Уравнение эйнштейна для фотоэффекта представляет собой применение к данному явлению закон (5 видео)

Уравнение эйнштейна для фотоэффекта представляет собой применение к данному явлению закон

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта выражает собой

1) закон сохранения импульса для падающего фотона и выбиваемого им электрона

2) закон сохранения электрического заряда для падающего фотона и выбиваемого электрона

3) закон сохранения энергии для падающего фотона и выбиваемого им электрона

4) все три перечисленных закона для падающего фотона и выбиваемого им электрона

Уравнение Эйнштейна выражается закон сохранения энергии: энергия фотона идет на работу выхода и сообщение фотоэлектрону кинетической энергии Верно утверждение 3.

Содержание

Формула Эйнштейна для фотоэффекта. Применение фотоэффекта
Световые кванты
Презентация к уроку
🎦 Видео

Видео:Физика 11 класс (Урок№22 - Фотоэффект.)Скачать

Формула Эйнштейна для фотоэффекта. Применение фотоэффекта

Этот видеоурок доступен по абонементу

У вас уже есть абонемент? Войти

На данном уроке, тема которого: «Формула Эйнштейна для фотоэффекта. Применение фотоэффекта», мы познакомимся с самим уравнением Эйнштейна, дадим определение красной границы фотоэффекта, а также решим задачу.

Видео:Урок 434. Фотоэффект. Законы фотоэффектаСкачать

Световые кванты

Презентация к уроку

Задачи урока:

Повторить пройденный материал по теме и подготовить учащихся к контрольной работе.
С целью развития мышления учащихся через приобщение их к процессу познания познакомить со структурой физической теории и обобщить знания на ее основе.
Показать значение исходных фактов, опытов, роль гипотезы, модели, эвристическую роль теории, значение эксперимента, значение теории для практики, границы применимости теории.
Развить учения школьников применять знания по квантовой теории при решении задач.
Продолжить подготовку учащихся к сдаче ЕГЭ.

Демонстрации:

Опыт по фотоэффекту.
Опыт по давлению света.
Демонстрация по применению фотоэффекта.

План урока:

I. Обобщение знаний
1. Общая структура физической теории.
2. Экспериментальные факты, приведшие к созданию квантовой теории
3. Модель света – частица
4. Явление фотоэффекта и законы фотоэффекта
5. Уравнение Эйнштейна
6. Применение фотоэффекта
7. Эффект Комптона, давление света, химическое действие света – явления, подтверждающие квантовую природу света
8. Границы применимости квантовой теории
9. Корпускулярно-волновой дуализм
10. Гипотеза Луи де Бройля
II. Решение разноуровневых задач на фотоэффект
III. Тренировочное тестирование
IV. Задание на дом.

Методы и приемы

Беседа. Запись на доске. Составление таблицы. Опыты. Решение задач. Тестирование.
Обобщение фактов, выдвижение гипотезы, вывод теоретических следствий.
Экспериментальная проверка следствий.
Применение теории на практике.

– Сегодня мы должны повторить и обобщить изученный материал по теме «Световые кванты» и подготовиться к контрольной работе. На прошлых уроках мы говорили о цикле научного познания, который присущ любой физической теории, в том числе и квантовой.

1. Что собою представляет цикл научного познания?

2. При изучении какой теории мы уже применяли принцип цикличности (МКТ)?

– На сегодняшнем уроке мы также проследим принцип цикличности в создании квантовой теории.

Сообщение «О квантовой механике»

3. Итак, что же предшествовало введению понятия о квантовой природе света?

Объяснение в 1990г. распределения энергии в сплошном спектре теплого излучения абсолютно черного тела.

4. Какое противоречие возникло между теорией Максвелла и опытными данными?

Электродинамика Максвелла приводила к бессмысленному выводу: нагретое тело, непрерывно теряя энергию (излучая электромагнитные волны), должно охладиться до абсолютного нуля, что противоречило закону сохранения энергии. В дальнейшем физики назвали нарушение закона сохранения энергии при сверхвысоких частотах «Ультрафиолетовой катастрофой». Эксперимент Стефана-Больцмана не совпадал с теорией Максвелла.

5. Какой выход предложил М. Планк?

Сообщение о М.Планке.

Атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями – квантами , , где h – постоянная Планка h = 6,63•10 –34 Дж•с
Планк сделал заключение: законы классической физики совершенно не применимы к явлениям микромира.

6. Как была определена постоянная Планка?

Из опыта распределения энергии теплового излучения в спектре h = 6,63 • 10 –34 Дж•с

7. Когда впервые были обнаружены квантовые свойства материи?

Впервые квантовые свойства материи были обнаружены при исследовании излучения и поглощения света Герцем, Столетовым.

Сообщение о Столетове А.Г.

8. Что называется фотоэффектом?

Явление вырывания электронов из вещества под действием света.

9. В чем сущность различия между внешним и внутренним фотоэффектом?

10. Назовите законы внешнего фотоэффекта

1) Фототок насыщения пропорционален освещенности катода; число фотоэлектронов n, вырываемых из металла за единицу времени, пропорционально интенсивности света

2) Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от интенсивности света

3) Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота, при которой еще возможен фотоэффект, величина зависит от химической природы вещества и состояния поверхности, при фотоэффект не возможен

4) Фотоэффект практически безынерционен

11. Объяснить график зависимости I(U)

Освещенность E₂ > Е₁. Фототок существует и в областях тормозящих (U отрицательное). Это объясняется тем, что фотоэлектроны, выбитые светом из катода имеют отличную от нуля начальную Eк. За счет этой энергии электроны могут совершать работу, двигаясь в задерживающем электрическом поле, и достигать анода.

12. Что такое задерживающее напряжение и от чего оно зависит?

, где m – масса электрона, e – заряд электрона.
Если , то фототок отсутствует
Если , то фототок растет, так как все большее число фотоэлектронов достигает анода
Если , фототок насыщения, все электроны, покинувшие катод за 1с достигают анода , n – число электронов
Задерживающее напряжение зависит от максимальной кинетической энергии вырванных электронов.

13. Что называется током насыщения?

14. В чем трудность объяснения законов фотоэффекта на основе классической теории?

Полученные опытным путем законы фотоэффекта не удалось объяснить на основе электромагнитной волновой теории света. С точки зрения этой теории электромагнитная волна, достигнув поверхности металла, вызывает вынужденные колебания электронов, отрывая их от поверхности металла. Но тогда требуется время для «раскачки» электронов, и при малой освещенности металла должно возникнуть заметное запаздывание между началом освещения и моментом вылета электронов, а фотоэффект практически безынерционен.
Кинетическая энергия фотоэлектронов и их максимальная скорость не зависят от амплитуды колебаний вектора напряженности электрического поля волны, а, следовательно, от ее интенсивности, что противоречит II и III законам фотоэффекта.

15. Начертите график зависимости Ек(?)

16. Кому удалось объяснить законы фотоэффекта?

В 1905 году А. Эйнштейн развивает идею М. Планка. Явление фотоэффекта показало, что свет имеет прерывистую структуру. Излученная порция световой энергии сохраняет свою индивидуальность и поглощается только всей порцией целиком.

Каждый фотоэлектрон вырывается из катода за счет действия одного кванта излучения.

– Уравнение Эйнштейна

Энергия фотона при поглощении металлом идет на совершение работы выхода электрона из металла и на сообщение фотоэлектрону максимальной кинетической энергии. Фотоэффект не может происходить на совершенно «свободных» электронах, электроны должны быть «связаны» и находиться в атоме газа, в твердом теле и т.д.
Поэтому Eк энергия фотоэлектрона зависит только от одного кванта с энергией , и если эта частота , необходимой для вырывания фотоэлектрона, то фотоэффект не произойдет. называется красной границей фотоэффекта, она зависит от работы выхода.

17. Что называется работой выхода?

Работа выхода – это минимальная работа, которую нужно совершить, чтобы извлечь электрон из металла и удалить от поверхности. Работа выхода зависит от вещества и состояния поверхности.

18. Что еще определили с помощью уравнения Эйнштейна?

Уравнение Эйнштейна позволило опытным путем найти фундаментальную постоянную квантовой физики – постоянную Планка и сравнить ее значение с тем значением, которое было получено при изучении теплового излучения абсолютно черного тела.

1928 год, Ленинград, П.И. Лукирский, С.С. Прилежаев.

19. Применение фотоэффекта.

Облучение светом фотоэлемента и отклонение стрелки гальванометра (фототок)

Демонстрация солнечной батареи

20. Итак, свет представляет собой локализованные в пространстве частицы, которые могут поглощаться и испускаться целиком. Как назвали эти частицы?

Эти частицы назвали фотонами.

21. Перечислите основные свойства фотона?

1) Является частицей электромагнитного поля. Легко зарождается и легко исчезает
2) Отсутствует масса покоя (m₀ = 0 – покоящихся неподвижных фотонов не существует)
3) Движется со скоростью света
4) Остановить фотон нельзя
5) Фотон не делится на части. Он испускается, отражается, преломляется, поглощается только целиком
6) импульс фотона направлен по световому пучку, указывает на связь корпускулярных и волновых свойств света.

р – импульс частицы; , – характеристика волны
Фотон – ультрарелятивистская частица, в вакууме скорость света , в веществе , где n – показатель преломления среды.

Массу фотона следует рассматривать как полевую массу, обусловленную тем, что электромагнитное поле обладает энергией. Измерить массу фотона невозможно.

22. В чем состоит физическая сущность эффекта Комптона?

Объяснение законов фотоэффекта на основании гипотезы о существовании фотонов было большим успехом гипотезы, но не являлось ее строгим доказательством. Для доказательства существования фотонов, как обособленных в пространстве частиц, обладающих массой и импульсом необходимо было экспериментально обнаружить взаимодействие отдельных фотонов с другими частицами. В 1922 году американскому физику А.Комптону экспериментально удалось наблюдать рассеивание рентгеновского излучения в веществе (графит, парафин).

– длина волны падающего света
‘ – длина волны рассеянного света
– импульс падающего фотона
– импульс рассеянного фотона
– импульс электрона отдачи после взаимодействия
_к – комптоновская длина волны

Для взаимодействия свободного электрона с падающим на него фотоном справедливы законы сохранения импульса и энергии.
Рентгеновский фотон с частотой ? обладает энергией Е и импульсом . При столкновении фотона с электроном, находящимся в покое, происходит передача части энергии и импульса фотона электрону. Уменьшение энергии приводит к уменьшению частоты, а значит увеличению ?.

23. Дайте объяснение давлению света на поверхность твердого тела с точки зрения волновой и квантовой теорий.

Сообщение о П.Н. Лебедеве

Опыт по давлению света

24. В чем заключается химическое действие света? Как оно проявляется? Какую роль в жизни растений и микроорганизмов играет фотосинтез?

25. Как вы понимаете корпускулярно-волновой дуализм?

Смысл корпускулярно-волнового дуализма свойств света заключается в том, что свет имеет сложную природу, которая в зависимости от условий опыта приближенно может быть описана с применением привычных нам представлений о волнах или частицах.
Корпускулярно-волновой дуализм – общее свойство материи, проявляющееся на микроскопическом уровне.

26. В чем суть гипотезы Луи де Бройля?

Частицам присущи волновые свойства, это было доказано экспериментально.

– связь длины волны ? с импульсом частицы.

Вывод по уроку.

На уроке проводилось обобщение и повторение основных вопросов темы «Световые кванты». В начале сопоставлялись опыты и факты, приведшие физиков на рубеже XIX-XX веков к проблеме невозможности с помощью классической физики объяснить распределение энергии в спектре абсолютно черного тела. Планком была выдвинута гипотеза, что атомы излучают электромагнитную энергию порциями-квантами. С помощью эксперимента, законов, графиков, теоретических следствий описана модель света, гласящая, что свет – это частица, которая испускается, распространяется, поглощается отдельными порциями, фотонами с энергией . Эксперименты, проведенные П.Н. Лебедевым, А. Комптоном подтвердили гипотезу Планка.
Так, в начале XX века была создана квантовая теория, были подчеркнуты границы применимости данной теории. Было выяснено, что при испускании и поглощении свет ведет себя как частица, а при распространении – как волна. Также ученые убедились в фундаментальности законов сохранения энергии и импульса. Была создана гипотеза Луи де Бройля.
В итоге мы сделали вывод о неограниченности и беспредельности процесса познания.

ВАС ЖДУТ ВЕЛИКИЕ ОТКРЫТИЯ! ДЕРЗАЙТЕ!

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ

А1. Какой график соответствует зависимости максимальной кинетической энергии фотоэлектронов Е от частоты падающих на вещество фотонов при фотоэффекте (рис.)?

А2. При освещении катода вакуумного фотоэлемента потоком монохроматического света происходит освобождение фотоэлектронов. Как изменится максимальная энергия вылетевших фотоэлектронов при увеличении частоты падающего света в 3 раза?

1) Увеличится в 3 раза
2) Не изменится
3) Увеличится более чем в 3 раза
4) Увеличится менее чем в 3 раза

А3. Снимаются вольтамперные характеристики вакуумного фотоэлемента. Максимальному числу фотонов, падающих на фотокатод за единицу времени, соответствует характеристика:

А4. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта представляет собой применение к данному явлению:

1) закона сохранения импульса;
2) закона сохранения энергии;
3) закона преломления и отражения света;
4) закона сохранения заряда;
5) закона сохранения момента импульса.

А5. Кинетическая энергия фотоэлектронов при внешнем фотоэффекте увеличивается, если:

1) увеличивается работа выхода электронов из металла;
2) уменьшается работа выхода электронов из металла;
3) уменьшается энергия кванта падающего света;
4) увеличивается интенсивность светового потока;
5) уменьшается интенсивность светового потока.

С1. Чему равна длина волны ?k, соответствующая красной границе фотоэффекта, если при облучении металлической пластинки светом длиной волны ? = 3,3·10–7 м максимальная скорость выбиваемых электронов составляет 800 км/с?

Литература:

1. Мякишев Г.Я. Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, В.М. Чаругин; под ред. В.И. Николаева, Н.А. Парфентьевой. – 18-е изд. – М.: Просвещение, 2009. – 399 с.
2. Касьянов В.А. Физика. 11 кл.: Учебн. для бщеобразоват. учеб. заведений. – М.: Дрофа, 2008. – 416 с.
3. Луппов Г.Д. Опорные конспекты и тестовые задания по физике: 11 кл.: Кн. для учителя. – М.: Просвещение: АО «Учеб. лит.», 1996. – 288 с.
4. Богатин А.С. Пособие для подготовки к единому государственному экзамену и централизованному тестированию по физике. Изд. 2-е. – ростов н/Д: Феникс, 2003. – 416 с.
5. Ханнанов Н.К. ЕГЭ 2011. Физика: сборник заданий / Н.К. Ханнанов, Г.Г. Никифоров, В.А. Орлов. – М.: Эксмо, 2010. – 240 с.
6. Николаев, В.И. ЕГЭ. Физика. Тестовые задания ФИПИ / В.И. Николаев, А.М. Шипилин. – М.: – Издательство «Экзамен», 2011. – 167 с.