ФОТОНЫ. ДВОЙСТВЕННОСТЬ СВОЙСТВ СВЕТА
Одна из основных задач учителя при изучении световых квантов и действий света - ознакомить учащихся со свойствами фотона и двойственностью свойств света. После изучения фотоэффекта и явления Комптона обобщают полученные учащимися знания о фотоне и обсуждают корпускулярно-волновой дуализм его свойств. При подготовке к этому уроку школьники повторяют как уже пройденный до этого материал, так и материал об электромагнитных волнах раздела “Электродинамика”. В ходе беседы учитель подводит их к следующим выводам:
1) Фотон - частица электромагнитного излучения (квант электромагнитного поля).
2) Фотон, будучи квантом электромагнитного поля, существует только в движении. Он либо движется со скоростью, равной скорости света в вакууме, либо не существует. Остановить, замедлить и ускорить фотон нельзя, как нельзя увеличить или уменьшить скорость света в вакууме.
3) Эти частицы сравнительно легко могут зарождаться (излучаться) и исчезать (поглощаться). Фотоны неделимы. Когда атом испускает или поглощает свет, то это испускание и поглощение происходит только целыми фотонами. Поглощенный фотон прекращает свое самостоятельное существование, а его энергия превращается в какой-либо другой вид энергии.
4) Фотон обладает определенной энергией, массой и импульсом. Энергия фотона 
. По закону взаимосвязи массы и энергии энергия фотона связана с массой соотношением 
, следовательно, масса фотона равна
|
|
|
.
Масса фотона - мера его энергии. Эту массу нужно рассматривать как полевую массу, обусловленную тем, что электромагнитное поле обладает энергией.
Так как фотон существует только в движении, то у него нет массы покоя. Масса покоя фотона равна нулю, и в этом принципиальное отличие фотона от частиц вещества.
Импульс фотона равен
.
Импульс - векторная величина. Направление вектора импульса фотона совпадает с направлением распространения света. Наличие у фотона импульса подтверждает существование светового давления и эффектом Комптона.
Учащиеся должны уяснить, что свет проявляет и волновые и корпускулярные свойства, т. е. он обладает дуализмом свойств. Это находит свое выражение, в частности, в формулах, определяющих корпускулярные характеристики фотона (энергию, импульс, массу) через частоту:
; 
; 
.
В проявлении двойственности свойств света имеется определенная закономерность. Так как энергия отдельного фотона при малых частотах (например, у инфракрасного света) мала, то для этого диапазона частот корпускулярные свойства проявляются слабо, а в большей степени проявляются волновые свойства излучения. Интерференцию, дифракцию, поляризацию такого излучения легко демонстрируют с помощью несложной аппаратуры, фотохимические же действия обнаружить труднее. При больших частотах (когда энергия отдельного фотона сравнительно велика) корпускулярные свойства света обнаружить легче. В видимом свете волновые и корпускулярные свойства проявляются примерно в равной степени. Отражение, преломление, давление света можно объяснить как на основе волновых, так и на основе корпускулярных представлений.
|
|
|
Заметим, что при некоторых условиях в типично волновом явлении обнаруживаются квантовые свойства света. Например, эти свойства обнаружены в известных опытах С. И. Вавилова по квантовым флуктуациям в интерференционном поле при малых световых потоках. Свои наблюдения флуктуации световых потоков С. И. Вавилов рассматривал как одно из важнейших доказательств квантовых свойств излучения.
Чтобы учащиеся убедились в этом, полезно предложить им определить частоту, импульс, энергию фотонов, соответствующих различным длинам волн оптического диапазона.
Обсуждение данных поможет школьникам получить более конкретные представления о шкале электромагнитных волн и понять, почему в коротковолновой области в большей степени обнаруживаются корпускулярные свойства, а волновые проявляются слабее. Например, если сопоставить излучения двух одинаковых по мощности источников света (красного (видимого) и рентгеновского), то можно увидеть, что энергия фотона рентгеновского излучения во много раз больше энергии фотона видимого света и при одинаковой интенсивности плотность фотонов красного света в 1000-100000 раз больше плотности рентгеновского излучения.
|
|
|
Из условий равенства интенсивностей следует
,
где n – число фотонов, проходящих за 1 с через поверхность единичной площади, откуда
.
Поэтому красное излучение проявляется как непрерывное, а рентгеновское – как нечто дискретное.
Целесообразно предложить учащимся предсказать, какие (химические, биологические и др.) действия могут оказывать различные виды излучений.
Для подчеркивания дуализма свойств света полезно заполнить таблицу, в которой указаны основные физические величины, отражающие диалектическое единство дискретности (прерывности) и континуальности (непрерывности) материи. При объяснении особое внимание обращают на рассмотрение формул, объединяющих оба класса величин.
| Физические величины, используемые для описания волновых свойств света | Физические величины, используемые для описания квантовых свойств света | Формулы, объединяющие оба класса физических величин |
| Частота ν Период Т Длина волны λ = υТ |
Масса фотона m
Скорость фотона c
Импульс фотона p = mc
Энергия фотона 
|
|
ПРИМЕНЕНИЕ ФОТОЭФФЕКТА
|
|
|
Учащиеся должны знать устройство и принцип - действия двух- фотоэлектрических приборов: фотоэлементов, в основе которых лежит внешний фотоэффект, и полупроводниковых фоторезисторов, основанных на внутреннем фотоэффекте. (Фоторезисторы изучались в IX классе, и их устройство и действие надо лишь повторить.) Вентильные фотоэлементы не изучаются; следует, однако, продемонстрировать их действие на опыте.
Надо более или менее подробно остановиться на различных применениях фотореле и использовании фотоэлементов для воспроизведения звука, записанного на пленку.
При наличии соответствующего оборудования весьма желательно продемонстрировать также воспроизведение звука с кинопленки.
Полено показать на уроке учебный кинофильм «Фотоэлементы и их применение». Где показывается устройство вакуумного фотоэлемента и фотореле, а также применение фотореле для автоматического счета изделий, обеспечения безопасности на резальной машине в типографии и др. Также показано устройство и действие вентильного фотоэлемента и фототелеграфа. Эти моменты можно демонстрировать в ознакомительном плане. На уроке можно заслушать сообщения учащихся об отдельных применениях фотоэффекта.
Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 222; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!