Урок физики по теме "Фотоэффект"

Цели урока:

Сформировать у учащихся представление о фотоэффекте, изучить его законы.

Развивать логическое мышление, умение анализировать результаты эксперимента.

Развитие внимания, активности, привитие интереса к предмету.

Оборудование: электрометр, эбонитовая и стеклянная палочки, мех, шелк, цинковая пластина, стекло, штатив с муфтой и лапкой, ультрафиолетовый излучатель. Компьютер, мультимедийный проектор, электронные издания “Физика, 7 - 11” (Физикон); “Уроки физики в 11 классе” (Кирилл и Мефодий), портреты ученых (Г. Герц, Ф. Ленард, А. Г. Столетов).

Ход урока

Организационный момент.

Тема сегодняшнего урока “Фотоэффект”.

В развитии представлений о природе света важный шаг был сделан при изучении одного замечательного явления, открытого Г. Герцем. Явление это получило название фотоэффект. Но прежде, чем мы перейдем к изучению новой темы, давайте вспомним о чем говорилось на прошлом уроке.

Актуализация знаний.

Ответьте на следующие вопросы:

1. Какие проблемы возникли при попытке объяснить теорию теплового излучения?
2. Кто предложил решение этих проблем?
3. В чем суть гипотезы Макса Планка?
4. Как можно определить значение минимальной порции энергии - кванта?
5. Чему равна постоянная Планка?

Изучение нового материала

В 1887 г. Г. Герц исследуя, электрические колебания обнаружил, что если на отрицательный электрод искрового разрядника направить ультрафиолетовое излучение, то электрический разряд происходит при меньшем напряжении между электродами, чем в отсутствии освещения. Герцу не удалось дать правильного объяснения этому явлению. Явление впоследствии получило название фотоэффект и обусловлено оно выбиванием под действием света отрицательных зарядов из металла.

Проведение демонстрационного опыта по наблюдению фотоэффекта. (если нет возможности продемонстрировать опыт, то можно использовать видеофильм из ППС“Физика 7 - 11 класс” (разработаны компаниями “Кирилл и Мефодий”, “Нью Медиа Дженерейшн” и “Дрофа” – Фотоэффект) Для обнаружения фотоэффекта можно использовать электрометр с присоединенной к нему цинковой пластиной. Если зарядить пластину положительно, то освещение пластины ультрафиолетом не влияет на быстроту разрядки электрометра. Но если пластину зарядить отрицательно, то световой пучок разряжает электрометр очень быстро. Однако, когда на пути света поставлено обыкновенное стекло, отрицательно заряженная пластина уже не разряжается, какова бы не была интенсивность излучения.

 Вопросы к классу после демонстрационного опыта:

1. Пластинка из какого металла использована в опыте?
2. Что происходило с цинковой пластинкой, заряженной отрицательно, при облучении ее ультрафиолетовым светом?
3. Что происходило с цинковой пластинкой, заряженной положительно, при облучении ее ультрафиолетовым светом?
4. Наблюдалось ли подобное явление при облучении пластины ультрафиолетовым светом, проходящим через стекло?
5. Как называется явление, которое вы пронаблюдали?

Дайте определение явлению фотоэффекта и запишите его в рабочую тетрадь

Тщательные экспериментальные исследования русского физика А. Г. Столетова, проведенные в 1888 - 1889 гг. , и немецкого физика Филиппа Ленардо позволили понять сущность явления, обнаруженного Герцем и установить три закона внешнего фотоэффекта.

Рассмотрим схему опытов Столетова. В стеклянный баллон, из которого выкачан воздух, помещаются два электрода. Внутрь баллона на один электрод попадает свет через кварцевое «окошко», прозрачное не только для видимого света, но и для ультрафиолетового излучения. На электроды подается напряжение, которое можно менять с помощью потенциометра и измерять вольтметром. К освещаемому электроду присоединяются отрицательный полюс батареи.

Далее при объяснении нового материала используем программу "Открытая физика 2. 6 Часть 2", раздел “Квантовая физика, “фотоэффект” ”. (Можно провести фронтально, при наличие ноутбуков на партах учащихся).

Модель является компьютерным экспериментом по исследованию закономерностей внешнего фотоэффекта. Можно изменять значение напряжения U между анодом и катодом фотоэлемента и его знак, длину волны λ в диапазоне видимого света и мощность светового потока P.

Весь материал - смотрите документ.

Урок физики по теме "Фотоэффект" 11 класс

Факты, не объясняемые существующими теориями, наиболее дороги для науки… А.М. Бутлеров

Цели урока:

1. Сформировать у учащихся представление о фотоэффекте, изучить его законы.

2. Развивать логическое мышление, умение анализировать результаты эксперимента.

3. Развитие внимания, активности, привитие интереса к предмету.

Оборудование: электрометр, эбонитовая и стеклянная палочки, мех, шелк, цинковая пластина, стекло, штатив с муфтой и лапкой, ультрафиолетовый излучатель. Компьютер, мультимедийный проектор, электронные издания “Физика,7-11” (Физикон); “Уроки физики в 11 классе” (Кирилл и Мефодий), портреты ученых (Г. Герц, Ф. Ленард, А.Г. Столетов).

Ход урока

Организационный момент.

Тема сегодняшнего урока “Фотоэффект”.

В развитии представлений о природе света важный шаг был сделан при изучении одного замечательного явления, открытого Г.Герцем. Явление это получило название фотоэффект. Но прежде, чем мы перейдем к изучению новой темы, давайте вспомним о чем говорилось на прошлом уроке.

Актуализация знаний.

Ответьте на следующие вопросы:

1. Какие проблемы возникли при попытке объяснить теорию теплового излучения?

2. Кто предложил решение этих проблем?

3. В чем суть гипотезы Макса Планка?

4. Как можно определить значение минимальной порции энергии - кванта?

5. Чему равна постоянная Планка?

Изучение нового материала

В 1887 г. Г. Герц исследуя, электрические колебания обнаружил, что если на отрицательный электрод искрового разрядника направить ультрафиолетовое излучение, то электрический разряд происходит при меньшем напряжении между электродами, чем в отсутствии освещения. Герцу не удалось дать правильного объяснения этому явлению. Явление впоследствии получило название фотоэффект и обусловлено оно выбиванием под действием света отрицательных зарядов из металла.

Проведение демонстрационного опыта по наблюдению фотоэффекта. (если нет возможности продемонстрировать опыт, то можно использовать видеофильм из ППС“Физика 7-11 класс” (разработаны компаниями “Кирилл и Мефодий”, “Нью Медиа Дженерейшн” и “Дрофа” – Фотоэффект) Для обнаружения фотоэффекта можно использовать электрометр с присоединенной к нему цинковой пластиной. Если зарядить пластину положительно, то освещение пластины ультрафиолетом не влияет на быстроту разрядки электрометра. Но если пластину зарядить отрицательно, то световой пучок разряжает электрометр очень быстро. Однако, когда на пути света поставлено обыкновенное стекло, отрицательно заряженная пластина уже не разряжается, какова бы не была интенсивность излучения.

Вопросы к классу после демонстрационного опыта:

1. Пластинка из какого металла использована в опыте?

2. Что происходило с цинковой пластинкой, заряженной отрицательно, при облучении ее ультрафиолетовым светом?

3. Что происходило с цинковой пластинкой, заряженной положительно, при облучении ее ультрафиолетовым светом?

4. Наблюдалось ли подобное явление при облучении пластины ультрафиолетовым светом, проходящим через стекло?

5. Как называется явление, которое вы пронаблюдали?

Дайте определение явлению фотоэффекта и запишите его в рабочую тетрадь

Тщательные экспериментальные исследования русского физика А.Г. Столетова, проведенные в 1888- 1889 гг., и немецкого физика Филиппа Ленардо позволили понять сущность явления, обнаруженного Герцем и установить три закона внешнего фотоэффекта.

Рассмотрим схему опытов Столетова. В стеклянный баллон, из которого выкачан воздух, помещаются два электрода. Внутрь баллона на один электрод попадает свет через кварцевое «окошко», прозрачное не только для видимого света, но и для ультрафиолетового излучения. На электроды подается напряжение, которое можно менять с помощью потенциометра и измерять вольтметром. К освещаемому электроду присоединяются отрицательный полюс батареи.

Далее при объяснении нового материала используем программу "Открытая физика 2.6 Часть 2", раздел “Квантовая физика, “фотоэффект” ”. (Можно провести фронтально, при наличие ноутбуков на партах учащихся).

Модель является компьютерным экспериментом по исследованию закономерностей внешнего фотоэффекта. Можно изменять значение напряжения U между анодом и катодом фотоэлемента и его знак, длину волны λ в диапазоне видимого света и мощность светового потока P.

Можно определить красную границу фотоэффекта и найти работу выхода материала фотокатода. Можно измерить запирающий потенциал Uз для различных длин волн (если нет программы "Открытая физика 2.6 Часть 2, то можно использовать анимацию Фотоэффект из электронного приложения к учебнику “Физика 11 класс” Мякишев и др.)

На основании проведенных виртуальных опытов предлагаю учащимся попытаться сформулировать законы фотоэффекта с последующей записью в тетрадях.

1. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности;

2. для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. наименьшая частота света ν _min , при которой ещё возможен фотоэффект;

3. число фотоэлектронов, вырываемых из катода за 1с (фототок насыщения), прямо пропорционально интенсивности света.

Кроме того, установлена практическая безинерциальность фотоэффекта: он сразу же возникает при освещении поверхности тела при условии, что частота света ν ν _min .

Полученные опытным путем законы фотоэффекта не удалось объяснить на основе электромагнитной волновой теории света.

Фотоэффект был объяснён в 1905 году Альбертом Эйнштейном (за что в 1921 году он, благодаря номинации шведского физика Карла Вильгельма Озеена, получил Нобелевскую премию) на основе гипотезы Макса Планка о квантовой природе света

            В работе Эйнштейна содержалась важная новая гипотеза — если Планк в 1900 году предположил, что свет излучается только квантованными порциями, то Эйнштейн уже считал, что свет и существует только в виде квантованных порций. 

Согласно квантовым представлениям свет излучается и поглощается отдельными порциями (квантами), энергия E которых пропорциональна частоте ν

E = hν

где h = 6,63·10^–34 Дж·с – постоянная Планка.

Чтобы вырвать электрон из вещества, нужно сообщить ему энергию, превышающую работу выхода A_вых. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона определяется согласно Эйнштейну уравнением

hν = А_вых+ mϑ²/2

Максимальное значение кинетической энергии фотоэлектрона;

mϑ²/2 = eU_з

ν_min - наименьшая частота света, при которой возможен фотоэффект.

hν_min = А_вых ,

следовательно граничная длина волны

λ_max = с/ν_min =hс/А_вых

Красная граница фотоэффекта зависит только от работы выхода красной эта граница названа потому, что при λ λ_max , т.е. при «более красном» свете, фотоэффект не происходит.

Закрепление и обобщение знаний.

Ответьте на вопросы:

1. В чем сущность явления внешнего фотоэффекта?

2. Интенсивность света, падающего на фотокатод, возросла в 10 раз. Что при этом увеличится: сила фототока? Скорость фотоэлектронов?

3. Чем отличаются взгляды Планка и Эйнштейна на проблему квантования?

4. Что такое красная граница фотоэффекта?

5. Используя полученные знания решить задачи упр.58 (2 и 3)

Домашнее задание.

Учебник Физики 11класс под ред. А.А Пинского  § 58, № 1136, 1141 (из сборника задач по физике А.П. Рымкевича).