7.3 Teori Fotoelektrik Einstein Penguasaan Penguasaan Penguasaan Penguasaan
Anda akan menggunakan persamaan fotoelektrik Einstein hf = W + ½mv² untuk menerangkan fungsi kerja dan frekuensi ambang, menentukan fungsi kerja, menyelesaikan masalah, menerangkan arus dalam sel foto dan menghuraikan aplikasi kesan fotoelektrik.
SP 7.3.1Menyatakan fungsi kerja minimum yang diperlukan oleh suatu logam bagi memancarkan elektron melalui persamaan Einstein.
Huraian SPApa yang perlu dikuasai
Untuk guru: kata tugas Menyatakan
Murid perlu menyebut fungsi kerja sebagai tenaga minimum untuk memancarkan elektron melalui persamaan Einstein, dan hubungan tenaga kinetik dengan frekuensi.
- IsiPersamaan EinsteinHuraian
hf = W + ½mv²maks: tenaga foton digunakan untuk mengatasi fungsi kerja W, bakinya menjadi tenaga kinetik maksimum fotoelektron.
ContohFoton 5.0 × 10⁻¹⁹ J pada logam W = 3.0 × 10⁻¹⁹ J: tenaga kinetik maksimum = 2.0 × 10⁻¹⁹ J.
- IsiGraf tenaga kinetik melawan frekuensiHuraian
Graf ½mv²maks melawan f ialah garis lurus dengan kecerunan h; pintasan paksi-f ialah frekuensi ambang f₀.
ContohGaris memotong paksi-f pada 5.5 × 10¹⁴ Hz, maka logam itu mempunyai f₀ = 5.5 × 10¹⁴ Hz.
NotaPersamaan fotoelektrik Einstein
hf = W + ½mv²max. Tenaga foton (hf) digunakan untuk mengatasi fungsi kerja W, iaitu tenaga minimum yang diperlukan untuk membebaskan elektron dari permukaan logam; bakinya menjadi tenaga kinetik maksimum fotoelektron, ½mv²max.
SP 7.3.21 hf =W+ mv2 2 Menerangkan frekuensi ambang, f dan o fungsi kerja, W.
Huraian SPApa yang perlu dikuasai
Untuk guru: kata tugas Menerangkan
Murid perlu menerangkan maksud frekuensi ambang f₀ dan fungsi kerja W serta sebab logam berbeza mempunyai frekuensi ambang berbeza.
- IsiFrekuensi ambangHuraian
Frekuensi ambang f₀ ialah frekuensi minimum cahaya yang menghasilkan kesan fotoelektrik pada logam. Di bawah f₀, tiada fotoelektron.
ContohSimulasi: logam tertentu memancarkan elektron dengan cahaya ungu, biru dan hijau tetapi tidak dengan kuning, jingga atau merah.
- IsiFungsi kerjaHuraian
Fungsi kerja W ialah tenaga minimum untuk membebaskan elektron dari permukaan logam; W = hf₀. Logam dengan W besar mempunyai f₀ tinggi.
ContohCesium (W rendah) memancarkan elektron dengan cahaya tampak; zink (W tinggi) memerlukan ultraungu.
IstilahFungsi kerja dan frekuensi ambang
- Fungsi kerja, W
- Tenaga minimum yang diperlukan untuk memancarkan elektron dari permukaan logam
- Frekuensi ambang, f₀
- Frekuensi minimum foton yang memancarkan elektron; pada f₀, tenaga kinetik fotoelektron sifar
- Hubungan
- W = hf₀; logam dengan W lebih besar mempunyai f₀ lebih tinggi
SP 7.3.3Menentukan fungsi kerja logam berdasarkan rumus, W = hf₀.
Huraian SPApa yang perlu dikuasai
Untuk guru: kata tugas Menentukan
Murid perlu mengira fungsi kerja logam seperti zink, aluminium dan besi daripada frekuensi ambang, W = hf₀.
- IsiGantian terusHuraian
W = hf₀ dengan h = 6.63 × 10⁻³⁴ J s.
ContohZink f₀ = 1.04 × 10¹⁵ Hz: W = 6.63 × 10⁻³⁴ × 1.04 × 10¹⁵ = 6.90 × 10⁻¹⁹ J.
- IsiMembanding logamHuraian
Logam berfrekuensi ambang lebih tinggi mempunyai fungsi kerja lebih besar.
ContohAluminium f₀ = 9.8 × 10¹⁴ Hz: W = 6.50 × 10⁻¹⁹ J, lebih kecil daripada zink.
Peta alirContoh: fungsi kerja
- Frekuensi ambang logam f₀ = 5.5 × 10¹⁴ Hz
- W = hf₀
- W = 6.63 × 10⁻³⁴ J s × 5.5 × 10¹⁴ Hz
- W = 3.6465 × 10⁻¹⁹ J ≈ 3.65 × 10⁻¹⁹ J
SP 7.3.4Menyelesaikan masalah melibatkan persamaan Einstein untuk kesan fotoelektrik hf = W + ½mv².
Huraian SPApa yang perlu dikuasai
Untuk guru: kata tugas Menyelesaikan
Murid perlu mengira tenaga kinetik maksimum, halaju, frekuensi atau fungsi kerja daripada persamaan Einstein hf = W + ½mv², sama ada dari formula atau graf.
- IsiDari formulaHuraian
Kira hf, tolak W untuk mendapat ½mv²maks, kemudian v = √(2Ek/m).
Contohf = 1.2 × 10¹⁵ Hz pada zink (W = 6.90 × 10⁻¹⁹ J): hf = 7.96 × 10⁻¹⁹ J; Ek = 1.06 × 10⁻¹⁹ J; v = 4.82 × 10⁵ m s⁻¹.
- IsiDari grafHuraian
Baca tenaga kinetik maksimum pada frekuensi tertentu daripada graf Ek melawan f, atau gunakan pintasan untuk f₀ dan W.
ContohGraf dengan pintasan f₀ = 5.0 × 10¹⁴ Hz: pada f = 7.0 × 10¹⁴ Hz, Ek = h(f − f₀) = 1.33 × 10⁻¹⁹ J.
Peta alirContoh: persamaan Einstein
- Cahaya f = 8.0 × 10¹⁴ Hz menyinari logam dengan W = 3.60 × 10⁻¹⁹ J
- hf = 6.63 × 10⁻³⁴ J s × 8.0 × 10¹⁴ Hz = 5.304 × 10⁻¹⁹ J
- ½mv² = hf − W = 5.304 × 10⁻¹⁹ J − 3.60 × 10⁻¹⁹ J = 1.704 × 10⁻¹⁹ J
- v² = 2 × 1.704 × 10⁻¹⁹ J / 9.11 × 10⁻³¹ kg = 3.741 × 10¹¹ m² s⁻²
- v = 6.12 × 10⁵ m s⁻¹
SP 7.3.5Menerangkan penghasilan arus fotoelektrik dalam sebuah litar sel foto.
Huraian SPApa yang perlu dikuasai
Untuk guru: kata tugas Menerangkan
Murid perlu menerangkan penghasilan arus fotoelektrik dalam litar sel foto berkatod bersalut cesium atau litium.
- IsiKomponen sel fotoHuraian
Sel foto terdiri daripada katod melengkung bersalut cesium atau litium (fungsi kerja rendah) dan anod di dalam tiub vakum, disambung kepada bekalan dan mikroammeter.
ContohCahaya tampak mencukupi untuk memancarkan elektron dari katod cesium.
- IsiArus fotoelektrikHuraian
Fotoelektron dari katod ditarik ke anod positif dan melengkapkan litar; keamatan cahaya lebih tinggi menghasilkan lebih banyak fotoelektron dan arus lebih besar.
ContohLampu didekatkan pada sel foto: bacaan mikroammeter bertambah.
Peta alirArus fotoelektrik dalam sel foto
- Cahaya menyinari katod (permukaan logam melengkung) dalam tiub vakum
- Fotoelektron dipancarkan dari katod
- Anod yang disambung ke terminal positif menarik fotoelektron
- Aliran fotoelektron dari katod ke anod melengkapkan litar
- Mikroammeter mengesan arus fotoelektrik; keamatan tinggi memberi arus lebih besar
SP 7.3.6Menghuraikan aplikasi kesan fotoelektrik.
Huraian SPApa yang perlu dikuasai
Untuk guru: kata tugas Menghuraikan
Murid perlu memberi butiran aplikasi kesan fotoelektrik dalam sel suria, pengesan cahaya pintu automatik, pengesan imej dan panel suria kapal angkasa ISS.
- IsiSel suria dan panel suria ISSHuraian
Cahaya membebaskan elektron dalam bahan sel suria dan menghasilkan arus. Panel suria ISS membekalkan elektrik kepada stesen angkasa sepanjang orbit di bawah cahaya Matahari.
ContohKalkulator suria berfungsi di bawah lampu bilik darjah.
- IsiPintu automatik dan pengesan imejHuraian
Pintu automatik: alur cahaya ke sel foto terhalang, arus berubah dan pintu dibuka. Pengesan imej kamera menukarkan foton kepada cas elektrik bagi setiap piksel untuk membentuk imej digital.
ContohKamera telefon pintar menggunakan pengesan imej berjuta piksel.
Peta pokokAplikasi kesan fotoelektrik
- Menukarkan tenaga cahaya kepada tenaga elektrik
- Alur cahaya terhalang, arus berubah, pintu terbuka
- Cahaya menghasilkan cas yang membentuk imej digital
- Sel foto mengesan perubahan cahaya
- Membekalkan elektrik kepada stesen angkasa
Ingat: mnemonik & kad imbas
Mnemonik
- FFK
- Foton = Fungsi kerja + Kinetik: hf = W + ½mv²
Kad imbas
- Persamaan Einstein
- hf = W + ½mv²
- Fungsi kerja, W
- Tenaga minimum untuk memancarkan elektron dari logam
- Frekuensi ambang, f₀
- Frekuensi minimum untuk memancarkan elektron
- Rumus fungsi kerja
- W = hf₀
- Sel foto
- Fotoelektron dari katod ditarik ke anod menghasilkan arus
- Aplikasi kesan fotoelektrik
- Sel suria, pintu automatik, kamera digital
Semak kefahaman
Nyatakan maksud fungsi kerja. (SP 7.3.1)
Lihat jawapan
Fungsi kerja ialah tenaga minimum yang diperlukan untuk membebaskan elektron dari permukaan logam.
Nyatakan maksud frekuensi ambang. (SP 7.3.2)
Lihat jawapan
Frekuensi ambang ialah frekuensi minimum cahaya untuk memancarkan elektron dari permukaan logam.
Frekuensi ambang kalium 5.5 × 10¹⁴ Hz (h = 6.63 × 10⁻³⁴ J s). Hitung fungsi kerja. (SP 7.3.3)
Lihat jawapan
W = hf₀ = 6.63 × 10⁻³⁴ × 5.5 × 10¹⁴ = 3.65 × 10⁻¹⁹ J.
Foton bertenaga 6.0 × 10⁻¹⁹ J menyinari logam berfungsi kerja 3.5 × 10⁻¹⁹ J. Hitung tenaga kinetik maksimum fotoelektron. (SP 7.3.4)
Lihat jawapan
½mv² = 6.0 × 10⁻¹⁹ − 3.5 × 10⁻¹⁹ = 2.5 × 10⁻¹⁹ J.
Bagaimanakah arus fotoelektrik terhasil dalam litar sel foto? (SP 7.3.5)
Lihat jawapan
Cahaya memancarkan fotoelektron dari katod dan fotoelektron ditarik ke anod, lalu arus mengalir dalam litar.
Berikan dua aplikasi kesan fotoelektrik. (SP 7.3.6)
Lihat jawapan
Sel suria, pintu automatik, kamera digital (penderia CCD) dan penggera keselamatan.
16 soalan latihan pelbagai aras, kad imbas dan Kad Tahniah ada dalam mod interaktif.
Tahap Penguasaan (TP)
| TP | Tafsiran |
|---|---|
| TP1 | Mengingat kembali pengetahuan dan kemahiran asas sains mengenai Fizik Kuantum. |
| TP2 | Memahami Fizik Kuantum serta dapat menjelaskan kefahaman tersebut. |
| TP3 | Mengaplikasikan pengetahuan mengenai Fizik Kuantum untuk menerangkan kepentingannya kepada kehidupan. |
| TP4 | Menganalisis pengetahuan mengenai Fizik Kuantum dalam konteks penyelesaian masalah dan membuat keputusan dalam melaksanakan aktiviti/ tugasan. |
| TP5 | Menilai pengetahuan mengenai Fizik Kuantum dalam konteks penyelesaian masalah dan membuat keputusan untuk melaksanakan aktiviti/ tugasan. |
| TP6 | Mereka cipta menggunakan pengetahuan dan kemahiran sains mengenai Fizik Kuantum dalam konteks penyelesaian masalah atau membuat keputusan dalam melaksanakan aktiviti/ tugasan dalam situasi baharu secara kreatif dan inovatif dengan mengambil kira nilai sosial/ ekonomi/ budaya masyarakat. |
Untuk guru: cadangan aktiviti mencapai TP (6)
- TP1
Mengingat kembali pengetahuan dan kemahiran asas sains mengenai Fizik Kuantum.
Aktiviti: Murid memadankan kad 'fungsi kerja W', 'frekuensi ambang f₀' dan 'hf = W + ½mv²' dengan maksud masing-masing pada rajah sel foto. 10 minit.
Evidens PBD: Padanan kad dengan maksud dicatat guru
SP disasar: 7.3.1, 7.3.2 · Latihan sepadan: aras Mengingat - TP2
Memahami Fizik Kuantum serta dapat menjelaskan kefahaman tersebut.
Aktiviti: Murid menerangkan maksud fungsi kerja minimum dan frekuensi ambang menggunakan rajah aras tenaga, kemudian menyatakan syarat bagi elektron dipancarkan iaitu f lebih besar daripada f₀.
Evidens PBD: Rajah aras tenaga dan penerangan syarat pancaran
SP disasar: 7.3.1, 7.3.2 · Latihan sepadan: aras Memahami - TP3
Mengaplikasikan pengetahuan mengenai Fizik Kuantum untuk menerangkan kepentingannya kepada kehidupan.
Aktiviti: Murid mengira fungsi kerja W = hf₀ bagi logam dengan f₀ = 5.0 × 10¹⁴ Hz dan menggunakan hf = W + ½mv² untuk mengira tenaga kinetik maksimum apabila f = 8.0 × 10¹⁴ Hz (h = 6.63 × 10⁻³⁴ J s).
Evidens PBD: Pengiraan W dan tenaga kinetik maksimum dengan unit J
SP disasar: 7.3.3, 7.3.4 · Latihan sepadan: aras Mengaplikasi - TP4
Menganalisis pengetahuan mengenai Fizik Kuantum dalam konteks penyelesaian masalah dan membuat keputusan dalam melaksanakan aktiviti/ tugasan.
Aktiviti: Murid menganalisis graf tenaga kinetik maksimum melawan frekuensi bagi dua logam, menentukan f₀, kecerunan dan W serta menerangkan penghasilan arus fotoelektrik dalam litar sel foto.
Evidens PBD: Penentuan f₀, kecerunan, W dan penerangan arus foto
SP disasar: 7.3.3, 7.3.4, 7.3.5 · Latihan sepadan: aras Menganalisis - TP5
Menilai pengetahuan mengenai Fizik Kuantum dalam konteks penyelesaian masalah dan membuat keputusan untuk melaksanakan aktiviti/ tugasan.
Aktiviti: Murid menilai pemilihan logam untuk sel foto pintu automatik dan panel solar berdasarkan fungsi kerja dan frekuensi cahaya, dan mewajarkan logam yang paling sesuai dengan pengiraan.
Evidens PBD: Pengiraan f₀ dan justifikasi pilihan logam
SP disasar: 7.3.4, 7.3.6 · Latihan sepadan: aras Menilai dan Menghayati - TP6
Mereka cipta menggunakan pengetahuan dan kemahiran sains mengenai Fizik Kuantum dalam konteks penyelesaian masalah atau membuat keputusan dalam melaksanakan aktiviti/ tugasan dalam situasi baharu secara kreatif dan inovatif dengan mengambil kira nilai sosial/ ekonomi/ budaya masyarakat.
Aktiviti: Murid mereka bentuk cadangan aplikasi kesan fotoelektrik, seperti penggera cahaya atau pintu sensor, merancang pemilihan logam dan sumber cahaya, mengira tenaga foton diperlukan dan membentangkan cadangan.
Evidens PBD: Cadangan aplikasi, pengiraan tenaga dan pembentangan
SP disasar: 7.3.4, 7.3.5, 7.3.6 · Latihan sepadan: aras Mencipta
Cadangan sahaja; TP rasmi ditentukan guru melalui pertimbangan profesional (PBD). Buka unit dan latihan
Siapkan unit ini dalam mod interaktif untuk mendapat bintang, anggaran TP dan Kad Tahniah. Siapkan semua 25 unit Fizik Tingkatan 5 untuk Sijil Penghargaan SistemGuru.My.