План занятия "Фотон. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта"

Раздел: «Квантовая физика»

Колледж: КГКП «Костанайский педагогический колледж» Управления образования акимата Костанайской области.

Дата:

ФИО преподавателя: Сыздыкова Б.С.

Группа:

Участвовали:

Не участвовали: -

Тема:

Фотон. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

Цели обучения, достигаемые на этом занятии

Формирование представления о явлении фотоэффекта, тепловом излучении и квантовой гипотезе Планка, внешних законах фотоэффекта. Усвоение смысла понятия «фотоэффект». Усвоение понятий фотона, красной границы фотоэффекта, работы выхода, задерживающего потенциала

Цель урока

Формирование умений использовать уравнение Эйнштейна для количественного описания фотоэффекта

Критерии оценивания

Обучающиеся:

Все: Проявляют знание и понимание основных понятий: работа выхода, энергия кванта, уравнение Эйнштейна фотоэффекта, фотон, красная граница фотоэффекта, задерживающий потенциал.

Большинство: Умеют решать задачи по образцу;

Умеют находить и использовать информацию, используя различные источники.

Некоторые: При решении задач свободно владеют изученным материалом;

делают собственные выводы на основе полученной информации; умеют выслушивать других и принимать во внимание их аргументированные выводы.

Языковые цели

Предметная лексика и терминология:

Серия полезных фраз для диалога/письма

Квант энер­гии света  рас­хо­ду­ет­ся на со­вер­ше­ние ра­бо­ты вы­хо­да  и на со­об­ще­ние элек­тро­ну ки­не­ти­че­ской энер­гии.

Ра­бо­та вы­хо­да – ми­ни­маль­ная энер­гия, ко­то­рую надо со­об­щить элек­тро­ну, чтобы он по­ки­нул ме­талл.

Воспитание ценностей

Құндылық/ ценность: Жалпыұлттық «Мәңгілік Ел» идеясының құндылықтары / Ценности общенациональной идеи «Мәңгілік Ел»/ «Болашаққа бағдар: Рухани жаңғыру»

воспитание доброты, ответственности, настойчивости и познавательной активности обучение на протяжении всей жизни.

Уважение и сотрудничество прививаются на занятии через умение работать в группе.

Межпредметная связь

Самопознание -вопросы из области самопознания. Математика- выполнение математических преобразований и расчётов при решении задач.

Предыдущие знания

Фотоэффект, внутренний и внешний фотоэффект, установка А.Столетова для фотоэффекта

Ресурсы

https://bilimland.kz/

http://class-fizika.ru; https://videouroki.net;

https://physics.ru; https://infourok.ru

Карточки. Лист оценивания. Смайлики

Время / этапы урока

Деятельность учителя

Деятельность учащихся

Оценивание

(метод/ прием/ техника/ стратегия)

Способы дифференциации

Начало урока

Организационный момент.

Приветствие на трех языках:

Здравствуйте, Сәлематсіз бе, Good morning.

«Кто движется вперёд в знаниях, но отстаёт в нравственности, тот более идёт назад, чем вперёд»

Аристотель

Хорошее настроение-первый шаг к удаче.

Для установления благоприятной атмосферы в группе провести тренинг «Пожелание»

Обучающиеся встают в круг и по часовой стрелке говорят пожелания. Условия тренинга: пожелание( одно слово или одна фраза)

Выход на тему занятия и целеполагание.

Приветствие преподавателя.

Включаются в деловой ритм урока

Словесное одобрение

Проверка домашнего задания

  Опрос домашнего задания.

Группа делится на микрогруппы.

Первый обучающийся задаёт свой вопрос второму, второй отвечает на вопрос и задаёт свой вопрос третьему и т.д. по цепочке. Если обучающийся затрудняется ответить, помогают ребята в группе.

Примерный перечень вопросов:

1. В чем состоит сущность явления внешнего фотоэффекта? Внутреннего фотоэффекта?

2. Когда и кем было открыто явление внешнего фотоэффекта?

3. Нарисуйте схему экспериментальной установки Столетова и объясните суть проделанных им экспериментов.

4. Объясните особенности вольт-амперной характеристики фотоэффекта.

5. Сформулируйте экспериментальные законы фотоэффекта. Какие из них невозможно объяснить с точки зрения волновой теории света?

6. Используя закономерности явления резонанса, объясните, почему согласно волновой теории света увеличение (уменьшение) частоты падающего излучения должно приводить к

увеличению (уменьшению) силы фототока.

7. В чем заключается гипотеза Планка?

8. Запишите приближенное значение постоянной Планка.

Ребята задают и отвечают на вопросы

(ФО) Учитель наблюдает за процессом опроса и даёт обратную связь.

ФО) Самооценивание по листу самооценки

Ребята отвечают на вопросы

Основная часть

Изучение нового материала

При подготовке темы обучающийся использовали интернет ресурсы:

https://bilimland.kz

http://class-fizika.ru

https://videouroki.net; https://physics.ru; https://infourok.ru

 Яв­ле­ние фо­то­эф­фек­та стало под­твер­жде­ни­ем кван­то­вой ги­по­те­зы, здесь кван­то­вая мо­дель хо­ро­шо ра­бо­та­ет. Один по­гло­щен­ный квант све­то­вой энер­гии (фотон) – может вы­рвать из ве­ще­ства толь­ко один фо­то­элек­трон

Если кван­та све­то­вой энер­гии для этого недо­ста­точ­но, элек­трон не вы­би­ва­ет­ся, а оста­ет­ся в ве­ще­стве

Лиш­няя энер­гия пе­ре­да­ёт­ся элек­тро­ну в виде ки­не­ти­че­ской энер­гии его дви­же­ния после вы­хо­да из ве­ще­ства. А сколь­ко будет таких кван­тов, столь­ко и элек­тро­нов под­верг­нут­ся их воз­дей­ствию.

E = hν, где h – постоянная Планка Эйнштейн сделал следующий шаг в развитии квантовых представлений.

Он пришел к выводу, что и свет имеет прерывистую дискретную структуру.

Электромагнитная волна состоит из отдельных порций – квантов, впоследствии названных фотонами. При взаимодействии с веществом фотон целиком передает всю свою энергию hν одному электрону. Часть этой энергии электрон может рассеять при столкновениях с атомами вещества. Кроме того, часть энергии электрона затрачивается на преодоление потенциального барьера на границе металл–вакуум. Для этого электрон должен совершить работу выхода A, зависящую от свойств материала катода.

Наибольшая кинетическая энергия, которую может иметь вылетевший из катода фотоэлектрон, определяется законом сохранения энергии:

Урав­не­ние Эйн­штей­на для фо­то­эф­фек­та

 – это ра­бо­та вы­хо­да – ми­ни­маль­ная энер­гия, ко­то­рую надо со­об­щить элек­тро­ну, чтобы он по­ки­нул ме­талл. Это ха­рак­те­ри­сти­ка ме­тал­ла и со­сто­я­ния его по­верх­но­сти.

Квант энер­гии света  рас­хо­ду­ет­ся на со­вер­ше­ние ра­бо­ты вы­хо­да  и на со­об­ще­ние элек­тро­ну ки­не­ти­че­ской энер­гии.

Фо­то­эф­фект и урав­не­ние, ко­то­рое его опи­сы­ва­ет, было ис­поль­зо­ва­но для по­лу­че­ния и про­вер­ки зна­че­ния , по­лу­чен­но­го План­ком.

С помощью уравнения Эйнштейна можно объяснить все закономерности внешнего фотоэффекта.

Из уравнения Эйнштейна следуют линейная зависимость максимальной кинетической энергии от частоты и независимость от интенсивности света, существование красной границы, безынерционность фотоэффекта.

Общее число фотоэлектронов, покидающих за 1 с поверхность катода, должно быть пропорционально числу фотонов, падающих за то же время на поверхность.

Из этого следует, что ток насыщения должен быть прямо пропорционален интенсивности светового потока.

Как следует из уравнения Эйнштейна, тангенс угла наклона прямой, выражающей зависимость запирающего потенциала Uз от частоты ν (рис.3), равен отношению постоянной Планка h к заряду электрона e:

Это позволяет экспериментально определить значение постоянной Планка. Такие измерения были выполнены Р. Милликеном (1914 г.) и дали хорошее согласие со значением, найденным Планком.

Эти измерения позволили также определить работу выхода A:

где c – скорость света, λкр – длина волны, соответствующая красной границе фотоэффекта. У большинства металлов работа выхода A составляет несколько электрон-вольт (1 эВ = 1,602·10^–19 Дж). В квантовой физике часто используется электрон-вольт в качестве энергетической единицы измерения.

Значение постоянной Планка, выраженное в электрон–вольтах в секунду, равно

h = 4,136·10^–15 эВ·с.

Среди металлов наименьшей работой выхода обладают щелочные металлы.

Например, у натрия A = 1,9 эВ, что соответствует красной границе фотоэффекта

λкр ≈ 680 нм. Поэтому соединения щелочных металлов используют для создания катодов в фотоэлементах, предназначенных для регистрации видимого света.

Итак, законы фотоэффекта свидетельствуют, что свет при испускании и поглощении ведет себя подобно потоку частиц, получивших название фотонов или световых квантов.

Энергия фотонов равна E = hν.

Фотон движется в вакууме со скоростью c.

Фотон не имеет массы, m = 0.

Из общего соотношения специальной теории относительности, связывающего энергию, импульс и массу любой частицы, следует, что фотон обладает импульсом

Таким образом, учение о свете, совершив виток длительностью в два столетия, вновь возвратилось к представлениям о световых частицах – корпускулах.

Но это не был механический возврат к корпускулярной теории Ньютона.

В начале XX века стало ясно, что свет обладает двойственной природой.

При распространении света проявляются его волновые свойства (интерференция, дифракция, поляризация), а при взаимодействии с веществом – корпускулярные (фотоэффект).

Эта двойственная природа света получила название корпускулярно-волнового дуализма.

Позже двойственная природа была открыта у электронов и других элементарных частиц.

Классическая физика не может дать наглядной модели сочетания волновых и корпускулярных свойств у микрообъектов.

Движением микрообъектов управляют не законы классической механики Ньютона, а законы квантовой механики.

Теория излучения абсолютно черного тела, развитая

М. Планком , и квантовая теория фотоэлектрического эффекта Эйнштейна лежат в основании этой современной науки.

В 1921 г. при присуждении Альберту Эйнштейну Нобелевской премии в решении Нобелевского комитета указывалось, что «премией особенно отмечается

объяснение законов фотоэлектрического эффекта».

Используется приём «Цветные карточки» для осуществления обратной связи.

Выступать может вся группа или спикер (один представитель или представители группы)

Физминутка

• Физминутка

Выполняют физминутку

Проводит физминутку желающий обучающийся

Закрепление н/м

Выполнение заданий по методу «Думай, решай, делись»

Критерии оценивания: применить

Дескрипторы:

Проанализировать условие задачи

Перевести данные физических величин в СИ

Записать и преобразовать формулу для нахождения неизвестной величины

Подставить числовые значения и провести расчеты.

Записать ответ.

Решение задач:

1. Определите наибольшую длину волны света, при которой может происходить фотоэффект для платины (работа выхода для платины 8,5∙10^-19Дж; h = 6,62∙10^-34Дж∙с).

Ответ: ≈ 2,34∙10^-7м;

2 . Длина световой волны 500 нм, определить импульс фотона ( h = 6,62∙10^-34Дж∙с)

Ответ: ≈ 1,325∙10^-27кг∙м/с.

3. Определите импульс фотона, если соответствующая ему длина волны равна 1,6∙10^-8м (h = 6,62∙10^-34Дж∙с)

Ответ: ≈ 4,14∙10^-26кг∙м/с;

4. Рубиновый лазер излучает в одном импульсе 3,5∙10¹⁹ фотонов с длиной волны 6,60∙10^-7м. Определить среднюю мощность вспышки лазера, если ее длительность 10^-3 с, равна (h = 6,6∙10^-34 Дж∙с)

Ответ: ≈ 10⁴ Вт.

5. Энергия фотона, поглощаемого фотокатодом, равна 5эВ. Работа выхода электрона из фотокатода равна 2эВ. Найдите величину задерживающего потенциала, при котором прекратился фототок (h=6,62*10^-34 Дж*с; 1эВ=1,6*10^-19Дж).

Ответ: 3 В;

По методу «Думай, решай, делись» решают самостоятельно задачи, обсуждают в группе, делятся с одноклассниками путями решения.

1. Определите длину электромагнитной волны, если энергия фотона равна 2,8∙10^-19Дж∙с; с=3∙10⁸м/с).

Ответ: ≈ 710нм;

2. Чему равна масса фотона красного излучения, длина волны которого 720 нм (h = 6,62∙10^-34 Дж∙с)

Ответ: 0,03∙10^-34 кг.

3.Средняя частота излучения 25-ваттной электрической лампы равна 2,5∙10¹⁴ с^-1. Найти число фотонов, испускаемых за одну секунду (h = 6,62∙10^-34Дж∙с).

Ответ: ≈ 1,5∙10²⁰;

4. Частота света, соответствующая фотонам с энергией 50∙10^-19 Дж, равна ( h = 6,62∙10^-34 Дж∙с)

Ответ: 7,55∙10¹⁵Гц;

Приём «Цветные карточки»

З-всё понятно

Ж-Есть вопросы

К- Не понятно

ФО) Самооценивание по листу самооценки.

Активным группам выдаются «Веселые заряды»

Студенты, которые подняли зеленую карточку по всем заданиям, приходят на помощь тем, кто поднял карточки желтого и красного цвета.

Диалог, если некоторым студентам потребуется подробная и конкретная помощь в ходе выполнения задания.

Итоги

Конец занятия

Устный опрос:

1. В чем сущность гипотезы Эйнштейна?

2. Что называется фотоном?

3. Перечислите основные свойства фотона.

4. По какой формуле можно определить энергию фотона? Модуль импульса фотона?

5. Как направлен импульс фотона?

6. Покажите, что уравнение Эйнштейна для фотоэффекта является следствием закона сохранения и превращения энергии.

7. Перечислите условия, необходимые для возникновения фотоэффекта.

8. Что такое задерживающее напряжение?

9. Что называется красной границей фотоэффекта? От чего она зависит?

10. Как квантовая теория объясняет существование граничной частоты фотоэффекта?

11. Запишите формулу для красной границы фотоэффекта.

12. Объясните законы фотоэффекта, исходя из квантовой теории света.

Подсчитай свои баллы и оцени свою работу!

5 б– «5»; 4 б.- «4»; 3- б. – «3»; менее 3 баллов – не отчаивайся, надо еще все повторить!

Оценка__________________

Отвечают на вопросы по желанию.

Студент, один из наиболее мотивированных (по желанию) делает общий вывод по достижению цели занятия.

Домашнее задание

Изучить параграф

Ответить на вопросы к параграфу (устно)

Решить задачи:

1. Фотоэффект начинается при частоте света v_min=6∙10¹⁴Гц (постоянная Планка h = 6,63∙10^-34 Дж∙с; заряд электрона –е = 1,6∙10^-19Кл). Определить частоту света, вырывающего из металла электроны, которые полностью задерживаются разностью потенциалов U = 3B

Ответ: 13,2∙10¹⁴Гц;

2. Тренированный глаз, длительно находящийся в темноте, воспринимает свет с длиной волны 500 нм при мощности не менее 2,1∙10^-17 Вт. Определите число фотонов, которые попадают ежесекундно на сетчатку глаза. (h = 6,62∙10^-34Дж∙с; с = 3∙10⁸м/с)

Ответ: ≈ 53

Записывают домашнее задание

Инструкция по выполнению домашнего задания.

Приём «Цветные карточки»

Рефлексия учителя по проведенному уроку

Рефлексия «Благодарю…» предлагаю каждой группе выбрать одного из ребят в группе (исключая себя), кому хочется сказать спасибо за сотрудничество и пояснить в чём это сотрудничество проявилось.

Рефлексия «Телеграмма»: предлагаю написать пожелания, рекомендации себе в виде фразы ( не более 10 слов).