Didaktische FWU-DVD. Photoeffekt. Physik. Klasse Trailer ansehen

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1 Didaktische FWU-DVD Photoeffekt Physik Klasse 9 13 Trailer ansehen

2 Schlagwörter Absorption; Austrittsarbeit; Becquerel, Alexandre Edmond; Bildwandler; CCD-Sensor; Dotierung; Dynode; Einstein, Albert; Elektrolyt; Elektron; Elektronik; Energie; Gegenfeldmethode; Halbleiter; Ladung; Metall; Newton, Isaac; Optik; Photodiode; Photoeffekt; Photoelektronenvervielfacher; Photokathode; Photomultiplier; Photon; Planck, Max; plancksches Wirkungsquantum; Positronen-Emissions-Tomograph; Quant; Quantentheorie; Restlichtverstärker; Solartechnik; Solarzelle; Spektrum (Physik); Strahlung; Welle (Physik); Wellenlänge; Welle-Teilchen-Dualismus Systematik Physik Optik Wellenoptik Optik Technische Anwendungen Elektrizitätslehre Elektrodynamik Elektrizitätslehre Technische Anwendungen Atomphysik Technische Anwendungen 2

3 Zum Inhalt Photoeffekt (Film 19 min) Der Film beginnt mit der Untersuchung des Wesens des Lichts, das Newton als Strom von Korpuskeln, Maxwell als Welle beschrieb. Danach erfolgt eine kurze Beschreibung der verschiedenen Experimente und Beobachtungen, die zum Themenkreis des Photoeffekts gehören. Anschließend werden die Experimente genauer betrachtet und die wesentlichen Grundaussagen herausgearbeitet, die den Widerspruch zur Wellentheorie des Lichts darstellen. Die Erklärung durch Einstein löst nun die Widersprüche auf. Dazu erfolgt auch eine erste Beschreibung des Konzepts der Austrittsarbeit. Nun werden technische Anwendungen des äußeren Photoeffekts beschrieben. Danach erfolgen eine Betrachtung des inneren Photoeffekts und die Beschreibung etlicher seiner Anwendungen. Hier finden sich einige heutzutage allgegenwärtige Objekte wie Solarzellen und CCD-Sensoren. In einer abschließenden Sequenz erfolgt die Auseinandersetzung mit den beiden scheinbar unvereinbaren Bildern von der Natur des Lichts. Licht als Quantenobjekt erlaubt einen ersten Einblick in das Wesen der Quantentheorien. Gegenfeldmethode und Austrittsarbeit (Film 3 min) Dieser separate Kurzfilm stellt die Gegenfeldmethode als Werkzeug zur Bestimmung der Austrittsarbeit vor. Filmsequenzen des Films Photoeffekt Die Entdeckung des Photoeffekts (2:20 min) In dieser Sequenz werden zunächst die Korpuskeltheorie des Lichts von Newton, dann der Ansatz als elektromagnetische Welle nach Maxwell vorgestellt. Die experimentelle Bestätigung der maxwellschen Erklärung wird erwähnt. Anschließend wird der Photoeffekt vorgestellt, also die Tatsache, dass durch Bestrahlung mit Licht aus Metalloberflächen Ladungsträger ausgelöst werden können. Nach der ersten Nennung des Effekts werden historische Experimente gezeigt und die Ergebnisse, insbesondere die Abhängigkeit der Wirkung von der Farbe des einfallenden Lichts, aufgeführt. Physikalische Deutung des Photoeffekts (6:10 min) Zunächst wird der Widerspruch zur Wellentheorie des Lichts herausgearbeitet, also die Frequenzabhängigkeit sowohl des Eintretens des Effekts als auch der 3

4 Elektronenenergie und die Tatsache, dass eine bloße Änderung der Intensität des eingestrahlten Lichts die Energie der ausgelösten Elektronen nicht erhöht. Nach der Erwähnung von Planck und dessen Einführung der Hilfsgröße h erfolgt die Auflösung der Widersprüche durch Einsteins Lichtquantenhypothese. Dazu werden die Postulate zunächst erwähnt, dann der Photoeffekt auf der Basis dieser Postulate erklärt. Dazu wird über eine einfache Energiebetrachtung die Austrittsarbeit eingeführt, deren Betrag ja die Grenzwellenlänge bestimmt. Damit lassen sich nun alle Widersprüche auflösen. (Hinweis: Die experimentelle Bestimmung der Austrittsarbeit mittels der Gegenfeldmethode wird im gleichnamigen Film separat genauer behandelt.) Die Sequenz schließt mit dem Hinweis auf die Verleihung des Nobelpreises für Physik an Albert Einstein für die Erklärung des Photoeffektes. Der äußere Photoeffekt und seine technischen Anwendungen (5:20 min) Hier wird zum ersten Mal zwischen dem äußeren und dem inneren Photoeffekt unterschieden. Anschließend erfolgt eine Beschreibung verschiedener Anwendungen, die auf dem äußeren Photoeffekt beruhen, angefangen mit der Photozelle und ihrer Umsetzung in Belichtungsmessern. Es folgen der Photomultiplier, der Restlichtverstärker sowie der Bildwandler. 4

5 Der innere Photoeffekt und seine Anwendungen (2:30 min) Zunächst wird beschrieben, was unter dem Begriff des inneren Photoeffekts zu verstehen ist. Anschließend werden Photowiderstände, Photodioden und Phototransistoren kurz vorgestellt und zuletzt CCD-Sensoren und Solarzellen. Auch die Verwendung von lichtempfindlichen Sensoren als Empfänger von Signalen für Fernbedienungen und Glasfaserkabel finden eine Erwähnung. Quantentheorien Konsequenzen aus der Interpretation des Photoeffekts (2:10 min) Diese letzte Sequenz setzt sich mit der Diskussion dessen auseinander, was in der Vergangenheit oft als Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet wurde. Licht als Quantenobjekt hat Eigenschaften, die nicht alle gleichzeitig in demselben Experiment beobachtbar sind. Wellenbild und Photonenbild werden parallel betrachtet. Die Tatsache, dass bei der Ausbreitung eher die Wellennatur, bei der Wechselwirkung mit Materie eher der Teilchencharakter überwiegt, wird vorgestellt. Wichtig ist, dass der beobachtete Zustand eines Quantenobjektes nicht von dem Experiment zu trennen ist. Grafiken Der äußere Photoeffekt Bei Bestrahlung mit kurzwelligem Licht werden Elektronen aus einer Metalloberfläche herausgelöst. 5

6 Der innere Photoeffekt In der Halbleiterphysik spielt der innere Photoeffekt eine bedeutsame Rolle. Anders als beim äußeren Photoeffekt werden hier die Elektronen durch elektromagnetische Strahlung zwar auch aus den Atomen gelöst, sie erhalten aber nicht genug Energie, um zu freien Elektronen zu werden und verbleiben im Material. Dadurch steigt die elektrische Leitfähigkeit und es kann ein Strom fließen. Der atomare Photoeffekt Durch kurzwelliges Licht können einzelne Atome ionisiert werden. Dabei entweichen Hüllenelektronen aus dem Atom. Sie bewegen sich bis zu einer Rekombination als freie Teilchen durch den Raum. Dieser Prozess der Photoionisa tion wird vor allem bei der an das sichtbare Licht angrenzenden kurzwelligeren UV-Strahlung beobachtet. Frequenz und kinetische Energie (2 Grafiken) Damit ein Elektron das Metall verlassen kann, muss es genug Energie aufnehmen, um die im Metall wirkenden Anziehungskräfte zu überwinden. Was von der Energie des absorbierten Photons noch übrig ist, bleibt nun gemäß der Energieerhaltung als kinetische Energie des Elektrons. Photonen, die nicht genügend Energie besitzen, können keine Elektronen auslösen. Die Frequenz bestimmt also die Geschwindigkeit der Elektronen. 6

7 Funktion einer Solarzelle (vereinfacht) Eine Solarzelle besteht aus zwei Halbleiterschichten. Trifft Sonnenlicht auf die Photovoltaikzelle, sammeln sich die Elektronen in der n-schicht, sodass dort ein Elektronenüberschuss entsteht, während es in der p-schicht zu einem Elektronenmangel kommt. Auf diese Weise entsteht zwischen den beiden Schichten ein Potentialgefälle, es fließt eine elektrische Spannung im Millivoltbereich. Das elektromagnetische Spektrum Das elektromagnetische Spektrum, auch elektromagnetisches Wellenspektrum genannt, ist die Gesamtheit aller elektromagnetischen Wellen verschiedener Wellenlängen. In diesem Spektrum lassen sich die Frequenz, die Wellenlänge sowie die Photonenenergie ablesen und den Bereichen des elektromagnetischen Spektrums zuordnen. Gegenfeldmethode Die Grafik zeigt den Versuchsaufbau zur Gegenfeldmethode. Licht trifft auf die Kathode einer Photozelle und löst Elektronen aus dem Metall. Diese werden von der Anode aufgefangen. Gegenfeldmethode (vereinfacht) Die Grafik zeigt, wie das aus der positiv geladenen Kondensatorplatte austretende Elektron durch die entgegenwirkende Gegenspannung gebremst wird. Die negativ geladene Kondensatorplatte stößt das negativ geladene Elektron ab. Wichtige Entdeckungen zum Photoeffekt Auf einem Zeitstrahl sind die wichtigsten Entdeckungen rund um den Photoeffekt eingetragen. Bezug zu Lehrplänen und Bildungsstandards Die Schülerinnen und Schüler kennen den Begriff Photoeffekt ; erkennen, dass die Beobachtungen zum Photoeffekt nicht mit der Wellennatur des Lichts vereinbar sind; kennen die Postulate von Einstein zur Erklärung des Photoeffekts; kennen den Begriff der Austrittsarbeit; kennen den Unterschied zwischen innerem und äußerem Photoeffekt; kennen technische Anwendungen sowohl des inneren als auch des äußeren Photoeffekts; kennen die Gegenfeldmethode als Mittel zur Bestimmung der Elektronenenergie; 7

8 erkennen, dass das Erhöhen der Leitfähigkeit bei Lichteinfall in Halbleitermaterialien ein dem äußeren Photoeffekt ähnlicher Prozess ist; kennen Wellenbild und Teilchenbild der elektromagnetischen Strahlung; erkennen die Energieabhängigkeit des Photoeffekts. Didaktische Hinweise Der Film kann im Fach Physik im Gymnasium in der neunten, in der Realschule in der zehnten Jahrgangsstufe ergänzend bzw. vertiefend eingesetzt werden, wenn zum ersten Mal kleine Einblicke in die Quantentheorien erfolgen. Hier kann die Produktion vor allem im Rahmen der Binnendifferenzierung den kritischen, wissbegierigen Schülerinnen und Schülern weiterführende Einblicke und neue Gesichtspunkte vermitteln. In der Oberstufe ist die Betrachtung von Quantenobjekten und auch die Diskussion des Photoeffekts Pflichtstoff. Die Produktion kann nun zum Beispiel als Grundlage für ein schülerzentriertes Erarbeiten der Thematik oder auch zur Verbesserung der Anschaulichkeit eingesetzt werden. Parallel zur Beobachtung im Experiment kann die Animation die mikroskopischen Vorgänge zeigen und so vor allem auch schwächeren Schülerinnen und Schülern den Zugang zu Ansätzen der Quantentheorien vereinfachen. Die Beschreibung technischer Anwendungen stellt zu beiden Zeitpunkten der Betrachtung eine sinnvolle Ergänzung der Pflichtinhalte dar. Arbeitsblätter in unterschiedlichsten Schwierigkeitsgraden können sowohl in der Sekundarstufe I als auch in der Sekundarstufe II eingesetzt werden, wo sie einerseits die Inhalte vertiefen, andererseits aber auch die Grundinhalte sichern. Die Produktion kann im Rahmen der folgenden Themenschwerpunkte eingesetzt werden: Wellennatur des Lichtes Licht im Teilchenbild Entdeckung des Photoeffekts innerer und äußerer Photoeffekt technische Anwendungen des Photoeffekts Austrittsarbeit und Gegenfeldmethode 8

9 Arbeitsmaterial Als Arbeitsmaterial steht Ihnen im ROM- Teil ein umfangreiches Angebot an ergänzenden Materialien zur Verfügung (siehe Tabelle). Die Arbeitsblätter liegen als PDF- und Word-Dateien vor. Die Word-Dateien können bearbeitet und so individuell an die Unterrichtssituation angepasst werden. Ordner Didaktische Hinweise Arbeitsblätter (mit Lösungen) Grafiken Infotexte Filmtexte Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben Materialien Hinweise zum Einsatz der Filme, der Filmsequenzen, der Grafiken und der ergänzenden Arbeitsmaterialien 1) Anwendungen des Photoeffekts 2) Rechnungen zur Austrittsarbeit (differenziert) 3) Kreuzworträtsel 4) Lückentext (differenziert) 5) Stimmt das? Der äußere Photoeffekt Der innere Photoeffekt Der atomare Photoeffekt Frequenz und Energie Funktion einer Solarzelle Gegenfeldmethode Wichtige Entdeckungen zum Photoeffekt Das elektromagnetische Spektrum Werte für die Austrittsarbeit diverser Metalle und Oxide Energien der Photonen des sichtbaren Lichts Filmtexte zu den Filmen als PDF-Dokument Übersicht über den Aufbau der DVD Informationen zu ergänzenden FWU-Medien Produktionsangaben zur DVD und zum Film 9

10 Programmstruktur Photoeffekt Photoeffekt Hauptmenü Der äußere Photoeffekt Der innere Photoeffekt Der atomare Photoeffekt Photoeffekt Film 19 min Sequenzen Grafik Grafik Grafik Frequenz und kinetische Energie 2 Grafiken Funktion einer Solarzelle (vereinfacht) Grafik Gegenfeldmethode und Austrittsarbeit Gegenfeldmethode (vereinfacht) Film 3 min Grafik Untermenü Die Entdeckung des Photoeffekts Physikalische Deutung des Photoeffekts Der äußere Photoeffekt und seine technischen Anwendungen Der innere Photoeffekt und seine Anwendungen Photoeffekt 2:20 min 6:10 min 5:20 min 2:30 min Quantentheorien Konsequenzen aus der Interpretation des Photoeffekts 2:10 min Arbeitsmaterial Arbeitsmaterial Didaktische Hinweise 5 Arbeitsblätter (z. T. differenziert) 2 Infotexte 10 Grafiken Filmtext Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben 10

11 Produktionsangaben Photoeffekt (DVD) Produktion FWU Institut für Film und Bild, 2018 DVD-Konzept Dr. Maike Schuchmann DVD-Authoring und Design Dicentia Germany GmbH im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2018 Bildnachweis FWU Institut für Film und Bild Katrin Opitz natros fotolia.de jkrieger Wikimedia Commons Arbeitsmaterial Dr. Sylvia Becker Begleitheft Dr. Maike Schuchmann Pädagogische Referentin im FWU Dr. Maike Schuchmann Produktionsangaben zu den Filmen Photoeffekt und Gegenfeld methode und Austrittsarbeit Produktion Weglowinthedark. im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2018 Animation und Gestaltung Antonia Kühn Dominic Bünning Sounddesign Sven Lütgen Sprecher Mark Bremer Drehbuch Dr. Maike Schuchmann Dr. Sylvia Becker Fotos Wikicommons Istockphoto Kamioka Observatory, Tokyo Archiv Fricke U.S. Department of Defense (The appearance of U.S. Department of Defense (DoD) visual information does not imply or constitute DoD endorsement) Fachberatung Dr. Sylvia Becker Redaktion Dr. Maike Schuchmann Nur Bildstellen/Medienzentren: öv zulässig 2018 FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz 3 D Grünwald Telefon (089) Telefax (089) info@fwu.de vertrieb@fwu.de Internet 11

12 Didaktische FWU-DVD Photoeffekt Licht hat die Menschheit schon seit jeher fasziniert. Und schon immer hat man mit ihm auch experimentiert. Dabei wurde festgestellt, dass durch Lichteinstrahlung Elektronen aus Metalloberflächen oder Halbleiteroberflächen herausgelöst werden können. Man nennt dies den Photoeffekt. Für seine Erklärung erhielt Einstein im Jahr 1921 den Nobelpreis für Physik. In dieser Produktion werden der Photoeffekt und seine Anwendungen genauer beleuchtet. Laufzeit 22 min Klasse 9 13 Sprache Filme 2 Filmsequenzen 5 DE Arbeits-/Infoblätter 5/2 Grafiken 10 Kompetenzerwerb: Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass die Beobachtungen zum Photoeffekt nicht mit der Wellennatur des Lichts vereinbar sind; kennen den Begriff der Austrittsarbeit; kennen den Unterschied zwischen innerem und äußerem Photoeffekt; kennen technische Anwendungen sowohl des inneren als auch des äußeren Photoeffekts; kennen die Gegenfeldmethode als Mittel zur Bestimmung der Elektronenenergie; erkennen die Energieabhängigkeit des Photoeffekts. Ausführliche didaktische Hinweise finden Sie im Arbeitsmaterial. Themen Klasse 9 10 Klasse Wellennatur des Lichtes Licht als Quantenobjekt Formen des Photoeffektes Technische Anwendungen des Photoeffektes Lehrprogramm gemäß 14 JuSchG und 60b UrhG GEMAFREI FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht ggmbh Bavariafilmplatz Grünwald Telefon +49 (0) Telefax +49 (0) info@fwu.de Bestell-Hotline: +49 (0) vertrieb@fwu.de