Efekt fotoelektryczny

Zagadnienia

Światło
Mechanika kwantowa
Fotony

Opis

Symulacja Efekt fotoelektryczny przedstawia wirtualne odwzorowanie fotoelektrycznego eksperymentu Millikana.

PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, https://phet.colorado.edu Na licencji CC BY 4.0

Ta symulacja Java jest uruchamiana (może to chwilę potrwać) w przeglądarce internetowej za pośrednictwem technologii o nazwie CheerpJ - nie wymaga instalowania żadnego dodatkowego oprogramowania. W stosunku do wersji offline jest nieco pogorszona jakość graficzna.

W opracowaniu niniejszego poradnika wykorzystano materiały PhET: Strona źródłowa symulacji, Teacher Tips (Sam McKagan, kwiecień 2011)

W szablonie strony wykorzystano kod html/css: phydemo.app.

Poziom

Szkoła średnia

Przykładowe cele nauczania

Zwizualizuj i opisz eksperyment z efektem fotoelektrycznym.
Poprawnie przewiduj wyniki eksperymentów efektu fotoelektrycznego: np. jak zmiana natężenia światła wpłynie na natężenie prądu i energię elektronów, jak zmiana długości fali światła wpłynie na natężenie prądu i energię elektronów, jak zmiana napięcia między płytkami wpłynie na natężenie prądu i energię elektronów, jak zmiana materiału tarczy wpłynie na natężenie prądu i energię elektronów.
Opisz, jak te wyniki prowadzą do fotonowego modelu światła: np. argumentuj, że tylko fotonowy model światła może wyjaśnić, dlaczego, gdy światło pada na metal, ale nie ma prądu, zwiększenie częstotliwości doprowadzi do powstania prądu, ale zwiększenie natężenia światła lub napięcia między płytkami już nie.

Przykładowe materiały teoretyczne

Zewnętrzny efekt fotoelektryczny i jego zastosowanie (ZPE)
Efekt fotoelektryczny zewnętrzny (ZPE)
Efekt fotoelektryczny (Khan Academy)
Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne (e-fizyka)
Efekt fotoelektryczny (OpenStax)

Sterowanie symulacją

Ekran symulacji

Zobacz, jak światło wybija elektrony z metalowego celu i odtwórz eksperyment, który zapoczątkował mechanikę kwantową.

Złożone sterowanie

Można wstrzymać symulację, a następnie użyć funkcji Krok do stopniowej analizy.
Wybierz Pokaż fotony w menu Ustawienia, aby wyświetlić wiązkę światła złożoną z pojedynczych fotonów.
Wybierz Ustaw liczbę fotonów zamiast natężenia w menu Ustawienia, aby zmienić suwak Natężenie na suwak Liczba fotonów.
Domyślnym materiałem katody jest sód. Możemy go zmienić w rozwijanym menu Fotokatoda.
Użyj ikony aparatu , aby wykonać migawkę wykresów w celu porównania wykresów dla różnych ustawień.

Ułatwienia dostępu

Wersje offline, niewymagające połączenia z internetem

Dostępne są również wersje symulacji niewymagające połączenia z internetem.

Aplikacja PhET Desktop zawiera wszystkie symulacje HTML5 i Java, w tym ich tłumaczenia, do użytku offline w systemach Windows i macOS (dostępne po zalogowaniu tu). Symulacje HTML5 nie wymagają dodatkowego oprogramowania, natomiast do uruchamiania dowolnych symulacji Java w aplikacji komputerowej jest wymagany Java SE Development Kit 8.

Darmową wersję desktopową tej aplikacji (plik .jar) pobierzemy bezpośrednio klikając tu lub ze strony PhET (klikając tytuł lub ikony przy wybranej wersji językowej):

A następnie wybierając odpowiednią opcję:

Spostrzeżenia na temat korzystania z aplikacji przez uczniów

Badania (R. N. Steinberg, G. E. Oberem, and L. C. McDermott, “Development of a computer-based tutorial on the photoelectric effect,” American Journal of Physics 64, 1370 (1996).) pokazują, że uczniowie często mają trudności ze zrozumieniem podstawowego obwodu związanego z efektem fotoelektrycznym. Na przykład, uczniowie mogą myśleć, że to napięcie, a nie światło sprawia, że elektrony odrywają się od elektrody, lub próbować stosować zależność U = IR. Warto poświęcić trochę czasu na rozwiązanie tego typu trudności uczniów.
Wielu uczniów ma trudności ze zrozumieniem związku między natężeniem prądu a prędkością elektronów. Nasi uczniowie często toczą gorące dyskusje na temat tego, czy zwiększenie prędkości elektronów prowadzi do wzrostu natężenia prądu. Symulacja jest kluczowym narzędziem w rozwiązywaniu tych debat, ponieważ uczniowie mogą zobaczyć z bliska, że zwiększenie prędkości elektronów nie zwiększa liczby elektronów docierających na sekundę do elektrody, a zatem nie zwiększa natężenia prądu.
W wywiadach stwierdziliśmy, że nawet uczniowie bez doświadczenia w naukach ścisłych byli w stanie zrozumieć, jak przebiega eksperyment z efektem fotoelektrycznym, bawiąc się tą symulacją, ale potrzebowali dalszych wskazówek, aby zrozumieć implikacje eksperymentu dla korpuskularnego modelu światła.

Uproszczenia / założenia modelu

W symulacji jako separator dziesiętny stosowana jest kropka.
Elektrony są emitowane z różnymi energiami, ponieważ fotony mogą wyrzucać elektrony z różnymi energiami wiązania. Jeśli większa część energii fotonu zostanie wykorzystana do uwolnienia elektronu, wyemitowany elektron będzie miał mniejszą energię kinetyczną. Należy zauważyć, że zachowanie to różni się od uproszczonego modelu stosowanego w niektórych podręcznikach, w którym wszystkie elektrony są emitowane z taką samą energią kinetyczną. Jeśli chcesz użyć tego uproszczonego modelu, możesz zaznaczyć opcję Pokaż tylko elektrony o najwyższej energii. Ta opcja nie zmienia wykresów, ponieważ natężenie prądu jest nadal obliczane z uwzględnieniem wszystkich elektronów.
Nie każdy foton powoduje emisję elektronu, nawet jeśli fotony mają wystarczającą energię do emisji elektronów. Jeśli foton zostanie pochłonięty przez elektron o energii wiązania większej niż energia fotonu, elektron nie zostanie uwolniony. Fotony o wyższych energiach częściej powodują uwalnianie elektronów, ponieważ większa część elektronów w metalu ma energię wiązania mniejszą niż energia fotonu. Dlatego wraz ze wzrostem częstotliwości liczba emitowanych elektronów (a tym samym natężenie prądu) będzie wzrastać, aż wszystkie fotony będą powodować emisję elektronów. Należy zauważyć, że to zachowanie różni się od uproszczonego modelu używanego w wielu podręcznikach, w którym każdy foton o częstotliwości większej niż częstotliwość progowa powoduje uwolnienie elektronu, więc natężenie prądu jest stałe powyżej częstotliwości progowej.
W ustawieniach domyślnych, ponieważ natężenie światła jest proporcjonalne do liczby fotonów pomnożonej przez częstotliwość, jeśli zwiększysz częstotliwość, utrzymując natężenie na stałym poziomie, liczba fotonów spadnie. Dlatego też, jeśli zwiększysz częstotliwość poza wartość, w której wszystkie fotony emitują elektrony (patrz poprzedni punkt), liczba emitowanych elektronów (a tym samym natężenie prądu) zacznie spadać. Należy zauważyć, że różni się to od uproszczonego modelu używanego w wielu podręcznikach, w którym natężenie prądu jest stałe powyżej częstotliwości progowej. Jeśli chcesz mieć możliwość zmiany częstotliwości bez zmiany liczby fotonów, wybierz opcję Ustaw liczbę fotonów zamiast natężenia w menu Ustawienia.
Dla uproszczenia zakładamy, że wszystkie elektrony są wyrzucane prostopadle do elektrody. W rzeczywistym eksperymencie fotony są wyrzucane we wszystkich kierunkach. Uczniowie często pytają, czy w rzeczywistości elektrony nie są wyrzucane pod różnymi kątami ale zazwyczaj są skłonni zaakceptować, że jest to tylko uproszczenie symulacji.
Pomijamy zaawansowane kwestie, takie jak potencjał kontaktowy, termoemisja i prąd wsteczny.

Sugestie dotyczące wykorzystania

Wskazówki dotyczące wszystkich symulacji zawarte są w informacjach ogólnych.

Więcej porad dotyczących korzystania z symulacji z uczniami można znaleźć na stronach PhET w sekcji Wskazówki dotyczące korzystania z PhET.

Zalecamy stosowanie badań ukierunkowanych, aby pomóc uczniom „odkryć” model światła, który wyjaśnia zachowanie widoczne w symulacji.
Udostępnij uczniom tabelę funkcji pracy wyjścia dla różnych materiałów i poproś ich o skorzystanie z symulacji w celu określenia tajemniczego metalu (oznaczonego jako „?????”).
Koncepcję potencjału hamującego można zademonstrować w bardzo spektakularny sposób, pokazując, że jeśli ustawisz napięcie baterii tuż poniżej potencjału hamującego, elektrony po prostu dotrą do przeciwległej płyty i zawrócą. Często wywołuje to rozbawienie uczniów, gdy widzą to po raz pierwszy.
Poproś uczniów, aby wymyślili sposób wykorzystania symulacji do określenia stałej Plancka.
Zapytaj uczniów, jak zmieniłby się wykres zależności natężenia prądu od napięcia, gdyby nie zastosowano uproszczenia polegającego na wyrzucaniu elektronów tylko prostopadle do płytki. (Wykres zrównałby się przy pewnym dodatnim napięciu, nie zaś przy 0 V, ponieważ więcej elektronów wyrzucanych pod ostrym kątem zostałoby przyciągniętych z powrotem do dodatniej elektrody).

Przykładowe polecenia

Co się dzieje w symulacji, kiedy zmieniasz światło z czerwonego na niebieskie?
Załóżmy, że czerwone światło nie uwalnia elektronów z badanego metalu. Czy zmiana natężenia światła umożliwiłaby uwalnianie elektronów? Wyjaśnij.
Dlaczego różne metale mają różne częstotliwości progowe?
Jakie właściwości ma metal, który ma dużą pracę wyjścia?
Jaki jest związek między maksymalną energię kinetyczną fotoelektronów wyrzucanych z określonego metalu, a częstotliwością padającego światła?
Znajdź napięcie hamowania, maksymalną energię kinetyczną i maksymalną szybkość elektronów emitowanych z określonej katody.

Zobacz wszystkie opublikowane na stronach PhET aktywności dla Efekt fotoelektryczny tutaj (dostęp do materiałów wymaga zalogowania).