Профильное обучение в контексте предметного содержания. На материале предмета «физика». Учебное пособие

21

Давайте выясним, какие факты у нас есть на руках. Вспомним, когда мир впервые услышал о фотоэффекте.

Историк 1. Впервые явление фотоэффекта было обнаружено Г. Герцем в

1887 году. Генрих Герц (1857 – 1894) – немецкий физик, экспериментально до-

казавший в 1886 году существование электромагнитных волн. Установил тож-

дественность основных свойств электромагнитных и световых волн. Подробно исследовал отражение, интерференцию, дифракцию и поляризацию электро-

магнитных волн.

Аналитик 1. Демонстрирует видеофрагмент «Явление фотоэффекта».

Фотоэффектом называют вырывание электронов из вещества под дей-

ствием света. Для обнаружения фотоэффекта можно использовать электрометр с присоединенной к нему цинковой пластиной. Если зарядить пластину поло-

жительно, то освещенность пластины не влияет на быстроту разрядки электро-

метра. Но если пластину зарядить отрицательно, то световой пучок от дуги раз-

ряжает электрометр очень быстро. Объяснить это можно следующим образом:

свет вырывает электроны с поверхности пластины. Если она заряжена отрица-

тельно, электроны отталкиваются от нее и электрометр разряжается. При поло-

жительном же заряде пластины вырванные светом электроны притягиваются к пластине и снова оседают на ней. Поэтому заряд электрометра не изменяется.

Если на пути света поставлено обыкновенное стекло, отрицательно заряженная пластина уже не теряет электроны.

Знаток 2. И что тут может быть непонятного? По-моему, это элементар-

но, Холмс. Фотоэффект – это явление вылета электронов с поверхности метал-

ла под действием света. Можно заканчивать расследование.

Знаток 1. Не торопитесь, коллега. Мы только в начале пути. Господин Герц лишь зафиксировал и описал явление фотоэффекта. Но более детально его изучил выдающийся русский физик А. Г. Столетов. Предлагаю перенестись в Россию XIX века. И посмотреть, что происходило в лаборатории…

Историк 2. Александр Григорьевич Столетов (1839 – 1896) – русский фи-

зик. Исследование фотоэффекта принесло Столетову мировую известность.

22

Столетов показал возможность применения фотоэффекта на практике.

Аналитик 2. Рассмотрим схему опытов Столетова. В вакуумной трубке помещают исследуемую пластину, служащую катодом, и вспомогательный электрод, служащий анодом. Электроды через потенциометр подключены к ис-

точнику напряжения. Если пластину не освещать, ток в цепи отсутствует, так как вакуумный промежуток между катодом и анодом тока не проводит. Если же исследуемую пластину осветить через окно, то свет вырвет из пластины элек-

троны. Под действием электрического поля фотоэлектроны движутся к аноду,

замыкая цепь. Гальванометр показывает наличие тока. С помощью потенцио-

метра можно изменять значение и знак анодного напряжения. В результате многочисленных тщательно поставленных опытов Столетов установил законы фотоэффекта.

Первый закон. Общее число фотоэлектронов, которые вырываются све-

том из катода за единицу времени, и сила фототока насыщения пропорцио-

нальна освещенности катода.

Второй закон. Максимальная скорость фотоэлектронов не зависит от ча-

стоты света и свойств поверхности металла, а зависит от освещенности катода.

Аналитик 3. Объяснение с помощью мультимедийного диска. Начальные данные: λ = 530 нм, Р = 0,3 мВт, U = 1,5 В. Не меняя интенсивности излучения,

увеличиваем напряжение между электродами, замечаем, что сила тока растет.

При напряжении 2,8 В она достигает максимального значения 0,298 мА, после чего перестает увеличиваться. Ток достигает насыщения. Увеличиваем интен-

сивность, и сила фототока насыщения при заданном напряжении усиливается.

Третий закон. Для каждого вещества существует красная граница фото-

эффекта – наименьшая частота (или наибольшая, «красная», длина волны), при которой еще возможен фотоэффект. При ν < νmin (λ > λmax) фотоэффекта быть не может.

Знаток 2. Я согласен, новые факты немного усложнили понимание, но я бы не сказал, что это очень сложно. (Повторяет законы фотоэффекта).

Знаток 1. Ну что же, коллега, вы правильно уяснили и схему опытов и

23

законы фотоэффекта. Но давайте не будем забывать, что, кроме простого изло-

жения фактов, нас с вами должно интересовать и их научное объяснение. То есть для нас с вами главный вопрос «Почему»?

Знаток 2. Это элементарно, сейчас я вам объясню. Помните – в ходе од-

ного из наших расследований мы выяснили с вами, что такое свет. И вы убеди-

ли меня в том, что свет – это электромагнитная волна. Теперь я постараюсь применить полученные знания для объяснения данного явления.

Согласно волновой теории, свет, представляющий собой электромагнит-

ные волны, приводит электроны, находящиеся вблизи поверхности металла, в

колебательное движение с амплитудой, зависящей от напряженности поля, а

следовательно, от интенсивности падающего света. В результате электрон при-

обретает кинетическую энергию, достаточную для преодоления силы притяже-

ния положительных ионов и вылета его из металла. Чем более выражена интен-

сивность падающего света, тем большее число электронов может получить энергию, достаточную для вылета из металла, и тем больше будет ток насыще-

ния. Это объясняет первый закон фотоэффекта.

Аналитик 3. λ = 530 нм, U = 0 В, I = 0,018 мА – часть вырываемых светом электронов достигает левого электрода. Изменяем полярность батареи – сила тока уменьшается, и при U = –0,5 В становится равной нулю. Это означает, что электрическое поле тормозит вырванные электроны до полной остановки, а за-

тем возвращает их на катод.

Изменяем интенсивность света – задерживающее напряжение не меняет-

ся, следовательно, не меняется кинетическая энергия фотоэлектронов, значит,

не меняется и скорость фотоэлектронов. Изменяем частоту света (уменьшаем длину волны, т.е. увеличиваем частоту падающего света) – задерживающее напряжение следует увеличить – и как результат – кинетическая энергия увели-

чивается. Вывод: максимальная скорость фотоэлектронов зависит от частоты

(линейно возрастает) и не зависит от освещенности катода.

Знаток 1. Замечательно. Вы только что блестяще продемонстрировали умения применять знания в новой ситуации. Но есть одно маленькое «но». Как

24

вы объясните существование «красной» границы фотоэффекта и независимость кинетической энергии электронов от интенсивности падающего света?

Знаток 2. М…да. Что-то не получается. Я не понимаю…

Знаток 1. Позвольте я Вам помогу. У нас запланирована еще одна встре-

ча с выдающимся физиком. Нас ждет сам А. Эйнштейн.

Историк 3. Альберт Эйнштейн (1879 – 1955) – великий физик ХХ века.

Им создано новое учение о пространстве и времени – специальная теория отно-

сительности. Он впервые ввел представление о частицах света – фотонах.

Аналитик 3. Чтобы объяснить эти загадочные закономерности фотоэф-

фекта, Эйнштейн использовал гипотезу Планка, говорящую о том, что электро-

магнитное излучение представляет собой не непрерывную волну, а поток от-

дельных частиц – квантов. Он предположил, что явление фотоэффекта высту-

пает подтверждением дискретности света. Это дало возможность объяснить за-

коны фотоэффекта. Энергия кванта, падающего на вещество, расходуется на работу вырывания электрона из вещества и на сообщение электрону кинетиче-

ской энергии. Граничная длина волны падающего света, при котором возникает фотоэффект, называется красной границей фотоэффекта.

Длина волны падающего света λ = 600 нм. Увеличиваем длину волны и замечаем, что при λ = 623 нм фототок есть, а при λ = 624 нм он прекращается и при больших длинах волн уже не возникает. Эта длина волны является красной границей фотоэффекта.

Историк 4. При распространении света проявляются его волновые свой-

ства, а при взаимодействии с веществом – корпускулярные. Волновые и кван-

товые свойства света не исключают, а взаимно дополняют друг друга. Они вы-

ражают истинные закономерности распространения света и взаимодействия его с веществом.

4. Решение задач.

Учащимся предлагается решить следующие задачи (раздаются листочки с условиями задач).

1. Красная граница фотоэффекта у лития 520 нм. Какова должна быть

25

разность потенциалов, чтобы полностью затормозить электроны, испускаемые литием под действием ультрафиолетовых лучей длиной волны 200 нм?

2. В опыте по фотоэффекту на пластину падает свет с длиной волны 420

нм. Фототок прекращается при задерживающей разности потенциалов 0,95 В.

Определите работу выхода электрона с поверхности пластины.

3. Определите постоянную Планка, если фотоэлектроны, вырываемые с поверхности некоторого металла светом с частотой 1,2 ∙ 1015 Гц, задерживаются разностью потенциалов 3,1 В, а вырываемые светом длиной волны 125 нм – разностью потенциалов 8,1 В.

5. Закрепление материала.

Учитель. В стихотворении А. С. Пушкина читаем: «… гений, парадоксов друг». Знаете ли вы, что такое парадокс? Парадокс – это неожиданное явление,

не соответствующее обычным представлениям. В чем состоит парадокс фото-

эффекта?

Ученик. Парадокс фотоэффекта состоит в том, что при увеличении потока падающего света заданной длины волны не происходит увеличение скорости фотоэлектронов, а свет с длиной волны меньше порогового значения вообще не может выбить из металла электрон независимо от мощности светового потока.

6. Применение фотоэффекта.

Доклад ученика: «Применение явления фотоэффекта в множительной технике».

7. Подведение итогов урока.

Урок 2. Модель атома Резерфорда

Цели урока.

Образовательная: познакомить учащихся с историей вопроса, со схемой опыта; показать несостоятельность планетарной модели атома при помощи мультимедийных средств обучения, указать на недостатки модели атома Резер-

форда.

Развивающая: развитие диалектического мировоззрения.

26

Воспитывающая: на примере опыта Резерфорда показать вклад ученых всего мира в развитие физической науки.

Ход урока

I. Физическая картина мира в начале XX века.

Гипотеза о том, что все вещества состоят из большого числа атомов, за-

родилась свыше 2 тысяч лет тому назад. Сторонники атомической теории рас-

сматривали атом как мельчайшую неземную частицу и считали, что все много-

образие мира есть не что иное как состояние неизменных частиц – атомов.

Конкретные представления о строении атомов развивались по мере накопления физикой фактов о свойствах вещества.

Большая роль в этой области физической науки принадлежит Д.И. Мен-

делееву, который, открыв периодический закон, впервые на научной основе по-

ставил вопрос о единой природе атомов. Он писал: «При всей видимой просто-

те дела ныне нет еще возможности утверждать какую-либо гипотезу, достаточ-

но объясняющую этот закон периодичности…»

Открытия, совершенные во второй половине XIX века, заставили посте-

пенно усомниться в справедливости представления об атомах как неземных ча-

стицах. Очень важным стало открытие немецких ученых К. Кирхгофа и Р. Бун-

зена. Они обнаружили, что каждому химическому элементу соответствует ха-

рактерный, присущий лишь этому элементу набор спектральных линий в спек-

трах испускания и поглощения. Открытие этого факта означало, что свет ис-

пускается и поглощается отдельными атомами, а атом, в свою очередь, пред-

ставляет собой сложную систему, способную взаимодействовать с электромаг-

нитным полем.

Опираясь на эти открытия, английский физик Дж. Томсон в 1989 г. пред-

ложил первую модель атома в виде положительно заряженного шарика радиу-

сом порядка 10 -10 м, в который вкраплены отдельные электроны, нейтрализу-

ющие положительный заряд.

Модель атома Томсона была умозрительной. Ее можно было подтвердить или опровергнуть только с помощью эксперимента. Решающий вклад в созда-

27

ние современной теории строения атома стал опыт, проведенный в 1911 г. ан-

глийским физиком Э. Резерфордом совместно с ассистентами Г. Гейгером и Э.

Марсденом.

II. Изучение нового материала.

Опыт Резерфорда.

Спомощью мультимедийного проектора на экран выводится схема опыта Резерфорда. Источник -частиц помещали внутри свинцовой полости с узким каналом. Все -частицы, кроме движущихся по узкому каналу, поглощались свинцом. Узкий пучок -частиц падал на золотую фольгу перпендикулярно ее поверхности. За фольгой был помещен подвижный экран, покрытый флуорес-

цирующим веществом; -частицы, прошедшие через фольгу, вызывали вспыш-

ки на экране. Вся установка помещалась в вакууме.

Результат опыта Резерфорда.

Учитель (останавливает компьютерную модель и строит на экране мони-

тора график распределения рассеянных -частиц по углам отклонения, после чего проводит фронтальную беседу).

-Каковы результаты эксперимента?

-Каких результатов ожидал Резерфорд?

-Какой вывод можно сделать о состоятельности модели атома Томсона?

Результаты эксперимента оказались неожиданными: подавляющая часть

-частиц проходила сквозь фольгу практически без отклонения или с отклоне-

ниями на малые углы по отношению к направлению своего первоначального полета, но небольшая часть -частиц откланялась на значительные углы, до-

стигающие почти 180 . Резерфорд показал, что такие отклонения не могут быть следствием многократных столкновений -частиц с атомами, поэтому объяс-

нить этот результат на основе модели атома Томсона невозможно.

Объяснение результатов опыта.

Резерфорд пришел к выводу, что полученное в эксперименте распределе-

ние -частиц возможно только в том случае, если внутри атома имеется чрез-

29

Резерфорд так описывал свои результаты: «Я должен признаться по сек-

рету, что не верил, будто это возможно… Это было, пожалуй, самым неверо-

ятным событием, какое я когда-либо переживал в моей жизни. Это было по-

чти столь неправдоподобно, как если бы вы произвели выстрел по клочку газет пятнадцатидюймовым снарядом, а он вернулся бы назад и угодил в вас».

Задание 2. Учащимся предлагается заполнить следующую таблицу:

Учащиеся самостоятельно заполняют первый столбец итоговой таблицы.

В ходе фронтальной беседы записи обсуждаются и корректируются.

Недостатки модели Резерфорда.

Учитель: Предложенная Резерфордом модель строения атома не объяснила спектральных закономерностей и даже оказалась в противоречии с законами классической механики и электродинамики.

В самом деле, движение электрона по орбите есть движение с ускорени-

ем. Согласно законам классической электродинамики, движение с ускорением должно сопровождаться излучением света соответствующей частоты. Следова-

тельно, при движении электрона вокруг ядра атома должен непрерывно излу-

чать энергию. Но уменьшение энергии приводит к уменьшению радиуса орби-

ты электрона – электрон должен двигаться по спирали, приближаясь к ядру. А

30

так как скорость движения электрона остается неизменной, то должна увеличи-

ваться и круговая частота его вращения, непрерывно должна расти частота из-

лучения, т.е. спектр излучения должен быть сплошным. Непрерывно прибли-

жаясь к ядру, электрон через малое время должен упасть на ядро, т.е. в модели Резерфорда атом является неустойчивой системой.

В действительности же атомы являются весьма устойчивыми и имеют линейчатые, а не сплошные спектры излучения.

Учащиеся заполняют второй столбец таблицы. В ходе фронтальной бесе-

ды записи обсуждаются и корректируются.

III. Подведение итогов.

Фронтальная беседа:

-Какова была цель опыта Резерфорда?

-Опишите установку Резерфорда?

-Опишите ход эксперимента?

-Какие результаты ожидал Резерфорд? Какие получил?

-Какие выводы сделал Резерфорд из опыта?

-Каковы недостатки модели атома Резерфорда?

Хантаро Нагаока в письме к Э. Резерфорду в 1911 году писал: «Я был по-

ражен простотой аппаратуры, которую вы используете, и блестящими резуль-

татами, которые вы получаете. Мне представляется гением тот, кто может ра-

ботать со столь примитивным оборудованием и собирать богатую жатву, дале-

ко превосходящую то, что бывало добыто с помощью самых тонких и сложных приборов».

На примере этого высказывания показывается вклад ученых всего мира в формирование единой физической карты мира.

Трудности опыта Резерфорда были найдены в 1913 году великим физи-

ком Н. Бором. Он ввел идеи квантовой теории в ядерную модель Резерфорда и разработал теорию атома водорода, полностью подтверждаемую эксперимен-

тально. Об этом речь пойдет на следующем уроке.