Световые кванты. Уравнение фотоэффекта - СВЕТОВЫЕ КВАНТЫ - КВАНТОВАЯ ФИЗИКА

Задачи урока: сформировать понятие кванта энергии; расширить представления учащихся об области применения закона сохранения энергии.

План урока

Этапы урока	Время, мин	Приёмы и методы
I. Введение	1	Сообщение учителем плана урока
II. Проверка домашнего задания	10	Фронтальный опрос по хрестоматийному материалу. Ответы на вопросы
III. Изучение нового материала	10—15	Рассказ учителя. Записи учащихся в тетрадях
IV. Отработка знаний	12—17	Решение задач. Беседа с учащимися
V. Подведение итогов. Домашнее задание	2—5	Сообщение учителя. Запись на доске

I. Объявляется план работы на уроке.

II. Повторение изученного материала желательно сочетать с его углублением. В частности, один из школьников может выступить с кратким дополнением рассказа о Столетове. Предлагают вопросы по хрестоматийному материалу:

1. Как Столетов определил явление фотоэффекта?

2. На основе какого результата опыта можно сделать вывод о том, что количество фотоэлектронов прямо пропорционально интенсивности световой волны (освещённости пластинки)?

3. Как Столетов определил, что фотоэффект вызывается светом не любой длины волны?

4. 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”?

III. 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

где h — постоянная величина, получившая название постоянной Планка. Её числовое значение мало:

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 в. и с 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. 95].

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

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—Эйнштейна стала в дальнейшем ведущим теоретическим положением квантовой физики. Из квантов состоит не только видимый свет, но и другие электромагнитные волны — как короткие, так и длинные. Световые кванты называют фотонами. (Фотонами можно называть и кванты любых электромагнитных волн.)

IV. 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 и того, 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 на следующих 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 иллюзорным и 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. 216—217].

Обращают внимание школьников на то, что дискретное изменение энергии является принципиально новым положением по сравнению с непрерывным изменением величин в классической физике.