Конспект урока по физике по теме: Фотоэффект.

МБОУ «Васильевская средняя общеобразовательная школа №2» ЗМР РТ

Урок по физике на тему: «Фотоэффект».

11 класс.

Учитель физики: Суханаева О.А.

2014 г.

Цель урока: Рассмотреть понятие и физический смысл явления фотоэффект; разобрать законы фотоэффекта и типовые задачи с их использованием.

Тип урока: комбинированный.

1.Актуализация опорных знаний:

Что такое электромагнитная волна?

В чём заключается смысл квантовой гипотезы Планка?

Что такое абсолютно чёрное тело?

Что такое фотон и чем он обладает?

2.Объяснение нового материала:

Опыты Столетова.

Если электромагнитная волна состоит из отдельных квантов (фотонов) ,то поглощение и излучение света происходит прерывно :фотоны передают всю свою энергию атомам и молекулам вещества целиком. Ещё одним подтверждением правильности квантовой теории было объяснение Альбертом Эйнштейном в 1905 году явления фотоэффекта. Фотоэффект –явление вырывания электронов из вещества под действием света. Фотоэффект был открыт в 1887 г. Генрихом Герцем ,а затем исследовался экспериментально русским учёным А.Г.Столетовым ,немецкими физиками В.Гальваксом ,Ф.Ленардом и итальянским учёным А.Риви. Схема для исследования фотоэффекта состоит из вакуумной трубки ,в которую помещены два электрода –катод из исследуемого металла и анод (в схеме Столетова применялась металлическая сетка ),подключенные к источнику напряжения ;вольтметра и гальванометра. Без освещения катода тока в цепи нет ,так как в вакуумном промежутке между катодом и анодом нет носителей заряда. При освещении электроны ,вырываемые светом из катода ,под действием электрического поля притягиваются к положительно заряженному аноду. Возникающий в цепи электрический ток называют фототоком ,а вырванные электроны –фотоэлектронами. Фототок возникает даже в отсутствие разности потенциалов между анодом и катодом за счёт кинетической энергии фотоэлектронов, достигающих анода.

При малых напряжениях не все фотоэлектроны достигают анода. С увеличением разности потенциалов между анодом и катодом сила тока нарастает. При некотором напряжении она достигает максимального значения ,называемого фототоком насыщения. Если изменить полярность источника напряжения ,то сила тока уменьшится и при некотором задерживающем напряжении она станет равной нулю. В этом случае электрическое поле тормозит фотоэлектроны до полной остановки ,а затем возвращает их на катод.

Законы и квантовая теория фотоэффекта.

Законы фотоэффекта:1. Фототок насыщения прямо пропорционален интенсивности света ,падающего на катод.2.Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно зависит от частоты света и не зависит от его интенсивности.3.Для каждого вещества существует минимальная частота света ,называемая красной границей фотоэффекта, ниже которой фотоэффект невозможен.

Эти законы невозможно объяснить с помощью волновой теории света. Явление фотоэффекта и его законы были объяснены на основе предложенной Эйнштейном квантовой теории света. Согласно этой теории , распространение света следует рассматривать не как непрерывный волновой процесс ,а как поток дискретных световых квантов –фотонов с энергией hv. Каждый фотон поглощается целиком только одним электроном. Поэтому число вырванных светом фотоэлектронов ,а стало быть ,и фототок насыщения пропорциональны интенсивности света (первый закон фотоэффекта ). Объяснить второй и третий законы фотоэффекта Эйнштейну удалось с помощью закона сохранения энергии. Энергию связи электрона в металле характеризуют работой выхода А_вых. Работа выхода – минимальная работа ,которую нужно совершить для удаления электрона из металла. Значение работы выхода для некоторых металлов приведены в таблице :

Энергия фотона идёт на совершение работы выхода и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии

hv=A_вых+m_e Ѵ²/2 -это уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

Кинетическая энергия фотоэлектрона зависит от частоты света линейно (второй закон фотоэффекта ):

E_k=m_e²/2=h(v- A_вых/h) . Кинетическая энергия всегда положительна. Это значит, что фотоэффект будет наблюдаться для частот vA_вых/h. Предельная частота v_min определяет красную границу фотоэффекта ,ниже которой фотоэффект невозможен (третий закон фотоэффекта ):v_min=A_вых/h.

Фотоэффект нашёл широкое применение в технике. Вакуумные фотоэлементы используются в турникетах метро ,системах аварийной и защитной сигнализации ,военной технике ,системах связи и т.д.

3.Закрепление пройденного (решение задач) :

1) В вакууме находятся два покрытых кальцием электрода ,к которым подключен конденсатор ёмкостью С. При длительном освещении катода светом с частотой v=10¹⁵Гц фототок ,возникающий вначале ,прекращается ,а на конденсаторе появляется заряд q=11*10^-9Кл. Работа выхода электронов из кальция А_вых=4,42*10^-19Дж. Определите ёмкость конденсатора С.

Решение: hv=A_вых+Е_K ; E_K=q_e*U_з . Так как фототок прекращается из-за конденсатора ,то задерживающее напряжение равно напряжению на конденсаторе U=q/C=U_з ; U_з=(hv-A_вых)/q_e=1,3625 В. С=q/U_з=8,07*10^-9Ф.

2)Фотокатод ,покрытый кальцием (работа выхода равна 4,42*10^-19Дж) , освещается светом с длиной волны λ=300 нм. Вылетевшие из катода электроны попадают в однородное магнитное поле с индукцией В=8,3*10^-4 Тл перпендикулярно линиям индукции этого поля. Каков максимальный радиус окружности R ,по которой движутся электроны?

Решение : Из уравнения Эйнштейна для фотоэффекта найдём кинетическую энергию и скорость электрона: Е_к=hc/λ – А_вых=2,18*10^-19Дж

Ѵ=_к/m_е =0,69*10⁶м/с. На электрон действует максимальная сила Лоренца :F_л=ВѴq_е, так как Sin90⁰=1 .

ВѴq_е=m_е a_ц=m_е Ѵ²/R (электрон двигается по окружности ).

R=m_е Ѵ/Вq_е =4,7*10^-3м.

Домашнее задание: учить формулы и определения.