:
$$VM = \sqrt{OV^2 – OM^2} = \sqrt{43,000^2 – 6,400^2}$$
$$VM = \sqrt{1,849,000,000 – 40,960,000} = \sqrt{1,808,040,000} \approx 42,521 ; \text{km}$$
Bước 3: Tính tổng quãng đường lớn nhất.
$$s_{\max} = AV + VM = 36,600 + 42,521 = 79,121 ; \text{km} = 7{,}9121 \cdot 10^7 ; \text{m}$$
Bước 4: Tính thời gian lớn nhất.
$$t_{\max} = \dfrac{s_{\max}}{c} = \dfrac{7{,}9121 \cdot 10^7}{3 \cdot 10^8} \approx 0{,}264 ; \text{(s)}$$
→ Khoảng thời gian lớn nhất sóng truyền hình đi từ đài phát đến một điểm trên mặt Trái Đất là t ≈ 0,264 s.
II. Thang sóng điện từ
Câu hỏi trang 45
Đề bài: So sánh tần số của ánh sáng đỏ và ánh sáng tím.
Lời giải:
Áp dụng công thức $f = \dfrac{c}{\lambda}$. Vì c là hằng số nên bước sóng càng dài thì tần số càng nhỏ.
Theo bài học:
- Ánh sáng đỏ có bước sóng $\lambda_{đỏ} \approx 0{,}76 ; \mu\text{m}$ (dài nhất).
- Ánh sáng tím có bước sóng $\lambda_{tím} \approx 0{,}38 ; \mu\text{m}$ (ngắn nhất).
Tính tần số:
$$f_{đỏ} = \dfrac{c}{\lambda_{đỏ}} = \dfrac{3 \cdot 10^8}{0{,}76 \cdot 10^{-6}} \approx 3{,}95 \cdot 10^{14} ; \text{Hz}$$
$$f_{tím} = \dfrac{c}{\lambda_{tím}} = \dfrac{3 \cdot 10^8}{0{,}38 \cdot 10^{-6}} \approx 7{,}89 \cdot 10^{14} ; \text{Hz}$$
→ Tần số ánh sáng tím lớn hơn tần số ánh sáng đỏ (khoảng gấp 2 lần).
Câu hỏi trang 46
Đề bài:
- Giải thích tại sao mỗi khi hàn điện người thợ hàn cần che mặt bằng mặt nạ (Hình 11.5).
- Giải thích tại sao Mặt Trời là một nguồn năng lượng khổng lồ phát ra tia tử ngoại mà con người và các sinh vật trên Trái Đất vẫn có thể sinh sống dưới ánh nắng mặt trời được.
Lời giải:
Câu 1.
Khi hàn điện, hồ quang điện tạo ra nhiệt độ rất cao (trên 2 000 °C), phát ra tia tử ngoại rất mạnh. Tia tử ngoại có tác dụng sinh học mạnh, có thể gây:
- Bỏng da, viêm da.
- Tổn thương mắt: viêm giác mạc, viêm võng mạc, có thể gây mù.
→ Người thợ hàn cần đeo mặt nạ (có kính lọc tia tử ngoại) để bảo vệ mắt và da khỏi tác hại của tia tử ngoại.
Câu 2.
Mặt Trời phát ra rất nhiều tia tử ngoại có hại, nhưng sinh vật trên Trái Đất vẫn sinh sống được vì:
- Tầng ozone trong khí quyển có khả năng hấp thụ phần lớn tia tử ngoại (đặc biệt là tia tử ngoại có bước sóng ngắn, gây hại nhiều nhất).
- Chỉ một phần nhỏ tia tử ngoại tới được mặt đất, ở mức không gây nguy hiểm trực tiếp đến sự sống.
→ Tuy nhiên, nếu tiếp xúc trực tiếp với nắng quá lâu vẫn có thể bị tổn thương da, mắt → cần che chắn (đội mũ, đeo kính râm, bôi kem chống nắng).
III. Bài tập trang 47
Hoạt động trang 47
Đề bài: Bảng 11.1 cho biết phạm vi của bước sóng trong chân không của các dải chính tạo nên thang sóng điện từ.
- Hãy xác định phạm vi của tần số tương ứng với các dải bước sóng đó.
- Nêu loại sóng điện từ trong chân không ứng với mỗi bước sóng: a) 1 km; b) 3 cm; c) 5 μm; d) 500 nm; e) 50 nm; g) $10^{-12}$ m.
- Nêu loại sóng điện từ ứng với mỗi tần số sau: a) 200 kHz; b) 100 MHz; c) $5 \cdot 10^{14}$ Hz; d) $10^{18}$ Hz.
Lời giải:
Câu 1. Tính phạm vi tần số tương ứng với mỗi dải bước sóng.
Áp dụng công thức $f = \dfrac{c}{\lambda}$ với $c = 3 \cdot 10^8$ m/s.
Lưu ý: Bước sóng càng nhỏ thì tần số càng lớn (và ngược lại).
Ví dụ tính cho sóng vô tuyến (λ từ 1 mm đến 100 km):
- $f_{\min} = \dfrac{c}{\lambda_{\max}} = \dfrac{3 \cdot 10^8}{10^5} = 3 \cdot 10^3$ Hz
- $f_{\max} = \dfrac{c}{\lambda_{\min}} = \dfrac{3 \cdot 10^8}{10^{-3}} = 3 \cdot 10^{11}$ Hz
Tính tương tự cho các dải khác, ta được:
Bảng 11.1. Bước sóng và tần số trong chân không của thang sóng điện từ
| Loại bức xạ | Phạm vi bước sóng | Phạm vi tần số (Hz) |
|---|---|---|
| Sóng vô tuyến | Từ 1 mm đến 100 km | Từ $3 \cdot 10^3$ đến $3 \cdot 10^{11}$ |
| Sóng vi ba | Từ 1 mm đến 1 m | Từ $3 \cdot 10^8$ đến $3 \cdot 10^{11}$ |
| Tia hồng ngoại | Từ 0,76 μm đến 1 mm | Từ $3 \cdot 10^{11}$ đến $3{,}95 \cdot 10^{14}$ |
| Ánh sáng nhìn thấy | Từ 0,38 μm đến 0,76 μm | Từ $3{,}95 \cdot 10^{14}$ đến $7{,}89 \cdot 10^{14}$ |
| Tia tử ngoại | Từ 1 nm đến 380 nm | Từ $7{,}89 \cdot 10^{14}$ đến $3 \cdot 10^{17}$ |
| Tia X | Từ 30 pm đến 3 nm | Từ $10^{17}$ đến $10^{19}$ |
Câu 2. Nêu loại sóng điện từ ứng với mỗi bước sóng.
So sánh từng giá trị bước sóng với Bảng 11.1:
- a) λ = 1 km = 1 000 m (nằm trong khoảng 1 mm – 100 km) → sóng vô tuyến.
- b) λ = 3 cm = 0,03 m (nằm trong khoảng 1 mm – 1 m) → sóng vi ba.
- c) λ = 5 μm (nằm trong khoảng 0,76 μm – 1 mm) → tia hồng ngoại.
- d) λ = 500 nm = 0,5 μm (nằm trong khoảng 0,38 – 0,76 μm) → ánh sáng nhìn thấy.
- e) λ = 50 nm (nằm trong khoảng 1 nm – 380 nm) → tia tử ngoại.
- g) λ = $10^{-12}$ m = 1 pm (nhỏ hơn 30 pm = $3 \cdot 10^{-11}$ m) → tia gamma (γ).
Câu 3. Nêu loại sóng điện từ ứng với mỗi tần số.
Áp dụng công thức $\lambda = \dfrac{c}{f}$ để tính bước sóng, sau đó đối chiếu với Bảng 11.1:
a) f = 200 kHz = $2 \cdot 10^5$ Hz:
$$\lambda = \dfrac{3 \cdot 10^8}{2 \cdot 10^5} = 1,500 ; \text{m}$$
→ thuộc dải 1 mm – 100 km → sóng vô tuyến.
b) f = 100 MHz = $10^8$ Hz:
$$\lambda = \dfrac{3 \cdot 10^8}{10^8} = 3 ; \text{m}$$
→ thuộc dải 1 mm – 100 km → sóng vô tuyến.
c) f = $5 \cdot 10^{14}$ Hz:
$$\lambda = \dfrac{3 \cdot 10^8}{5 \cdot 10^{14}} = 6 \cdot 10^{-7} ; \text{m} = 600 ; \text{nm}$$
→ thuộc dải 0,38 – 0,76 μm → ánh sáng nhìn thấy.
d) f = $10^{18}$ Hz:
$$\lambda = \dfrac{3 \cdot 10^8}{10^{18}} = 3 \cdot 10^{-10} ; \text{m} = 0{,}3 ; \text{nm}$$
→ thuộc dải 30 pm – 3 nm → tia X.
Thầy Phạm Trần Quốc Anh
(Người kiểm duyệt, ra đề)
Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT
Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1
Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn