Теоретическое занятие

Дисциплина: Физика

Методическая разработка для проведения занятия по теме «Фотоэлектрический эффект и его законы. Фотоны»

Автор работы

Евстропова Надежда Афанасьевна, преподаватель

ГБОУ СПО Тольяттинский машиностроительный колледж,

г. Тольятти

Место занятия в учебной программе: занятие проводится в начале изучения раздела «Квантовая физика», Продолжительность занятия 1 час 20 мин.

План занятия:

Этапы урока

Время, мин

Приемы и методы

1. Организационный момент

2 мин

Проверка учебных принадлежностей и явки студентов

2. Актуализация знаний. Вводная беседа преподавателя.

5 мин

Подготовка к восприятию, беседа

3. Изучение нового материала: постановка учебной проблемы, отработка новых терминов.

50 мин

Словесные, наглядные; беседа; объяснение; проблемное изложение и объяснительно - иллюстративный; сравнительный.

1) Историческая справка о квантовой теории.

3 мин

Беседа

2) Решение проблемы.

6 мин

Частично - поисковый

3) Гипотеза Планка.

4 мин

Изложение

4) Знакомство с основными понятиями темы.

5 мин

Записывают вопросы и во время просмотра электронного учебника отвечают на них.

5) Эксперимент по исследованию фотоэффекта

5 мин

Практические

6) Объяснение законов фотоэффекта

8 мин

Беседа, объяснительно - иллюстративный

7) Объяснение фотоэффекта с помощью волновой теории света.

5 мин

Изложение

8) Квантовое объяснение фотоэффекта.

7 мин

Беседа, объяснительно - иллюстративный

9) Фотоны. Корпускулярно - волновой дуализм.

7 мин

Беседа, объяснительно - иллюстративный, сравнительный

4. Отработка изученного материала

15 мин

Самостоятельная работа в игровой форме, закрепление

5. Рефлексия.

3 мин

Обобщающий

6. Домашнее задание.

5 мин

Репродуктивный

Вводная беседа преподавателя.

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

Не то, что мните вы, природа; Не слепок, не бездушный 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, помня, что, если первое срубленное дерево явилось началом цивилизации, то последнее будет означать её конец...

Путь познания природы таков: открытие → исследование → объяснение. При изучении нашей темы этим этапам можно сопоставить три даты:

1887-1890-1905 гг.

О каком событии идёт речь? С именами каких учёных можно связать каждый этап? Какое значение имели их работы для квантовой физики?

1887 г. - Генрих Герц открыл явление фотоэффекта.

1890 г. - Александр Григорьевич Столетов установил количественные закономерности фотоэффекта.

1905 г. - Альберт Эйнштейн обосновал квантовую природу фотоэффекта и все его закономерности.

Сегодня мы приступаем к изучению раздела «Квантовая физика». В домашнем задании Вам были предложены термины раздела «Квантовая физика», которые вы должны были разделить на изученные и неизученные.

Рассмотрите внимательно "ВАЗУ". Попробуйте дать текстовые определения физических величин, законов и запишите формулы, которыми они математически выражаются. Приложение 1.

Вы дали неполное определение света. Да, свет - это электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом, с длиной волны от 0,38 до 0,76 мкм. Это электромагнитные волны, которые в вакууме распространяются со скоростью с = 3*10⁸ м/с и проявляют волновые свойства, интерференцию и дифракцию. Это справедливо только для распространения света, а при взаимодействии с веществом свет проявляет корпускулярные свойства.

Проблема. Перед Вами находится уголек, который я держала в пламени спиртовки и он излучает свет. А сейчас он приобрел черный цвет, т.е. света не излучает, хотя температура очевидно выше абсолютного нуля.

Опыты показывают, что тела излучают электромагнитные волны при любойтемпературе, но это не всегда видимыйсвет. По максвелловской теории нагретое тело, излучая электромагнитные волны, охлаждается до абсолютного нуля. На практике не наблюдается - "ультрафиолетовая катастрофа".

Чтобы достигнуть согласия между теорией и опытом, надо было принять, что свет излучается и поглощается отдельными порциями (квантами). Это означало, что свет обладает свойствами не только волн, но и частиц.

Дата рождения квантовой теории известна точно - это 14 декабря 1900 г. В этот день немецкий физик Макс Планк выступил на заседании Немецкого физического общества с докладом, посвященным проблеме распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела. Предложенное им решение проблемы стало первым шагом в создании современной физики микромира.

Сообщение студента.

Гипотеза Планка. Осенью 1900 г., сопоставив все полученные к этому времени результаты, М. Планк сумел «угадать» формулу, но ему потребовалось пожертвовать классическими представлениями и представить, что энергия излучения состоит из отдельных малых и неделимых частей - квантов.

Свет излучается и поглощается веществом не непрерывно, а отдельными порциями - квантами.

Причем энергия такого кванта определялась величиной , где h - постоянная Планка.

По современным данным h= 6,626•10^-34 Дж •с.

Однако в то время не было прямых экспериментальных доказательств существования квантов излучения. В результате идея Планка воспринялась большинством физиков как «ловкий фокус», не имеющий серьезных научных оснований.

После открытия Планка начала развиваться новая, самая современная и глубокая физическая теория - квантовая теория, развитие которой не завершено и по сей день.

Преподаватель.

Сегодня на уроке мы будем работать по учебнику «Физика» автор В.Ф. Дмитриева страницы 374 - 383 и по электронному учебнику с анимацией «Световые кванты и фотоэффект». Слушая объяснение преподавателя и сообщения студентов, вы должны записать в тетради ответы на следующие вопросы. Слайды 1 - 6.

1. Что называется фотоэффектом?

2. Когда и кем он был открыт?

3. Кто установил количественные закономерности фотоэффекта?

4. Сформулируйте законы фотоэффекта

5. Что называется красной границей фотоэффекта?

6. Какая теория дала объяснение законам фотоэффекта?

7. Напишите формулу энергии фотона

8. Напишите уравнение Эйнштейна для фотоэффекта и объясните его физическую суть.

Сообщение студента.

Явление фотоэффекта. Фотоэффект был открыт в 1887 году Генрихом Герцем, однако его первые экспериментальные исследования были выполнены русским ученым А. Г. Столетовым, немецким физиком В. Гальваксом и итальянским ученым А. Риги. Именно Риги и назвал это явление фотоэффектом.

Фотоэффект - явление вырывания электронов из вещества под действием света.

Во времена первых исследований фотоэффекта его природа была неизвестна, так как сами электроны в то время еще не были открыты. Потерю заряда при этом пытались объяснить вырыванием светом мельчайших металлических частичек. Однако в 1987г. Дж. Томсон открыл электрон и через 2 года немецкий физик Филипп Ленард доказал, что выбиваемые светом частицы являются именно электронами.

Эксперимент по исследованию фотоэффекта (преподаватель ставит проблемный вопрос). Проделав ряд опытов по фотоэффекту (или просмотрев кадры электронного учебника), можно сделать какие выводы?

Явление фотоэффекта практически безынерционно; интенсивность фотоэффекта зависит от родаметалла, величины светового потока и спектрального состава излучения.

Сообщение студента.

Законыфотоэффекта. Законы фотоэффекта были экспериментально установлены профессором Московского университета А. Г. Столетовым:

1. Фототок насыщения прямо пропорционален интенсивности света, падающего на катод.

2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света и определяется только его частотой.

3. Для каждого вещества существует минимальная частота света, называемая красной границей фотоэффекта, ниже которой фотоэффект не возможен.

Законы фотоэффекта просты по форме. Но зависимость кинетической энергии электронов от частоты выглядело загадочно.

Сообщение студента.

Объяснение фотоэффекта с помощью волновой теории света. Полученные опытным путем законы фотоэффекта не удалось объяснить на основе электромагнитной волновой теории света. С точки зрения этой теории электромагнитная волна, достигнув поверхности металла, вызывает вынужденные колебания электронов, отрывая их от металла. Но тогда требуется время для «раскачки» электронов, и при малой освещенности металла должно возникнуть заметное запаздывание между началом освещения и моментом вылета электронов, а фотоэффект практически безинерционен.

Кроме того, кинетическая энергия электронов, покидающих металл, должна зависеть от амплитуды вынуждающей силы и тем самым от напряженности электрического поля в электромагнитной волне.

Преподаватель.

Квантовое объяснение фотоэффекта. В 1905 году Альберт Эйнштейн предложил теорию, которая давала объяснение сразу всей совокупности экспериментальных фактов о фотоэффекте. Развив и углубив идеи Планка, Эйнштейн пришел к выводу, что свет должен не только излучаться и поглощаться, но также и распространяться в виде отдельных порций энергии - квантов электромагнитного поля. Эти кванты иначе называют фотонами.

Эйнштейн считал, что при взаимодействии с веществом фотон ведет себя подобно частице и передает свою энергию не веществу в целом, и даже не атому, а только отдельным электронам. При поглощении фотона металлом его энергия передается свободному электрону. Она расходуется на освобождение электрона из металла - на работу выхода и на сообщение ему кинетической энергии. При этом энергия фотона передается электрону в металле только целиком, а сам фотон перестает существовать.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта:

где hv- энергия поглощенного фотона; А - работа выхода электрона из металла; кинетическая энергия, с которой электрон покидает поверхность металла,

Уравнение Эйнштейна можно рассматривать как выражение закона сохранения энергии для единичного акта взаимодействия фотона с электроном. Оно позволяет объяснить все законы фотоэффекта.

Кинетическая энергия фотона может быть выражена так:

, а его скорость - .

Отсюда следует, что максимальнаякинетическая энергия фотоэлектрона, а, следовательно, и его максимальная начальная скорость зависят от частоты света и не зависят от интенсивности света.

При равенстве hv=Аскорость фотоэлектрона и кинетическая энергия равны нулю. В этомслучае электрон как бы «выпадает» из металла с нулевой скоростью. Имеет место порог фотоэффекта:

или .

Интенсивность света прямо пропорциональна числу фотонов n_ф и энергии каждого из них hv . Каждый фотон поглощается целиком только одним электроном. Поэтому число вырванных светом фотоэлектронов, а стало быть, и фототок насыщения пропорциональны n_ф, т. е. интенсивности света (первый закон фотоэффекта).

Фронтальный опрос по материалу и проверка записей в тетрадях (вопросы с 1 по 8).

Фотоны. Корпускулярно - волновой дуализм.

Преподаватель. Мы узнали, что свет в одних явлениях проявляет себя с волновой стороны, а в других с квантовой.

Наличие у одного и того же объекта - света - свойств непрерывной волны и свойств потока дискретных частиц (корпускул) называется корпускулярно - волновым дуализмом (двойственностью) свойств света.

Фотоны обладают как волновыми, так и корпускулярными свойствами.

Мы продолжаем работу по учебнику «Физика» автор В.Ф. Дмитриева страницы 374 - 383 и по электронному учебнику с анимацией «Световые кванты и фотоэффект». Вы должны записать в тетради ответы на следующие вопросы.

1. Что называется фотоном?

2. Назовите основные характеристики фотона.

3. Перечислите основные свойства фотона.

4. Что понимают под словом "корпускулярно-волновой дуализм"?

Фронтальный опрос по материалу и проверка записей в тетрадях (вопросы с 1 по 4).

Преподаватель.

Наш урок насыщен новыми понятиями, терминами, определениями.

Давайте сейчас поиграем.

Задание 1. Разделим группу на 3 команды по рядам, студенты команды первой выполнившей задание получат по 3 балла, студенты второй команды - по 2 балла. Приложения № 2 - 4.

Задание 2. Работа с таблицами.

У нас сегодня есть фотоны семи основных цветов. Давайте поиграем.

Условия игры

Игрок-металл может отдать электрон только в том случае, если энергия кванта больше энергии работы выхода. Победит тот квант, который соберет больше электронов. Соответственно студент получит количество баллов равное количеству собранных электронов.

1) Фиолетовый 5,2•10-19 Дж

Синий 4,4•10-19 Дж

Красный 3,2•10-19 Дж

2) Ультрафиолетовый ν=1•1017 Гц;

Рентгеновский ν=1•1018 Гц;

Приложения № 5 - 6.

Задание №3. Игра «О, счастливчик».

За каждый правильный ответ студенту начисляется 1 балл.

Приложение № 7.

Задание №4

А теперь решаем кроссворд. Первым трём студентам, решившим кроссворд, дается по одному баллу.

Приложение № 8.

Рефлексия.

Домашнее задание:

В.Ф. Дмитриева «Физика, М 2010» параграфы 20.1 - 20.3. Страница 382, вопросы для самоконтроля и повторения (1-9).

Приложение № 9

Разноуровневая домашняя работа по теме «Явление фотоэффекта и его законы».

Подготовить презентацию по теме «Применение фотоэффекта в технике»

ЛИТЕРАТУРА.

1. Элементарный учебник физики под редакцией Г.С. Ландсберга.

2. Физическая энциклопедия. А.М. Прохоров.

3. Методические материалы "Физика -11". Л.А. Кирик, Л.Э. Гильденштейн, Ю.И. Дик

4. "Физика - 11". В.А. Касьянов.

5. "Качественные задачи по физике в средней школе". М.Е. Тульчинский.

6. Большая советская энциклопедия.

7. "Физика в 11 классе модели уроков" Ю. А. Сауров

8. "Физика для профессий и специальностей технического профиля" В.Ф. Дмитриева

Анализ теоретического занятия по теме «Фотоэлектрический эффект и его законы. Фотоны»

Уроки с использованием компьютерных технологий еще больше уплотняют информационный поток, в который погружаются студенты. Необходимо четко представлять, как и зачем используются конкретные продукты на уроке, определять методическую целесообразность данного вида работы и грамотно ставить дидактические задачи перед учащимися. Психологический механизм воздействия сравнения на мыслительную деятельность человека пытался в свое время раскрыть еще Гельвеций. «Всякое сравнение предметов между собой, - писал он, - предполагает внимание; всякое внимание предполагает усилие, а всякое усилие - побуждение, заставляющее сделать это».

На данных уроках был применён метод сравнения волновых и квантовых свойств света, который в комплексе с компьютерными технологиями дал высокий результат знаний студентов по теме: "5"- 12%, "4"- 48%, "3"- 40%.

Работа над новым материалом при устном изложении, как правило, должна заканчиваться кратким обобщением, формулированием теоретических выводов и закономерностей. Эти обобщения не всегда обязательно делать самому преподавателю. Нередко он побуждает самих студентов формулировать основные выводы, вытекающие из изучаемого материала, особенно если этот материал излагается методом беседы. Все это также активизирует мыслительную деятельность учащихся. Эти моменты также были использованы при разработке и проведении уроков по теме «Световые кванты и фотоэффект».

Методическое обеспечение темы «Световые кванты и фотоэффект» рекомендовано преподавателям физики для подготовки и проведения уроков независимо от уровня подготовки студентов, а студентам использовать при подготовке к зачётам и к итоговой государственной аттестации.

Зам. директора по УЧ _______________________________ А.Н. Мазаев