Фотоэффект. Применение фотоэффекта

Тема: " Фотоэффект. Применение фотоэффекта "

Цели урока.

Образовательные: Сформировать у учащихся представление о фотоэффекте, знакомство учащихся с компьютерной установкой для изучения законов фотоэффекта; проверить законы фотоэффекта с помощью виртуального эксперимента; расширить представления учащихся об области применения закона сохранения энергии, ознакомить с научной деятельностью А.Г. Столетова.

Развивающие: Развивать логику, возможность работать в группе; учить моделировать процессы на компьютере.

Воспитательные: Воспитывать внимание, чувство ответственности, терпимости к суждениям товарищей, прививать интерес к предмету.

Задачи урока:

Выяснить:

• какой эффект может произвести свет с веществом.

• каким физическим законам он подчиняется.

• какими математическими формулами выражается.

• от каких характеристик света и вещества зависит.

Тип урока: урок изучение нового материала.

Дидактический материал: карточки.

Наглядные пособия: анимационные слайды, слайды с портретом А.Г. Столетова, Г. Герца, А.Эйнштейна, сопровождающие объяснение нового материала, страницы электронного издания.

Межпредметные связи: математика, информатика.

План урока

Ход урока

1. Организационный момент.

2. Актуализация пройденного материала.

Учитель: мы начали изучение раздела: “Квантовая физика”. Давайте побеседуем по пройденному материалу. Дайте ответы на следующие вопросы.

- В чём суть гипотезы Макса Планка? (Свет может излучаться отдельными порциями световой энергии – квантами или фотонами)

- От чего зависит энергия кванта излучения и чему она равна? (Энергия кванта излучения зависит от частоты излучения и определяется по формуле: E=hv)

- Чему равна постоянная Планка? (h=6,63·10^-34Дж·с)

- Что такое фотон? (Фотоном называют световой квант. Фотоном можно назвать и квант любых электромагнитных волн)

- Какими свойствами обладает фотон? (Фотон – элементарная частица, лишённая массы покоя и электрического заряда, но обладающая энергией и импульсом)

Сегодня мы изучим интересное физическое явление – фотоэффект.

Запишите тему и подумайте над словом “фотоэффект”. Какой смысл несёт это слово?

Видно, что слово состоит из двух иностранных слов: фото и эффект. Как же они переводятся? Фото - от греческого - свет, а эффект – от латинского – действую. Дословно – действие света.

И сегодня наша задача объяснить: (слайд 1). Презентация

- какое действие производит свет с веществом?

- каким физическим законам он подчиняется?

- какими математическими формулами выражается?

- от каких характеристик света и вещества зависит?

А выяснять мы будем следующим образом: я с помощью компьютера попытаюсь объяснить новый материал, затем вы сформулируете те закономерности, которым подчиняется фотоэффект, сделаете выводы из экспериментов, мы их обсудим и запишем.

Мы знаем что физика – это наука о природе и сейчас я хочу вам прочитать слова писателя Тютчева (слайд 2).

Не то, что мните Вы природа:
Не слепок, не бездушный лик, -
В ней есть душа, в ней есть свобода.
В ней есть любовь, в ней есть язык.

-Да у природы есть язык и на каждом уроке изучая явления, законы мы стараемся понять этот язык. Любое открытие закона проходит через следующие этапы (слайд 3).

Открытие, исследование и объяснение – эти этапы можно сопоставить с тремя датами. С какими именами связаны эти даты? (Слайд 4)

Фотоэффект был открыт Герцем случайно - при исследовании электромагнитных волн, предсказанных теорией Максвелла. Конструируя приемник электромагнитных волн, он по-разному воздействовал на его шарики и промежуток между ними, чтобы облегчить прием сигнала. С этой целью он освещал их ультрафиолетовыми лучами и заметил, что при освещении отрицательно заряженного шарика проскакивание искры между шариками облегчается (слайды 6, 7).

Александр Григорьевич проводя многократные эксперименты, установил, что металлическая пластинка, а точнее ее поверхность испускает электроны под действием электромагнитного ультрафиолетового излучения или излучения какого-либо другого диапазона.

Схема эксперимента была такова: электрометр, с присоединенной к нему цинковой пластинкой, заряженной положительно, при освещении пластины, например электрической дугой, не влияет на быстроту разрядки электрометра. Но если пластину зарядить отрицательно, то световой пучок от дуги разряжает электрометр очень быстро.

Объяснить это можно единственным образом. Свет вырывает электроны с поверхности пластины. Если она заряжена отрицательно, электроны отталкиваются от нее и электрометр разряжается. При положительном заряде пластины вырванные светом электроны притягиваются к пластине и снова оседают на ней. Поэтому заряд электрометра не изменяется. Однако, когда на пути света поставлено обыкновенное стекло, отрицательно заряженная пластина уже не теряет электроны, какова бы ни было интенсивность излучения. Так как известно, что стекло поглощает ультрафиолетовые лучи, то из этого можно заключить, что именно ультрафиолетовый участок спектра вызывает фотоэффект. (Слайды 7-12)

Объяснить этого Александр Григорьевич не смог, но все же, эта работа принесла ему мировую известность.

Развивая идеи Планка, Эйнштейн ввел гипотезу световых квантов, согласно которой электромагнитное излучение само состоит из таких квантов, и на ее основе объяснил, и сформулировал ряд закономерностей фотоэффекта.

За проделанную по настоящему гениальную работу, Эйнштейн в 1921 году был удостоен нобелевской премии. Работы его были удостоены и многих других почетных наград.

Установите на компьютерной модели минимальную длину волны, напряжение равное 3 В. Изменяя мощность осветителя (интенсивность падающего света) от 0 до максимального значения, пронаблюдайте, что происходит с максимальной силой тока в цепи. (Слайд 13)

Сделайте вывод о зависимости максимальной силы тока от поглощаемой энергии световой волны (мощности светового потока). (Слайд 14)

Первый закон гласит, что количество электронов, вырываемых с поверхности металла за одну секунду, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны. В этом ничего неожиданного нет: чем больше энергия светового пучка, тем эффективнее его действие. (Слайд 14)

Теперь рассмотрим кинетическую энергию световой волны или скорость электронов.

Из опыта видно, что при отсутствии напряжения фотоэлектроны достигают правого электрода. Если изменить полярность батарейки, то образуется некоторое поле, которое будет тормозить электроны и возвращать их на место, то есть при определенном задерживающим напряжением фототок равен нулю. Дальнейшие эксперименты доказали, что при изменении интенсивности света, задерживающее напряжение не меняется. Из этого можно найти значение кинетической энергии электронов.

Измените длину волны и сделайте вывод о зависимости максимальной кинетической энергии фотоэлектронов от: длины волны света; от частоты света. (Слайд 15)

Второй закон – максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности. (Слайд 16)

Если частота света меньше определенной для данного вещества минимальной частоты, то фотоэффект не происходит. Эта минимальная частота названа красной границей.

Почему именно красная, а не зеленая? Дело в том, что если рассматривать спектр видимых электромагнитных излучений, то красный свет имеет самую низкую частоту. По формуле hv, он обладает самой малой энергией, то есть самая маленькая энергия, которая необходима для преодоления сил удерживающих междоузельный электрон на поверхности, названа красной.

Третий закон гласит, для каждого вещества существует предельная наименьшая частота (наибольшая длина волны), при которой еще возможен фотоэффект. (Слайд 17)

Именно Эйнштейн высказал смелую гипотезу о том, что свет имеет двойственную структуру, он ведет себя как поток частиц и как волна одновременно. Также он высказал гипотезу о том, что свет не только излучается в виде отдельных дискретных квантов, но и распространяется в пространстве и поглощается веществом. В данном случае, междоузельный электрон получает энергию фотона, и часть этой энергии расходуется на то, чтобы вырвать электрон из металла, т.е. на работу выхода, а оставшаяся часть сообщается электрону в виде максимальной кинетической энергии. (Слайд 18)

Все результаты работы внесли и даже открыли новую дверь в физику, а точнее квантовую физику. И в большей мере заслуга за этим лежит на Эйнштейне. Макс Борн сказал: “идеи Эйнштейна дали физической науке импульс, который освободил ее от устаревших философских доктрин, и превратил в одну из решающих сил современного мира людей” (слайд 19).

3. Закрепление.

Вопросы: В чем заключается явление фотоэффекта?

Сформулируйте экспериментальные законы фотоэффекта

Что такое красная граница фотоэффекта?

Напишите уравнение Эйнштейна для фотоэффекта и условие его выполнения (слайд 20).

Решение задач у доски учеником

Наибольшая длина волны света, при которой происходит фотоэффект для вольфрама, 0,275 мкм. Найти работу выхода электронов из вольфрама; наибольшую кинетическую энергию электронов, вырываемых из вольфрама светом с длиной волны 0,18 мкм.

4. Самостоятельная работа.

Начальный уровень

1. Что такое фотоэффект?

А) Явление вырывание электронов с поверхности металла под действием света

В) Явление вырывание протонов с поверхности металла под действием света

С) Испускание электронов веществом в результате нагревания

2. При каком условии возможен фотоэффект?

А) h=A; В) hv меньше A; С) hv больше A.

2. Определите энергию фотона для оранжевых лучей с длиной волны 0,6 мкм.

Средний уровень

1. Определите красную границу фотоэффекта для платины.

2. Чему равна максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов, вырываемых из металла под действием света с энергией 9•10^-19Дж, если работа выхода 4•10^-19Дж?

3. Какой частоты волны необходимо направить свет на поверхность цезия, чтобы кинетическая энергия была равна 18,2•10^-19Дж.

Высокий уровень (работают на компьютере, выполняя тест из 4-х вопросов).

1. Наибольшая длина волны света, при которой наблюдается фотоэффект для калия 6,2•10^-5 см. Найти работу выхода электронов из калия

1) 0,4•10^-19 Дж; 2) 3,2•10^-20 Дж; 3) 9•10^-19 Дж.

2. Найти длину волны света, которым освещается металл, если кинетич энергия электронов 4,5•10^-19 Дж, а работа выхода 7,5•10^-19 Дж

1) 165 нм; 2) 300 нм; 3) 850 нм.

4. Энергия фотона 3•10^-19 Дж. Определите длину волны электромагнитного излучения

1) 982 нм; 2) 662 нм; 3) 300 нм.

Остальные учащиеся работают с заданиями на доске

5. Д/з: