Открытый урок по теме «Фотоэффект»

Автор: Вигантс Яна Валентиновна

Организация: МБОУ СОШ им. В.М. Комарова с УИАЯ

Населенный пункт: Московская область, пос. Звездный городок

Цели урока.

Образовательные: сформировать у учащихся представление о фотоэффекте, проверить законы фотоэффекта с помощью виртуального эксперимента, расширить представления учащихся об области применения закона сохранения энергии, ознакомить с научной деятельностью А.Г. Столетова, подготовка к ЕГЭ.

Развивающие: подготовить обучающихся к пониманию процессов и явлений, происходящих по законам квантовой физики, учить систематизировать учебный материал, выделяя доминирующие элементы знания, развивать умение работать с формулами при решении задач.

Воспитательные: воспитывать внимание, чувство ответственности, терпимости к суждениям товарищей, прививать интерес к предмету.

 

Ход урока.

1. Организационный момент

Добрый день, всем, кто присутствует в этом классе!

Я хочу представить вам знаменитые высказывания моих кумиров в физике, которые сравнивали свой путь в науке и то, как их этому учили в школе. Так, Ньютон, размышляя над содержанием своих законов, вдруг в тексте вставляет маленькую фразу «При изучении наук примеры важнее правил», Энштейн и Фарадей говорят о фантазии, как основе образования человека, а Аристотель со свойственной древнегреческой мудростью советует учить и учиться удивляться. На экране в это время (слайд https://drive.google.com/drive/folders/1Hdi9AUgXkFJw_H_WKW5ODHtUbat3qzVS?usp=sharing):

Гений – терпение мысли, сосредоточенной в одном направлении… И.Ньютон

Наука всегда выигрывает, когда ее крылья раскованы фантазией. М.Фарадей

Удивление побуждает людей философствовать,… стремиться к знанию… Аристотель

 

Я надеюсь, что каждый из вас примет посылы моих любимых физиков и вместе мы воплотим их на уроке.

А чего ждете от сегодняшнего урока вы? Давайте попробуем это выяснить.

Приготовьте к работе свои планшеты. И я попрошу вас войти в браузер, которым вы пользуетесь обычно. Теперь введите в адресную строку menti.сom. И код с картинки на моем компьютере. У вас появились поля для трех слов, введите те слова, которые расскажут нам о ваших ожиданиях.

(Ответы проецируются на экране, наиболее частые выделены большими буквами).

Большое спасибо всем, мои ожидания совпадают с вашими. Итак, давайте же начнем!

1. Постановка цели и задач урока. Мотивация учебной деятельности учащихся.

Перед вами видеоряд (автоматическое включение и выключение маяков и уличного освещения, видящие автоматы в метро, автоматизация станков на заводах, солнечные батареи на земле и в космосе, «заговорившее кино» и передача видеоизображений https://drive.google.com/file/d/1QQTESnOKlERzWkMULA_0xFdml389U8y_/view?usp=sharing).

Что объединяет эти разные стороны нашей жизни?

Какова же тема нашего урока? Я дам вам небольшую подсказку. Это слово состоит из двух частей. Одна часть слова с греческого переводится как свет, а другая с латинского как действие. (Предполагают – действие света). Тема урока имеет непосредственное отношение к нашей жизни – «Фотоэффект». Запишите тему урока в рабочий лист.

Мне интересны ваши мысли по поводу темы урока, поэтому попробуйте закончить эти предложения (не обязательно все, можно и 1-2):

Сегодня мы поговорим о…(действии света на вещества)

Я чувствую, что…(мне будет интересен материал, и я узнаю много нового)

По теме нашего урока я знаю, что…

Мне бывает нелегко…

Я всегда думал, что…

Я где-то читал…

Ставлю перед собой цель …(детально изучить это явление)

Итак, цель нашего урока…

На этом уроке вы не только узнаете, что такое фотоэффект, но мы с вами объясним физическую природу этого явления, установим законы, которым оно подчиняется, и познакомимся с новой теорией, объясняющей природу света и невидимых лучей. И знания по этой теме вы должны будете продемонстрировать на экзамене.

Для реализации цели урока мы должны будем пройти несколько этапов. Они указаны в маршрутных листах. Работая над каждым этапом, мы будем делать пометки, и оценивать собственную работу.

Но сначала мы повторим материал, пройденный на прошлом уроке, без которого сложно разобраться в тонкостях фотоэффекта.

1. Актуализация знаний (игра «Попробуй объясни»).

Перед вами игровое поле с шестью заданиями, вы можете выбрать любое (слайд). После выполнения всех заданий вам откроется мудрое высказывание и тот, кто его очень часто произносит с экранов телевизоров.

1. Что называется тепловым излучением?

Ответ: это излучение нагретых тел.

1. С какими трудностями столкнулась теория теплового излучения?

Ответ: согласно теоретическим представлениям: нагретое тело, непрерывно теряя энергию вследствие излучения электромагнитных волн, должно охладиться до абсолютного нуля.

Однако повседневный опыт показывает, что ничего подобного не происходит.

1. Кто указал путь выхода из этих трудностей?

Ответ: немецкий физик Макс Планк.

1. В чем суть гипотезы Макса Планка?

Ответ: свет может излучаться отдельными порциями световой энергии -квантами или фотонами.

1. От чего зависит энергия кванта излучения и чему она равна?

Ответ: энергия кванта излучения зависит от частоты излучения. E=hv.

1. Чему равна постоянная Планка?

Ответ: h=6,63•10^-34Дж•с.

«Мир интересней, чем нам кажется» сказал Александр Пушной в своей программе «Галилео» и пусть это будет девизом нашего урока.

1. Объяснение нового материала.

Путь познания природы таков: открытие – исследование – объяснение. При изучении нашей темы этим этапам можно сопоставить три даты: 1887—1890 –1905 г.г..

Это явление в разное время изучали ученые: Г. Герц, А.Г. Столетов, А. Эйнштейн. На доске вы видите портреты этих ученых (слайд 8), у вас на столах лежат листки с их портретами, вы должны будете в ходе урока записать роль каждого из них в изучении этого явления, кто какой этап осваивал?

Ответ:

	1887 г. — Генрих Герц открыл явление фотоэффекта.
	1888-1890г.г. — Александр Григорьевич Столетов установил количественные закономерности фотоэффекта.
	1905г. — Альберт Эйнштейн обосновал квантовую природу фотоэффекта и все его закономерности.

 

Мы знаем, как ведет себя свет, падая на вещество. А вот, что происходит с веществом под действием света?

Помимо проблем, связанных с тепловым излучением, столь же загадочным оказались закономерности, проявляющиеся в явлении «фотоэффекта», которое было открыто случайно в 1887 году немецким физиком Генрихом Герцем, когда он исследовал электрические колебания. Для проведения опыта он использовал электроскоп с присоединённой к нему цинковой пластинкой. Заряженную пластинку он освещал мощным источником света и обнаружил интересные моменты. Сейчас и мы, благодаря видеофрагменту, сможем увидеть то, что в те далёкие годы увидел Герц. Для этого внимание на экран. (показывается видеофрагмент https://drive.google.com/file/d/12idoPMydVg2Y9u5k346RzouRZs9g5qNC/view?usp=sharing).

Давайте попытаемся объяснить увиденную картину, а именно почему под действием света, падающего на отрицательно заряженную цинковую пластинку электроскоп, разряжается, а когда освещают положительно заряженную пластину никакого эффекта нет?

Ответ: электроскоп будет разряжаться тогда, когда заряд с пластинки будет исчезать. Видимо, когда освещали отрицательно заряженную пластину светом, свет выбивает электроны с пластинки и электроскоп разряжается. При положительном заряде пластинки вырванные светом электроны снова притянутся к пластине и осядут на ней. Поэтому заряд электроскопа не изменяется.

А если, на пути светового потока поставить обыкновенное стекло, то отрицательно заряженная пластинка не теряет электроны, какова бы ни была интенсивность излучения. Почему это происходит?

Ответ: возможно, из-за того, что стекло поглощает ультрафиолетовые лучи и, следовательно, вырывание электронов происходит под действием ультрафиолетовых лучей, которые обладают большой частотой и малой длиной волны.

Совершенно, верно. К этим же выводам пришёл и Герц и в 1887 году он публикует работу «О влиянии, ультрафиолетового света на электрический разряд» в которой описал, открытое им явление.

Это явление сразу привлекло внимание ряда исследователей разных стран мира. В России это преподаватель Московского университета Александр Григорьевич Столетов, который в 1888 г. установил количественные закономерности фотоэффекта используя фотоэлемент собственной конструкции.

Рассмотрев физические процессы, я думаю вы готовы дать определение этому явлению.

Фотоэффект — это явление вырывания электронов из вещества под действием света. (запишите это правило в маршрутный лист).

А электроны, вырванные светом, называются фотоэлектронами, причём угол, под которым фотоэлектроны вылетают из облучённой пластины может быть самым разным по отношению к световым лучам от 0^∞ до 180^∞.

Для того, чтобы получить о фотоэффекте полное представление нужно выяснить от чего зависит число вырванных электронов, чем определяется их скорость и энергия.

Первые опыты по фотоэффекту были начаты Столетовым уже в феврале 1888 года.

Внимание на экран. (Демонстрация фильма https://drive.google.com/file/d/1dHT1_RJdIoCq7G_XzL8dymLF0AN68TQS/view?usp=sharing).

В стеклянный баллон, из которого откачан воздух, помещены два электрода. Внутрь баллона на один из электродов через кварцевое окошко, поступает свет. На электроды подаётся напряжение, которое можно изменять и измерять. Сначала электрод, на который падает свет, подключают к отрицательному полюсу батареи. Под действием света этот электрод испускает электроны, которые при движении в электрическом поле образуют электрический ток. При малых напряжениях не все электроны достигают другого электрода. При увеличении напряжения (без изменения интенсивности света) сила тока нарастает. Но при некотором значении она перестаёт увеличиваться. Это значение силы тока называется током насыщения. (остановка фильма).

На экране вы видите вольт-амперную характеристику фотоэффекта (слайд).

Если научиться читать графики, то с их помощью можно формулировать множество правил и понимать смысл законов.

Сейчас вам будет предложена групповая работа. У вас на столах есть карточка вольт-амперные характеристики. Проанализируйте вольт-амперную характеристику и ответьте на предложенные вопросы.

Работа завершена. Прошу отвечать.

- Как по графику определить значение фототока насыщения?

Ответ: при увеличении напряжения фототок возрастает, но при дальнейшем увеличении его значение не изменяется, это соответствует горизонтальному участку на графике.

- Из графика следует, что фототок насыщения не зависит от напряжения. Тогда чем же он определяется?

Ответ: фототок насыщения определяется числом фотоэлектронов, испускаемых за 1 с катодом.

- От каких параметров зависит значение фототока насыщения?

Ответ: увеличение интенсивности света (световой поток) приводит к возрастанию значения фототока насыщения.

На основании увиденного эксперимента и анализа вольт-амперной характеристики, мы подошли к открытию первого закона фотоэффекта, который выясняет, от чего зависит количество вырванных фотоэлектронов.

Может вы мне поможете его сформулировать?

Ответ. I закон фотоэффекта. Сила фототока насыщения прямо пропорциональна интенсивности светового излучения (потока), падающего на поверхность тела. Запишите его.

А сейчас предлагаю и вам побыть в роли экспериментаторов. На рабочем столе найдите файл «Ссылка на модель», откройте его и перейдите к интерактивной модели «Фотоэффект» (слайд). В течение 5 минут вы должны продумать как провести эксперимент и ответить на следующие вопросы. (вопросы на экране, слайд).

- Чему равна сила тока при нулевом значении напряжения?

Ответ: она не равна нулю.

- Что это означает?

Ответ: это значит, что часть вырванных светом электронов достигает левого электрода и при отсутствии напряжения.

Измените полярность батареи и уменьшайте напряжение.

- Что происходит с силой тока?

Ответ: она уменьшается и становится равной нулю при некотором напряжении обратной полярности.

Верно. Это напряжение называется задерживающим и обозначается U_з. Это означает, что электрическое поле тормозит вырванные электроны до полной остановки, а затем возвращает их на электрод.

Задерживающее напряжение U_з зависит от максимальной кинетической энергии, которую имеют вырванные светом электроны. Измеряя задерживающее напряжение и применяя теорему о кинетической энергии, знакомую вам из 10 класса, можно найти максимальное значение кинетической энергии электронов: (слайд).

Теперь мы знаем, показания каких приборов нам понадобятся, чтобы рассчитать кинетическую энергию и соответственно скорость электронов.

Но остается открытым вопрос: от каких параметров зависит кинетическая энергия (этот вопрос на слайде) и соответственно задерживающее напряжение? Возвращайтесь к работе и проведя эксперимент дайте ответ на вопрос.

Ответ: задерживающее напряжение линейно зависит от частоты света (длины волны), а значит и кинетическая энергия электронов зависит только от частоты света (длины волны).

В этом и выражается II закон фотоэффекта , который гласит, что: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.

Обратите внимание, если частота меньше для данного вещества минимальной частоты ν_min, то фотоэффект не происходит. (можно самой показать на модели или на слайде).

И вновь внимание на экран. (продолжение фильма https://drive.google.com/file/d/1dHT1_RJdIoCq7G_XzL8dymLF0AN68TQS/view?usp=sharing). Не изменяя напряжение, пропускаем поток света через фильтры, красный, зеленый и наблюдаем, что фототока нет, затем пропускаем свет через фиолетовый фильтр и видим, что фототок появился. Этот опыт подтверждает гипотезу о существовании «красной границы фотоэффекта», т.е. максимальной длины волны, при которой фотоэффект наблюдается. Обратим внимание на условность названия. В нашем опыте мы видели, что при красном свете фотоэффект отсутствовал. Название «красная граница» взято по аналогии со спектром видимого света, у которого наибольшая длина волны соответствует красному лучу.

Здесь вы познакомились с новым для вас понятием «красная граница фотоэффекта» и я помогу вам сформулировать III закон фотоэффекта.

III закон фотоэффекта. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта – наименьшая частота (или наибольшая, «красная», длина волны) при которой еще возможен фотоэффект.

Раскрыть сущность этого явления на основе законов электродинамики Максвелла Столетов не мог. И лишь спустя 7 лет это удалось сделать.

Только в 1905 г. Эйнштейн превратил эту загадку в совершенно прозрачную, понятную во всех деталях картину. В итоге Эйнштейн вывел следующее уравнение фотоэффекта:

hν= А_вых + Е_к, где минимальную энергию, необходимую выхода электрона на поверхность катода, называют работой выхода А_вых. Работа выхода А_вых часто измеряется в электронвольтах. 1 эВ = 1,6·10 ^-19 Дж.

• граница фотоэффекта выражается так: λ_max=hc/A_вых. ν_min= A/h. Полезно помнить, что в простейших случаях вычисления можно проводить во внесистемных единицах, принимая значение постоянной Планка h = 4,14·10 ^-15эВ·с.

Небольшая историческая справка.

Когда в 1905 году уравнение было написано впервые, на Эйнштейна ополчились все, даже Планк. Эйнштейн поступил так, как будто до него вообще не существовало физики, или, по крайне мере, как человек, ничего не знающий об истинной природе света. Здесь сказалась замечательная особенность ума Эйнштейна, благодаря которому в явлении фотоэффекта он увидел не досадное исключение из правил оптики, а сигнал природы о существовании еще неизвестных, но глубоких законов. И лишь через шестнадцать лет Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии за свою работу.

Работа с научным текстом. Работают в парах.

Так как же объяснил А.Эйнштейн явления фотоэффекта с точки зрения квантовой физики?

Я предлагаю вам ознакомиться с текстом «Теория фотоэффекта»и сформулировать два, три тонких и толстых вопроса. (На слайде информация. «Тонкие» вопросы начинаются со слов: что, зачем, почему, когда, верно ли. Ответы на эти вопросы односложные. «Толстые» вопросы подразумевают развернутый ответ. Начинаются со слов: как по вашему мнению…,объясните почему, какой вывод следует, почему вы считаете… и т.д.)

Текст. Объяснение А.Эйнштейном законов фотоэффекта.

В законах фотоэффекта, сформулированных на основании экспериментов, Эйнштейн увидел удивительное доказательство того, что свет имеет прерывистую структуру: излучается и поглощается отдельными порциями.

Уравнение Эйнштейна hν= А_вых + Е_кобъясняет основные факты, касающиеся фотоэффекта. Интенсивность света пропорциональна числу квантов энергии hν в световом пучке и поэтому определяет число электронов, вырванных из металла. Скорость электронов согласно уравнению, определяется только частотой света ν и работой выхода, зависящей от типа металла и состояния его поверхности. От интенсивности света скорость не зависит.

Для каждого вещества фотоэффект наблюдается лишь в том случае, если частота ν света больше некоторого минимального значения ν_min. Ведь для того, чтобы электрон мог выйти из металла, необходимо, чтобы электрон обладал энергией, равной работе выхода. Следовательно, энергия кванта должна быть больше этой работы или равна ей: hν≥ А_вых. В последнем случае кинетическая энергия вырванного электрона равна нулю, но поле, созданное между электродами, его ускорит, и электрон долетит до анода, фототок будет отличен от нуля.

Примеры «тонких» и «толстых» вопросов.

Тонкие:

• Что можно сказать о структуре света?
• Чему пропорциональна интенсивность света?
• Какое уравнение объясняет основные факты, касающиеся фотоэффекта?

Толстые:

• Как вы думаете, согласно каким доводам, Эйнштейн объяснил первый закон фотоэффекта?
• Как объяснить тот факт, что при энергии электрона равной нулю, фототок будет отличен от нуля?

Я бы тоже хотела вам задать толстый вопрос.

• Как вы думаете, почему в уравнении Эйнштейна фигурирует максимальная энергия электрона?

Ответ. Второе слагаемое оказывается максимальной кинетической энергией фотоэлектронов. Почему максимальной? Этот вопрос требует небольшого пояснения. Электроны в металле могут быть свободными и связанными. Свободные электроны «гуляют» по всему металлу, связанные электроны «сидят» внутри своих атомов. Кроме того, электрон может находиться как вблизи поверхности металла, так и в его глубине. Ясно, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона получится в том случае, когда фотон попадёт на свободный электрон в поверхностном слое металла — тогда для выбивания электрона достаточно одной лишь работы выхода. Во всех других случаях придётся затрачивать дополнительную энергию — на вырывание связанного электрона из атома или на «протаскивание» глубинного электрона к поверхности. Эти лишние затраты приведут к тому, что кинетическая энергия вылетевшего электрона окажется меньше.

Мы закончили изучение материала. А теперь давайте посмотрим, насколько хорошо вы усвоили материал.

1. Первичная проверка понимания новых знаний.

Отвечая на поставленные вопросы, давайте построим «Дерево» - опорного конспекта темы. Назовем «Дерево» - квантовая природа света.

- Что является корнями нашего «дерева»?

Ответ. Гипотеза Планка.

- На основе гипотезы Планка были сформулированы основные положения ________ какой природы света?

Ответ. Квантовой. (у кого слово квант?).

- Давайте дадим характеристики кванта.

Ответ. Поглощается целиком, неделимый.

- Как назвали квант?

Ответ. Квант назвали фотоном.

- Формулы для определения массы, энергии и импульса фотона.

Ответ. m=hν/c², E=hν и p=mc

- Какое явление было открыто и объяснено квантовой теорией света?

Ответ. Фотоэффект.

А сейчас давайте вспомним о задании для вас, поставленном вначале урока, фиксировать роль ученых в изучении этого явления. Прошу, первый ученыйи его вклад?

Ответ. Г.Герц открыл явление фотоэффекта.

Ответ. Столетов, установил количественные закономерности фотоэффекта.

Ответ. А.Эйнштейн дал обоснование.

- Какое уравнение объясняет фотоэффект?

Ответ. Уравнение А.Эйнштейна.

- Математическая запись закона.

Ответ. hν= А_вых+ Е_к, ch/λ= А_вых +

- Как называется предельная частота или наибольшая длина волны, при которых еще можно наблюдать фотоэффект?

Ответ: Красная граница фотоэффекта.

- Чему равна красная граница фотоэффекта?

• λ_max=hc/A_вых. ν_min= A/h.

Перед вами весь материал данной темы. Я думаю, что эта информация не будет лишней при выполнении следующих заданий.

 

 

1. Работа по закреплению полученных знаний.

Звучит музыка из фильма про Дж. Бонда. Угадали мелодию? Нет, мы не будем смотреть фильм об агенте 007.

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

(https://drive.google.com/file/d/1cga3Jp1dKolUk4ZxWwCNG6oICNA8dpni/view?usp=sharing, слайд 21)

«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?

Открыл дверь Джеймс Бонд или был съеден ужасными морскими животными?

Вы можете самостоятельно выбрать способ выполнения задания. Можете работать в парах, группой или самостоятельно.

Решение. Исходя из данных задачи Джеймс рассчитал задерживающее напряжение.

; ; ≈7,9 В.

Напряжение на фотоэлементе больше запирающего, следовательно, тока в цепи шлюза не будет и Джеймс откроет дверь. В начале урока я говорила вам, что эта тема выносится на экзамен. И подобная задача, которую вы верно решили, может быть в КИМах.

1. Домашнее задание.

Зайдите на сайт решу ЕГЭ и порешайте тематические варианты по теме. Также на моем сайте (на слайде 22 ссылка на сайты), в разделе ученикам вы можете найти тренировочный вариант и выполнить задания.

В течение урока вы заполняли маршрутный лист записали конспект урока и оценивали свою работу. Это поможет вам подвести итог нашему уроку.

 

1. Рефлексия (стихи можно сократить или использовать в прозе)

А сейчас давайте вспомним, слова, которые символизировали ваши ожидания на уроке. Как вы считаете оправдались они?

 

 

Список литературы:

1. Физика. 11 класс. Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев – М.: Просвещение, 2010.
2. Храмов Ю.А. Физики. Биографический справочник. - М.: Наука, Гл. редакция физико-математической литературы, 2002.
3. Энциклопедический словарь юного физика. - М.: Педагогика, 2001.
4. Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высшая школа, 1999. 542 с.
5. Савельев И. В. Курс общей физики: В 3 т. М.: Наука, 1989. Т. 3. 320 с.
6. Рассел, Джесси Красная граница фотоэффекта / Джесси Рассел. - М.: VSD, 2012. - 286 c.

 

Полный текст статьи см. в приложении