Цель: изучение квантовой теории света и световых явлений, объясняемых этой теорией.
Задачи:
- образовательные: раскрыть физическую сущность понятий: абсолютно черное тело, ультрафиолетовая катастрофа, квант, постоянная Планка, ввести понятие фотоэффект, познакомить учащихся с открытием явления и его исследованием, рассмотреть проблемы физики начала ХХI века;
- развивающие: развивать наблюдательность, умение логически мыслить, анализировать факты и явления на основе теоретических представлений, расширять познавательный интерес, формировать умение выделять признаки сходства и различия в описании физических явлений;
- воспитательные: способствовать расширению кругозора учащихся, воспитывать культуру общения, приобщать учащихся к достижениям отечественной науки;
- метапредметные: формировать умение воспринимать альтернативные точки зрения и высказывать обоснованные аргументы "за" и "против", находить требуемую информацию в различных источниках, визуальную информацию переводить в вербальную знаковую систему.
План.
- Зарождение квантовой теории.
- Опыты Герца и Столетова.
- Фотоэффект. Законы фотоэффекта.
- Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.
- Фотоны.
- Давление света.
- Применение фотоэффекта.
- Химическое действие света. Фотография.
- Единство волновых и квантовых свойств света.
Ход урока
I. Вступительное слово учителя
II. Устный журнал (показ слайдов презентации сопровождается чтением стихотворения).
Как только ясно стало всем,
Что Максвелл прав был не совсем,
Что уравнения его для микромира – ничего,
Все стали думать и гадать, предполагать, опровергать.
У Планка думать был талант, он потому придумал квант.
И даже дальше он пошел и постоянную нашел.
Герц, ставя опыты давно, открыл явление одно.
О нем он миру рассказал, “фотоэффект” названье дал.
Столетов был ужасно рад и опытов поставил ряд.
Закона два открыл подряд. Какой чудесный результат!
Эйнштейн свой вклад внести решил, фотоэффект он объяснил.
Открытие прекрасное – его “граница красная”.
Тут начал Лебедев “чудить”, стал трудный опыт проводить:
Подвесил лепестки на нить, увидел – может свет давить.
Лишен покоя и заряда, фотон летает, где не надо,
И импульс свой теряет где-то - корпускулярны свойства света...
Фотоэффект теперь везде, свет служит людям на Земле.
Свет научились мы копить, кино вдруг стало говорить.
Чудесен сколь фотоэффект, теперь уже “химичит” свет.
Нам этот свет дает дышать, ведь листья могут превращать
Газ углекислый в кислород, коль свет на листья упадет.
Мы держим аппарат в руках. Щелк-щелк, и вы уже “в веках”.
Мы дарим всем портреты, за то спасибо свету.
III. Сообщения учащихся
1. Зарождение квантовой теории
Противоречие между классической электродинамикой Максвелла и закономерностями распределения в спектре теплового излучения (нагретое тело, непрерывно теряя энергию вследствие излучения электромагнитных волн, должно охладиться до абсолютного нуля, но в действительности это не так)
Гипотеза Планка (Атомы испускают
электромагнитную энергию отдельными порциями –
квантами. Энергия каждой порции прямо
пропорциональна частоте излучения. Е = h
, где h = 6,63 *
10 -34 Дж . с – постоянная Планка, –
частота излучения)
2. Фотоэффект. (Открыт Герцем. Исследован Столетовым)
Фотоэффектом называют вырывание электронов из вещества под действием света.
Опыты Герца и Столетова (Внешний фотоэффект: заряженную цинковую пластину присоединяют к электрометру, освещают кварцевой лампой; если заряд пластины “+”, то освещение пластины не влияет на быстроту разрядки электрометра, а если “-”, то он быстро разряжается. Фотоэффект вызывается ультрафиолетовым излучением.)
3. Законы Фотоэффекта.
Первый закон: количество электронов, вырываемых с поверхности металла за 1 секунду, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергией световой волны.
Второй закон: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от интенсивности света.
(Объяснение по таблице)
По графику зависимости фототока от напряжения дать понятие задерживающего напряжения и тока насыщения.
mv2 /2 = eUз - максимальное значение кинетической энергии электронов.
4. Объяснение фотоэффекта Эйнштейном.
Законы Максвелла не могут объяснить, почему
энергия фотоэлектронов определяется только
частотой света и почему лишь при малой длине
волны свет вырывает электроны. Свет имеет
прерывистую структуру: излучается порциями,
излученная порция световой энергии Е = h
сохраняет свою индивидуальность. Поглотиться
может только вся порция целиком.
h= А+ mv2
/2 – уравнение Эйнштейна. Энергия порции света
идет на совершение работы выхода и на сообщения
электрону кинетической энергии. А – работа
выхода – работа, которую нужно совершить для
извлечения электрона из металла, она зависит от
рода металла и состояния поверхности, от
интенсивности света не зависит. Условия
возникновения фотоэффекта: энергия кванта
должна быть больше работы выхода.
(
max =
кр =
hc/A – максимальная длина волны), при которой еще
возможен фотоэффект; зависит от рода металла.
5. Фотоны.
При испускании и поглощении свет ведет себя
подобно потоку частиц с энергией Е= h
зависящей от
частоты. Порция света похожа на частицу, ее
называют фотоном или квантом.
m = h/c 2
- масса движущегося фотона.
Фотон не имеет массы покоя, т.е. он не существует в состоянии покоя и при рождении сразу приобретает скорость с = 3 * 108 м/с.
р = mc = h/c
= h/ -
импульс фотона (направлен по световому лучу). Чем
больше частота излучения, тем больше энергия и
импульс фотона.
6. Давление света.
Под действием электрического поля волны электроны совершают колебания. Электрический ток направлен вдоль линий напряженности электрического поля. Сила светового давления направлена в сторону распространения волны. Объяснение давления света с точки зрения квантовой теории: фотоны имеют массу, обладают импульсом, который передают телу. По закону сохранения импульса, импульс тела равен импульсу поглощенных фотонов. Покоящееся тело приходит в движение, импульс тела изменяется, следовательно, на тело действует сила. Световое давление играет большую роль во внутризвездных процессах.
7. Применение фотоэффекта:
- озвучивание кино;
- передача движущихся изображений;
- станки и машины с программным управлением;
- осуществление контроля качества изделий;
- включение и выключение механизмов, освещения и т.д.
Заполнение таблицы учащимися
| Название устройства | Принцип действия | Применение |
| Фоторезистор | Изменение электропроводности под действием света | В фотореле (для автоматизации производственных процессов, для контроля качества), в фототелеграфе, в звуковом кино |
| Фотоэлемент | Преобразование световой энергии в электрическую | В солнечных батареях (на ИСЗ и космических кораблях), гелиотехнических установках, в фотоэкспонометрах, в телевизионной связи |
8. Химическое действие света. Фотография.
Химическое действие света проявляется в поглощении молекулами видимого и ультрафиолетового излучений и расщеплении этих молекул (выцветание тканей на солнце и образование загара).
Важнейшие химические реакции под действием света происходят в зеленых листьях и траве. Листья поглощают из воздуха углекислый газ и расщепляют его молекулы на кислород и углерод. Как установил русский биолог К.А.Тимирязев, это происходит в молекулах хлорофилла под действием красных лучей солнечного спектра. Этот процесс называют фотосинтезом. Химическое действие света лежит в основе фотографии.
Задача 1: фотосинтез в зеленых листьях растений интенсивно происходит при поглощении красного света длиной волны 0,68 мкм. Вычислите энергию соответствующих фотонов, объясните зеленый цвет листьев (2,9 * 10 -19 Дж).
Задача 2: для уничтожения микробов в операционном помещении используют бактерицидные лампы. Вычислить энергию кванта излучения такой лампы, если длина его волны 0,25 мкм. Почему видимый свет не оказывает бактерицидного действия? (8 * 10 -19 Дж).
9. Единство волновых и квантовых свойств света.
Заполнить и проанализировать таблицу
| Вид излучения | Длина волны, м | Энергия фотона, эВ | Масса фотона, кг | Импульс, кг м/с |
| Радиоизлучение | 10 | 1,2 * 10 -6 | 2,2 * 10 -42 | 6,6 * 10 -34 |
| Инфракрасное | 10 -6 | 1,2 | 2,2 * 10 -36 | 6,6 * 10 -28 |
| Видимое | 5 * 10 -7 | 2,5 | 4,4 * 10 -36 | 1,3 * 10 -27 |
| Ультрафиолетовое | 10 -7 | 12,4 | 2,2 * 10 -35 | 6,6 * 10 -27 |
| Рентгеновское | 10 -9 | 1,2 * 10 3 | 2,2 * 10 -33 | 6,6 * 10 -25 |
| Гамма-излучение | 10 -14 | 1,2 * 10 8 | 2,2 * 10 -28 | 6,6 * 10 -20 |
Как изменяются энергия, масса и импульс фотонов при уменьшении длины волны?
В каких излучениях и почему заметнее проявляются волновые свойства? квантовые свойства?
Вывод: чем меньше длина волны (больше частота), тем больше энергия и импульс фотона и тем сильнее выраженные квантовые свойства света. При увеличении длины волны наиболее ярко проявляются волновые свойства. Свет обладает дуализмом (двойственностью свойств): при распространении проявляются его волновые свойства, а при излучении и поглощении (т.е. при взаимодействии с веществом) – корпускулярные (квантовые) свойства.
IV. Рефлексия.
V. Итоги урока.