Wiązka zadań
Zjawisko fotoelektryczne
Zadanie
Odkrycie zjawiska fotoelektrycznego przez H. Hertza w roku 1887 wywołało ogromny kryzys w świecie naukowym przełomu XIX i XX wieku. Stało się tak, ponieważ niektóre cechy tego zjawiska nie dawały się wyjaśnić w ramach obowiązującej wówczas falowej teorii światła.
Które z poniższych własności zjawiska fotoelektrycznego można było wyjaśnić korzystając z falowej teorii światła.
| Własność | Można było wyjaśnić? |
| 1. Rozchodzenie się światła wiąże się przenoszeniem energii. | |
| 2. Jeżeli zjawisko fotoelektryczne zachodzi, to wzrost natężenia światła zwiększa liczbę wybijanych elektronów. |
|
| 3. Natężenie światła nie wpływa na to, czy zjawisko zachodzi, czy nie. |
Poprawna odpowiedź
1. Tak., 2. Tak., 3. Nie.
Wymaganie ogólne
1 Wykorzystanie wielkości fizycznych do opisu poznanych zjawisk lub rozwiązania prostych zadań obliczeniowych.
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 metalu oświetlonego światłem o odpowiednio wysokiej częstotliwości. Padające na metal światło oddziałuje z elektronami, przekazując im swoją energię, przy czym część tej energii zostaje spożytkowana na wyrwanie elektronu z metalu, a reszta energii zostaje zamieniona na energię kinetyczną elektronu. Dla każdego materiału istnieje ściśle określona wartość progowa częstotliwości światła, poniżej której zjawisko w ogóle nie zachodzi.
Z punktu widzenia falowej teorii światła jest to fakt zdumiewający – energia fali zależy jedynie od kwadratu jej amplitudy, zatem zwiększając odpowiednio natężenie światła padającego na metal, powinniśmy doprowadzić do wybicia fotoelektronów. Tak się jednak nie dzieje, a wyjaśnić ten aspekt zjawiska fotoelektrycznego możemy jedynie wprowadzając pojęcie fotonu (kwantu światła), czyli cząstki o zerowej masie i energii proporcjonalnej do częstotliwości padającego światła. W przypadku światła o częstotliwościach niższych od częstotliwości progowej, energia padających fotonów byłaby po prostu za mała, aby wyrwać elektron z metalu i nadać mu pewną prędkość.
Jeśli przyjrzymy się zestawionym w tabeli własnościom zjawiska fotoelektrycznego, to zgodnie z powyższym rozumowaniem, tylko trzeciej własności nie da się wyjaśnić w oparciu o falową teorię światła. Dwie pierwsze własności można bez trudu wyjaśnić zgodnie z tą teorią. Zauważmy, że każda fala przenosi energię, proporcjonalną do kwadratu amplitudy drgań. Skoro światło jest falą elektromagnetyczną (jego rozchodzenie się polega na rozchodzeniu się drgań pola elektromagnetycznego) to musi ono nieść pewną energię. Wzrost natężenia światła wiąże się z kolei ze wzrostem amplitudy fali. Czym wyższa amplituda drgań, tym wyższa energia fali, co w przypadku światła skutkowałoby możliwością wybicia większej liczby elektronów z metalu.
Prezentowane zadanie sprawdza rozumienie mechanizmu zjawiska fotoelektrycznego. Zostało ono wykorzystane w badaniu, w którym wzięli udział uczniowie klas drugich liceum ogólnokształcącego. Prawidłowej oceny poszczególnych właściwości efektu fotoelektrycznego dokonało, odpowiednio, 73,5%, 57,1% oraz 60,2% osób biorących udział w badaniu. Całość zadania rozwiązało prawidłowo 33,6% uczniów, przy czym zadanie różnicuje ich bardzo słabo. Najprawdopodobniej uczniowie mają problem ze zrozumieniem samej istoty zjawiska fotoelektrycznego, za czym przemawia fakt, iż znaczna część osób prawidłowo oceniających dowolną część zadania popełniło błąd w ocenie przynajmniej jednej z pozostałych dwóch części.
Utwór jest chroniony prawem autorskim. Zasady i warunki korzystania z niego określa Regulamin Serwisu Bazy Dobrych Praktyk.
"Masz uwagi do treści? Uważasz, że zawiera błąd? Napisz na bnd@ibe.edu.pl
