Урок по физике "Применение фотоэффекта" (11 класс)

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа № 3 имени С.А. Красовского

посёлка Монино Щёлковского муниципального района Московской области

«Применение фотоэффекта»

11 класс

Составитель: Барсукова Татьяна Аркадьевна, учитель физики

 «Применение фотоэффекта»

11 класс

(Урок – ролевая игра проводится в форме пресс-конференции)

Образовательные цели:

- научить понимать физическую сущность процессов, происходящих в вакуумных и полупроводниковых фотоэлементах;

- познакомить с различными областями применения явления фотоэффекта.

Развивающие цели:

- формирование навыков анализа, сравнения, установления причинно-следственных связей;

- развитие навыков работы с различными источниками информации (ресурсами сети Интернет, с научно-популярной и справочной литературой;

- развитие познавательных способностей учащихся.

Воспитательные цели:

- развитие интереса к физике и технике;

- формирование коммуникативных умений,

- профессиональная ориентация учащихся.

Технологии:

- игровая

- дифференцированное обучение.

Предварительная подготовка к уроку.

           Данный урок является уроком изучения нового материала, который имеет  политехническое значение. Он базируется на знаниях  о световых квантах, на теории фотоэффекта.

           За одну-две недели до урока с целью привлечения внимания и повышения интереса сообщаю учащимся о предстоящем уроке, который будет проводиться в форме пресс-конференции. Тогда же учащиеся знакомятся с вопросами, которые будут рассматриваться. Желающие распределяют между собой роли специалистов:

- физик-теоретик,

- специалист фирмы «Фотон»,

- специалист фирмы «Кристалл»,

- «летчик-космонавт»,

- инженер-конструктор,

- представитель киностудии,

- инженер связи,

- работники пресс центра. 

              На консультации  уточняем содержание сообщений, обсуждаем моменты, вызывающие затруднения, готовим демонстрационную часть урока (таблицы, рисунки, демонстрационные опыты, слайды). «Работники пресс-центра» готовят  вопросы (часто с помощью учителя), которые будут заданы «специалистам» во время пресс-конференции.

Оборудование:

-таблица или слайды «Фотоэлементы», «Полупроводниковый элемент»,

-действующая солнечная батарея с гальванометром от амперметра  демонстрационного,

-германиевый фотоэлемент на подставке,

-фотографии космических станций и спутников,

-фотоэкспонометр,

-плакаты или таблицы «Схема оптической записи и воспроизведения звука»,

-современные фотодиоды,

-проекционная аппаратура.

Ход урока

(Приблизительный сценарий)

Ведущий:

       «Сегодня мы проводим пресс-конференцию по теме: «Применение фотоэффекта”.

Будут рассмотрены следующие вопросы.

1.                                 Вакуумные фотоэлементы.

2.                                 Полупроводниковые фотоэлементы.

3.                                 Солнечная батарея.

4.                                 Фотореле.

5.                                 Фотоэлементы и звуковое кино.

6.                                 Фототелеграф.

         Представители прессы могут задать свои вопросы основным докладчикам. Перед вами находятся специалисты. Это физик-теоретик, специалист по вакуумным приборам фирмы “Фотон”, специалист фирмы полупроводниковых приборов “Кристалл”, летчик космонавт-исследователь, инженер-конструктор, представитель киностудии, инженер связи. Прежде чем “специалисты” выступят со своими докладами, прослушайте сообщение о фотоэффекте».

    Выступление Физика-теоретика:

           «Около 130 лет тому назад (1888 – 1890 гг.) выдающимся русским физиком, профессором Московского университета Александром Григорьевичем Столетовым были сформулированы основные закономерности нового, открытого Генрихом Герцем, явления, которое сейчас называется фотоэффектом».

           Далее докладчик напоминает, что такое фотоэффект, формулирует три закона Столетова для фотоэффекта. Объясняет каждый из них с помощью уравнения Эйнштейна. В заключение отмечается значение явления фотоэффекта для науки. «Фотоэффекту в физике отводится особая роль. Он стал одним из первых камней преткновения для классической электродинамики. Только новый корпускулярный подход к природе света оказался приемлемым для его объяснения. Фотоэффект заставил приписать свету квантовые свойства».

Ведущий:

           «Велико и практическое значение фотоэффекта. Фотоэффект позволил создать устройства, преобразующие световую энергию в электрическую. Эти устройства называются  фотоэлементами. Каковы их разновидности? В каких областях они находят применение?»

Выступление специалиста фирмы «Фотон»

      «Я познакомлю вас с вакуумным фотоэлементом …».

Пользуясь наглядными пособиями «специалист» демонстрирует устройство фотоэлемента, показывает его основные части, разъясняет назначение этих частей, рисует его условное обозначение в схемах электрических цепей. Особо выделяются такие достоинства фотоэлементов, как безинерционность срабатывания, пропорциональность силы фототока интенсивности излучения, что позволяет их использовать для различных измерений. Отмечаются и недостатки: слабый ток (который, однако можно усилить с помощью электронных ламп или транзисторов), недостаточная чувствительность к длинноволновому излучению, хрупкость и сравнительная сложность изготовления.

Выступление специалиста фирмы «Кристалл»

        Он делает сообщение о полупроводниковых фотоэлектронных приборах. Начинает рассказ с исторических фактов. «Английские электрики Мей и Смит при испытании подводного кабеля в 1873 году применили в качестве изоляции селен. В процессе испытаний было замечено, что при освещении сопротивление селена уменьшается. Опыты с селеном также проводил в 1888 году профессор Казанского университета В.Я. Ульянин. Он фактически открыл явление вентильного фотоэффекта.

         Генерацию свободных носителей зарядов в полупроводниках, происходящую вследствие облучения полупроводников, стали называть внутренним фотоэффектом». Далее докладчик демонстрирует действие германиевого фотоэлемента, светового фотодиода,  рисует условные обозначения этих приборов. Отмечаются достоинства полупроводниковых фотоэлементов (высокая фоточувствительность, большой срок службы, малые размеры, простота изготовления), а также недостатки: отсутствие прямой пропорциональности между силой тока и интенсивностью освещения,  влияние температуры окружающей среды, инерционность, а также выход из строя под действием ионизирующих излучений.

Предоставляется слово «летчику-космонавту»:

        «Перед вами фотографии космических аппаратов, работающих в далеком космосе и даже на других планетах Солнечной системы. Обратите внимание на «лепестки» долговременных орбитальных станций «МКС», «Салют, «Мир». Эти размашистые  якобы «крылья» спутников Земли представляют, не правда ли, красивое зрелище! Каково их назначение? Они являются важнейшим элементом питания космических аппаратов. С помощью таких приспособлений, названных солнечными батареями, лучистая энергия Солнца преобразуется в электрическую энергию. Она  затем аккумулируется и используется на космическом корабле. Каждая солнечная батарея состоит из десятков тысяч маленьких солнечных фотоэлементов!» 

      Далее следует рассказ об устройстве солнечного кремниевого фотоэлемента,  вскрывается причина создания фото-ЭДС в р-n переходе вентильного полупроводникового прибора.  Докладчик демонстрирует работу солнечной батареи, знакомит слушателей с явлением внутреннего фотоэффекта.

 В дополнение сообщаются интересные факты о физических свойствах полупроводников.

      «Уникальны оптические свойства германия. Недаром потребление чистого германия удваивается каждые десять лет. Совершенные оптические приборы, в которых применяется германий, позволяют с самолета, летящего на высоте 10 км, обнаружить инфракрасное излучение человеческого тела на Земле. Неоценима его роль в военном деле для обнаружения воздушных, наземных и космических объектов».

Выступление  инженера-конструктор

                Он рассказывает о применении фотоэлементов в целях управления электрическими цепями. Отмечаются составные части фотоэлектронных реле: фотоэлемент, триод для усиления сигнала, нагрузочный резистор, электромагнитное реле. Перечисляются многочисленные области применения фотореле:

- включение и выключение маяков, освещения на улицах городов и в помещениях;

- открывание и закрывание дверей;

- приведение в действие или остановка станков;

- управление токами большой мощности с помощью световых потоков;

- автоматический счет деталей на конвейере,

- управление работой турникетов на железнодорожном  транспорте и в метро.

 Выступление представителя киностудии

           «Я расскажу еще об одной профессии фотоэлементов. Благодаря фотоэффекту «заговорило» немое кино. С гордостью могу констатировать факт того, что родиной звукового кино является Россия. Русские ученые Виксцелемский А. и Поляков И. являются изобретателями фотографической записи звука. Они впервые предложили схему воспроизведения фотографической записи звука с помощью фотоэлементов и использования позитива фонограммы».

         Далее следует рассказ об оптической записи звука и о его воспроизведении с помощью фотоэлемента.

Инженер связи, пользуясь схемой и слайдами, рассказывает о работе фототелеграфа. Выясняется особая роль фотоэлемента в создании пульсирующего тока, передающего скрытое изображение.

Ведущий: «Мы прослушали все сообщения. Предлагаю залу задать вопросы специалистам.

Работники пресс центра задают «специалистам» вопросы:

1.                                 В чем состоит  разница между внутренним фотоэффектом  и внешним фотоэффектам?

2.                                 Почему некоторые полупроводниковые приборы могут работать даже в инфракрасном диапазоне, чего нельзя сказать о вакуумных фотоэлементах?

3.                                 Почему вакуумные фотоэлементы не используют в качестве источников электроэнергии?

4.                                 Почему в вольт-амперной характеристике газонаполненного фотоэлемента отсутствует ток насыщения? Какова здесь роль газа?

5.                                 Почему солнечные батареи изготавливают из кремния, в то время как в быту часто мы встречаем элементы из германия?

6.                                 Почему на участках производства, где требуется быстрое срабатывание автоматики, используют вакуумные, а не полупроводниковые фотоэлементы?

После ответов на вопросы, подводятся итоги, «пресса» отмечает, что понравилось в докладах, завершает работу над записями и рисунками.

Анализ проведенных уроков.

           С точки зрения тематики уроки имеют большое политехническое и познавательное значение, поэтому вызывают интерес у учащихся. Уроки в форме пресс-конференции по этой теме проводились в  классах разного уровня.

          Не во всех классах они имели успех.  По сравнению с обычными уроками такие  игровые уроки требуют более тщательной предварительной подготовки во внеурочное время. Именно здесь велика роль учителя в подборе содержания и организации занятия. Во время самого урока инициатива принадлежит учащимся. На уроке успевают выступить не менее 10-12 учащихся. Активность, внимание, умение слушать, высказывать свою точку зрения  проявились в классах, где есть  коллектив и достаточно много учащихся с хорошей физико-технической подготовкой.