Цели урока:
Предметный компонент:
- Дать определение и разъяснить физические основы явления фотоэффекта, используя реальный демонстрационный эксперимент.
- Объяснить законы фотоэффекта на основании квантовых представлений.
- Исследовать закономерности внешнего фотоэффекта с помощью компьютерного эксперимента.
- Расширить представления учащихся о сфере применения закона сохранения энергии.
Надпредметный компонент:
- Развивать познавательную активность учащихся постановкой проблемных экспериментов и вопросов.
- Совершенствовать умения наблюдать, выдвигать гипотезы и проверять их, используя компьютерное моделирование.
Основные понятия: фотоэлектрон, фототок, фотоэффект, работа выхода электрона, красная граница фотоэффекта.
Тип урока: урок изучения и первичного закрепления нового материала.
Демонстрации:
- Явление фотоэлектрического эффекта.
- Снятие вольт-амперной, световой и спектральной характеристик фотоэффекта.
Учебно-методическое обеспечение:
- таблица “Фотоэффект”;
- сетевая версия компьютерной программы “Открытая Физика. 2.6 Часть II” (модель “Фотоэффект”);
- маршрутные карты по выполнению компьютерного эксперимента.
Технические средства обучения:
- источники постоянного тока (ВУП-2 и В-24), источник УФО “Фотон”, осветитель ОИ-9М, электрометр Брауна, гальванометр, фотоэлемент ФЭУ-1, вольтметр на 250 В, цинковая и медная пластинки, набор светофильтров, эбонитовая палочка, мех;
- персональные компьютеры.
Самостоятельная деятельность учащихся: работа с интерактивными моделями.
Использование информационных технологий: интерактивные модели “Фотоэффект”.
Эпиграф.
“Лучи вольтовой дуги, падая на поверхность
отрицательно заряженного тела, уносят с него заряд”
А.Г. Столетов
Ход урока
I. Организационный момент. Повторение.
На предыдущем занятии мы приступили к изучению квантовой физики – самой современной и глубокой теории, развитие которой не завершено до сих пор. В её возникновении важную роль сыграло исследование взаимодействия электромагнитных волн с веществом.
Сегодня на уроке мы познакомимся с замечательным явлением – ещё одним подтверждением правильности квантовой теории света. Прежде чем приступить к изучению нового материала, давайте вспомним и ответим на вопросы:
- Какие из физических явлений не смогла объяснить классическая физика?
- Как излучает энергию нагретое тело согласно электродинамике Максвелла?
- Сформулируйте квантовую гипотезу Планка.
- Как определить энергию кванта света?
- “Таинственная постоянная h – великое открытие Макса Планка” (Луи де Бройль). Чему она равна?
II. Изучение нового материала.
В рабочих тетрадях записываем дату, вид работы, тему урока и рассматриваемые вопросы.
Рассматриваемые вопросы:
- Явление внешнего фотоэффекта.
- Законы фотоэффекта и его ВАХ.
- Теория фотоэффекта.
1. Явление внешнего фотоэффекта.
Явление фотоэффекта было открыто немецким физиком Генрихом Герцем в 1887 году. Он обнаружил, что яркость электрической искры, проскакивающей между цинковыми шариками разрядника, увеличивается, если один из электродов освещать ультрафиолетовыми лучами. Первые экспериментальные исследования фотоэффекта были выполнены русским учёным А.Г. Столетовым, немецким физиком В.Гальваксом и итальянским учёным А.Риви, который и предложил назвать это явление “фотоэлектрическим эффектом”.
Выясним физическую сущность – микромеханизм – явления фотоэффекта с помощью демонстрационного эксперимента.
Эксперимент 1.
Присоединим цинковую пластинку к электрометру и зарядим её отрицательно с помощью эбонитовой палочки, потёртой о мех. Осветим пластинку источником УФО “Фотон”.
Наблюдения: электрометр разряжается.
Вопросы для обсуждения:
- Когда начинает разряжаться электрометр?
- Что является причиной разрядки электрометра?
- Почему можно сделать вывод о вылете электронов с пластинки?
Эксперимент 2.
Повторим опыт, зарядив цинковую пластинку положительно методом электростатической индукции. При тех же условиях облучаем её.
Наблюдения: электрометр не разряжается.
Вопросы для обсуждения:
- Почему заряд электрометра не изменяется?
Вывод. Под действием света с поверхности вещества вырываются только отрицательные заряды – электроны.
Внешний фотоэлектрический эффект – это явление вырывания электронов из вещества под действием электромагнитного излучения.
Фотоэлектронами называют электроны, вылетающие с поверхности вещества при внешнем фотоэффекте.
Проблемный вопрос: от чего зависит интенсивность фотоэффекта?
Эксперимент 3.
Повторим опыт с отрицательно заряженной пластинкой.
Вопросы для обсуждения:
Как изменится время разрядки электрометра, если:
- пластинку расположить под углом к потоку света?
- увеличить расстояние между электрометром и источником света?
- цинковую пластинку заменить медной?
- поверхность пластинки будет содержать окислы и адсорбированные вещества?
Наблюдения: время разрядки электрометра увеличивается.
Вывод: интенсивность фотоэффекта зависит от:
- рода вещества;
- состояния его поверхности;
- величины светового потока.
Эксперимент 4.
Отрицательно заряженную цинковую пластинку осветим лампой накаливания.
Наблюдения: фотоэффекта нет (даже если лампу приблизить вплотную, увеличив освещённость поверхности пластинки).
На пути потока света от специального источника “Фотон” поместим стеклянную пластинку.
Наблюдения: разрядка электрометра прекращается.
Вывод: интенсивность фотоэффекта зависит от состава спектрального излучения.
2. Законы фотоэффекта и его ВАХ.
Продолжим более подробное изучение законов фотоэффекта. Схема экспериментальной установки изображена на рисунке.
Рис. 1
В стеклянный вакуумный баллон помещены два электрода (катод – из исследуемого металла и анод). К электродам прикладывалось некоторое напряжение, величину которого можно было изменять с помощью потенциометра, а полярность – с помощью двойного ключа. Катод через кварцевое окошко освещался монохроматическим светом некоторой длины волны, и при неизменном световом потоке снималась зависимость силы фототока от приложенного напряжения между электродами (ВАХ фотоэффекта).
Фототок – электрический ток, образуемый фотоэлектронами.
Проанализируем ВАХ фотоэффекта.
| ВАХ фотоэффекта | Экспериментальные факты | Объяснение |
 Кривая 2 соответствует большей интенсивности светового потока (Nф2 > Nф1) |
По мере увеличения напряжения фототок постепенно увеличивается | Всё большее число фотоэлектронов достигают анода |
| Существует максимальное значение силы тока – фототок насыщения | Все электроны, испускаемые катодом в единицу времени, достигают анода и их число ограничено | |
| При отсутствии напряжения между электродами в цепи существует ток | Электроны, выбитые светом из катода, обладают кинетической энергией и могут достигнуть анода без внешнего поля | |
| Чтобы фототок прекратился, необходимо приложить между электродами запирающее напряжение | Ни один электрон не может преодолеть задерживающее поле и достигнуть
анода. По закону сохранения энергии:
|
Обобщая опытные факты, были установлены законы фотоэффекта:
1. Закон А.Г. Столетова.
При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально интенсивности падающего излучения.
2. Максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.
3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта – такая минимальная частота света, ниже которой фотоэффект невозможен.
4. Момент начала эмиссии фотоэлектронов следует за моментом включения электромагнитного поля излучения практически мгновенно (безынерционно).
Второй и третий законы фотоэффекта были установлены немецким физиком Филиппом Ленардом.
Опытную проверку законов фотоэффекта осуществим с помощью демонстрационного эксперимента, сняв вольт-амперную, световую и спектральную характеристики изучаемого явления.
Эксперимент 5.
a) Закрываем колпачком фотоэлемент с
сурьмяноцезиевым катодом. Включаем источник анодного напряжения (ВУП-2).
Наблюдения: при увеличении анодного напряжения фотоэффект не наблюдается.
b) ВАХ фотоэффекта. На источнике тока В-24
устанавливаем напряжение 24 В. Изменяем анодное напряжение в пределах 0÷150 В.
Наблюдения: при неизменном световом потоке сила фототока возрастает до
фототока насыщения с увеличением напряжения между электродами.
c) Световая характеристика – зависимость силы
тока насыщения от интенсивности падающего излучения. Устанавливаем анодное
напряжение 50 В. Изменяем мощность падающего излучения, регулируя напряжение на
источнике тока В-24 в пределах 0÷24 В.
Наблюдения: фототок насыщения прямо пропорционален интенсивности света,
падающего на катод.
d) Спектральная характеристика. Устанавливаем на источнике тока В-24 напряжение 24 В, на ВУП-2 устанавливаем напряжение 75 В. Перед фотоэлементом помещаем различные светофильтры.
Наблюдения: интенсивность фотоэффекта зависит от частоты падающего излучения.
3. Теория фотоэффекта.
Полученные опытным путём законы фотоэффекта не удалось объяснить на основе электромагнитной волновой теории света.
Гипотезу Планка о квантовом характере излучения развил в 1905 году немецкий физик А.Эйнштейн, показавший, что явление фотоэффекта и его закономерности могут быть объяснены на основе предложенной им квантовой теории фотоэффекта, согласно которой:
- свет не только испускается, но и распространяется в пространстве и поглощается веществом в виде квантов электромагнитного излучения;
- отдельный квант взаимодействует только с одним электроном;
- каждый квант поглощается целиком только одним электроном;
- энергия кванта света расходуется на совершение свободным электроном работы выхода из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону максимальной кинетической энергии.
Рассмотрим механическую модель фотоэффекта. Чтобы шарик выскочил из ямы и
двигался со скоростью
,
ему необходимо сообщить энергию Е, достаточную для преодоления высоты h и
сообщения ему кинетической энергии.
Закон сохранения энергии для этого процесса запишется в виде:
Аналогично по закону сохранения энергии можем записать уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта:
Для красной (длинноволновой) границы фотоэффекта имеем:
Уравнение Эйнштейна позволяет объяснить законы фотоэффекта.
За работы по квантовой теории и объяснение явления фотоэффекта А.Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия за 1921 год.
III. Проведение компьютерного эксперимента.
С помощью компьютерного эксперимента исследуем закономерности внешнего фотоэффекта.
Рис. 2
Задание:
- Определите зависимость запирающего напряжения от частоты падающего излучения.
- Определите характер зависимости фототока насыщения от интенсивности света.
- Определите красную границу фотоэффекта и материал, из которого изготовлен катод. Ответьте на вопросы.
IV. Подведение итогов урока. Домашнее задание.
Наш урок подходит к концу. Мы с Вами в очень активной форме изучили физические основы явления фотоэффекта и его законы, применили полученные знания на практике, выполнив компьютерное моделирование. И у нас это получилось. Ведь “искусство экспериментатора состоит в том, чтобы уметь задавать природе вопросы и понимать её ответы” (М.Фарадей).
Домашнее задание:
- Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. § 88, 89. Учебник Физика-11.
- Доработать отчёт по компьютерному эксперименту. Ответить на вопросы.
Я благодарю всех за урок. До свидания.
Литература:
- Мякишев Г.Я. Физика: учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений / Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев. – М.: Просвещение, 2007, с. 270–275.
- Тихомирова С.А. Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений (базовый уровень) / С.А. Тихомирова, Б.М. Яворский. – М.: Мнемозина, 2008, с. 144–149.
- Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1994, с. 376–380.
- Ильясова Т.В. Компьютерная поддержка урока физики. Учебно-методическое пособие. – М.: Педагогический университет “Первое сентября”, 2008.
- Чиганов А.С. Виртуальный практикум по физике для средних учебных заведений. Материалы для учителя. – М.: ООО “Физикон”, 2006.
- Интерактивный курс “Открытая Физика 2.6”, часть II. Под редакцией профессора МФТИ Козела С.М. ООО “Физикон”, 2006.