Открытый урок по теме "Фотоэффект"
методическая разработка по физике по теме

Правительство Санкт-Петербурга

Комитет по образованию

СПБ ГБПОУ «КОЛЛЕДЖ ЭЛЕКТРОНИКИ И ПРИБОРОСТРОЕНИЯ»

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

открытого урока по физике

Тема: «Фотоэлектрический эффект. Опыты А.Г.Столетова. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта».

       (С использованием ЭОР: 1С: Образование. Библиотека наглядных пособий.

                                                                  Презентация, созданная самостоятельно).

                                                                                            Преподаватель: Игнатова О.В.

Тема: Фотоэлектрический эффект. Опыты А.Г.Столетова. Уравнение Эйнштейна для      фотоэффекта.

Тип занятия: комбинированный, урок-исследование    

Задачи урока:

• Изучить законы фотоэффекта
• развитие навыков исследовательской деятельности, анализа и обобщения в процессе изучения явления фотоэффекта

Средства обучения: Компьютер, мультимедийный проектор, экран, модель исследования законов  фотоэффекта с помощью программы 1С Образование: Библиотека наглядных пособий. 7-11 класс.

План-конспект урока

Организационный момент                                                                        

 Сегодня мы поговорим о таком замечательном явлении, как явление фотоэффекта.

Проверка изученного материала                                                                

Для закрепления знаний по предыдущей теме, необходимых для понимания и осмысления новых, выполним тест. Для этого вам нужно заполнить бланк ответов в двух экземплярах, для предварительной проверки.

Тест

1.Как называют часть физики, рассматривающую световые явления?

А. Механика;

Б. Квантовая физика;

В. Оптика;

Г. Электродинамика;

Д. Термодинамика.

2.Какие явления доказывают, что свет обладает энергией и переносит ее в пространстве?

А. Нагревание и видимость тел;

Б. Цвета тел;

В. Дифракция;

Г. Диффузия;

Д. Интерференция.

3. История развития представлений о природе света (записать в порядке развития):

А. Электромагнитная;

Б. Корпускулярная;

В. Волновая;

Г. Квантовая;

Д. Атомная.

4. Как называется минимальное количество энергии, которое может испускать и поглощать тело?

А. Джоуль;

Б. Квант;

В. Атом;

Г. Электрон;

Д. Электрон- вольт.

5. Какой из перечисленных величин пропорциональна энергия кванта?

А. Длине волны;

Б. Частоте колебаний;

В. Времени излучения;

Г. Силе света;

Д. Скорости фотона

6. Как называется коэффициент пропорциональности между энергией кванта и частотой колебаний?

А. Постоянная Больцмана;

Б. Постоянная Ридберга;

В. Постоянная Авогадро;

Г. Постоянная Фарадея;

Д. Постоянная Планка.

7. Какая из приведенных ниже формул определяет энергию кванта?

А.

Б.

В.

Г.

Д.

Бланк ответов

 Один экземпляр «Бланк ответа» сдаем, а по другому проверяем выполненную работу и выставляем себе оценку.

Критерий оценок:

Верных ответов         - 7 – оценка «5»

      - 6 - оценка «4»

      - 5 - оценка «3»

Активизация внимания студентов                                                                

       Любой путь познания природы проходит несколько этапов: открытие, исследование, объяснение. Мы с вами попытаемся пройти этот путь. Итак, тема сегодняшнего урока: «Фотоэффект. Законы А.Г.Столетова. Уравнение Эйнштейна».

           Особенностью всех световых явлений является то, что все они проявляются при взаимодействии света с веществом. При этом существует ряд явлений, в которых ярко проявляются волновые свойства света, с которыми мы познакомились при изучении волновой оптики. Но в некоторых случаях, как показывает опыт,  взаимодействие света с веществом происходит согласно квантовым представлениям о природе электромагнитных волн.

Электромагнитная теория Максвелла не могла объяснить ни устойчивость атома, ни закон распределения энергии в спектрах излучения по длинам волн, ни холодного свечения, ни происхождение линейчатых спектров излучения.

В поисках выхода из этого противоречия между теорией и опытом немецкий физик Макс Планк предположил, что атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями квантами.

После открытия Планка начала развиваться новая, самая современная и глубокая физическая теория – квантовая теория.

Изложение нового учебного материала                                                                

Квантовая гипотеза Планка (1890 г.)

 Сформулируйте гипотезу Планка.

 Излучение энергии атомами вещества происходит прерывисто, в виде отдельных порций, квантов.

Квантовая природа света

П.: Развитие гипотезы Планка привело к созданию представлений о квантовых свойствах света.

П.: Как Эйнштейн назвал световые кванты?

У.: Световые кванты Эйнштейн назвал фотонами.

П.: А теперь опираясь на наши знания и наблюдения, попробуем сформулировать основные положения квантовой природы света.

П.: Что же такое свет?

• Свет это поток частиц материи - фотонов, распространяющихся в вакууме со скоростью с=3*108м/с.

П.: А сейчас отвечая на поставленные вопросы, сформулируем основные положения квантовой теории света.

1. Как  может излучаться, распространятся и поглощаться свет?

2. От чего зависит энергия кванта?

3. Какой формулой определяется энергия кванта?

4. От чего зависит интенсивность света?

5. Как при взаимодействии с веществом может поглотиться квант?

6. Как происходит процесс поглощения энергии кванта веществом?

Основные положения квантовой теории света:

• 1) свет может излучаться, распространяться и поглощаться только отдельными порциями – квантами - фотонами;
• 2) энергия кванта зависит от частоты света и определяется формулой Планка:
• 3) интенсивность света зависит от плотности потока фотонов и их энергии;
• 4) при взаимодействии света с веществом квант – фотон может поглотиться целиком или отразиться целиком, поэтому в природе нет дробных квантов;
• 5) процесс поглощения энергии кванта - фотона веществом происходит мгновенно.

Фотоэффект

1. Квантовым законам подчиняется поведение всех микрочастиц. Но впервые квантовые свойства материи были обнаружены при исследовании излучения и поглощения света. В развитии представлений о природе света важный шаг был сделан при изучении одного замечательного явления, открытого Герцем (1887 г.).

Тщательно исследованного выдающимся русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым (1888 г.). Явление это получило название фотоэффекта.

Опыты Герца и Столетова (демонстрация опытов)

 И так свет вырывает электроны с поверхности металла.

 Что называется фотоэффектом?

Фотоэффектом, называют вырывание электронов из вещества под действием света.

• Фотоэффект, в результате которого электроны покидают облучаемое тело, называют внешним фотоэффектом.
• Фотоэффект, в результате которого электроны не покидают облучаемое тело, а остаются внутри него, называют внутренним фотоэффектом.

  Наблюдение фотоэффекта ( рассказывается об опыте или если есть возможность, то демонстрируется опыт).

 К электрометру присоединяется цинковая пластина. Если пластину зарядить положительно,         то освещение пластины электрической дугой не повлияет на быстроту разрядки пластины. Но, если пластину зарядить отрицательно, то разрядка идёт очень быстро.

Это явление можно объяснить тем, что свет вырывает с поверхности пластины электроны. Если на пути света поставить стекло, то пластина уже не теряет электроны, какова бы ни была интенсивность излучения. Отсюда следует вывод, что ультрафиолетовый участок спектра вызывает фотоэффект. Этот факт нельзя объяснит на основе волновой теории света.

Законы фотоэффекта. Изучением явления фотоэффекта вплотную занимался А.Г. Столетов. Опыты Столетова.

В стеклянный баллон, из которого откачан воздух, помещены два электрода. Внутрь баллона на один из электродов через кварцевое окошко, поступает свет. На электроды подаётся напряжение, которое можно изменять и измерять.

                           Задачи, которые ставил перед собой Столетов:

     1.От чего зависит количество электронов, вырываемых из металла, за 1 с?

      2.От чего зависит скорость фотоэлектронов, а значит и кинетическая энергия              фотоэлектронов?

       А теперь, давайте, побудем в роли экспериментаторов и попытаемся сформулировать законы фотоэффекта. Каждая группа садится за компьютер и выполняет задания по карточке-инструкции. После выполнения заданий, группа на своем рабочем месте, на основании ответов на задания, пытается сформулировать законы фотоэффекта.

      Подведение итогов исследования. Каждая группа дает отчет о проделанной работе. Высказываются варианты законов фотоэффекта, сформулированные учащимися.

                                                         1 закон

       Количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны. 

     Из графика видно, что при нулевом значении напряжения сила тока отлична от нуля. Это означает, что часть электронов достигают другого электрода и при отсутствии напряжения. Если изменить полярность электродов, то при некотором значении напряжения ток в цепи станет равным

нулю.

 Это напряжение называется задерживающим (Uз).

При изменении интенсивности света задерживающее напряжение не меняется. С точки зрения волновой теории этот факт не понятен.

                                               2 закон

     Кинетическая энергия электронов зависит только от частоты света. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.

                                                             3 закон

     Если частота меньше определённого для данного вещества минимальной частоты νmin, то фотоэффект не происходит.

Предельная частота или наибольшая длина волны, при которых еще можно наблюдать фотоэффект, называется красной границей фотоэффекта для данного вещества.

 и

 От чего зависит красная граница фотоэффекта?

Красная граница фотоэффекта зависит только от величины работы выхода электрона, т.е. от химической природы металла и состояния его поверхности.

Поэтому и предельная частота фотоэффекта (красная граница) для разных веществ различна.

                                                Уравнение Эйнштейна

П.: Вспомним, что необходимо электрону, что бы он смог вылететь из металла и

что называют работой выхода?

Исходя из квантовых представлений, Эйнштейн предположил, что при фотоэффекте электрон, поглощая фотон и приобретая его энергию, совершает работу выхода и покидает металл.

Применяя закон сохранения энергии, Эйнштейн получил уравнение для фотоэффекта:  или .

Где:  - энергия поглощенного фотона, Дж кинетическая энергия электрона, Дж;  - . кинетическая энергия электрона, Дж;  - работа выхода, Дж.

П.: Всегда ли возможен внешний фотоэффект?

Внешний фотоэффект возможен лишь при условии. Что энергия фотона больше либо равна работе выхода:

 или .

Закрепление материала                                                                                П.: Отвечая на поставленные вопросы, построим «Дерево» - опорного конспекта темы.

Назовем «Дерево» - квантовая природа света.

П.: Что является корнями нашего «дерева»?

У.: Гипотеза Планка.

П.: На основе гипотезы Планка были сформулированы основные положения квантовой природы света.

.: Квант, мгновенно, неделимый, энергия….

П.: Какое явление было открыто и объяснено квантовой теорией света?

У.: Фотоэффект.

П.: Кто исследовал это явление?

У.: Столетов.

П.: Условие для возникновения фотоэффекта?

У.: Энергия фотона, приобретенная электроном должна быть больше либо равна работе выхода.

П.: Какое уравнение объясняет фотоэффект?

У.: Уравнение Эйнштейна

П.: Как называется предельная частота или наибольшая длина волны, при которых еще можно наблюдать фотоэффект?

У.: Красная граница фотоэффекта.

П.: Чему равна красная граница фотоэффекта?

У.: , .

Обобщение знаний                                                                                        

П.: Обобщим полученные знания, разгадав кроссворд.

Кроссворд

П.: Ответить на вопросы. Назвать ключевое слово.

1. Огибание световыми волнами границы непрозрачных тел и проникновение света в область геометрической тени.

2. Русский физик, который исследовал фотоэффект и получил уравнение для фотоэффекта.

3. Физик, создавший корпускулярную теорию света.

4. Часть физики, которая рассматривает световые явления.

5. Кто развил идею Планка и объяснил явление фотоэффекта.

6. Элементарная частица, лишенная массы покоя и обладающая энергией и импульсом.

7. Как называется сложение двух или нескольких волн с одинаковым периодом, в результате которого, в одних точках пространства происходит увеличение, а в других уменьшение амплитуды результирующей волны.

8. Физик, открывший явление фотоэффекта.

9. Минимальное количество энергии, которое может излучать и поглощать тело.

10. Поток частиц материи - фотонов, распространяющихся в вакууме со скоростью

3*108 м/с.

Подведение итогов занятия; задание на дом                                                        

П. Дает характеристику работы группы на уроке в целом, а также отдельных учащихся, выставляет и комментирует оценки.

Выучить формулы и обозначения физических величин, так как на следующем занятии эти знания пригодятся для решения задач.

Повторить волновые свойства света.