Конспект урока по физике на тему:"Фотоэффект"
методическая разработка по физике (11 класс) на тему

Цель урока: продолжить формирование понятия фотоэффекта, обеспечить закрепление изученного материала

Задачи:

Образовательные: показать, что идеи квантовой физики формировались сложным путем, что понятия квантовой физики представляют собой систему знаний, все звенья которых находятся во взаимной связи. Сформировать у учащихся представления о фотоэффекте и изучить его законы; ознакомить с научной деятельностью А.Г. Столетова; сформировать понятие кванта энергии, расширить представления учащихся об области применения закона сохранения энергии; развивать познавательную активность школьников с помощью проблемных вопросов, исторического материала;

Развивающие: Научить видеть вокруг физические явления и уметь их правильно объяснять; формирование умений проводить обобщения; развитие мыслительной деятельности учащихся.

 Воспитательные: воспитание внимательности, познавательного интереса к предмету; расширить кругозор, формирование умения строить логическую цепочку рассуждений; воспитание гордости за своих соотечественников.

Оборудование: персональные компьютеры, проектор, экран, диск  «БЭНП»,  презентация. «Столетов А.Г.».

Литература:

1. Касьянов В.А. Физика. 11 кл.: Учебн.для общеобразоват.учреждений./В.А. Касьянов – 3-е изд., дораб. – М.: Дрофа, 2003. – 416 с.
2. Китайгородский А.И. Физика для всех: Фотоны и ядра. / А.И. Китайгородский – 3-е изд., стер. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984. – 208 с.
3. Колтун М.М  Мир физики: Научно-художественная лит-ра / Оформление Б. Чупрыгина. – 2-е изд.. – М.: Дет. лит., 1987. – 271 с.
4. Мякишев Г.Я. Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений/ Г.Я. Мякишев, Б.Б Буховцев. – 12-е изд. – М.: Просвещение, 2004. – 336с.
5. Энциклопедический словарь юного физика / Сост. В.А. Чуянов. – М.: Педагогика, 1984. – 352 с.
6. Используемые ресурсы Единой коллекции цифровых образовательных ресурсов: «Наблюдение  фотоэффекта».

Ход урока

Учитель: Мы знаем, что физика- наука о природе. Вспомним Ф.И.Тютчева:

"Да, у природы есть свой язык, и мы должны его понимать". На каждом уроке физики, при изучении любого явления мы учимся этому языку, помня, что если первое срубленное дерево явилось началом цивилизации, то последнее будет означать её конец…Путь познания природы таков: открытие – исследование - объяснение.

При изучении нашей темы этим этапом можно сопоставить три даты:1887 – 1890 – 1905.

О каком событии идет речь? С именами, каких учёных можно связать каждый этап? Какое значение имели их работы для квантовой физики?

Ученик: 1887 год-Генрих Герц открыл явление фотоэффекта

        1890 год - А.Г. Столетов установил количественные закономерности фотоэффекта

        1905 год- Альберт Энштейн обосновал квантовую природу фотоэффекта и его закономерности.

Учитель: Было установлено, что тепловое излучение –это электромагнитное излучение, испускаемое нагретыми телами за счет своей энергии. (слайд 2)

        Тепловое излучение ведет к уменьшению внутренней энергии и, следовательно, к снижению температуры тела, к его охлаждению. Увеличение внутренней энергии возможно лишь при поглощении телом энергии. Испуская электромагнитные волны, а также частично поглощая падающие на них волны, тела способны обмениваться энергией. Постоянная температура тела устанавливается, когда уменьшение энергии тела в результате излучения компенсируется ее увеличением при поглощении. При термодинамическом равновесии спектр излучаемой и поглощаемой энергий остается неизменным во времени.

        Примером равновесного излучения внутри замкнутой оболочки, окруженной снаружи теплонепроницаемой изоляцией. Энергия, излучаемая каждым элементом поверхности оболочки в единицу времени, равна энергии, передаваемой излучением этому элементу за то же время. Благодаря замкнутости оболочки такое тело, называемое абсолютно черным, поглощает всю падающую на него энергию.

        Абсолютно черное тело – тело, поглощающее всю энергию падающего на него излучения любой частоты при произвольной температуре. .

Луч света, попадающий внутрь полости через отверстие, претерпевает многократное отражение от стенок полости. При каждом отражении происходит частичное поглощение энергии света стенками. Поэтому независимо от материала внутренней поверхности оболочки интенсивность света, выходящего из полости через отверстие, во много раз меньше интенсивности падающего извне первичного излучения, попадающего в полость, поглощается. По аналогичной причине открытые окна домов днем кажутся черными, хотя в комнатах достаточно светло из-за отражения дневного света от стен. Методы классической физики оказались недостаточными для объяснения характеристик излучения абсолютно черного тела.

        Тепловое излучение абсолютно черного тела: ультрафиолетовая катастрофа - расхождение классической теории теплового излучения с опытом. (слайд 3)

        В поисках выхода из этого противоречия между теорией и опытом немецкий физик Макс Планк (слайд 4) предложил, что атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями – квантами. Энергия каждой порции прямопропорциональна частоте излучения:

 E = hν. (слайд 5) Коэффициент пропорциональности h получил название постоянной Планка

В развитии представлений о природе света важный шаг был сделан при изучении одного замечательного явления, открытого Г. Герцем (слайд 6) и тщательно исследовано выдающимся русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым. Это явление получило название фотоэффекта (слайд 7).  Сегодня на уроке мы закрепим знания по основным вопросам изучаемой темы «Теория фотоэффекта». Эпиграфом к уроку нам послужат слова А.С. Пушкина:

"Не то, что мните вы, природа:

Не слепок, не бездушный лик,-

В ней есть душа, в ней есть свобода,

В ней есть любовь, в ней есть язык»

                        Итак, что же такое фотоэффект?

 Фотоэффект – вырывание электронов из вещества под действием света.

Для обнаружения фотоэффекта можно использовать электрометр с присоединенной к нему цинковой пластиной (слайд 8 , видеоролик).

        Для того чтобы получить о фотоэффекте более полное представление, нужно выяснить, от чего зависит число вырванных светом с поверхности вещества электронов и чем определяется их скорость или кинетическая энергия. С этой целью были проведены экспериментальные исследования. (слайд 9).

Учитель: А.Г.Столетов установил основные законы фотоэффекта .

Послушаем сообщение об этом выдающемся ученом.

(Сообщение учащихся)

 Учитель: Сформулируйте основные законы фотоэффекта.

Законы фотоэффекта:

1. Количество электронов, вырываемых с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны. (слайд 10)

При некотором значении напряжения Uз сила тока станет равной нулю. Это значит, что электрическое поле тормозит вырванные электроны до полной остановки, а затем возвращает их на электрод. Это напряжение называют задерживающим напряжением, и зависит от максимальной кинетической энергии, которую имеют вырванные светом электроны. Максимальное значение кинетической энергии можно найти, применяя теорему о кинетической энергии: mυ 2 /2 = еUз

При изменении интенсивности света задерживающее напряжение не меняется. Это означает, что не меняется кинетическая энергия электронов.

2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности. (слайд 11).
3. Каждому веществу соответствует минимальная частота излучения (красная граница), ниже которой фотоэффект невозможен. (слайд 12).

Объяснение фотоэффекта было дано в 1905 году Эйнштейном (слайд 13), развившим идеи Планка о прерывистом испускании света. В экспериментальных законах фотоэффекта Эйнштейн убедительное доказательство того, что свет имеет прерывистую структуру и поглощается отдельными порциями.

        Явление фотоэффекта показало, что свет имеет прерывистую структуру: излученная порциями световой энергии E = hν сохраняет индивидуальность и в дальнейшем. Поглотиться может только вся порция целиком.

        Кинетическую энергию фотоэлектрона можно найти, применив закон сохранения энергии. Энергия порции света hν идет на совершение работы выхода А, т.е. работы, которую нужно совершить для извлечения электрона из металла, и на сообщение электрону кинетической энергии. (слайд 14). Следовательно  (слайд 15)

Это уравнение объясняет основные факты, касающиеся фотоэффекта.

Для каждого вещества фотоэффект наблюдается лишь в том случае, если частота света ν больше минимального значения νmin.  Чтобы вырвать электрон из металла даже без сообщения ему кинетической энергии, нужно совершить работу выхода (слайд 16). Работа выхода  часто измеряется в электронвольтах. 1 эВ = 1,6·10 -19 Дж. Значения работы выхода для различных веществ можно найти в справочных таблицах. (талб. 11 с. 164,  сборник задач Рымкевич). (Слайд 17)

Следовательно, энергия кванта должна быть больше этой работы hν >A. (слайд17).

Предельную частоту νmin.  называют красной границей фотоэффекта.

Диск «Библиотека электронных наглядных пособий

Ученик: Эйнштейн, развив идею М.Планка (1905), показал, что законы фотоэффекта могут быть объяснены при помощи квантовой теории.

 Явление фотоэффекта экспериментально доказывает: свет имеет прерывистую структуру.

Излученная порция сохраняет свою индивидуальность и поглощается веществом только целиком.

    Обратимся к эксперименту.

 Просмотрим видеофильм.

В стихотворении А.С. Пушкина читаем:»…гений,  парадоксов друг». Знаете ли вы, что такое парадокс? Парадокс-это неожиданное явление, несоответствующее обычным представлениям. Сейчас просмотрите параграф 74 и найдете, в чем состоит парадокс фотоэффекта.

Парадокс состоит в том, что при увеличении потока падающего света заданной длины волны не происходит увеличения скорости фотоэффекта, а свет длиной волны меньше порогового  значения вообще не может выбить из металла электроны независимого от мощности светового потока.

Возникает ли фотоэффект в цинке под действием излучения, имеющего

Выясним где фотоэффект нашел свое применение. Послушаем подготовленные ребятами сообщения:"Внешний фотоэффект";"Внутренний фотоэффект";"Альтернативный источник"

Закрепление: решение задач (слайд 18)

1. По какой причине открытые окна домов днем кажутся черными, хотя в комнате достаточно светло из-за отражения дневного света от стен?
2. Найдите энергию фотона с длиной волны 400 нм.
3. Используя данные таблицы (см. слайд 16), найдите красную границу фотоэффекта для цинка.
4. Найдите задерживающую разность потенциалов для фотоэлектронов, вырываемых с поверхности вольфрама светом с длиной волны 400 нм.

Подведение итогов. Так или иначе, но Эйнштейну удалось показать, что квантовая теория имеет право на существование. Применяя, ее для объяснения все новых явлений он непрерывно увеличивал число ее сторонников. Последние сомнения в существовании световых квантов отпали.

Слайд 19

Домашнее задание: § 88, 89 упр. 12 № 4, 5, 6 (слайд 20)