МЕТОДИКА ФОРМУВАННЯ ПОЧАТКОВИХ КВАНТОВИХ УЯВЛЕНЬ

Лекція 16

Методика формування початкових КВАНТОВИХ УЯВЛЕНЬ

1. Науково-методичний аналіз змісту і структури теми

Невід’ємною складовою частиною сучасної наукової картини світу є квантово-механічна теорія, побудована на основі положень Макса Планка про квантування енергії.

Гіпотеза, сформульована в 1900 році, виявилася настільки плідною, що за останні сто років втілилася, практично в усі галузі сучасної фізики, переважна більшість досягнень фізики ХХ століття базуються на її положеннях. З огляду на це не можна вважати достатнім і повним природничий світогляд випускника сучасної середньої школи без розуміння основних положень квантової механіки.

Побудована з врахуванням об’єктивних реалій сьогодення, програма середньої школи передбачає поступове формування в учнів квантово-механічних уявлень упродовж вивчення кількох тем. З них, в першу чергу, потрібно назвати тему "Дії світла. Кванти світла, при вивченні якої учні отримують початкові уявлення про квантово-механічну теорію та явища, які можна описати на її основі. Структура теми побудована на основі історико-теоретичного підходу та принципу дедукції, коли постульовані положення і факти підтверджуються фізичним експериментом. Так, традиційно актуалізаційною частиною теми є невеликий екскурс в історію подолання кризи в теорії випромінювання абсолютно чорного тіла.

За такого підходу учням спочатку розповідають про кризову ситуацію, яка в фізиці отримала назву ультрафіолетової катастрофи. Проте практика показує, що суть проблеми учням мало зрозуміла через відсутність знань про абсолютно чорне тіло та випромінювальну здатність.

Хоча проблема вцілому незрозуміла учням, проте сам аналіз проблеми служить певним доказом існування об’єктивних підстав для пошуку шляхів розв’язання проблеми, наслідком чого стало створення квантової теорії.

Можливість відтворення явища фотоефекту в шкільному фізичному кабінеті служить додатковою підставою для твердження про справедливість квантових уявлень. Логічним продовженням формування квантових уявлень є введення поняття фотона, на основі якого пояснюється тиск світла і ефект Комптона. Таким чином, учні підходять до квантово-хвильового дуалізму у взаємодії речовини і електромагнітного поля. Отримані в процесі вивчення теми знання суттєво поглиблюються при вивченні будови атома і фізики атомного ядра, які є квантованими системами, всі процеси в яких відбуваються за законами квантової механіки.

Структурно-логічні зв’язки в темі показані нижче на схемі.

2. Основні поняття теми та їх науково-методичний аналіз

До власне квантово-механічних понять належать поняття кванта і фотона.

Квант – дискретна частина певного фізичного об’єкта.

Фотон – елементарна частинка електромагнітного випромінювання, яка має імпульс та енергію. Маса спокою фотона дорівнює нулю.

Принципово новим для учнів є поняття роботи виходу та червона межа фотоефекту.

Робота виходу – це робота, яку потрібно виконати для того, щоб електрон покинув речовину і став вільним.

Червона межа фотоефекту – найменша частота випромінювання (найбільша довжина хвилі), при якій ще можливий фотоефект в даній речовині.

3. Навчальний фізичний експеримент

Демонстрації

Дослід Гальвакса [10, с.234]. ВАХ фотоелемента [10, с.238].

4. Методика вивчення основних питань теми

Починаючи вивчати тему, учням потрібно повідомити, що класична електродинаміка, яка базувалася на поняттях і положеннях теорії електромагнітного поля Максвелла не могла пояснити результати експериментальних досліджень випромінювання нагрітих тіл. Класична теорія входила в суперечність з результатами експерименту.

Розв’язуючи проблемну ситуацію, яка складається після такого повідомлення, розповідають, що введення М. Планком в теорію поняття кванта дозволило розв’язати всі труднощі теорії випромінювання. При цьому важливо наголосити на тому, що згідно з положеннями теорії Планка енергія електромагнітного випромінювання має дискретний характер. І найменше значення енергії електромагнітного випромінювання (квант) залежить від частоти:

Традиційно склалася така методика, за якою для підтвердження цього висновку в першу чергу розглядається явище фотоефекту. Спочатку розповідають учням, що дослідник електромагнітних хвиль Г. Герц при проведенні дослідів помітив, що розряд між двома цинковими кулями відбувався при меншій напрузі, якщо вони освітлювалися ультрафіолетовим випромінюванням. Це стало підставою для проведення Гальваксом дослідів з розряджання негативно зарядженої цинкової пластинки, розміщеної на вістрі електрометра.

Дослід, описаний в [10, с.234] легко демонструється в умовах фізичного кабінету при наявності в учителя належних навичок демонстрування дослідів з електростатики (мал. 60).

Аналізуючи дослід, необхідно звернути увагу, що процес розряджання спостерігається лише у тому випадку, коли цинкова пластинка заряджена негативно і освітлюється ультрафіолетовим світлом. Аналіз вказаних особливостей досліду дозволяє зробити висновок, що під дією ультрафіолетового випромінювання з пластинки вилітають негативно заряджені частинки, якими в металі є електрони, і тому зменшується саме негативний заряд. Варто пам’ятати, що електрони будуть вилітати і з незарядженої пластинки, але під дією позитивного заряду пластинки вони відразу повертатимуться назад. Показово, що ефект наступає відразу після опромінення. Відсутність фотоефекту у випадку з мідною пластинкою свідчить про роль речовини в процесі.

Суть дослідження Столєтова пояснюється на основі досліджень з вакуумним фотоелементом (мал. 61).

Результати демонстрації є основою для побудови ВАХ фотоелемента (мал. 62). Для кращого розуміння її змісту учнями, потрібно організувати повторення матеріалу про особливості ВАХ двоелектродної лампи. Залучення отриманих раніше знань дозволить зробити висновки, що з катода під дією світла вириваються електрони, які мають певну кінетичну енергію. Підтвердженням вилітання електронів є наявність струму насичення. Різні значення струму насичення показують, що кількість фотоелектронів залежить від світлового потоку.

Недоліком описаної вище демонстрації є те, що неможливо показати залежність фотоефекту від частоти випромінювання. Тому ці відомості можна залучати або з дослідів Гальвакса, або з дослідів Столєтова, в яких використовувалися кварцове віконечко в скляній посудині, яке пропускало лише ультрафіолетове випромінювання.

Висновки з проведених досліджень узагальнюються у формі трьох законів фотоефекту Столєтова.

1. Енергія фотоелектронів не залежить від інтенсивності світлового потоку, а залежить від частоти випромінювання.

2. Кількість фотоелектронів, які вилітають з катода за одиницю часу, залежить від інтенсивності світлового потоку, але не залежить від довжини хвилі.

3. Для кожного металу існує червона межа фотоефекту – частота, нижче якої фотоефект не відбувається.

У багатьох посібниках формулюють і четвертий закон, згідно з яким явище фотоефекту практично безінерційне. Але цей висновок не очевидний з результатів дослідів, тому його зміст доцільно повідомити як беззаперечний висновок з складних наукових досліджень явища фотоефекту.

Важливе місце в процесі вивчення теми займає вивчення рівняння Ейнштейна. Організовуючи його аналіз, потрібно встановити, що воно є собою записом закону збереження енергії у фотоефекті засобами квантової механіки. Несуперечливість цього рівняння з законами Столєтова, які були отримані експериментально, доводиться шляхом співставлення рівняння з цими законами.

Так, перший закон виражається рівнянням

Другий закон пояснюється тим, що кожному фотону відповідає електрон певної енергії. Тому N_Ф=N_e.

Для третього закону , якщо або .

На жаль, учні не володіють поняттям світлового потоку, а тому для спрощення його доводиться користуватися поняттям інтенсивності випромінювання, що зрозуміліше учням.

Поняття фотона вводиться як віртуальна частинка. Уявлення про те, що електромагнітне випромінювання поглинається певними порціями – квантами – дозволяє прийти до висновку, що електромагнітну хвилю можна розглядати як потік частинок, енергія яких визначається частотою хвилі. Якщо виходити з принципу еквівалентності маси та енергії, то , де – маса віртуальної частинки.

Звідси . Якщо врахувати, що енергія кванта , то .

Звідси випливає, що електромагнітну хвилю можна уявити як потік частинок з квантованою енергією. Цю частинку називають фотоном.

Для кращого розуміння учнями суті ефекту Компотна, доцільно в плані повторення розв’язати задачу на нецентральний удар двох пружних куль. Лише після цього потрібно розповісти учням зміст досліду. При опроміненні важких металів рентгенівським випромінюванням спостерігається вихід вільних електронів і поява випромінювання з більшою довжиною хвилі. Пояснення такого явища з використанням елементів косого удару двох куль дозволяє створити в учнів уявлення про фотон як про пружну кульку-частинку.

Ще переконливішим прикладом, що підтверджує теорію фотонів, є тиск світла. Існування такого природного явища пояснюється на прикладі відхилення хвостів комет та дослідів Лебедєва. Важливе пізнавальне значення має повідомлення учням про те, що світловий тиск пояснюється як на основі фотонної теорії, так і на основі класичної теорії електромагнітного поля, свідчить про корпускулярний дуалізм електромагнітного випромінювання. буде служити учням підтвердженням взаємного доповнення однієї теорії другою.

Розглядаючи практичне застосування фотоефекту, як правило, розглядають застосування вакуумних фотоелементів. Але оскільки в сучасній техніці вони практично не застосовуються, то їх приклади замінюють напівпровідниковими фотоелементами.

Поглиблення квантових уявлень учнів відбувається при вивченні будови атома.

5. Типові задачі

На розрахунок енергії фотона і кванта.

На розрахунок роботи виходу електрона з металу.

На розрахунок швидкості фотоелектронів.

На розрахунок червоної межі фотоефекту.

6. Організація контролю і обліку знань учнів

У процесі вивчення теми доцільно провести фізичний диктант, самостійну роботу, та контрольну роботу. Фізичний диктант дасть можливість перевірити знання учнями основних понять, які вивчаються в темі та формулювання законів фотоефекту. При виконанні самостійної роботи учні отримають належні навики розв’язування розрахункових і якісних задач. Зміст контрольної роботи повинен забезпечити можливість об’єктивної перевірки рівня теоретичних знань учнів та їх практичних навичок. Це забезпечується підбором задач такого типу, як наведені вище.