Efekt fotoelektryczny

Poprawna odpowiedź

1. D., 2. B.

Wymaganie ogólne

1 Wykorzystanie wielkości fizycznych do opisu poznanych zjawisk lub rozwiązania prostych zadań obliczeniowych.
4 Posługiwanie się informacjami pochodzącymi z analizy przeczytanych tekstów (w tym popularno-naukowych).

Wymaganie szczegółowe

2.6 Fizyka atomowa. Uczeń opisuje efekt fotoelektryczny, wykorzystuje zasadę zachowania energii do wyznaczenia energii i prędkości fotoelektronów.

Komentarz

Efekt fotoelektryczny polega na wybijaniu elektronów z metalowej płytki oświetlonej światłem widzialnym lub promieniowaniem UV. Zjawisko to świadczy o korpuskularnej naturze światła: pojedynczy foton zderza się z pojedynczym elektronem, ulegając absorpcji. Część energii pochłoniętego fotonu jest zamieniana na pracę wyjścia, potrzebną do wyrwania elektronu z metalu, reszta – na energię kinetyczną elektronu. Związek pomiędzy energią zaabsorbowanego fotonu, a maksymalną energią kinetyczną wybitego elektronu możemy zapisać przy pomocy następującej zależności: Eγ=E_k+W.

 Energia fotonu zależy od jego częstotliwości (Eγ=hv), a zatem możemy powyższe równanie przepisać w postaci hv=E_k+W, z czego z kolei wynika, że E_k=hv-W  . Wobec tego wykres prawidłowo przedstawiający zależność pomiędzy energią kinetyczną wybitego elektronu a częstotliwością padającego na metal światła przedstawiony jest na ostatnim rysunku. Idąc powyższym tokiem rozumowania, uczeń powinien jako odpowiedź wskazać kombinację 1.D., 2.B. „Możliwy do uzyskania wynik doświadczenia przedstawiono na wykresie 4, ponieważ część energii fotonu zostaje zamieniona na pracę wyjścia z metalu”.

 Zadanie sprawdza umiejętność analizy wykresu w oparciu o posiadaną przez ucznia wiedzę i było wykorzystane w badaniu, w którym wzięli udział uczniowie klas drugich liceum ogólnokształcącego. Prawidłowo rozwiązało je zaledwie 4,4% osób. Wyniki uzyskane w badaniu wskazują na fakt, że sporym problemem było dla uczniów przeprowadzenie rozumowania, które pozwoliłoby im wskazać właściwy wykres. Najczęściej wskazywany był wykres 3 (43,6%). Osoby dokonujące takiego wyboru nie dostrzegły jednak istotnego problemu: jak z punktu widzenia fizyki interpretować ujemne wartości energii kinetycznej, pojawiające się na wykresie? Postawienie sobie takiego pytania powinno doprowadzić ucznia do wniosku, że wybijany z metalu elektron nie może mieć ujemnej energii, a zatem wykres ten należy odrzucić.

Drugi pod względem częstotliwości wyboru był wykres 2 (37,0%). Byłby on prawdziwy jedynie w sytuacji, gdyby wybicie elektronu z metalu nie wiązało się z zamianą części energii fotonu na pracę wyjścia, a cała energia fotonu byłaby przekształcana w energię kinetyczną elektronu. Być może uczniowie wybierający tę odpowiedź zasugerowali się tym, że w tekście wprowadzającym nie wspomniano o pracy wyjścia. Niemniej badanie było przeprowadzone wśród uczniów, którzy mieli już za sobą pełny cykl obowiązkowego kształcenia z fizyki, a zatem spotkali się już z pojęciem efektu fotoelektrycznego.

Wykres 4, prawidłowo obrazujący możliwy do uzyskania wynik doświadczenia, był dopiero trzeci pod względem popularności wśród uczniów (8,4%). Trudności z wyborem właściwego wykresu przełożyły się na to, że w drugiej części zadania większość uczniów wybierała losowo uzasadnienie swojej odpowiedzi z części pierwszej. Poszczególne opcje w drugiej części zadania były wybierane z bardzo podobną częstotliwością, odpowiednio 32%, 37% (odpowiedź prawidłowa) i 28,6%.

Słowa kluczowe