Урок 18. Корпускулярные свойства света. Приборы, использующие корпускулярные свойства света
Предмет: Естествознание, 11 класс

Конспект урока

Естествознание, 11 класс

Урок 18. Корпускулярные свойства света. Приборы, использующие корпускулярные свойства света

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

какова роль знаний о корпускулярных свойствах света для объяснения принципа действия оптических приборов;

Глоссарий по теме:

Внешний фотоэффект – испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения с поверхности металла.

Внутренний фотоэффект – это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу.

Вакуумный фотоэлемент – прибор, преобразующий переменный световой поток в переменный электрический ток.

Фоторезистор – резистор с переменным под действием света сопротивлением.

Солнечные фотопреобразователи – приборы вырабатывающие электрический ток под действием света.

Фоточувствительные приборы с зарядовой связью – приборы в которых под действием света накапливается электрический заряд, который потом считывается и преобразуется в электрический сигнал.

Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):

Естествознание. 11 класс: Учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 2017 – §28, С. 98-99.
Физика. 11 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. учреждений: базовый уровень; профильный уровень/А.В. Грачев, В.А. Погожев, А.М. Салецкий и др.- М.: Вентана-Граф, 2018. – 464 с.
http://ens.tpu.ru/POSOBIE_FIS_KUSN/Квантовая%20оптика.%20Атомная%20и%20ядерная%20физика.%20Физика%20элементарных%20частиц/02-1.htm
http://mirznanii.com/a/322112/fotoeffekt

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Из курса физики вы знакомы с явлением фотоэффекта. Это явление было открыто немецким физиком Генрихом Герцем и независимо от него русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым. Также немаловажную роль в изучении фотоэффекта принадлежит Альберту Эйнштейну.

Выделяют внешний, внутренний, вентильный и многофотонный фотоэффект.

Первый прибор, в основе работы которого лежит внешний фотоэффект – это вакуумный фотоэлемент, который исторически был первым фотодатчиком.

Вакуумный фотоэлемент представляет собой колбу с откаченным воздухом, внутри которой находятся два электрода. Анод – это петля или диск в центре колбы для улавливания фотоэлектронов, а катод – металлическое напыление тонким слоем на стенке колбы. В чём же заключается принцип действия?

В соответствии с фотоэффектом сила тока, создаваемая выбитыми из металла электронами, пропорциональна интенсивности падающего излучения, таким образом, переменный световой поток превращается в переменный электрический ток. Недостатком такого типа элемента являются большие габариты – из-за этого они почти не используются. Но выбрав материал катода с красной границей фотоэффекта в области UV-излучения можно получить прибор, реагирующий только на эти волны и создающий минимальный шум - датчики UV- излучения для пожарных извещателей.

Логическим продолжением вакуумных фотоэлементов являются фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Или квантовые усилители света. Они предназначены для регистрации очень слабого света, они могут регистрировать даже отдельные фотоны. Используются для регистрации элементарных частиц и в приборах ночного видения (1 ФЭУ – 1 пиксель).

Фотоэлементы используют в качестве датчиков в разных устройствах.

Комбинация фотоэлемента с реле используется в турникетах метро. Турникет закрывается, когда прерывается световой поток.

Подобные автоматы могут предотвращать аварии. На заводе фотоэлемент почти мгновенно останавливает мощный пресс, если рука человека оказывается в опасной зоне. С помощью фотоэлементов воспроизводится звук, записанный на кинопленке. Длительное время применяли внешний фотоэффект в телевидении. Электронно-лучевая трубка или кинескоп телевизора преобразовывала изображение в электрический сигнал.

В отличие от металлов в полупроводниках наблюдается внутренний фотоэффект. Под действием света электрон, поглотивший квант света не покидает кристаллическую решётку материала, а переходит в состояние с большей энергией, становится более свободным, и может двигаться по кристаллу, создавая электрический ток.

Внутренний фотоэффект нашёл ещё большее применение, чем внешний.

Во-первых, фоторезисторы, в которых под действием света происходит изменение электрического сопротивления, используются в качестве датчиков, так же, как и фотоэлементы, но имеют значительно меньший размер.

Во вторых, они имеют низкую стоимость и чаще применяются как датчики освещения.

Во-вторых, внутренний фотоэффект применяется в солнечных фотопреобразователях, вырабатывающих электрический ток под действием света. Эти устройства работают в солнечных батареях.

Также есть приборы, которые не только вырабатывают, но и накапливают электрический заряд. Такие приборы называются – фоточувствительные приборы с зарядовой связью.

Совокупность из таких приборов на одном кристалле образует ПЗС (прибор с зарядовой связью) матрицу. Каждый из этого множества элементов отвечает за преобразование света в электрический сигнал. Прибор имеет малые размеры и малое потребление энергии. В настоящее время ПЗС-матрицы применяются в фотоаппаратах, видеокамерах, мобильных телефонах. В заключении урока остановимся ещё на одном устройстве, использующем квантовые свойства света.

Это оптический квантовый генератор или лазер. Вынужденное излучение происходит в результате квантового перехода с более высокого энергетического уровня на более низкий. Подробно о лазерном излучении и применении лазеров вы узнаете на следующем уроке.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Текст задания 1: К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго.

Тип фотоэффекта

Определение

Внешний

Явление, при котором электрон, испускаемый металлом, может одновременно получить энергию не от одного, а от нескольких фотонов.

Внутренний

возникновение ЭДС (фото-ЭДС) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля).

Вентильный

испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения.

Многофотонный

это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу.

Правильный вариант:

Вид фотоэффекта

определение

Внешний

испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения.

Внутренний

это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу.

Вентильный

возникновение ЭДС (фото-ЭДС) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля).

Многофотонный

явление, при котором электрон, испускаемый металлом, может одновременно получить энергию не от одного, а от нескольких фотонов.

Текст задания 2.:

Вставьте пропущенные слова, выбирая из списка правильные ответы:

Вакуумный фотоэлемент – прибор, преобразующий переменный ___________ в переменный ____________.

Варианты ответов:

Импульс; электрический ток; световой поток; поток интенсивности.

Правильный вариант: световой поток; электрический ток.