урок по физике в 9 классе - urlovskayaschkola.edusite.ru

17 марта 2010 г.
Тема урока: Фотоэффект. Строение атома.
Цели урока: 1. Ознакомить учащихся с сущностью фотоэффекта, оценить
физическую значимость гипотезы Планка и Эйнштейна.
Знать различия между моделью атома Томсона и моделью атома Резерфорда.
Размеры атома и атомного ядра. Заряд атомного ядра.
2. Развивать логическое мышление.
3. Воспитывать любознательность
Оборудование: рисунок по фотоэффекту. Система СИ. Таблица Менделеева.
Ход урока:
1. Орг момент.(проверка готовности класса к уроку, наличие
принадлежностей)
2. Проверка домашнего задания.
3. Сообщение темы и целей урока.
Элементы квантовой физики
До сих пор вы изучали физические явления, которые объяснялись
законами
классической
физики:
классической
механики,
электродинамики, молеку-лярно-кинетической теории.
В данной главе учебника вы познакомитесь с физическими явлениями,
которые могут быть объяснены только в рамках сравнительно
недавно открытой физической теории — квантовой теории. Изучая
материал этой главы, вам придется пересмотреть, а порой и
отказаться от многих привычных понятий и представлений,
физических законов и моделей, которые вы использовали, изучая
классическую физику.
Многие вопросы и проблемы, которые оставались без ответа в
классической физике, нашли свое объяснение только на основе
квантовой физики.
4. Изложение нового материала.
4.1. Изучение вопросов квантовой физики мы начнем с рассмотрения
явления фотоэффекта, полное объяснение которого классическая
физика дать не смогла.
Фотоэффект был открыт в 1887 г. Г. Герцем и затем экспериментально
исследован выдающимся российским физиком Александром Григорьевичем
Столетовым (1839—1896). Явление фотоэффекта можно наблюдать на опыте.
Зарядим цинковую пластину, присоединенную к электрометру, отрицательно.
При освещении пластины ультрафиолетовым светом, например от
электрической дуги, электрометр будет очень быстро разряжаться
Если сообщить пластине положительный электрический заряд и затем
осветить ультрафиолетовым светом, то электрометр не разрядится.
4.2. Единственная возможная гипотеза, объясняющая данное явление,
заключается в том, что с поверхности цинковой пластины под
действием света могут вылетать отрицательно заряженные частицы.
Экспериментальные измерения заряда и массы этих частиц показали,
что вырываемые с поверхности частицы — электроны.
Явление вырывания электронов из вещества под действием света
называют фотоэффектом.
Объяснение фотоэффекта с позиций волновой теории света
представляется на первый взгляд несложным. Под действием света
увеличивается энергия электронов в атомах, и они начинают
вырываться из пластины. Если пластина заряжена отрицательно, то
под действием света электрометр постепенно разряжается; если же
заряд пластиды положителен, то при ее освещении заряд не меняется.
Электрическое поле пластины возвращает назад вырвавшиеся
свободные электроны. При этом чем больше энергия светового пучка,
тем больше электронов вырывается с пластины.
Однако уже небольшое изменение условий опыта покажет несостоятельность
предложенного объяснения. Например, если на пути светового пучка
поместить стеклянную пластину, то отрицательно заряженная цинковая
пластина не разрядится. Можно сколь угодно увеличивать световой поток,
результат опыта не изменится. Как известно, стекло, пропуская видимое
излучение, поглощает ультрафиолетовые лучи. Следовательно, именно эти
лучи и вызывают фотоэффект. Этот факт невозможно объяснить на основе
волновой теории света. Непонятно, почему даже очень мощный световой
поток не может вырвать электроны с цинковой пластины.
Тщательные эксперименты ученых позволили выявить и еще ряд
особенностей фотоэффекта, которые невозможно объяснить волновой теорией
света.
4.4.
Явление фотоэффекта и его законы, установленные в результате
многочисленных экспериментов ученых, были объяснены в 1905 г.
Альбертом Эйнштейном (1879—1955) — выдающимся физиком XX в.
А. Эйнштейн высказал принципиально новую, невозможную с позиций
классической физики гипотезу: свет испускается, распространяется и
поглощается определенными порциями — квантами.
Несколько раньше, в 1900 г., немецкий ученый Макс Планк (1858—1947)
предположил, что электромагнитное излучение, в том числе и видимый свет,
испускается порциями — квантами. Значение порции энергии
электромагнитного излучения зависит только от частоты излучения и может
быть определено по формуле:
Е = hv,
где Е — энергия кванта, v — частота излучения, h — постоянная величина,
получившая впоследствии название постоянной Планка. Постоянная Планка
равна 6,62 • Ю-34 Дж • с.
4.3.
4. 5.
Гипотезы М. Планка и А. Эйнштейна не только кардинально меняли
все классические представления об электромагнитном излучении как сугубо
волновом процессе, но и позволили предсказать существование принципиально
новой элементарной частицы. Это — частица электромагнитного излучения,
получившая название фотон (от греческого слова, означающего «свет»),
реально существует в природе, что вскоре было подтверждено в
многочисленных экспериментах.
4.6.
Фотоэффект и другие явления, открытые физиками на рубеже XX в.,
доказывают, что свет является потоком особого рода частиц — фотонов.
Однако такие явления, как интерференция, дифракция, неопровержимо
свидетельствуют о волновых свойствах света. Естественно возникает вопрос:
что же такое свет — поток фотонов или электромагнитная волна?
Ответ на этот вопрос, полученный учеными уже более века назад, может
показаться в первый момент необычным: свет в зависимости от ситуации
может вести себя как поток частиц (фотон) или как волна.
Задание 43*
Как изменится время разрядки электрометра в опыте по обнаружению
фотоэффекта, если:
а)
электрометр приблизить к источнику света; (………………)
б)
закрыть непрозрачным экраном часть цинковой пластины;
(……………..)
в)
поставить светофильтр, задерживающий инфракрасную часть
спектра; ( ……………)
г)
поставить светофильтр, задерживающий ультрафиолетовую часть
спектра? (……………….)
??? В чём заключается сущность явления фотоэффекта ?(…………..)
??? В чём состоит гипотеза Эйнштейна, предположение Планка?
??? что такое фотон ( ………………………)
1. О сложном строении атома, о наличии внутри атомов электрических зарядов
знали учёные еще в XIX в. В 1897 г. английским физиком Джозефом Джоном
Томсоном (1856— 1940) был открыт электрон — частица с наименьшим
электрическим зарядом. Он же предложил в 1903 г. одну из первых моделей
строения атома. По предположению Дж. Томсона атом представляет собой шар,
заполненный положительно заряженным веществом, в который вкраплены
электроны. Эту модель атома не случайно называли «кексом с изюмом», в
котором роль изюминок играли электроны. Число электронов должно было
быть таким, чтобы их суммарный заряд был равен по модулю положительному
заряду шара. Диаметр атома составляет примерно 10-10 м.
Модель атома, предложенная Томсоном, просуществовала в науке около 10 лет,
и вполне успешно объясняла целый ряд физических явлении: электризацию,
электрическую проводимость и др. Однако она нуждалась в экспериментальной
проверке.
2. Вторая модель строения атома, появившаяся в результате
экспериментального изучения внутренней структуры атома, была предложена в
1911 г. английским физиком Эрнестом Резерфордом (1871—1937). Напомним,
что согласно этой модели в центре атома расположено положительно
заряженное ядро, вокруг которого движутся электроны. По аналогии со
строением Солнечной системы эту модель называют планетарной моделью
атома. Поскольку масса электрона очень мала (в несколько тысяч раз меньше
массы атома), практически вся масса атома сосредоточена в ядре. Так как атом
электрически нейтрален, то заряд ядра равен модулю суммарного заряда
электронов.
3. Основанием для создания планетарной модели атома были результаты
экспериментов, проводившихся в 1908—1911 гг. под руководством Резерфорда.
Исследовалось рассеяние α-частиц (ядер гелия) металлической фольгой.
Схема опытов Резерфорда показана на рисунке . Радиоактивный элемент,
излучающий α -частицы, помещался внутрь свинцового цилиндра 1. Вылетев из
сосуда через узкий канал, α -частицы проходили тонкую металлическую
фольгу 2 толщиной около 10-6 м и попадали на полупрозрачный экран 3,
покрытый специальным веществом.
Столкновение каждой частицы с экраном вызывало вспышку света, которую
можно было наблюдать в микроскоп 4. Весь прибор помещали в сосуд, из
которого был откачан воздух.
Экран располагался под разными углами к первоначальному направлению
движения α- частиц, и каждый раз подсчитывалось число частиц,
рассеивавшихся на тот или иной угол. Выяснилось, что большинство частиц
свободно проходили сквозь фольгу, испытывая лишь незначительные
отклонения. Однако в некоторых очень редких случаях наблюдалось рассеяние
α-частиц на большие углы (от 90 до 180°) (рис. 184). Это случалось примерно в
одном из 20 000 наблюдений. Не случайно Резерфорд в своем дневнике писал:
«Это было почти также невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым
снарядом в лист папиросной бумаги, а снаряд возвратился бы к вам и нанес вам
удар».
4. Анализируя результаты многочисленных экспериментов, Резерфорд пришел
к выводу, что отражение а-частиц обусловлено их отталкиванием
положительно заряженными частицами, массы которых соизмеримы с массой
а-частицы. Масса электрона примерно в 8000 раз меньше массы а-частицы,
поэтому электроны, входящие в состав атома, не могли существенным образом
изменить направление движения а-частицы. Опыты Резерфорда позволили
также оценить размеры атомного ядра. Оказалось, что ядро имеет диаметр
порядка 10-14— 10 -15 м, т. е. в десятки и сотни тысяч раз меньше диаметра
атома.
Таким образом, в результате экспериментов по рассеянию а-частиц была
доказана несостоятельность модели атома Томсона.
Дальнейшие исследования Резерфорда и его учеников позволили установить,
что заряд атомного ядра qядра = Z е равен произведению порядкового номера Z
элемента в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева и
заряда электрона е:
Так, например, порядковый номер углерода С — 6. Это означает, что в его
атоме 6 электронов, а заряд ядра равен по модулю шестикратному заряду
электрона.
5.Закрепление
Каковы различия между моделью атома Томсона и моделью атома Резерфорда. Что
можно сказать о размерах атома и атомного ядра.
Каков заряд атомного ядра.
6. Итоги урока ( выставление оценок)
7. Домашнее задание § 51-52, Р. Т. стр. 151-153.
Строение атома
Джозеф Джон Томсон (1856— 1940) Эрнестом Резерфордом (1871—1937).
В 1897 г. английским физиком был
1911 г. английским физиком
открыт электрон — частица с
предложена
наименьшим электрическим зарядом. модель строения атома, появившаяся в
результате экспериментального
предложил в 1903 г. одну из первых
изучения внутренней структуры атома
моделей строения атома.
атом представляет собой шар,
в центре атома расположено
заполненный положительно
положительно заряженное ядро, возаряженным веществом, в который
круг которого движутся электроны.
вкраплены электроны.
«кексом с изюмом»
планетарной моделью
Диаметр атома составляет примерно
ядро имеет диаметр порядка 10-14—
10-10 м.
10 -15 м, т. е. в десятки и сотни тысяч
раз меньше диаметра атома.
заряд атомного ядра qядра = Z е равен
произведению порядкового номера Z
элемента в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева
и заряда электрона е:
Классическая физика: Механика, Электродинамика, МКТ.
Квантовая физика: свет в зависимости от ситуации может вести себя как поток
частиц (фотон) или как волна
1905 г. Альберт Эйнштейн (1879—1955) : свет испускается,
распространяется и поглощается определенными порциями —
квантами.
Явление фотоэффекта
1900 г., немецкий ученый Макс Планк (1858—1947)
предположил, что электромагнитное излучение, в том числе и
видимый свет, испускается порциями — квантами. Значение
порции энергии электромагнитного излучения зависит только от
частоты излучения и может быть определено по формуле: Е =
hv,
где Е — энергия кванта, v — частота излучения, h — постоянная
величина, получившая впоследствии название постоянной
Планка. Постоянная Планка равна 6,62 • Ю-34 Дж • с. (СИ)