Изучение физических процессов, лежащих в основе внешнего и внутреннего фотоэффекта

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 37.372.853

Структурное подразделение филиала ИРНИТУ в г. Усолье-Сибирское,

665463, г. Усолье-Сибирское, Комсомольский проспект, д. 65.

Изучение физических процессов, лежащих в основе внешнего и внутреннего фотоэффекта

Д.Р. Кубашов Кубашов Даниил Рамильевич, студент 1-го курса, группы уЭ-16-1,e-mail: uhtt@istu.edu, Л.Е. Гладышева Гладышева Любовь Евгеньевна, преподаватель физики первой категории, e-mail: uhtt@istu.edu

Аннотация

фотоэффект качество глубокий

Рассматриваются вопросы достижения наиболее глубокого понимания фотоэффекта и его применения на практике в качестве фотоэлементов. Были определены характеристики для исследования фотоэффекта, описана подготовка и проведение эксперимента, направленного на формирование одного из законов фотоэффекта.

Ключевые слова: проектная деятельность; фотоэффект; фотоэлемент; лабораторный стенд; вольт-амперная характеристика.

Annotation

The article considers the possibility of deeper understanding of photoelectric effect and its practical usage as photocells. It identifies the characteristics for the study of photoeffec and describes the preparation and carrying out of the experiment aimed at forming one of the laws of the photoelectric effect.

Keywords: project activity; photoelectric effect; photocell; laboratory stand; volt-ampere characteristic.

В системе образования невозможно обходиться без развития интереса к преподаваемой дисциплине и повышения уровня самостоятельности познавательной активности у обучающихся. Только самостоятельный поиск, исследование и творческая работа дают возможность учащемуся повысить свой уровень знаний. Формирование навыков творческого мышления нашло отражение в законе РФ «Об образовании». В этом документе законодательно утверждены цели образования - «ориентация на обеспечение самоопределения личности, на создание условий для ее самоорганизации» [1]. Формирование целостного представления о том или ином явлении, о физических законах лучше всего реализуется в процессе проектно-исследовательской деятельности.

В настоящее время дидактического материала и методик проектной деятельности по физике в средне-специальных учебных заведениях недостаточно. При преподавании данного предмета на первом курсе очень ограничено время на изучение темы «Фотоэффект. Законы фотоэффекта. Фотоэлементы и их применение». На одном занятии продолжительностью полтора часа, которое отводится на изучение этой темы, нет возможности добиться глубокого понимания явления фотоэффекта. Кроме этого, отсутствует время на проведение аналогии и выявление различий между фотоэлементами с внешним и внутренним фотоэффектом. Из вышеуказанного вытекает необходимость разработки методики выполнения проектной работы, которая позволяет формировать у обучающихся навыки творческого мышления и оказывает влияние на качество знаний по рассматриваемой теме. Данный вид деятельности был апробирован. Группе обучающихся, желающих осуществить исследование, было предложено выполнить исследовательский проект. Часы для проектной деятельности заложены учебным планом и входят в самостоятельную работу обучающихся.

В рамках проведенного проектного исследования были выполнены следующие задачи: изучить зависимость силы фототока от напряжения между анодом и катодом для фотоэлемента с внешним фотоэффектом; исследовать зависимость силы фототока от напряжения между анодом и катодом для фотоэлемента с внутренним фотоэффектом; построить вольт-амперные характеристики для различных фотоэлементов. Таким образом, проектная работа предполагает не только теоретический, но и практико-ориентированный подход.

Поскольку приборы, основанные на фотоэффекте, бывают двух типов: фотоэлементы с внешним и внутренним фотоэффектом, нами было предложено разделение участников проекта на две группы. Одна группа обучающихся проводит работу и исследует фотоэлемент с внешним фотоэффектом, а другая изучает работу фотоэлемента с внутренним фотоэффектом. Для достижения заранее запланированного результата, проверки первого закона фотоэффекта, для обеих групп определяются одинаковые характеристики исследования. Этими характеристиками являются сила фототока и напряжение на фотоэлементе. После окончания работы обобщаются результаты, полученные обеими группами, анализируются вольт-амперные характеристики для разных фотоэлементов.

Практическая часть проектной работы состоит в изготовлении электрических стендов обеими группами, поэтому обучающимся пришлось дополнительно изучить учебную литературу не только первого, но и второго курса [2-5]. Схема экспериментальной установки для изучения работы фотоэлемента с внешним фотоэффектом показана на рис. 1, а, сама экспериментальная установка изображена на рис. 1, б. Схема экспериментальной установки для изучения работы фотоэлемента с внутренним фотоэффектом представлена на рис. 2, а, собственно экспериментальная установка показана на рис. 2, б.

а б

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для изучения работы фотоэлемента с внешним фотоэффектом (а) и сама экспериментальная установка (б)

а б

Рис. 2. Схема экспериментальной установки для изучения работы фотоэлемента с внутренним фотоэффектом (а) и сама экспериментальная установка (б)

Необходимо отметить то, что изготовленные экспериментальные установки отвечают всем требованиям к физическому оборудованию:

- эстетическим - очень легкие по весу, малогабаритные;

- техническим - надежные и долговечные.

Кроме этого, с помощью данных установок хорошо демонстрируется рассматриваемое явление - фотоэффект, отмечается быстрая готовность установки к работе, а численные результаты, полученные с помощью установок, не содержат в себе значительных ошибок.

Изготовленные стенды актуальны также потому, что помогают провести аналогию и выявить различия между физическими процессами, лежащими в основе внешнего и внутреннего фотоэффекта. Приборы, основанные на фотоэффекте, очень широко используются: в управлении электрическими цепями; при включении и отключении уличного освещения; в системах защитной и аварийной сигнализации; в военной технике; при считывании светового сигнала; в космонавтике и т.д.

На стенд подается переменный ток напряжением 220 В, частотой 50 Гц. Фотоэлемент пропускает ток постоянный. Поэтому для преобразования переменного тока в постоянный необходима мостиковая схема из полупроводников-диодов. Для усиления электрических сигналов применяются полупроводниковые транзисторы.

Анализируя графики, полученные разными группами для фотоэлементов, обучающиеся наглядно видят - сила тока возрастает, если увеличивается освещенность фотоэлементов. Это доказывает первый закон фотоэлемента: при увеличении освещенности количество электронов, покидающих катод, увеличивается, что приводит к увеличению фототока. Увеличение силы фототока происходит за счет увеличения световых квантов в потоке излучения, тем самым подтверждается квантовая теория света.

На рис. 3 пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с разными скоростями. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом обладают безынерционностью - фототок возникает немедленно при освещении поверхности фотоэлемента, и поэтому они могут использоваться для регистрации быстропеременных процессов, применяются в фотореле, которые обеспечивают контроль освещенности, прозрачности сред, качества обработки поверхности деталей.

В табл. 1 показана зависимость силы тока от напряжения для фотоэлемента с внешним фотоэффектом.

Рис. 3. График зависимости силы тока от напряжения для фотоэлемента с внешним фотоэффектом

Таблица 1. Зависимость силы тока от напряжения для фотоэлемента с внешним фотоэффектом

На рис. 4 видно, что при увеличении освещенности фотоэлемента с внутренним фотоэффектом сила тока возрастает. Прямые Е1, Е2, Е3 располагаются очень близко друг к другу, так как у фотоэлементов с внутренним фотоэффектом наблюдается инерционность. Это явление заключается в том, что изменение фототока запаздывает по времени относительно изменения светового потока, которое возникает в результате различия физических процессов, лежащих в основе внутреннего фотоэффекта.

Рис. 4. График зависимости силы тока от освещенности для фотоэлемента с внутренним фотоэффектом

Зависимость силы тока от освещенности для фотоэлемента с внутренним фотоэффектом показана в табл. 2.

Таблица 2. Зависимость силы тока от освещенности для фотоэлемента с внутренним фотоэффектом

Участники проектной деятельности делают общий вывод для фотоэлементов: явление фотоэффекта происходит под действием светового потока; физические процессы, лежащие в основе внешнего и внутреннего фотоэффекта, влияют на применение фотоэлементов. По светочувствительности фотоэлементы с внутренним фотоэффектом в сотни раз превосходят вакуумные фотоэлементы, но обладают заметной инерционностью и поэтому не пригодны для регистрации быстропеременных процессов. Они находят применение в основном в вычислительной технике, промышленной электронике.

Результатом данной работы является возникновение связи между имеющимися знаниями, полученными на лекционном занятии, и изучаемыми явлениями, наблюдаемыми с помощью эксперимента. Исследовательская деятельность в этом случае очень наглядно, четко, относительно несложно доказывает явление фотоэффекта. Процесс изучения фотоэффекта на электрических стендах сопровождается точным, исчерпывающим объяснением аналогии и различий между фотоэлементами.

Таким образом, данная методика проектно-исследовательской работы позволяет добиться более глубокого понимания физического явления фотоэффекта, чем это возможно в рамках одного учебного занятия. Уточнение характеристик фотоэлементов с внешним фотоэффектом и внутренним, полученных с помощью экспериментальных установок, позволяет лучше усвоить теоретический материал по теме «Фотоэффект. Законы фотоэффекта. Применение фотоэлементов».

Библиографический список

1. Об образовании в Российской Федерации: федеральный закон № 273-ФЗ от 29 декабря 2012 года с изм. 2016-2017 гг.

2. Пинский А.А., Граковский Г.Ю. Физика: учебник / под общ. ред. Ю.И. Дика, Н.С. Пурышевой. 2-е изд., испр. М.: ФОРУМ: ИНФРА - М, 2010. 560 с. (Профессиональное образование).

3. Евдокимов Ф.Е. Теоретические основы электротехники: учебник для средних специальных учебных заведений.7-е изд., испр. и доп. М.: Высшая школа, 2001. 495 с.

4. Лоторейчук Е.А. Теоретические основы электротехники: учебник. М.: ИД ФОРУМ ИНФРА - М, 2010. 320 с.

5. Славинский А.К., Туревский И.С. Электротехника с основами электроники: учеб. пособ. М.: ИД ФОРУМ: ИНФРА - М, 2009. 448 с.

Размещено на Allbest.ru