Тема урока: Фотоэлектрический эффект. Экспериментальные законы внешнего фотоэффекта. Фотон. Уравнение Эйнштейна для фотоэлектрического эффекта icon

Тема урока: Фотоэлектрический эффект. Экспериментальные законы внешнего фотоэффекта. Фотон. Уравнение Эйнштейна для фотоэлектрического эффекта


3 чел. помогло.
Смотрите также:
Тема урока: «Фотоэлектрический эффект. Уравнение Эйнштейна»...
План урока по физике Тема урока: Фотоэлектрический эффект и его законы...
22. Гипотеза М. Планка о квантах. Фотоэффект. Опыты А. Г. Столетова. Уравнение А...
Программа вступительного экзамена в аспирантуру ики ран по специальности 01. 03...
Лабораторная работа №304...
Теоретическое обоснование и экспериментальные предпосылки эксперимента...
Темник исследовательских работ для участников группы «Научные кадры будущего» по научному...
Темник исследовательских работ для участников группы «Научные кадры будущего» по научному...
Волоконно-оптический датчик температуры на основе термоакустического эффекта...
Фотоэлектрический эффект...
А. Г. Столетов осуществил опыты по фотоэффекту, приме­няя впервые...
Реферат по теме: тепловой эффект...



Загрузка...
скачать
Дата:17.02.2009 г.

Тема урока: Фотоэлектрический эффект. Экспериментальные законы внешнего фотоэффекта. Фотон. Уравнение Эйнштейна для фотоэлектрического эффекта.


Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: урок-лекция

Цели:

Образовательные: сформировать у учащихся представление о фотоэффекте и изучить его законы, которым он подчиняется; расширить представления учащихся об области применения закона сохранения энергии; познакомить учащихся с корпускулярной теорией света и историей ее становления; обеспечить формирование понятий фотоэлектроны, фототок, задерживающие напряжение, красная граница фотоэффекта, фотон, квант света.

Развивающие: создание условий для развития аналитического мышления, самоанализа, развитие памяти, внимания, речи.

Воспитательные:

Воспитывать внимание, чувство ответственности, терпимости к суждениям товарищей, прививать интерес к предмету.


^ Методы обучения:

Репродуктивные методы;

Практические методы;


ТСО: доска, проектор для демонстрации презентации к уроку.


Ведущие идеи урока:


Фотоэффектом (фотоэлектрическим эффектом) называется явление взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, в результате которого энергия излучения передается электронам вещества.

Законы внешнего фотоэффекта:


Фототок насыщения (Iн) — максимальное число фотоэлектронов, вырываемых из катода за единицу времени,— прямо пропорционален интенсивности падающего излучения (первый закон фотоэффекта).


Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения I и линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения (второй закон фотоэффекта).


Для каждого вещества существует граничная частота Vmin такая, что излучение меньшей частоты не вызывает фотоэффекта, какой бы ни была интенсивность падающего излучения (третий закон фотоэффекта).


Свойства фотона:


  1. Не имеет состояния покоя.

  2. Безмассовая частица (m = 0).

  3. Электрически нейтрален (q = 0).

  4. Скорость его движения равна скорости света (V = с) во всех ИСО.

  5. Энергия фотона пропорциональна частоте соответствующего электромагнитного излучения ().

  6. Модуль импульса фотона равен отношению его энергии к скорости ().

Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта является следствием закона изменения энергии в этом процессе:



Условие для красной границы фотоэффекта:



Литература:

1.Купер Л. «Физика для всех», т.2,М.,1974 г.

2.Храмов Ю.А. «Физики», М., 1983 г.

3.В.В.Жилко,А.В.Лавриненко,Л.Г.Маркович «Физика-11»,2002 г.


Структура урока:

  1. Организационный этап. (1 мин)

  2. Проверка домашнего задания. (3 мин)

  3. Актуализация опорных знаний.(5 мин)

  4. Объяснение нового материала. (20 мин)

  5. Закрепление нового материала.(15 мин)

  6. Домашнее задание учеников. (1 мин)


Ход урока:


  1. Организационный этап.

Здравствуйте, садитесь. Открываем тетради, записываем число и тему урока.

  1. Проверка домашнего задания.

Вопросы к классу по домашнему материалу.


    1. Кто из ученых был основоположником классической механики, а кто релятивистской?

    2. В чем различие между классической и релятивистской механикой?

    3. Какая система отсчета называется инерциальной?

    4. Сформулировать два основных принципа специальной теории относительности.

    5. Перечислить основные релятивистские эффекты. (один из учащихся называет эффекты, другой – записывает соответствующие формулы на доске)

    6. Сформулировать закон взаимосвязи массы и энергии.




  1. ^ Актуализация опорных знаний.

Для актуализации знаний провожу фронтальную беседу по ранее изученному материалу. Целью которой является повторение таких понятий как свет, спектр, вольт – амперная характеристика, закон взаимосвязи массы и энергии, импульс частицы, электронвольт.


  1. ^ Объяснение нового материала.

Фотоэлектрический эффект был открыт в 1887 году немецким физиком Г. Герцем и в 1888–1890 годах экспериментально исследован А. Г. Столетовым. Наиболее полное исследование явления фотоэффекта было выполнено Ф. Ленардом в 1900 г. К этому времени уже был открыт электрон (Д. Томсон, 1897 г.), и стало ясно, что фотоэффект (или точнее – внешний фотоэффект) состоит в вырывании электронов из вещества под действием падающего на него света.

Фотоэффектом (фотоэлектрическим эффектом) называется явление взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, в результате которого энергия излучения передается электронам вещества.

Фотоэффект


Внешний

Внутренний

Если фотоэффект сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внешним фотоэффектом, а вылетающие электроны — фотоэлектронами.

Если фотоэффект не сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внутренним фотоэффектом.

Испускание веществом каких-либо частиц называется эмиссией. Поэтому внешний фотоэффект называют также фотоэлектронной эмиссией (фотоэмиссией).


Схема экспериментальной установки для исследования фотоэффекта изображена на рис. 




Рис.1

В экспериментах использовался стеклянный вакуумный баллон с двумя металлическими электродами, поверхность которых была тщательно очищена. К электродам прикладывалось некоторое напряжение U, полярность которого можно было изменять с помощью двойного ключа. Один из электродов (катод K) через кварцевое окошко освещался монохроматическим светом некоторой длины волны λ, и при неизменном световом потоке снималась зависимость силы фототока I от приложенного напряжения.



На рис. изображены типичные кривые такой зависимости, полученные при двух значениях интенсивности светового потока, падающего на катод.

Кривые показывают, что при достаточно больших положительных напряжениях на аноде A фототок достигает насыщения, так как все электроны, вырванные светом из катода, достигают анода. Тщательные измерения показали, что ток насыщения Iн прямо пропорционален интенсивности падающего света. Когда напряжение на аноде отрицательно, электрическое поле между катодом и анодом тормозит электроны. Анода могут достичь только те электроны, кинетическая энергия которых превышает |eU|. Если напряжение на аноде меньше, чем –Uз, фототок прекращается. Измеряя Uз, можно определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов:



К удивлению ученых, величина Uз оказалась не зависящей от интенсивности падающего светового потока. Тщательные измерения показали, что запирающий потенциал линейно возрастает с увеличением частоты ν света (рис.).




Зависимость запирающего потенциала Uз от частоты ν падающего света.


Многочисленными экспериментаторами были установлены следующие основные закономерности фотоэффекта:

  1. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты света ν и не зависит от его интенсивности.

  2. Для каждого вещества существует так называемая красная граница фотоэффекта, т. е. наименьшая частота νmin, при которой еще возможен внешний фотоэффект.

  3. Число фотоэлектронов, вырываемых светом из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности света.

  4. Фотоэффект практически безынерционен, фототок возникает мгновенно после начала освещения катода при условии, что частота света ν > νmin.

^ Противоречия волновой теории света.

Все эти закономерности фотоэффекта в корне противоречили представлениям классической физики о взаимодействии света с веществом. Согласно волновым представлениям электрон при взаимодействии с электромагнитной световой волной должен был бы постепенно накапливать энергию, и потребовалось бы значительное время, зависящее от интенсивности света, чтобы электрон накопил достаточно энергии для того, чтобы вылететь из катода. Как показывают расчеты, это время должно было бы исчисляться минутами или часами. Однако, опыт показывает, что фотоэлектроны появляются немедленно после начала освещения катода. В этой модели невозможно было также понять существование красной границы фотоэффекта. Волновая теория света не могла объяснить независимость энергии фотоэлектронов от интенсивности светового потока, пропорциональность максимальной кинетической энергии частоте света.

Таким образом, электромагнитная теория света оказалась неспособной объяснить эти закономерности.

^ Гипотеза Эйнштейна и Планка.

Выход был найден А. Эйнштейном в 1905 г. Теоретическое объяснение наблюдаемых закономерностей фотоэффекта было дано Эйнштейном на основе гипотезы М. Планка о том, что свет излучается и поглощается определенными порциями, причем энергия каждой такой порции определяется формулой E = hν, где hпостоянная 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:



Эту формулу принято называть уравнением Эйнштейна для фотоэффекта.

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.), 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




Фотон движется в вакууме со скоростью c. Фотон не имеет массы покоя, 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.


  1. Усвоение нового материала.

Для усвоения теоретических знаний и формирования умений применять полученные знания на практике решаем задачи из упражнения 2 №1, 2 на странице 18..


Упражнение 2


Задача №1

Определите частоту света, который следует направить на поверхность пластинки из платины, чтобы максимальная скорость фотоэлектронов была =1000 км/с.

Задача №2

Определите максимальную скорость фотоэлектронов, вылетевших с поверхности цинка, при освещении его светом с длиной волны =300 нм.


Решения задач

Задача №1

Решение


Дано Для решения задачи используем уравнение Эйнштейна для фотоэффекта:



Работа выхода для платины – это данные, которыми можно воспользоваться из таблицы (страница 16 учебника)



-? Для решения задачи все необходимые величины известны. Конечная формула имеет вид:








Ответ: 1,2715 Гц

Задача №2

Решение


Дано Для решения задачи используем уравнение Эйнштейна для фотоэффекта:



Работа выхода для цинка – это данные, которыми можно воспользоваться из таблицы (страница 16 учебника)



-? Для решения задачи все необходимые величины известны. Только выразим частоту падающего излучения через соответствующую длину волны, согласно известной формуле:



Тогда уравнение Эйнштейна для фотоэффекта имеет вид:



Выполним соответствующие математические преобразования и получим конечную формулу:









Ответ: 4∙106 м/с



  1. Домашнее задание учеников.

§1,2,3.









Скачать 112,78 Kb.
оставить комментарий
Дата27.09.2011
Размер112,78 Kb.
ТипУрок, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

плохо
  2
хорошо
  3
отлично
  3
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

наверх