МПК Магнитопорошковый метод. Удк 372. 8 53 16 ббк 74. 262. 22 С серия Классический курс основана в 2007 году
 Скачать 6.65 Mb.
|
|
Глава XI. СВЕТОВЫЕ КВАНТЫ На материале данной темы учитель вводит школьников в мир особенных закономерностей микромира — дискретных и квантовых изменений энергии при взаимодействии объектов, волнового характера движения микрочастиц. Ниже дан наиболее последовательный вариант построения учебного процесса при изучении темы. При необходимости изучение фотоэлементов происходит на одном уроке и, как минимум, на один урок сокращается решение задача материал обобщения распределяется по другим урокам. Словом, возможности для манёвра при объяснении материала данной темы у учителя есть. Урок 1. Возникновение квантовой физики. Фотоэлектрический эффект и его законы Задачи урока сформировать представления о фотоэффекте изучить его законы ознакомить школьников с научной деятельностью А. Г. Столетова развить познавательную активность школьников с помощью проблемных вопросов и исторического материала. План урока Этапы урока Время, мин Приёмы и методы Введение Изучение нового материала явление фотоэффекта, законы фотоэффекта, опыты Столетова Решение задач Краткое обобщение. Домашнее задание 20—25 10 Рассказ учителя Демонстрация опыта. Беседа с учащимися. Работа с учебником. Рассказ учителя Записи в тетрадях, беседа Подведение итогов урока учителем, пояснение домашнего задания 184 I. Урок можно начать с характеристики исторической обстановки в физике в революционный периоде развития. Во второй половине XIX — начале XX в. учёными были открыты атомы, ядра атомов, электроны и некоторые другие микрочастицы. Эти физические объекты имеют размеры 10 –10 —10 –15 ми меньше. Мир малых частиц называют микромиром. Проникнув в микромир, люди узнали много нового. Известные тогда законы механики и электродинамики не объясняли некоторые открытые явления микромира. Так, опираясь на эти законы, нельзя объяснить, почему атом, состоящий из ядра и электронов, устойчив, почему атомы излучают свет определён- ных частот. Накопился ряд опытных фактов, которые не смогла объяснить физическая теория того времени Как объяснить новые экспериментальные факты Каким новым законам подчинено движение микрочастицы В спорах учёных и борьбе научных мнений возникли и получили развитие новые физические идеи о дискретных уровнях энергии атомов, о волновом характере движения микрочастиц, о квантовой природе света. Они легли в основу новой области физики — квантовой. Квантовая физика — это раздел современной физики, в котором изучаются свойства, строение атомов и молекул, движение и взаимодействие микрочастиц. В возникновении квантовой физики важнейшую роль сыграло изучение взаимодействия электромагнитных волн с веществом. В 1886 г. немецкий физик Г. Герц открыл явление электризации металлических поверхностей при их освещении. Позднее учёные выяснили, что под действием света часть электронов, входящих в состав тела, покидает его. Явление выхода (вырывания) электронов из вещества под действием света получило название фотоэлектрического эффекта (или просто фотоэффекта). Далее учитель переходит к выполнению опыта (ДЭ-2, с. 234). Демонстрация фотоэффекта (внешнего) проводится на цинковой пластинке, соединённой с электрометром. Пластинка размером 10 10 см зачищается мелкозернистой шкуркой. Схема опыта показана на рисунке 113. При постановке опытов удобно использовать комплект по фотоэффекту КПФ-1, в котором в качестве излучателя можно применить косметический прибор Фотон. Главная задача опыта — выделить и изучить явление фотоэффекта. С учащимися ведётся беседа по вопросам, с помощью которых выясняется физическая сущность — микромеханизм — нового явления. Важными являются и модельные рисунки. Вопросы для организации беседы когда начинает разряжаться электрометр Что Рис. 113 является причиной разрядки электрометра Почему можно сделать вывод о вылете электронов с цинковой пластинки Будет ли наблюдаться разрядка электрометра (явление фотоэффекта, если электрометр зарядить положительно Изменится ли время разрядки электрометра, если пластинку расположить под углом к потоку света если увеличить расстояние между электрометром и источником света (Последний вопрос подводит учащихся к формулировке первого закона фотоэффекта.) Школьники узнают, что фотоэффект наблюдается лишь при облучении пластинки светом определённых длин волн. Для этого учитель или ученик проводит на той же установке второй опыт, используя другой источник света — мощную электрическую лампу накаливания. Вопросы для организации беседы по опыту будет ли энергия, сообщаемая светом электронам в пластинке, зависеть от освещённости согласно волновой теории Ответ. Будет, так как чем больше освещённость, тем большая энергия передаётся светом пластинке, а значит, и большая энергия должна приходиться на отдельный электрон. Согласно волновой теории поток энергии непрерывен.) Проводят опыт с лампой накаливания фотоэффект не наблюдается. Проверяют может быть, в опыте со специальным источником освещённость была больше, а в опыте с лампой накаливания она недостаточна При повторении демонстрации приближают лампу вплотную к пластинке — фотоэффекта нет. Почему же в этом случае нет фотоэффекта Проводят следующий опытна пути потока света от специального источника ставят стекло. Разрядка электрометра прекращается. В беседе выясняется, что стекло поглощает световые волны больших частот. Школьников подводят к выводу о зависимости явления фотоэффекта от частоты электромагнитных волн. (В данном случае фотоэффект вызван ультрафиолетовым излучением, с которым учащиеся знакомы) Общий вывод состоит в том, что волновая теория света неспособна объяснить, почему фотоэффект вызывается одними и не вызывается другими световыми волнами. После такого заключения переходят к более подробному изучению законов фотоэффекта. Для этого можно организовать работу с учебником, сообщить план изучения текста, сделать записи в тетрадях, в беседе обсудить работу установки, описанной в учебнике (рис. 10.2), и объяснить приведённые там графики. План работы на этой части урока: 1.Сообщение об А. Г. Столетове. Изучение устройства и работы установки Столетова. Формулировка первого закона фотоэффекта. Анализ графиков, приведённых на рисунках 114 и 115, и формулировка второго закона фотоэффекта. 5.Анализ графика (рис. 116), понятие о красной границе фотоэффекта. Анализ графика (рис. 117) и вывод о невозможности объяснения второго закона фотоэффекта на основе волновой теории Рис. Рис. Рис. Рис. Рис. Рис. 119 187 III. Закрепление и углубление изученного на уроке материала осуществляется как в процессе беседы с учащимися, таки при выполнении заданий после работы с учебником. Можно предложить задания по графикам, повторить ключевые понятия урока. Для одного вещества или для разных веществ приведены графики на рисунке (см. рис. 115)? 2. Дополните график (см. рис. 115) для случаев а) свет большей частоты, но освещённость та же б) свет большей частоты и освещён- ность больше. Чем больше освещённость, тем большая энергия передаётся электронам вещества. Чем больше энергии передано электронам, тем больше должна быть их кинетическая энергия. Какое из этих утверждений противоречит законам фотоэффекта. На рисунке 118 приведены графики зависимости энергии вышедших электронов от частоты падающего света. Какой из графиков соответствует опыту с разными освещённостями пластинки. Какой из световых потоков обладает большей частотой (рис. 119)? IV. Домашнее задание § 69 (часть Хрестоматия (с. Урок 2. Световые кванты. Уравнение фотоэффекта Задачи урока сформировать понятие кванта энергии расширить представления учащихся об области применения закона сохранения энергии. План урока Этапы урока Время, мин Приёмы и методы Введение Проверка домашнего задания. Изучение нового материала. Отработка знаний Подведение итогов. Домашнее задание 10 10—15 12—17 Сообщение учителем плана урока Фронтальный опрос по хрестоматийному материалу. Ответы на вопросы Рассказ учителя. Записи учащихся в тетрадях Решение задач. Беседа суча- щимися Сообщение учителя. Запись на доске Объявляется план работы на уроке Повторение изученного материала желательно сочетать сего углублением. В частности, один из школьников может выступить с кратким дополнением рассказа о Столетове. Предлагают вопросы по хрестоматийному материалу. Как Столетов определил явление фотоэффекта 188 2. На основе какого результата опыта можно сделать вывод о том, что количество фотоэлектронов прямо пропорционально интенсивности световой волны (освещённости пластинки. Как Столетов определил, что фотоэффект вызывается светом нелюбой длины волны. Какое значение для понимания явления фотоэффекта имеет следующий результат Разряжающее действие лучей обнаруживается даже при весьма кратковременном освещении, причём между моментом освещения и моментом соответственного разряда не протекает заметного времени На этом этапе урока учитель кратко излагает новый материал. Приводим его содержание. Для объяснения фотоэффекта нужны были новые физические идеи. Первый шаг в квантовой теории сделал в 1900 г. немецкий физик Макс Планк (1858—1947). Он высказал гипотезу тела испускают энергию света порциями — квантами. Энергия каждой порции света строго определена и вычисляется по формуле e= где h — постоянная величина, получившая название постоянной Планка. Её числовое значение мало =6,62·10 –34 Дж·с, поэтому даже для электромагнитных волн большой частоты энергия кванта очень мала. Например, для волн видимого света эта энергия порядка 10 –20 Дж. Заканчивая разговор о Планке, уместно показать его портрет, привести оценку его работы А. Эйнштейном он убедительно показал, что, кроме атомистической структуры материи, существует своего рода атомистическая структура энергии, управляемая универсальной постоянной h, введённой Планком. Это открытие стало основой всех исследований в физике XX вис тех пор почти полностью обусловило её развитие. Оно разрушило остов классической механики и электродинамики и поставило перед наукой задачу найти новую познавательную основу для всей физики [21, с. Гипотезу Планка о квантовом характере излучения развил в 1905 г. великий физик XX в. Альберт Эйнштейн. Он понял, что свет не только излучается и поглощается квантами, но и существует в виде отдельных квантов. Идея о квантовой природе света позволила объяснить законы фотоэффекта. Отдельный квант взаимодействует с одним электроном. Энергия кванта света идёт на совершение работы по удалению электрона из металла и на сообщение ему кинетической энергии. По закону сохранения энергии получим уравнение + 2 Его называют уравнением Эйнштейна. (Уравнение описывает взаимодействие одного кванта света с одним электроном Далее с помощью уравнения Эйнштейна поясняют экспериментальные законы фотоэффекта. Итак, экспериментальные законы фотоэффекта объясняются с помощью гипотезы о квантах света. Гипотеза Планка—Эйн- штейна стала в дальнейшем ведущим теоретическим положением квантовой физики. Из квантов состоит не только видимый свет, но и другие электромагнитные волны — как короткие, таки длинные. Световые кванты называют фотонами. (Фотонами можно называть и кванты любых электромагнитных волн. В качестве закрепления изученного материала решают типичные задачи П, № 801, 802, 803. V. Домашнее задание § 69; П, № 804; можно порекомендовать статью Эйнштейна Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света (Хрестоматия, с. 170—174). Для активизации работы со статьёй уместно задать вопросы, на которые учащиеся ищут в ней ответы отказывается ли Эйнштейн от волновой теории света, выдвигая гипотезу о квантах света Говорится ли в данной части статьи о том, что свет не только испускается и поглощается, но и распространяется в пространстве квантами Совпадает ли формула, приводимая в статье, с формулой для фотоэффекта в учебнике Не противоречит ли высказывание статьи Однако нельзя исключить итого, что электроны воспринимают энергию световых квантов лишь частично — утверждению учебника о неделимости кванта света Объясняются ли в статье законы Столетова Можно ли из статьи сделать вывод, что гипотеза Эйнштейна о квантах света была выдвинута на основе опытных фактов? (Подобные задания для работы с хрестоматией могут быть предложены наследующих уроках для письменного ответа.) При подведении итогов урока можно привести высказывание Планка по оценке собственной гипотезы о квантовом характере излучения света. Он писал Крушение всех попыток перебросить мост через возникшую пропасть (рассмотренное учащимися ранее противоречие. — Прим. авт) вскоре уничтожило все сомнения или квант действия был фиктивной величиной — тогда весь вывод закона излучения был принципиально иллюзорными представляет просто лишённую содержания игру в формулы, или при выводе этого закона в основу была положена правильная мысль — тогда квант действия должен играть в физике фундаментальную роль, тогда появление его возвещало нечто дотоле неслыханное, что, казалось, требовало преобразования самих основ нашего физического мышления, покоившегося со времени обоснования бесконечно малых Ньютоном и Лейбницем на предположении о непрерывности всех причинных связей [20, с. Обращают внимание школьников на то, что дискретное изменение энергии является принципиально новым положением по сравнению с непрерывным изменением величин в классической физике Урок 3*. Решение задач Задачи урока сформировать умение решать задачи с использованием уравнения Эйнштейна и представлений о квантах света. Ход урока С целью повторения можно разобрать следующие вопросы раскрыть содержание уравнения Эйнштейна, сформулировать первый и второй законы фотоэффекта, предложить метод экспериментального определения постоянной Планка, используя явление фотоэффекта Углубление знаний школьников продолжается во фронтальном опросе почему опыты Столетова называются фундаментальными Ученик, объясняя уравнение Эйнштейна для фотоэффекта, сказал Энергия падающего света равна работе выхода электронов и кинетической энергии их движения. В чём неточность ответа Ответ. Надо было сказать энергия фотона, а не света, и дальше говорить об одном электроне) При каких условиях фотоэффект не будет наблюдаться, если даже освещён- ность будет большой? Для активизации познавательной деятельности учащихся на уроке решают экспериментальную задач у. Изменится ли быстрота разрядки электрометра, если цинковую пластинку заменить медной После проведения опыта результат обоснуйте теоретически. Работа выхода для цинка Дж, а для меди Дж. При одном и том же потоке излучения могут быть следующие результаты а) электрометр не будет разряжаться, так как энергия фотонов может быть меньше работы выхода б) фотоэффект происходит, но уже меньшее число фотонов из потока света различной частоты может выбивать электроны из меди При коллективном решении задач повторяют сведения о фотоэффекте определение фотоэффекта, уравнение фотоэффекта, различие работы выхода у разных металлов. Первую расчётную задачу целесообразно решить самому учителю с привлечением класса (она играет роль ориентировочной основы действия при решении аналогичных задач. Рассмотрим типичную задач у. Определите длину волны света, которым освещается поверхность металла, если фотоэлектроны имеют кинетическую энергию Дж. Работа выхода электронов из металла равна 7,6·10 –19 Дж. Р е ш е ни е. В задаче описан фотоэффект. Как об этом можно догадаться По объектам, поведение которых и определяет явление. Это фотоны, металл, фотоэлектроны. После определения явления план решения задачи очевиден — описание фотоэффекта уравнением Эйнштейна. В качестве дополнительного соотношения используется уравнение связи частоты и длины волны 191 h A mv c n n l = + = 2 мн поп м. При анализе решения задачи обсуждают вопросы какие физические величины, характеризующие фотоэффект, можно определить из уравнения Эйнштейна Можно ли решить задачу, если вместо кинетической энергии известна лишь скорость фотоэлектронов Какому излучению соответствует вычисленная длина волны Самостоятельное решение задач с учётом индивидуальной подготовки школьников учитель организует по учебнику, задачнику или дидактическим материалам (см, например Мартынов ИХ о з я и нова Э. Н, Буров В. А. Дидактический материал по физике. 10 кл. / под ред. В. А. Бурова. — М Просвещение Домашнее задание § 73* (1, 2); П, № 806, Урок 4. Фотоны. Гипотеза де Бройля Задачи урока продолжить формирование понятия фотона познакомить с идеей де Бройля; продолжить развитие умений использовать математические средства для описания физических явлений. План урока Этапы урока Время, мин Приёмы и методы Введение учащихся в проблему урока Изучение и отработка нового материала свойства фотона, гипотеза де Бройля III. Выводы. Домашнее задание Работа учащихся у доски. Сообщение учителя Рассказ учителя. Работа с таблицами. Записи в тетрадях. Беседа Устное обобщение материала учителем. Запись на доске На уроке продолжается формирование понятия фотона. Сначала один ученик решает задачу на уравнение Эйнштейна у доски, двое отвечают письменно по карточкам. При обсуждении решения задачи у доски осуществляется актуализация знаний о кванте света. Какую энергию получают электроны пластинки из калия при облучении светом длиной волны 4,6·10 –7 м Работа выхода электрона считается известной Задания для письменного опроса. Что называют красной границей фотоэффекта. Максимальная кинетическая энергия электронов, выбитых квантами света с энергией 5 эВ, равна 1,5 эВ. Минимальная энергия фотонов, при которой возможен фотоэффект, равна а) 1,5 эВ б) 2,5 эВ в) 3,5 эВ г) 4,5 эВ д) 5,5 эВ е) 6,5 эВ. Выберите и обоснуйте верный ответ. Что называют фотоэффектом. На рисунке 120 изображены графики зависимости кинетической энергии выбитых электронов от частоты света. Для какого металла работа выхода больше Ответ обоснуйте Рассказ учителя при изучении нового материала Для объяснения фотоэффекта была введена гипотеза о квантах, или элементарных частицах электромагнитного поля фотонах. Энергия фотона e определяется по формуле Планка e= hn, где n — частота электромагнитной волны. Далее по учебнику рассматривают характеристики (скорость, импульс, энергия) фотона. Изучение свойств фотона можно подытожить с помощью таблиц 38 и 39. При этом в беседе с учениками нужно обсудить, какие характеристики имеет фотон и как соответствующие величины можно измерить или рассчитать Важным для квантовой физики является согласование волновых и квантовых представлений. На данном уроке школьники кратко знакомятся с идеями корпускулярно-волнового дуализма и гипотезой де Бройля, а также с принципом Гейзенберга. При кратком изложении данного материала лучше не выходить за рамки учебника, но следует вернуться к этим принципиальным вопросам на последнем уроке ив следующей теме см. подробнее Таблица Частицы вещества |