| Головна » Фізика |
Мета: Ознайомити з корпускулярними властивостями світла в процесі вивчення явища фотоефекту, вчити розрізняти поняття внутрішнього та зовнішнього фотоефекту, домогтися засвоєння учнями законів фотоефекту, формувати навички застосування рівняння Ейнштейна під час розв’язування задач. Розвивати пам’ять, уважність, логічне мислення, продовжувати формувати навички обчислень за формулами, побудови та аналізу графіків за допомогою комп’ютера (програмне забезпечення Excel). Виховувати інтерес до моделювання фізичних явищ за допомогою комп’ютера. Перевірити знання, одержані на уроці за допомогою комп’ютерного тестування. Тип уроку: 1. Урок вивчення нового навчального матеріалу. 2. Урок закріплення знань, умінь, формування навичок. Місце проведення: комп’ютерний клас. Програмне забезпечення ПК: Windows, Microsoft Excel, диск «Открытая физика», tester (програма для створення тестів).
Перший урок План Організаційний момент. Вступне слово вчителя. I етап уроку. Демонстрація хвильових властивостей світла. Постановка проблеми (інсценування, музичний супровід). Вивчення нового навчального матеріалу. II етап уроку. Пояснення дії фотореле. Означення явища внутрішнього фотоефекту. III етап уроку. Історія відкриття та означення зовнішнього фотоефекту. Дослід Герца (демонстрація). IV етап уроку. Дослід Столєтова. Закони Фотоефекту. V етап уроку. Зародження квантової фізики. Пояснення фотоефекту. Рівняння Ейнштейна (робота з магнітною дошкою). Закріплення вивченого. VI етап уроку. Розв’язування задач (комп’ютерні обчислення в Microsoft Excel) Підведення підсумків уроку.
I етап (4-5 хв) Обладнання для першого етапу 1-го уроку: скляна пластинка з набору з оптики (напівматовий сегмент), прикріплена скотчем до картонного екрана розміру А4, який зручно тримати в руці, лазерна указка прикріплена скотчем до екрана під таким кутом, щоб було гарно видно заломлений і відбитий промені, програмне забезпечення ПК для прослуховування звукового файла (фрагмент симфонії № 5 Бетховена), ліхтарик, коробка або невеличка шафка з написом „сейф”, всередині якої приховано електричну схему з фотореле на 220 В, випрямляча 220В/4В, вимикача, дзвоника на панелі, в коробці зроблено отвір у вигляді замкової щілини; на закритій дошці екран, на одному з учнівських столів – дифракційна решітка на штативі, друга лазерна указка. Учитель: Сьогоднішній урок ми повністю присвятимо вивченню нової теми з наступним закріпленням і контролем знань. Але проведемо ми все це в не зовсім звичайній формі. Останнім часом ми багато говорили про світло. А сьогодні дівчата приготували вам сюрприз – вони про світло заспівають. Учениця 1: (мелодія пісні „Я тебе конечно верю...”) Світло – це, звичайно, хвиля Сумніву не може бути Розкажи, яку властивість Має хвиля світлова (2 р) Учениця 2: Ця властивість не єдина Світло може відбиватись, (демонструє відбивання світла та заломлення за допомогою Світло може заломитись лазерної указки і скляної пластинки з набору по оптиці) І інтерферує теж..
Учениця 1: Відчуває поляроїд, Огинає перешкоди, (демонструє спектр, який дає дифракційна решітка) Це доводить – світло – хвиля, Але є маленький секрет.
Разом: Є маленький секрет (2 р) (розходяться) Звучить початок симфонії №5 Бетховена З’являється злочинець з ліхтариком і прямує до „сейфа”, але, тільки-но він освітлює замкову щілину, дзвенить дзвоник і злочинець вимушений втекти.
II етап (3-4 хв) Обладнання для другого етапу 1-го уроку: плакат з темою уроку „Фотоефект”, електрична схема (див. раніше) Учитель: Отже, перегорнемо першу сторінку нашого незвичного уроку – музичну, і зробимо деякі висновки. На ваших очах відбувся певний ефект. Причиною появи звуку стало світло. „Світло” на грецькій мові звучить як “photos”, а “effectus” з латинської перекладається як „дія, виконання”. Отже, маємо справу з явищем, яке українською можна назвати як „світлова дія”, а іншомовне слово, яке вживається частіше, „Фотоефект” (відкривається дошка і закритий досі плакат із заготовленим заголовком). Це і буде тема нашого уроку. З неї починаємо вивчення розділу „Світлові кванти”, яка розрахована за програмою на 10 годин. Відкрийте зошити і запишіть її. Запишіть також і початок фрази: „Внутрішній фотоефект – це...” Бесіда учителя з учнями: Учитель: Давайте замислимось. Як ви думаєте, що міститься в нашому ящику під назвою „сейф”? Учень (учениця): Електричне коло з дзвоником. Учитель: А чому дзвоник не дзвенів раніше? Учень (учениця): Опір кола був великий. Учитель: Який елемент кола забезпечив цей великий опір? Учень (учениця): Можливо, напівпровідниковий елемент (відкривають „сейф” і розглядають елементи кола). Учитель: Отже, напівпровідниковий фоторезистор при освітленні має менший опір. Чому? Учень (учениця): З’являються вільні носії заряду - електрони. Учитель: А раніше до складу цієї речовини не входили електрони? Учень (учениця): Входили, але були зв’язані парноелектричними зв’язками, а світло порушує ці зв’язки, вільних носіїв заряду стає більше. Учитель: Отже спробуємо дати означення внутрішнього фотоефекту: „Внутрішній фотоефект – це збільшення кількості вільних носіїв заряду в напівпровідниках та діелектриках під дією світла” (записи в зошитах).
III етап (7-8 хв) Обладнання для третього етапу 1-го уроку: портрет Герца, для досліду: стандартний набір для демонстрації фотоефекту з ультрафіолетовою лампою, фільтрами, цинкова та мідна пластини на стержнях, штатив з лапкою, електроскоп, ебонітова паличка, пухова хустка, наждачний папір. Учитель: Внутрішній фотоефект має широке застосування. Про це ми поговоримо на наступних уроках, але нас, так само, як і вчених XIX ст. цікавить...(записує на дошці)...Зовнішній фотоефект. Запишіть цей підзаголовок у зошитах. А тепер перегорнемо наступну сторінку нашого уроку – історичну. В ролі історика сьогодні виступає... (назвати ім’я учня)
Учень: Фотоелектричний ефект було відкрито випадково німецьким фізиком Генріхом Герцем в 1887 р. Але незалежно від нього подібні явища спостерігали Сванте Арреніус, Вільгельм Гальвакс, Аугусто Рігі. ( записує на дошці рік відкриття і прізвища вчених, учні записують в зошитах, потім учитель залишає учня допомагати проводити дослід). Учитель: Відтворимо один із варіантів досліду (учень зачищає ебонітову паличку наждачним папером, а учитель в цей час готує цинкову пластинку – зачищає її від окислів, потім учень електризує паличку о хутро – пухову хустку). На стержні електрометра установлено гарно зачищену цинкову пластину. Надавши пластині негативного заряду від ебонітової палички, потертої о хутро, напрямляємо на пластину ультрафіолетове проміння від кварцової лампи. Під дією променів пластина розряджається, причому тим швидше, чим більший світловий потік (по-можливості освітити пластину двома лампами). Якщо заряджати мідну пластину, розряджання електрометра відбувається повільніше. Причому на розрядку електрометра впливало світло високої частоти. Якщо перед лампою поставити червоний фільтр, то явище зовсім не спостерігалося. При наданні стержню позитивного заряду, явище не спостерігається також. Герц пояснити це явище не зміг. Чи зможемо ми пояснити його? Чому розряджається електроскоп? Бесіда учителя з учнями: Учитель: Що означає фраза: „Пластинка заряджена негативно?” Учень (учениця): Це означає, що пластинка має надлишок електронів. Ебонітова паличка, потерта о хутро заряджається саме так. Учитель: Отже під час розрядження вона втрачає саме електрони. Що було причиною цього? Учень (учениця): Світло. Учитель: Логічно припустити, що світло начебто „вибиває” електрони з металу. А чому цього не відбувається з позитивно зарядженою пластиною? Учень (учениця): Електричне поле напрямлене так, що вертає електрони назад. Учитель: Підведемо деякі підсумки. Електрони, вибиті світлом виходять назовні, пластинка їх втрачає, тому стає все менш негативною, і, врешті-решт, незарядженою. Так яке ж означення можна дати? Що таке зовнішній фотоефект? Учень (учениця): Зовнішній фотоефект – це явище втрати речовинами електронів під дією світла або іншого електромагнітного випромінювання. (записи в зошитах) Учитель: Так чим відрізняється зовнішній фотоефект від внутрішнього?
Учень (учениця): При внутрішньому електрони залишаються всередині речовини, тільки змінюється їхня енергія. Учитель: Замалюйте схематично дослід Герца. IV етап (8-9 хв) Обладнання для четвертого етапу 1-го уроку: портрет Столєтова, система з катодом і сітковим анодом (від стандартного набору по фотоефекту), плакат з суцільним спектром видимого світла з підписаними під кольорами середніми значеннями частот і довжин хвиль (частоти в терагерцах, довжини в нанометрах), плакат з накресленою схемою досліду Столєтова і графіком залежності сили фотоструму від напруги. Учитель: Чи справив враження на науковий світ цей дослід? Чи змогли вчені пояснити його результати на основі хвильових властивостей світла? Чи все було зрозуміло? Давайте послухаємо історика.
Учень: Після опублікування повідомлення про відкриття Герца цей ефект зацікавив багатьох дослідників. Учень Герца Филип Ленард (німецький фізик) дослідив, що цинк випускає негативні частинки, якщо частота падаючого світла 1015с-1. Частинки можуть летіти до позитивного анода у вакуумній трубці. Питомий заряд цих частинок відповідає питомому заряду, знайденому в дослідах Мілікена для електрона. Але найретельніше в 1888 – 1890 р.р. закономірності фотоефекту вивчив Олександр Григорович Столєтов (показати портрет вченого, записати на дошці). Учитель: Отже, ми підійшли до однієї з найважливіших частин нашого уроку. Будьте дуже уважні. Від цього залежить кількість набраних вами балів в кінці 2-го уроку. Олександр Григорович Столєтов – засновник фізичної лабораторії в Московському університеті називав свої досліди „актино-електричні дослідження". Він працював з конденсатором, але незвичним. Одна з пластин (позитивна) являла собою сітку, а негативна – суцільна. Таким чином освітлення цього конденсатора впливало тільки на катод (демонстрація пластин з набору по фотоефекту). Ви знаєте, що в звичайних умовах конденсатор, під’єднаний до джерела постійної напруги струму не пропускає. А при освітленні струм з’являється. Якщо електроди помістити у вакуум, то польоту електронів не будуть заважати молекули газів, і дослід дає кращий результат. (Розповідь з використанням плакату зі схемою). Олександр Григорович звернув увагу на такі закономірності, які потім були висловлені як закони фотоефекту. 1-й закон: При збільшенні інтенсивності випромінювання сила фотоструму насичення збільшується. (записи в зошитах Iн пропорц. Р ) Але цей факт уже був відомий і не викликав здивування. Як записується формула для обчислення сили струму за означенням? I = q/t = Ne/t (опитування „ланцюжком”). Логічно припустити, що чим більше світла падає, тим більша кількість електронів виривається, отже проходить більший струм. (Записи в зошитах: довідка: I = q/t = Ne/t) Неможливо було пояснити іншу річ. Виявилось, що від інтенсивності світла не залежала кінетична енергія електронів, вибитих світлом. Ви спитаєте, як виміряли цю енергію? Справа в тому, що, якщо на електроди подати від’ємний потенціал, тобто змінити полярність, то електрони, які вилетіли почнуть гальмувати в такому електричному полі (розповідь за схемою і за графіком). Найменша затримуюча напруга, при якій струм припиняється дає можливість обчислити Wк, оскільки за законом збереження: Uз e = Wк Скільки б ламп ви не брали 2, 3, 4, 5..., щоб збільшити освітленість катода, затримуюча напруга, а, отже, кінетична енергія не змінювалась. Але, що цікаво, вона починала змінюватися при зміні частоти світла, тобто кольору! Таким чином, другий закон фотоефекту запишемо так: 2-й закон: Кінетична енергія фотоелектронів залежить від частоти падаючого світла і не залежить від його інтенсивності. (записи в зошитах Wк пропорц. ν, довідка: Uз e = Wк) Мало того. При частотах, менших деякого значення для різних металів фотоефект зовсім припинявся! Це значення назвали червоною межею, тому що для більшості речовин ці частоти відповідали червоному світлу (згадайте сьогоднішній дослід з електроскопом). Так з’явився третій закон фотоефекту: 3-й закон: Існує червона межа (мінімальна частота (максимальна довжина хвилі) при якій фотоефект припиняється. (записи в зошитах νmin (λmax) – червона межа)
Хвильова теорія стала неспроможною пояснити ці факти. Крім того, якщо припустити, що світло під час фотоефекту зберігає свої хвильові властивості, то ефект повинен відбуватися з деяким запізненням! Адже електромагнітна хвиля повинна була, ніби-то, розгойдувати електрон, перш ніж він зможе вилетіти з металу. Насправді, дія світла безінерційна, майже миттєва. Кожного разу, коли одна з класичних теорій стає безсилою пояснити певні дослідні факти, з’являється нова теорія. Послухаємо історика.
V етап (5-6 хв) Обладнання для п’ятого етапу 1-го уроку: стандартний плакат із серії „Сталі величини” з портретом М.Планка і формулою енергії кванта, портрет Альберта Ейнштейна, магнітна дошка, картки з літерами для складання формул на магнітах. І.М.Гельфгат, І.Ю. Ненашев. Фізика 11 Збірник задач. Учень: 1900 р. став роком народження квантової фізики. Німецький учений Макс Планк висловив припущення, що світло випускається не неперервно, як хвиля, а порціями – квантами (з латинської q u a n t u m – означає кількість). Тобто, квант – найменша кількість електромагнітного випромінювання. Планк ввів у фізику поняття „квант дії” (порція дії), яку позначив h. І висловив геніальну думку, що енергія кожної порції світла залежить від частоти. E = hν (використати стандартний плакат із серії „Сталі величини”
Учитель: До речі, ніякого відношення до фотоефекту це припущення не мало. Планк вирішив проблему випромінювання абсолютно чорного тіла. Пізніше сталу h назвали на його честь – сталою Планка і дослідним шляхом виміряли (записують значення сталої за плакатом округлено 6,62 *10-34 Дж с). Що відбувалося далі в історії науки? Учень: Планк припустив, що світло тільки випромінюється порціями, але був ще один великий вчений – Альберт Ейнштейн, який поширив ідею квантування і на поглинання світла речовиною. В 1905 році Альберт Ейнштейн пояснив проблему фотоефекту, вивівши на основі закону збереження знамените рівняння фотоефекту. Саме за це рівняння в 1921 році (а не за теорію відносності, як дехто думає) він одержав Нобелевську премію. Експериментальну перевірку цього рівняння здійснив Мілікен ще в 1914 році. Учитель: Який же вигляд має знамените рівняння? Все геніальне – просте! (робота з магнітною дошкою) Рівняння Ейнштейна Коментарі учителя: Якщо порція світла має енергію hν, то ця енергія при попаданні на метал повинна кудись витрачатися. Будова металів така, що електрони – негативно заряджені частинки взаємодіють з позитивними іонами, які містяться в вузлах кристалічної решітки, тому світло повинно виконати певну роботу, щоб подолати цю взаємодію. Цю роботу позначили Aвих, а вилетівши з металу електрон повинен мати ще й кінетичну енергію, щоб добратися до позитивного анода. Давайте подумаємо які різновиди цього рівняння ми можемо застосовувати в задачах? hc/λ = A + Wk (літери на магнітах переставляються так, що формула миттєво приймає інший вигляд) hc/λ = A + mυ2/2 hν = hνmin + Wk E = A + U зe і т.д.
В збірниках задач знайдіть таблицю зі значеннями роботи виходу для різних металів. З якого металу найлегше вирвати електрони? Оскільки енергія світла, як ми вже знаємо, залежить від частоти, то це означає, що частота світла, яке падає на такий метал може бути меншою, ніж на інші метали і вже буде спостерігатися фотоефект. Який метал потребує високочастотних хвиль?
VI етап (10-12 хв) Обладнання для шостого етапу 1-го уроку: персональні комп’ютери Celeron. Програмне забезпечення – Microsoft Office (Microsoft Excel), І.М.Гельфгат, І.Ю. Ненашев. Фізика 11 Збірник задач (робота в парах). Учитель: А тепер приступимо до закріплення. Одну задачу ми розв’яжемо біля дошки і в зошитах, а ще декілька усно з використанням комп’ютерів (завантаження комп’ютерів). Задача 10.14 Значення затримуючої напруги, яку виміряли при фотоефекті, дорівнює 2,4 В. Знайдіть довжину хвилі, падаючого на поверхню випромінювання, якщо робота виходу електронів з металу дорівнює 2,4 *10 -19 Дж. Розв’язання: За рівнянням Ейнштейна hν = A + Wk або hc/λ = A + Uзe, отже λ = hc/A + Uзe (робота з магнітною дошкою) Учитель: Обчислення цієї і наступних задач проведемо за комп’ютерами (табличний процесор Excel) λ = 6,62 *10- 34 Дж*3*108 м/с /(2,4*10-19 Дж + 2,4 В*1,6*10-19 Дж = 3,18*10-7 м = 318 нм (записи в зошитах. Наступні задачі виконуються на дошці (виведення загальної формули) і обчислюються за комп’ютером без запису в зошитах (табличний процесор Excel)
Задачі для комп’ютерних обчислень На поверхню цезію діє випромінювання з частотою 7*1014 Гц. Яка максимальна кінетична енергія фотоелектронів? (W = hν – A) (1076*10-19 Дж)
Висновки: Учитель: Які висновки можна зробити із вивченого на уроці? Учень (учениця): Світло володіє і хвильовими і корпускулярними властивостями. Учитель: Яке явище підтверджує корпускулярні властивості світла? Учень (учениця): Фотоефект Учитель: Про які види фотоефекту йшла мова на уроці? Учень (учениця): Внутрішній, при якому електрони не покидають речовину і зовнішній, при якому електрони, що вибиваються світлом вилітають з металу, спричиняючи струм у вакуумі (або газі) Учитель: Назвіть прізвища вчених, які вивчали в тій чи іншій мірі фотоефект. Учень (учениця): Герц, Планк, Столєтов, Ейнштейн Учитель: В чом у полягають закони фотоефекту? Учень (учениця) формулюють закони. Учитель: Ці закон и перевіримо на наступному уроці за допомогою комп’ютерної моделі.
Другий урок План Закріплення знань. I етап уроку. Фронтальне опитування з теми: „Закони фотоефекту” (використання комп’ютерної моделі) II етап уроку. Побудова графіка залежності Wк (n) (Microsoft Excel). Аналіз графіка.
I етап (7-10 хв) Обладнання для першого етапу 2-го уроку: програмне забезпечення - диск „Открытая физика”/модели/Фотоэффект Учитель: Другий сьогоднішній урок – урок закріплення знань. Психологи говорять, що закріплення вивченого необхідно проводити в той же день, в який вивчався матеріал, а не через декілька днів, як іноді виходить за розкладом. Так працює пам’ять. Давайте перевіримо, чи праві психологи. Фронтальне опитування з використанням комп’ютерної моделі: Спостерігаючи за поведінкою фотоелектронів, змініть потужність випромінювання (відповідні кнопки на моделі). Зробіть висновок про те, як від інтенсивності випромінювання залежить фотострум. Як при цьому поводить себе крива на графіку? (При збільшенні інтенсивності випромінювання сила фотоструму насичення збільшується. Це підтверджує перший закон фотоефекту).
Аналіз графіка (усно виконують учні за допомогою учителя): [*] Графіком залежності кінетичної енергії від частоти падаючого світла є пряма лінія, нахилена під деяким кутом a до осі OX (OY), отже залежність є прямо пропорційною, що відповідає другому закону фотоефекта. [*] a = h, де h – стала Планка [*] Оскільки tg a є величиною сталою, то всі графіки залежності Wк(n) для різних речовин є паралельними лініями [*] Точка перетину графіка з віссю n, Гц відповідає червоній межі, оскільки кінетична енергія фотоелектронів при цьому дорівнює нулю. [*] Ордината точки, з якої виходить графік відповідає роботі виходу даної речовини.
III етап (15-17 хв) Обладнання для третього етапу 2-го уроку: картки з індивідуальними завданнями, програмне забезпечення – Tester 31 Комплексна самостійна робота (комп’ютерне тестування (максимальна кількість балів – 9), самостійне розв’язування задач – 3 бали) Учитель: Клас ділиться на 2 групи. Перші 7 хвилин перша група відповідає на запитання тесту за комп’ютером, друга група – розв’язує задачу в зошиті, наступні 7 хвилин групи міняються місцями.
Задачі для самостійної роботи (4 варіанта) На поверхню вольфраму падають рентгенівські промені з довжиною 10 нм. Обчислити кінетичну енергію фотоелектронів.
Тест на закріплення знань до уроку „Фотоефект” (запитання і відповіді внесені учителем в оболонці Config програми tester) Як позначається стала Планка? h Корпускулярні властивості світла проявляються при... інтерференції двох світлових пучків На поверхню тіла падає світлове випромінювання з частотою hν/2 Виберіть правильне твердження: енергія кванта... ...інфрачервоного випромінювання більша за енергію кванта видимого світла Синє світло, що діє на поверхню металу вириває з нього фотоелектрони. Якщо інтенсивність світлового потоку збільшити в 2 рази, то... ...кількість електронів, що кожної секунди вириваються, збільшиться в 2 рази. Максимальна кінетична енергія вибитих випромінюванням з поверхні металу електронів... ...не залежить від частоти випромінювання. Кількість електронів, вибитих з поверхні металу за 1 с... ...прямо пропорційна до інтенсивності випромінювання. Фотоефект може припинитися, якщо... ...збільшити в 2 рази відстань між поверхнею металу і джерелом світла. При освітленні катода фотоелемента у колі виникає струм, а при освітленні жовтим – струм не виникає. Виберіть правильне твердження: При освітленні катода синім світлом виникає фотоефект.
IV етап (5-7 хв) Підведення підсумків уроку. Перевірка розв’язків задач (розв’язки на переносній дошці або в файлі на комп’ютері). Підрахунок балів, одержаних в ході тестування і розв’язування задач. Оголошення оцінок. Домашнє завдання.
Схожі навчальні матеріали: | ||||||
| Всього коментарів: 0 | |