По общеобразовательной дисциплине «Физика» по теме «КВАНТОВАЯ ПРИРОДА СВЕТА. ФОТОЭФФЕКТ»

Краевое государственное бюджетное

профессиональное образовательное учреждение

«Хабаровский колледж отраслевых технологий и сферы обслуживания»

Методическая разработка урока

по общеобразовательной дисциплине «Физика»

по теме «Квантовая природа света. фотоэффект»

2024

Содержание

Методические рекомендации …..................................................2

Цель, задачи и оснащение урока …………………………….….7

Организационная структура урока……………………………..10

Литература ………………………………………………………..17

Приложения……………………………………………………….18

Методические рекомендации

Урок по теме «Квантовая природа света. Фотоэффект» проводится в рамках реализации учебной дисциплины «Физика» c обучающимися среднего профессионального образования.

Представленный в методической разработке урок входит в раздел «Строение атома и квантовая физика». Объем времени на изучение данного раздела составляет 6 академических часов. Раздел включает в себя три темы: «Квантовая природа света. Фотоэффект» – 2 часа, «Строение атома. Строение атомного ядра. Радиоактивность» – 2 часа,  «Решение задач по теме «Строение атома. Строение атомного ядра. Радиоактивность»» – 2 часа.  

Продолжительность урока - 90 минут.

Методика организации и проведения урока включает в себя четыре этапа:

1. этап конструирования урока;

2. этап подготовки урока;

3. этап проведения урока;

4. этап анализа урока.

I этап – конструирование урока:

- постановка цели, определение образовательных, развивающих, воспитательных, методических и здоровьесберегающих задач;

- выбор средств и методов проведения;

- определение формы урока.

II этап – подготовка урока:

со стороны преподавателя:

- подбор материалов, необходимых для реализации урока (составление плана проведения урока, подготовка вопросов для обучающихся, заданий, поиск и набор презентационного материала);

- подготовка места проведения урока (техническое обеспечение, подготовка реквизита);

III этап – проведение урока:

Общий замысел урока соответствует основным критериям технологии проблемного обучения с учётом требований системного, дифференцированного и  личностного  подхода.

Технология проблемного обучения – это система обучения, основанная на получении новых знаний обучающимися посредством разрешения проблемных ситуаций как практического, так и теоретического характера. Она направлена на развитие творческого мышления, навыков командной работы и диалектико-материалистического мышления.

Технология проблемного обучения предполагает определённую последовательность действий:

1. Создание проблемной ситуации

2. Формирование проблемы

3. Индивидуальное или групповое решение проблемы

4. Проверка полученных решений

5. Закрепление и применение вновь приобретённых знаний

Такая последовательность действий закреплена в структуре данного урока:

Актуализация и пробное учебное действие.

На данном этапе занятия студенты воспроизводят ранее изученные знания, устанавливают преемственные связи прежних и новых знаний и применяют их в новых ситуациях. Это достигается с помощью фронтальной беседы с обучающимися и связью вопросов от преподавателя с выданным ранее домашним заданием по теме «Волновая оптика».

Выявление места и причины затруднения.

Здесь используется ситуация конфликта между старыми знаниями и результатами опыта по определению давления света. Преподаватель в ходе беседы по обсуждению результатов опыта выводит обучающихся на мысль о том, что свет может себя вести и как волна, и как поток частиц.

Целеполагание и построение проекта выхода из затруднения.

Понимание несоответствия прежних знаний и результатов опыта является отправной точкой для формулирования обучающимися цели занятия: изучить квантовые свойства света и узнать, где они применяются.

творческая практическая деятельность по реализации построенного проекта.

На этом этапе обучающиеся, работая в подгруппах, ищут выход из проблемной ситуации. Здесь используется кейс-технология: студенты получают тексты с теорией по темам, знакомятся с их содержанием и выбирают пять предложений, наиболее точно отражающих ответы на вопросы к тексту.

Стоит отметить, что во время работы обучающиеся могут использовать информацию из сети Интернет, используя QR-код.

В результате работы с кейсами обучающиеся обсуждают ответы на вопросы, а преподаватель фиксирует результаты на доске. Обобщая новый теоретический материал, преподаватель совместно со студентами приходит к формулировке уравнения Эйнштейна для фотоэффекта.

Для того, чтобы сформулировать законы фотоэффекта, используется интерактивная модель: с ее помощью обучающиеся делают выводы о зависимости фототока от интенсивности излучения, о существовании красной границы фотоэффекта, о зависимости кинетической энергии фотоэлектронов от частоты падающего света.

Данные знания по мере их получения обучающиеся фиксируют в рабочем листе, за правильное заполнение которого будет поставлена отметка.

Первичное закрепление с комментированием во внешней речи.

На данном этапе преподаватель организует работу по подгруппам по решению практико-ориентированных задач по применению фотоэффекта в профессиональной деятельности. Задачи содержат информацию практического характера. Решение этих заданий позволит обучающимся понять, в каких приборах и устройствах, применяемых в их профессиональной деятельности, используется внутренний и внешний фотоэффект.

По истечении 10 минут студенты производят взаимопроверку: обмениваются решениями, анализируют ошибки и выставляют отметки одногруппникам.

Рефлексия учебной деятельности на уроке (итог урока).

На данном этапе преподаватель организует фронтальный опрос студентов по вопросам:

- Я сам….

- Самым трудным было….

- Есть предложение….

Также преподаватель сам анализирует работу в подгруппах, выделяет особо активных студентов, выставляет отметки за работу в аудитории на занятии.

В конце занятия преподаватель выдает домашнее задание (заполнить до конца рабочий лист «Фотоэффект»).

Данная методическая разработка предназначена для преподавателей физики, обучающих студентов технологического профиля.

Цель, задачи и оснащение урока

Организационная структура урока

Литература

Веретельник В.И., Сивов Ю.А., Толмачёва Н.Д., Хоружий В.Д. Банк задач по физике. Томск: Томский политехнический университет, 2006.

Дмитриева В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля : учебник для СПО / В.Ф. Дмитриева – 7-е изд., стер. – Москва : Академия, 2020. – 496 с.

Методика преподавания физики в средней школе: Электродинамика нестационарных явлений. Квантовая физика: Пособие для учителя/А.Т.Глазунов, И.И.Нурминский, А.А.Пинский. Под ред. А.А.Пинского. -М.: Просвещение, 1989.

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

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.

Приложение 1

Кейсы для подгрупп

1 подгруппа

Модели атомов

(пять предложений)

Необходимо ответить на вопросы;

Что из себя представляет атом Томсона и атом Резерфорда? (можно изобразить на доске)

Какие недостатки у этих моделей?

После того, как стало ясно, что атом тоже имеет сложную структуру, как-то по-особенному устроен, необходимо было исследовать само строение атома, объяснить, как он устроен, из чего состоит. И вот ученые приступили к этому изучению.

Модель Томсона

Первые идеи о сложном строении были высказаны Томсоном, который в 1897 году открыл электрон. В 1903 году Томсон впервые предложил модель атома. По теории Томсона, атом представлял собой шар, по всему объему которого «размазан» положительный заряд. А внутри, как плавающие элементы, находились электроны. В целом, по Томсону, атом был электронейтрален, т. е. заряд такого атома был равен 0. Отрицательные заряды электронов компенсировали положительный заряд самого атома. Размер атома составлял приблизительно 10-10м. Модель Томсона получила название «пудинг с изюмом»: сам «пудинг» – это положительно заряженное «тело» атома, а «изюм» – это электроны (рис. 1).

Рис. 1. Модель атома Томсона («пудинг с изюмом»)

Модель Резерфорда

Первый достоверный опыт по определению строения атома удалось провести Э. Резерфорду. На сегодняшний день мы твердо знаем, что атом представляет собой структуру, напоминающую планетную солнечную систему. В центре находится массивное тело, вокруг которого вращаются планеты. Такая модель атома получила название планетарной модели.

Опыт Резерфорда

Рис. 2. Схема опыта Резерфорда

Внутрь свинцового цилиндра с узким отверстием был заложен радий. При помощи диафрагмы создавался узкий пучок a-частиц, которые, пролетая через отверстие диафрагмы, попадали на экран, покрытый специальным составом, при попадании возникала микро-вспышка. Такое свечение при попадании частиц на экран называется «сцинтиляционная вспышка». Такие вспышки наблюдались на поверхности экрана при помощи микроскопа. В дальнейшем до тех пор, пока в схеме не было золотой пластины, все частицы, которые вылетали из цилиндра, попадали в одну точку. Когда же внутрь экрана на пути летящих a-частиц была поставлена очень тонкая пластинка из золота, стали наблюдаться совершенно непонятные вещи. Как только была поставлена золотая пластина, начались отклонения a-частиц. Были замечены частицы, которые отклонялись от своего первоначального прямолинейного движения и уже попадали в совершенно другие точки этого экрана.

Более того, когда экран сделали почти замкнутым, выяснилось, что есть частицы, которые каким-то образом летят в обратную сторону. Они отклоняются под углом 90° и больше. Эти наблюдения были проанализированы Резерфордом, и выяснилась следующая довольно любопытная вещь.

Анализ результатов опыта Резерфорда

В первую очередь здесь потерпела крах теория Томсона. По теории Томсона, атом представляет собой шар размером 10-10м, в котором положительный заряд размазан и есть электрон. Так вот, электроны – это очень маленькие частицы, они не могут препятствовать a-частицам, летящим с приличной скоростью. Скорость a-частиц в данном случае составляла около 10000 км/с.

Представьте себе ситуацию, когда грузовик столкнется с игрушечным автомобилем. Понятно, что грузовик даже не заметит такого автомобиля. Это мы можем привести как аналогию столкновения электрона с a-частицей. Значит, необходимо было сделать вывод, что атом устроен иначе, не так, как утверждал Томсон. И, видимо, в атоме золота есть объект более массивный, чем a-частица, имеющий положительный заряд.

По результатам опытов можно было говорить, что в атоме есть массивный положительно заряженный объект. a-частица, сталкиваясь с этой большой частицей, может отразиться обратно. Те частицы, которые пролетают рядом, отклоняются на разные углы. Чем дальше a-частица пролетает от этого объекта, тем на меньший угол они отклоняются. Такое явление получило название «рассеивание a-частиц».

Крупную частицу, которая находится внутри атома, Резерфорд назвал ядром. И даже оценил его размеры. По оценке Резерфорда, размеры ядра составили 10-14–10-15м. Этот объект был очень и очень мал по своим размерам по сравнению с атомом. Атом имеет размер порядка 10-10м. При этом практически вся масса атома была сосредоточена именно в ядре. И именно вокруг ядра обращаются электроны.

Отсюда следует планетарная модель Резерфорда, которая утверждает, что атом представляет собой массивное положительно заряженное ядро, вокруг которого по своим орбитам обращаются электроны (рис. 4). В целом атом электронейтрален, т. е. заряд атома равен нулю. Если у атома избыток или недостаток электронов, то его называют ион.

Создание Резерфордом планетарной, или ядерной, модели атома было крупным шагом вперед в познании строения атома. Но в некоторых случаях эта теория вступала в противоречие с твердо установленными фактами.

Так планетарная модель не могла объяснить устойчивости атома. Вращаясь вокруг ядра, электрон должен часть своей энергии испускать в виде электромагнитных колебаний, что должно привести к нарушению равновесия между электростатическим притяжением электрона к ядру и центробежной силой, обусловленной вращением электрона вокруг ядра.

Для восстановления равновесия электрон должен переместиться ближе к ядру. Следовательно, непрерывно излучая электромагнитную энергию, электрон должен постепенно приближаться к ядру и в конце концов упасть на него - существование атома должно прекратиться. В действительности атом очень устойчив и может существовать бесконечно долго.

2 подгруппа

История открытия фотоэффекта

(пять предложений)

Ответьте на вопросы:

Как Г. Герц открыл фотоэффект?

Устройство установки для наблюдения фотоэффекта А.Г. Столетова

Что показал опыт Столетова?

Как объяснить опыт Столетова (почему наблюдали появление электрического тока)?

Открытие фотоэффекта следует отнести к 1887 г., когда Герц обнаружил, что освещение ультрафиолетовым светом электродов искрового промежутка, находящегося под напряжением, облегчает проскакивание искры между ними.

Явление фотоэффекта открыл немецкий физик Герц в 1883 г. Он заметил, что электрический разряд между двумя разноименно заряженными цинковыми шариками сильно уменьшается, если их осветить ультрафиолетовым светом.

Однако фотоэффект как самостоятельное явление в 1888-1890 гг. изучил русский физик А. Г. Столетов.

Впервые (1888–1890), подробно анализируя явление фотоэффекта, русский физик А.Г. Столетов получил принципиально важные результаты. В отличие от предыдущих исследователей он брал малую разность потенциалов между электродами. Схема опыта Столетова представлена на рис. 2.

Два электрода (один в виде сетки, другой – плоский), находящиеся в вакууме, присоединены к батарее. Включенный в цепь амперметр служит для измерения возникающей силы тока. Облучая катод светом различных длин волн, Столетов пришел к выводу, что наиболее эффективное действие оказывают ультрафиолетовые лучи. Кроме того, было установлено, что сила тока, возникающего под действием света, прямо пропорциональна его интенсивности.

3 подгруппа

Гипотеза Планка. Фотон.

(пять предложений)

Ответьте на вопросы:

В чем заключается гипотеза Планка?

Что представляет квант света?

Чему равна энергия кванта?

Что такое фотон?

Какими свойствами обладает?

Стремясь преодолеть затруднения классической теории при объяснении излучения черного тела, немецкий физик М. Планк в 1900 г. высказал гипотезу, которая в дальнейшем послужила толчком к развитию нового раздела физики – квантовой физики.

Макс Планк выдвинул предположение, чтобы избежать «ультрафиолетовой катастрофы», необходимо допустить, что излучению, как и веществу, свойственна дискретность, т.е. электромагнитное поле поглощается и излучается веществом отдельными порциями – квантами (квант от лат. quantum – количество).

Гипотеза Планка:

Атомы вещества излучают и поглощают энергию отдельными порциями – квантами. Энергия кванта прямо пропорциональна частоте излучения

E=hv.

где h=6,63·10-34 Дж·с – постоянная Планка, v – частота излучения.

Согласно Планку, полная энергия излучения или поглощения любым телом равна:

E=nhv (где n –любое положительное число).

Таким образом: тело поглощает или испускает энергию не непрерывно, а отдельными порциями, энергия каждой порции прямо пропорциональна частоте.

Энергия квантов разного цвета имеет разное значение и зависит от частоты данного цвета.

Развивая гипотезу Планка, А. Эйнштейн в 1905 году предположил, что: электромагнитное излучение не только испускается и поглощается отдельными квантами, но и распространяется в виде отдельных порций энергии – квантов.

Выводы Планка привели в дальнейшем не только к созданию квантовой физики, но и к созданию квантовой оптики – разделу оптики, изучающему совокупность явлений, в которых проявляются квантовая природа света.

ФОТОН

В квантовой оптике свет рассматривается как поток особых частиц – фотонов (квантов электромагнитного излучения).

Световой поток наиболее ярко проявляет корпускулярно-волновой дуализм, который проявляется в следующем:

1. При распространении света, в основном, проявляются его волновые свойства.

2. При взаимодействии с веществом (излучении и поглощении) – корпускулярные, т.е. свет ведет себя как поток частиц.

Но когда нам необходимо иметь в виду те или другие свойства света?

На данный вопрос ответил Нильс Бор – принцип дополнительности: для описания того или иного явления надо использовать или волновую, или корпускулярную теорию света, но не ту и другую одновременно.

Так, например, свойства света, обнаруживаемые при излучении и поглощении, называют корпускулярными, т.е. в этом случае свет нужно рассматривать как поток частиц – фотонов.

Фотон – элементарная частица, лишенная массы покоя и электрического заряда, но обладающая энергией и импульсом. Это квант электромагнитного поля, которое осуществляет взаимодействие между заряженными частицами.

В современной физике ФОТОН рассматривается как одна из элементарных частиц. Более того, таблица элементарных частиц уже многие десятки лет начинается именно с фотона.

Основные свойства фотона:

1. Является частицей электромагнитного поля.

2. Движется со скоростью света.

3. Существует только в движении.

4. Остановить фотон нельзя: он либо движется со скоростью, равной скорости света, либо не существует; следовательно, масса фотона равна нулю.

Характеристики фотона

1.Скорость движения фотона в вакууме: с=300 000 000 м/с

2.Частота фотона: ν

3.Длина волны фотона: λ=c/v/

Замечание: 1. Белый свет – поток фотонов всевозможных частот из диапазона от 4·1014 Гц до 7,5·1014 Гц.

2. Монохроматический свет - поток фотонов определенной частоты.

4.Энергия фотона равна:

Энергию фотона можно вычислить так же по формуле Эйнштейна

Запомните: 1. Фотон не имеет массу покоя, масса фотона появляется только при движении.

2. Фотон нейтральная частица, т.е. не имеет заряда (q=0 Кл).

4 подгруппа

Виды фотоэффекта.

(пять предложений)

Ответьте на вопросы:

Что называют фотоэффектом?

Что такое внешний фотоэффект?

В каких веществах происходит внешний фотоэффект?

Где применяется внешний фотоэффект?

Что такое внутренний фотоэффект?

В каких веществах происходит внутренний фотоэффект?

Где применяется внутренний фотоэффект?

Фотоэффект (фотоэлектрический эффект) – явление взаимодействия света или любого другого электромагнитного излучения с веществом, при котором энергия фотонов передаётся электронам вещества.

Выделяют внешний фотоэффект и внутренний фотоэффект

Внешний фотоэффект:

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений, например, фотонов. Иными словами, при внешнем фотоэффекте поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов за пределы тела. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком. Внешний фотоэффект наблюдается в твёрдых телах (металлах), а также газах (фотоионизация).

Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Григорьевич Столетов в конце XIX века.

Он (фотоэлемент) представлял собой вакуумную стеклянную колбу. Часть внутренней поверхности колбы была покрыта тончайшим слоем светочувствительного металла, который выступал в качестве катода. Он контактировал с проводом, который соединялся с отрицательным источником тока. В середине колбы располагался электрод в форме диска или проволочной петли, называемый анодом. Анод соединялся с положительным источником тока. Другая часть колбы была прозрачна и пропускала вовнутрь свет. Под действием света (фотонов) из катода вырывались электроны, которые во внешнем электрическом поле устремлялись к  аноду, создавая в цепи электрический ток.

Внутренний фотоэффект:

Если фотоэффект не сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внутренним. Внутренним фотоэффектом называется возрастание электропроводности вещества (наблюдается, как правило, у полупроводников и диэлектриков) и уменьшение его сопротивления под действием электромагнитных излучений, например, в результате облучения вещества видимым, инфракрасным или ультрафиолетовым излучением. Внутренний фотоэффект – это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные, без вылета наружу.

В отличие от внешнего фотоэффекта во внутреннем фотоэффекте электроны, остаются в теле вещества (полупроводника или диэлектрика), но изменяют в нём своё энергетическое состояние и увеличивают концентрацию носителей зарядов в веществе. Так, при поглощении фотона электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости. Как следствие образуется пара носителей заряда: электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне. Концентрация носителей заряда приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика) или возникновению электродвижущей силы.

Впервые явление фотопроводимости (и соответственно явление внутреннего фотоэффекта) у селена открыл Уиллоуби Смит в 1873 г.

На основе внутреннего фотоэффекта работают полупроводниковые фотоэлементы, изготавливаемые из полупроводников. Полупроводники обладают как свойствами проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах атомы имеют устойчивую структуру и прочно связаны ковалентной связью. Так, например, один электрон в кристалле кремния связан двумя атомами. Чтобы электрону освободиться из атома, ему необходимо сообщить необходимый уровень внутренней энергии. Эта энергия появляется в нем при воздействии на полупроводник, например, видимым, инфракрасным или ультрафиолетовым излучением. Если её (энергии) достаточно, то отдельные электроны отрываются от ядра и становятся свободными.  Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Место разрыва (свободное место в электронной оболочке атома) именуется дыркой – положительным зарядом, который равен заряду высвободившегося электрона. Если в это время к полупроводнику приложить разность потенциалов (т.е. внешний электрический ток), то в самом полупроводнике появится электрический ток. Представленный электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

Приложение 2

Практико-ориентированные задания для подгрупп

Карточки для подгруппы 1,3.

Решите задачи:

Найдите энергию фотона для инфракрасных лучей с частотой 1012Гц.

Объясните, как фотоэффект применяется при чтении компакт-дисков.

Работа выхода фотоэлектронов из цинка равна 4 эВ (1эВ=1,6*10-19Дж). Какова кинетическая энергия фотоэлектронов при освещении цинковой пластинки излучением с частотой 1,5*1015Гц

Карточки для подгруппы 2,4.

Решите задачи:

Определите частоту света, энергия кванта которого равна 3,6*10-19Дж.

Объясните, как фотоэффект применяется в работе лазерных принтеров.

Пластинка никеля освещена ультрафиолетовыми лучами с частотой 1,5*1015Гц. Найдите работу выхода электронов из никеля, если их кинетическая энергия равна 5,28эВ (1эВ=1,6*10-19Дж).

Приложение 3

Рабочий лист по теме

«Корпускулярные свойства света. Фотоэффект».

Задание 1 Заполните таблицу

Задание 2. Заполните пробелы.

Наблюдение фотоэффекта

Для обнаружения фотоэффекта на опыте можно использовать __________ с присоединенной к нему цинковой пластиной. Если зарядить пластину ___________, то ее освещение, например электрической дугой, не влияет на быстроту разрядки электрометра.

Но если пластину зарядить ______________, то световой пучок от дуги разряжает электрометр очень быстро. Свет вырывает электроны с поверхности пластины.

Если пластина заряжена ___________, электроны отталкиваются от нее, и электрометр разряжается. При ____________же заряде пластины вырванные светом электроны притягиваются к пластине и снова оседают на ней. Поэтому заряд электрометра в этом случае не изменяется. Однако, когда на пути света поставлено обыкновенное стекло, отрицательно заряженная пластина уже не теряет электроны, какова бы ни была интенсивность излучения. Так как известно, что стекло поглощает ультрафиолетовые лучи, то из этого опыта можно зак
лючить: именно __________ участок спектра вызывает фотоэффект.

Задание 3. Заполните таблицы

Задание 4. Сопоставить текст с определениями.

1. Электрон, вырванный светом из катода

2. Напряжение, при котором величина фототока равна нулю

3. Минимальная частота света, ниже которой фотоэффект не наблюдается

4. Движение вырванных светом из катода электронов

5. Максимальное значение фототока

6. Минимальная работа, которую нужно совершить для выхода электрона из вещества