Unterrichtsmaterialien in digitaler und in gedruckter Form. Auszug aus: Der Fotoeffekt - seine Bedeutung für die Beschreibung des Lichts

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2 5. Der Fotoeffekt 1 von 22 Der Fotoeffekt seine Bedeutung für die Beschreibung des Lichts Doris Walkowiak, Görlitz Was ist das Licht? Diese einfache Frage lässt sich nur schwer beantworten. Bekannte Wissenschaftler, wie Isaac Newton ( ), James Clerk Maxwell ( ), Albert Einstein ( ) und Richard Feynman ( ), haben sich mit ihr auseinandergesetzt. Vermitteln Sie Ihren Schülern die wesentlichen Erkenntnisse dieser Naturwissenschaftler. Jauernick bei Görlitz mit Blick Richtung Berzdorfer See D. Walkowiak Richard Feynman: Quantenobjekte sind weder klassische Teilchen noch klassische Wellen, sondern etwas Drittes! Der Beitrag im Überblick Klasse: 12 Dauer: 5 Einzelstunden 2 Doppelstunden Ihr Plus: ü Geonext-Datei zur Simulation der Gegenfeldmethode Inhalt: Modelle für das Licht äußerer lichtelektrischer Effekt Gegenfeldmethode und Interpretation der von ihr gelieferten Versuchsergebnisse

3 2 von Der Fotoeffekt Fachliche und didaktisch-methodische Hinweise Fachlicher Hintergrund Die quantenelektrodynamische Beschreibung des Lichts erfordert einen enormen mathematischen Aufwand. Sie kann daher im Schulunterricht nicht behandelt werden. Die überwiegende Anzahl der optischen Phänomene lässt sich jedoch mit zwei Grenzfällen der Quantenelektrodynamik (QED) dem Wellen- oder dem Photonenmodell des Lichts hinreichend gut beschreiben. Je nach Problemstellung ist das eine oder andere Modell zu wählen, da jedes Modell nur Teilaspekte der Realität beschreibt. Es zeigt sich, dass zur Beschreibung von Ausbreitungs- (z. B. Brechung) und Interferenzproblemen (z. B. Beugung am Gitter) das Wellenmodell geeignet ist. Die Wechselwirkungen von Licht mit Materie (z. B. Fotoeffekt; Compton-Effekt) lassen sich dagegen am besten im Photonenmodell beschreiben. Manche Effekte kann man auch mit beiden Modellen erklären (z. B. die Reflexion). In einigen Fällen versagen beide Modelle (z. B. beim Casimir-Effekt). Eine Erklärung ist dann nur im Rahmen der QED möglich. Diese Vorgehensweise das Auswählen geeigneter Modelle, die eine einfache Deutung physikalischer Abläufe erlauben ist durchaus legitim und spielt in der Physik eine große Rolle. Hinweise zur Gestaltung des Unterrichts Einstieg in die Unterrichtseinheit Das Thema Licht ermöglicht vielfältige Herangehensweisen. Neben dem physikalischen Zugang können Sie auch philosophische Aspekte zur Erkennbarkeit der Welt (Platon ( v. Chr), Höhlengleichnis) als Einstieg in die Unterrichtseinheit wählen. Auch hat die Entdeckung des äußeren lichtelektrischen Effekts (1886/88 durch Heinrich Hertz ( ) und Hans Peter Hallwachs ( )) zu einer Krise in der Physik geführt, da sie mit dem damaligen Wissen nicht erklärbar war. Albert Einstein war es schließlich, der 1905 mit seiner Lichtquantenhypothese (Photonen übertragen die Energie E = h f auf ein Elektron) eine Lösung für dieses Problem lieferte und damit einen wichtigen Beitrag zur Quantenphysik leistete. Das Material M 1 dient der Einführung. Sie können dieses Arbeitsblatt innerhalb einer Unterrichtsstunde abhandeln. Dabei gehen Sie zunächst auf bekannte Modelle des Lichts (Lichtstrahl, Wellenmodell und Newton sches Korpuskelmodell) und deren Möglichkeiten sowie Grenzen ein. Weiterer Ablauf setzen Sie unsere Computersimulation ein! Anschließend führen Sie mit einem einfachen Demonstrationsexperiment den Fotoeffekt ein (M 2). Für eine genauere Untersuchung des äußeren lichtelektrischen Effekts steht eine Simulation (Gegenfeld.html, M 3) zur Verfügung. Die Schüler bestimmen die maximale kinetische Energie der Fotoelektronen in Abhängigkeit von der Lichtfrequenz und den Fotostrom in Abhängigkeit von der Intensität (siehe Mediathek). Hierfür sollten Sie eine Doppelstunde einplanen. Die Auswertung der Versuchsergebnisse aus M 2, M 3 und M 5 umfasst zum einen die Interpretation der Einsteingeraden als auch die Erklärung mithilfe des Einstein schen Photonenmodells und der daraus abgeleiteten Gleichung. Die Lernerfolgskontrollen M 6

4 5. Der Fotoeffekt 3 von 22 und M 7 enthalten Aufgaben zur Festigung und Anwendung, welche zugleich der Ergebnissicherung dienen. Sie werden nicht benotet, sondern dienen den Schülern als Test, ob sie die wesentlichen Aspekte des Themas verstanden haben. Hinweise zur Geonext-Datei Zur Simulation der Gegenfeldmethode steht ein Applet zur Verfügung, welches auf einer Geonext-Datei basiert. Die zugehörige HTML-Datei muss sich mit der Datei geonext.jar im selben Verzeichnis befinden. Dann lässt sie sich direkt starten und wird bei installierter Java-Umgebung automatisch im Standardbrowser geöffnet. Bezug zu den Bildungsstandards der Kultusministerkonferenz Allg. physikalische Kompetenz F 1, E 3 K 3, B 1 E 1, E 3, E 9 F 4, K 2 F 4, K 2 Inhaltsbezogene Kompetenzen Die Schüler kennen Modelle für das Licht sowie deren Möglichkeiten und Grenzen (M 1), gewinnen mithilfe einer Computersimulation Erkenntnisse über die kinetische Energie der durch den Fotoeffekt herausgelösten Elektronen (M 3), interpretieren die mit der Gegenfeldmethode gewonnenen Ergebnisse (M 4), wenden die mit der Gegenfeldmethode gewonnenen Ergebnisse an (M 6, M 7). Anforderungsbereich!, II II II, III II, III Für welche Kompetenzen und Anforderungen die Abkürzungen stehen, finden Sie auf der beiliegenden CD-ROM 31.

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