Giải bài tập SBT Vật Lí 12 Bài 34: Sơ lược về laze

Tia laze không có đặc điểm nào dưới đây?

A. Độ đơn sắc cao

B. Độ định hướng cao

C. Cường độ lớn

D. Công suất lớn

Phương pháp giải

Đặc điểm laze: tính đơn sắc cao, định hướng cao, ...

Hướng dẫn giải

- Đặc điểm laze:

+ Tính đơn sắc cao

+ Tính định hướng cao

+ Tính kết hợp cao

+ Cường độ lớn

- Chọn D

Trong laze rubi có sự biến đổi của dạng năng lượng nào dưới đây thành quang năng?

A. Điện năng

B. Cơ năng

C. Nhiệt năng

D. Quang năng

Phương pháp giải

Sử dụng lí thuyết về laze

Hướng dẫn giải

- Trong laze rubi có sự biến đổi của dạng năng lượng quang năng thành quang năng

- Chọn D

Hiệu suất của một laze

A. nhỏ hơn 1

B. bằng 1

C. lớn hơn 1

D. rất lớn so với 1

Phương pháp giải

Để trả lời câu hỏi này cần nắm được đặc điểm hiệu suất của laze

Hướng dẫn giải

- Hiệu suất của laze nhỏ hơn 1

- Chọn A

Thuật ngữ LAZE chỉ nội dung nào dưới đây?

A. Một nguồn phát sáng mạnh

B. Một nguồn phát ánh sáng đơn sắc

C. Một nguồn phát chùm sáng song song, đơn sắc

D. Một máy khuếch đại ánh sáng dựa vào hiện tượng phát xạ cảm ứng của nguyên tử

Phương pháp giải

LAZE là máy khuếch đại ánh sáng dựa vào hiện tượng phát xạ cảm ứng của nguyên tử

Hướng dẫn giải

- Thuật ngữ LAZE chỉ một máy khuếch đại ánh sáng dựa vào hiện tượng phát xạ cảm ứng của nguyên tử

- Chọn D

Trong laze rubi người ta cần dùng hai gương phẳng đặt song song và một đèn xenon để làm gì?

A. Hai gương phẳng dùng để tạo ra chùm tia song song. Đèn xenon dùng để chiếu sáng thỏi rubi.

B. Hai gương phẳng dùng để cho tia sáng phản xạ qua lại nhiều lần qua thỏi rubi. Đèn xenon dùng để chiếu sáng thỏi rubi.

C. Hai gương phẳng dùng để tạo ra chùm tia song song. Đèn xenon dùng để đưa ra số lớn nguyên tử crôm lên trạng thái kích thích.

D. Hai gương phẳng dùng để cho tia sáng phản xạ qua lại nhiều lần qua thỏi rubi. Đèn xenon dùng để đưa số lớn nguyên tử crôm lên trạng thái kích thích.

Phương pháp giải

Để trả lời câu hỏi này cần nắm được lí thuyết về cấu tạo và nguyên lí hoạt động của laze rubi

Hướng dẫn giải

- Hai gương phẳng dùng để cho tia sáng phản xạ qua lại nhiều lần qua thỏi rubi. Đèn xenon dùng để đưa số lớn nguyên tử crôm lên trạng thái kích thích.

- Chọn D

Ba vạch E₃,E₁,E₂ trong Hình 34.1 tượng trưng ba mức năng lượng của nguyên tử crôm trong thỏi rubi: E1 là mức cơ bản; E2 là mức giả bền; E3 là mức kích thích.

Bốn mũi tên mang số 1,2,3,4 ứng với bốn sự chuyển của nguyên tử crôm giữa các mức năng lượng đó. Sự chuyển nào ứng với sự phát tia laze của thỏi rubi?

A. Sự chuyển 1.

B. Sự chuyển 2.

C. Sự chuyển 3.

D. Sự chuyển 4.

Phương pháp giải

Sự chuyển 3 ứng với sự phát tia laze của thỏi rubi

Hướng dẫn giải

- Sự chuyển 3 ứng với sự phát tia laze của thỏi rubi (từ E₂→E₃)

- Chọn C

Một phôtôn có năng lượng 1,79eV bay qua hai nguyên tử có mức kích thích 1,79eV, nằm trên cùng phương của phôtôn tới. Các nguyên tử này có thể ở trạng thái cơ bản hoặc trạng thái kích thích. Gọi x là số phôtôn có thể thu được sau đó, theo phương của phôtôn tới.

Hãy chỉ ra đáp số sai.

A. x=0                               B. x=1

C. x=2                               D. x=3

Phương pháp giải

Laze hoạt động dựa trên hiện tượng phát xạ cảm ứng, luôn thu được các photon

Hướng dẫn giải

- Laze là một máy khuếch đại ánh sáng dựa vào hiện tượng phát xạ cảm ứng của nguyên tử

⇒ x=0 là đáp án sai

- Chọn A

Màu đỏ của rubi do ion nào phát ra?

A. Ion nhôm                       B. Ion ôxi

C. Ion crôm                        D. Các ion khác

Phương pháp giải

Sử dụng lí thuyết về laze rubi

Hướng dẫn giải

- Màu đỏ của rubi do ion crom phát ra

- Chọn C

Người ta dùng một laze hoạt động dưới chế độ liên tục để khoan một tấm thép. Công suất của chùm laze là P=10W. Đường kính của chùm sáng là d=1mm. Bề dày của tấm thép là e=2mm. Nhiệt độ ban đầu là t₀=30⁰C.

a) Tính thời gian khoan thép.

b) Tại sao nói kết quả tính được ở trên chỉ là gần đúng?

Khối lượng riêng của thép: ρ=7800kg/m³

Nhiệt dung riêng của thép: c=448J/(kg.K)

Nhiệt nóng chảy riêng của thép: λ=270(kJ/kg)

Điểm nóng chảy của thép: T_c=1535^oC

Phương pháp giải

- Tính khối lượng thép nóng chảy theo công thức:

\(m = \rho V = \rho \frac{{\pi {d^2}e}}{4}\)

- Áp dụng các công thức tính nhiệt lượng là:

+ Q₁ =mcΔt ( cần để đưa đến độ nóng chảy)

+ Q₂ =mλ ( cần để làm nóng chảy)

⇒ Nhiệt lượng cần cung cấp là:

Q = Q₁ + Q₂

Hướng dẫn giải

Năng lượng laze thực hiện hai nhiệm vụ đưa kim loại đến nhiệt độ nóng chảy và làm nóng chảy kim loại

- Khối lượng thép cần nóng chảy là:

\(m = \rho V = \rho \frac{{\pi {d^2}e}}{4}\)

- Nhiệt lượng cần để đưa tấm thép đến nhiệt độ nóng chảy là:

\({Q_1} = mc{\rm{\Delta }}t = \rho \frac{{\pi {d^2}e}}{4}.c.({T_c} - {t_0})\)

- Nhiệt lượng làm nóng chảy:

\({Q_2} = m\lambda = \rho \frac{{\pi {d^2}e}}{4}.\lambda \)

- Năng lượng laze cần cung cấp là:

\(\begin{array}{*{20}{l}} {Q = {Q_1} + {Q_2}}\\ { \Leftrightarrow Pt = \rho \frac{{\pi {d^2}e}}{4}.c.({T_c} - {t_0}) + \rho \frac{{\pi {d^2}e}}{4}.\lambda }\\ { \Rightarrow t = \frac{{\rho \frac{{\pi {d^2}e}}{4}.c.({T_c} - {t_0}) + \rho \frac{{\pi {d^2}e}}{4}.\lambda }}{P}}\\ { = \frac{{7800.\frac{{\pi {{.10}^{ - 6}}{{2.10}^{ - 3}}}}{4}.448.(1535 - 30) + 7800.\frac{{\pi {{.10}^{ - 6}}{{2.10}^{ - 3}}}}{4}.270000}}{{10}}}\\ { = 1,16s} \end{array}\)

Người ta dùng một laze CO₂ có công suất P=10W để làm dao mổ. Tia laze chiếu vào chỗ nào sẽ làm cho nước của phần mô ở chỗ đó bốc hơi và mô bị cắt. Chùm tia laze có bán kính r=0,1mm và di chuyển với tốc độ ν=0,5cm/s trên bề mặt của một mô mềm.

a) Tính nhiệt lượng cần thiết để làm bốc hơi 1mm³ nước ở 37^oC

b) Tính thể tích nước mà laze có thể làm bốc hơi trong 1s

c) Ước tính chiều sâu cực đại của vết cắt.

Nhiệt dung riêng của nước: c=4,18kJ/(kg.K)

Nhiệt hóa hơi riêng của nước: L=2260kJ/kg

Phương pháp giải

a) Áp dụng các công thức sau để tính:
- Nhiệt lượng cần để đưa kim loại đến nhiệt độ nóng chảy là: 

Q₁=mcΔt

- Nhiệt lượng làm nóng chảy: 

Q₂=mλ

b) Áp dụng các công thức:

Q = Pt, Q₁=mcΔt, Q₂=mλ, m = DV để tính thể tích nước mà laze có thể làm bốc hơi trong 1s

c) Tính chiều dài và diện tích theo các công thức sau:

- Chiều dài: l = vt 

- Diện tích: S= 2r.l

Hướng dẫn giải

a) - Nhiệt lượng cần để đưa nước đến nhiệt độ sôi là: 

Q₁= mcΔt= DVc(T_s−t₀)

- Nhiệt lượng làm nước chuyển từ thể lỏng sang khí ở điểm sôi: 

Q₂= mλ= DV.λ

- Nhiệt lượng của laze cần thiết làm bốc hơi 1mm³ nước ở 37^oC

\(\begin{array}{*{20}{l}} {Q = {Q_1} + {Q_2}}\\ { = DVc({T_s} - {t_0}) + DV\lambda }\\ { = {{1000.10}^{ - 9}}.4180.(100 - 37)}\\ { + {{1000.10}^{ - 9}}.2260.1000 = 2,52J} \end{array}\)

b) Ta có

\(\begin{array}{*{20}{l}} {Q = Pt}\\ { \Leftrightarrow DV'c({T_s} - {t_0}) + DV'\lambda = P.t}\\ { \Rightarrow V' = \frac{{Pt}}{{Dc({T_s} - {t_0}) + D\lambda }}}\\ { = \frac{{10.1}}{{1000.4180.(100 - 37) + 1000.2260}}}\\ { = {{0,3765.10}^{ - 9}}{m^3} = 0,3765m{m^3}} \end{array}\)

c)

- Chiều dài vết cắt trong 1s : l = vt = v

- Diện tích vết cắt: S= 2r.l= 2r.v

- Chiều sâu vết cắt:

\(\begin{array}{l} h = \frac{{V'}}{S}\\ = \frac{{{{0,3765.10}^{ - 9}}}}{{{{2.0,1.10}^{ - 3}}{{.0,5.10}^{ - 2}}}}\\ = {0,3765.10^{ - 3}}m = 0,3765mm \end{array}\)

Để đo khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trăng người ta dùng một laze phát ra những xung ánh sáng có bước sóng 0,52μm, chiếu về phía Mặt Trăng và đo khoảng thời gian giữa thời điểm xung được phát ra và thời điểm một máy thu đặt ở Trái Đất nhận được xung phản xạ.

Thời gian kéo dài của một xung là τ=100ns

Khoảng thời gian giữa thời điểm phát và nhận xung là 2,667s

Năng lượng của mỗi xung ánh sáng là W₀=10kJ

a) Tính khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trăng lúc đó.

b) Tính công suất của chùm laze.

c) Tính số photôn chứa trong mỗi xung ánh sáng.

d) Tính độ dài của mỗi xung ánh sáng.

Lấy c=3.10⁸m/s;h=6,625.10⁻³⁴J.s

Phương pháp giải

Áp dụng các công thức sau để tính:

a) Tính khoảng cách là: s = c.t/2

b) Tính công suất là P = W₀/t

c) Tính số photon chứa trong mỗi xung là: 

n= Pε= P.hc/λ

d) Độ dài: l = c.t

Hướng dẫn giải

a) Khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trăng là:

\(s = c\frac{t}{2} = {3.10^8}.\frac{{2,667}}{2} = {4.10^8}km\)

b) Công suất của laze: 

\(P = \frac{{{{\rm{W}}_0}}}{t} = \frac{{{{10.10}^3}}}{{{{100.10}^{ - 9}}}} = {10^{11}}{\rm{W}}\)

c)  Số photon phát ra trong một xung ánh sáng làn

\(\begin{array}{l} P = \frac{{{{\rm{W}}_0}}}{t} = \frac{{{{10.10}^3}}}{{{{100.10}^{ - 9}}}} = {10^{11}}{\rm{W}}\\ n = \frac{P}{\varepsilon } = \frac{P}{{\frac{{hc}}{\lambda }}} = \frac{{{{10}^{11}}}}{{\frac{{{{6,625.10}^{ - 34}}{{.3.10}^8}}}{{{{0,52.10}^{ - 6}}}}}} = {2,62.10^{29}} \end{array}\)

d)  Độ dài mỗi xung ánh sáng:

 l=cτ=3.10⁸.100.10⁻⁹=30m