Методическая разработка по теме: "Фотоэффект"

Решение задач по теме «Фотоэффект».

Задание 1.

1. Какое из приведенных ниже выражений наиболее точно опреде­ляет понятие фотоэффекта? Укажите правильный ответ.
А. Испускание электронов веществом в результате его нагре­вания.
Б. Вырывание электронов из вещества под действием света. 
В. Увеличение электрической проводимости вещества под дей­ствием света.

2. Какое из приведенных ниже выражений точно определяет поня­тие работы выхода? Укажите правильный ответ.
А. Энергия, необходимая для отрыва электрона от атома. 
Б. Кинетическая энергия свободного электрона в веществе. 
В. Энергия, необходимая свободному электрону для вылета из вещества.

3. Какое из приведенных ниже выражений позволяет рассчитать энергию кванта излучения? Укажите все правильные ответы.
А.               Б.                    В.

А	Б	В	Г	Д	Е

Задание 2.  Сопоставить тексты столбцов:

А	Фототок		1	Электрон, вырванный светом из катода
Б	Фотоэлектрон		2	Максимальное значение фототока
В	Фототок насыщения		3	Минимальная частота света, ниже которой фотоэффект не наблюдается
Г	Задерживающее напряжение		4	Движение вырванных светом из катода электронов
Д	Красная граница фотоэффекта		5	Минимальная работа, которую нужно совершить для выхода электрона из вещества
Е	Работа выхода		6	Напряжение, при котором величина фототока равна нулю

Задание 3. Задачи.

1.Работа выходов электрона из цинка 6,8*10^-19Дж. Найдите красную границу фотоэффекта для цинка.

2. Работа выхода электрона из алюминия равна 6,72*10^-19Дж. Произойдёт ли фотоэффект при освещении алюминия фиолетовым светом с длиной волны 4*10^-7м?

3. Работа выходов электрона из вольфрама равна 7,2*10^-19Дж. Определите задерживающую разность потенциалов для фотоэлектронов при облучении вольфрама ультрафиолетовыми лучами с длиной волны 1,9*10^-7м.

4. Электрон выходит из цезия с кинетической энергией 3,2•10^-19 Дж. Какова максимальная длина волны света, вызывающего фотоэффект, если работа выхода равна 2,88•10^-19 Дж?

5.  Какова кинетическая энергия и скорость фотоэлектрона, вылетевшего из натрия при облучении его ультрафиолетовым светом с длиной волны 200 нм? Работа выхода электрона из натрия 4•10^-19 Дж.

6. Какое запирающее напряжение надо подать на вакуумный фотоэлемент, чтобы электроны, вырванные ультрафиолетовым светом с длиной волны 100 нм из вольфрамового катода, не могли создать ток в цепи?   Работа выхода вольфрама  равна 7,2 •10^-19 Дж

Применение фотоэффекта

          Открытие фотоэффекта имело очень большое значение для более глубокого понимания природы света. Но ценность науки состоит не только в том, что она выясняет сложное и многообразное строение окружающего нас мира, но и в том, что она дает нам в руки средства, используя которые можно совершенствовать производство, улучшать условия материальной и культурной жизни общества.

          С помощью фотоэффекта «заговорило» кино, стала возможной передача движущихся изображений (телевидение).  Применение фотоэлектронных приборов позволило создать станки, которые без участия человека изготовляют детали по заданным чертежам.  Основанные на фотоэффекте приборы контролируют размеры изделий лучше человека, вовремя включают и выключают маяки и уличное освещение и т. п. Все это оказалось возможным благодаря изобретению особых устройств — фотоэлементов, в которых энергия света управляет энергией электрического тока или преобразуется в нее.

Вакуумные фотоэлементы (внешний фотоэффект)

Современный вакуумный фотоэлемент представляет собой стеклянную колбу, часть внутренней поверхности которой покрыта тонким слоем металла с малой работой выхода.

 Это катод 1. Через прозрачное окошко свет проникает внутрь колбы.

Через прозрачное окошко свет проникает внутрь колбы. В ее центре расположена проволочная петля или диск — анод 2, который служит для улавливания фотоэлектронов. Анод присоединяют к положительному полюсу батареи. Фотоэлементы реагируют на видимое излучение и даже на инфракрасные лучи. При попадании света на катод фотоэлемента в цепи возникает электрический ток, который включает или выключает реле. Комбинация фотоэлемента с реле позволяет конструировать множество различных «видящих» автоматов. Одним из них является автомат в метро. Он срабатывает (выдвигает перегородку) при пересечении светового пучка, если предварительно не пропущена карточка. Подобные автоматы могут предотвращать аварии. На заводе фотоэлемент почти мгновенно останавливает мощный пресс, если рука человека оказывается в опасной зоне. С помощью фотоэлементов воспроизводится звук, записанный на кинопленке.

Полупроводниковые фотоэлементы

Кроме рассмотренного в этой главе фотоэффекта, называемого более полно внешним фотоэффектом, широко применяется и так называемый внутренний фотоэффект в полупроводниках. На этом явлении основано устройство фоторезисторов — приборов, сопротивление которых зависит от освещенности. Кроме того, сконструированы полупроводниковые фотоэлементы, создающие ЭДС и непосредственно преобразующие энергию излучения в энергию электрического тока. ЭДС, называемая в данном случае фото ЭДС, возникает в области р—n-перехода двух полупроводников при облучении этой области светом. Под действием света образуются пары электрон — дырка. В области р—n-перехода существует электрическое поле. Это поле заставляет неосновные носители полупроводников перемещаться через контакт. Дырки из полупроводника n-типа перемещаются в полупроводник p-типа, а электроны из полупроводника р-типа — в область n-типа, что приводит к накоплению основных носителей в полупроводниках n- и p-типов. В результате потенциал полупроводника р-типа увеличивается, а n-типа уменьшается. Это происходит до тех пор, пока ток неосновных носителей через р—n-переход не сравняется с током основных носителей через этот же переход. Между полупроводниками устанавливается разность потенциалов, равная фотоЭДС.

Если замкнуть цепь через внешнюю нагрузку, то в цепи пойдет ток, определяемый разностью токов неосновных и основных носителей через р—n-переход. Сила тока зависит от интенсивности падающего света и сопротивления нагрузки R. Фотоэлементы с р—n-переходом создают ЭДС порядка 1—2 В. Их выходная мощность достигает сотен ватт при коэффициенте полезного действия до 20%.

           Фотоэлементы малой мощности используются, например, в фотоэкспонометрах. Особенно широко применяются полупроводниковые фотоэлементы при изготовлении солнечных батарей, устанавливаемых на космических кораблях. К сожалению, пока такие батареи довольно дороги.

Источники: «Физика - 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

                      http://class-fizika.ru/11_65.html

Фотоэффект и его законы. Применение фотоэффекта в технике.

Фотоэффект – явление вырывания электронов из вещества под действием света. Фотоэффект   бывает внешним и внутренним.

Генрих Герц (1887 г.) открыл явление фотоэффекта.

Если пластину зарядить положительно, то освещение пластины источником ультрафиолетовых  лучей не повлияет на быстроту разрядки пластины. Но, если пластину зарядить отрицательно, то разрядка идёт очень быстро.

При облучении вещества появляется электрический ток.

А. Г. Столетов (1890г.) исследовал фотоэффект и установил его количественные закономерности.

1905г. — Альберт Эйнштейн обосновал квантовую природу фотоэффекта и все его закономерности.

Законы фотоэффекта.

В стеклянный баллон, из которого откачан воздух, помещены два электрода. Внутрь баллона на один из электродов через кварцевое окошко, поступает свет. На электроды подаётся напряжение, которое можно изменять и измерять. Сначала электрод, на который падает свет, подключают к отрицательному полюсу батареи. Под действием света этот электрод испускает электроны, которые при движении в электрическом поле образуют электрический ток. При малых напряжениях не все электроны достигают другого электрода. При увеличении напряжения (без изменения интенсивности света) сила тока нарастает. Но при некотором значении она перестаёт увеличиваться. Это значение силы тока называется током насыщения.

Первый закон.

Число фотоэлектронов, вырываемых из катода за 1 с (фототок насыщения), пропорционально интенсивности света.

Из графика видно, что при нулевом значении напряжения сила тока отлична от нуля. Это означает, что часть электронов достигают другого электрода и при отсутствии напряжения. Если изменить полярность электродов, то при некотором значении напряжения ток в цепи станет равным нулю. Это напряжение называется задерживающим (Uз).

mV²/2=eU₃

Второй закон.

Максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности.

 Третий закон.

Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. такая наименьшая частота света ν_min, ниже которой фотоэффект невозможен → ;

Теория фотоэффекта.

Явление фотоэффекта экспериментально доказало, что свет имеет прерывистую структуру. Излученная порция сохраняет свою индивидуальность и поглощается веществом только целиком.

Согласно закона сохранения энергии:

       – уравнение Эйнштейна.

Если энергия фотона меньше работы выхода  , то фотоэффект не происходит.

Работа выхода зависит от рода вещества. Поэтому красная граница для разных веществ различна

Применение фотоэффекта.

Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называются фотоэлементами.

1. Внешний фотоэффект – испускание электроном с поверхности металлов под действием света.

Применение (фотоэлемент) в технике.

·         Кино – воспроизведение звука.

·         Фототелеграф, фототелефон.

·         Фотометрия – для измерения силы света, яркости, освещенности.

·         Управление производственными процессами .

2. Внутренний фотоэффект – изменение концентрации носителей тока в веществе и как следствие изменение электропроводности данного вещества под действием света.

Применение – фоторезистор.

q  Используется при автоматическом управлении электрическими цепями.

3. Вентильный фотоэффект – возникновение ЭДС под действием света в системе, содержащей контакт двух различных полупроводников.

Применение – солнечные батареи.

§  Используются в искусственных спутниках, при получении энергии в пустыне, для подзарядки батарей в микроэлектронной технике и т. д.

Тест по теме; «Фотоэффект»

1. Какое из приведенных ниже выражений наиболее точно определяет понятие фотоэффекта?

А. Испускание электронов веществом в результате его нагревания.

Б. Вырывание электронов из вещества под действием света.

В. Увеличение электрической проводимости вещества под действием света.

2.Кто из этих ученых сформулировал законы фотоэффекта.

А. 1;               Б. 2;                       В. 3

3. От каких параметров зависит максимальная кинетическая энергия электронов, вырываемых с металла светом?

А. От интенсивности света;                 Б. От частоты;  

В. От работы выхода;                           Г. От частоты и работы выхода.

4. С помощью графика определите в каком случае больше интенсивность света, падающего на металл?

А. 1;             Б. 2;                         В. 3.

5. Какое из приведенных ниже выражений точно определяет понятие работы выхода? Укажите правильный ответ.

А. Энергия необходимая для отрыва электрона от атома.

Б. Кинетическая энергия свободного электрона в веществе.

В. Энергия, необходимая свободному электрону для вылета из вещества.

6. Какое из приведенных выражений позволяет рассчитать энергию кванта излучения? Укажите правильные ответы.

А. А_вых+ Е_к           Б. hv - E_к        В. А_вых+ mv²/2

7. При каком условии возможен фотоэффект? Укажите правильные ответы.

А. hv>A_вых              Б. hvA_вых              В. hv<A_вых

8. Чему равна максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов вырываемых из металла под действием фотонов с энергией 8*10^-19 Дж, если работа выхода 2*10^-19 Дж?

Укажите правильные ответы.

А. 10*10^-19 Дж;                   Б. 6*10^-19 Дж;                       В. 5*10^-19 Дж

9. Укажите вещество, для которого возможен фотоэффект под действием фотонов с энергией 4,8*10^-19 Дж. Укажите все правильные ответы.

А. Платина(А_вых=8,5*10^-19 Дж);

Б. Серебро (А_вых=6,9*10^-19 Дж);

В. Литий (А_вых=3,8*10^-19 Дж).

10. Из каких предположений удалось объяснить явление фотоэффекта?

А. Свет обладает волновыми свойствами.                            Б.  Свет обладает энергией

В. Фотоэффект до сих пор никто не объяснил.                    Г. Свет обладает свойствами частиц

11. На рисунке изображена схема установки для исследования явления фотоэффекта. Какой газ находится в баллоне?

А.  Вакуум (был откачен воздух)     Б.  Кислород

В.  Водород                                         Г.  Гелий

12.Согласно одному из законов фотоэффекта: количество электронов, вырываемых светом ежесекундно с поверхности металла

А. Не зависит от поглощенной энергии света

Б. Свет с поверхности металла электронов не вырывает

В. Пропорционально поглощенной энергии света

Г. Обратно пропорционально поглощенной энергии света

• 1 слайд

• 2 слайд

  Макс Планк
  1858-1947
  Немецкий физик-теоретик,
  Лауреат Нобелевской премии по физике (1918) и других наград, член Прусской академии наук (1894), ряда иностранных научных обществ и академий наук. На протяжении многих лет один из руководителей немецкой науки.
  
  Основоположник квантовой физики.
  
  Исследовал излучение абсолютно черного тела.
  
  Выдвинул гипотезу о квантовании энергии.
  
  

• 3 слайд

  В 1900 году Макс Планк пришел к выводу,
  что процессы излучения и поглощения электромагнитной энергии нагретым телом или атомом происходят не непрерывно, как это принимала классическая физика, а конечными порциями - квантами.
  Квант - минимальная порция энергии, излучаемой или поглощаемой телом.
  Энергия Е каждой порции прямо пропорциональна частоте излучения:
  
  
  
  
  — постоянная Планка
  (фундаментальная)
  

• 4 слайд

  Явление фотоэффекта стало подтверждением квантовой гипотезы.
  Этапы изучения фотоэффекта
  Генрих Герц - открытие явления.1887 год.
  А. Г. Столетов - исследовал фотоэффект и установил его количественные закономерности. 1888 год.
  А. Эйнштейн - обосновал квантовую природу фотоэффекта. 1905 год.
  

• 5 слайд

  5
  Фотоэффект – явление вырывания электронов из вещества под действием света.
  
  
  
  
  Фотоэффект бывает внешним и внутренним.
  Внешний фотоэффект — фотоэффект, сопровождающийся вылетом электронов с поверхности вещества.
  Внутренний фотоэффект — фотоэффект, сопровождающийся увеличением концентрации носителей заряда в веществе.
  
  

• 6 слайд

  6
  Наблюдение фотоэффекта
  Для обнаружения фотоэффекта на опыте можно использовать электрометр с присоединенной к нему цинковой пластиной.
  Если зарядить пластину положительно, то ее освещение, например электрической дугой, не влияет на быстроту разрядки электрометра.
  Но если пластину зарядить отрицательно, то световой пучок от дуги разряжает электрометр очень быстро.
  

• 7 слайд

  Схема экспериментальной установки для изучения фотоэффекта
  Катод K
  Стеклянный вакуумный баллон
  Двойной ключ для изменения полярности
  Кварцевое окошко
  Анод А
  Источник напряжения U
  Источник монохроматического света длины волны λ
  Потенциометр для регулирования напряжения
  Электроизмерительные приборы для снятия вольтамперной характеристики
  

• 8 слайд

  Фототок — электрический ток, возникающий в цепи под действием падающего ультрафиолетового излучения, при отсутствии напряжения между электродами.
  

• 9 слайд

  Александр Григорьевич Столетов
  Iн
  I
  Uн
  Uз
  O
  Iн — фототок насыщения;
  Uз — задерживающее напряжение.
   
   
   
  U
  

• 10 слайд

  Законы фотоэффекта
  Первый закон.
  Число фотоэлектронов, вырываемых из катода за 1 с (фототок насыщения), пропорционально интенсивности света.
  Второй закон.
  Максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности.
  
  

• 11 слайд

  Законы фотоэффекта
  Третий закон.
  Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. такая наименьшая частота света νmin, ниже которой фотоэффект невозможен.
  

• 12 слайд

  При  < min , ни при какой интенсивности волны падающего на фотокатод света, фотоэффект не произойдет.
  
  Красная граница фотоэффекта
  минимальной частоте света соответствует максимальная длина волны.
  

• 13 слайд

  Уравнение Эйнштейна
  Альберт Эйнштейн
  1879 —1955
  
  Физик-теоретик, один из основателей современной теоретической физики, лауреат Нобелевской премии по физике 1921 года, общественный деятель-гуманист.
  

• 14 слайд

  Уравнение Эйнштейна
  𝝂 - частота падающего света,
  m - масса электрона (фотоэлектрона),
  𝜐 - скорость электрона,
  h - постоянная Планка,
  A - работа выхода электронов из металла.
  

• 15 слайд

  Работа выхода
  15
  Работа выхода - это характеристика материала.
  Она показывает, какую работу должен совершить электрон, чтобы преодолеть поверхностную разность потенциалов и выйти за пределы металла.
  Среди металлов наименьшей работой выхода обладают щелочные металлы. Например, у натрия A = 1,9 эВ, что соответствует красной границе фотоэффекта λкр ≈ 680 нм.
  Поэтому соединения щелочных металлов используют для создания катодов в фотоэлементах, предназначенных для регистрации видимого света.
  

• 16 слайд

  Применение фотоэффекта
  16
  Фотоэлементы – это устройства, в которых энергия света управляет энергией электрического тока или преобразуется в неё.
  Вакуумные фотоэлементы (внешний фотоэффект)
  Полупроводниковые фотоэлементы (внутренний фотоэффект)
  

• 17 слайд

  Вы можете использовать
  данное оформление
  для создания своих презентаций,
  но в своей презентации вы должны указать
  источник шаблона:
  
  Смирнова Маргарита Александровна
  учитель математики
  МОУ «Суховерковская СОШ»
  Калининского района
  Тверской области