by Ερώτηση:
Σε ένα φωτοκύτταρο, κατά την μελέτη του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, η ένταση του ανοδικού ρεύματος είναι ίση με i1, όταν η τάση μεταξύ ανόδου και καθόδου είναι μηδενική, ενώ η τάση αποκοπής είναι -2V (2V με θετική την φωτιζόμενη πλάκα).
- Με ποια κινητική ενέργεια φτάνουν, στην παραπάνω περίπτωση, τα ηλεκτρόνια στον συλλέκτη (στο ηλεκτρόδιο που ονομάζουμε άνοδο);
- Όταν η τάση μεταξύ «ανόδου» και «καθόδου» είναι ίση με -0,8V, η ένταση του ρεύματος που περνά από το μικροαμπερόμετρο, είναι ίση με:
α) i2=0,4i1, β) i2= i1, γ) i2= 1,2 i1. - Να κάνετε την γραφική παράσταση i=f(V) της έντασης του ρεύματος που διαρρέει το μικροαμπερόμετρο, σε συνάρτηση με την τάση μεταξύ ανόδου και καθόδου.
Να δικαιολογήσετε τις απαντήσεις σας.
Απάντηση ΜΑΘΗΤΗ:
- Με μηδενική τάση μεταξύ ανόδου και καθόδου, αν στην άνοδο φτάνουν 1.000 ηλεκτρόνια (στην πραγματικότητα φτάνουν ηλεκτρόνια της τάξης 1013) ανά δευτερόλεπτο, όλα αυτά τα ηλεκτρόνια έχουν ξεκινήσει από την κάθοδο με την ίδια κινητική ενέργεια, ίση με 2eV (δες εδώ και εδώ), κινούνται σε χώρο που δεν υπάρχει ηλεκτρικό πεδίο και φτάνουν στην άνοδο με την ίδια κινητική ενέργεια 2eV.
- Στην περίπτωση που η τάση μεταξύ ανόδου και καθόδου είναι V1=-0,8V, τότε ο ίδιος αριθμός ηλεκτρονίων (έστω ξανά 1.000) που εξέρχονται από την κάθοδο με την ίδια κινητική ενέργεια 2eV, θα επιβραδυνθούν και θα φτάσουν στην άνοδο με κινητική ενέργεια 2eV-0,8eV=1,2eV. Αλλά τότε φτάνοντας ο ίδιος αριθμός ηλεκτρονίων στην άνοδο στην μονάδα του χρόνου, η ένταση του ρεύματος η οποία διαρρέει το μικροαμπερόμετρο, δεν θα αλλάξει παραμένοντας ίση με i1. Σωστό το β).
- Με βάση την παραπάνω ανάλυση η ένδειξη του αμπερομέτρου παραμένει σταθερή για V<0, ενώ στη συνέχεια θα αυξηθεί φτάνοντας στο ρεύμα κόρου. Έτσι η γραφική παράσταση έχει την μορφή:
Σημείωση: Ξέρω ότι το βιβλίο δίνει το διάγραμμα να έχει την μορφή:
Με βάση την παραπάνω ανάλυση που έκανα, καταλήγω στο συμπέρασμα ότι είναι λάθος η γραφική παράσταση του βιβλίου και ελπίζω οι συμμαθητές μου τα επόμενα χρόνια να διδαχτούν την σωστή καμπύλη, αφού οι υπεύθυνοι θα διορθώσουν το σχολικό βιβλίο.
Συνάδελφοι, πώς θα βαθμολογούσατε την παραπάνω απάντηση του μαθητή;
Καλημέρα Διονύση,
νομίζω το έχουμε λίγο παρατραβήξει. Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο διδάσκεται σαν ορόσημο της διαδικασίας εξέλιξης των αντιλήψεων για τη φύση του φωτός. Οι διδακτικοί στόχοι είναι πολύ ξεκάθαροι και είναι η κατανόηση της υπόθεσης του Einstein.
Από διδακτική σκοπιά η συζήτηση για την μορφή της καμπύλης πρέπει να εστιαστεί μόνο ως προς την τάση αποκοπής και το ρεύμα κόρου. Να εξεταστεί το ρεύμα κόρου ΜΟΝΟ για ίδια συχνότητα και διαφορετικές εντάσεις ακτινοβολίας. Η μορφή της καμπύλης είναι αυτή που προκύπτει από το πείραμα και είναι αυτή που δίνει το βιβλίο. Αρα η πρώτη που σχεδίασες μπορεί να πει κάποιος ότι προφανώς είναι λάθος η υπόθεση που έκανες. Σε ερωτήσεις για τη μορφή της καμπύλης μπορεί κάποιος με μια σειρά επιχειρημάτων να δώσει μια κάποια πειστική εξήγηση στα παιδιά, ΣΙΓΟΥΡΑ ΔΕΝ ΕΙΝΑΙ ΤΟ ΘΕΜΑ του κεφαλαίου και σίγουρα δεν πρέπει να θέτουμε ερωτήσεις σε εξετάσεις μιας και δεν το διαπραγματεύεται το βιβλίο.ΛΑΘΟΣ τυχών θέματα που θέτουμε για ρεύματα κόρου με διαφορετικές συχνότητες.
ΜΟΝΟ για μας μπορούμε αν μας ενδιαφέρει να πούμε ορισμένα πράγματα. Εγώ θέτω ορισμένα ερωτήματα που προέκυψαν από συζητήσεις με συναδέλφους και μπορούν να αποτελέσουν βάση συζήτησης.
1) Εξέρχονται όλα τα φωτοηλεκτρόνια με την ίδια κινητική ενέργεια;
2) Αν πέσουν Ν φωτόνια σε ένα μέταλλο πόσα φωτοηλεκτρόνια θα εξέλθουν, δηλ ποιο είναι το ποσοστό αποτελεσματικότητας; Εξαρτάται αυτό απο το μέταλλο και από τη συχνότητα; Είναι 100%;
3) Η ένταση ορίζεται αλλιως για την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και αλλιώς για τα φωτόνια. Στην πρώτη περίπτωση είναι η ισχύς αν μονάδα επιφάνειας στη δεύτερη είναι ο αριθμός φωτονίων ανα μονάδα επιφάνειας.
4) Για την εξήγηση της πειραματικής καμπύλης i(V) στην μηδενική τάση έχουν εκφραστεί απόψεις ότι παράγοντας είναι η φόρτιση της καθόδου και της ανόδου φυσικά, τα ηλεκτρόνια που είναι στο κενό, η κατεύθυνση των ηλεκτρονίων που εκπέμπονται κ.α. Αναφέρονται αυτά ποιοτικά, όμως το αριθμητικό αποτύπωμα δεν το υπολόγισε κάποιος. Πόση είναι η τάση από τη φόρτιση της καθόδου, πόση η τάση απο το ηλεκτρονικό νέφος του κενού; Γιατί το ρεύμα αυξάνεταιμε την αύξηση της συχνότητας της ακτινοβολίας;
5) Υπάρχει μια προσομοίωση στο Phet και εκεί βγαίνουν κάποια συμπεράσματα για το ρεύμα κόρου με τη συχνότητα που μάλλον προβληματίζουν παραπάνω.
Αν θέλεις σε αναφέρω και κάποια πολλά ακόμη.
Πάντως στα φυλάδια που δίνονται στα εργαστήρια των σχολών για το πείραμα του φωτοηλεκτρικού φαινομένου,εκείνο που τους αφορά είναι η επιβεβαίωση της εξίσωσης του Einstein , η εξάρτηση του ρεύματος κόρου από την ένταση της ακτινοβολίας και ο υπολογισμός της σταθεράς του Planck. Εμείς πάμε πολύ παραπάνω!!
Ευχαριστώ Νίκο για το σχολιασμό και την κατάθεση της θέσης σου.
Μάλλον πρέπει να γράψω ξανά, το σχόλιο που έβαλα δίπλα:
“Φαντάζομαι ότι το παραπάνω θέμα στο φόρουμ, διερευνά γιατί να είναι αυτή η μορφή της καμπύλης i=f(V).
Δεν το έβαλα εγώ το ζήτημα, αλλά νιώθω να πρέπει να απολογηθώ για την συμμετοχή μου στη συζήτηση.
Φαίνεται ότι κακώς κατέθεσα την γνώμη μου για την μορφή της καμπύλης και τι απαντήσεις πρέπει να δοθούν στα ερωτήματα των μαθητών.”
Καλημέρα παιδιά. Συμφωνώ με το Νίκο ότι αν μπούμε σε τεχνικές λεπτομέρειες, ίσως χαθεί ο κύριος στόχος της παρουσίασης του φαινομένου, που είναι η υπόθεση Einstein. Από την άλλη πλευρά όμως θεωρώ ότι κάποια ελάχιστα πέραν του βιβλίου πρέπει να συζητηθούν. Στη διδασκαλία τόνισα ότι δεν βγαίνουν όλα τα ηλεκτρόνια από το μέταλλο με την ίδια κινητική ενέργεια, χρησιμοποιώντας το μηχανικό ανάλογο που παρέθεσε ο Γιάννης με τις μπίλιες και το βάζο (δεν το βρίσκω να το ανεβάσω), τους έδειξα την προσομοίωση του Phet και τους εξήγησα πώς φτάνουμε στο ρεύμα κόρου, όπως το έγραψα στην διπλανή ανάρτηση. Στη συνέχεια τους τόνισα (όπως πάντα) ότι θα εξεταστούν σύμφωνα με το βιβλίο, άρα ασχολούνται μόνο με τα πιο κινητικά ηλεκτρόνια. Δεν αντελήφθην ότι τα επιπλέον σε σχέση με το βιβλίο μπέρδεψαν τους μαθητές, το αντίθετο ένιωσα ότι ικανοποιήθηκαν.
Θα συμβούλευα τον μαθητή να αναθεωρήσει τις απαντήσεις του…
Καλημέρα Διονύση και Νίκο.
Αν καταλαβαίνω καλά ο Διονύσης εννοεί ότι η μορφή της καμπύλης από -2V ως 0 εξηγείται από το ότι τα ηλεκτρόνια έχουν διαφορετικές κινητικές ενέργειες.
Η τάση -2V φρενάρει όσα έχουν τη μέγιστη κινητική, δηλαδή όλα.
Η τάση -1,5V φρενάρει όσα έχουν κινητικές ενέργειες κάτω από 1,5eV αλλά δεν φρενάρει όσα έχουν Κ.Ε. από 1,5 eV ως 2eV. Έτσι φτάνουν κάποια.
Αν η τάση γίνει -1V φρενάρονται όσα έχουν Κ.Ε κάτω από 1eV , δηλαδή λιγότερα. Έτσι φτάνουν περισσότερα και το ρεύμα αυξάνεται.
Kαλημερα σε ολους.Αλλο θεμα ειναι η εξηγηση των χαρακτηριστικων της καμπυλης και αλλο θεμα ειναι η αναγνωση της καμπυλης.Η καμπυλη i=f(V) στο οχι σταθερο της κομματι ειναι αυξουσα και μονο αυτο πρεπει να ξερουν οι μαθητες.Αρα οι απαντησεις στα ερωτηματα 2 και 3 που δινει ο ,μαθητης ειναι λαθος.Αυτη νομιζω ειναι η ερωτηση εδω.Αυτο που λες Γιαννη ειναι μια ερμηνεια της μονοτονιας της συναρτησης i=f(V) η οποια ειναι ενδιαφερον θεμα και συζητηθηκε σε αναρτηση του Θοδωρη,αλλα νομιζω οτι ειναι εκτος υλης
Καλημέρα Αποστόλη.
Δεν θυμάμαι το βάζο. Μήπως ήταν σχήμα σε συζήτηση;
Δεν συζητάμε μόνο θέματα που είναι σαν αυτά που πιθανώς θα πέσουν σε Εξετάσεις.
Όλα ενδιαφέρουν.
Άσε που είναι πιθανή μια ερώτηση:
-Γιατί δεν ισχύει ο νόμος του Ωμ στη διάταξη;
Καλημέρα Κωνσταντίνε.
Είναι μάλλον εκτός ύλης. Ο Στέφανος Τραχανάς απέτρεψε από την εμβάθυνση στην μορφή της καμπύλης κατά τη διδασκαλία εστιάζοντας στο ενδιαφέρον της καμπύλης K-f.
Όμως υπάρχει περίπτωση να ερωτηθεί κάποιος διδάσκων για τη μορφή της καμπύλης μέσα στην τάξη. Ας επιλέξει πόσο θα εμβαθύνει.
Διονύση η εκτίμησή σε σένα και στην συνεισφορά του ylikonet είναι απεριόριστη από όλους τους συναδέλφους. Οι συζητήσεις και οι απόψεις των συναδέλφων που εκφράζονται έχουν βοηθήσει όλους μας. Δεν νομίζω ότι πρέπει να απολογηθείς για κάτι. Άπλα, επειδή η κβαντική δεν είναι τόσο εύκολη υπόθεση, πίστεψέ με, χρειάζονται ορισμένα πράγματα κάποια περισσότερη επεξεργασία απο την μεριά του καθενός μας. Αν εξέφρασα μια άποψη είναι γιατι λόγω του θεσμικού μου ρόλου γίνομαι δέκτης προβληματισμών από συναδέλφων και είμαι υποχρεωμένος να δίνω απαντήσεις και να κάνω προτάσεις ως προς το τι και το πως θα ήταν χρήσιμο να διδαχθούν ορισμένα πράγματα. Δεν είχα καμία πρόθεση να παρατηρήσω κανέναν και ζητάω συγνώμη αν φάνηκε έτσι.
Καλημέρα Γιάννη. Αναφέρομαι σε αυτό.
Δεν βρίσκω τη σχετική συζήτηση. Φυσικά και όλα ενδιαφέρουν, αν θέλουμε σκεπτόμενους μαθητές και όχι μηχανές εκτέλεσης συνταγών.
Διονύση συγχαρητήρια για την ανάρτησή σου. Δεν είμαι σίγουρος ότι καταλαβαίνω τις ενστάσεις των συναδέλφων μια και είναι μια διδακτική προσέγγιση γι” αυτό που διδάσκουμε στα παιδιά. Ας ξεκαθαρίσει ο καθένας μας μέσα του τι θεωρεί ότι είναι σωστό και στο μάθημα να αναφέρει ότι λέει το σχολικό.
Το βασικό πρόβλημα που έχουν οι πειραματικοί είναι ότι τα ηλεκτρόνια που εξέρχοναι έχουν εκτός από ένα ευρύτατο φάσμα ενεργειών έχουν και τεράστια διασπορά στην κατέθυνσή τους.
Αρχικά η πήγή που επέμπει φωτόνια σε στενή περιοχή ενεργειών θα πρέπει να λειτουργεί για μεγάλη χρονική διάρκεια σύμφωνα με την απροσδιοριστία για την ενέργεια.
Το σημαντικότερο βέβαια αποτελεί η μεγάλη αβεβαιότητα στη θέση που θα αλληλεπιδράσουν με τα ηλεκτρόνια μιας και έχουν πολύ μικρή αβεβαιότητα στη ορμή του, Έτσι βομβαρδίζεται το μέταλλο με σχεδόν μονοχρωματική ακτινοβολία και βγαίνουν ηλεκτράνια από παντου και με διάφορες κινητικές ενέργειες.
Γεια σου Νίκο.
Καταλαβαίνω
(χωρίς να υιοθετώ) ενστάσεις συναδέλφων για θέματα που ξεφεύγουν από το σχολικό
βιβλίο. Θέματα τέτοια είναι και οι χαρακτηριστικές ηλεκτρονικών διατάξεων.
Οι φόβοι εδράζονται στο ότι τα θέματα εύκολα ξεστρατίζουν από την φιλοσοφία του μαθήματος. Είδαμε για παράδειγμα τα θέματα των κυμάτων να εξελίσσονται σε θέματα Άλγεβρας. Τα θέματα του Ηλεκτρομαγνητισμού σε ασκήσεις Γεωμετρίας.
Δεν είναι δύσκολο να δούμε εξέλιξη των θεμάτων του φωτοηλεκτρικού σε θέματα Ηλεκτρονικής.
Δεν υιοθετώ τέτοιους φόβους μια και η αιτιολόγηση της μορφής μιας χαρακτηριστικής είναι ανώτερη νοητική διαδικασία από την αποστήθιση του σχετικού τύπου και τον υπολογισμό του h από την κλίση.
Ας εξαιρεθούν τέτοια θέματα μια και δεν εξηγούνται στο βιβλίο. Μια και υπάρχει ο κίνδυνος να δοθεί εξήγηση του τύπου «αυξάνεται η τάση και το πεδίο άρα αυξάνεται η ταχύτητα των φορέων». Δηλαδή μεταφορά εξήγησης που ταιριάζει στην αγωγιμότητα χάλκινου σύρματος. Ας εξαιρεθεί οτιδήποτε δεν προκύπτει, άμεσα ή έμμεσα, από το κείμενο του σχολικού βιβλίου.
Ας συζητούνται εδώ τέτοια θέματα μια και το υλικονέτ είναι και ένα διαδραστικό σεμινάριο. Όπως συζητούσαμε για στροβοσκόπια και συμπιεστά υγρά που δεν υπήρχε περίπτωση να δούμε σε θέματα εξετάσεων. Αν μη τι άλλο, οι συζητήσεις προστατεύουν τα θέματα από λάθη. Κλασικό παράδειγμα η συζήτηση του Βαγγέλη Κορφιατη για τις στροφές που δυστυχώς δεν διαβάστηκε. Αν είχε διαβαστεί δεν θα έμπαινε το σχετικό θέμα.
Πιστεύω ότι έχουμε πολλά να συζητήσουμε για τις μορφές των διάφορων Ι-V χαρακτηριστικών. Λόγου χάριν γιατί στο φωτοκύτταρο αερίου δεν έχουμε την συνήθη περιοχή κόρου;
Διονύση πολυ καλή η μέθοδος που επέλεξες για μια αναλυτικότερη μελέτη και συζήτηση του φαινομένου.
Πιστεύω ότι για τους μαθητές ( αλλά και για εμάς) αρκεί να διατυπώσουμε τις παρακάτω παρατηρήσεις.
α)Τα ηλεκτρόνια που εξέρχονται της καθόδου δεν εξέρχονται με την ίδια κινητική ενέργεια επειδή εξέρχονται ηλεκτρόνια από την υψηλότερη ενεργειακή κατάσταση που έχουν στο μέταλλο αλλα και ηλεκτρόνια κατωτέρων (ενεργειακά) στοιβάδων. Επίσης ηλεκτρόνια στην επιφάνεια του μετάλλου που βρίσκονται λίγο βαθύτερα έχουν περισσότερες συγκρούσεις μέχρι να εξέλθουν. Έτσι τα πρώτα ηλεκτόνια θα έχουν την μέγιστη κινητική ενέργεια.
β)Τα ηλεκτρόνια εξέρχονται με διάφορες διευθύνσεις ταχυτήτων και όσο μεγαλύτερη τάση έχουμε τοσο περισσότερα ηλεκτρόνια φτάνουν στην άνοδο (όπως χαρακτηριστικά ειπώθηκε περισσότερα “ρουφά” η άνοδος).
γ) Η μορφή της σιγμοειδούς καμπύλης επομένως εξαρτάται από την γεωμετρία του πειράματος και από το ίδιότητες του μετάλλου (που καθορίζει τις διάφορες ενέργειες των ηλεκτρονίων που απορροφούν την ενέργεια των φωτονίων και εξέρχονται με διαφορετικές ταχύτητες όχι μόνο στο ίδιο μέταλλο αλλά και από μέταλλο σε μέταλλο). Η μορφή της λοιπόν προέρχεται από πειραματικές μετρήσεις.
δ) Κορεσμό έχουμε όταν όλα τα εξερχόμενα ηλεκτρόνια φτάνουν στην άνοδο.
ε) Μεγαλύτερη ένταση ακτινοβολίας => περισσότερα φωτόνια ανα μονάδα χρόνου => μεγαλύτερο ρεύμα κόρου.
Και συμπληρώνω με ένα γραμματόσημο όπου φαίνονται οι διαφορετικές διευθύνσεις ταχυτήτων των εκπεμπόμενων ηλεκτρονίων:
Perfekt!!
Καλησπέα Νίκο. Ευχαριστώ για τον σχολιασμό σου. Προτιμώ όταν απευθύνομαι στους μαθητές να τα λέω όσο πιο απλά μπορώ χωρίς να ¨φεύγω” από το επιστημονικό υπόβαθρο.
Καλημέρα σε όλους.
Να ευχαριστήσω όλους όσους απάντησαν στην παραπάνω συζήτηση, που στόχο είχε να δώσει, με προκλητικό ίσως τρόπο, απάντηση σε ένα υποθετικό ερώτημα.
Στις απαντήσεις, δεν έλειψαν και τοποθετήσεις όπου το νόημα ήταν, ίδιο με το νόημα των δύο τοποθετήσεων που με ώθησαν στο να θέσω το θέμα σε συζήτηση.
-Έλα τώρα μην τα σκαλίζετε και πολύ! Τι τα θέλετε αυτά; Δεν χρειάζονται. Είναι εκτός από το στόχο διδασκαλίας του φαινομένου. Σε τελευταία ανάλυση:
«Όλα τα φωτοηλεκτρόνια εξέρχονται με ίδια κινητική ενέργεια, εφόσον το προσπίπτον φως είναι μονοχρωματικό, ή δεν εξέρχονται καθόλου. Το φαινόμενο είναι όλα ή τίποτα. Η Κάθε ηλεκτρόνιο που θα απορροφήσει ενέργεια θα εξέλθει ή κανένα ηλεκτρόνιο δεν θα εξέλθει. Όλα τα ηλεκτρόνια έχουν να υπερπηδήσουν το ίδιο σκαλοπάτι δυναμικού. Με αυτό το δεδομένο θα στείλουμε τα παιδιά να δώσουν εξετάσεις…»
-Η ύλη έχει αυξηθεί πολύ και ζητάς να αυξηθεί ακόμη περισσότερο, μπλέκοντας με λεπτομέρειες που δεν χρειάζονται να εμπλακούν οι μαθητές. Άλλωστε εμείς που διδάσκουμε στις τάξεις νιώθουμε την αγωνία των παιδιών.
Θα επαναλάβω λοιπόν, ότι δεν πρότεινα εγώ να εστιάσουμε στην καμπύλη Ι=f(V).
Απλά θεωρώ ευλογία για τον διδάσκοντα, να έχει μαθητές μέσα στην τάξη, που να θέτουν ερωτήματα.
Ερωτήματα που δεν έχουν να κάνουν με το «αυτό δεν θα πέσει στις εξετάσεις», ή «αυτό δεν χρειάζεται να το ξέρω» ή «είναι μέσα αυτό κύριε;». Ερωτήματα που να διερευνούν αυτό που καλούνται να μάθουν και δεν το καταπίνουν αμάσητο, ό,τι τους δίνεται. Και ένας καθηγητής, που δεν κάνει απλά δουλειά διεκπεραίωσης, ο οποίος δεν είναι έτοιμος να πει «άστα αυτά δεν χρειάζονται, μάθε την εξίσωση και έλα να λύσουμε ασκήσεις από την τράπεζα, που μπορεί να βρεις μπροστά σου…», η ύπαρξη μαθητών που ρωτάνε, είναι ευτυχία…
Παρένθεση: ( Το αν ο καθηγητής θα πρέπει να αφήσει τον προγραμματισμό του για την διδασκαλία και ασχοληθεί με όποιο ερώτημα του θέτει ένας μαθητής είναι άλλο ζήτημα. Μπορεί ο καθηγητής να κρίνει ότι πρέπει να το σκεφτεί περισσότερο και το πει αφήνοντας την απάντηση για άλλο μάθημα, μπορεί να κρίνει ότι θα χαλάσει το μάθημα και να το παρακάμψει, μπορεί να κρίνει ότι θα φέρει σύγχυση στους περισσότερους μαθητές και να καλέσει το μαθητή στο διάλειμμα για συζήτηση, μπορεί να αρπάξει την ευκαιρία και να επεκταθεί. Δεν υπάρχει μια στάση…).