Урок физики фотоэффект уравнение фотоэффекта

Физика. 11 класс

Конспект урока

Физика, 11 класс

Урок 22. Фотоэффект

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

• предмет и задачи квантовой физики;
• гипотеза М. Планка о квантах;
• опыты А.Г. Столетова;
• определение фотоэффекта, кванта, тока насыщения, задерживающего напряжения, работы выхода, красной границы фотоэффекта;
• уравнение Эйнштейна для фотоэффекта;
• законы фотоэффекта.

Глоссарий по теме:

Квантовая физика — раздел теоретической физики, в котором изучаются квантово-механические и квантово-полевые системы и законы их движения.

Фотоэффект – это вырывание электронов из вещества под действием света.

Квант — (от лат. quantum — «сколько») — неделимая порция какой-либо величины в физике.

Ток насыщения — некоторое предельное значение силы фототока.

Задерживающее напряжение — минимальное обратное напряжение между анодом и катодом, при котором фототок равен нулю.

Работа выхода – это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл. которую нужно сообщить электрону, для того чтобы он мог преодолеть силы, удерживающие его внутри металла.

Красная граница фотоэффекта – это минимальная частота или максимальная длина волны света излучения, при которой еще возможен внешний фотоэффект.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В. М. Физика. 11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 259 – 267.

2. Рымкевич А. П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.- М.:Дрофа,2009. – С. 153 – 158.

3. Элементарный учебник физики. Учебное пособие в 3 т./под редакцией академика Ландсберга Г. С.: Т.3. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика. – 12-е изд. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. С. 422 – 429.

4. Тульчинский М. Е. Качественные задачи по физике в средней школе. Пособие для учителей. Изд. 4-е, переработ. и доп. М. «Просвещение», 1972. С. 157.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

В начале 20-го века в физике произошла величайшая революция. Попытки объяснить наблюдаемые на опытах закономерности распределения энергии в спектрах теплового излучения оказались несостоятельными. Законы электромагнетизма Максвелла неожиданно «забастовали». Противоречия между опытом и практикой были разрешены немецким физиком Максом Планком.

Гипотеза Макса Планка: атомы испускают электромагнитную энергию не непрерывно, а отдельными порциями – квантами. Энергия Е каждой порции прямо пропорциональна частоте ν излучения света: E = hν.

Коэффициент пропорциональности получил название постоянной Планка, и она равна:

h = 6,63 ∙ 10 -34 Дж∙с.

После открытия Планка начала развиваться самая современная и глубокая физическая теория – квантовая физика.

Квантовая физика — раздел теоретической физики, в котором изучаются квантово-механические и квантово-полевые системы и законы их движения.

Поведение всех микрочастиц подчиняется квантовым законам. Но впервые квантовые свойства материи были обнаружены именно при исследовании излучения и поглощения света.

В 1886 году немецкий физик Густав Людвиг Герц обнаружил явление электризации металлов при их освещении.

Явление вырывания электронов из вещества под действием света называется внешним фотоэлектрическим эффектом.

Законы фотоэффекта были установлены в 1888 году профессором московского университета Александром Григорьевичем Столетовым.

Схема установки для изучения законов фотоэффекта

Первый закон фотоэффекта: фототок насыщения — максимальное число фотоэлектронов, вырываемых из вещества за единицу времени, — прямо пропорционален интенсивности падающего излучения.

Зависимость силы тока от приложенного напряжения

Увеличение интенсивности света означает увеличение числа падающих фотонов, которые выбивают с поверхности металла больше электронов.

Второй закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения и линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения.

Третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует граничная частота такая, что излучение меньшей частоты не вызывает фотоэффекта, какой бы ни была интенсивность падающего излучения. Эта минимальная частота излучения называется красной границей фотоэффекта.

где А_в – работа выхода электронов;

h – постоянная Планка;

ν_min — частота излучения, соответствующая красной границе фотоэффекта;

с – скорость света;

λкр – длина волны, соответствующая красной границе_.

Фотоэффект практически безынерционен: фототок возникает одновременно с освещением катода с точностью до одной миллиардной доли секунды.

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

Для большинства веществ фотоэффект возникает только под действием ультрафиолетового облучения. Однако некоторые металлы, например, литий, натрий и калий, испускают электроны и при облучении видимым светом.

Известно, что фототоком можно управлять, подавая на металлические пластины различные напряжения. Если на систему подать небольшое напряжение обратной полярности, «затрудняющее» вылет электронов, то ток уменьшится, так как фотоэлектронам, кроме работы выхода, придется совершать дополнительную работу против сил электрического поля.

Задерживающее напряжение — минимальное обратное напряжение между анодом и катодом, при котором фототок равен нулю.

Максимальная кинетическая энергия электронов выражается через задерживающее напряжение:

где — максимальная кинетическая энергия электронов;

Е – заряд электрона;

– задерживающее напряжение.

Теорию фотоэффекта разработал Альберт Эйнштейн. На основе квантовых представлений Эйнштейн объяснил фотоэффект. Электрон внутри металла после поглощения одного фотона получает порцию энергии и стремится вылететь за пределы кристаллической решетки, т.е. покинуть поверхность твердого тела. При этом часть полученной энергии он израсходует на совершение работы по преодолению сил, удерживающих его внутри вещества. Остаток энергии будет равен кинетической энергии:

В 1921 году Альберт Эйнштейн стал обладателем Нобелевской премии, которая, согласно официальной формулировке, была вручена «за заслуги перед теоретической физикой и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта».

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

Примеры и разбор решения заданий

1. Монохроматический свет с длиной волны λ падает на поверхность металла, вызывая фотоэффект. Фотоэлектроны тормозятся электрическим полем. Как изменятся работа выхода электронов с поверхности металла и запирающее напряжение, если уменьшить длину волны падающего света?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Работа выхода — это характеристика металла, следовательно, работа выхода не изменится при изменении длины волны падающего света.

Запирающее напряжение — это такое минимальное напряжение, при котором фотоэлектроны перестают вылетать из металла. Оно определяется из уравнения:

Следовательно, при уменьшении длины волны падающего света, запирающее напряжение увеличивается.

2. Красная граница фотоэффекта для вещества фотокатода λ₀ = 290 нм. При облучении катода светом с длиной волны λ фототок прекращается при напряжении между анодом и катодом U = 1,5 В. Определите длину волны λ.

Запишем уравнение для фотоэффекта через длину волны:

Условие связи красной границы фотоэффекта и работы выхода:

Запишем выражение для запирающего напряжения – условие равенства максимальной кинетической энергии электрона и изменения его потенциальной энергии при перемещении в электростатическом поле:

Решая систему уравнений (1), (2), (3), получаем формулу для вычисления длины волны λ:

Подставляя численные значения, получаем: λ ≈ 215 нм.

Урок физики по теме «Фотоэффект»

Разделы: Физика

Цели урока:

Вид урока: изучение нового материала.

Тип урока: комбинированный

Оборудование: компьютеры, мультимедийный проектор, электронные издания “Физика,7-11” (Физикон); “Уроки физики в 11 классе” (Кирилл и Мефодий) Информационные объекты. Анимация: СD «Открытая физика 2.6 Часть 2», раздел Квантовая физика “Фотоэффект”

Компьютерная презентация “ Фотоэффект ”: краткие биографии ученых – М. Планк, А. Г. Столетов, А. Эйнштейн, основные схемы, термины, понятия и формулы темы.– СД “Физика 7-11 класс” (разработаны компаниями “Кирилл и Мефодий”, “Нью Медиа Дженерейшн” и “Дрофа”)

Наглядные пособия: презентация, сопровождающая различные этапы урока.

Ход урока

I. Организационный момент.

– Тема сегодняшнего урока “Фотоэффект”.

При рассмотрении этой интересной темы мы продолжаем изучать раздел “Квантовая физика”, постараемся выяснить какое действие оказывает свет на вещество и от чего зависит это действие. Но сначала мы повторим материал, пройденный на прошлом уроке, без которого сложно разобраться в тонкостях фотоэффекта. На прошлом уроке мы рассмотрели гипотезу Планка.

II. Актуализация знаний.

Повторение по пройденной теме “Квантовая физика”.

Давайте ответим на следующие вопросы.

1. С какими трудностями столкнулась теория теплового излучения?
2. Кто указал путь выхода из этих трудностей?
3. В чем суть гипотезы Макса Планка?
4. От чего зависит энергия кванта излучения и чему она равна?
5. Чему равна постоянная Планка?

III. Изучение нового материала

1. 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 (1897 г., Дж. Томсон), и стало ясно, что фотоэффект (или точнее – внешний фотоэффект) состоит в вырывании электронов из вещества под действием падающего на него света.

Согласно гипотезе М. Планка, электромагнитная волна состоит из отдельных фотонов и излучение происходит прерывно – квантами, фотонами. Таким образом и поглощение света должно происходить также прерывно – фотоны передают свою энергию атомам и молекулам вещества целиком.

Одним из подтверждений правильности квантовой теории было объяснение Альбертом Эйнштейном явления фотоэффекта. (Слайд 4) (показывается видеофильм из ППС“Физика 7-11 класс” (разработаны компаниями “Кирилл и Мефодий”, “Нью Медиа Дженерейшн” и “Дрофа” – Фотоэффект )

3. Вопросы к классу по демонстрациям:

Пластинка из какого металла использована в опыте?

Что происходило с цинковой пластинкой, заряженной отрицательно, при облучении ее ультрафиолетовым светом?

Наблюдалось ли подобное явление при облучении пластины ультрафиолетовым светом, проходящим через стекло?

Наблюдалось ли явление, когда пластинка была заряжена положительно?

Как называется явление, которое вы пронаблюдали?

Откройте рабочие тетради, запишите тему урока и запишите формулировку явления фотоэффекта.

4. Исследование фотоэффекта.

Первые опыты по фотоэффекту были начаты Столетовым уже в феврале 1888 года.

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 ?. При неизменном световом потоке снималась зависимость силы фототока I от приложенного напряжения.

Далее при объяснении нового материала используем программу «Открытая физика 2.6 Часть 2», раздел “Квантовая физика , “ фотоэффект” ”.

5. Самостоятельная работа с компьютером .

На экране дисплея высвечивается модель с заданными параметрами:

Длина волны = 540 нм, мощность излучения P = 0,5 мВт , задерживающее напряжениеU0= 1,5 В. Сделаны расчеты значений энергии фотона зеленого света hv = 2,3 эВ и фототока I = 0,402 мА.

Используя возможности модели, меняем параметры, наблюдая, что происходит. Для того, чтобы сделать определенные выводы не стоит одновременно изменять все параметры. Чтобы провести сравнительный анализ происходящих изменений, необходимо зафиксировать первоначальные параметры, вернувшись к первоначальным данным модели.

Выполните задания

E = h – энергия фотона;

– уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

mv 2 /2 = eU₀ – максимальное значение кинетической энергии фотоэлектрона;

– минимальная частота света, при которой возможен фотоэффект ;

V max = hc/ Aвых – максимальная частота света, при которой возможен фотоэффект .

Беседа с уточнением терминов и понятий.

1. Явление испускания электронов веществом под действием света, называется…
2. Число электронов, вырываемых светом с поверхности вещества за 1с, прямо пропорционально…
3. Кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с … и не зависит от …
4. Для каждого вещества существует наименьшая частота света, при которой еще возможен фотоэффект. Эта частота называется…
5. Работа, которую нужно совершить для вырывания электронов с поверхности вещества, называется…(Слайд 16)
6. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта (формулировка)… (Слайд 17)

IV. Закрепление и обобщение знаний.

Используя выписанные вами формулы, решите задачи.

Задача 1. Какова наименьшая частота света, при которой еще наблюдается фотоэффект, если работа выхода электрона из металла 3,3*10 -19 Дж?

Задача 2.Определите максимальную скорость фотоэлектронов, если фототок прекращается при задерживающей разности потенциалов 1В (заряд электрона – 1,6*10 -19 Кл; масса электрона -9,1*10 -31 кг)

V. Рефлексия.

VI. Домашнее задание.

Учебник Физика 11 под ред. Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев. § 88-88 Упр. 12 № 6.

Фотоэффект
план-конспект урока по физике (11 класс) на тему

Скачать:

Предварительный просмотр:

Урок по физике в 11 классе

Разработала и провела: учитель физики Голоунина В. В., 1 квалификационная категория.

«Радость видеть и понимать – есть самый прекрасный дар природы»

• Показать, что законы фотоэффекта являются следствием уравнения Эйнштейна.
• Сформулировать у учащихся знания уравнения Эйнштейна в применении для красной границы фотоэффекта.
• Сформулировать физический смысл понятий: квант, фотон, красная граница фотоэффекта.
• Научиться пользоваться уравнением Эйнштейна при решении задач, при этом развивать сообразительность и вычислительные навыки.
• Раскрыть значение этапов цикла познания природы и убедится в не уничтожимости материи и движения.
• Показать диалектический характер физического познания.
• Учить анализировать и делать выводы.
• Учить культуре письма.

• Опорный конспект-таблица.
• Карточки с задачами-3 уровня сложности.
• Конверт «Проверь себя»
• Контракт.
• Учебник, тетрадь.

— условия игры, установка класса на игру

— Сегодня у нас немного необычный урок, деловая игра «урок-контракт». Этим уроком хочется показать и узнать вашу готовность к жизни через 4 месяца вы заканчиваете школу, и перед вами широкая дорога в большую жизнь. Она бывает, жестока, страшна, серьезна и необъяснима. И главное что вам нужно для решения всех проблем — это способность правильно оценить свои возможности, свои знания и умения, свою компетентность в решении той или иной проблемы. Необходимо научится составлять договоры-контракты с представителями организаций, фирм, объединений. Необходимо строго соблюдать условия контракта в дальнейшей работе. И сегодня я предлагаю такой договор-контракт при изучении нового материала по теме «Теория фотоэффекта». Договоры-контракты у вас на столе. Прошу внимательно прочитайте контракт и ручкой внесите свою фамилию, оценку и подпись. После чего я соберу контракты и составлю протокол.

2) Объяснение нового материала:

Тема нашего урока: «Теория фотоэффекта»

Целью нашего урока — решить проблему количественной зависимости законов фотоэффекта, т.е объяснить из чего складывается энергия одного фотона.

Объяснение основных законов фотоэффекта было дано А.Эйнштейном в 1905 году. Гипотезу М.Планка об излучении и поглощении света атомами в виде отдельных порций-квантов-с энергией, пропорциональной частоте света E=h·v . Эйнштейн дополнил предположением о дискретности, локализации этих квантов в пространстве. Явлением фотоэффекта экспериментально доказано, что свет имеет прерывистую структуру. Излученная порция световой энергии E=h ·v сохраняет свою индивидуальность и поглощается веществом только вся целиком. На основании закона сохранения энергии. Свет-это поток особых частиц фотонов. Энергия каждого фотона определяется формулой E=h·v, h=6,63· 10-34 Дж· с . На основе представлений о фотоне как частице, явление фотоэффекта получает простое объяснение. Поглощая один фотон, электрон внутри фотокатода увеличивает свою энергию на значение энергии фотона h·v.

При условии h∙v>A B электрон может покинуть фотокатод. Если на пути к поверхности фотокатода этот электрон не растратит часть полученной от фотона энергии во взаимодействиях с электронами других атомов, то он выйдет из фотокатода с кинетической энергией: E k =h∙v -A B , то энергия фотона определяется уравнение Эйнштейна:

А В- работа которую нужно совершить для извлечения электрона из металла.

mV 2 /2-кинетическая энергия электрона.

Энергия одного фотона тратится на работу по выходу электрона из вещества и придания ему кинетической энергии.

Это уравнение объясняет законы фотоэффекта:

1)Интенсивность света пропорциональна числу квантов энергии в световом пучке и поэтому определяет число электронов, выраженных из металла.

2)Скорость электронов зависит от частоты света и работы выхода, зависящей от рода металла и составления его поверхности.