litceysel.ru
добавить свой файл
1




Тема : Фотоэффект .


Цели урока:

Образовательная: обеспечить закрепление изученного материала и

продолжить формирование понятия фотоэффекта.

Воспитательная: продолжить развитие функции общения на уроке как

условия обеспечения взаимопонимания побуждения к

действию.

Развивающая: развить способности усвоения теоретических знаний с

помощью наглядно-образных представлений о научном

эксперименте, визуальную информацию переводить в

вербальную, формировать умение трансформировать

информацию, видоизменять её объём, форму, носитель.

Медиаобразовательная: формировать умение воспринимать альтернативную

точку зрения и высказывать обоснованные аргументы

«за» и «против».


Оформление : урок сопровождается показом презентации, используется компьютерная модель «Фотоэффект»( мультимедийный курс «Физика 7-11кл., или Приложение 3 (открывать во Flash)), http://vschool.km.ru, интерактивная доска.


Ход урока.


  1. Организационный этап. (Вступительное слово учителя)


Мы знаем, что физика – наука о природе. Вспомним Ф.И.Тютчева:

Не то, что мните вы, природа:

Не слепок, не бездушен лик, -

В ней есть душа, в ней есть свобода.

В ней есть любовь, в ней есть язык.


Да, у природы есть свой язык, и мы должны его понимать. На каждом уроке физики, при изучении любого явления мы учимся этому языку.

На предыдущих уроках мы познакомились с вами с «азбукой» квантовой физики и сегодня продолжим «читать» книгу природы.

Энергией» hv» снабжен,


Летит к нам квант, то бишь фотон.

Его хватает электрон,

И … до свидания, дом родной!


Это четверостишие вашего одноклассника. О чем в нем идет речь? Расшифруйте его физический смысл.


  1. Закрепление изученного материала и продолжение формирования понятия фотоэффект.


1.Фронтальный опрос


  1. Путь познания природы таков: открытие – исследование – объяснение. При изучении нашей темы этим этапам можно сопоставить три даты : 1887—1890 –1905 г.г. С именами каких ученых можно связать каждый этап? Какое значение имели их работы для квантовой физики?




Ответ:

1887 г.—Генрих Герц открыл явление фотоэффекта.


1890 г.—Александр Григорьевич Столетов установил

количественные закономерности фотоэффекта.

И только преждевременная смерть не позволила

ему довести исследования до конца и установить,

что является носителями фототока. Мы гордимся

выдающимися трудами ученого.


1905 г.—Альберт Эйнштейн обосновал квантовую природу

фотоэффекта и все его закономерности.



  1. Что называют фотоэлектрическим эффектом?

  2. В чем состоит экспериментальное исследование, проведенное А.Г. Столетовым? (опыт Столетова А.Г.- http://alexcon. Km.ru)

  3. Сформулируйте законы внешнего фотоэффекта.

  4. Ответьте на вопросы по статье А.Г. Столетова «Актино-электрические исследования».

  5. Сравните установку А.Г.Столетова с установкой, изображенной в учебнике. Назовите их принципиальное сходство и различие.

  6. Найдите, какие именно ( по номерам) из перечисленных А.Г.Столетовым результатов опыта превратились в известные нам законы фотоэффекта.


а) фотоэффект безынерционен ( №7. Разряжающее действие лучей обнаруживается даже при весьма кратковременном освещении, причем между моментом освещения и моментом соответственно разряда не протекает заметного времени.);

б) сила тока прямо пропорциональна энергии световой волны (№8. Разряжающее действие… пропорционально энергии лучей, падающих на разряжаемую поверхность.);

в) существует «красная граница фотоэффекта» (№4. Разряжающим действием обладают… если не исключительно, то с громадным превосходством перед прочими, лучи самой преломляемости, недостающие в солнечном спектре ( 295*10 мм). Чем спектр обильнее такими лучами, тем сильнее действие.

  1. Какой из законов не мог быть установлен А.Г.Столетовым. Почему?

  2. Найдите ошибку в следующем утверждении: « Чем больше освещенность, тем большая энергия передается отдельным электронам вещества. Чем большая энергия передается электронам, тем больше должна быть при вылете их кинетическая энергия. Это значит, что кинетическая энергия электронов должна зависеть от интенсивности света».

  3. Какое напряжение называется задерживающим?

  4. На что расходуется энергия фотонов при фотоэффекте?

  5. В чем сущность гипотезы Эйнштейна в теории фотоэффекта?

  6. Что такое фотон?

  7. Что такое красная граница фотоэффекта?


2. Решите задачу:


Никогда не знаешь, что может тебе пригодиться в жизни! Убедимся в этом, решив следующую задачу :

«Дверь имела хитроумное устройство: при попытке постороннего её открыть, ультрафиолетовая лампа с длиной волны 0.1 мкм освещала вольфрамовую пластинку фотоэлемента. Вырванные электроны замыкали электрическую цепь, которая открывала шлюз. В коридор устремлялась вода, кишащая пиявками, крокодилами, пираньями и акулами. Джеймс Бонд, агент 007, вдруг вспомнил, что в детстве мама говорила ему: - Запомни, сынок, работа выхода электронов из вольфрама 4,5 эВ! –Зачем это мне, мама? - Удивлялся маленький Джеймсик. – Никогда не знаешь, что может пригодиться тебе в жизни, - отвечала мама. Тогда он быстро произвел вычисления и подключил к фотоэлементу источник постоянного тока, дающий на его зажимах напряжение в 7,95 В, потянул за ручку двери и …»


Какие же вычисления произвел Джеймс Бонд? Что, в итоге, произошло?


3. Проверка домашнего задания.


На предыдущем уроке вы выполняли виртуальную практическую работу «Проверка законов фотоэффекта». Сейчас, используя обработанные вами дома данные этой работы, с помощью интерактивной доски и компьютерной модели фотоэффекта (Приложение 3) продемонстрируйте нам :


  1. Зависимость тока насыщения от мощности излучения. Как зависит количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 сек от мощности светового потока? ( вспомните определение силы тока).

  2. Докажите, что зависимость максимальной кинетической энергии фотоэлектронов от частоты излучения равнозначна зависимости задерживающего напряжения от длины волны. Продемонстрируйте эту зависимость.

  3. Продемонстрируйте наличие «красной» границы фотоэффекта для любого металла.

  4. Покажите, как с помощью этой модели можно определить постоянную Планка?

  5. Каковы границы применимости данной компьютерной модели?

  6. Какие бы вы внесли дополнения в неё?


4..Решение графических задач:


Используя системы координат на интерактивной доске и ваши домашние работы, постройте:

1). График зависимости I от Р.

2).График зависимости кинетической энергии электронов от частоты излучения.


III Обобщение теории Эйнштейна с помощью алгоритм решения задач на фотоэффект .


Ознакомимся с алгоритмом применения уравнения Эйнштейна для фотоэффекта

к решению задач повышенной сложности. » Отправим «фотоэлектрон в путешествие по электрическим и магнитным полям, т.е.объединим уравнения электродинамики и теорию фотоэффекта (получают раздаточный материал) и используем его при решении домашних задач. (см. Приложение 1).



IV Работа с коррекционным тестом.


Выполним самостоятельную работу (тест) опираясь на данный алгоритм. (см. Приложение 2.)


VРефлексия.


«Увидели» явление фотоэффекта, повторили его физический смысл и его законы, используя возможности ИКТ и применяя деятельностный подход в обучении.

Ваше мнение об уроке:

Сегодня я узнал…

Понял…

Удивился…

И т. п.

VI Домашнее задание:


  1. В стихотворении А.С.Пушкина читаем «… гений, парадоксов друг». Знаете ли вы что такое парадокс? Парадокс – это неожиданное явление, не соответствующее обычным представлениям. Дома просмотрите §66 учебника, стр.163, и найдите, в чем парадокс фотоэффекта.



Ответ: парадокс состоит в том, что при увеличении потока падающего света заданной длины волны не происходит увеличения скорости фотоэлектронов, а свет длиной меньшей порогового значения вообще не может выбить из металла электроны независимо от мощности светового потока.

  1. Решить задачи: КИМ для подготовки к ЕГЭ. Раздел «Квантовая механика»

С1, С3, С6, используя алгоритм применения уравнения Эйнштейна для

решения задач на фотоэффект.

  1. Найти в Интернете адреса сайтов в которых описывается явление фотоэффекта.( http:// vschool.km.ru) и др.



Приложение 1.


Алгоритм

применения уравнения Эйнштейна для фотоэффекта

к решению задач


1. Фотоэффект описывается уравнением Эйнштейна:

в котором - энергия светового кванта (фотона),


- работа выхода электрона из металла,

- кинетическая энергия фотоэлектрона.


2. Нахождение энергии фотона.



2.1. Если в задаче приводится значение длины волны, используйте формулу связи длины волны и скорости её распространения с частотой .

2.2. Энергию одного фотона можно найти, зная энергию излучения:



где N – число фотонов.

Энергия излучения связана с интенсивностью излучения (поверхностной плотностью потока излучения) соотношением

2.3. Энергия фотона связана с собственными характеристиками фотона как световой частицы. Формула связи импульса и энергии фотона:


3. Нахождение работы выхода электрона из металла.

Значение работы выхода электрона может быть определено:

3.1. с помощью справочной таблицы «Работа выхода электрона из металла», если известен металл и нет усложняющих нахождение работы выхода величин.

3.2. через значение красной границы фотоэффекта для данного металла в данном состоянии .



4. Поведение фотоэлектрона после вылета из металла может быть описано из следующих соображений:


4.1. В задерживающем однородном электрическом поле, согласно теореме о кинетической энергии, изменение кинетической энергии фотоэлектрона равно работе сил поля , т. е. (См. Физика – 10 под ред. Пинского, § 43).

4.2. Следует помнить, что движение фотоэлектронов вдоль силовых линий однородного электрического поля – движение с постоянным ускорением . Поэтому, в зависимости от постановки вопроса задачи, следует применять либо формулы электростатики (например, формулу связи напряжённости и напряжения однородного электрического поля для расчёта расстояния d, пройденного электроном до остановки в задерживающем поле), либо формулы кинематики равноускоренного движения, позволяющие рассчитать перемещение d и скорость фотоэлектрона в определённый момент времени ().

4.3. Если фотоэлектроны попадают в однородное магнитное поле, то в зависимости от угла между вектором скорости и вектором магнитной индукции они движутся прямолинейно ( = 0º, = 180º), по окружности ( = 90º) или по спирали (90º > > 0º).


Например, при = 90º фотоэлектрон движется под действием силы Лоренца с ускорением по окружности радиуса , при этом период обращения фотоэлектрона равен (См. Физика – 10 под ред. Пинского, § 55)

4.4. В скрещенных электрическом и магнитном полях фотоэлектрон может двигаться прямолинейно с постоянной скоростью при условии (См. Физика – 10 под ред. Пинского, § 55)

4.5. Зная максимальную скорость вылета фотоэлектрона, несложно определить импульс электрона, длину волны де Бройля и т. д.


5. Полезно помнить, что в простейших случаях вычисления можно проводить во внесистемных единицах, принимая значение постоянной Планка h = .


Приложение 2.


Коррекционный тест по теме «Фотоэффект»

Вариант I


Как при внешнем, так и при внутреннем фотоэффекте электроны отрываются от атомов.

I. При внешнем фотоэффекте…

II. При внутреннем фотоэффекте…

1. электроны покидают облучаемое тело.

2. электроны не покидают облучаемое тело.

3. во всех случаях происходит вылет электронов с поверхности вещества.

4. во всех случаях не происходит вылета электронов с поверхности вещества.

В опыте по обнаружению фотоэффекта цинковая пластинка крепится на стержне электрометра, предварительно заряжается отрицательно и освещается светом электрической дуги так, чтобы лучи падали перпендикулярно плоскости пластинки.


Как изменится время разрядки электрометра, если…

III. увеличить освещённость?

IV. электрометр приблизить к источнику света?

V. пластинку повернуть таким образом, чтобы лучи падали на неё под некоторым углом?

VI. закрыть непрозрачным экраном часть пластинки?

VII. поставить светофильтр, задерживающий инфракрасную часть спектра?

VIII. поставить светофильтр, задерживающий ультрафиолетовую часть спектра?

1. Увеличится.

2. Уменьшится.

3. Не изменится


IX. Количество электронов, вырванных светом с единицы площади поверхности тел за единицу времени,…

XI. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов…

1. прямо пропорционально(а) интенсивности света и не зависит от его частоты (при любых частотах излучения).

2. прямо пропорционально(а) частоте света (при ) и не зависит от его интенсивности.

3. зависит от частоты излучения и его интенсивности.


XI. В своих опытах Столетов измерял максимальную силу фототока (ток насыщения) при освещении электрода ультрафиолетовым светом. Сила тока насыщения при увеличении интенсивности источника света будет...

1. увеличиваться. 2. уменьшаться.

3. оставаться неизменной. 4. сначала увеличиваться,

затем уменьшаться.


XII. При наблюдении фотоэффекта значение его «красной границы» зависит от...

1. постоянной Планка. 2. формы освещаемого тела.

3. интенсивности излучения. 4. материала освещаемого тела

XIII. Cогласно уравнению Эйнштейна для фотоэффекта энергия кванта, вызывающего фотоэффект, должна быть…


1. больше работы выхода.

2. равна работе выхода.

3. больше или равна работе выхода.

4. равна кинетической энергии вылетающего электрона.


XIV. При облучении поверхностей железной и цинковой пластин светом одинаковой частоты максимальная скорость вылетающих электронов наблюдается у цинка. Сравните значения работы выхода А и частоты , соответствующей красной границе фотоэффекта для железа и цинка.

1. и А больше у цинка.

2. и А больше у железа.

3. больше у цинка, А больше у железа.

4. больше у железа, А больше у цинка.

5. Значения и А для железа и цинка одинаковы.

XV. Четырех учеников попросили нарисовать общий вид графика зависимости максимальной энергии E электронов, вылетевших из пластины в результате фотоэффекта, от частоты падающего света. Какой из приведенных рисунков выполнен правильно?




Укажите на рисунке график зависимости…

XVI. силы фототока от напряжения на фотоэлементе.

XVII. силы фототока от интенсивности света.

XVIII. скорости фотоэлектронов от частоты света.




Вы знаете закономерности внешнего фотоэффекта:


1. Число фотоэлектронов, вырываемых светом с поверхности металла за единицу времени, прямо пропорционально интенсивности света.

2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.

3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. наименьшая частота , при которой ещё возможен фотоэффект.

4. Фотоэффект практически безынерционен, т. е. фотоэлектроны вылетают из металла почти одновременно с поглощением света частоты

Какими опытами и рассуждениями, приведёнными ниже, можно подтвердить эти закономерности?

XIX. При облучении цинковой пластинки светом от лампы накаливания фотоэффект не наблюдается, при облучении светом электрической дуги фотоэффект налицо.

XX. Если отрицательно заряженную цинковую пластинку облучить светом электрической дуги, падающим один раз перпендикулярно, а другой раз наклонно, то в первом случае пластина разряжается быстрее.

XXI. Если в формуле Эйнштейна положить скорость электронов равной нулю, то получим, что критическая частота, ниже которой фотоэффект прекращается, выражается формулой

XXII. Фотоэлементы применяются в телевидении, звуковом кино, фотореле, где с их помощью регистрируются кратковременные изменения освещённости или вспышки света.

XXIII. Если к фотоэлементу приложить небольшое тормозящее напряжение, то можно заставить фотоэлектроны вернуться на катод – фототок прекратится. Увеличивая при этом же тормозящем напряжении частоту падающего света, можно снова наблюдать фототок.

XXIV. Энергия фотона, соответствующая красной границе фотоэффекта, для калия равна 7,2·10–19 Дж. Определите максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов, если на металл падает свет, энергия фотонов которого равна 10–18 Дж.

1. 2,8·10-19 Дж. 2. 0. 3. 1,72·10–18 Дж 4. 7,2·10-19 Дж.


Пластины из вольфрама и золота освещаются монохроматическим светом, энергия квантов которого 5 эВ.

XXV. Из какого металла электрон вылетит с большей скоростью?

XXVI. Сравните задерживающие напряжения для электронов, вылетающих из этих металлов при данных условиях.

1. Больше для вольфрама. 2. Больше для золота.

3. Одинаковы. 4. Фотоэффект не возникает.


XXVII. В эксперименте обнаружено, что при очень высокой интенсивности облучения фотоэлектрический эффект происходит и при частотах фотонов ниже красной границы фотоэффекта. Как Вы думаете, чем можно объяснить этот эффект?

1. Это следствие соотношения неопределенностей.

2. Атомы могут поглощать одновременно два или более фотонов.

3. Возможен туннельный эффект.

4. При высоких интенсивностях облучения возможно нарушение закона сохранения энергии


Коррекционный тест по теме «Фотоэффект»

Вариант II


I. Для внешнего фотоэффекта справедливо утверждение:

1. максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света.

2. энергия фотона прямо пропорциональна частоте света.

3. сила фототока прямо пропорциональна частоте падающего света.

4. сила фототока не зависит от интенсивности падающего света.


II. При исследовании фотоэффекта А.Г.Столетов выяснил, что...

1. энергия фотона прямо пропорциональна частоте света.


2. вещество поглощает свет квантами.

3. сила фототока прямо пропорциональна частоте

падающего света.

4. фототок возникает при частотах падающего света,

превышающих некоторое наименьшее значение.


III. Первая из двух одинаковых металлических пластинок имеет положительный электрический заряд, вторая – отрицательный. Какая из них разрядится быстрее при освещении электрической дугой?

1. Первая. 2. Вторая. 3. Одновременно. 4. Пластинки не

будут разряжаться.

IV. Для возникновения фотоэффекта при освещении металлической пластинки падающее излучение должно иметь...

1. частоту, выше определенного значения. 2. мощность, большую

определенного значения.

3. длину волны, большую определенного 4. интенсивность, большую

значения. определенного значения.


Каким будет результат опыта, если ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами осветить…

V. незаряженную металлическую пластинку?

VI. электрически нейтральные пластинки из металла и полупроводника?

1. пластины заряжаются положительно.

2. пластины заряжаются отрицательно.

3. металлическая заряжается положительно, полупроводниковая остаётся нейтральной.

4. металлическая заряжается отрицательно, полупроводниковая остаётся нейтральной.

5. пластины останутся нейтральными – таким способом зарядить пластины нельзя.


VII. Красная граница фотоэффекта определяется…

A. частотой света.

Б. свойствами вещества.

В. площадью катода.

1. А 2. Б 3. А и Б 4. А, Б и В


VIII. Eсли пластинке сообщить отрицательный заряд, то минимальная частота, при которой возникает фотоэффект, …

1. не изменится. 2. увеличится. 3. уменьшится.

4. увеличится или уменьшится в зависимости от рода вещества.



IX. При освещении металлической пластины зелёным светом фотоэффекта нет. Будет ли он наблюдаться при облучении той же пластины красным светом?

1. Да. 2. Нет. 3. Результат зависит от интенсивности падающего

света.


X. В каком из двух случаев вероятность появления фотоэффекта будет наибольшей: при освещении металла жёлтым или фиолетовым светом?

1. Одинакова в обоих случаях. 2. При освещении жёлтым светом.

3. При освещении фиолетовым светом.


XI. Энергия фотона, поглощённого при фотоэффекте, равна Е. Кинетическая энергия электрона, вылетевшего с поверхности металла под действием этого фотона,

1. больше Е. 2. меньше Е. 3. равна Е.

4. может быть больше или меньше Е в зависимости от внешних условий.


XII. Из перечисленных ниже факторов выберите те, от которых зависит кинетическая энергия электронов, вылетевших с поверхности металлической пластины при ее освещении светом лампы.
А. Интенсивность падающего света.
Б. Частота падающего света.
В. Работа выхода электрона из металла.

1. только А 2. только Б 3. Б и В 4. А, Б, В

XIII. При облучении поверхностей железной и цинковой пластин светом одинаковой частоты максимальная кинетическая энергия вылетающих электронов наблюдается у цинка. Сравните значения работы выхода А и частоты , соответствующей красной границе фотоэффекта для железа и цинка.

1. и А больше у цинка.

2. и А больше у железа.

3. больше у цинка, А больше у железа.

4. больше у железа, А больше у цинка.


5. Значения и А для железа и цинка одинаковы.


XIV. Как изменится кинетическая энергия электронов при фотоэффекте, если увеличить частоту облучающего света, не изменяя общую мощность излучения?

1. Увеличится. 2. Уменьшится. 3. Не изменится. 4. Ответ неоднозначен.


XV. Четырех учеников попросили нарисовать общий вид графика зависимости максимальной энергии E электронов, вылетевших из пластины в результате фотоэффекта, от интенсивности падающего света с постоянной длиной волны. Какой из приведенных рисунков выполнен правильно?



Укажите на рисунке …

XVI. график зависимости силы фототока от мощности излучения.

XVII. график зависимости кинетической энергии фотоэлектронов от частоты падающего света.

XVIII. вольт–амперную характеристику вакуумного фотоэлемента.



Вы знаете закономерности внешнего фотоэффекта:

1. Число фотоэлектронов, вырываемых светом с поверхности металла за единицу времени, прямо пропорционально интенсивности света.

2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.

3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. наименьшая частота , при которой ещё возможен фотоэффект.

4. Фотоэффект практически безынерционен, т. е. фотоэлектроны вылетают из металла почти одновременно с поглощением света частоты

Какими опытами и рассуждениями, приведёнными ниже, можно подтвердить эти закономерности?


XIX. При исследовании способности вызывать фотоэффект установлено, что этот эффект усиливается при перемещении к коротковолновому концу спектра.

XX. Фотоэффект на цинке прекращается, если на пути излучения поместить стеклянную пластинку.

XXI. В опытах по фотоэффекту было найдено, что для света с длиной волны λ1 = 300 нм запирающий потенциал Uз1 = 3,0 В, для λ2 = 400 нм  запирающий потенциал уменьшился до значения Uз2 = 2,0 В.

XXII. В своих опытах Столетов измерял максимальную силу фототока (ток насыщения) при освещении электрода ультрафиолетовым светом. Сила тока насыщения при увеличении интенсивности источника света увеличивалась.

XXIII. Фотоэлементы используют в автоматике и телемеханике, фотометрии, измерительной технике, метрологии и др., где с их помощью регистрируются кратковременные изменения освещённости или вспышки света.


XXIV. На пластину из никеля падает электромагнитное излучение, энергия фотонов которого равна 8 эВ. При этом в результате фотоэффекта из пластины вылетают электроны с максимальной энергией 3 эВ. Какова работа выхода электронов из никеля?

1. 11 эВ. 2. 5 эВ. 3. 3 эВ. 4. 8 эВ.


Пластины из серебра и золота освещаются монохроматическим светом, энергия квантов которого 5 эВ.

XXV. Из какого металла электрон вылетит с большей скоростью?

XXVI. Сравните задерживающие напряжения для электронов, вылетающих из этих металлов при данных условиях.

1. Больше для серебра. 2. Больше для золота. 3. Одинаковы. 4. Фотоэффект не возникает.


XXVII. Между фотокатодом и анодом приложена такая разность потенциалов, что наиболее быстрые фотоэлектроны могут пролететь только половину расстояния между электродами. Смогут ли они долететь до анода, если расстояние между электродами уменьшить вдвое при той же разности потенциалов?

1. Смогут при неизменных остальных условиях. 2. Не смогут.

3. Смогут, если увеличить мощность излучения.