МБОУ «Васильевская средняя общеобразовательная школа №2» ЗМР РТ 11 класс.

МБОУ «Васильевская средняя общеобразовательная школа №2» ЗМР РТ
Урок по физике на тему: «Фотоэффект».
11 класс.
Учитель физики: Суханаева О.А.
2013 г.
Цель урока: Рассмотреть понятие и физический смысл явления
фотоэффект; разобрать законы фотоэффекта и типовые задачи с
их использованием.
Тип урока: комбинированный.
1.Актуализация опорных знаний:
Что такое электромагнитная волна?
В чём заключается смысл квантовой гипотезы Планка?
Что такое абсолютно чёрное тело?
Что такое фотон и чем он обладает?
2.Объяснение нового материала:
Опыты Столетова.
Если электромагнитная волна состоит из отдельных квантов (фотонов) ,то
поглощение и излучение света происходит прерывно :фотоны передают всю
свою энергию атомам и молекулам вещества целиком. Ещё одним
подтверждением правильности квантовой теории было объяснение
Альбертом Эйнштейном в 1905 году явления фотоэффекта. Фотоэффект –
явление вырывания электронов из вещества под действием света.
Фотоэффект был открыт в 1887 г. Генрихом Герцем ,а затем исследовался
экспериментально русским учёным А.Г.Столетовым ,немецкими физиками
В.Гальваксом ,Ф.Ленардом и итальянским учёным А.Риви. Схема для
исследования фотоэффекта состоит из вакуумной трубки ,в которую
помещены два электрода –катод из исследуемого металла и анод (в схеме
Столетова применялась металлическая сетка ),подключенные к источнику
напряжения ;вольтметра и гальванометра. Без освещения катода тока в
цепи нет ,так как в вакуумном промежутке между катодом и анодом нет
носителей заряда. При освещении электроны ,вырываемые светом из
катода ,под действием электрического поля притягиваются к положительно
заряженному аноду. Возникающий в цепи электрический ток называют
фототоком ,а вырванные электроны –фотоэлектронами. Фототок возникает
даже в отсутствие разности потенциалов между анодом и катодом за счёт
кинетической энергии фотоэлектронов, достигающих анода.
При малых напряжениях не все фотоэлектроны достигают анода. С
увеличением разности потенциалов между анодом и катодом сила тока
нарастает. При некотором напряжении она достигает максимального
значения ,называемого фототоком насыщения. Если изменить полярность
источника напряжения ,то сила тока уменьшится и при некотором
задерживающем напряжении она станет равной нулю. В этом случае
электрическое поле тормозит фотоэлектроны до полной остановки ,а затем
возвращает их на катод.
Законы и квантовая теория фотоэффекта.
Законы фотоэффекта:1. Фототок насыщения прямо пропорционален
интенсивности света ,падающего на катод.2.Максимальная кинетическая
энергия фотоэлектронов линейно зависит от частоты света и не зависит от
его интенсивности.3.Для каждого вещества существует минимальная частота
света ,называемая красной границей фотоэффекта, ниже которой
фотоэффект невозможен.
Эти законы невозможно объяснить с помощью волновой теории света.
Явление фотоэффекта и его законы были объяснены на основе
предложенной Эйнштейном квантовой теории света. Согласно этой теории ,
распространение света следует рассматривать не как непрерывный
волновой процесс ,а как поток дискретных световых квантов –фотонов с
энергией hv. Каждый фотон поглощается целиком только одним электроном.
Поэтому число вырванных светом фотоэлектронов ,а стало быть ,и фототок
насыщения пропорциональны интенсивности света (первый закон
фотоэффекта ). Объяснить второй и третий законы фотоэффекта Эйнштейну
удалось с помощью закона сохранения энергии. Энергию связи электрона в
металле характеризуют работой выхода Авых. Работа выхода – минимальная
работа ,которую нужно совершить для удаления электрона из металла.
Значение работы выхода для некоторых металлов приведены в таблице :
металл
Na
Co
Al
Pb
Zn
Fe
Cu
Ag
Pt
Работа выхода ,эВ (1 эВ=1,6*10-19Дж )
2,28
3,9
4,08
4,14
4,31
4,5
4,7
4,73
6,35
Энергия фотона идёт на совершение работы выхода и на сообщение
вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии
hv=Aвых+me Ѵ2/2 -это уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.
Кинетическая энергия фотоэлектрона зависит от частоты света линейно
(второй закон фотоэффекта ):
Ek=meѴ2/2=h(v- Aвых/h) . Кинетическая энергия всегда положительна. Это
значит, что фотоэффект будет наблюдаться для частот v≥Aвых/h. Предельная
частота vmin определяет красную границу фотоэффекта ,ниже которой
фотоэффект невозможен (третий закон фотоэффекта ):vmin=Aвых/h.
Фотоэффект нашёл широкое применение в технике. Вакуумные
фотоэлементы используются в турникетах метро ,системах аварийной и
защитной сигнализации ,военной технике ,системах связи и т.д.
3.Закрепление пройденного (решение задач) :
1) В вакууме находятся два покрытых кальцием электрода ,к которым
подключен конденсатор ёмкостью С. При длительном освещении катода
светом с частотой v=1015Гц фототок ,возникающий вначале ,прекращается ,а
на конденсаторе появляется заряд q=11*10-9Кл. Работа выхода электронов из
кальция Авых=4,42*10-19Дж. Определите ёмкость конденсатора С.
Решение: hv=Aвых+ЕK ; EK=qe*Uз . Так как фототок прекращается из-за
конденсатора ,то задерживающее напряжение равно напряжению на
конденсаторе U=q/C=Uз ; Uз=(hv-Aвых)/qe=1,3625 В. С=q/Uз=8,07*10-9Ф.
2)Фотокатод ,покрытый кальцием (работа выхода равна 4,42*10-19Дж) ,
освещается светом с длиной волны λ=300 нм. Вылетевшие из катода
электроны попадают в однородное магнитное поле с индукцией В=8,3*10-4
Тл перпендикулярно линиям индукции этого поля. Каков максимальный
радиус окружности R ,по которой движутся электроны?
Решение : Из уравнения Эйнштейна для фотоэффекта найдём кинетическую
энергию и скорость электрона: Ек=hc/λ – Авых=2,18*10-19Дж
Ѵ=√2Ек/mе =0,69*106м/с. На электрон действует максимальная сила
Лоренца :Fл=ВѴqе, так как Sin900=1 .
ВѴqе=mе aц=mе Ѵ2/R (электрон двигается по окружности ).
R=mе Ѵ/Вqе =4,7*10-3м.
Домашнее задание: учить формулы и определения.