ISSN : 2241-4665

Αρχική σελίδα περιοδικού C.V.P. Παιδαγωγικής & Εκπαίδευσης

Σύντομη βιογραφία των συγγραφέων

Κριτικές του άρθρου

C.V.P. Παιδαγωγικής & Εκπαίδευσης ISSN: 2241-4665

Ημερομηνία έκδοσης: Αθήνα 3 Μαρτίου 2020

‘‘ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΟΥ ΦΩΤΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΥ ΜΕ ΤΗΝ ΧΡΗΣΗ ΕΙΚΟΝΙΚΟΥ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟΥ. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΕΡΓΟΥ ΕΞΑΓΩΓΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ ΓΙΑ ΤΟ ΝΑΤΡΙΟ’’

ΣΥΓΓΡΑΦΕΙΣ

ΣΑΧΙΝΙΔΗΣ ΣΥΜΕΩΝ ΣΑΧΙΝΙΔΟΥ ΧΡΥΣΗ

Καθηγητής Φυσικός ΔΕ Φοιτήτρια παιδαγωγικής σχολής

ΣΤΑΝΙΤΣΑ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΑ

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά

‘’INVESTIGATING THE PHOTOELECTRIC EFFECT USING A VIRTUAL LAB. CALCULATING THE SODIOUM ELECTRON EXTRACTION PROJECT ‘’

Sachinidis Simeon Sachinidou Crisi

physicist Professor student of pedagogical school

Secondary education

Stanitsa Konstantina

Mathematics in Science and Technology

ΠΕΡΙΛΗΨΗ

Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι το φαινόμενο κατά το οποίο μια μεταλλική επιφάνεια απελευθερώνει ηλεκτρόνια στο περιβάλλον όταν πάνω της προσπίπτει φως. Είναι το φαινόμενο αλληλεπίδρασης μεταξύ ακτινοβολίας και ύλης, το οποίο χαρακτηρίζεται από την απορρόφηση φωτονίων και τη απελευθέρωση ηλεκτρονίων. Ο σκοπός της εργασίας μου είναι η διερεύνηση του φωτοηλεκτρικού φαινομένου σε θεωρητικό επίπεδο και η επαλήθευση των νόμων του φωτοηλεκτρικού φαινομένου με άλλα υλικά όπως του νατρίου στην κάθοδο με την βοήθεια του λογισμικού: phet.colorado.edu/el/simulation/photoelectric.Υπολογισμός του έργου φωτοεξαγωγής των ηλεκτρονίων με κάθοδο νατρίου. Συμπεράσματα.

ABSTRACT

The photoelectric effect is a phenomenon in which a metal surface releases electrons to the environment where light is incident thereon. It is the phenomenon of interaction between radiation and matter, which is characterized by photon absorption and the subsequent release of electrons. The purpose of my work is to investigate the photoelectric effect in theory and verification of laws of photoelectric effect with other materials such as sodium at the cathode. Calculation of the electron work function cathode with sodium with the help of software: phet.colorado.edu/el/simulation. Conclusions.

1.Εισαγωγή

Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι μια κβαντική διεργασία κατά την οποία απελευθερώνονται ηλεκτρόνια από μια επιφάνεια αγωγού όταν προσπέσει σε αυτή ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία συχνότητας τέτοιας ώστε τα ηλεκτρόνια να κατορθώσουν να υπερπηδήσουν το φράγμα δυναμικής ενέργειας που τα συγκρατεί στην επιφάνεια αυτή. Εφαρμόζεται η πειραματική μέθοδος με τη χρήση λογισμικού προσομοίωσης, σε ένα πλαίσιο διδασκαλίας που περιλαμβάνει συνδυασμό διδακτικών τεχνικών. Ο όρος τεχνική διδασκαλίας είναι ένα παιδαγωγικό εργαλείο το οποίο αξιοποιείται στο πλαίσιο των διδακτικών και μαθησιακών δραστηριοτήτων μιας στρατηγικής και τη διδακτική μορφή της διδασκαλίας (Μπέλλου. , 2011).

2.Πλαίσιο ή Μεθοδολογία

Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι το φαινόμενο κατά το οποίο μια μεταλλική επιφάνεια απελευθερώνει ηλεκτρόνια στο περιβάλλον όταν πάνω της προσπίπτει φως. Τα ηλεκτρόνια που υπάρχουν στο εσωτερικό ενός μετάλλου περιορίζονται στο χώρο που καταλαμβάνει ο αγωγός, από δυνάμεις που εμποδίζουν τη διάχυσή τους στο περιβάλλον. Όταν μια δέσμη φωτός προσπίπτει πάνω στην επιφάνεια του μετάλλου κάποια ηλεκτρόνια απορροφούν ενέργεια αρκετή για να υπερνικήσουν αυτές τις δυνάμεις και βγαίνουν από το μέταλλο (φωτοηλεκτρόνια).

Στη διδασκαλία των φυσικών επιστημών τα αποτελέσματα που αναδύονται από την εφαρμογή της πειραματικής μεθόδου είναι ιδιαίτερα ωφέλιμα για όλους τους μαθητές είτε σε επίπεδο δευτεροβάθμιας είτε σε επίπεδο τριτοβάθμιας γιατί δημιουργεί διάθεση για περαιτέρω μάθηση και οι γνώσεις που παράγονται από τους ίδιους τους μαθητές γίνονται πλήρως κατανοητές (Ρίζου και Φυσάκη., 2007). Βέβαια είναι πολύ δύσκολο να γίνουν πειράματα μέτρησης σε πραγματικό επίπεδο στο εργαστήριο ειδικότερα όταν πρόκειται για εργαστήρια των σχολείων. Υπάρχουν όμως αρκετές και πολύ αξιόλογες προσομοιώσεις, όπως η διάταξη του σχήματος 1 που θα χρησιμοποιηθεί στην παρούσα φάση για τη μελέτη του φωτοηλεκτρικού φαινομένου με την χρήση του λογισμικού http://phet.colorado.edu/el/simulation/photoelectric

Σχήμα 1. Λογισμικό: http://phet.colorado.edu/el/simulation/photoelectric.

Μέσα σε ένα σωλήνα υψηλού κενού () υπάρχουν δύο πλάκες. Η πρώτη, που χρησιμεύει ως κάθοδος, έχει μεγάλη επιφάνεια, φέρει επίστρωση από ένα αλκαλιμέταλλο (Na) και όταν φωτίζεται εκπέμπει ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια αυτά έλκονται και συλλέγονται από την δεύτερη πλάκα, την άνοδο. Με τη βοήθεια μιας ποτενσιομετρικής διάταξης μπορούμε να μεταβάλλουμε την τάση που εφαρμόζεται στα ηλεκτρόδια. Τέλος με ένα μικροαμπερόμετρο που παρεμβάλλεται στο κύκλωμα μπορούμε να μετρήσουμε την ένταση του ρεύματος που οφείλεται στα ηλεκτρόνια που εκπέμπει η φωτιζόμενη κάθοδος, (ροή ηλεκτρονίων). Όταν η κάθοδος φωτίζεται εκπέμπει ηλεκτρόνια (φωτοηλεκτρόνια) τα οποία επιταχύνονται από το ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ των ηλεκτροδίων και καταλήγουν στην άνοδο.(Ιντερνετ 1).

Για να υπερνικήσει τις δυνάμεις που το συγκρατούν στο μέταλλο ένα ηλεκτρόνιο πρέπει να προσλάβει ένα ελάχιστο ποσό ενέργειας. Η ενέργεια αυτή ονομάζεται έργο εξαγωγής και συμβολίζεται, που ποικίλει από μέταλλο σε μέταλλο. Το φως, ως ηλεκτρομαγνητικό κύμα, μεταφέρει ενέργεια, επομένως, είναι αναμενόμενο ότι τα ηλεκτρόνια κάποιου μετάλλου μπορούν να απορροφήσουν ενέργεια από το φως και να εξέλθουν από το μέταλλο. Αν η ενέργεια του φωτονίου είναι μικρότερη από το έργο εξαγωγής, το ηλεκτρόνιο δε μπορεί να εγκαταλείψει το μέταλλο. Εάν είναι μεγαλύτερη ή ίση με το έργο εξαγωγής το ηλεκτρόνιο εγκαταλείπει το μέταλλο με κινητική ενέργεια που υπολογίζεται από τη σχέση. (Ιντερνετ 2).

Η φωτοηλεκτρική εξίσωση του Αϊνστάιν.

Για να εξέλθει ένα ηλεκτρόνιο από το μέταλλο, πρέπει

δηλαδή η ενέργεια του προσπίπτοντος φωτονίου να είναι μεγαλύτερη ή οριακά ίση με το έργο εξαγωγής . Η συχνότητα f₀ είναι η συχνότητα κατωφλίου.

3. Αποτελέσματα και συζήτηση

3.1.Nόμοι του Φωτοηλεκτρικού φαινομένου

1.Το φαινόμενο οφείλεται στην εκπομπή αρνητικών φορτισμένων σωμάτιων. Τα εκπεμπόμενα σωμάτια είναι ηλεκτρόνια .Υπάρχει στενή σχέση μεταξύ του δυναμικού επαφής ενός μετάλλου και της φωτοευαισθησίας.

2.Ο ρυθμός εκπομπής ηλεκτρονίων είναι ανάλογος της έντασης του φωτός.

3.Η μέγιστη κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων δεν εξαρτάται από την ένταση του φωτός. (Ιντερνετ.3).

4.Η εκπομπή των ηλεκτρονίων είναι ουσιαστικά ακαριαία ανεξάρτητα από την ένταση του προσπίπτοντος φωτός. Με άλλα λόγια περισσότερο φως εκδιώκει περισσότερα ηλεκτρόνια με την ίδια κινητική ενέργεια. Η μέγιστη κινητική ενέργεια με την οποία τα φωτοηλεκτρόνια εγκαταλείπουν το μέταλλο είναι Γραμμική συνάρτηση της συχνότητας της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, εξαρτάται από το έργο εξαγωγής του μετάλλου αλλά είναι ανεξάρτητη της έντασης της ακτινοβολίας.

3.2.Πειραματικό μέρος

Σαν Κάθοδο χρησιμοποιήθηκε υλικό από επίστρωση Νατρίου.

Οι μετρήσεις έδωσαν:

Υπολογισμός του έργου εξαγωγής

λ=200nm

Συγκρίνοντας την τιμή 2,6eV με τα θεωρητικά αποτελέσματα του πίνακα 1,μπορούμε εύκολα να διαπιστώσουμε ότι αυτή η μικρή απόκλιση μπορεί να συμβεί από τυχόν αριθμητικά λάθη κατά τους υπολογισμούς αλλά και η ίδια η προσομοίωση μας δίνει κάποιο λάθος της τάξης του 005%.

Πίνακας 1. Θεωρητικές τιμές έργων εξαγωγής διαφόρων υλικών.

Από τις άλλες μετρήσεις

4.Συμπέρασμα : Υπάρχει μια ταύτιση πειραματικών –θεωρητικών δεδομένων. Οι νόμοι του φωτοηλεκτρικού φαινομένου επαληθεύονται και στις δύο περιπτώσεις. Η μέγιστη κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων δεν εξαρτάται από την ένταση του φωτός. Η κινητική ενέργεια με την οποία εξέρχονται τα ηλεκτρόνια από κάποιο μέταλλο εξαρτάται μόνο από τη συχνότητα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Ο ρυθμός εκπομπής ηλεκτρονίων είναι ανάλογος της έντασης του φωτός.

5.Βιβλιογραφία.

1.Μπέλλου Ι. (2011). Διδακτικές τεχνικές. Πάτρα: Υλοποίηση επιμόρφωσης εκπαιδευτικών – επιμορφωτών πληροφορικής.

2.Ρίζου Β., Φυσάκη Π. (2007). Μέθοδοι και μορφές διδασκαλίας σε δημόσια σχολεία της δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης του νομού Αττικής. Αθήνα: Χαροκόπειο Πανεπιστήμιο, Διπλ. εργασία.

3.Λογισμικό: http://phet.colorado.edu/el/simulation/photoelectric

4.ιντερνετ 1 https://www.teicrete.gr/physics/lab/fdm/eppa/mk/fotohlektriko.pdf

5.Ιντερνετ 2 http://www.physics.ntua.gr/~dris/FYS_G_LYK.PDF/F_FYGL285-.pdf

6.Ιντερνετ 3:http://galileo.phys.virginia.edu/classes/252/photoelectric_effect.html

Περιγραφή: Περιγραφή: vipapharm