Фотоэффект
методическая разработка по физике

Дисциплина: «Физика»

Раздел: «Квантовая физика»

Тема урока:  «Фотоэффект. Уравнение фотоэффекта» (Слайд 1)

Цели урока: (Слайд 2)

• Образовательные: 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. Развивать логику, возможность работать в группе; учить моделировать процессы на компьютере.
• Воспитательные: Воспитание внимательности, чувства ответственности, терпимости к суждениям товарищей, познавательного интереса к предмету; расширить кругозор, формирование умения строить логическую цепочку рассуждений; воспитание гордости за своих соотечественников.

Межпредметные связи: информатика, электротехника, химия, кулинарное производство.

Тип урока: Урок усвоения новых знаний

Методы, применяемые на уроке:   

• Словесные (мини-лекция, физический диктант, ассоциативная разминка);
• наглядные (иллюстрации, демонстрации);
• практические – проблемно-поисковые (компьютерный эксперимент);
• работа в группах;
• работа с учебниками.

Место проведения:  Кабинет информатики - компьютерный класс.

Оборудование: 

1. Персональные компьютеры;
2. Мультимедийный проектор;
3. Приборы для демонстрации явления фотоэффекта (осветитель «Кварц», электрометр, цинковая и медная пластины, штатив, палочки из стекла и эбонита, мех и бумага, секундомер).
4. Видеоролик «Наблюдение фотоэффекта»

 Ход урока.

1.Организационный этап.  (Вступительное слово учителя)

 Мы знаем, что физика – наука о природе.

    Не то, что мните вы,  природа,- писал знаменитый поэт Ф.И.Тютчев:

    Не слепок, не бездушен лик, -

    В ней есть душа, в ней есть свобода.

    В ней есть любовь, в ней есть язык.

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… Непонимание природы и неумение жить с ней в гармонии приводит к трагедиям и катастрофам. Вы все знаете, например, о Чернобыльской трагедии, о трагедии в результате цунами на атомной станции Фукусима в Японии и других.

Основные правила работы на уроке

• Краткость – сестра таланта.
• Знания – сила.
• Шепот слышнее крика.
• Критикуя – предлагай.
• Будь бдителен.

Преподаватель.

Наш сегодняшний урок будет построен не совсем обычно. Я предлагаю выпустить журнал. Назовем его: «Физика в нашей жизни».

Все вы разбиты на бригады, в каждой из которых есть бригадир. Давайте из них составим редакционную коллегию, остальные учащиеся возьмут на себя роль корреспондентов. Я  буду главным редактором журнала.

Какому событию мы посвятим журнал? Все вы слышали имя выдающегося физика   Альберта Эйнштейна. В этом году исполняется 90 лет со дня вручения ему  Нобелевской премии. Многие считают, что он получил премию за свою «теорию относительности», но это не так. За какое открытие он стал Нобелевским лауреатом, мы и выясним сегодня.  

Как главный редактор предлагаю эпиграфом нашего журнала и соответственно эпиграфом урока взять  слова А.С.Пушкина: (Слайд 3)

                              О, сколько нам открытий чудных

                              Готовят просвещенья дух

                              И опыт, сын ошибок трудных,

                              И гений, парадоксов друг,

                              И случай, бог-изобретатель.

2.Актуализация опорных знаний учащихся.

Преподаватель.  Первая страница журнала: «По страницам пройденного».  

Предлагаю вам небольшой физический диктант.  Напоминаю, что за каждый правильный ответ в течение урока вы получите бонусы – маленькие фотончики в виде Солнышка.  В конце урока мы их посчитаем и полученные вами баллы учтем в накопительной таблице для последующего получения отметки. Итак, начинаем (Слайд 4):

1. Суть гипотезы Макса Планка состоит в том, что свет может излучаться……. (отдельными порциями световой энергии – квантами или фотонами).

2. Энергия кванта излучения зависит от…….. (частоты излучения) и определяется по формуле:………… (E=hv).

3. Постоянная Планка равна: ……….. (h=6,63·10-34Дж·с)

4. Фотоном называют………. (элементарную частицу – квант света).  Фотоном также можно назвать ……… (квант любых электромагнитных волн).

5. Какими свойствами обладает фотон? Фотон - это……… (элементарная частица, лишённая массы покоя и электрического заряда, но обладающая энергией и импульсом). 

(Преподаватель дает оценку ответов учащихся).

3. Объяснение нового материала.

Мотивация учебной деятельности.

Преподаватель. А  сейчас проведем с вами ассоциативную разминку и заполним вторую страницу нашего журнала, которую так и назовем.  Не задавались ли вы когда-нибудь вопросами:

• Кто зажигает свет на маяках и уличных фонарях?
• Что заставляет закрываться турникет в метро, если не оплачен проезд?
• Как работают цифровой фотоаппарат, сканер или ксерокопировальный аппарат?
• Почему, вставляя в дисковод «кусочек пластмассы», мы можем слушать музыку и смотреть фильмы?
• Как зовут того «швейцара», который открывает нам дверь при входе в супермаркет?
• Откуда курсор на мониторе знает, в какую сторону движется оптическая мышь?
• На современных производственных линиях, в том числе на предприятиях пищевой промышленности, при попадании какого-либо органа  человека (например, руки) в рабочую зону, срабатывает датчик аварийного отключения. Что находится внутри этого датчика?

Подобных вопросов можно задать достаточно много. Но ответ на них будет один. Его-то мы и постараемся сегодня с вами найти.

С чем у Вас ассоциируются все приведенные примеры?

(Ответы учащихся)

 Преподаватель. Нетрудно заметить, что во всех примерах присутствует свет. Наша с вами задача выяснить:

• какой эффект может произвести свет с веществом,
• каким физическим законам он подчиняется,
• какими математическими формулами выражается и от каких характеристик света и вещества зависит.

Это сегодня мы с вами и рассмотрим на уроке. Итак, тема урока  «Фотоэффект. Уравнение фотоэффекта.»  (Слайд 5)

Немного опередив события, я заранее попросил одного из членов редколлегии подготовить со своей командой третью страницу журнала под названием «Историческая справка». Этой команде было предложено  провести исследование с целью изучения истории развития знаний о фотоэффекте. Для защиты своей работы приглашается член редколлегии со своими помощниками.

(Проводится защита индивидуального домашнего задания, преподаватель дает оценку проведенной защиты).

Преподаватель. (Слайд 6)

В развитии представлений о природе света важный шаг был сделан при изучении одного замечательного явления, открытого Г. Герцем и тщательно исследовано выдающимся русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым.

Это явление получило название фотоэффекта.

Преподаватель:  

Переходим к следующей странице нашего журнала – «Практической».

Как сказал известный немецкий поэт Г.Гете:

«Суха теория, мой друг,

А древо жизни пышно зеленеет!»

Давайте выясним на опытах в чем суть явления фотоэффекта. (Слайд 7)

Преподаватель:   Сейчас я продемонстрирую вам несколько опытов. Думаю,  вы заметите, что возникнет проблемная ситуация. Поэтому смотрите внимательно и попытайтесь её решить.

        Начинаем:

(Преподаватель показывает видеоролик и проводит опыты с описанием своих действий).

• Опыт №1. Цинковую пластину заряжаем отрицательно от эбонитовой палочки. Облучаем пластину из осветителя «Кварц».  Засекаем время разрядки электрометра и заносим данные в тетрадь.
• Опыт №2. Цинковую пластину заряжаем отрицательно от эбонитовой палочки. Облучаем пластину из осветителя «Кварц», поставив предварительно  между пластиной и осветителем обычное оконное стекло.
• Опыт №3. Цинковую пластину заряжаем положительно от стеклянной палочки.  При облучении светом пластинки, стрелка электрометра неподвижна.
• Опыт №4. Медную пластинку заряжаем отрицательно. Облучаем пластину из осветителя «Кварц».  Засекаем время разрядки электрометра и заносим данные в тетрадь. Давайте сравним результаты.

Преподаватель:   Возникло несколько проблемных вопросов.

• Почему в первом опыте пластинка теряет заряд под действием света, а во втором нет?
• Почему в третьем опыте, при положительном заряде, пластина не теряет заряд?
• Почему время разрядки у электрометра с цинковой пластиной и медной пластиной  не одинаковое, в чём может быть причина?

Уважаемые члены редколлегии! Прошу вас обсудить возникшую проблему со своими корреспондентами и высказать по этому поводу свои мнения и рассуждения.

(Заслушиваем рассуждения и делаем выводы, преподаватель подводит итог, раздавая бонусы за правильные ответы).  

Преподаватель:   Таким образом, мы пришли с вами к выводу, что:

1. Тело теряет заряд только в том случае, если оно заряжено отрицательно.
2. Причиной ухода зарядов в цинковой пластине является свет, причём под действием квантов света выбиваются только электроны.
3. Интенсивность выбивания электронов зависит от рода металла.

         На основе данных выводов можем дать определение фотоэффекта:

(Преподаватель предлагает это сделать учащимся, подводя их к общепринятому определению фотоэффекта.)

(Слайд 8) 

Фотоэффект – явление вырывания электронов из вещества под действием света.

Преподаватель:    Во времена первых исследований фотоэффекта его природа была неизвестной, так как сами электроны в то время ещё не были открыты. Потерю заряда при этом пытались объяснить вырыванием светом мельчайших металлических частичек. Однако в 1987 г. Томсон открыл

электрон и через 2 года в 1989 году немецкий физик Филипп Ленард доказал, что мельчайшие металлические частички, вырванные светом, и есть электроны.

Развитие науки показало, что гипотеза Планка оказалась предвестником революции в физике. Она привела к рождению новой теории света и вещества - квантовой механике.

Физический смысл гипотезы Планка раскрыл А. Эйнштейн, предположив, что свет обладает корпускулярными свойствами, то есть свойствами частиц. Частицы света впоследствии назвали фотонами.    

Предположение Эйнштейна позволило объяснить уже знакомые нам явления фотоэффекта, о чём мы поговорим чуть-чуть позже.

Пятая страница нашего журнала посвящена  опыту, проводившемуся А.Столетовым.

(Слайд 9) 

В баллон, из которого откачен воздух, помешены электроды. Поток света падает на электрод и вырывает из него электроны. Часть этих электронов попадает на электрод, в результате между анодом и катодом возникает ток, который называется фототоком.

Преподаватель.  Предлагаю вам представить, что вы являетесь знатоками клуба «Что? Где? Когда?» и участвуете в игре «Брейн-ринг». Я буду задавать вам вопросы. На один из них ответ вы должны знать, а на остальные ответ можно найти логическими размышлениями. Какая команда первой дает правильный ответ, та и получает бонусы.

(Проводится мини-фрагмент игры «Брейн-ринг»).(Слайд 10)

1. Давайте вспомним, что называют электрически током?

(Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц).

2. Соответственно, что тогда называют фототоком?

(Фототок – движение вырванных светом из катода электронов).

3. Как вы думаете, каким прибором можно измерять силу фототока и напряжение между электродами?

(Силу фототока измеряют миллиампером или гальванометром; напряжение между электродами измеряется вольтметром).

4. В каких единицах измеряется фототок?

(Амперы и миллиамперы)

5. Какой электрон принято называть фотоэлектроном?

(Фотоэлектрон – электрон, вырванный светом из вещества).   

(Подводится итог игры, за правильные ответы учащиеся получают бонусы).

Преподаватель. (Слайд 11)

 С помощью установки Столетова можно измерить число ежесекундно вырванных светом электронов, а также максимальную кинетическую энергию вырванных электронов.    

Исследуя зависимость фототока от приложенного напряжения,          А.Г. Столетов установил, что он не подчиняется закону Ома. На рисунке изображен график зависимости фототока от напряжения между электродами при неизменном  освещении пластинки.
Из графика видно, что фототок сначала растёт, а затем при сравнительно небольшом напряжении перестаёт расти.

Максимальное значение фототока называют фототоком  насыщения.

Если изменить полярность источника напряжения, то сила тока уменьшится, и при некотором задерживающем напряжении она станет равной нулю. В этом случае электрический ток тормозит фотоэлектроны до полной остановки, а затем возвращает их на катод.

И еще одно очень важное замечание, на которое я хочу обратить ваше внимание.
Если электроны, вырванные светом, покидают вещество, то такой фотоэффект называют внешним.

Преподаватель. 

А сейчас нам  предстоит создать шестую страницу нашего журнала – экспериментальную: «Законы фотоэффекта».

(Выполняем задания в группах. Проводится ролевая игра. Условие игры: с использованием персональных компьютеров проводим виртуальные опыты на установке Столетова. Напоминаем правила работы и правила ТБ при работе за персональными компьютерами).

          Попробуйте представить себя Александром Столетовым и постарайтесь каждый в своей группе исследовать законы фотоэффекта, используя компьютерную модель.

Перед вами стоит задача: выяснить, от чего зависит количество фотоэлектронов, а также их кинетическая энергия.

Каждый член редколлегии получает задания для своей группы. Прошу вас провести виртуальный эксперимент и подготовить материал для шестой страницы журнала.

Задания группам

• 1 группа
  Как зависит количество вырванных фотоэлектронов от мощности светового потока? 
• 2группа
  Как изменится кинетическая энергия фотоэлектронов при уменьшении длины волны (частоты) падающего сета?
• 3 группа
  При любой ли длине волны падающего света происходит фотоэффект? Зависит ли интенсивность выбивания электронов от рода металла?

 (Учащиеся проводят виртуальный эксперимент, наблюдают за результатами, делают выводы).

Преподаватель. Проверим, к каким выводам вы пришли.

(Учащиеся излагают свои выводы. Преподаватель оценивает, обобщает и подводит итог).

1. Количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 с, прямопропорциональна  поглощаемой за это время энергии световой волны. (1 закон фотоэффекта) (Слайд 12)

2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов прямо пропорциональна частоте света и не зависит от его интенсивности.          (2 закон фотоэффекта) (Слайд 13)

3. Каждому веществу соответствует минимальная частота излучения (красная граница), ниже которой фотоэффект невозможен.(3 закон фотоэффекта) (Слайд 14)

Преподаватель. (Работа с учебником С.У.Гончаренко, Физика-11, К., 2006г.).
1. Используя материал учебника (стр.186) , ответьте на вопрос: соответствуют ли сделанные вами выводы с представленными в учебнике формулировками законов?
2. Найдите в учебнике (стр.188) ответ на вопрос: «В чём заключается смысл понятия «работа выхода электрона»?

(Учащиеся дают ответы на вопросы)
4. Закрепление полученных знаний: (решение задач) (Слайд 15) 

Преподаватель.  И, наконец, восьмая, и последняя страница нашего журнала. Я предлагаю вам в ваших группах решить задачи за определенное время. Кто решит больше и правильно, тот получит бонус.

(Учащимся за определенное время, в зависимости от того – сколько осталось до конца урока, предлагается решить задачи. Проверяются ответы и решения, делается оценка, раздаются бонусы).

1. По какой причине открытые окна домов днем кажутся черными, хотя в комнате достаточно светло из-за отражения дневного света от стен?
2. Падающий на поверхность катода желтый свет вызывает фотоэффект. Обязательно ли возникнет фотоэффект при освещении катода синим светом? Оранжевым светом?
3. Почему для различных веществ красная граница имеет различные значения?

4. Как понимать утверждение: красная граница фотоэффекта для никеля равна λ=2,475·10-7 м? Будет ли наблюдаться фотоэффект при освещении никеля светом с длиной волны λ=3·10-7 м? λ=2·10-7 м?

5. 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. Я думаю, что и вы в этом уже не сомневаетесь.

Итак, сегодня на уроке мы выяснили, что такое фотоэффект, как он протекает и каким законам подчиняется. Тема следующего урока: «Применение фотоэффекта. Решение задач». На нем мы постараемся более глубоко закрепить полученные сегодня знания. И, всвязи с этим:

 6.  Домашнее задание: (Слайд 16)

Выучить:  §  88, 89

Решить : №  4,5 (Упр.12)                            доп. № 6 (Упр.12)

Для желающих: Подготовить сообщения об А.Столетове и А.Эйнштейне.

 А теперь давайте с вами подсчитаем, кто и сколько фотончиков получил.

(В зависимости от их количества либо выставляем оценки, либо отмечаем результат в накопительной таблице).

 7. Рефлексия.

Преподаватель. Предлагаю вам проанализировать свою деятельность на уроке.

(Учащиеся: Анализируют, записывают свои мысли на листочках, которые учитель заранее выдал им на парты. )

(Слайд 17)

Моё настроение на уроке.

На этом урок окончен. До свидания!