Открытый урок "Фотоэффект. Исследование законов фотоэффекта"

Цели:

Дидактическая:	Выяснить причины появления фотоэффекта, сформулировать определение фотоэффекта, изучить законы фотоэффекта, показать, что законы фотоэффекта являются следствием уравнения Эйнштейна.
Воспитательная:	Убедить учащихся в познаваемости мира и объективности наших знаний о нем.
Развивающая:	Объяснить учащимся физический смысл корпускулярно-волновых свойств света, продолжать развивать логическое мышление, анализировать результаты эксперимента.

Тип урока: изложение нового материала.

Вид урока: беседа, рассказ.

Оборудование: осветитель «Кварц», электрометр, цинковая и медная пластины, штатив, палочки из стекла и эбонита, мех и бумага, секундомер, к/ф «Фотоэффект»,  cd-2 «Открытая физика» – модель исследование фотоэффекта.

План урока:

ХОД УРОКА

В 1865 году Максвелл показал теоретически, что свет представляет собой электромагнитные волны порядка 400-800 нм. Теория Максвелла, подтвержденная опытами Генриха Герца, связывает оптические, электрические и магнитные свойства вещества.

Однако по мере развития физики стали накапливаться и такие факты, которые не согласовывались не с классической теорией излучения, ни с волновыми представлениями о природе света.
Чтобы достигнуть согласия между теорией и опытом, надо было принять, что свет излучается и поглощается отдельными порциями (квантами). Это означало, что свет обладает свойствами не только волн, но и частиц.
Квантовая теория света была выдвинута Максом Планком 14 декабря 1900 года на собрании Немецкого физического общества, где он высказал мысль о том, что энергия излучения состоит из отдельных малых и неделимых частей – квантов или фотонов.

Согласно квантовой теории каждый фотон (квант) имеет энергию:

Явление же фотоэффекта было открыто Генрихом Герцем. Однако в России исследованием этого явления занимался Александр Григорьевич Столетов. Его имя по праву стоит в числе первооткрывателей фотоэффекта.
А теперь давайте выясним на опытах в чем суть этого явления.

Опыт №1. Цинковую пластину зарядили отрицательно от эбонитовой палочки.  Засечь время разрядки электрометра и занести данные в таблицу.

Опыт №2. Цинковую пластину зарядить положительно от стеклянной палочки.  При облучении светом пластинки, стрелка электрометра не подвижна.

Почему пластинка не теряет заряд под действием света?

Опыт 3. Медную пластинку зарядим отрицательно. Записать время разрядки  электрометра в таблицу. Давайте сравним результаты.

Почему время не одинаковое, в чём может быть причина?

Итак, а теперь давайте подведём итог нашим опытам и рассуждениям и сделаем выводы:

1. Тело теряет заряд только в том случае, если оно заряжено отрицательно.
2. Причиной ухода зарядов в цинковой пластине является свет, причём под действием квантов света выбиваются только электроны.
3. Интенсивность выбивания электронов зависит от рода металла.

И на основе данных выводов можно дать определение фотоэффекта.

Фотоэффект – явление вырывания электронов из вещества под действием света.

Во времена первых исследований фотоэффекта его природа была не известной, так как сами электроны в то время ещё не были открыты. Потерю заряда при этом пытались объяснить вырыванием светом мельчайших металлических частичек.
Однако в 1987 г. Томсон открыл электрон и через 2 года в 1989 году немецкий физик Филипп Ленард доказал, что мельчайшие металлические частички вырванные светом и есть электроны.

Развитие науки показало, что гипотеза Бланка оказалась предвестником революции в физике. Она привила к рождению новой теории света и вещества - квантовой механике.
Физический смысл гипотезы Бланка раскрыл А. Эйнштейн, предположив, что свет обладает корпускулярными свойствами, то есть свойствами частиц. Частицы света в последствии назвали фотонами.     Предположение Эйнштейна позволило объяснить уже знакомые нам явления фотоэффекта, о чём мы поговорим чуть-чуть позже.
А сейчас нам предстоит узнать от чего зависит число вырванных светом с поверхности вещества фотоэлектронов, какова зависимость количества электронов от интенсивности световой волны.

И cразу давайте обратимся к рисунку 244 на странице 314 в учебнике. На рисунки изображена схема установки для исследования фотоэффекта.

В баллон, из которого откачен воздух, помешены электроды. Поток света падает на электрод 1 и вырывает из него электроны. Часть этих электронов попадает на электрод 2, в результате между анодом и катодом возникает ток, который называется фототоком.

Прежде чем дать определение фототоку, давайте вспомним, что называют электрически током?

Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц. Соответственно, что называют фототоком?

Фототок – движение вырванных светом из катода электронов.

Силу фототока измеряют миллиампером или гальванометром; напряжение между электродами измеряется вольтметром.
С помощью такой установки можно измерить число ежесекундно вырванных светом электронов, а так же максимальную кинетическую энергию вырванных электронов.    
Исследуя зависимость фототока от приложенного напряжения, А.Г. Столетов установил, что он не подчиняется закону Ома. На рисунки 244 б изображен график зависимости фототока от напряжения между электродами при неизменном  освещении пластинки.
Из графика видно, что фототок сначала растёт, а затем при сравнительно не большом напряжении перестаёт расти.

Максимальное значение фототока называют фототоком  насыщения.

Еcли изменить полярность источника напряжения, то сила тока уменьшится и при не котором задерживающем напряжении она станет равной нулю. В этом случае электрический ток тормозит фотоэлектроны до полной остановки, а затем возвращает их на катод.
Фотоэлектрон – электрон, вырванный светом из вещества.   

И еще одно очень важное замечание, на которое я хочу обратить ваше внимание.
Если электроны, вырванные светом, покидают вещество, то такой фотоэффект называют внешним.

Итак, давайте еще раз повторим основные понятия:

1. фототок
2. фотоэлектрон
3. фототок насыщения
4. фотоэффект
5. в каком случае тело теряет заряд.

А теперь нам предстоит знакомство с законами фотоэффекта и я предлагаю вам посмотреть кинофильм «Фотоэффект» и ответить на вопросы после его просмотра:

1. Как двигаются фотоэлектроны.
2. От чего зависит величина фототока.
3. Какие лучи вызывают фотоэффект.
4. От чего зависит кинетическая энергия фотоэлектронов.
5. Что называется красной границей фотоэффекта.

Хочу обратить ваше внимание, что в фильме использованы подлинные приборы А.Г.Столетова.

Провести опрос по вопросом и в учебнике на с. 315 прочитать законы вслух и записать их в тетрадь.

Объяснение законов фотоэффекта дал в 1905 году Альберт Эйнштейн на основе гипотезы Планка.

1905 г. Эйнштейн – объяснил законы фотоэффекта

Исходя из закона сохранения и превращения энергии, Эйнштейн математически записал уравнение для энергетического баланса при внешнем фотоэффекте:

– энергия фотона, которая идет на работу выхода А электрона из металла и сообщение ему кинетической энергии.
Работа выхода – минимальная работа, которую нужно совершить для выхода электрона из вещества.

За уравнение для фотоэффекта в 1921 году Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия.

Квантовая теория дает следующие объяснения законам фотоэффекта.

При увеличении интенсивности монохрамотического излучения растет число поглащенных металлом квантов, а следовательно и число вылетающих из него электронов, поэтому фототок прямо пропорционален интенсивности излучения (1 закон).

Что называют фототоком?
Что называют фототоком насыщения?

Из уравнения Эйнштейна видно, что кинетическая энергия вылетающих электронов зависит только от рода металла, состояния его поверхности и частоты (или длины волны) излучения, то есть величины энергии квантов и не зависит от интенсивности излучения (2 закон).

Что называют фотоэлектроном?

Если величина энергии квантов меньше работы выхода, то при любой интенсивности излучения электроны вылетать не будут (3 закон).

Что называют работой выхода?

Из сказанного следует, что фотоэффект наблюдается только при облучении вещества светом с частотой большей или равной критической ?min.

Красной границей фотоэффекта называют минимальную частоту света, ниже которой фотоэффект не наблюдается:

Эта граница для разных веществ различна, так как работа выхода зависит от рода вещества. При этом кинетическая энергия электронов равна нулю.
А теперь вы выступите в роли А.Г.Столетова и самостоятельно исследуете законы фотоэффекта, использую компьютерную модель. По ходу выполнения работы вы должны будете заполнить бланк, который я сейчас вам дам. После окончания работы, свои бланки вы сдаете мне на стол.

Домашнее задание: §

– Спасибо всем за работу на уроке!!!

Приложение 1