الفيزياء · الصف الثالث الثانوي
أسئلة: ازدواجية الموجة والجسيم
27 سؤال اختيار من متعدد و14 سؤال مقالي بنموذج إجابة، لمراجعة درس «ازدواجية الموجة والجسيم» من الفيزياء (الصف الثالث الثانوي). راجع الأسئلة أدناه، أو اختبر نفسك فورًا.
اختبار سريع من 10 أسئلة عشوائية من بنك الأسئلة أعلاه — تُخلط الأسئلة والاختيارات في كل مرة، فلن يتكرر الاختبار بنفس الترتيب.
اختيار من متعدد
افترض بلانك لحل مشكلة تفسير الإشعاع الحراري أن الذرات المهتزة تُصدر طاقتها:
عرض الإجابة والتعليل
الإجابة الصحيحة: في صورة حزم منفصلة (كمّات) من الطاقة
هذه هي فرضية بلانك لتكميم الطاقة.
تُعطى طاقة الفوتون الواحد المصاحب لإشعاع كهرومغناطيسي تردده بالعلاقة:
عرض الإجابة والتعليل
الإجابة الصحيحة:
هذه هي طاقة الفوتون الواحد.
يمكن كتابة طاقة الفوتون بدلالة الطول الموجي باستخدام العلاقة:
عرض الإجابة والتعليل
الإجابة الصحيحة:
باستخدام يمكن كتابة على صورة .
التأثير الكهروضوئي هو:
عرض الإجابة والتعليل
الإجابة الصحيحة: انبعاث إلكترونات من سطح فلز معدني عند سقوط ضوء ذي تردد مناسب عليه
هذا هو تعريف التأثير الكهروضوئي.
لا ينبعث أي إلكترون من سطح الفلز في التأثير الكهروضوئي مهما بلغت شدة الضوء الساقط إلا إذا كان:
عرض الإجابة والتعليل
الإجابة الصحيحة: تردد الضوء أكبر من التردد الحرج
هذا شرط أساسي في مشاهدات التأثير الكهروضوئي.
الطاقة الحركية العظمى للإلكترونات المنبعثة في التأثير الكهروضوئي تعتمد على:
عرض الإجابة والتعليل
الإجابة الصحيحة: تردد الضوء الساقط فقط
لا تتأثر الطاقة الحركية العظمى بزيادة الشدة إطلاقًا.
يتناسب عدد الإلكترونات المنبعثة في الثانية (شدة التيار الكهروضوئي) طرديًا مع:
عرض الإجابة والتعليل
الإجابة الصحيحة: شدة الضوء الساقط (بشرط أن يكون تردده أكبر من التردد الحرج)
هذه إحدى المشاهدات الأساسية للتأثير الكهروضوئي.
تصف معادلة أينشتاين للتأثير الكهروضوئي حفظ الطاقة بالعلاقة:
عرض الإجابة والتعليل
الإجابة الصحيحة:
هذه هي معادلة أينشتاين للتأثير الكهروضوئي.
دالة الشغل لفلز ترتبط بالتردد الحرج بالعلاقة:
عرض الإجابة والتعليل
الإجابة الصحيحة:
هذه هي العلاقة بين دالة الشغل والتردد الحرج.
كمية حركة الفوتون الذي طوله الموجي تساوي:
عرض الإجابة والتعليل
الإجابة الصحيحة:
فكتلته المكافئة وكمية حركته .
في تأثير كومبتون، الطول الموجي للأشعة السينية المتشتتة عن إلكترون حر مقارنة بالطول الموجي الساقط:
عرض الإجابة والتعليل
الإجابة الصحيحة: أكبر من الطول الموجي الساقط
الفوتون المتشتت يفقد جزءًا من طاقته فيزداد طوله الموجي.
ينص قانون فين على أن الطول الموجي ذا أقصى شدة إشعاع لجسم ساخن:
عرض الإجابة والتعليل
الإجابة الصحيحة: يتناسب عكسيًا مع درجة حرارته المطلقة
فكلما ارتفعت درجة الحرارة قصر الطول الموجي الأقصى شدة.
الجسم الأسود هو جسم:
عرض الإجابة والتعليل
الإجابة الصحيحة: يمتص كل إشعاع يسقط عليه ويعيد إشعاعه بصورة مثالية
ويمثله تجويف مغلق به ثقب صغير.
اقترح دي برولي أن كل جسيم متحرك بزخم يصاحب حركته طول موجي مقداره:
عرض الإجابة والتعليل
الإجابة الصحيحة:
هذه هي فرضية دي برولي لطول الموجة المصاحب للجسيم المادي.
أُثبتت فرضية دي برولي تجريبيًا لاحقًا من خلال ملاحظة:
عرض الإجابة والتعليل
الإجابة الصحيحة: حيود الإلكترونات وتداخلها عند مرورها خلال بلورات
هذه ظاهرة موجية خالصة تثبت الطبيعة الموجية للإلكترون.
طول موجة دي برولي المصاحب للأجسام الكبيرة المألوفة (كالسيارة) يكون:
عرض الإجابة والتعليل
الإجابة الصحيحة: ضئيلًا جدًا بحيث لا يمكن رصد أي أثر موجي محسوس له
بسبب صغر ثابت بلانك الشديد وكبر كتلة وسرعة الأجسام المألوفة.
تكشف ظاهرتا التأثير الكهروضوئي وحيود الإلكترونات مجتمعتين أن الضوء والمادة:
عرض الإجابة والتعليل
الإجابة الصحيحة: يمتلكان طبيعة مزدوجة موجية وجسيمية معًا
هذا هو مضمون ازدواجية الموجة والجسيم.
احسب طاقة الفوتون الواحد لضوء طوله الموجي 500 نانومتر. (خذ جول.ثانية، م/ث)
عرض الإجابة والتعليل
الإجابة الصحيحة: جول
جول.
سقط ضوء تردده هرتز على سطح فلز دالة شغله 2.0 إلكترون فولت. أوجد الطاقة الحركية العظمى للإلكترونات المنبعثة تقريبًا. (خذ جول.ثانية، كولوم)
عرض الإجابة والتعليل
الإجابة الصحيحة: 1.32 إلكترون فولت
إلكترون فولت، ومنه إلكترون فولت.
أوجد طول موجة دي برولي المصاحب لإلكترون كتلته كجم يتحرك بسرعة م/ث. (خذ جول.ثانية)
عرض الإجابة والتعليل
الإجابة الصحيحة: متر
متر.
عند ارتفاع درجة حرارة جسم مشع من 3000 كلفن إلى 6000 كلفن فإن الطول الموجي ذا أقصى شدة إشعاع:
عرض الإجابة والتعليل
الإجابة الصحيحة: يصبح نصف قيمته
لأن .
كمية حركة فوتون طوله الموجي 500 نانومتر تساوي تقريبًا:
عرض الإجابة والتعليل
الإجابة الصحيحة:
.
القوة التي يؤثر بها شعاع قدرته 3 وات عند انعكاسه كاملًا عن سطح:
عرض الإجابة والتعليل
الإجابة الصحيحة:
.
تتحرر الإلكترونات من الكاثود في أنبوبة أشعة المهبط بفعل:
عرض الإجابة والتعليل
الإجابة الصحيحة: تسخين فتيلة الكاثود (الانبعاث الحراري)
فتنطلق الإلكترونات متغلبة على حاجز جهد السطح.
يتميز المجهر الإلكتروني بقدرة تحليل أكبر لأن:
عرض الإجابة والتعليل
الإجابة الصحيحة: طول موجة الإلكترونات المعجلة أقصر كثيرًا من طول موجة الضوء
فيميز تفاصيل دقيقة جدًا.
عند تضاعف شدة ضوء ساقط تردده أكبر من التردد الحرج دون تغيير تردده فإن:
عرض الإجابة والتعليل
الإجابة الصحيحة: يتضاعف عدد الإلكترونات المتحررة ولا تتغير طاقتها الحركية
فالشدة تحدد العدد والتردد يحدد الطاقة.
أي الجسيمات الآتية يصعب رصد الأثر الموجي له رغم أن له طولًا موجيًا؟
عرض الإجابة والتعليل
الإجابة الصحيحة: كرة كتلتها 0.2 كجم تتحرك بسرعة 10 م/ث
لأن طولها الموجي ضئيل جدًا.
أسئلة مقالية
اذكر فرضية بلانك لتكميم الطاقة، واكتب علاقة طاقة الفوتون بدلالة التردد وبدلالة الطول الموجي.
عرض نموذج الإجابة
افترض بلانك أن الذرات المهتزة في الجسم المشع تُصدر طاقتها أو تمتصها في صورة حزم منفصلة (كمّات) من الطاقة، بحيث تكون طاقة كل ذرة مضاعفًا صحيحًا لكمّية أساسية: . وبُنيت على هذه الفرضية فكرة الفوتون بوصفه كمّ الطاقة المصاحب للإشعاع: ، ويمكن كتابتها بدلالة الطول الموجي باستخدام : .
اذكر أربع مشاهدات تجريبية للتأثير الكهروضوئي عجزت الفيزياء الكلاسيكية عن تفسيرها معًا.
عرض نموذج الإجابة
(1) لا ينبعث أي إلكترون مهما بلغت شدة الضوء الساقط إلا إذا كان تردده أكبر من التردد الحرج . (2) تعتمد الطاقة الحركية العظمى للإلكترونات المنبعثة على تردد الضوء فقط ولا تتأثر بزيادة شدته. (3) يتناسب عدد الإلكترونات المنبعثة في الثانية طرديًا مع شدة الضوء الساقط (بشرط تجاوز التردد الحرج). (4) تنبعث الإلكترونات فور سقوط الضوء بلا أي زمن تأخير محسوس حتى عند شدة إضاءة منخفضة جدًا.
اكتب معادلة أينشتاين للتأثير الكهروضوئي، وفسر بها اعتماد الطاقة الحركية العظمى على التردد فقط دون الشدة.
عرض نموذج الإجابة
حيث دالة الشغل ثابتة لكل فلز. بما أن ، فإن تعتمد فقط على تردد الفوتون الممتص (بما أن ثابتة)، أما زيادة شدة الضوء فتعني فقط زيادة عدد الفوتونات الساقطة في الثانية (فيزداد عدد الإلكترونات المنبعثة)، دون أن تغيّر طاقة الفوتون الواحد أو الطاقة الحركية العظمى للإلكترون الواحد.
ما الذي يدل عليه منحنى بلانك وكيف يخالف توقع الفيزياء الكلاسيكية؟ وما نص قانون فين؟
عرض نموذج الإجابة
يبين المنحنى شدة الإشعاع عند كل طول موجي، وتقل الشدة عند الترددات العالية رغم أن الفيزياء الكلاسيكية تتوقع زيادتها. وينص قانون فين على أن الطول الموجي ذا أقصى شدة يتناسب عكسيًا مع درجة الحرارة المطلقة.
صف ظاهرة كومتون ووضح كيف تدعم الطبيعة الجسيمية للضوء.
عرض نموذج الإجابة
عند سقوط فوتون أشعة إكس أو جاما على إلكترون حر يقل تردد الفوتون ويتغير اتجاهه. لا تفسرها النظرية الموجية، لكن باعتبار الفوتون جسيمًا يتصادم مع الإلكترون مع بقاء كمية الحركة وبقاء الطاقة يُفسَّر، أي أن للفوتون كمية حركة كالجسيم.
اذكر فرضية دي برولي، واكتب علاقة الطول الموجي المصاحب لجسيم متحرك.
عرض نموذج الإجابة
اقترح دي برولي أن الطبيعة قد تكون متماثلة بين الضوء والمادة: فإذا كان للضوء سلوك جسيمي، فربما يكون للجسيمات المادية سلوك موجي مصاحب لحركتها أيضًا. يصاحب كل جسيم متحرك بزخم طول موجي:
وضّح لماذا لا يمكن رصد أي أثر موجي محسوس لجسم كبير مألوف (كسيارة متحركة) رغم انطباق فرضية دي برولي عليه نظريًا.
عرض نموذج الإجابة
نظرًا لصغر ثابت بلانك الشديد ()، وكِبَر كتلة وسرعة الأجسام الكبيرة المألوفة، يكون طول موجة دي برولي المصاحب لها () ضئيلًا جدًا بحيث لا يمكن رصد أي أثر موجي محسوس له عمليًا؛ بينما يصبح هذا الطول الموجي ذا قيمة محسوسة ومهمة فيزيائيًا فقط في حالة الجسيمات الدقيقة جدًا كالإلكترون (ذات الكتلة الصغيرة جدًا).
وضّح المقصود بازدواجية الموجة والجسيم، مع ذكر تجربة تبرز كل وجه من الوجهين.
عرض نموذج الإجابة
تكشف الظواهر الفيزيائية الحديثة أن الضوء والمادة كليهما يمتلكان طبيعة مزدوجة موجية وجسيمية معًا، ولا يظهر أي من الوجهين بمفرده في كل التجارب. تُبرز تجارب الحيود والتداخل (كحيود الإلكترونات) الطبيعة الموجية، بينما تُبرز تجارب أخرى (كالتأثير الكهروضوئي وتأثير كومبتون) الطبيعة الجسيمية. لا يُفهم هذان الوجهان بوصفهما متناقضين، بل بوصفهما وصفين مكمّلين لحقيقة فيزيائية واحدة.
احسب طاقة الفوتون الواحد لضوء بنفسجي طوله الموجي 400 نانومتر بوحدة الجول ثم بوحدة الإلكترون فولت. (خذ جول.ثانية، م/ث، كولوم)
عرض نموذج الإجابة
باستخدام قانون طاقة الفوتون: وبالتحويل إلى إلكترون فولت:
أوجد طول موجة دي برولي المصاحب لبروتون كتلته كجم يتحرك بسرعة م/ث. (خذ جول.ثانية)
عرض نموذج الإجابة
باستخدام قانون دي برولي:
ما الفرق بين الانبعاث الحراري والتأثير الكهروضوئي؟ وما فكرة عمل أنبوبة أشعة المهبط؟
عرض نموذج الإجابة
الانبعاث الحراري: خروج إلكترونات من فلز بتسخينه، والكهروضوئي بسقوط ضوء مناسب عليه. في الأنبوبة تسخن فتيلة المهبط فتنطلق إلكترونات إلى المصعد ثم إلى شاشة فلورية تضيء عند سقوطها، وتضبط شبكة سالبة شدة الحزمة وتوجهها مجالات كهربية أو مغناطيسية لمسح الشاشة.
احسب كمية حركة وكتلة مكافئة لفوتون طوله الموجي 500 نانومتر.
عرض نموذج الإجابة
كجم·م/ث، والكتلة المكافئة كجم.
قارن بين تنبؤ النظرية الكلاسيكية وملاحظة التجربة في التأثير الكهروضوئي.
عرض نموذج الإجابة
الكلاسيكية: تزداد الطاقة الحركية والتيار مع شدة الضوء أيًا كان التردد، ويكفي ضوء ضعيف إذا طال التعرض. التجربة: لا انبعاث تحت التردد الحرج مهما زادت الشدة، والطاقة الحركية تتوقف على التردد لا الشدة، والانطلاق لحظي.
محطة إذاعة قدرتها 10 كيلووات وترددها 100 ميجاهرتز. احسب طاقة الفوتون وعدد الفوتونات المنبعثة في الثانية.
عرض نموذج الإجابة
جول. العدد في الثانية .