Б.А.БОБЫРЕВ,
ГОУ Областной педагогический лицей,
г. Таганрог, Ростовская обл.

Теория фотоэффекта

Урок-исследование с компьютерной поддержкой, урок объяснения нового материала. 10-й класс

О, сколько нам открытий чудных
Готовят просвещенья дух
И опыт, сын ошибок трудных,
И гений, парадоксов друг,
И случай, бог изобретатель.

А.С.Пушкин

Задачи урока: исследование понятия фотоэффекта; овладение методами научного исследования (проверка законов фотоэффекта с использованием мультимедийного диска «1С: Образовательная коллекция»*, «Открытая физика 1.1» под ред. проф. МФТИ С.М.Козела);  развитие функции общения как условия обеспечения взаимопонимания, побуждения к действию, ощущения эмоционального удовлетворения.

Ход урока

1. Организационный этап (5 мин)

Учитель. Известно, что физика – наука о природе. У природы есть свой язык, и мы должны его понимать. 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?

Учащиеся. 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.

Учитель. Александр Григорьевич Столетов (на экран выводится его портрет) установил основные законы фотоэффекта. Преждевременная смерть не позволила ему довести исследование до конца и установить, что именно является носителем фототока.

Сегодня мы проведём с вами не совсем обычный урок, а урок-исследование из цикла «Следствие ведут знатоки». В ходе проведённого нами исследования, точнее, расследования, нам с вами предстоит выяснить, что такое фотоэффект, как его объяснить и каково практическое применение этого явления. В ходе урока нам предстоит перемещаться в пространстве и времени, мы побываем в разных странах, познакомимся с выдающимися физиками, которые помогут нам разобраться во всех вопросах. Эпиграфом к уроку нам послужат слова А.С.Пушкина (читаем эпиграф).

Действующие лица нашего путешествия: операторы машины времени, группа историков, группа аналитиков, задача которых, собирая факты, постараться объяснить их и помочь сделать вывод о сути явления фотоэффекта, группа инженерной поддержки, которая поможет нам найти практическое применение данного явления, и, наконец, всемирно известные знатоки.

Знаток 1. К нам обратилась группа учащихся нашего лицея с просьбой о помощи. У них просто катастрофическая обстановка с оценками по теме «Фотоэффект». Практически весь класс получает двойки, ситуация вот-вот выйдет из-под контроля!

Знаток 2. И чем мы сможем им помочь? Я, честно говоря, и сам плохо понимаю, что это за фотоэффект. Думаю, нам не стоит браться за это дело. Пусть сами решают свои проблемы.

Знаток 1. Спокойно, Ватсон, без паники. Я думаю, что к концу нашего расследования вы сможете воскликнуть: «Это элементарно, Холмс!» Давайте выясним, какими фактами мы располагаем. Вспомним, когда мир впервые услышал о фотоэффекте.

Историк 1. Впервые явление фотоэффекта было обнаружено Г.Герцем в 1887 г. Генрих Герц (1857–1894) – немецкий физик, впервые экспериментально доказавший в 1886 г. существование электромагнитных волн. Установил тождественность основных свойств электромагнитных и световых волн. Подробно исследовал отражение, интерференцию, дифракцию и поляризацию электромагнитных волн.

Аналитик 1 (демонстрирует видеофрагмент «Явление фотоэффекта»). Фотоэффектом называют вырывание электронов из вещества под действием света. Для обнаружения фотоэффекта можно использовать электрометр с присоединённой к нему цинковой пластиной. Если зарядить пластину положительно, то освещённость пластины не влияет на быстроту разрядки электрометра. Но если пластину зарядить отрицательно, то в световом пучке от дуги электрометр разряжается очень быстро. Объяснить это можно следующим образом: свет вырывает электроны с поверхности пластины. Если она заряжена отрицательно, электроны отталкиваются от неё, и электрометр разряжается. При положительном же заряде пластины вырванные светом электроны притягиваются к пластине и снова оседают на ней, заряд электрометра не изменяется. Если на пути света поставить обыкновенное стекло, отрицательно заряженная пластина уже не теряет электроны.

Знаток 2. И что тут непонятного? По-моему, это элементарно, Холмс. Фотоэффект – это явление вылета электронов с поверхности металла под действием света. Можно заканчивать расследование.

Знаток 1. Не торопитесь, коллега. Мы только в начале пути. Господин Герц только зафиксировал и описал явление фотоэффекта. Но более детально его изучил выдающийся русский физик А.Г.Столетов. Предлагаю перенестись в Россию XIX века и посмотреть, что происходило в лаборатории…

Историк 2. Александр Григорьевич Столетов (1839–1896) – русский физик. Исследование фотоэффекта принесло ему мировую известность. Столетов показал возможность применения фотоэффекта на практике.

Аналитик 2. Рассмотрим схему опытов Столетова. В вакуумную трубку помещают исследуемую пластину, служащую катодом, и вспомогательный электрод, служащий анодом. Электроды через потенциометр подключены к источнику напряжения. Если пластину не освещать, ток в цепи отсутствует, т.к. вакуумный промежуток между катодом и анодом тока не проводит. Если же исследуемую пластину осветить через окно, то свет будет вырывать из пластины электроны. Под действием электрического поля фотоэлектроны движутся к аноду, замыкая цепь. Гальванометр покажет наличие тока. С помощью потенциометра можно изменять значение и знак анодного напряжения. В результате многочисленных тщательно поставленных опытов Столетов установил законы фотоэффекта:

– первый закон: общее число фотоэлектронов <...>

– второй закон: максимальная скорость фотоэлектронов <...>

Аналитик 3 (объясняет с помощью мультимедийного диска). Начальные данные:  = 530 нм, P = 0,3 мВт, U = 1,5 В. Не меняя интенсивности излучения, увеличиваем напряжение между электродами. Замечаем, что сила тока растёт. При напряжении 2,8 В она достигает максимального значения 0,298 мА, после чего перестаёт увеличиваться. Ток достигает насыщения. Увеличиваем интенсивность, и сила фототока насыщения при заданном напряжении увеличивается.

Аналитик 2. Третий закон: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта <...> При  < _min ( > _max) фотоэффекта быть не может.

Знаток 2. Я согласен, новые факты немного усложнили понимание, но я бы не сказал, что это очень сложно. (Повторяет законы фотоэффекта.)

Знаток 1. Ну что же, коллега, вы правильно уяснили и схему опытов, и законы фотоэффекта. Но давайте не будем забывать, что кроме простого изложения фактов нас с вами должно интересовать и их научное объяснение. То есть для нас с вами главный вопрос «Почему?»

Знаток 2. Это элементарно, сейчас я вам объясню. Помните, в ходе одного из наших расследований мы выяснили с вами, что такое свет? И вы убедили меня в том, что свет – это электромагнитная волна. Теперь я постараюсь применить полученные знания для объяснения данного явления.

Согласно волновой теории, свет, представляющий собой электромагнитные волны, приводит электроны, находящиеся вблизи поверхности металла, в колебательное движение с амплитудой, зависящей от напряжённости поля, а следовательно, от интенсивности падающего света. В результате электрон приобретает кинетическую энергию, достаточную для преодоления силы притяжения положительными ионами, и вылетает из металла. Чем больше интенсивность падающего света, тем больше электронов получают достаточную энергию и тем больше будет ток насыщения. Это объясняет первый закон фотоэффекта.

Аналитик 3.  = 530 нм, U = 0 В, I = 0,018 мА – часть вырываемых светом электронов достигает левого электрода. Изменяем полярность батареи – сила тока уменьшается и при U = –0,5 В становится равной нулю. Это означает, что электрическое поле тормозит вырванные электроны до полной остановки, а затем возвращает их на катод.

Изменяем интенсивность света – задерживающее напряжение не меняется, следовательно, не меняется кинетическая энергия фотоэлектронов, следовательно, не меняется и скорость фотоэлектронов. Изменяем частоту света (уменьшаем длину волны, т.е. увеличиваем частоту падающего света) – задерживающее напряжение нужно увеличить, следовательно, кинетическая энергия увеличивается. Значит, максимальная скорость фотоэлектронов зависит от частоты (линейно возрастает) и не зависит от освещённости катода.

Знаток 1. Замечательно! Вы только что блестяще продемонстрировали умение применять знания в новой ситуации. Но есть одно маленькое «но»... Как вы объясните существование красной границы фотоэффекта и независимость кинетической энергии электронов от интенсивности падающего света?

Знаток 2. М-да... Что-то не получается. Я не понимаю…

Знаток 1. Позвольте я помогу. У нас запланирована встреча с выдающимся физиком. Нас ждёт сам А.Эйнштейн.

Историк 3. Альберт Эйнштейн (1879–1955) – великий физик ХХ века. Им создано новое учение о пространстве и времени – специальная теория относительности. Он впервые ввёл представление о частицах света – фотонах.

Аналитик 3. Чтобы объяснить загадочные закономерности фотоэффекта, Эйнштейн использовал гипотезу Планка, говорящую о том, что электромагнитное излучение представляет собой не непрерывную волну, а поток отдельных частиц – квантов. Он предположил, что явление фотоэффекта является подтверждением дискретности света. Это дало возможность объяснить законы фотоэффекта. Энергия кванта, падающего на вещество, расходуется на работу вырывания электрона из вещества и на сообщение электрону кинетической энергии. Граничная длина волны, падающего света, при котором возникает фотоэффект, называется красной границей фотоэффекта.

Пусть длина волны падающего света 600 нм. Увеличиваем длину волны и замечаем, что при  = 623 нм фототок есть, а при  = 624 нм он прекращается и при бльших длинах волн уже не возникает. Эта длина волны является красной границей фотоэффекта.

Историк 4. При распространении света проявляются его волновые свойства, а при взаимодействии с веществом – корпускулярные. Волновые и квантовые свойства света не исключают, а взаимно дополняют друг друга. Они выражают истинные закономерности распространения света и взаимодействия его с веществом.

4. Решение задач

(Раздаются листочки с условиями задач.)

1. Красная граница фотоэффекта у лития 520 нм. Какова должна быть разность потенциалов, чтобы полностью затормозить электроны, испускаемые литием под действием ультрафиолетовых лучей длиной волны 200 нм?

2. В опыте по фотоэффекту на пластину падает свет длиной волны 420 нм. Фототок прекращается при задерживающей разности потенциалов 0,95 В. Определите работу выхода электрона с поверхности пластины.

3. Определите постоянную Планка, если фотоэлектроны, вырываемые с поверхности некоторого металла светом частотой 1,2 · 10¹⁵ Гц, задерживаются разностью потенциалов 3,1 В, а вырываемые светом длиной волны 125 нм – разностью потенциалов 8,1 В.

5. Закрепление материала

Учитель. В стихотворении А.С.Пушкина читаем: «…гений, парадоксов друг». Знаете ли вы, что такое парадокс? Парадокс – это неожиданное явление, не отвечающее обычным представлениям. В чём состоит парадокс фотоэффекта?

Учащийся. Парадокс фотоэффекта состоит в том, что при увеличении мощности потока падающего света заданной длины волны скорость фотоэлектронов не увеличивается, а свет, имеющий длину волны меньше порогового значения, вообще не может выбить из металла электрон независимо от мощности светового потока.

6. Применение фотоэффекта

(Доклад ученика «Применение явления фотоэффекта в множительной технике».)

7. Подведение итогов

______________________________

*По-видимому, имеется в виду CD «1С: Образование. Физика. Библиотека наглядных пособий. 7–11 кл. (М.: Дрофа – ЗАО ИПКЦ «Формоза-Альтаир», Пермский ГТУ).