Конспект уроку з фізики 11 клас "ФОТОЕЛЕКТРИЧНИЙ ЕФЕКТ та його ЗАКОНИ"

Комунальний заклад

„Навчально-виховне об’єднання „Багатопрофільний ліцей - фізико-математична школа-

загальноосвітня школа І-ІІІ ступенів №18 - центр дитячої та юнацької творчості „Надія”
Кіровоградської міської ради Кіровоградської області”

 

 

 

 

 

Конспект  уроку з фізики

11 клас

 

ФОТОЕЛЕКТРИЧНИЙ ЕФЕКТ
та його
ЗАКОНИ

 

 

 

Вчитель:
Лаврусенко Іван Миколайович

Тема: Фотоелектричний ефект та його закони

Навчальна мета: (Слайд №2)

ознайомити з корпускулярними властивостями світла в процесі вивчення явища фотоефекту, вчити розрізняти поняття внутрішнього та зовнішнього фотоефекту, домогтися засвоєння учнями законів фотоефекту, формувати навички застосування рівняння Ейнштейна під час розв’язування задач.

 

Розвивальна мета:

розвивати пам’ять, уважність, логічне мислення, продовжувати формувати навички обчислень за формулами,

 

Виховна мета:

виховувати почуття гордості за досягнення вітчизняної науки і техніки, вчених-фізиків; виховувати уважність, зібраність, спостережливість; виховання культури поведінки, культури мови, свідомої дисципліни, культури записів.

 

Тип уроку: Урок вивчення нового навчального матеріалу.

 

План

 

1.Організаційний момент.

Вступне слово вчителя.

 

2.Актуалізація опорних знань.

I етап уроку. Опис хвильових властивостей світла. Постановка проблеми.

3.Вивчення нового навчального матеріалу.

II етап уроку.  Пояснення дії фотореле. Означення явища внутрішнього фотоефекту.

III етап уроку.  Історія відкриття та означення зовнішнього фотоефекту. Дослід Герца (демонстрація).

IV етап уроку.  Дослід Столєтова. Закони Фотоефекту.

V етап уроку.  Зародження квантової фізики. Пояснення фотоефекту. Рівняння Ейнштейна

4.Закріплення вивченого.

 

5.Підведення підсумків уроку

Хід уроку

 

1.Організаційний момент.

Вступне слово вчителя.

 

Епіграф уроку: (Слайд № 1)

 

Солнце, небо, звезд сиянье,
Море в блеске голубом,
Всю природу и созданья
Мы лишь в свете познаем

 

(Слайд № 2). Дозвольте розпочати сьогоднішній урок словами Сергія Івановича Вавілова - радянського фізика, засновника наукової школи фізичної оптики в СРСР: «Сонячні промені несуть з собою сонячну масу. Світло - не безтілесний посланник Сонця, а саме Сонце, частина його, долетіли до нас».

 

Отже, сьогодні ми будемо говорити про світло як потік частинок.

ІІ Мотивація навчальної діяльності.

Давайте спочатку згадаємо, які властивості світла описуються хвильовою теорією, згідно якої, світло – це є електромагнітна хвиля відповідної довжини.

Учні відповідають

Розглянуті на попередніх уроках явища інтерференції, дифракції, дисперсії і поляризації свідчать, що світло має хвильові властивості. Однак у процесі вивчення взаємодії світла з речовиною в кінці 19 ст. і на початку 20 ст. було відкрито деякі оптичні явища, які не вдавалось пояснити з точки зору електромагнітної теорії світла. У зв’язку з цим виникло нове уявлення про світло, як потік своєрідних частинок – фотонів, або квантів світла.

Ми розглянемо явища взаємодії світла з речовиною, розуміння яких на основі уявлення про світло як електромагнітні хвилі викликає значні труднощі або ж неможливе. Одним з таких явищ є фотоефект.

 

Обладнання для ІІ етапу: (Слайд № 3).   з темою уроку „Фотоефект”

 

Учитель:

Пропоную спочатку звернутися до експерименту.

Дослід 1.  Використовуючи дитячий конструктор демонструємо увімкнення сирени при освітленні фоторезистора.

В якості вмикача сирени в цій схемі використано напівпровідниковий фоторезистор. Згадаємо, що опір напівпровідників суттєво залежить від освітленості.

 

 На ваших очах відбувся певний ефект. Причиною появи звуку стало світло. „Світло” на грецькій мові звучить як “photos”, а “effectus” з латинської перекладається як „дія, виконання”. Отже, маємо справу з явищем, яке українською можна назвати як „світлова дія”, а іншомовне слово, яке вживається частіше, „Фотоефект” (Слайд № 3). Це і буде тема нашого уроку. З неї  починаємо вивчення розділу „Світлові кванти”. Відкрийте зошити і запишіть її.

Бесіда учителя з учнями:

Учитель: А чому сирена не вмикалася поки фоторезистор був закритим?

Учень:    Опір кола був великий.

Учитель: Отже, напівпровідниковий фоторезистор при освітленні  має  менший опір. Чому?

Учень:  З’являються вільні носії заряду  електрони.

Учитель: А раніше до складу цієї речовини не входили електрони?

Учень:  Входили, але були зв’язані парноелектронними зв’язками, а світло порушує ці зв’язки, вільних носіїв заряду стає більше.

Учитель: Тільки що ми спостерігали прояв явища внутрішнього фотоефекту. Внутрішній фотоефект має широке застосування. Про це ми поговоримо згодом.

Отже спробуємо дати означення фотоефекту. (Слайд)

 

Фотоефект – це явище взаємодії електромагнітного випромінювання з речовиною, в результаті якого енергія фотона передається електронам речовиний останні переходять у новий енергетичний стан.

 

III етап (7-8 хв)

Обладнання для третього етапу: 

 портрет Герца (Слайд 5), для досліду: стандартний набір для демонстрації фотоефекту з ультрафіолетовою лампою, фільтрами, цинкова та мідна пластини на стержнях, штатив з лапкою, електроскоп, ебонітова паличка, пухова хустка, наждачний папір.

Історична довідка: Генрих Герц.

 

Фотоелектричний ефект було відкрито випадково німецьким фізиком Генріхом Герцем в 1887 р. Але незалежно від нього подібні явища спостерігали Сванте Арреніус, Вільгельм Гальвакс, Аугусто Рігі. (Слайди 5-8).

 

Учитель:

 Відтворимо один із варіантів досліду Герца:

 На стержні електрометра установлено гарно зачищену цинкову пластину. Надавши пластині негативного заряду від ебонітової палички, потертої о хутро, напрямляємо на пластину ультрафіолетове проміння. Під дією променів пластина розряджається, причому тим швидше, чим більший світловий потік. Якщо заряджати мідну пластину, розряджання електрометра відбувається повільніше. Причому на розрядку електрометра впливало світло високої частоти. Якщо перед лампою поставити червоний фільтр, то явище зовсім не спостерігалося. При наданні стержню позитивного заряду, явище не спостерігається також. Герц пояснити це явище не зміг. Чи зможемо ми пояснити його? Чому розряджається електроскоп? 

 

Бесіда учителя з учнями:

Учитель: Що означає фраза: „Пластинка заряджена негативно?”

Учень:  Це означає, що пластинка має надлишок електронів. Ебонітова паличка, потерта о хутро заряджається саме так.

Учитель: Отже під час розрядження вона втрачає саме електрони. Що було причиною цього?

Учень:  Світло.

Учитель: Логічно припустити, що світло начебто „вибиває” електрони з металу. А чому цього не відбувається з позитивно зарядженою пластиною?

Учень:  Електричне поле напрямлене так, що вертає електрони назад.

Учитель: Підведемо деякі підсумки. Електрони, вибиті світлом виходять назовні, пластинка їх втрачає, тому стає все менш негативною, і, врешті-решт, незарядженою. Так яке ж означення можна дати? Що таке зовнішній фотоефект?

Учень:  Зовнішній фотоефект – це явище втрати речовинами електронів під дією світла або іншого електромагнітного випромінювання. (записи в зошитах)

Учитель: Так чим відрізняється зовнішній фотоефект від внутрішнього?

 

Учень:  При внутрішньому електрони залишаються всередині речовини, тільки змінюється їхня енергія, вони стають електронами провідності, а при зовнішньому фотоефекті – електрони залишають речовину.                                                                                                                     

 

IV етап (8-9 хв)

Обладнання для четвертого етапу: портрет Столєтова (Слайд), плакат з суцільним спектром видимого світла з підписаними під кольорами середніми значеннями частот і довжин хвиль (частоти в терагерцах, довжини в нанометрах), слайд з накресленою схемою досліду Столєтова і графіком залежності сили фотоструму від напруги.

(або FLASH АНІМАЦІЙНЕ ЗОБРАЖЕННЯ)

 

 

Учитель:

 Чи справив враження на науковий світ дослід Герца? Чи змогли вчені пояснити його результати на основі хвильових властивостей світла? Чи все було зрозуміло?

 

Учень:

 Після опублікування повідомлення про відкриття Герца цей ефект зацікавив багатьох дослідників.              Найретельніше в 1888 – 1890 р.р. закономірності фотоефекту вивчив Олександр Григорович Столєтов (показати портрет вченого,  Слайд №11).

Історична довідка: О.Г.Столєтов

 

Учитель:

 Отже, ми підійшли до однієї з найважливіших частин нашого уроку.

Олександр Григорович Столєтов – засновник фізичної лабораторії в Московському університеті називав свої досліди „актино-електричні дослідження". Він працював з конденсатором, але незвичним. Одна з пластин (позитивна) являла собою сітку, а негативна – суцільна. Таким чином освітлення цього конденсатора впливало тільки на катод (демонстрація пластин з набору з фотоефекту). Ви знаєте, що в звичайних умовах конденсатор, під’єднаний до джерела постійної напруги струму не пропускає. А при освітленні струм з’являється. Якщо електроди помістити у вакуум, то польоту електронів не будуть заважати молекули газів, і дослід дає кращий результат. (Розповідь з використанням презентації).

 

Демонстрація віртуальних дослідів Столєтова.

 

1.           Кількість вирваних електронів прямо пропорційна інтенсивності світлового потоку, що падає на поверхню тіла.
   (Умови досліду: Цезій, УФ-1, (+ -   на 2 пт) змінюємо інтенсивність.

 

Олександр Григорович звернув увагу на такі закономірності, які потім були висловлені як закони фотоефекту.

1-й закон: Сила струму  насичення (число вирваних  з поверхні електронів за одиницю часу) прямо пропорційна інтенсивності світлового випромінювання, що  падаює на поверхю тіла.     
 

Але цей факт уже був відомий і не викликав здивування. Логічно припустити, що чим більше світла падає, тим більша кількість електронів виривається, отже проходить більший струм.

 

2.           Дослідження кінетичної енергії електронів, що вириваються з поверхні речовини.
   (Умови досліду: Цезій, УФ-1, полярність ( -   +   на 2 пт) змінюємо інтенсивність – струму немає, збільшуємо частоту(зменшуємо довжину хвилі) струм з»являється.

 

Неможливо було пояснити іншу річ. Виявилось, що від інтенсивності світла не залежала кінетична енергія електронів, вибитих світлом. Ви спитаєте, як виміряли цю енергію? Справа в тому, що, якщо на електроди подати від’ємний потенціал, тобто змінити полярність, то електрони, які вилетіли почнуть гальмувати в такому електричному полі (розповідь за флеш анімацією). Найменша затримуюча напруга, при якій струм припиняється дає можливість обчислити W_к, оскільки за законом збереження: U_з e =  W_к Скільки б ламп ви не брали 2, 3, 4, 5..., щоб збільшити освітленість катода, затримуюча напруга, а, отже, кінетична енергія не змінювалась. Але, що цікаво, вона починала змінюватися при зміні частоти світла, тобто кольору!

Таким чином, другий закон фотоефекту запишемо так:

2-й закон: Максимальна кінетична енергія фотоелектронів залежить тільки від частоти падаючого світла і не залежить від його інтенсивності.

 (записи в зошитах W_к пропорц. ν , довідка: U_з e =  W_к)

Мало того. При частотах, менших деякого значення для різних металів фотоефект зовсім припинявся! Це значення назвали червоною межею, тому що для більшості речовин ці частоти відповідали червоному світлу (згадайте сьогоднішній дослід з електроскопом та червоним світлофільтром). Так з’явився третій закон фотоефекту:

 

3.Дослідження наявності червоної межі

(Умови досліду: Цезій, УФ-1, (+ -   на 2 пт) змінюємо довжину хвилі.

 

3-й закон: Для кожної речовини існує мінімальна частота (так звана червона межа фотоефекту), нижче якої фотоефект не виникає.

  (записи в зошитах ν_min (λ_max) – червона межа)

 

 Хвильова теорія стала неспроможною пояснити ці факти. Крім того, якщо припустити, що світло під час фотоефекту зберігає свої хвильові властивості, то ефект повинен відбуватися з деяким запізненням! Адже електромагнітна хвиля повинна була, ніби-то, розгойдувати електрон, перш ніж він зможе вилетіти з металу. Насправді, дія світла безінерційна, майже миттєва.

 Кожного разу, коли одна з класичних теорій стає безсилою пояснити певні дослідні факти, з’являється нова теорія.

 

V етап (5-6 хв)

Обладнання для п’ятого етапу: стандартний плакат із серії „Сталі величини” з портретом М.Планка і формулою енергії кванта, портрет Альберта Ейнштейна,

 

Учень:

 1900 р. став роком народження квантової фізики. Німецький учений Макс Планк висловив припущення, що світло випускається не неперервно, як хвиля, а порціями – квантами (з латинської q u a n t u m – означає кількість). Тобто, квант – найменша кількість електромагнітного випромінювання.  Планк ввів у фізику поняття „квант дії” (порція дії), яку позначив h. І висловив геніальну думку, що енергія кожної порції світла залежить від частоти. E = hν

 

Учитель:

 До речі, ніякого відношення до фотоефекту це припущення не мало. Планк вирішив проблему випромінювання абсолютно чорного тіла. Пізніше сталу h назвали на його честь – сталою Планка і дослідним шляхом виміряли (записують значення сталої за плакатом округлено 6,62 *10^-34 Дж с). Що відбувалося далі в історії науки?

Учень:

 Планк припустив, що світло тільки випромінюється порціями, але був ще один великий вчений – Альберт Ейнштейн, який поширив ідею квантування і на поглинання світла речовиною. В 1905 році Альберт Ейнштейн пояснив проблему фотоефекту, вивівши на основі закону збереження знамените рівняння фотоефекту. Саме за це рівняння  в 1921 році (а не за теорію відносності, як дехто думає) він одержав Нобелевську премію. Експериментальну перевірку цього рівняння здійснив Мілікен ще в 1914 році.

Учитель:

 Який же вигляд має знамените рівняння? Все геніальне – просте!

 

 

Рівняння Ейнштейна

Коментарі учителя:

Якщо порція світла має енергію hν, то ця енергія при попаданні на метал повинна кудись витрачатися. Будова металів така, що електрони – негативно заряджені частинки взаємодіють з позитивними іонами, які містяться в вузлах кристалічної решітки, тому світло повинно виконати певну роботу, щоб подолати цю взаємодію. Цю роботу позначили  A_вих , а вилетівши з металу електрон повинен мати ще й кінетичну енергію, щоб добратися до позитивного анода.

 Давайте подумаємо які різновиди цього рівняння ми можемо застосовувати в задачах?

hc/λ = A + W_k                        (літери на магнітах переставляються так, що формула миттєво приймає інший вигляд)

hc/λ = A + mυ²/2

hν = hν_min + W_k

E = A + U _зe і т.д.

 

В збірниках задач знайдіть таблицю зі значеннями роботи виходу для різних металів. З якого металу найлегше вирвати електрони? Оскільки енергія світла, як ми вже знаємо, залежить від частоти, то це означає, що частота світла, яке падає на такий метал може бути меншою, ніж на інші метали і вже буде спостерігатися фотоефект. Який метал потребує високочастотних хвиль?

VI етап (10-12 хв)

 

Висновки:

Учитель: Які висновки можна зробити із вивченого на уроці?

Учень (учениця):  Світло володіє і хвильовими і корпускулярними властивостями.

Учитель: Яке явище підтверджує корпускулярні властивості світла?

Учень (учениця):  Фотоефект

Учитель: Про які види фотоефекту йшла мова на уроці?

Учень (учениця):  Внутрішній, при якому електрони не покидають речовину і зовнішній, при якому електрони, що вибиваються світлом вилітають з металу, спричиняючи струм у вакуумі (або газі)

Учитель: Назвіть прізвища вчених, які вивчали в тій чи іншій мірі фотоефект.

Учень (учениця):  Герц, Планк, Столєтов, Ейнштейн

Учитель: В чом у полягають закони фотоефекту?

Учень (учениця) формулюють закони.

.

(Cлайди)

 

Тест на закріплення знань до уроку „Фотоефект”

Як позначається стала Планка?

h

n

k

Корпускулярні властивості світла проявляються при...

інтерференції двох світлових пучків

розкладанні білого світла в спектр

фотоефекті

На поверхню тіла падає світлове випромінювання з частотою

hν/2

2 hν

3,5 hν

Максимальна кінетична енергія вибитих випромінюванням з поверхні металу електронів...

...не залежить від частоти випромінювання.

...не залежить від інтенсивності випромінювання.

... прямо пропорційна до інтенсивності випромінювання.

Кількість електронів, вибитих з поверхні металу за 1 с...

...прямо пропорційна до інтенсивності випромінювання

 

 

Задачі для самостійної роботи (4 варіанта)

 

На поверхню вольфраму падають рентгенівські промені з довжиною 10 нм. Обчислити кінетичну енергію фотоелектронів.

Визначити довжину хвилі світла, яким опромінюється поверхня металу, якщо фотоелектрони мають кінетичну енергію 4*10^-20 Дж, а робота виходу електронів з цього металу 7*10^-19 Дж.

Яку максимальну швидкість мають електрони, вирвані з оксиду барію, у випадку опромінювання світла з частотою 1*10¹⁵ Гц?

Цезій освітлений жовтим світлом з довжиною хвилі 0,589 мкм. Визначити максимальну кінетичну енергію фотоелектронів.

 

IV етап (5-7 хв)

 

Підведення підсумків уроку,  оголошення оцінок.

Домашнє завдання. (Слайд)

Запам‘ятай!!!

 

 

«Здібності, як і мускули,    ростуть підчас тренування».

                                                                                      (Академік

В.     Обручєв)