Решение задач - Урок 9 - СВЕТОВЫЕ КВАНТЫ - КВАНТОВАЯ ФИЗИКА

Ход урока

I. Для повторения материала двух последних уроков целесообразно проведение кратковременной письменной работы. Школьников заранее предупреждают о работе и её примерном содержании.

Вариант I

1. Принцип работы и использование вакуумного фотоэлемента.

2. Примеры применения полупроводниковых фотоэлементов.

Вариант II

1. Принцип работы и использование полупроводниковых фотоэлементов.

2. Примеры применения вакуумных фотоэлементов.

Письменную работу можно провести и по материалу учебника, используя для заданий его текст, рисунки и схемы.

II. Коллективно в процессе обсуждения решают задачу.

1. Человек обладает порогом зрительного ощущения, с физической точки зрения определяемым минимальной энергией света, вызывающей ощущение. Для света длиной волны 5,25 ∙ 10^-7 м порог у разных людей колеблется от 200 до 400 фотонов в секунду. Это значит, что в темноте человек в состоянии зафиксировать такой минимальный световой поток. Опыты по наблюдению потоков очень малой интенсивности были проведены известным физиком С. И. Вавиловым. Экспериментатор наблюдал беспорядочные вспышки света от источника, интенсивность которого приближалась к порогу его зрительного ощущения. Объясните, какие выводы о свойствах света можно сделать из такого эксперимента.

Ответ. Наблюдатель то видел вспышку света, то не видел. Для определённости примем, что порог его зрительного ощущения 400 фотонов в секунду. Если до наблюдателя доходило 400 фотонов в секунду и более, то он видел источник света, а если меньше — не видел. Значит, раз вспышки источника беспорядочны, то слабый источник света излучает не строго определённое количество фотонов и число их случайным образом колеблется. Наличие вспышек говорит и о том, что источник испускает свет не непрерывным потоком.

Таким образом, опыты Вавилова подтверждают квантовые свойства света. (При решении задачи желательно зачитать фрагменты из статьи “Микроструктура света” по Хрестоматии для учащихся.)

Формирование представлений о проявлении квантовых свойств света в окружающей нас жизни продолжается при решении задачи.

2. Радиовещательная станция работает на волне 10 м (длина волны 10 м). Вычислите энергию одного кванта этого излучения. Определите число фотонов, излучаемых в секунду, при мощности станции 5 кВт. Заметны ли квантовые свойства такого излучения?

После решения задачи обсуждается вопрос: можно ли обнаружить при приёме квантовый характер излучения, если приёмник имеет нижний предел чувствительности порядка 10¹⁰ квантов в секунду при частоте 1 МГц? (Ответ. Нельзя, так как при таком большом числе квантов отдельный квант незаметен.)

III. Для самостоятельного решения предлагаем следующие задачи:

1. Определите импульс фотонов, излучаемых источником рентгеновских лучей с частотой 3 ∙ 10¹² МГц.

2. Чему равна наименьшая частота света, при которой ещё наблюдается фотоэффект, если работа выхода электрона из металла 3,3 ∙ 10^-19 Дж?

3. Два излучателя мощностью по 100 Вт испускают излучение: один — в видимом диапазоне с частотой 4 ∙ 10¹⁴ Гц, другой — рентгеновские лучи с частотой 2 ∙ 10¹⁷ Гц. Определите: а) энергию и импульс фотонов; б) число фотонов, проходящих через площадку 1 м², расположенную перпендикулярно потоку на расстоянии 5 км от излучателей. В каком случае легче обнаружить корпускулярные свойства излучения?

4. Опишите и схематически изобразите процессы, соответствующие факту существования красной границы фотоэффекта.

IV. Домашнее задание: упр. на с. 277 (3, 4); индивидуально можно предложить решить задачу.

Тренированный глаз, длительно находящийся в темноте, воспринимает свет с длиной волны 0,5 мкм при мощности, равной 2,1 ∙ 10^-17 Вт. Сколько фотонов примерно попадает в этом случае на сетчатку за 1 с?