Урок по теме «Фотоэффект»

Открытый урок по теме «Фотоэффект»

Цели:

образовательная: сформировать у учащихся представление о фотоэффекте и изучить его законы, которым он подчиняется;
развивающая: развивать логику, возможность работать в группе; учить моделировать процессы на компьютере;
воспитательная: воспитывать внимание, чувство ответственности, прививать интерес к предмету.

Вид урока: изучение нового материала.

Тип урока: комбинированный

Оборудование: компьютеры, мультимедийный проектор, электронные издания «Физика,7-11» (Физикон); «Уроки физики в 11 классе» (Кирилл и Мефодий)

Наглядные пособия: презентация, сопровождающая различные этапы урока.

Дидактический материал: тест по проверке домашнего задания.
Ход урока:

Организационный момент.

- Тема сегодняшнего урока «Фотоэффект». При рассмотрении этой интересной темы мы продолжаем изучать раздел «Квантовая физика» ,постараемся выяснить какое действие оказывает свет на вещество и от чего зависит это действие. Но сначала мы повторим материал пройденный на прошлом уроке, без которого сложно разобраться в тонкостях фотоэффекта. На прошлом уроке мы рассмотрели гипотезу Планка, свойства фотона.

2. Проверка домашнего задания. Актуализация опорных знаний.

Повторять будем следующим образом:

А)Одна группа ребят будет выполнять тест по пройденной теме. Тест содержит три части. В части А необходимо выбрать правильный ответ, в задании части В написать ответ,в задании части С дать развёрнутый ответ. Панель для ответов вы найдёте в самих тестах.
Тест по теме «Гипотеза Планка. Фотоны.» ( для первой группы)
А1. Отдельная порция электромагнитной энергии, поглощаемая атомом называется:

джоулем; 2) электрон-вольтом; 3) квантом; 4)электроном; 5)паскалем.

А2. Гипотезу о том, что атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями, выдвинул:
1) М.Фарадей; 2) Д.Джоуль; 3)М.Планк; 4)А.Эйнштейн; 5) Д. Максвелл.
А3. Импульс фотона определяется формулой:
1) ; 2) ; 3) ; 4) ; 5)

.

А4. Энергия фотонов при уменьшении длины световой волны в 2 раза

1) уменьшается в 2 раза; 2) увеличивается в 2 раза; 3)уменьшается в 4 раза ;

4) увеличивается в 4 раза; 5) не изменяется.

А5. Энергия кванта пропорциональна:
1) скорости кванта; 2) времени излучения; 3) длине волны; 4)частоте колебаний;

5) мощности излучения.

В. Если энергия первого фотона в 4 раза больше энергии второго , то отношение импульса первого фотона к импульсу второго фотона равна:
С. Найти длину волны фотона, у которого импульс равен 10 кг м /с. Чему равна энергия этого фотона?
Окно ответов

Ответы на задания части А отметить символом «х», на задание части В вписать ответ, на задание части С дать развёрнутый ответ, показав решение.

	1)	2)	3)	4)	5)
А1
А2
А3
А4
А5
В
С

Б)Помимо материала, пройденного на прошлом уроке, я просила вас повторить раннее изученный материал, который будет необходим при рассмотрении новой темы. Поэтому на воспроизведение этого материала к доске вызывается 1 учащийся. (работает у доски по карточке)

Задания по ранее изученному материалу.( для учащегося, работающего у доски)

Записать выражение для кинетической энергии. Как увеличить кинетическую энергию тела?

Как перевести эВ в Дж?

Перевести в Дж 1,7 эВ; 200 МэВ.
3.Записать выражение работы электрического поля.
4.Записать формулу связи длины волны и частоты.
5.Записать формулу связи заряда и силы тока.
6. Ответить (устно) на следующие вопросы:
А)Каков характер действия электрического поля на движущийся отрицательный заряд?

Б) В чём состоит особенность строения металлов?

В) Что принято считать за положительный заряд?

Г) Что принято считать за отрицательный заряд?

Ну а с оставшимися ребятами побеседуем по пройденному на прошлом уроке материалу .

(Фронтальная беседа сопровождается слайдами презентации)

Вопросы:

В чём суть гипотезы М.Планка?

( Свет может излучаться отдельными порциями световой энергии-квантами или фотонами)

2)От чего зависит энергия кванта излучения?

(энергия кванта излучения зависит от частоты излучениия)

3)Чему равна энергия кванта излучения?( )

4) Чему равна постоянная Планка? (6,63 10 )

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

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

7)Объяснить тот факт, что масса покоя фотона равна нулю, а масса электромагнитного излучения отлична от нуля? ( Элмаг излучение – это совокупность фотонов, но масса излучения не равна сумме масс всех фотонов, входящих в это излучение. Масса излучения будет равна нулю, если фотоны будут двигаться параллельно в одном направлении. Но на практике этого не происходит, так как световой луч даже самый узкий расширяется.)

8) Как зависит масса движущегося фотона от частоты света? ( с увеличением частоты света, масса увеличивается)

9) Чему равен импульс фотона?

10)Как направлен импульс фотона? (импульс фотона направлен по световому лучу)

11)Какое излучение имеет самую короткую длину волны? (Рентгеновское излучение)

12)Какой цвет видимого света имеет минимальную частоту (красный), минимальную длину волны(фиолетовый)?

13)При каком условии отчётливо выражены корпускулярные свойства света? (Чем больше частота, тем больше энергия, импульс фотона, а следовательно отчётливо выражены корпускулярные свойства света).

Затем проверяются ответ на доске, акцентируется внимание на работе элю поля, теореме о кинетической энергии.

После чего собираются выполненные тесты.

3.Объяснение нового материала

-Итак, сегодня мы изучим интересное физическое явление «фотоэффект». Запишите тему урока и подумайте над словом «фотоэффект». Какой смысл несёт это слово?

Ответ:состоит из двух слов фото-свет (от греческого), эффект (от латинского ) действие, следовательно «фотоэффект» -это действие света.

-Правильно, а если это действие, то наша задача на сегодня выяснить: какой эффект может произвести свет с веществом, каким законам он подчиняется, от каких характеристик зависит и где нашёл применение.

Попрошу вас в течение рассмотрения темы составлять конспект.

1)Наблюдение «фотоэффекта».

-Стремление доказать правоту квантовой идеи побудило А. Эйнштейна поискать в материалах, накопленных физиками-экспериментаторами такие факты, которые не находили объяснение в рамках классических представлений. Помимо проблем, связанных с тепловым излучением, столь же загадочным оказались закономерности, проявляющиеся в явлении «фотоэффекта», которое было открыто случайно в 1887 году немецким физиком Генрихом Герцем, когда он исследовал электрические колебания. Для проведения опыта он использовал электроскоп с присоединённой к нему цинковой пластинкой. Заряженную пластинку он освещал мощным источником света и обнаружил интересные моменты. Сейчас и мы, благодаря видеофрагменту, сможем увидеть то, что в те далёкие годы увидел Герц.

(показывается видеофрагмент)

Давайте попытаемся объяснить увиденную картину, а именно почему под действием света на отрицательно заряженную цинковую пластинку электроскоп разряжается, а когда освещают положительно заряженную пластину никакого эффекта нет.

Ответ: Электроскоп будет разряжаться тогда, когда заряд с пластинки будет исчезать. Видимо, когда освещали отрицательно заряженную пластину светом, свет выбивает электроны с пластинки и электроскоп разряжается.

При положительном заряде пластинки вырванные светом электроны снова притянутся к пластине и осядут на ней. Поэтому заряд электроскопа не изменяется.

? А почему, когда на пути светового потока поставить обыкновенное стекло, то отрицательно заряженная пластинка не теряет электроны, какова бы ни была интенсивность излучения?

Ответ: Возможно, что из-за того, что стекло поглощает ультрафиолетовые лучи, то вырывание электронов происходит под действием ультрафиолетовых лучей, которые обладают большой частотой и малой длиной волны.

-Совершенно верно. К этим же выводам пришёл и Герц(слайд) и в 1887 году он публикует работу «О влиянии , ультрафиолетового света на электрический разряд» в которой описал, открытое им явление, а именно вырывание электронов из вещества под действием света.

Это явление сразу привлекло внимание ряда исследователей (СЛАЙД) среди которых мы выделим нашего соотечественника, преподавателя Московского университета Александра Григорьевича Столетова, немецкого физика Гальвакса, итальянского учёного Риги. Кстати именно он назвал вырывание электронов из вещества под действием света -«фотоэффектом».

Итак, -«фотоэффект» - это вырывание электронов из вещества под действием света, а электроны, вырванные светом называются фотоэлектронами, причём угол под которым фотоэлектроны вылетают из облучённой пластины может быть самым разным по отношению световых лучей от 0 до 180.

Для того, чтобы получить о фотоэффекте полное представление нужно выяснить от чего зависит число вырванных электронов, чем определяется их скорость и энергия.
2.Исследование фотоэффекта.( СЛАЙД)

Первые опыты по фотоэффекту были начаты Столетовым уже в феврале 1888 года. В учебниках у вас имеется материал описывающий его экспериментальную установку

Найдите её описание в учебнике и прочитайте.

Ответ: Эксперимент состоял в следующем. В стеклянный баллон из которого выкачан воздух помещали два электрода. Внутрь баллона на один из электродов поступал свет через кварцевое окошко, прозрачное не только для видимого света, но и для ультрафиолетового излучения. На электроды подаётся напряжение, которое можно изменять потенциометром и измерять вольтметром. К освещаемому электроду присоединяют отрицательный полюс батареи.

-Что же будет происходить под действием света? Попробуем и мы поэкспериментировать с установкой и исследуем явление фотоэффекта.

1) Поэкспериментируем с напряжением.

Интенсивность света и частота постоянна. Обратите внимание на поток электронов.

?Что происходит с потоком электронов?

-С увеличением напряжения поток электронов возрастает

? Как это отражается на силе тока?

-Сила тока увеличивается.

Продолжим увеличивать напряжение. Что вы видите?

-Поток электронов больше не увеличивается.

?Какой вывод можно сделать при выполнении эксперимента по изменению напряжения?

-С увеличением напряжения, растёт ток, но достигнув некоторого значения, ток больше не увеличивается.

Это максимальное значение силы тока называется током насыщения и обозначается I нас.

? Как вы думаете от чего будет зависеть ток насыщения?

-От числа электронов, испущенных электродом за 1 с

Теперь поэкспериментируем с интенсивностью света ( интенсивность – энергия световой волны)

?Что вы видите теперь?

-Увеличение интенсивности света привело к возрастанию значения тока насыщения.

Продолжим увеличение интенсивности света. Что вы видите?

-Результат тот же. С увеличением интенсивности. Фототок увеличивается..

На основании этого эксперимента мы подошли к открытии. Первого закона фотоэффекта., который выясняет от чего зависит количество фотоэлектронов. Найдите формулировку закона в учебнике. Прочитайте. (слайд)

Вернёмся снова к напряжению. Установим U=0. Что вы наблюдаете?

- Поток электронов, долетающий до противоположного электрода уменьшается, а затем прекращается совсем. Фототока нет..

То есть электрическое поле тормозит электрона, тормозя их до полной остановки и возвращает их обратно.

Это напряжение при котором фототок прекращается совсем называется задерживающим напряжением..

Выясним чему равна работа эл. поля при торможении фотоэлектронов.

По теореме о кинетической энергии . В то же время Значит

Тогда

А теперь оставим напряжение прежним, но изменим интенсивность волны.? Меняется ли при этом задерживающее напряжение?

-Нет.

А если нет, то будет ли кинетическая энергия электронов зависеть от интенсивности света?

- Нет . Кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от энергии световой волны.

? Тогда от чего же зависит кинетическая энергия?

Возвратимся к эксперименту. Попробуем изменить частоту света. (от красного до фиолетового) Что мы видим?

-Электроны опять стали стремиться к противоположному электроду. Значит возросла их энергия. Мы пришли ко второму закону фотоэффекта.

Найдите формулировку в учебнике и прочитайте. (слайд)

Но обратите внимание, что при некотором значении частоты света электроны вообще не вырываются. Эта частота при которой фотоэффект не наблюдается называется красной границей фотоэффекта.

Заменяя материал фотокатода Столетов установил третий закон фотоэффекта, (слайд) Теоретически обосновал третий закон в 1905 г. А Эйнштейн. Для каждого вещества существует своя красная граница, то есть минимальная частота при которой фотоэффект невозможен.

фотоэффект, который мы рассмотрели - внешний, но существует и внутренний фотоэффект.

Итак, мы с вами провели исследования, которые в своё время провёл А.Г.Столетов – русский ученый и мы можем гордиться, что имя нашего соотечественника навсегда останется в физике как первого исследователя фотоэффекта. А кто может рассказать про этого учёного?

(сообщение учащихся)
Раскрыть сущность этого явления на основе законов электродинамики Максвелла Столетов не мог.

Объяснил фотоэффект спустя 7 лет А.Эйнштейн на основе квантовой физике в своём труде «Теория фотоэффекта», о которой речь пойдёт у нас на следующем уроке. Забегая вперёд скажу , что за этот вклад А. Эйнштейн был удостоен

Нобелевской премии.

Применение фотоэффекта.

Открытие фотоэффекта имело очень большое значение для более глубокого понимания природы света. Но ценность науки состоит не только в том, что она выясняет сложное и многообразное строения окружающего нас мира, но и в том, что она даёт нам в руки средства, используя которые можно совершенствовать производство. Улучшать условия материальной и культурной жизни общества.

Некоторые ребята накануне получили задания найти материал по применению фотоэффекта.
1)вакуумный фотоэлемент

2) полупроводниковые фотоэлементы

3)Запись и воспроизведение звука
4.Закрепление.

Итак, мы изучили с вами фотоэффект. Можем ли теперь мы ответить на задачи урока?

(слайд) ответы учащихся. (проверяется выборочно конспект)
А теперь выполним тест на закрепление. (слайд с заданием теста)
Проверка теста
5.Итог урока. Запись дифференцированного домашнего задания.