Урок физики в 11классе на тему фотоэффэка
методическая разработка по физике (11 класс) по теме

Урок физики в 11 классе на тему фотоэффект.

МОУ СОШ с. Карасу, Черекский район, КБР

Алиев Х.Х.

 Цели урока:  изучить законы и теорию фотоэффекта; сформировать у учащихся представление о фотоэффекте .

Оборудование:  ПК, проектор, электронные издания «Библиотека наглядных пособий 7- 11 классы, открытая физика ч-2, подготовка к ЕГЭ 10-11 класс».

Наглядные пособия: демонстрация через проектор необходимых фрагментов урока.

Дидактический материал: тест по проверке усвоения материала.

Ход урока:

1.Оргмомент.

На прошлом уроке было рассмотрена гипотеза Планка, свойства фотона.

2. Проверка домашнего задания.

А1. Отдельная порция электромагнитной энергии, поглощаемая атомом называется:

1. джоулем;  
2.  электрон-вольтом;
3.  квантом;  
4. электроном.  

А2. Гипотезу о том, что атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями, выдвинул:

1) М. Фарадей;  

2) Д. Джоуль;

3)М. Планк;   

4)А. Эйнштейн.

А3. Импульс фотона определяется формулой:

1)    p=h/λ;

2)E=hν ;

3) V=S/t;

 4)m= hν/ c2 ;

          .  

А4. Энергия кванта пропорциональна:

1) длине волны;  

 2) времени излучения;

3) скорости кванта

4)частоте колебаний;

А5. 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

В. Если энергия первого фотона в 4 раза больше энергии второго , то отношение импульса первого фотона к импульсу второго фотона равна:4

С. Найти длину волны фотона, у которого импульс равен 10   кг  м /с. Чему равна энергия этого фотона?

Работа у доски

1. Записать формулу для вычисления кинетической энергии.

Ек=mv2/2

2.Перевести в Дж 1 эВ; 3.2 эВ.

1.6 10-19   Дж; 5,2 10-19 Дж.

3.Записать формулу для вычисления  работы электрического поля.

А=q U

 Фронтальный опрос :

     1.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 излучения

3.Докончить предложение: Фотон это…

- световой квант. Фотоном можно назвать и квант любых электромагнитных волн

4. Как зависит масса движущегося фотона от частоты света?

 с увеличением частоты света, масса увеличивается

5. Единица измерения импульса фотона?

Дж с/м

3.Изложение нового материала

Немного истории открытия фотоэффекта.

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.

Фотоэффектом называют вырывание электронов из вещества под действием света.

Фотоэлектрический эффект был открыт в 1887 году немецким физиком Г. Герцем и в 1888–1890 годах экспериментально исследован А. Г. Столетовым. Теория фотоэффекта была развита А. Эйнштейном (1905 г.) на основе квантовых представлений. Классическая волновая теория света оказалась неспособной объяснить закономерности этого явления.

 Наиболее полное исследование явления фотоэффекта было выполнено Ф. Ленардом в 1900 г. К этому времени уже был открыт электрон (Д. Томсон, 1897 г.), и стало ясно, что фотоэффект (или точнее – внешний фотоэффект) состоит в вырывании электронов из вещества под действием падающего на него света.    

Слово «фотоэффект» состоит из двух слов фото-свет (от греческого), эффект (от латинского ) ействие, следовательно «фотоэффект» -это действие света.                                                               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 он нашёл применение.

Согласно квантовым представлениям свет излучается и поглощается отдельными порциями (квантами), энергия E которых пропорциональна частоте ν E = hν

 где h = 6,63·10–34 Дж·с – постоянная Планка.

Чтобы вырвать электрон из вещества, нужно сообщить ему энергию, превышающую работу выхода A. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона определяется согласно Эйнштейну уравнением

Это уравнение объясняет основные закономерности фотоэффекта:

Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от падающего светового потока.

Если между фотокатодом и анодом вакуумного фотоэлемента создать электрическое поле, тормозящее движение электронов к аноду, то при некотором значении задерживающего напряжения Uз анодный ток прекращается. Величина Uз определяется соотношением

Количество электронов, вырываемых с поверхности металла в секунду, прямо пропорционально мощности светового потока P.

Если частота света меньше некоторой определенной для данного вещества минимальной частоты νmin, то фотоэффект не происходит («красная граница фотоэффекта»)

У щелочных металлов красная граница лежит в диапазоне видимого света.

Модель является компьютерным экспериментом по исследованию закономерностей внешнего фотоэффекта. Можно изменять значение напряжения U между анодом и катодом фотоэлемента и его знак, длину волны λ в диапазоне видимого света и мощность светового потока P.

В эксперименте можно определить красную границу фотоэффекта и найти работу выхода материала фотокатода. Можно измерить запирающий потенциал Uз для различных длин волн и определить постоянную Планка h.

 Сейчас и мы, благодаря видеофрагменту, сможем увидеть то, что в те далёкие годы увидел Герц. Демонстрация через проектор опытов Герца из сайта http://demo.home.nov.ru/toppage2.htm 

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.

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.

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.

 Исследование  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

2.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.

1.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..

1. 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.

Применение фотоэффекта.

Фотоэффект используется в фотоэлектронных приборах, получивших разнообразные применения в науке и технике. На фотоэффекте основано превращение светового сигнала в электрический. Электрическое сопротивление полупроводника падает при освещении; это используется для устройства фотосопротивлений. При освещении области контакта различных полупроводников возникает фото-эдс, что позволяет преобразовывать световую энергию в электрическую (фотография на верху). Фотоэлектронные умножители позволяют регистрировать очень слабое излучение, вплоть до отдельных квантов. Анализ энергий и углов вылета фотоэлектронов позволяет исследовать поверхности материалов. В 2004 году японские исследователи создали новый тип полупроводникового прибора - фотоконденсатор, неразрывно соединяющий в себе фотоэлектрический преобразователь и средство хранения энергии. В преобразовании света новый прибор оказался вдвое эффективнее простых кремниевых солнечных батарей.

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.

4.Закрепление нового материала.

Итак, мы изучили с вами фотоэффект. Попробуем теперь  ответить на следующие вопросы:

Что называют фотоэлектрическим эффектом?

 В чем состоит экспериментальное исследование, проведенное А.Г. Столетовым?

Сформулируйте законы внешнего фотоэффекта.

  Сравните установку А.Г.Столетова с   установкой, изображенной в учебнике. Назовите их принципиальное сходство и различие.

А теперь выполним тест на закрепление.

1. Какой заряд окажется на двух цинковых пластинах, первая из которых заряжена положительно, а вторая – отрицательно, если их облучать ультрафиолетовым (УФ) светом?

А. Обе пластины будут заряжены отрицательно.

Б. Первая пластина приобретёт положительный заряд, вторая – отрицательный.

В. Обе пластины будут иметь положительный заряд.

2. Какие факторы определяют красную границу фотоэффекта:

1. длина волны; 2. вещество катода; 3. вещество анода?

А. 1, 2, 3.                        Б. 1, 2.                В. 1, 3.

3. Как изменится скорость вылетающих из вещества электронов, если частота облучающего света увеличится?

А. Не изменится.        Б. Увеличится.        В. Уменьшится.

4. От каких параметров зависит фототок насыщения:

1. световой поток; 2. частота облучающего света; 3. скорость вылетающих электронов?

А. 1, 2.                        Б. 3.                        В. 1.

5. Длина волны облучающего света уменьшилась в 2 раза. Как изменилась работа выхода электрона?

А. Не изменилась.        Б. Уменьшилась в 2 раза.        В. Увеличилась в 2 раза.

5.Д/З§88,89;№1140.

Материал для справок:

Герц (Hertz) Генрих (22.II.1857–1.I.1894)

Немецкий физик, один из основателей электродинамики. Исходя из уравнений Максвелла, Герц в 1886–89 экспериментально доказал существование электромагнитных волн и исследовал их свойства (отражение от зеркал, преломление в призмах и т. д.). Электромагнитные волны Герц получал с помощью изобретенного им вибратора. Герц подтвердил выводы максвелловской теории о том, что скорость распространения электромагнитных волн в воздухе равна скорости света, установил тождественность основных свойств электромагнитных и световых волн. Герц изучал также распространение электромагнитных волн в проводнике и указал способ измерения скорости их распространения. Развивая теорию Максвелла, Герц придал уравнениям электродинамики симметричную форму, которая хорошо обнаруживает полную взаимосвязь между электрическими и магнитными явлениями. Построил электродинамику движущихся тел, исходя из гипотезы о том, что эфир увлекается движущимися телами. Однако его электродинамика оказалась в противоречии с опытом и позднее уступила место электронной теории Х. Лоренца. Работы Герца по электродинамике сыграли огромную роль в развитии науки и техники и обусловили возникновение беспроволочной телеграфии, радиосвязи, телевидения, радиолокации и т. д.

В 1886–87 Герц впервые наблюдал и дал описание внешнего фотоэффекта. Герц разрабатывал теорию резонаторного контура, изучал свойства катодных лучей, исследовал влияние ультрафиолетовых лучей на электрический разряд. В ряде работ по механике дал теорию удара упругих шаров, рассчитал время соударения и т. д. Именем Герца названа единица частоты колебаний.

Томсон (Thomson) Джозеф Джон (18.XII.1856–30.VIII.1940)

Английский физик, член Лондонского королевского общества (с 1884, в 1915–20 – президент). В 1884–19 профессор Кембриджского университета и руководитель Кавендишской лаборатории; одновременно в 1905–18 профессор Королевского института в Лондоне. Ранние работы Томсона посвящены вычислению электромагнитного поля движущегося заряженного шара, теории вихрей, прецизионному измерению отношения абсолютных электрических единиц к электромагнитным. Занимаясь изучением газового разряда, Томсон совместно с сотрудниками выполнил серию классических работ, приведших его к открытию электрона (впервые измерил отношение заряда электрона к массе, 1897; Нобелевская премия, 1906). Томсон дал объяснение непрерывного спектра рентгеновского излучения, установил природу положительных ионов, предложил первую модель строения атома. В 1911 Томсон разработал так называемый метод парабол для измерения отношения заряда частицы к ее массе, который сыграл большую роль в исследовании изотопов.

Большое значение имела научно-организационная деятельность Томсона. Возглавляемая им Кавендишская лаборатория превратилась в ведущий научно-исследовательский физический центр, в котором под его руководством работали крупнейшие английские физики (Э. Резерфорд, Ч. Вильсон, Ф. У. Астон, У. Ричардсон и др.). Будучи убежденным сторонником классической физики, Томсон придерживался гипотезы эфира.