МПК Магнитопорошковый метод. Удк 372. 8 53 16 ббк 74. 262. 22 С серия Классический курс основана в 2007 году
 Скачать 6.65 Mb.
|
|
Частицы электромагнитного поля (фотоны с Могут при взаимодействии изменять скорость, двигаться с ускорением Обладают энергией Е = Могут иметь нулевой и ненулевой импульсы Имеют электрический зарядили не имеют заряда Выполняются законы сохранения импульса, энергии =0 v = При взаимодействии с веществом поглощаются или излучаются Обладают энергией e= рс Не имеют нулевого импульса: р Не имеют электрического заряда Выполняются законы сохранения импульса, энергии Рис. 120 193 194 III. Домашнее задание § 71; упр. нас (ЕГЭ); индивидуально П, № 812, 822. Кроме этого, может быть предложена задач а. При облучении вещества светом (длина волны 5·10 –8 м) рассеяние фотонов происходит под углом 30 °. Какой импульс получает электрон при рассеянии? Хорошо подготовленным учащимся можно дать дополнительное задан и е. Доказать, что свободный электрон не может поглотить фотон. Для этого использовать законы сохранения импульса и энергии см. § 73*, задача Для усиления мировоззренческих выводов урока целесообразно обратиться к хрестоматийному материалу. В 1900 г. выдающийся французский физики математик А. Пуанкаре писал Наука состоит из фактов, как дом из кирпичей но простое собрание фактов столь же мало является наукой, как куча кирпичей домом. Всякое обобщение есть гипотеза. Поэтому гипотезе принадлежит необходимая, никем никогда не оспаривавшаяся роль. Она должна лишь как можно скорее подвергнуться и как можно чаще подвергаться проверке [16, с. 91, 97]. Может ли в настоящее время на основе новых экспериментальных фактов быть отвергнута гипотеза о квантах света Может ли знание быть абсолютно верным на все времена? Урок 5*. Решение задач Ход урока Вначале урока повторяют основные понятия и законы, формулы выписывают на доске. Проверяют домашнее задание свойства фотона повторяют в беседе, на доске выполняют решение задачи. Далее учитель организует работу по решению задач. Рассматривают решение задачи на определение постоянной Планка. В таблице 40 даны экспериментальные значения тормозящих потенциалов для электронов, испускаемых под действием фотонов с разной длиной волны. На основании данных постройте график зависимости энергии электронов от частоты фотонов, определите значение постоянной Планка и работу выхода для данного металла. Таблица Длина волны, 10 –10 м 4920 4360 4050 3690 Потенциал, В 0,60 0,90 1,20 1,50 Пояснение к решению. В задаче сказано, что на вылетающие под действием света электроны действует электрическое поле, которое тормозит их движение. Поэтому если конечная скорость электронов нулевая, то их кинетическая энергия равна работе электрического поля. Формула Эйнштейна приобретает вид = + Для нахождения двух неизвестных (постоянной Планка и работы выхода) это уравнение необходимо записать для двух различных значений потенциала и соответствующей длины волны. Примерные задачи для решения на уроке. Оцените число фотонов видимого света, испускаемых за секунду ваттной лампочкой, излучающей в видимой части спектра 1% своей электрической мощности. Считайте, что излучение происходит на длине волны l=5,6·10 –7 м. Пояснение к решению. Сначала нужно определить излучаемую энергию, затем энергию фотона (для длины волны 5,6·10 –7 м, а по ней — число фотонов. Используют Справочник (с. 138). 2. Определите энергию фотона, длина волны которого соответствует а) видимой части спектра (0,6 мкм б) инфракрасному излучению (1,0 мкм в) ультрафиолетовому излучению (0,3 мкм. Определите частоту и импульс фотона энергией 1 эВ. При взаимодействии фотона со слабосвязанным электроном последнему может передаваться не вся энергия фотона, а только её часть. Значит ли это, что фотон поглощается частично. Определите импульс фотона, длина волны которого 450 нм. Сравните его с импульсом молекулы водорода при комнатной температуре. Массу молекулы примите равной 2,4·10 –27 кг При подведении итогов урока учитель подчёркивает фундаментальное значение постоянной Планка в физике, говорит о том, что корпускулярные свойства света проявляются тогда, когда постоянную Планка нельзя принять равной нулю по сравнению с числовыми значениями энергий и импульсов, рассматриваемых в задаче. Домашнее задание § 73* (3); П, № Урок 6*. Вакуумный фотоэлемент. Применение фотоэлементов в технике Задачи урока раскрыть значение теоретических знаний для техники и производства описать области применения фотоэлементов в технике. Ход урока. Начиная рассмотрение нового материала (около 25 мин, учитель сообщает, что изученное ранее явление фотоэффекта лежит в основе работы фотоэлементов — устройств, в которых световые сигналы преобразуются в электрические. Далее кратко рассказывает обустройстве и принципе работы фотоэлемента (рис. 121), использует схемы (рис. 122, 123), раздаёт учащимся для ознакомления фотоэлементы. (Можно упомянуть о фотоумножителях и показать фотоумножитель.) Примерный план рассказа учителя устройство фотоэлемента действие фотоэлемента — усиление электрических сигналов, выработанных фотоэлементом, — соединение фотоэлемента с электромагнитным реле — принципы применения фотореле в технике — демонстрация работы фотореле. Рассказывая о применении фотоэффекта, учитель демонстрирует действие фотореле (ДЭ-2, с. 243—244). Уместно краткое выступление школьника с самодельным фотореле. По использованию фотоэлементов для воспроизведения звука в кино можно запланировать доклад ученика. Вовремя доклада рассматривают соответствующую таблицу, рисунки, другие иллюстрации При закреплении материала (около 10 мин) проводится беседа по вопросам что такое фотоэлемент Как устроен вакуумный фотоэлемент Как происходит превращение светового сигнала в фотоэлементе в электрический Зачем соединяют фотоэлемент с электромагнитным реле Приведите примеры фотоэлементов в технике. Домашнее задание § 70*; П, № Урок 7*. Полупроводниковые фотоэлементы. Применение фотоэлементов в технике На урок планируют доклады школьников, постановку и обсуждение опытов Вначале урока повторяют устройство и принцип действия вакуумного фотоэлемента. Один из школьников показывает опыт Рис. Рис. Рис. 123 с фотоэлементом. Устно обсуждают вопросы какие физические явления происходят при работе фотоэлемента Зависит ли работа фотоэлемента от частоты падающего света от его интенсивности? Для письменных ответов можно предложить задания. Красная граница фотоэффекта для вольфрама 2,72·10 –7 м. Определите работу выхода электронов из металла. Нарисуйте график зависимости кинетической энергии фотоэлектронов от частоты света. Как с помощью графика определить постоянную Планка. Определите энергию кванта света, если ему соответствует длина волны 4·10 –10 м. При изучении нового материала учитель обращает внимание наследующие важные моменты Явление фотоэффекта, происходящее в полупроводнике, существенно отличается от внешнего фотоэффекта. Внутренний фотоэффект не приводит к вылету электронов из тела, а заключается в увеличении числа свободных электронов и дырок в полупроводнике Выделяют два вида полупроводниковых фотоэлементов — фотосопротивления и фотодиоды. В первых под действием света меняется сопротивление, во вторых на электродах в приборе возникает напряжение (ЭДС Применение фотоэлементов в технике рассматривают с помощью опытов № 157—159 (ДЭ-1). В качестве раздаточного материала можно использовать различные фоторезисторы и фотодиоды. Сними учащиеся могут поставить простые эксперименты измерение ЭДС при освещении фотодиода, изменение ЭДС при изменении освещённости и т. д Обобщение и закрепление изученного материала осуществляется в беседе. При этом используется таблица 41. III. Вопросы для подведения итогов каков принцип действия фотоэлемента с внешним (внутренним) фотоэффектом Почему катоды фотоэлементов изготавливают из щелочных металлов Почему фотоэлементы так широко применяются Домашнее задание § 70*; П, № Урок 8*. Решение задач Ход урока. Для повторения материала двух последних уроков целесообразно проведение кратковременной письменной работы. Школьников заранее предупреждают о работе и её примерном содержании. Вариант I 1. Принцип работы и использование вакуумного фотоэлемента. Примеры применения полупроводниковых фотоэлементов. Вариант II 1. Принцип работы и использование полупроводниковых фотоэлементов. Примеры применения вакуумных фотоэлементов. Письменную работу можно провести и по материалу учебника, используя для заданий его текст, рисунки и схемы. Коллективно в процессе обсуждения решают задачу. Человек обладает порогом зрительного ощущения, с физической точки зрения определяемым минимальной энергией света, вызывающей ощущение. Для света длиной волны 5,25·10 –7 м порогу разных людей колеблется от 200 до 400 фотонов в секунду. Это значит, что в темноте человек в состоянии зафиксировать такой минимальный световой поток. Опыты по наблюдению потоков очень малой интенсивности были проведены известным физиком СИ. Вавиловым. Экспериментатор наблюдал беспорядочные вспышки света от источника, интенсивность которого приближалась к порогу его зрительного ощущения. Объясните, какие выводы о свойствах света можно сделать из такого эксперимента Ответ. Наблюдатель то видел вспышку света, тоне видел. Для определённости примем, что порог его зрительного ощущения фотонов в секунду. Если до наблюдателя доходило 400 фотонов в секунду и более, то он видел источник света, а если меньше — не видел. Значит, раз вспышки источника беспорядочны, то слабый источник света излучает нестрого опре- делённое количество фотонов и число их случайным образом колеблется. Наличие вспышек говорит и о том, что источник испускает свет не непрерывным потоком. Таким образом, опыты Вавилова подтверждают квантовые свойства света. (При решении задачи желательно зачитать фрагменты из статьи Микроструктура света по Хрестоматии для учащихся.) Формирование представлений о проявлении квантовых свойств света в окружающей нас жизни продолжается при решении задачи. Радиовещательная станция работает на волне 10 м (длина волны 10 м. Вычислите энергию одного кванта этого излучения. Определите число фотонов, излучаемых в секунду, при мощности станции кВт. Заметны ли квантовые свойства такого излучения? После решения задачи обсуждается вопрос можно ли обнаружить при приёме квантовый характер излучения, если прим- ник имеет нижний предел чувствительности порядка 10 10 квантов в секунду при частоте 1 МГц Ответ. Нельзя, так как при таком большом числе квантов отдельный квант незаметен Для самостоятельного решения предлагаем следующие задачи. Определите импульс фотонов, излучаемых источником рентгеновских лучей с частотой 3·10 12 МГц. Чему равна наименьшая частота света, при которой ещё наблюдается фотоэффект, если работа выхода электрона из металла 3,3·10 –19 Дж 3. Два излучателя мощностью по 100 Вт испускают излучение один — в видимом диапазоне с частотой 4·10 14 Гц, другой — рентгеновские лучи с частотой 2·10 17 Гц. Определите а) энергию и импульс фотонов б) число фотонов, проходящих через площадку м, расположенную перпендикулярно потоку на расстоянии 5 км от излучателей. В каком случае легче обнаружить корпускулярные свойства излучения. Опишите и схематически изобразите процессы, соответствующие факту существования красной границы фотоэффекта Домашнее задание упр. нас индивидуально можно предложить решить задач у. Тренированный глаз, длительно находящийся в темноте, воспринимает свет с длиной волны 0,5 мкм при мощности, равной 2,1·10 –17 Вт. Сколько фотонов примерно попадает в этом случае на сетчатку за 1 с Урок 9. Давление света. Опыты Лебедева Задачи урока сформировать понятие о давлении света объяснить давление света сточки зрения волновых и квантовых представлений познакомить с историческими опытами Лебедева и раскрыть их значение для науки организовать самостоятельную работу на уроке. Ход урока Вначале урока двум-трём школьникам предлагают письменную работу — решение задачи. У доски самостоятельно решает задачу вызванный ученик. Оцените, какое число фотонов падает за секунду на 1 см поверхности Земли, перпендикулярной солнечным лучам. Солнечная постоянная Вт/м 2 , средняя длина волны солнечного света 5,5·10 –7 м Примерное содержание краткого рассказа учителя Гипотеза о существовании светового давления высказывалась учёными неоднократно. Впервые же существование светового давления теоретически обосновал в 1873 г. Дж. Максвелл на основе электромагнитной теории света и рассчитал это давление для солнечного света на Земле. Оно оказалось очень малым приблизительно равным 4·10 –6 Па. Как же объясняется существование светового давления сточки зрения волновой теории света Ответ по учебнику Квантовая физика также предсказывает и позволяет рассчитать световое давление. При этом расчёт прости нагляден. Световой поток представляет собой поток фотонов. При падении света на вещество фотоны поглощаются, передавая свою энергию и импульс веществу. Энергия фотонов идёт на увеличение энергии хаотичного движения атомов или молекул вещества, и вещество нагревается. Передача же фотонами импульса телу за время t соответствует, согласно второму закону Ньютона, силе F, действующей на тело. Так как p t = а давление равно силе, действующей на единицу поверхности тела = = F S p S то световое давление равно импульсу, приносимому фотонами на единицу поверхности тела в единицу времени Полученные формулы для светового давления важно проверить на опыте совпадение теоретических и экспериментальных результатов докажет верность волновых и квантовых идей о природе света. Впервые измерение давления света осуществил в 1900 г. знаменитый русский физик П. Н. Лебедев (1866— 1912). Световое давление для обычных источников света на Земле, даже самых ярких (кроме лазеров, очень мало, поэтому обнаружить его очень трудно. Опыты Лебедева были большим достижением для своего времени. Известный английский физик Дж. Дж. Томсон так оценил эти эксперименты Вы, может быть, знаете, что я всю жизнь воевал с Максвеллом, не признавая его светового давления, и вот ваш Лебедев заставил меня сдаться перед его опытами [20, с. 116]. 4. Идея опыта проста. Свет дуговой лампы, проходя через систему линз и воду (поглощение инфракрасной части излучения, фокусировался на крыльчатке (рис. 124). Поворот крыльчатки под действием света (с учётом исключения побочных эффектов) и позволил измерить световое давление. Количественно результат хорошо совпал с выводами Максвелла. Квантового объяснения светового давления в то время ещё не было Формирование представлений о давлении света продолжается при решении задач. Почему хвост кометы направлен в сторону, противоположную Солнцу. Определите силу давления солнечного излучения нам земной поверхности при отвесном падении лучей, если солнечная постоянная Вт/м 2 . Отражением света можно пренебречь При подведении итогов урока повторяют главные его моменты. Дополнительно обсуждают проблемы какое значение имеет давление света на газы Почему опыты Лебедева имеют важное историческое значение в физике? Домашнее задание § 72 (часть, 73* (5); статья П. Н. Лебеде в а Световое давление из Хрестоматии (с. Рис. 124 Урок 10*. Обобщающее повторение Задачи урока привести в систему представления о корпускулярной теории света углубить знания о корпускулярно-волно- вом дуализме продолжить формирование умения решать задачи. Ход урока Вначале урока выступает ученик с кратким докладом об истории открытия квантовых свойств света (7—8 мин. Далее систематизация изученного в теме материала может быть выполнена последующему плану: факты — опыты Столетова; гипотезы — идея Планка, идея Эйнштейна о квантах; следствия — объяснение фотоэффекта, давления света и др.; применение теории — фотоэлементы. В своём рассказе учитель углубляет представления школьников о корпускулярно-волновом дуализме света. Как соотносятся между собой волновые и квантовые свойства света — основная учебная проблема урока. С макроскопической точки зрения свет — электромагнитные волны. С микроскопической точки зрения свет — поток фотонов. Особенно отчётливо корпускулярные свойства света проявляются при его излучении слабыми источниками. Мысленно рассмотрим следующий эксперимент. Источник света испускает отдельные фотоны, которые, проходя через отверстие в экране щели в дифракционной решётке), попадают на фотопластинку рис. 125). Каждый фотон как частица попадает только в одну точку фотопластинки. За большой промежуток времени на пластинку попадает много фотонов. При этом обнаруживается закономерность фотоны попадают в одни места на фотопластинке чаще, в другие — реже, а в определённые места не попадают Рис. 125 совсем (рис. 126). В итоге образуется дифракционная картина, в целом объясняемая волновой теорией света. Потемнение фотопластинки определяется количеством фотонов, падающих на не. Макроскопическая картина является результатом усреднения микроскопической картины. Так как свет проявляет волновые и корпускулярные свойства, говорят о дуализме двойственности) свойств света. В тех случаях, когда световые потоки состоят из большого числа фотонов и взаимодействуют с макротелами, резче проявляются волновые свойства. Так, солнечный свет представляет собой дождь фотонов порядка 10 21 фотонов нам в секунду. Естественно, что при таком огромном числе фотонов квантовая картина взаимодействия фотонов с макроскопическим телом усредняется. Поведение каждого отдельного фотона здесь неза- метно. Проявление квантовых или волновых свойств электромагнитных волн зависит от частоты волны. Так, фотоны радиоволны длиной волны 32 м обладают энергией порядка 10 –26 Дж. Для того чтобы зафиксировать такие фотоны чувствительными приборами, необходимо 10 10 —10 12 фотонов. В этом случае, если фотонов очень много и отдельный фотон незаметен, наблюдают электромагнитную волну. Чем больше частота излучения, тем больше энергия отдельного фотона и тем ярче проявляются квантовые свойства излучения некоторые явления в микромире вызываются отдельными фотонами. Для самостоятельной работы (20—25 мин) предлагаем следующие задан и я. Вариант I 1. Красная граница фотоэффекта для лития 6·10 14 Гц. Определите работу выхода и кинетическую энергию выбитых электронов, если на металл падает свет, имеющий частоту 6·10 14 Гц. Объясните интерференцию света сточки зрения квантовой теории. Вариант II 1. Определите массу и энергию фотонов, излучаемых радиопередатчиком, работающим на частоте 200 кГц. Опишите давление света сточки зрения квантовой теории Домашнее задание по выбору упр. нас, ЕГЭ) или П, № Рис. 126 Глава XII. |