Возникновение квантовой физики. Фотоэлектрический эффект и его законы - СВЕТОВЫЕ КВАНТЫ - КВАНТОВАЯ ФИЗИКА

Мировоззренческую роль изучения квантовой физики трудно переоценить. Значимость познания микромира для людей, явно выраженная модельность знания об изучаемых объектах, разнообразие и преемственность знаний, важность знания о границах применимости наших представлений — вот далеко не полный перечень вопросов методологии познания, которые надо ставить и решать на уроках.

Их обсуждение необходимо для развития познавательных потребностей школьников вне зависимости от их будущей профессии. Поэтому при планировании уроков вопросам методологии познания нужно уделять особое внимание.

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 задач, а 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
I. Введение II. Изучение нового материала: явление фотоэффекта, законы фотоэффекта, опыты Столетова III. Решение задач IV. Краткое обобщение. Домашнее задание	5 20—25 10 2—3	Рассказ учителя Демонстрация опыта. Беседа с учащимися. Работа с учебником. Рассказ учителя Записи в тетрадях, беседа Подведение итогов урока учителем, пояснение домашнего задания

I. Урок можно начать с характеристики исторической обстановки в физике в революционный период её 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 м и 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 определённых частот. Накопился ряд опытных фактов, которые не смогла объяснить физическая теория того времени.

II. 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 х 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 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 опыт: на 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.

2. Изучение устройства и работы установки Столетова.

3. Формулировка первого закона фотоэффекта.

4. 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.

III. Закрепление и углубление изученного на уроке материала осуществляется как в процессе беседы с учащимися, так и при выполнении заданий после работы с учебником. Можно предложить задания по графикам, повторить ключевые понятия урока.

1. 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 освещённость больше.

3. 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?

4. На рисунке 118 приведены графики зависимости энергии вышедших электронов от частоты падающего света. Какой из графиков соответствует опыту с разными освещённостями пластинки?

5. Какой из световых потоков обладает большей частотой (рис. 119)?

IV. Домашнее задание: § 69 (часть); Хрестоматия (с. 167—170).