ПЛАН-КОНСПЕКТ УРОКА НА ТЕМУ «ФОТОЭФФЕКТ. УРАВНЕНИЕ

119 
 
которой  можно  будет  объяснить  ряд  явлений,  наблюдаемых  при  взаимодействии  света  с 
веществом. Одним из таких явлений является фотоэффект. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
II
. Актуализация знаний учеников 
     
К концу XIX в. не только теоретический, но и практический интерес приобрела проблема 
распределения  энергии  в  спектре  теплового  излучения.  Многие  ученые  искали 
универсальную  формулу  для  спектральной  функции  абсолютно  черного  тела,  которая 
объединила бы теоретические расчеты с экспериментальными данными.  
     
Эту  формулу  распределения  энергии  в  спектре  излучения,  соответствующую 
эксперименту сумел получить М. Планк. 
       
Ответим на следующие вопросы (беседа). 
1 
С какими трудностями столкнулась 
теория теплового излучения? 
 
     
При изучении спектра испускания абсолютно 
черного  тела,  т.е.  тела,  которое  поглощает  все 
падающие  на  него  излучения  любой  частоты, 
физика  не  смогла  в  рамках  электромагнитной 
теории  объяснить  распределение  энергии  по 
длинам волн. 
2 
Докажите, что излучение абсолютно 
черного тела нельзя объяснить с 
точки зрения классической физики. 
 
      
Согласно  классической  электромагнитной 
теории,  энергия  любого  излучения  передается 
непрерывно, 
так 
же, 
как 
непрерывно 
распространяется  сама  электромагнитная  волна, 
которая  может  иметь  любую  частоту  и  в 
соответствии  этим  переносить  любую  энергию. 
Следовательно,  энергия  излучения  нагретого 
тела,  соответствующая  различным  частотам, 
должна возрастать  с увеличением частоты. Это 
означает,  например,  что  в  области  больших 
частот  должно  быть  много  ультрафиолетовых 
лучей.  Однако  опыты  показывали,  что  энергия 
излучения  вначале  действительно  растет  с 
увеличением  частоты,  но,  пройдя  через 
максимум,  начинает  уменьшаться,  стремясь  к 
нулю при высоких частотах. 

120 
 
3 
Какова причина «ультрафиолетовой 
катастрофы»? 
 
    
Теоретические  расчеты  согласуются  с 
экспериментальными данными только в области 
достаточно малых частот и больших температур. 
В области больших частот или малых длин волн, 
т.е.  в  ультрафиолетовой  части  спектра  теория 
резко  расходится  с  экспериментом.    Согласно 
теории  (кривая  Рэлея)    в  тепловом  излучении 
должно  быть  много  ультрафиолетовых    лучей, 
чего  на  опыте    (экспериментальная  кривая)  не 
наблюдалось.    Различие  между  теорией  и 
опытом было значительно, что его назвали  
«ультрафиолетовой катастрофой». 
4 
Кто указал путь выхода из этих 
трудностей? 
 
      
Эта задача была успешно решена  немецким 
физиком  М.  Планком  на  основе  новой  идеи, 
чуждой классической физике. Им в 1900г. была 
предложена 
смелая 
гипотеза, 
которая 
противоречит  одному  из  канонов  классической 
теории, 
утверждающей 
непрерывность 
излучения. 
5 
В чем суть гипотезы Макса Планка?  
 
     
М.Планку    ввел  представление  о  квантовой 
природе  излучения.  Он  предположил,  что 
излучение  света  веществом  происходит  не 
непрерывно,  а  дискретно,  определенными 
порциями– квантами.  
 
6 
От чего зависит энергия кванта 
излучения и чему она равна? 
 
     
Величина  квантов  энергии  определяется 
формулой Планка:  
           
ν
ε
⋅
= h
 
энергия  кванта  прямо пропорциональна  частоте 
излучения. 
7   
Чему равна постоянная Планка? 
 
    
h
 – 
так  называемая постоянная  Планка 
(
34
10
626
,
6
−
⋅
=
h
Дж·с).  
8 
Какую роль сыграла гипотеза Планка 
в развитии физики 
 
     
Гипотеза  Планка  сыграла  исключительную 
роль  в  становлении  и  развитии  нового 
направления  физики,  которое  принято  теперь 
называть квантовой теорией.       
 
 
III
. Изучение нового материала 
      
Учитель.  Мы  с  вами  знаем,  что  существует  две  теории  света:  волновая  и 
корпускулярная.  До  сегодняшнего  дня  мы  с  вами  рассматривали  и  изучали  явления, 
подтверждающие именно волновую теорию света, т.е. его волновые свойства. Но как уже не 
раз  было  сказано,  существуют  явления,  которые  подтверждают  и  корпускулярную  теорию 
света,  т.е.  поведение  света,  как  потока  частиц.    Одним  из  таких  явлений  является        
фотоэффект.       
      
Явление  фотоэлектрического  эффекта   было  открыто  в  1887 г.  немецким  физиком  
Г. Герцем  и в 1888-1890 гг. экспериментально исследовано А. Г. Столетовым.         

121 
 
     
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. 
     
Для того чтобы получить более полное представление о фотоэффекте, нужно  выяснить, 
от  чего  зависит  число  вырванных  светом  с  поверхности  вещества  электронов 
(фотоэлектронов) и чем определяется их скорость.  
     
Рассмотрим  схему  экспериментальной  установки,  на  котором  А. Г. Столетов  проводил 
свои  исследования фотоэффекта с катодами из разных металлов. 
Схема установки:   
- 
берется  стеклянный  вакуумный  баллон  с  двумя 
металлическими электродами; 
- 
внутрь  баллона  через  кварцевое  "окошко" 
прозрачное  для  ультрафиолетового  излучения, 
поступает свет на катод K;  
- 
напряжение,  подаваемое  на  электроды,  можно 
изменять  с  помощью  потенциометра  и  измерять 
вольтметром 
V
: 
- 
под  действием  света  катод  испускал  электроны, 
которые замыкали цепь между электродами; 
- 
амперметр фиксировал наличие тока в цепи. 
 
     
   
Работа с ЦОР №  2747.   Учащиеся знакомятся с экспериментальной установкой и 
выполняют задание демонстрационного опыта и отвечают на вопросы. 
      
      
      
Порядок  выполнения.  В  стеклянном  баллоне  находятся  два  металлических  электрода: 
катод  и  анод.  На  поверхность  катода  через  кварцевое  окошко  падает  световое  излучение. 
Переключатель  находится  в  верхнем  положении.  Гальванометр  ток  не  показывает.  Если 
отпустим  переключатель  в  нижнее  положение,  то    в  цепи  появится  электрический  ток. 
Гальванометр показывает ток.  

122 
 
     
Задание  1.
 
Изменяя  напряжение,  рассмотрите  получающуюся  вольтамперную 
характеристику
. 
     
Вопрос. Наблюдается ли ток при напряжении 
?
0
=
U
 
     
Ответ.  Сила  фототока  отлична  от  нуля  и  при  нулевом  напряжении,  часть  электронов 
достигают анода. 
     
Вопрос. Что происходит с силой тока при дальнейшем увеличении напряжения? 
     
Ответ. Если увеличивать напряжение, то ток также увеличится и при некотором значении 
напряжения фототок достигнет максимального значения. 
     
Вопрос.  Что происходит при смене полярности? 
     
Ответ.  Если  поменять  полярность  батареи,  то  сила  тока  уменьшится  и  при  некотором 
напряжении 
3
U   
она станет равной нулю. 
 
     
Учитель. Экспериментальными исследованиями было подтверждено, что при облучении 
металлических пластин с их поверхности вырываются электроны. Для того чтобы электрон 
покинул,  металл  он  должен  поглотить  квант  энергии.  Приобретая  энергию,  электрон 
получает возможность вырваться с поверхности металла, совершив определенную работу.  
 
     
В      анимации  ЦОР  2747    при  облучении  светом  медной  пластины,  можно  наблюдать 
явление фотоэффекта.   
      
Учащиеся  выполняют  демонстрационный  опыт,  изменяя  значение  световой  энергии, 
падающей на медную пластину, делают выводы. 
                 
   
 
 
     
При  поглощении  фотона  энергия 
ν
ε
h
=
 
передается  свободному  электрону.  Она 
расходуется  на  освобождение  электрона  из  металла  –  на  работу  выхода  и  сообщение  ей 
кинетической энергии. При этом энергия фотона передается электрону целиком, а сам фотон 
перестает существовать. 
     
Работа выхода – это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он 
покинул металл. Работа выхода 
A
  
зависит от рода вещества,  для меди − 4,7 эВ. 
 
      
Наблюдение  (учащийся).  Когда  значение  энергии  меньше  энергии,  достаточной  для 
совершения  работы  выхода,  то  электроны  не  могут  покинуть  поверхность  металла.  Когда 
энергия  равна  или  выше  4,7  эВ    можно  наблюдать,  как  с  поверхности  металла  вылетают 
электроны. 
 
     
Учитель.  На  экспериментальной  установке  можно  получить    график  зависимости  силы 
фототока от напряжения между электродами 
)
(U
I
I
=
 

123 
 
 
                  
 
 
    
Законы  фотоэффекта.  На  основе  своих  исследований  А.  Г.  Столетов  сформулировал 
законы фотоэффекта, получившие название законы  Столетова. 
    
Первый  закон.    Фототок  насыщения  пропорционален  световому  потоку,  падающему  на 
металл: 
                                                             
,
~
Ф
k
I
фн
⋅
 
где 
−
k
коэффициент  пропорциональности  (чувствительность  метала  к  фотоэффекту), 
−
Ф
световой поток. 

124 
 
     
Следовательно,  число  фотоэлектронов,  выбиваемых  светом  из  вещества  за 1 с,  прямо 
пропорционально интенсивности падающего на него света. 
 
    
Второй закон. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с 
увеличением частоты света ν  и не зависит от его интенсивности. 
                                                               
   
Третий  закон.  Для  каждого  вещества  существует  " красная  граница"  фотоэффекта,  т. е. 
наименьшая  частота 
min
ν   (зависящая  от  химической  природы  вещества  и  состояния  ее 
поверхности) при которой еще возможен внешний фотоэффект.         
                                                               
h
А
кр
=
ν
 
     
Четвертый  закон.  Фотоэффект  практически  безынерционен,  фототок  возникает 
мгновенно после начала освещения катода при условии, что частота света 
min
ν
ν
>
.  
     
Полученные экспериментальным путем законы фотоэффекта ученые не смогли объяснить 
с помощью волновой теории света. 
      
Согласно этой теории под действием света в металле возникают вынужденные колебания 
электронов. В результате кинетическая энергия электрона может оказаться достаточной для 
преодоления сил притяжения и выхода из металла. Кинетическая энергия электрона должна 
зависеть от интенсивности падающего света, так с ее  увеличением электрону передавалась 
бы большая энергия.  
     
Этот вывод противоречит второму закону фотоэффекта. 
     
Согласно волновой теории свет достаточной интенсивности должен вырывать
 
электроны 
из металла независимо от частоты излучения, т.е. красной границы фотоэффекта не должно 
быть. 
     
Этот вывод противоречит третьему  закону фотоэффекта. 
 
     
Теория  фотоэффекта.  Уравнение    Эйнштейна.  Только  в  1905  г.  для  объяснения  
фотоэффекта А. Эйнштейн использовал квантовые представления о свете, введенные в 1900 
г.  Планком, и применил их поглощению света веществом. 
     
В  экспериментальных  законах  фотоэффекта  Эйнштейн  увидел  убедительное 
доказательство  того,  что свет  имеет  прерывистую  (дискретную)  структуру,  что  световая 
волна состоит из отдельных порций – квантов, впоследствии названных фотонами.  
     
Фотон − это элементарная частица, обладающая энергией 
ν
ε
h
=
 
     
При  взаимодействии  с  веществом  фотон  целиком  передает  всю  свою 
энергию  ν
⋅
h
 
одному  электрону.    При  этом  часть  энергии  фотона  тратится  на  совершение 
работы   
B
A
,  зависящую  от  свойств  материала  катода,  а  остальная  часть  переходит  в 
кинетическую энергию фотоэлектрона. На основании закона сохранения энергии: 
           
2
2
υ
ν
m
A
h
B
+
=
   
−  уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.  
     
Фотон движется в вакууме со скоростью  c . Фотон не имеет массы покоя, m = 0. 
 
            
Объяснение  законов фотоэффекта на основе квантовой теории 
     
Первый закон фотоэффекта. 
     
Интенсивность  света  прямо  пропорциональна  числу  фотонов 
Ô
N
,  энергия  каждого  из 
них ν
h
.  Каждый фотон поглощается только одним электроном.  Поэтому число вырванных 
светом фотоэлектронов 
e
N
, а, стало быть, и фототок насыщения
Í
I  
пропорциональны числу 
фотонов   
Ô
N
,  т.е. интенсивности света. 
 
     
Второй  закон фотоэффекта.  Кинетическая энергия  фотоэлектрона зависит от частоты 
света:  

125 
 
                                                       





 −
=
=
h
A
h
m
E
âûõ
e
k
ν
υ
2
2
 
     
Кинетическая  энергия  всегда  положительна.  Это  значит,  что  фотоэффект  будет 
наблюдаться для частот  
                                                                   
h
A
âûõ
≥
ν
 
   
Третий  закон  фотоэффекта.  Предельная  частота 
min
ν
определяет  красную  границу 
фотоэффекта, ниже которой фотоэффект невозможен. 
                                                                      
h
A
âûõ
≥
ν
 
 
 
   
Практическое применение фотоэффекта: 
 - 
вакуумные фотоэлементы используются в турникетах метро; 
- 
в системах защитной и аварийной сигнализации; 
- 
для автоматического включения и отключения уличного освещения; 
- 
для считывания светового сигнала с озвученной кинопленки. 
 
IV
. Закрепление знаний 
     
Решение задачи у доски. 
     
Задача 1. 
1.
 
Фотокатод  облучают  светом,  длина  волны  которого 
300
=
λ
нм.  Красная  граница 
фотоэффекта  для  вещества  фотокатода 
400
0
=
λ
нм.  Какое  напряжение 
U
нужно 
приложить между анодом и катодом, чтобы фототок прекратился. 
     
Дано: 
300
=
λ
нм,  
400
0
=
λ
нм,  
34
10
63
,
6
−
⋅
=
h
Дж с,     
8
10
3
⋅
=
c
м/с,     
19
10
6
,
1
−
⋅
=
e
Кл 
__________ 
?
=
U
 
      
Решение:   
      
Уравнение Эйнштейна для красной границы фотоэффекта позволяет определить работу 
выхода  
                                                                     
0
0
λ
ν
c
h
h
A
=
=
 
     
То же уравнение позволяет определить кинетическую энергию электрона для облучения 
светом с 
300
=
λ
нм.  
A
c
h
A
h
m
−
=
−
=
λ
ν
υ
2
2
, 
     
Учитывая  условие  прекращения  фототока   
2
2
υ
m
eU
=
,  получаем    выражение  для 
запирающего напряжения и его численное значение 

126 
 
(
)
Â
e
hc
U
03
,
1
250
,
0
333
,
0
43
,
12
4
1
3
1
10
10
43
,
12
10
400
1
10
300
1
10
6
,
1
10
3
10
63
,
6
1
1
7
7
9
9
19
8
34
0
=
−
=





 −
⋅
⋅
=
=






⋅
−
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
=






−
=
−
−
−
−
−
λ
λ
             
Ответ: 1,03 В. 
 
     
Самостоятельная работа учащихся по выполнению заданий ЦОР №  2747.   
Выявить  качество усвоения учащимися знаний и  определить недостатки в усвоении нового 
материала. 
                                         
 
 
Обобщение и выводы 
-  
Открытие  фотоэффекта  и  объяснение  его  с  точки  зрения  квантовых  свойств  света  – 
произвело  революцию  в  физике  и  привело  к  возникновению  квантовой  физики,  которая 
смогла объяснить многие, не объяснимые с точки зрения классической физики, явления. 
-  
Фотоэффект  нашел  широкое  практическое  применение  в  схемах  автоматики, 
телемеханики, дал возможность озвучить кино. 
- 
В результате изучения и объяснения фотоэффекта возникло и утвердилось представление о 
корпускулярно-волновом  дуализме,  лежащее  в  основе  современной  физики,  то  есть  свет 
имеет двойственную природу, он имеет как корпускулярные, так и волновые свойства. 
 
Учитель подводит итоги урока, оценивает подготовку и работу на уроке, сообщает домашнее 
задание.  

жүктеу/скачать 9,7 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: