Урок физики в 11 классе по теме "Фотоэффект"
план-конспект урока по физике (11 класс) по теме

Урок в 11 "А" классе по теме "ФОТОЭФФЕКТ".

Учитель: Сафронова Е.Г.

Цель урока: Дать понятие фотоэффекта. Сформулировать законы фотоэффекта. Объяснить законы фотоэффекта с точки зрения квантовой теории. Выявить условия, при которых он протекает. Раскрыть смысл работы выхода и красной границы. Раскрыть некоторые применения фотоэффекта.

Задачи:

Обучающие: 

Расширить и углубить знания о электромагнитном строении света, законах теплового излучения, познакомить с компьютерным методом исследования фотоэффекта, продолжить работу по изучению явлений, объясняемых квантовыми свойствами излучения, их внутренними противоречиями и связями с диалектикой природы.

Воспитательные:

Познакомить учащихся с развитием представлений о природе света. С взаимодействием классической и квантовой механики. Раскрыть значения накопления фактов, их уточнения при познаваемости явления фотоэффекта. Показать значения причинно-следственных связей в познаваемости явления фотоэффекта.

Развивающие:

 Работа над умениями формировать, сравнивать явления, выделять главную причину. Делать выводы и обобщения. Формирование умения развертывать доказательства на основе данных. Формирование элементов творческого поиска, уровня самостоятельного мышления по применению знаний в конкретной ситуации. Формирование логического мышления.

Тема урока: "Фотоэффект".

Задачи урока (на доске):

1.пронаблюдать явление фотоэффекта. Что такое фотоэффект?

2.Раскрыть его физическую суть. Назвать условия, при которых он протекает.

3.Промоделировать фотоэффект.

4.Сформулировать законы фотоэффект.

К середине 19 века развитие классической механики достигает пика. Опираясь на это, Джеймс максвелл в 1864 году теоретически предсказывает существование электромагнитных волн. В 1870 году он доказывает, что скорость распространения вакууме электромагнитных волн совпадает со скоростью света и равна 3 108 м/с.

-Давайте вспомним какими свойствами волн обладает свет? (преломление. отражение, поглощение, поперечность).

-Какие явления доказывают, что свет является волной? (интерферениция, дифракция, дисперсия, поляризация).

-Кто впервые получил электромагнитные волны? (Генрих Герц).

В 1887 году Генрих Герц создает устройство, названное вибратором с помощью которого получает электромагнитные волны. При этом, он совершенно случайно обнаружил, что при облучении ультрафиолетовыми лучами искрового промежутка, находящегося под высоким напряжением облегчается разряд через воздух. То есть разряд возникает при таком расстоянии между электродами, при котором в отсутствии облучения он не происходит. Это явление в последствии было названо фотоэффектом. Но герц не исследует это явление. Год спустя в 1888 году русский ученый Александр Григорьевич Столетов решает изучить явление возникновения тока при освещении электродов светом и найти зависимость величины тока от приложенного напряжения.

Видеоролик опыт Столетова. (2 мин). Посмотрев отрывок, давайте дадим определение фотоэффекта.

-Фотоэффектом называется явление вырывания электронов с поверхности металла под действием света.

-Как это явление можно объяснить с точки зрения волновой теории Максвелла?

Смотрим второй отрывок, слушаем пояснения: Мы видим, что под действием световой  волны,  в  металле возникают вынужденные колебания электронов. В результате кинетическая энергия электронов может оказаться достаточной для     преодоления силы притяжения, удерживающих его внутри металла, то есть для выхода из металла. Для этого необходимо время. Кинетическая энергия электронов должна зависеть от интенсивности падающего света, так как увеличение интенсивности приводит к тому, что электрону передавалась бы большая энергия. Согласно волновой теории свет должен вырывать электроны независимо от частоты и длины волны излучения.

Но эксперимент показал совершенно противоположное. Давайте еще раз проверим это на компьютере. Переходим к компьютеру, открываем: Содержание. Фотоэффект.

Рассмотрим установку предлагаемую для изучения фотоэффекта. Основной частью являются электроды на которые подается напряжение, причем катод изготовлен из исследуемого металла. Они помещаются в вакуумный баллон, чтобы фототок создавался лишь электронами, вырываемыми светом и исключить  влияние воздуха. Фототок регистрируем  миллиамперметром. Полярность батареи можно менять с помощью переключателя.

Выводы сделанные Столетовым, он сформулировал в виде законов, которые мы сейчас рассмотрим.

 Но сначала нам необходимо вспомнить несколько понятий, которые мы изучали ранее:

-Что такое ток насыщения? (это максимальный ток при котором все  частицы, вылетевшие с катода, достигают анода.)

-Какое напряжение называют  задерживающим? ( напряжение при котором ток равен нулю).

-Интенсивность света это (энергия которая за единицу времени переносится световой волной).

На модели мы видим схему фотоэффекта. Мы можем менять напряжение на электродах, длину волны падающего света и интенсивность излучения, а справа рассмотреть вольтамперную характеристику. Компьютер сам будет высчитывать величину тока насыщения и энергию световой волны.

Работать будем по группам:

1 группа определяет зависимость фототока от напряжения , при этом

                 напряжение меняется в пределах от 0 до 3 В.

2 группа определяет, как зависит ток насыщения от интенсивности света

3 группа определяет зависимость фототока от напряжения, при этом                                                                                                                          

                 напряжение меняется в пределах от 0 до -3 В.

4 группа определяет, как зависит задерживающее напряжение от интенсивности света.

5 группа определяет, как зависит задерживающее напряжение от длины   волны (частоты).

6 группа определяет зависимость фототока от длины  волны (частоты).

Подводим итоги:

1 группа: Мы установили  длину волны 340 нм и интенсивность света 0,4 мВт. Увеличивая напряжение от 0 до 3 В, заметили, что величина фототока увеличилась и при  некотором напряжении достигла максимального значения (тока насыщения)После  дальнейшего увеличения напряжения ток не менялся.

2 группа: Мы установили интенсивность света   0,4 мВт, а затем увеличили и уменьшили в 2   раза. Заметили, что ток насыщения тоже  соответственно увеличился и уменьшился в  2 раза.

-Чем определяется величина тока насыщения? (числом электронов, вырываемых светом с катода), то есть чем больше интенсивность света, тем больше электронов вылетает с поверхности    металла. В этом состоит 1 закон фотоэффекта (открываем закон, написанный на бумаге): Ток насыщения (число электронов вырываемых светом с катода) прямо пропорционален интенсивности света.

3 группа: Мы установили напряжение равное нулю, при этом увидели, что ток насыщения нулю  не равен. Стали увеличивать величину напряжения в отрицательной области ( переключили полюса батареи) и заметили, что при некотором напряжении   ток насыщения стал равен нулю. При дальнейшем увеличении ток не изменился.

-Давайте выясним, что здесь происходит?

Между электродами возникает электрическое поле, которое тормозит электроны до полной остановки, совершая при этом работу. Вылетая с катода электроны, обладают кинетической энергией. Так как ток насыщения равен нулю , то А= Ек , А=еUз , Е  = m V2/2.

 Отсюда следует:

Uз e=mV2/2. Измерив задерживающее напряжение, можно определить кинетическую энергию и скорость электронов.

4 группа:  Мы установили задерживающее напряжение и меняли интенсивность света. При этом  заметили, что фототок не появился, то есть задерживающее напряжение не менялось и значит, не менялась кинетическая энергия электронов.

5 группа: Мы установили задерживающее напряжение и стали уменьшать длину волны (увеличивать частоту). Заметили, что при некоторой длине волны фототок вновь появился, и чтобы его прекратить нам пришлось   увеличивать значение задерживающего напряжения, то есть увеличивалась кинетическая энергия электронов. Значит, кинетическая энергия электронов зависит от длины волны (частоты) света.

-То есть теперь мы можем сформулировать 2 закон фотоэффекта: Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов пропорциональна частоте света и не зависит от его интенсивности.

6 группа: Мы установили максимальную интенсивность света  и минимальную длину волны, которую постепенно стали увеличивать. При этом заметили, что при длине волны  равной 622 нм фототок исчез, и при дальнейшем ее увеличении фототока не было.

-Эта максимальная длина волны или минимальная частота называется красной границей, то есть это минимальная частота, при которой еще возможен фотоэффект. Эта частота зависит только от природы металла и может лежать на любом участке оптического диапазона. В данном случае она соответствует красному участку спектра. Таким образом мы можем сформулировать 3 закон

фотоэффекта: Для каждого вещества существует минимальная частота, называемая красной границей, ниже которой фотоэффект невозможен.

Установим интенсивность света равную нулю и длину волны 380 нм. Увеличим интенсивность.

-Как быстро возникнет ток? (сразу). Поэтому мы можем сформулировать 4 закон фотоэффекта:

Фотоэффект безинерционен.

Вспоминая волновую теорию можно сказать, что эксперимент не подтвердил предположения выдвинутые волновой теорией, так как фотоэффект возникает сразу и чем больше частота, тем больше кинетическая энергия электронов. Поэтому Столетов не смог объяснить фотоэффект с точки зрения волновой теории. Это сделал в 1905 году Альберт Эйнштейн, опираясь не на волновую теорию, а  развивая идею немецкого ученого Макса Планка. В 1900 году Макс Планк для объяснения особенностей теплового излучения, выдвинул гипотезу, согласно которой свет теряет энергию отдельными  порциями - квантами. Энергия кванта определяется формулой Е=hv.

 Где v - частота света, а h - постоянная Планка. h=6,63 10-34   Дж с.

Эйнштейн развил идею Планка предположив, что законы фотоэффекта легко объясняются. Если предположить, что свет поглощается веществом такими же порциями - квантами, какими он испускается и распространяется. При поглощении частица света - фотон, поглощается электроном и передает ему свою энергию, которая идет на совершение работы, чтобы вырвать электрон из металла и сообщить ему кинетическую энергию, чтобы он долетел до анода.

    hv = A+ mV/2.

1 закон можно объяснить тем,  что каждый электрон вырывается только одним фотоном и его скорость определяется только частотой падающего света. Повышая интенсивность света, мы увеличиваем плотность фотонов (их число), а значит и число соударений электронов с фотонами за единицу времени.

2 закон можно объяснить тем, что чем больше частота, тем больше кинетическая энергия (согласно формуле Эйнштейна).

3 закон объясняется тем, что если фотоэффект не наблюдается, то его кинетическая энергия равна нулю, поэтому А=hvmin. Таким образом      работу выхода электронов из металла можно определить зная минимальную частоту света при которой фотоэффект еще возможен. Поэтому работа выхода зависит только от химической природы металла.

Давайте теперь вернемся к началу урока и выясним насколько хорошо мы решили поставленные задачи.

Проверим полученные знания с помощью теста на компьютере.

 Лабораторная работа. Фотоэффект.

 1 группа: 2 вопрос, 2 задача

 2 группа: 4 вопрос, 4 задача

 3 группа: 5 вопрос, 5 задача

 4 группа: 6 вопрос, 6 задача

 5 группа: 7 вопрос, 3 вопрос

 6 группа: 1 вопрос, 1 задача.

Домашнее задание: