Методический проект урока на тему Световые кванты. Фотоэффект

Цели урока:

  • сформировать у учащихся представления о
    фотоэффекте и изучить его законы; ознакомить с
    научной деятельностью А.Г. Столетова; развивать
    познавательную активность школьников с помощью
    проблемных вопросов, исторического материала;
  • сформировать понятие кванта энергии, расширить
    представления учащихся об области применения
    закона сохранения энергии;
  • сформировать умение решать задачи с
    использованием уравнения Эйнштейна и
    представлений о квантах света;
  • привести в систему представления о
    корпускулярной теории света и углубить знания
    корпускулярно-волнового дуализма, продолжить
    формирование умений решать задачи.
  • продолжить формирование познавательного
    интереса к предмету.

Дидактический тип урока: закрепление
нового материала.

Форма урока: урок-беседа с элементами
поиска.

Оборудование: электрометр с цинковой
пластиной; комплект по фотоэффекту КПФ-1;
косметический прибор «Фотон»; карточки с
заданиями.

План урока:

  • Введение.
  • Повторение нового материала: явление
    фотоэффекта; законы фотоэффекта; опыты Столетова
    А.Г.; уравнение фотоэффекта.
  • Демонстрация опыта фотоэффекта. Беседа с
    учащимися.
  • Решение задач.
  • Обобщение урока.
  • Задание на дом.

ХОД УРОКА

I. Введение

В предыдущей главе были рассмотрены трудности,
возникшие при описании движения тел с
релятивистскими скоростями, и показаны пути
решения этой проблемы, с которой столкнулась
физика в начале ХХ века.
Оказалось, что на основе законов классической
физики невозможно объяснить строение атома,
происхождение линейчатых спектров,
закономерности испускания и поглощения
электромагнитного излучения нагретыми телами,
явления фотоэффекта и т. д. Все это вместе создало
ситуацию, которая была названа кризисом
классической физики. Разрешить этот кризис
удалось путем создания теории относительности и
квантовой теории – двух фундаментальных теорий,
возникших в начале ХХ века.
Исторически квантовая теория возникла в
процессе установления закономерностей
теплового излучения и эти понятия мы
рассматривали с вами при изучении этой главы, к
повторению вопросов которой и переходим.
Во второй половине XIX – начале XX в. учеными были
открыты атомы, ядра атомов, электроны и некоторые
другие микрочастицы. Проникнув в микромир, люди
узнали, что известные тогда законы механики и
электромеханики не объясняли некоторые открытые
явления микромира. Накопился ряд опытных фактов,
которые не смогла объяснить физическая теория
того времени. Как объяснить новые
экспериментальные факты? Каким новым законам
подчинено движение микрочастиц?
Квантовая физика – это раздел современной
физики, в котором изучаются свойства, строение
атомов и молекул, движение и взаимодействие
микрочастиц.
В возникновении квантовой физики важнейшую роль
сыграло изучение взаимодействия
электромагнитных волн с веществом. В 1886 г.
немецкий физик Г. Герц открыл явление
электризации металлических поверхностей при их
освещении. Позднее ученые выяснили, что под
действием света часть электронов, входящих в
состав тела, покидает его.

II. Повторение нового материала
сочетаем с его углублением

1. Сообщение о А.Г.Столетове. Изучение
устройства и работы установки Столетова.
2. Законы фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна.
3. Фронтальный опрос.

Вспомним некоторые определения, понятия,
формулы из пройденной темы, порешаем несложные
качественные задачи.
Излучение, испускаемое нагретыми телами,
называется тепловым. При этом не следует думать,
что тепловое излучение возникает только при
высоких температурах. Оно происходит и при
комнатной температуре. Разница лишь в том, что по
мере понижения температуры уменьшается
интенсивность излучения и изменяется его
спектральный состав. При t ~ 800oC
испускается в основном красное излучение с ~ 680 нм, а также
невидимое инфракрасное излучение с от 106 до103 нм.
Каждое тело может не только испускать, но и
поглощать тепловое излучение. Чем больше энергии
тело излучает при некоторой постоянной
температуре, тем сильнее оно поглощает излучение
такого же спектрального состава при той же
температуре.

Вопрос 1. Вспомним, что называют
абсолютно черным телом? (а.ч.т.)

Ответ: Тело, которое при любой не
разрушающей его температуре полностью поглощает
всю энергию падающего на него света любой
частоты.
Абсолютно черных тел не существует – это
идеализация, оно является наиболее интенсивным
источником теплового излучения, при одной и той
же температуре, оно в единицу времени с
поверхности единичной площади испускает больше
энергии электромагнитного излучения, чем любое
другое тело.

Вопрос 2. Что мы называем законом
Стефана-Больцмана, и что из него следует?

Ответ: Интегральная светимость а.ч.т.
пропорциональна четвертой степени его
абсолютной температуры.

Из закона Стефана-Больцмана следует, что
излучение а.ч.т. определяется только его
температурой.

Вопрос 3. Как распределяется энергия
излучения а.ч.т. по длинам волн?

Ответ: Энергия излучения вначале
растет с увеличением длины волны, но пройдя через
максимум убывает (т.к. для каждой температуры
существует такая max,на
которую приходится наибольшая часть энергии,
испускаемой а.ч.т. При повышении температуры m уменьшается).

Вопрос 4. Как изменилась температура
а.ч.т., если длина волны, на которую приходится
максимум излучения, увеличилась в 3 раза?
Ответ: Уменьшилась в 3 раза (закон
изменения Вина )

Вопрос 5. Во сколько раз изменилась
температура а.ч.т., если мощность излучения этого
тела увеличилась в 16 раз?

Ответ: Увеличилась в 2 раза ( – закон
Стефана-Больцмана)

Вопрос 6. Какая гипотеза была
высказана Планком?

Ответ:А.ч.т. испускает и поглощает свет
не непрерывно, а определенными конечными
порциями энергии – квантами.

Вопрос 7. Частота облучающего света
увеличилась в 2 раза. Как изменится напряжение
запирания для фотоэлемента?

Ответ: Увеличилась в 2 раза ()

Вопрос 8. По какой формуле определяют
красную границу фотоэффекта? И что это такое?

Ответ: . Для каждого вещества существует
красная граница фотоэффекта, т.е. света, при
которой еще возможен внешний фотоэффект.

9. В чем состоит различие между внешним
и внутренним фотоэффектом?

Ответ: При внешнем фотоэффекте
электроны вырываются из вещества, а при
внутреннем – остаются внутри вещества.

Вопрос 10. Как зависит U3
фототока от облучающего света?
Ответ:

Вопрос 11. Что подтверждает эффект
Комптона?

Ответ:Квантовую природу света. Он
свидетельствует о существовании фотонов и
наличии у них энергии и импульса.

Вопрос 12. Что такое фотон? Его
свойства?

Ответ:

1) является частицей электромагнитного поля;
2) движется со скоростью света;
3) существует только в движении;
4) масса покоя равна 0;
5) остановить фотон нельзя, он либо движется, либо
не существует.

Вопрос 13. В чем заключается эффект
Комптона?

Ответ:Комптон обнаружил, что если
рентгеновское излучение с 0
рассеивается веществом, то в рассеянном потоке
наряду с излучением с 0 наблюдается
излучение с большей , – изменение длины волны,
зависитот угла рассеяния U. Чем больше U,
тем больше потери энергии, а следовательно
уменьшение частоты.

Вопрос 14. Если энергия излучения
кванта увеличилась в 2 раза, то частота
излучения…?

Ответ: Увеличилась в 2 раза ()

Вопрос 15. Какие из физических явлений
не смогла объяснить классическая физика?

Ответ: Тепловое излучение нагретыми
телами.

III. Демонстрация опыта
фотоэффекта

1. Демонстрация опыта фотоэффекта.

Главная задача опыта – выделить и изучить
явление фотоэффекта.

2. Беседа с учащимися.

Цель беседы: выяснить физическую
сущность-микромеханизм-нового явления.

Вопросы для обсуждения: когда
начинает разряжаться электрометр?

  1. Что является причиной разрядки электрометра?
  2. Почему можно сделать вывод о вылете электронов
    с цинковой пластинки?
  3. Будет ли наблюдаться разрядка электрометра,
    если его зарядить положительно?
  4. Изменится ли время разрядки электрометра, если
    пластинку расположить под углом к потоку света?
    Если увеличить расстояние между электрометром и
    источником света?

Первый опыт: фотоэффект наблюдается
лишь при облучении пластины световыми волнами
определенной длины.

Второй опыт: используется другой
источник света – мощная электрическая лампа
накаливания.

Вопрос по опыту учащимся: будет ли энергия,
сообщаемая светом электронам в пластинке,
зависеть от освещенности с точки зрения волновой
теории?

Ответ. Будет, так как, чем больше
освещенность, тем большая энергия передается
пластинке светом, а значит, и большая энергия
должна приходиться на отдельный электрон. По
волновой теории поток энергии непрерывен.
Опыт с лампой накаливания: фотоэффект не
наблюдается; на пути потока света от
специального источника ставиться стекло,
разрядка прекращается, стекло поглощает
световые волны больших частот.

Общий вывод: волновая теория света
неспособна объяснить, почему фотоэффект в данном
случае вызывается одними и не вызывается другими
световыми волнами.

IV. Решение задач (см. Приложение)

V. Обобщение урока

Раскрывая вопросы, связанные с данной темой, мы
видим, что Макс Планк указал путь выхода из
трудностей, с которыми столкнулась теория
теплового излучения. Но этот успех был получен
ценой отказа от законов классической физики
применительно к микроскопическим системам и
излучению.

  1. Мы знаем, что согласно представлениям
    Эйнштейна, поглощенная порция энергии идет на совершение
    работы выхода по вырыванию электрона из металла
    и сообщение ему Wкин.
  2. Если частота света , то фотоэффект не наблюдается.
  3. При излучении и поглощении свет обнаруживает
    корпускулярные свойства, и световую частицу
    называем фотоном.
  4. В процессе распространения свет обнаруживает
    волновые свойства (интерференция и дифракция).
  5. Свет обладает дуализмом свойств.

IV. Задание на дом.

Пособие: 11.1 (28, 31, 34);
11.2 (11, 17, 23).
Повторить: § 88 – 91

Следующий: