МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ 

ВІДОКРЕМЛЕНИЙ СТРУКТУРНИЙ ПІДРОЗДІЛ НАЦІОНАЛЬНОГО АВІА-

ЦІЙНОГО УНІВЕРСИТЕТУ СЛОВ’ЯНСЬКИЙ КОЛЕДЖ НАЦІОНАЛЬНОГО

АВІАЦІЙНОГО УНІВЕРСИТЕТУ

МЕТОДИЧНА РОЗРОБКА  відкритого заняття

Квантові властивості світла 

з дисципліни «Фізика»

2018

Методична розробка відкритого заняття з дисципліни «Фізика». Підготувала  Балабаєва О.О. - викладач Відокремленого структурного підрозділу Національного авіаційного університету Слов’янського коледжу Національного авіаційного університету – 2018.  

Викладено методику проведення лекції, спрямованої на набуття теоретичних та практичних знань з теми «Квантові властивості світла».

Для викладачів фізики вищих навчальних закладів І-ІІ рівнів акредитації.

Рецензенти: 

1.     О.І. Чайченко - голова циклової комісії фундаментальних дисциплін Відокремленого структурного підрозділу Національного авіаційного університету Слов’янського коледжу Національного авіаційного університету, спеціаліст вищої категорії.

2.     О.В. Котляров – директор Слов'янського хіміко-механічного технікуму, спеціаліст вищої категорії, викладач-методист.

Розглянуто та схвалено на засіданні циклової комісії фундаментальних дисциплін

(протокол № 3 від 16 жовтня 2018 р.)

ЗМІСТ

                                                                                                                                      С.

                        Передмова                                                                                                         4

1.   План заняття                                                                                                       5

2.   Хід заняття                                                                                                         6

2.1        Організаційний момент                                                                                 6

2.2        Ознайомлення студентів з темою та навчальними цілями заняття                 6   

2.3        Мотивація навчання                                                                                        6

2.4        Актуалізація опорних знань                                                                                  6

2.5        Коментар відповідей студентів                                                                     8

2.6        Викладання та вивчення нового матеріалу                                                        8

2.7        Закріплення знань студентів                                                                        15

2.8        Коментар відповідей студентів 16

2.9        Підсумок заняття                                                                                          16

2.10   Домашнє завдання 16

                        Висновки                                                                                                         17

Додатки                                                                                                                     18 Передмова

Підготовка спеціалістів передбачає ґрунтовні знання з фізики і вміння їх застосовувати в майбутній професійній діяльності. 

Тема «Квантові властивості світла» актуальна в сучасній науці і техніці та  має велике практичне значення. Бо саме закони квантової фізики – це фундамент вчення про будову речовини, за допомогою їх вчені не тільки проникли в природу різних речовин: металів, діелектриків, напівпровідників, але і послідовно пояснили такі явища, як феромагнетизм, надпровідність, надтекучість. Квантова фізика уможливила створення принципово нових технологій, таких, наприклад, як квантова електроніка, ядерна і термоядерна технології. Вивчення квантової фізики потребує не тільки додаткових математичних знань, а й усвідомлення зовсім нових понять і створення цілком незвичайних уявлень. 

Знання цієї теми необхідні студентам для ухвалення рішень прикладних фахових задач, в умові яких розглядується перетворення світлової енергії в електричну за допомогою фотоелементів.

Вивчаючи цю тему студенти спираються на знання та уміння, набуті в процесі вивчення курсу фізики загальноосвітньої школи.  

Навчальною метою цього заняття заплановано сформувати наукові знання у студентів щодо значення квантової фізики в науці та техніці, обґрунтувати закони фотоефекту за допомогою квантової теорії; оцінити корпускулярно-хвильовий дуалізм світла; вміти пояснювати практичне застосування фотоелектричних явищ.

Виховною метою заняття є виховання ініціативи та наполегливість при оволодіванні знаннями, значущих загальнолюдських цінностей (толерантність, соціальне партнерство), почуття відповідальності, бажання виконати роботу якісно.

Розвиваючою метою є розвиток критичного мислення, навичок аналізу, вміння планувати свою роботу і час та презентувати її. 

ПЛАН ЗАНЯТТЯ Тема заняття: Квантові властивості світла Мета заняття:

Методична – удосконалити методику застосування інтерактивних інформаційних технологій при вивченні квантових властивостей світла.

Навчальна – сформувати наукові знання у студентів щодо значення квантової фізики в науці та техніці, обґрунтувати закони фотоефекту за допомогою квантової теорії; оцінити корпускулярно-хвильовий дуалізм світла; вміти пояснювати практичне застосування фотоелектричних явищ.

Виховна – виховання ініціативи та наполегливість при оволодіванні знаннями, значущих загальнолюдських цінностей (толерантність, соціальне партнерство), почуття відповідальності, бажання виконати роботу якісно.

Розвиваюча – розвивати аналітичне мислення, пам'ять, вміння використовувати накопичений досвід і знання; критичне мислення, навички аналізу, вміння планувати свою роботу і час та презентувати її.  Вид заняття:      лекція

Форма проведення заняття: розповідь з елементами бесіди, демонстрацією дослідів та застосуванням ТЗН.

Міжпредметні зв’язки:

Забезпечуючі -  вища математика.

Методичне забезпечення: роздатковий матеріал (Додаток А), слайди до лекцій (Додаток Б), програма «Открытая физика 1.1», тестові завдання (Додаток В), повідомлення студентів (Додаток Г).

Обладнання: електроскоп, цинкова пластинка, ебонітова та скляна палочки, хутро, дугова лампа, регулюючий реостат, автотрансформатор, фотометр.

Література:

Обов’язкова: 1. Г. Ф.Бушок., В.В. Левандовський, Г.Ф. Півень. Курс фізики – К:

Либідь. 2001. книга 2.

2. Куліш В.В., Соловйов А.М., Кузнєцова О.Я., Кулішенко В.М. Фізика для інженерних спеціальностей. Кредитно модульна система.: Навч. Посібник. – У 2 ч.-Ч.

2.   К.: НАУ, 2004. – 456 с.

3.   М. К. Нечволод, М. М. Голоденко, А. Ф. Прун. Курс фізики – К: Видавництво центр Просвіта. 2001 Книга 3,4

 Додаткова:    1. Балаш В.А. Задачи по физике и методы их решения. – М.: Просвещение, 1983. (265)

2. Енохович А.С. Справочник по физике и технике. – М.: Просвещение, 1983. (162)  Технічні засоби навчання:  мультимедійний проектор.

ХІД ЗАНЯТТЯ

Дивовижний, найблагородніший вияв матерії, вияв її найдосконаліший, Границя її можливого руху, 

Неперевершене у швидкості…

                                                                                                   Воно і хвиля, і частинка, …і можливо,                                                       Ще щось….

О. Гончар

1.                 Організаційний момент                                                                                         2 хв.

Вітання студентів. Викладач приймає рапорт чергового студента, перевіряє наявність студентів на занятті, заповнює класний журнал.

2.                 Ознайомлення студентів з темою та навчальними цілями заняття    1 хв. Тема заняття: Квантові властивості світла. 

Мета заняття: сформувати  наукові знання у студентів щодо значення квантової фізики в науці та техніці, обґрунтувати закони фотоефекту за допомогою квантової теорії; оцінити корпускулярно-хвильовий дуалізм світла; вміти пояснювати практичне застосування фотоелектричних явищ.

3.                 Мотивація навчання                                                                                3 хв.

Дана тема є однією з основних  в квантовій оптиці, бо саме фотоефект знайшов широке застосування в науці, техніці, зокрема в телемеханіці та автоматиці. Без нього не можливо було досягти сучасного розвитку космічної техніки, телебачення, звукового кіно та ін. Саме фотоелектричним методом в авіаційній та космічній техніці здійснюють виміри світлотехнічних і оптичних параметрів: освітленість, світло суми, амплітудні значення сили світла, яскравість, форми кривих сили світла під час виготовлення та в процесі експлуатації імпульсних джерел світла і оптичних квантових генераторів. 

4.                 Актуалізація опорних знань 8 хв.

Студентам пропонується усно відповісти на питання, які висвітлюють основні положення попередніх лекцій і будуть потрібні для досягнення поставленої мети даної теми. Після отримання правильних відповідей на питання, на екрані з’являється структурно-логічна схема «Хвильові прояви світла». 

1.     Хто запропонував хвильову теорію світла? У чому її сутність?

Правильна відповідь: Х. Гюйгенс запропонував хвильову теорію світла, за якою світло – це потік хвиль відповідно до звукових хвиль у повітрі або хвиль на поверхні води.

2.     Сформулюйте закони відбивання світла.

Правильна відповідь: Закони відбивання світла, за якими падаючий промінь, перпендикуляр до поверхні відбиття у точці падіння променя і відбитий промінь лежать в одній площині; кут падіння чисельно дорівнює куту відбиття.

3.     Сформулюйте закони заломлення світла.

Правильна відповідь: Закони заломлення: падаючий і заломлений промені та перпендикуляр до поверхні поділу середовищ у точці падіння лежать в одній площині; відношення синусів кутів падіння і заломлення дорівнює відношенню швидкостей v₁ і v₂ світла в тих середовищах, в яких ці кути знаходяться: sin v₁

   n₂₁; це відношення називають відносним показником заломлювання n₁₂ sin v₂ другого середовища відносно першого.

4.     Що називають інтерференцією світла? Наведіть найбільш поширений приклад інтерференції світла.

Правильна відповідь: Інтерференція - це накладання когерентних хвиль, яке супроводжується їх стабільним підсиленням в одних місцях і послабленням в інших. Найбільш поширеним прикладом інтерференції світла є інтерференція в тонких плівках. Когерентні хвилі там утворюються в процесі відбивання світлових хвиль від двох поверхонь плівок.

5.     Що називають дифракцією світла? За яких умов її можна спостерігати? Правильна відповідь: Дифракція – це явище огинання світловими хвилями непрозорих перешкод та проходження їх в область геометричної тіні. Це явище спостерігається, коли відстань між перешкодою і екраном значно перевищує розміри самої перешкоди.

6.     Що називають поляризацією світла? Які ви знаєте способи отримання поляризованого світла? 

Правильна відповідь: Поляризацією називають процес виділення лінійно поляризованого світла з природного або частково поляризованого. Поляризоване світло можна дістати при відбиванні і заломленні або ж при проходженні світла через анізотропні середовища ( деякі кристалічні тіла, які мають різні властивості пропускання світлових хвиль залежно від напряму їх поширення). 

7.     Що називають дисперсією світла? Вкажіть її результат.

Правильна відповідь: Залежність показника заломлення речовини від довжини хвилі називають дисперсією світла. Результатом дисперсії є розклад призмою білого світла в спектр.

Після опитування на слайді з’являється структурно – логічна схема «Хвильові властивості світла» 

5.   Коментар відповідей студентів.                                                                  2 хв.

Викладач визначає рівень засвоєння студентами матеріалу попередніх лекцій і відзначає студентів, які брали активну участь у відповідях і які допустили характерні неточності, дає рекомендації по відвідуванню консультацій тим, хто показав недостатні знання.

6.   Викладання та вивчення нового матеріалу                                             50 хв.

План лекції (див. додаток Б слайд 4)

6.1   Відкриття квантової оптики.  

6.2   Фотоелектричний ефект. Дослідження О.Г. Столєтова.                   

6.3   Квантова теорія фотоефекту Ейнштейна.                                              

6.4   Фотоелементи та їх застосування        

Хід викладання та вивчення програмних питань лекції

6.1  Відкриття квантової оптики

Якщо роботи Ейнштейна по броунівському руху завершували одну епоху у фізиці, то роботи, виконані ним в тому ж 1905-у році по квантовій фізиці і теорії відносності, відкривали абсолютно іншу епоху в науці. Бо саме на початку 20 століття з’ясувалося, що класична фізика не в змозі пояснити багато явищ (закономірності фотоефекту, оптичні спектри атомів і багато іншого). Для розв’язування цих проблем довелося глибше вивчати закони мікросвіту. 

Процеси, що відбуваються в мікросвіті, вивчає квантова фізика. Вона складається з квантової механіки, квантової статистики і квантової теорії поля. (див. додаток Б слайд 5). Квантова фізика народилася 14 грудня 1900 року, і за 30 років (з 1900 року по 1930 рік було закладено міцний фундамент квантової фізики) бурхливого розвитку перетворилася на струнку несуперечливу систему поглядів. Знадобилася низька зовсім інших систем і понять, довелося розробити адекватний математичний апарат. 

Перший підготовчий крок для створення квантової механіки зробив М. Планк. Він для пояснення енергії в спектрі випромінювання абсолютно чорного тіла висунув гіпотезу про те, що енергія в атомах може змінюватися дискретними порціями – квантами. Пояснення експериментальних закономірностей зовнішнього фотоефекту надав  А. Ейнштейн, а Н. Бор у 1913 році використав ідею квантів і штучно введені постулати для пояснення станів воднеподібних атомів і розшифрування їхніх спектрів. У 1924 році Луі де Бройль висунув гіпотезу про корпускулярнохвильовий дуалізм матеріальних частинок, основна ідея якої була в 1927 році підтверджена К. Девіссоном і Л. Джермером. Накопичення фактів привело до становлення в 1925-1928 рр. сучасної квантової механіки. 

Успіхи квантової фізики важко переоцінити. Її закони – це фундамент учення про будову речовини. Вони дали з’ясувати будову атомів і ядер, дослідити поводження та властивості елементарних частинок, розкрити природу хімічного зв’язку. Вдалося зрозуміти багато макроскопічних явищ, які звісно, визначають  поводження частинок у мікросвіті. Учені не тільки проникли в природу різних речовин: металів, діелектриків, напівпровідників, але і послідовно пояснили такі явища, як феромагнетизм, надпровідність, надтекучість. По суті квантова фізика це фундамент класичної. Квантова фізика уможливила створення принципово нових технологій, таких, наприклад, як квантова електроніка, ядерна і термоядерна технології. Розвиток квантової фізики сприяє розумінню єдності Всесвіту та побудові його єдиної фізичної картини. Вивчення квантової фізики потребує не тільки додаткових математичних знань, а й усвідомлення зовсім нових понять і створення цілком незвичайних уявлень. 

6.2 Фотоелектричний ефект. Дослідження О.Г. Столєтова

Одним із явищ, яке підтверджує гіпотезу квантового характеру світла, є фотоелектричний ефект. Фотоелектричними явищами називають електричні явища, які відбуваються в речовинах під дією електромагнітного випромінювання. Розрізняють внутрішній і зовнішній фотоефект. 

При внутрішньому фотоефекті відбувається перерозподіл електронів за енергетичними станами в конденсованих середовищах при поглинанні ними світла. У цьому випадку електрична нейтральність тіла не порушується.

  При зовнішньому фотоефекті електрони звільняються світлом з поверхневого шару речовини і переходять в інше середовище або вакуум. Електрони, звільнені під дією світла, називаються фотоелектронами. Фотоелектричні властивості мають не тільки метали, але й діелектрики, напівпровідники та електроліти. Відкриття зовнішнього фотоефекту слід віднести до 1887 р., коли Г. Герц встановив, що опромінювання ультрафіолетовим світлом електродів іскрового проміжку, який перебуває під напругою, полегшує проскакування іскри між ними. Для виявлення фотоефекту можна здійснити дослід.

Дослід 1.  До електроскопу, приєднаємо добре очищену цинкову пластинку. Спочатку зарядимо пластинку позитивно, помітимо, що освітлення пластинки, наприклад електричного дугою, не позначатиметься на швидкості розряджання електроскопа. Коли ж пластинку зарядити негативно, то світловий пучок від дуги розряджатиме його дуже швидко. 

Питання для активізації розумової діяльності: Як ви вважаєте, що є причиною швидкого розрядження електроскопу у випадку, коли він негативно заряджений?

Правильна відповідь: Світло вириває електрони з поверхні пластинки. Коли пластинка заряджена негативно, вирвані електрони відшто-

вхується від неї, і електроскоп розряджається. Якщо ж пластинка заряджена позитивно, то вирвані світлом електрони притягуються до пластинки і осідають на ній. Тому заряд електроскопа не змінюється. 

Дослід 2. Проте, якщо на шляху світлового потоку поставити звичайне скло, негативно заряджена пластинка вже не втрачатиме електронів, хоч яким інтенсивним буде світловий потік. 

Питання для активізації розумової діяльності: Подумайте і скажіть, чому електроскоп не розряджатиметься, коли на шляху випромінювання буде звичайне скло?

Правильна відповідь: Оскільки відомо, що скло поглинає ультрафіолетове проміння, то саме ультрафіолетова ділянка спектра зумовлює фотоефект.

Цей факт хвильова теорія неспроможна пояснити.  Незрозуміле, чому світлові хвилі навіть великої амплітуди, але малої частоти, не можуть виривати електрони. 

Протягом 1888-1890 років Олександр Григорович Столєтов – засновник фізичної лабораторії в Московському університеті докладно вивчає дію світла на заряджені тіла за допомогою спеціально створеної для цього експериментальної установки.

Ультрафіолетове проміння падало через отвори у мідній дротяній сітці на цинкову пластинку. Струм між мідним (сітка) і цинковим (пластинка) електродами виникав лише при освітленні цинкової пластинки ультрафіолетовим промінням і лише тоді, коли пластинка заряджалась негативно. Цей струм дістав назву фотоструму. Столєтов прикладав до електродів невелику різницю потенціалів. За цих умов іскровий розряд не виникав, і можна було вивчати залежність фотоструму від різниці потенціалів між електродами, світлового потоку і довжини хвилі випромінювання. 

Дослідами було установлено, що фотоефект залежить як від хімічної природи металу, так і від стану його поверхні. Навіть дуже маленькі забруднення поверхні металу істотно впливають на фотоемісію електронів. Тому для вивчення фотоефекту  вчені удосконалили установку Столєтова. Катод К і анод А  розмістили в вакуумному скляному балоні. Це дозволило рознести електроди на велику відстань. За таких умов нема потреби робити анод у вигляді сітки, бо світло

падає збоку крізь кварцове “віконце” В, прозоре не лише для видимого світла, а й для ультрафіолетового проміння. На електроди подається напруга, яку можна змінювати за допомогою потенціометра R і вимірювати вольтметром V. Змінюючи напругу і вимірюючи фотострум у колі, можна побудувати залежність фотоструму І від напруги U. Ця залежність називається характеристикою фотоелемента. Викладач пропонує  проаналізувати експериментальні дані за допомогою флеш - анімацій. Зі збільшенням напруги U фотострум І поступово зростає, оскільки дедалі більше електронів може досягти анода. Починаючи з деякого значення U фотострум набуває максимального значення і не змінюється. Максимальне значення струму називається фотострумом насичення І_н і відповідає такому значенню напруги U при якій уже всі електрони досягли анода: I_н  eN . Якщо на електрод падає світло тієї самої частоти, але інтенсивністю І₂>І₁, характеристика фотоелемента зміщується вгору, тобто І_н2>І_н1. При вмиканні в схему батареї, яка створює різницю, що затримує електрони, фотострум поступово зменшується і при певному значенні затримуючої напруги U_з дорівнює нулю. Це пояснюється тим, що вибиті світлом із катода електрони мають початкову кінетичну енергію. За рахунок цієї енергії вони виконують роботу проти сил електричного поля в трубці і досягають анода. Якщо робота електричного поля набуває значення, яке дорівнює початковій максимальній кінетичній енергії електронів, фотострум припиняється. Зі збільшенням інтенсивності світла, що падає на катод, значення затримувальної напруги не змінюється, якщо не змінюється частота падаючого світла. Аналогічні вимірювання проводилися для катодів із різних металів при частоті світла, яка відповідала ультрафіолетовій і видимій частинам спектра. Установлено, що наприклад, цезій випускає електрони в будь-якому діапазоні видимого світла, калій не дає фотоефекту при опромінюванні червоним світлом, платина і вольфрам випускають електрони тільки під дією ультрафіолетового випромінювання. Це явище дістало назву червоної межі фотоефекту.

Столєтов на підставі своїх вимірювань установив такі закони зовнішнього фотоефекту. 

1)         Число N електронів, що вириваються з катода за одиницю часу, а отже і струм насичення I_н  eN , прямо пропорційні світловому потокові Ф. 

2)         Максимальна початкова швидкість v_m електронів визначається частотою  світла і не залежить від світлового потоку Ф. 

3)         Для кожного металу існує довгохвильова межа фотоефекту, тобто мінімальна частота _m світла (максимальна дов-

c жина хвилі _m          ), для якої фотоефект ще

m

неможливий. 

4)         Викликаний світлом струм (фотострум) є безінерційним, тобто з’являється зразу ж після появи світла. 

Викладач відзначає, що дослідну перевірку законів фотоефекту студенти виконають під час лабораторної роботи за допомогою комп’ютерної програми «Открытая физика 1.1».

                        6.2    Квантова теорія фотоефекту Ейнштейна

На підставі хвильової теорії світла пояснити закони фотоелектричного ефекту не вдалося. З погляду класичної фізики ефект має залежати від властивостей речовини і кількості енергії, яку поглинає одиниця поверхні речовини. Але зовсім не має значення, якого типу випромінювання поглинається речовиною, тобто фотоефект мав би спостерігатися при всіх значеннях довжинах хвиль. Проте досліди доводять, що він істотно залежить від спектрального складу випромінювання

Уперше механізм фотоефекту зумів пояснити у 1905 р. Ейнштейн. Викладач пропонує заслухати інформацію студента творчої групи на тему «Парадоксальний геній». 

Ейнштейн розвинув далі ідеї Планка про переривчастість випромінювання світла, а саме, що явище фотоефекту і його закономірності повністю пояснюються квантовою теорією світла. В ній стверджується, що світло це потік матеріальних частинок – фотонів, енергія якихЕ  h, де h  6,6210^34 Джс– стала Планка; що світло не тільки випромінюється, а й поглинається порціями. При цьому фотон як неподільна частинка поглинається окремим електроном. Часто користуються сталою h 1,0510^34 Джс, яка ведена П. Діраком. Через цю сталу енергія кванта випромінювання виражається формулою   Еh_ .  

Взаємодіючи з електроном металу, фотон може обмінюватися з ним енергією й імпульсом. Фотоефект виникає у випадку непружного зіткнення фотона з електроном. При такому зіткненні фотон поглинається, а його енергія передається електрону. Таким чином, електрон отримує кінетичну енергію не поступово, а зразу. Цим і пояснюється безінерційність фотоефекту. Енергія поглинутого фотона може витрачатись на відрив електрона від атома всередині металу. Електрон, який вилітає з металу, матиме максимальну кінетичну енергію тоді, коли всередині металу він був вільним, тобто не зв’язаним з атомом. У цьому випадку кінетична енергія електрона витрачається тільки на подолання затримуючих сил, які діють у поверхневому шарі металу, тобто на роботу виходу (стала, таблична величина для кожного металу). Кінетичну енергію фотоелектрона можна знайти за допомогою закону збереження енергії. Енергія кванта світла h_ витрачається на так звану роботу виходу А, тобто роботу, яку треба виконати, щоб вирвати електрон із металу. Лишок отриманої від фотона енергії являтиме собою кінетичну енергію електрона. Отже, 

h A mv_m² .

2

Це рівняння пояснює основні закони фотоефекту. Саме за це рівняння  в 1921 році (а не за теорію відносності, як дехто думає) він одержав Нобелевську премію.  

Інтенсивність світла, за Ейнштейном, пропорційна кількості квантів енергії у світловому пучку і тому визначає кількість електронів, вирваних із металу. Максимальна швидкість електронів v_m визначається лише частотою світла й роботою виходу, що залежить від роду металу і стану його поверхні. Від

інтенсивності світла вона не залежить. А тому й затримуюча напруга U_d  mvm2 не 2e залежить від світлового потоку. 

Для кожної речовини фотоефект можливий лише тоді, коли частота світла більша від мінімального значення _m . Адже, щоб вирвати електрон із металу, навіть без надання йому кінетичної енергії, треба виконати роботу виходу А.

Отже, енергія кванта має бути більшою від цієї роботи:  h  > А. Граничну A

частоту_m , або ж довгохвильову межу фотоефекту, можна записати так: _{m }      . h Робота виходу А залежить від виду речовини. Тому й гранична частота фотоефекту, або його довгохвильова межа, для різних речовин різна.

З рівняння Ейнштейна можна визначити сталу Планка h, якщо записати його у вигляді h_mh  eU_d . Для цього треба виміряти частоту світла , граничну частоту _m і затримуючу напругу U_d. Розрахунки дають h  6,6210^34 Дж с, тобто таке саме значення, яке знайшов Планк, вивчаючи зовсім інше явище – теплове випромінювання. Збіг значень сталої Планка, добутих різними методами, – це вагомий аргумент на користь припущення про переривчастий характер випромінювання і вбирання світла речовиною. Справедливість формули Ейнштейна була доведена експериментально О. Річардсоном і К. Комптоном у 1912 році, а більш точно Р. Міллікеном у 1916 році, який безпосередньо з дослідів явищ фотоефекту визначив числове значення сталої Планка.

Властивості світла, які проявляються в процесі випромінювання і поглинання, називають корпускулярними. “Корпускула” латинською означає “частинка”. А сама світлова частинка дістала назву фотона або світлового кванта. 

Викладач пропонує студентам разом заповнити таблицю «Характеристики фотона».

Отже, вчені змушені були розглядати світло, як потік частинок. Може здатися, що відбулося повернення до корпускулярної теорії Ньютона. Але не треба забувати, що інтерференція, дифракція і поляризація світла свідчать про його хвильові властивості. Для світла характерний своєрідний дуалізм, тобто подвійність властивостей. У процесі поширення світла проявляються його хвильові властивості, а під час взаємодії з речовиною (випромінювання і поглинання) – корпускулярні. Межа поділу цих властивостей – частота світла. Зі збільшенням частоти світла його корпускулярні властивості виявляються сильніше і, навпаки, зі зменшенням частоти світла виявляються сильніше хвильові. Усе це дивно і незвичайно. Важко уявити собі наочно, як це може бути. Проте, це факт. Ми не можемо уявити собі наочно процеси в мікросвіті, бо вони зовсім відмінні від тих макроскопічних явищ, з якими людина стикалася на протязі мільйонів років і основні закони яких було сформульовано наприкінці XIX ст. 

6.4 Фотоелементи та їх застосування

Фотоефект широко застосовується в науці, техніці та повсякденному житті для реєстрації і зміни світлових потоків, для перетворення енергії світла на енергію електричного поля. Прилади, принцип дії яких базується на явищі фотоефекту, називають фотоелементами.

Залежно від видів фотоефекту створено фотоелементи із зовнішнім (вакуумні і газонаповнені) та внутрішнім (фоторезистори) фотоефектом і вентильні фотоелементи. 

Вакуумний фотоелемент являє собою електровакуумний прилад, всередині якого знаходяться два електроди - анод А і катод К. Світло, яке падає на катод, вириває з його поверхні електрони, це призводить до збільшення струму, що протікає в ланцюзі, і напруги на резистори R. Зміну струму, протікаючого через фотоелемент при його освітленні можна використовувати для включення і виключення різних пристроїв. Щоб збільшити чутливість фотоелемента, поверхню його катода покривають речовиною з малою роботою виходу.  

Фотоелектронні помножувачі, які посилають у багато разів початковий фотострум, дають змогу реєструвати випромінювання дуже малої інтенсивності – навіть в один квант. Їх використовують в сцинтиляційних лічильниках (детектори радіаційного випромінювання 

Фотоелементи з внутрішнім фотоефектом – фоторезистори складаються із ізоляційної основи 1, на яку нанесено тонкий шар напівпровідника 2 з металевими електродами 5. Така система поміщається в ебонітову або пластмасову оправу 4 з віконцем 3. Для запобігання впливу оточуючого середовища його світлочутливий шар покривають прозорим лаком. На відміну від фотоелементів із зовнішнім фотоефектом, які мають односторонню провідність, фоторезистори однаковою мірою

проводять струм в обох напрямках. Вони мають високу стабільність параметрів у процесі їх експлуатації та високу чутливість. Недоліками їх є значна залежність  чутливості від температури, інерційність.   

Фоторезистори використовують в світлочутливих напівпровідникових приладах, які використовують в сучасній оптоелектроніці та фотоелектронній автоматиці.

Особливість фотоелементів, дія яких основана на вентильному фотоефекті, полягає в тому, що не потрібно джерела стуму, без якого не можуть працювати вищеописані фотоелементи. 

Фотоелементи з вентильним фотоефектом застосовують у фотометрах, експонометрах, для створення сонячних батарей, які живлять бортову апаратуру космічних станцій тощо.  

Викладач пропонує заслухати повідомлення студента творчої групи з теми «Застосування фотоелементів в техніці та моїй професії». 

7.   Закріплення знань студентів 10 хв.

7.1   Виконання тестового завдання з взаємоперевіркою (Див. додаток В).

7.2   Викладач пропонує розв’язати задачу.

Ніколи не знаєш, що може тобі знадобитися в житті! 

Переконаємося в цьому, вирішивши таку задачу:

 «Двері мали хитромудрий пристрій: при спробі стороннього їх відкрити, ультрафіолетова лампа з довжиною хвилі 0.1 мкм освітлювала вольфрамову пластинку фотоелементу. Вирвані електрони замикали електричне коло, яке відкривало шлюз. У коридор прямувала вода, яка кишила п'явками, крокодилами, піраньями та акулами. Джеймс Бонд, агент 007, раптом згадав, що в дитинстві мама наказувала йому: - Запам'ятай, синку, робота виходу електронів з вольфраму 4,5 еВ! - Навіщо це мені, мамо? - Дивувався маленький Джеймсік. - Ніколи не знаєш, що може стати в нагоді тобі в житті, - відповідала мама. Тоді він швидко виконав обчислення і підключив до фотоелементу джерело постійного струму, напругою в 7,95 В, потягнув за ручку дверей і ... »

Які ж обчислення виконав Джеймс Бонд ? Що, в решті решт, трапилося?

8.       Коментар роботи студентів                                                                              2 хв.

Викладач визначає рівень засвоєння студентами матеріалу лекції і відзначає прізвища студентів, які брали активну участь у відповідях і які допустили характерні неточності, дає рекомендації по відвідуванню консультацій тим, хто показав недостатнє засвоєння.

9.       Підсумок заняття 2 хв.

Викладач підводить загальний підсумок по проведеному заняттю. Відмічає в цілому роботу групи і прізвища активних і пасивних студентів. У разі необхідності призначає консультації для окремих студентів.

Викладач ставить питання до студентів щодо квантової теорії світла: «Чи не стосується вона тільки фотоефекту і інших доказів її необхідності не існує?», після чого вказує, що на наступному занятті буде продовження вивчення питань цієї теми. 

10.   Домашнє завдання 2 хв.

1.     У вірші О.С.Пушкина читаємо «… гений, парадоксов друг». Чи знаєте ви, що таке парадокс? Парадокс – це неочикуване явище, що не відповідає звичайним уявленням. Вдома перегляньте с. 177-181 навчального посібника «Фізика для інженерних спеціальностей», частина 2, та знайдіть, у чому парадокс фотоеффекту.

2.     Виконати віртуальну практичну роботу «Перевірка законів фотоефекту» за допомогою комп’ютерної моделі «Фотоефект» програми «Открытая физика 1.1»

-   Визначення сталої Планка;

-   Визначення роботи виходу фотокатода.

3. Розв’язати задачі 5.72 -5.74 зі збірника завдань.

Висновки

В даній методичній розробці викладачем показана методика проведення лекції з використанням інтерактивних інформаційних технологій при вивченні квантових властивостей світла, в якій поєднуються теоретичні основи і практично-прикладні аспекти обраної теми для найкращого досягнення навчальної, виховної та розвиваючою мети заняття.

Актуалізація опорних знань і розумової діяльності студентів проводиться у формі усного опитування раніше вивчених тем, які необхідні для успішного засвоєння лекції. 

Викладання та вивчення нового матеріалу супроводжується демонстрацією слайдів, з основними означеннями, законами, відповідними формулами, анімаціями дослідів. Дослід на екрані монітора є досить наочним, ним легко керувати, він не вимагає великих затрат часу й зусиль на його підготовку, успішно концентрує увагу на найбільш важливих для розуміння суті явищ  деталях. Викладач спонукає студентів до бесіди постановкою питань, знайшовши відповідь на які, можна вести самостійний аналіз наукових фактів і робити необхідні висновки. Доповіді та повідомлення, виконані студентами творчої групи, сприяють розкриттю їх індивідуальних здібностей, розвитку риторики, розвивають вміння самостійно працювати з додатковою літературою та інтернет - ресурсами.

Успіх проведення лекції залежить не тільки від майстерності викладача, а великою мірою і від готовності студентів сприймати новий матеріал, від їх емоційного настрою. Використання технічних засобів навчання, які спроможні відтворити демонстраційний експеримент, пожвавлює зацікавленість і викликає інтерес до лекції.

Закріплення та узагальнення навчального матеріалу проводиться у формі тестування та розв’язку задачі.

Можлива й інша методика викладання даної теми. Автор навів свої напрацювання.

Додаток А

Тема заняття: Квантові властивості світла

Установка досліду Г. Герца                                        Схема досліду О.Г. Столєтова

Вольт-амперні характеристики – залежності сили фотоструму І від напруги U між електродами.

Фотоелементи 

Вакуумний фотоелемент                    Фоторезистор              Сонячна батарея