Квантовая физика

Квантовая физика       Теория фотоэффекта. ( Урок №1) Учитель физики: Герман Алла Викторовна  Березиковская СОШ, Тогучинского района,  Новосибирской области

Цель урока:  сформировать у учащихся представления о фотоэффекте и изучить его законы; развивать познавательную активность школьников  сформировать понятие кванта энергии, расширить представления учащихся об области применения закона сохранения энергии;  привести в систему представления о корпускулярной теории света и углубить знания корпускулярно-волнового дуализма;  продолжить формирование познавательного интереса к предмету.

План урока: 1.Проблемная ситуация. 2. Гипотеза Планка. 3. Явление фотоэффекта. 4. Эксперимент по исследованию фотоэффекта. 5. Законы фотоэффекта. 6. Объяснение фотоэффекта с помощью волновой теории. 7. Квантовое объяснение фотоэффекта. 8. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. 9. Красная граница фотоэффекта. 10. Фотоны. 11. Применение фотоэффекта. 12. Решение проблемной ситуации.

1.Проблемная ситуация.  1. Какие факты свидетельствуют о наличии у света корпускулярных свойств?  2. Какие факты свидетельствуют о наличии у света волновых свойств?  3. Почему при частотах, меньших красной границы, фотоэффект не наблюдается?  ( Задание трем группам)

2. Гипотеза Планка.  Электродинамика Максвелла приводила к бессмысленному выводу, согласно которому нагретое тело, непрерывно теряя энергию вследствие излучения электромагнитных волн, должно охладится до абсолютного нуля. Согласно классической теории тепловое равновесие между веществом и излучением невозможно. Однако, ничего подобного в действительности нет. Нагретое тело не расходует всю свою энергию на излучение электромагнитных волн.  Макс Планк предположил, что атомы испускают электромагнитную волну отдельными порциями – квантами. Энергия каждой порции прямо пропорциональна частоте излучения

2. Гипотеза Планка. непрерывно, а отдельными порциями – квантами.  Свет излучается и поглощается веществом не  Е =h * v –энергия кванта  h =6,63 * 10 -34 Дж*с - постоянная Планка

3. Явление фотоэффекта.  Фотоэффект-это вырывание электронов из вещества под действием света.  Для обнаружения фотоэффекта можно использовать электрометр с присоединенной к нему цинковой пластиной. Если зарядить пластину положительно, то её освещение электрической дугой не влияет на быстроту разрядки электрометра. Но если пластину зарядить отрицательно, то световой пучок от дуги разряжает электрометр очень быстро.

4. Эксперимент по исследованию  фотоэффекта.  Явление фотоэффекта практически безинерционно; интенсивность фотоэффекта зависит от рода металла, величины светового потока и спектрального состава излучения.

5. Законы фотоэффекта.  Законы фотоэффекта были экспериментально установлены профессором Московского университета А.Г.Столетовым:  1. Фототок насыщения прямо пропорционален интенсивности света, падающего на катод.  2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.  Для каждого вещества существует минимальная частота света, называемая красной границей фотоэффекта, ниже которой фотоэффект не возможен.

6. Объяснение фотоэффекта с помощью  волновой теории.  С точки зрения волновой 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.

7. Квантовое объяснение фотоэффекта.  Эйнштейн пришел к выводу, что свет должен не только излучаться и поглощаться, но и распространяться в виде отдельных порций энергии – квантов электромагнитного поля. Эти кванты называют фотонами.  При взаимодействии с веществом фотон ведет себя подобно частице и передает свою энергию не веществу в целом, а только отдельным электронам. Она расходуется на освобождение электрона из металла – на работу выхода и на сообщение ему кинетической энергии. Энергия фотона передается электрону целиком, а фотон перестает существовать.

8. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.  mv2 /2 = eU0 – максимальное значение кинетической энергии фотоэлектрона;

9. Красная граница фотоэффекта. Для каждого вещества фотоэффект наблюдается лишь в том случае, если частота света больше минимального значения v min. Чтобы вырвать электрон из металла даже без сообщения ему кинетической энергии, нужно совершить работу выхода А. Энергия кванта должна быть больше этой работы. hv>A Vmin = A вых/ h – минимальная частота света, при которой возможен фотоэффект;(красная граница фотоэффекта) λmax = hc/ Aвых – максимальная частота света, при которой возможен фотоэффект.

10. Фотоны.  Фотон – материальная, электрически нейтральная частица.  E = hv –энергия кванта  E = mc2 – связь энергии с массой  m =hv/c2 – масса движущегося фотона  p = mc = hv/с = h/λ – импульс фотона  Свойства фотона:  1. Движется со скоростью света.  2. Существует только в движении.  3. Остановить нельзя, масса покоя равна нулю.  4. Корпускулярно-волновой дуализм.

11. Применение фотоэффекта.  Фотоэффект «превращает» свет в электрический ток.  Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами.  Применение в технике:  а) кино (воспроизведение звука);  б) фототелеграф;  в) фотометрия: для измерения силы света;  г) управление производственными процессами;  д) солнечные батареи.

12. Решение проблемной ситуации.  Отчет каждой группы о своем задании.  Итог урока.