Фотоэффект. Законы фотоэффекта

Предмет: Физика и астрономия

Тема: Фотоэффект. Законы фотоэффекта

Цель урока: обучающиеся должны иметь представление о явлении фотоэффекта, знать законы фотоэффекта и уравнение фотоэффекта.

Задачи урока.

Образовательные: познакомить обучающихся: с явлением фотоэффекта; с историей его открытия и законами фотоэффекта;  объяснить физическую природу этого явления.

Воспитательные: познакомить обучающихся с эмпирическим и теоретическим уровнями познания научных фактов и закономерностей, воспитывать внимание, чувство ответственности, прививать интерес к предмету.

Развивающие: развивать логику, мышление, продолжить формирование стремления к познанию нового

Тип урока: комбинированный

Оборудование: компьютер, мультимедийный проектор, электронные издания «Физика 7-11»

Наглядные пособия: видеофрагмент с демонстрацией явления фотоэффекта, презентация «Фотоэффект», электроскоп, цинковая пластинка, эбонитовая и стеклянная палочки, стекло, источник ультрафиолетовых лучей.

 Ход урока:

 1. Организационный момент

2.  Активизация знаний учащихся

a) устный опрос: какие физические величины обозначаются данными буквами и в каких единицах они измеряются - Е, ν, λ, υ, m, A, c, Ек

b) записать формулы кинетической энергии, скорости волны,  чему равна скорость света в вакууме

c) какие виды электромагнитного излучения  вы знаете

d) условие  возникновения электромагнитных волн?

e) каков механизм  излучения инфракрасного, видимого и ультрафиолетового излучения?

Остановимся на инфракрасном излучении: нагретое тело, непрерывно теряя энергию вследствие излучения электромагнитных волн, должно охладиться до абсолютного нуля.

Однако повседневный опыт показывает, что ничего подобного не происходит. В поисках выхода из этого противоречия  немецкий физик Макс Планк  предположил, что атомы испускают электромагнитную энергию порциями- квантами.

Просмотр фрагмента фильма «Фотоэффект» - гипотеза Планка 

3. Работа над изучаемым материалом

Постановка целей урока.

Сегодня познакомимся с явлением которое доказало, что гипотеза    Планка  верна.

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, Э. Эйнштейн. На доске вы видите портреты этих ученых, 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?

Объяснение нового материала

Фотоэффект – явление вырывания электронов из вещества под действием света. Фотоэффект   бывает внешним и внутренним.

Демонстрация  фотоэффекта. К электрометру присоединяется цинковая пластина. Если пластину зарядить положительно, то освещение пластины источником ультрафиолетовых  лучей не повлияет на быстроту разрядки пластины. Но, если пластину зарядить отрицательно, то разрядка идёт очень быстро. Опыт повторить но на пути УЛ поставить стекло, то пластина сохранит заряд.

Похожие опыты проводил  Генрих Герц, который открыл явление фотоэффекта 1887 году.

Опыты Столетова по наблюдению и исследованию фотоэффекта. Фрагмент из фильма «Фотоэффект». В чем заключается явление фотоэффекта?  (в вырывании электрона из вещества под действием света). Какова особенность фотоэффекта? (без инерционность)

Опыты  и законы Столетова.

Изучением явления фотоэффекта вплотную занимался А.Г. Столетов. Опыты Столетова.

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. Он определяется числом электронов, испущенных за 1 с освещаемым электродом. Увеличивая интенсивность света, увеличивается ток насыщения.

I закон фотоэффекта.  Количество электронов, вырываемых светом с   поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны.

Из графика видно, что при нулевом значении напряжения сила тока отлична от нуля. Это означает, что часть электронов достигают другого электрода и при отсутствии напряжения. Если изменить полярность электродов, то при некотором значении напряжения ток в цепи станет равным нулю. Это напряжение называется задерживающим (Uз). mV²/2=eU₃

При изменении интенсивности света задерживающее напряжение не меняется. С точки зрения волновой теории этот факт не понятен.

Кинетическая энергия электронов зависит только от частоты света.

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

Если частота меньше определённого для данного вещества минимальной частоты ν_min, то фотоэффект  не происходит.

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

Запись в тетради законов фотоэффектов.

Объяснение опытов Столетова (фрагмент фильма «Фотоэффект»  3035 – 3232).

 Какой Эйнштейн сделал вывод из явления и законов фотоэффекта?

В экспериментальных законах Эйнштейн увидел убедительное доказательство того, что свет имеет прерывистую структуру и поглощается отдельными порциями.

Энергия каждой порции: E=hν, где h-постоянная Планка, h=6,63*10-34Дж*с. Поглотиться может тоже только  вся порция. Энергия порции света идёт на совершение работы выхода А, т.е. работы, которую нужно совершить для извлечения электрона из металла, и на сообщение электрону кинетической энергии. hV=A+mV²/2 - уравнение Эйнштейна.

Для каждого вещества фотоэффект наблюдается, если частота ν света больше минимального значения  ν_min, т.е.  hvA. Предельную частоту  ν_min называют красной границей фотоэффекта. Для длины волны:  λ_max= C/V_min.   ν_min= A/h. Работа выхода зависит от рода вещества. Поэтому красная граница для разных веществ различна ( по ходу объяснения записывают в словарь обозначения и формулы).

 4. Закрепление изученного материала.

.Работа с карточками по закреплению полученных знаний

Установите соответствие.

Решение задачи на закрепление

Задача: Определите частоту света, которым освещается поверхность металла, если фотоэлектроны имеют кинетическую энергии 4,5*10-20Дж, а работа выхода равна 3,3*10-19Дж.

5. Обобщение полученных теоретических знаний: построение дерева «Квантовая природа дерева»

Отвечая на поставленные вопросы, построим «Дерево» - опорного конспекта темы.

Назовем «Дерево» - квантовая природа света, ответы- корни, ствол и листочки дерева

1. Что является корнями нашего «дерева»? / гипотеза Планка.

2. На основе гипотезы Планка были сформулированы основные положения квантовой природы света. / квант, мгновенно, неделимый, энергия

3. Как назвали квант?/ квант назвали фотоном.

4. Характеристики фотона./ масса, энергия, импульс.

5. Формулы для определения массы, энергии и импульса фотона / m=hV/C²,  E=mC², E=hV и  P=mc

6. Какое явление было открыто и объяснено квантовой теорией света?/ фотоэффект.

7. Кто исследовал это явление?/ Столетов.

8. Условие для возникновения фотоэффекта?/ энергия фотона, приобретенная электроном должна быть больше либо равна работе выхода hV_minA_вых.

9. Какое уравнение объясняет фотоэффект?/ уравнение Эйнштейна  hV=A_вых = m_e V² /2

10. Как называется предельная частота или наибольшая длина волны, при которых еще можно наблюдать фотоэффект?/ красная граница фотоэффекта.

11. Чему равна красная граница фотоэффекта?/ V_min =A_вых /h, λ_max = Ch/A_вых .

6. Подведение итогов занятия, выставление оценок

Дает характеристику работы группы на уроке в целом, а также отдельных учащихся, выставляет и комментирует оценки

7. Домашнее задание

Выучить формулы и обозначения физических величин, повторить волновые свойства света.