План-конспект уроку фізики в 11- В класі з теми “Формула Планка. Світлові кванти”

План-конспект уроку фізики в 11- В класі з теми

“Формула Планка. Світлові кванти”

Підготувала вчитель математики

 Андріївського ліцею №1

Донецької селищної ради

Харківської області

Кривонос Любов Петрівна

 Мета уроку: навчальна: формувати знання учнів про історію виникнення квантової теорії, формулу Планка, фотони як кванти світла з певними властивостями; формувати навички та вміння визначати масу, енергію та імпульс фотона, розв’язувати фізичні задачі, застосовуючи отримані знання. Розвивальна: розвивати пізнавальні навички учнів; вміння аналізувати навчальний матеріал, умову задачі, хід розв’язання задач; вміння стисло і грамотно висловлювати свої міркування та обґрунтовувати їхню правильність.

Виховна: виховувати уважність, зібраність, спостережливість.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

Наочність і обладнання: навчальна презентація, комп’ютер, підручник.

Хід уроку

  1.Організаційний етап. (Слайд 1)

 Слово вчителя. Доброго дня, діти, шановні колеги. Я рада всіх вас бачити на нашому уроці, тема якого “Формула Планка. Світлові кванти”. 

Записуємо тему в зошиті.

- Прошу вас звернути увагу на екран. Перед вами портрет видатного німецького фізика Макса Планка. (Слайд 2)

Видатний німецький фізик-теоретик, основоположник квантової фізики. Лавреат Нобелівської премії з фізики 1918). Планк отримав закон розподілу енергії в спектрі абсолютно чорного тіла й обґрунтував цей закон, ввівши уявлення про кванти енергії. І сьогодні ми ознайомимося з елементами квантової теорії.

2.   Актуалізація опорних знань. Повторимо деякі положення хвильової оптики:

1.     Які властивості світла ми з вами вивчали на минулих уроках ?

2.     Яка теорія світла пояснює ці властивості?

3.     Назвіть автора цієї теорії. (Хрістіан Гюйгенс).

4.     Що являє собою світло згідно цієї теорії? (Хвильовий процес).

5.     Які ще теорії світла вам відомі ? ( Електромагнітна).

6.     Згідно цієї теорії світло – це….

7.     Кому із вчених належить це твердження ? (Джеймсу Максвеллу).

3.   Мотивація навчальної діяльності. «...Ми знаємо, що світло – це хвильовий рух. Сумніватися в цих фактах більше неможливо, спростовувати ці погляди незбагненно для фізика...» – писав у 1889 р. Г. Герц. Наприкінці XIX ст. фізики не мали сумнівів у тому, що світло – це хвиля (рис. 1). Проте ми знаємо, що світло – це одночасно і хвиля, і частинка. Як зароджувалася наука про частинки світла? Які властивості мають ці частинки?

Рис. 1. Світло – це хвиля.

4.   Вивчення нового матеріалу.

  1. Зародження квантової теорії.

Зародження квантової теорії пов’язане з установленням закономірностей випромінювання абсолютно чорного тіла. Абсолютно чорне тіло – це фізична модель тіла, яке повністю поглинає будь-яке випромінювання, що падає на нього (абсолютно чорне тіло може випромінювати світло). Тобто абсолютно чорне тіло може поглинає все випромінювання, само випромінює, але не відбиває випромінювання. До випромінювання абсолютно чорного тіла близьке випромінювання багаття, нитки розжарення лампи, випромінювання більшості зір. Спектр випромінювання абсолютно чорного тіла залежить лише від його температури (рис. 2).

Рис. 2. Залежність енергії електромагнітних хвиль, випромінюваних за 1 с з одиниці площі поверхні абсолютно чорного тіла, від довжини хвилі.

 Графік показує, яка частина всієї енергії випромінювання припадає на хвилі певної довжини. Експериментальні дослідження показали, що розподіл енергії випромінювання залежно від довжини хвилі має вигляд низки кривих. Але всі спроби вчених одержати універсальну формулу цієї залежності зазнавали поразки.

 Восени 1900 р., зіставивши всі відомі на той час результати досліджень, німецький фізик Макс Планк нарешті встановив формулу, яка повністю відповідала експериментальним кривим.

Точніше, вчений цю формулу просто вгадав, він так і не зміг її вивести, спираючись на закони класичної електродинаміки Максвелла. Тому Планк був змушений висунути гіпотезу, яка суперечила класичним уявленням про природу світла. Гіпотеза Планка:

 Випромінювання електромагнітних хвиль атомами і молекулами речовини відбувається не безперервно, а дискретно, тобто окремими порціями, енергія  кожної з яких прямо пропорційна частоті випромінювання.

2.   Фотони.

 Планк спочатку вирішив, що світло тільки випромінюється квантами, а поширюється й поглинається безперервно. Ситуація докорінно змінилася, коли Альберт Ейнштейн (1879-1955) дійшов висновку, що монохроматичне випромінювання поводиться так, начебто складається з незалежних один від одного квантів енергії. Ейнштейн припустив, що річ не просто у квантах енергії, а в реальних частинках, з яких складається будь-яке електромагнітне випромінювання. Згодом частинки світла (кванти світла) стали називати фотонами.

3.   Властивості фотонів:

1.                 Заряд фотона дорівнює нулю: – фотон є електрично нейтральноючастинкою.

2.                 Маса фотона дорівнює нулю: – фотон є безмасовою частинкою. Цявластивість стосується тільки окремого фотона, а світло в цілому (як потік фотонів) має масу.

3.                 Швидкість руху фотона не залежить від вибору системи відліку, завждидорівнює швидкості поширення світла у вакуумі і пов’язана з частотою і довжиною відповідної світлової хвилі формулою хвилі.

Зверніть увагу! Не слід плутати швидкість поширення світлової хвилі в речовині зі швидкістю руху фотона. Фотони в речовині рухаються від атома до атома, поглинаються ними і знову випромінюються.

4.                 Енергія фотона прямо пропорційна частоті електромагнітноговипромінювання, квантом якого і є цей фотон:

де h=6,626∙10^-34 Дж∙с – стала Планка

 У разі поглинання світла  речовиною фотон передає всю енергію частинкам речовини.

5.                 Імпульс фотона дорівнює відношенню його енергії до швидкості руху таобернено пропорційний довжині хвилі фотона:

6.                 Фотони випромінюються під час: переходів частинок речовини зі збудженогостану в стан з меншою енергією (рис 3); прискорення заряджених частинок; розпаду деяких частинок; анігіляції (рис. 4). Під час поглинання світла речовиною фотон цілком передає всю енергію частинкам речовини.

 Рис.3. Випромінювання світла атомами.

 Рис. 4. Анігіляція частинок.

 Наведені властивості фотонів були встановлені не відразу. На початку XX ст. навіть ідея існування частинок світла зустрічала різке неприйняття. Адже інтерференція і дифракція світла показували, що світло – це хвилі. Через 50 років після появи гіпотези М. Планка, коли існування фотонів уже не викликало сумнівів, А. Ейнштейн писав: “...після 50 років роздумів я так і не зміг наблизитися до відповіді на питання, що ж таке світловий квант”.

 Фотон є безмасовою частинкою, проте світло в цілому (як потік фотонів) має масу. Так, для системи двох фотонів, які мають однакову енергію (Е = hv) і летять під кутом θ один до одного, маса системи визначається співвідношенням:

Цей результат може здатися дивним, адже маса кожного фотона дорівнює нулю, а 0 + 0 = 0. Але річ у тім, що відповідно до законів теорії відносності маса не є адитивною величиною, тобто повна маса системи тіл не дорівнює сумі мас тіл, що утворюють цю систему.

4. Закріплення нових знань і вмінь.

Учимося розв'язувати задачі:

Задача 1. Споживана потужність електричної лампи розжарювання — 100 Вт. Скільки фотонів щосекунди випромінює нитка розжарення лампи, якщо на випромінювання світла витрачається 4,4 % електричної енергії? Вважайте, що довжина хвилі випромінювання дорівнює 600 нм.

 Задача 2. Довжина хвилі випромінювання дорівнює 10 мкм. Знайти енергію фотонів даного випромінювання.

 Задача 3. Довжина хвилі випромінювання дорівнює 720нм. Знайти імпульс фотонів даного випромінювання.

 Задача 4.

Імпульс фотона випромінювання дорівнює 3·10^-27           кг·м/с. Знайти частоту випромінювання.

Задача 5. Енергія фотона дорівнює 1,89 еВ. Знайти довжину світла даного випромінювання.

5. Підбиття підсумків уроку.

Бесіда за питаннями

1.   Що таке абсолютно чорне тіло?

2.   Як пов'язані температура тіла, довжина світлової хвилі та енергія, якувипромінює тіло?

3.   У чому полягає гіпотеза М. Планка?

4.   Як розрахувати енергію кванта випромінювання?

5.   Що таке фотон? Які властивості він має?

6.   Домашнє завдання.

Повторити § 33, виконати вправу № 33 (2-4).