обзорные лекции / КВД

1. Анализ научного содержания и методики изучения корпускулярно-волнового дуализма материи в курсе физики средней школы. Модель урока «Фотоэффект».

Корпускулярно-волновой дуализм рассматривают в 11 классе на основе изучения свойств света и элементарных частиц.

При изучении волновой оптики учащиеся знакомятся с волновыми свойствами света: интерференцией, дифракцией, поляризацией, отражением, преломлением. Знакомство это происходит при демонстрации опытов с помощью прибора для демонстрации волновых свойств света и объяснения этих опытов.

После изучения явления фотоэффекта и эффекта Комптона (изменение частоты излучения при рассеянии рентгеновских лучей «легкими» веществами (графит, парафин и др.)) обобщают полученные учащимися знания о фотоне и обсуждают корпускулярно-волновой дуализм его свойств. В ходе обсуждения делают следующие выводы:

1. фотон – частица электромагнитного излечения (квант электромагнитного поля);

2. фотон существует только в движении;

3. фотоны могут излучаться и поглощаться; они неделимы;

4. фотон обладает определенной энергией, массой и импульсом; масса фотона является мерой его энергии;

5. масса покоя фотона равна нулю;

6. проявление волновых и корпускулярных свойств фотона зависит от частоты излучения – при малых частотах более выражены волновые свойства, при больших более выражены корпускулярные.

Для подчеркивания дуализма свойств света полезно заполнить таблицу:

Физические величины, используемые для описания волновых свойств света	Физические величины, используемые для описания квантовых свойств света	Формулы взаимосвязи этих величин
Частота  Период Т Длина волны = υТ	Масса фотона m Скорость фотона с Импульс фотона р = mc Энергия фотона =mc2

Изучение волновых свойств микрочастиц начинают с описания схемы опыта по дифракции электронов. Школьников знакомят с одним из методов наблюдения дифракции электронов – методом Лауэ (при прохождении пучка быстрых электронов через тонкий слой монокристалла). Дифракция электронов впервые была обнаружена в 1927 г. Дэвиссоном и Джермером. Позднее были обнаружены дифракции протонов, нейтронов, атомов и молекул. Дифракция – проявление волновых свойств элементарных частиц. Длину волны частицы (волна де Бройля) определяется по формуле , где р = mυ – импульс частицы.

Для объяснения физического смысла волны де Бройля рассматривают мысленный эксперимент. Пучок частиц, например, электронов, падает на плоскость, в которой есть две щели А и В. За нею расположен экран. Если одну из щелей, например В, закрыть, то максимум, падающих на экран частиц будет находиться напротив щели А. Если закрыть щель А, то максимум, падающих на экран частиц будет находиться напротив щели В. Что произойдет, если открыть обе щели?

Согласно классической теории на экране должно наблюдаться два максимума – напротив щелей А и В. На деле электроны ведут себя как волны и на экране наблюдают характерную интерференционную картину. Характер картины не меняется, если изменить величину пучка или время наблюдения. Интерференция является следствием движения каждой отдельной частицы. С волновой точки зрения при интерференции происходит перераспределение энергии падающей волны. Интерференционные максимумы – места, где интенсивность волны наибольшая. Так как интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды, то квадрат амплитуды волны де Бройля определяет вероятность попадания электрона в или иную точку пространства. Таким образом, электрон (как и другие частицы) является дискретной частицей в том смысле, что он неделим, имеет определенную массу покоя и заряд, которые во всех опытах неизменны. Но его движение не может быть описано законами Ньютона. Его описывают законами волновой (квантовой) механики, которые позволяют определить лишь вероятность нахождения частицы в той или иной точке пространства.

При углубленном изучении физики вводят понятие волновой функции , соотношение неопределенностей Гейзенберга и уравнение Шредингера.

Соотношение неопределенностей Гейзенберга: x·p_xh (x·p_xh).

Смысл полученного соотношения заключается в следующем: при любой попытке все более точного определения положения частицы в пространстве (ее координаты) обязательно будут все менее определенными сведения об импульсе частицы, и наоборот.

Основное уравнение квантовой механике получил в 1926 г. Австрийский физик Эрвин Шредингер. Для стационарных состояний уравнение Шредингера имеет вид:

.

Модель урока «Фотоэффект»

Тема: Фотоэлектрический эффект.

Цель: познакомить учащихся с явлением фотоэффекта; сформулировать законы фотоэффекта; рассмотреть квантовую теорию фотоэффекта.

Оборудование: прибор для фотоэффекта; видеофрагмент или модель опыта Столетова по фотоэффекту.

Тип урока: комбинированный

Ход урока.

1. Объяснение нового материала.

1. Демонстрация явления фотоэффекта.

Схема установки:

2. Понятие фотоэффекта

3. Демонстрация опытов Столетова по фотоэффекту (модель или видеофрагмент).

В электрическую цепь включен конденсатор, положительная обкладка которого – медная сетка, а отрицательная – цинковая пластина. При освещении пластины в цепи возникает фототок. При увеличении напряжения между пластиной и сетки сила фототока сначала увеличивается, затем достигает некоторой предельной для данной интенсивности значения, называемого током насыщения. При соединении пластины с положительным полюсом источника напряжения электрическое поле между пластиной и сеткой тормозит движение фотоэлектронов. При некотором значении напряжения U_з на пластину возвращаются все фотоэлектроны и сила фототока становится равной 0.

4. Законы фотоэффекта.

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

Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. наименьшая частота света, при которой еще возможен внешний фотоэффект.

Число фотоэлектронов, вырываемых из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности света.

5. Квантовая теория фотоэффекта.

Для выхода из металла электрон должен преодолеть потенциальный барьер на границе металл-вакуум. Для этого он должен совершить работу выхода. В результате поглощения фотона его энергия полностью передается электрону. Если эта энергия больше работы выхода, то электрон сможет выйти из металла и приобрести кинетическую энергию. Иначе говоря

h=A_в + mυ²/2. Это уравнение называют уравнением Эйнштейна для фотоэффекта.

2. Закрепление.

Решение задач.