Экспериментальное изучение фотоэффекта в школе методом научного познания

2.5 Результат эксперимента: обоснование законов фотоэффекта

Опыт 11 (Л). Зависимость тока насыщения от интенсивности света.

Рис. 13

Подают на фотоэлемент прямое напряжение. Измеряют ток насыщения при различных расстояниях l от источника света до фотоэлемента, строят график зависимости тока насыщения Iпрн от величины пропорциональной интенсивности света, и убеждаются, что фототок насыщения пропорционален интенсивности света (рис. 13).

Опыт 12 (Д). Зависимость кинетической энергии электронов от интенсивности света. На фотоэлемент подают обратное напряжение и измеряют то его значение U0, при котором фототок равен нулю (рис. 12). Изменяют расстояние от источника света до фотоэлемента и убеждаются, что это напряжение U0, а следовательно, и задерживающее напряжение Uз = U0 практически не зависит от интенсивности света. Делают вывод, что кинетическая энергия электронов не зависит от интенсивности света, так как она определяется задерживающим напряжением, которое не меняется с изменением интенсивности.

Рис. 14

Опыт 13 (Л). Зависимость кинетической энергии электронов от частоты света. Ртутную лампу снабжают последовательно оранжевым, желтым, фиолетовым и ультрафиолетовым светофильтрами. Измеряют обратные напряжения U0, при которых фототок обращается в нуль, и, умножая полученные значения на 2 (опыт 10), определяют задерживающие напряжения Uз для максимальных частот соответствующих спектров испускания. По полученным результатам строят график зависимости задерживающего напряжения от частоты света. Убеждаются, что график представляет собой прямую линию (рис. 14).

Делают вывод, что кинетическая энергия фотоэлектронов пропорциональна частоте света. Учитывая формулу (6), уравнение Эйнштейна (5) записывают в виде:

hv = A + eU3. (7)

Если частота света увеличится на Дv, то h(v + Дv) = A + e(U3 + ДU3). Вычитая из этого уравнения предыдущее, для постоянной Планка получают выражение:

. (8)

Подстановка сюда экспериментальных данных из графика (показанных на рис. 14) ДU3 = 1,2 В и Дv = 3•10 14 Гц дает для постоянной Планка значение

при погрешности измерений порядка 10%.

Опыт 14 (Д). Красная граница фотоэффекта. Перекрывают источник белого света последовательно фиолетовым, зеленым, желтым, оранжевым и красным светофильтрами и обнаруживают, что, когда на фотоэлемент падает красный свет, фототок отсутствует. Делают вывод, что при уменьшении частоты света достигается такое ее значение, при котором фотоэффект прекращается.

Опыт 15 (Д). Безинерционность фотоэффекта. В установке, схематически изображенной на рис. 9, параллельно высокоомному гальванометру подключают осциллограф и подают на фотоэлемент прямое напряжение. Направляют на фотоэлемент свет от светодиода, соединенного с генератором звуковой частоты. Увеличивают частоту генератора до десятков килогерц и на экране осциллографа наблюдают соответствующую осциллограмму. Делают вывод, что фотоэффект происходит за время, не превышающее по крайней мере тысячных долей секунды. Сообщают: точные эксперименты показали, что время появления фотоэффекта гораздо меньше ? не более единиц наносекунд.

2.6 Анализ и интерпретация результата эксперимента

Анализируя условия и результаты опытов, делают вывод, что в эксперименте непосредственно доказаны следующие положения:

при неизменном спектральном составе сила фототока насыщения прямо пропорциональна интенсивности света, падающего на фотокатод;

задерживающая разность потенциалов фотоэлемента прямо пропорциональна частоте света и не зависит от его интенсивности;

для каждого металла, из которого изготовлен катод, существует такая максимальная длина волны, при которой еще наблюдается фотоэффект;

фотоэффект практически безинерционный.

Эти положения - следствия предложенной Эйнштейном теоретической модели явления фотоэффекта. Исторически некоторые из рассмотренных выше экспериментов были поставлены задолго до того, как Эйнштейн предложил свою теорию. Поэтому доказанные экспериментально положения получили название законов фотоэффекта. После создания и экспериментального обоснования теории законы фотоэффекта можно сформулировать на языке теории.

Законы фотоэффекта

Количество электронов, выбитых светом из металла, прямо пропорционально числу падающих на него фотонов.

Кинетическая энергия фотоэлектронов прямо пропорциональна частоте фотонов и не зависит от их количества.

Для каждого металла существует такая минимальная частота фотонов, при которой еще происходит выбивание ими электронов.

Время взаимодействия фотона с электроном не превышает 10-9 с.

Эти законы подтвердили справедливость теоретической модели Эйнштейна. Однако исторически существовали и альтернативные модели. Предполагалось, что свет, как электромагнитная волна, вызывает вынужденные колебания электронов.

Тогда кинетическая энергия электронов должна бы зависеть от интенсивности света, а фотоэлектроны должны бы появляться спустя заметное время после начала облучения катода светом. Это противоречит второму и четвертому законам фотоэффекта. Допускалось также, что световая волна выполняет роль спускового механизма, запускающего вылет электрона из металла. Но в этом случае непонятно, почему кинетическая энергия электронов пропорциональна частоте света и слабо зависит от температуры металла.

Сообщают учащимся, что были поставлены эксперименты, прямо доказывающие, что при фотоэффекте из вещества вылетают электроны (П. Ленард и Дж.Дж. Томсон, 1898 г.) и что взаимодействие света с электронами носит дискретный характер (А.Ф. Иоффе, 1913 г.). Уравнение Эйнштейна экспериментально обосновано Р. Милликеном (1916 г.). Точное значение постоянной Планка в явлении фотоэффекта определили П.И. Лукирский и С.С. Полежаев (1928 г.).

Для эйнштейновской теории фотоэффекта в высшей степени характерна познавательная мощь объяснения и предвидения. Из нее сразу следует, что внешний фотоэффект имеет место для любых веществ, кроме внешнего существует и внутренний фотоэффект, тормозное рентгеновское излучение в определенном смысле обратно фотоэффекту, при взаимодействии рентгеновского фотона и свободного электрона они ведут себя подобно упругим шарикам и т.д.

Таким образом, теория А. Эйнштейна всесторонне обоснована многочисленными экспериментами и объясняет большое количество различных явлений. Из нее со всей очевидностью следует, что свет наряду с волновыми (частота!) обладает и корпускулярными (дискретность!) свойствами. Этот вывод имеет громадное значение не только для оптики, но и для всей физики.

Таким образом, в данной работе мы ознакомились с методом научного познания, рассмотрели основные положения метода научного познания и показали, как можно использовать данный метод при обучении физике в средней школе. В качестве примера, иллюстрирующего метод научного познания, мы взяли тему школьного курса физики 11 класса «Фотоэффект».

Использование метода научного познания рассмотрели с учетом психолого-педагогических особенностей старших школьников и с учетом развития личности учащихся (глава 1). Построение процесса познания учебного предмета на основе научного метода познания обеспечивает переход от пассивного метода обучения к активному методу (а большинство старшеклассников высказываются именно в пользу активных и самостоятельных форм деятельности).

Кроме того, использование метода научного познания является средством развития познавательных способностей учащихся, средством формирования научного мышления и научного мировоззрения.

Во второй главе провели методический анализ темы «Фотоэффект» и показали, что данная тема является подходящей для использования метода научного познания, так как учащиеся видят последовательное приближение к истине методом модельных гипотез.

Как показали результаты экспериментальной проверки, построение процесса познания учебного предмета на основе научного метода познания обеспечивает высокую активность учащихся в обучении, их самостоятельность в учебном познании и является средством развития познавательных способностей учащихся.

В конечном итоге учащиеся более глубоко усваивают физические знания и расширяют представления о методах познания природы, т.е. гипотеза, сформулированная в работе, подтвердилась.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итак, в данной работе мы изложили методику изучения внешнего фотоэффекта в школе, с использованием метода научного познания и спроектировали урок физики по данной теме с использованием метода научного познания.

Эффективность изучения темы по схеме научного познания проверена на практике. Как показали результаты экспериментальной проверки, построение процесса познания учебного предмета на основе научного метода познания обеспечивает высокую активность учащихся в обучении, их самостоятельность в учебном познании и является средством развития познавательных способностей учащихся.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Возрастная и педагогическая психология: Учебное пособие для студентов пед. ин-тов по спец. №2121 «Педагогика и методика нач. обучения»/ М.В. Матюхина, Т.С. Михальчик, Н.Ф. Прокина и др.; Под ред. М.В. Гамезо и др.- М.: Просвещение, 1984.

2. Гладышева Н.К., Нурминский И.И. Методика преподавания физики в 8-9 классах общеобразовательных учреждений // Н.К. Гладышева, И.И. Нурминский. - 2-е изд. - М.: Просвещение,2001.

3. Голин Г.М., Красавин Г.В. Использование метода гипотезы в обучении физике. // Физика в школе, №6, 1991- стр.28.

4. Знаменский П.А. Методика преподавания физики в средней школе. Пособие для учителей. Изд. 2-е, перераб. - Ленинград, 1954.

5. Майер В.В., Вараксина Е.И. Взаимодействие учебной теории и учебного эксперимента в цикле научного познания. // Учебная физика, № 4, 2004 - стр. 52.

6. Мякишев Г.Я, Буховцев Б.Б. Физика: Учебник для 10 кл. сред. шк. - М.: Просвещение, 1990.

7. Мякишев Г.Я, Буховцев Б.Б. Физика: Учебник для 11 кл. сред. шк. - М.: Просвещение, 1991.

8. Научные основы школьного курса физики // Под ред. С.Я. Шамаша, Э.Е. Эвенчик. - М.: Педагогика, 1985.

9. Разумовский В.Г. Научный метод познания и эксперимент в обучении физике // Учебная физика, № 5, 2004 - стр.7.

10. Разумовский В.Г. Физика в школе. Научный метод познания и обучения / В.Г. Разумовский, В.В. Майер. М.: Гуманитар. изд. центр ВЛАДОС, 2004.

11. Эйнштейн А. Собрание научных трудов. Т. 4. - М.: Наука, 1967. 600 с.

12. Пуанкаре А. Избранные труды. Т. 3. - М.: Наука, 1974. - 660 с.

13. Фабрикант В.А. Физика, оптика, квантовая электроника (избранные статьи). - М.: Изд-во МЭИ, 2000. - 209 с.

14. Эйнштейн А. Собрание научных трудов. Т. 3. М.: Наука, 1966. - 632 с.

15. Борзяк П.Г. Начальный период истории внешнего фотоэффекта и значение работ Столетова//Успехи физических наук. - 1956. - Т. 58. - Вып. 4. - С. 715-747.

16. Шефер Н.И. К изучению опыта Герца/Физика в школе. - 2004. - № 2. - С. 31-34.

17. Выгановский Н.И. Несколько демонстраций фотоэлектрических явлений//Физика в школе. - 1952. - № 1. - С. 45-49.

18. Выгановский Н.И. Демонстрация фотоэлектрического эффекта //Физика в школе. - 1951. - № 1. - С. 56-59.

19. Восканян А.Г. Комплект КПФ-1 и опыты по фотоэффекту //Физика в школе. - 1988. - № 2. - С. 56-60.

20. Фетисов И.Н. К изучению в физпрактикуме зависимости энергии фотонов от частоты излучения // Известия вузов. Физика. 1985. №9.С.113-114.

Размещено на Allbest.ru