Введение
Изучение физики в вузе является фундаментом для всех технических дисциплин, формирует современную научную картину мира, развивает абстрактное мышление, необходимое будущим инженерам. Вместе с тем в 2007 г. в вузах была введена трехуровневая система образования (бакалавриат, магистратура и аспирантура), при этом на технических направлениях подготовки количество аудиторных часов, выделяемых на дисциплину «физика» в целом и на лабораторные работы в частности, сократилось до 45 %. Для поступления на технические направления подготовки абитуриентам не требовалась обязательная сдача ЕГЭ по физике, ее можно было заменить информатикой. Сокращение аудиторных часов по физике в бакалавриате вместе с низким школьным уровнем знаний оказало негативное влияние на подготовку инженеров в стране.
С 01 сентября 2026 г. в рамках новой образовательной реформы некоторые вузы России переходят на двухуровневую систему высшего образования (базовый и специализированный). После базового уровня подготовки выпускник может работать дипломированным специалистом. Модернизация учебной программы предполагает повышение ответственности преподавателей вузов за подготовку специалистов, усиление практического компонента обучения, формирование у студентов междисциплинарных компетенций и владение цифровыми технологиями.
Актуальность исследования
Сделать изучение физики более осмысленным и увлекательным позволяют активные методы обучения. Эти методы включат в себя игровые и творческие задания, вовлечение студентов в эксперимент, в проектную деятельность. Студент является не пассивным слушателем, а активным исследователем. Данный метод всесторонне реализуется в разработанной оригинальной виртуальной лабораторной работе по физике «Изучение законов внешнего фотоэффекта».
Введение в учебный процесс виртуальных лабораторных работ по физике [1, 2] позволяет эволюционировать учебному процессу в сторону осознанного прикладного обучения, развивает владение цифровыми технологиями [3], удобно и эффективно при самостоятельной работе студентов.
Одним из важнейших явлений физики в разделе квантовой оптики является фотоэффект – физическое явление, при котором падающий свет выбивает электроны вещества. На рис. 1 представлены примеры устройств, работающих на основе принципа фотоэффекта.
|
а |
б |
Рис. 1. Примеры устройств, работающих на основе принципа фотоэффекта:
а – солнечный элемент питания на судне; б – система навигации на судне
Fig. 1. Examples of devices operating on the principle of the photoelectric effect:
a – solar power cell on a ship; б – navigation system on a ship
Фотоэффект находит применение в солнечных панелях (см. рис. 1, а), фотоэлементах, оптических сенсорах, усилителях и преобразователях, системах контроля и управления. Явление фотоэффекта лежит в основе датчиков освещенности, систем навигации (см. рис. 1, б), в приборах для обнаружения параметров морской среды. Эти знания важны для студентов направлений подготовки «Кораблестроение, океанотехника и системотехника объектов морской инфраструктуры», «Управление водным транспортом и гидрографическое обеспечение судоходства».
Знания по применению фотоэффекта в солнечных батареях, фотометрах, системах автоматического управления и реле, преобразователях световой энергии в электрическую, в датчиках температуры, во всех системах контроля и управления автоматики на судне необходимы для студентов направлений подготовки «Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики», «Эксплуатация судовых энергетических установок».
Методы и результаты исследования
Электронная платформа для виртуальной лабораторной работы по физике «Изучение законов внешнего фотоэффекта» была успешно зарегистрирована в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, в реестре программ для ЭВМ 20 июня 2025 г. [4]. Программа для данной лабораторной работы была написана на языке программирования GDScript, разработанного специально для игрового движка Godot Engine, который позволяет эффективно работать с игровыми объектами. Это простой в изучении, но очень мощный высокоуровневый язык программирования по своей структуре и синтаксису напоминает Python. Программный код на GDScript одинаково работает на всех платформах, поддерживаемых движком Godot. Лабораторная работа открывается по ссылке, а также может быть установлена на стационарном компьютере.
На вкладке программы изображен фотоэлемент А. Г. Столетова, который представляет собой стеклянную колбу с двумя электродами (катодом и анодом). На левый электрод через кварцевое окошко направляют свет (ультрафиолетовый или видимый монохроматический). Кварцевое окошко используют для пропускания ультрафиолетового света, который поглощается стеклом. Падающий на электрод свет выбивает электроны из металла, и они летят к правому электроду (аноду). Из колбы выкачан воздух, чтобы его молекулы не тормозили движение электронов. Электроны, долетая до правого электрода, замыкают цепь, и амперметр показывает силу тока I, величина которого зависит от приложенного к электродам напряжения U и мощности P (интенсивности) падающего на левый электрод светового потока. Этот ток называется фототоком, а электроны, его создающие, – фотоэлектронами. Напряжение U на электродах можно менять, передвигая ползунок потенциометра (регулируемого резистора), и измерять вольтметром. При некотором напряжении все фотоэлектроны достигают анода, а соответствующий ток называется током насыщения Iнас. Мощность излучения P можно регулировать бегунком на панели справа (рис. 2) и исследовать зависимость Iнас от мощности P (интенсивности) падающего света.
Рис. 2. Скриншот виртуальной лабораторной работы
«Изучение законов внешнего фотоэффекта» при прямом подключении источника тока
Fig. 2. Screenshot of the virtual laboratory work “Studying the laws of the external photoelectric effect”
with a direct connection to a current source
Энергия, необходимая для выбивания электрона под действием света, называется работой выхода электрона из металла Авых. На электронной панели данной работы есть возможность изменить металл левого электрода, изменив Авых. Для исследования влияния обратного напряжения на силу фототока в правом нижнем углу предусмотрена кнопка для переключения полярности источника тока, при этом электрическое поле между электродами становится тормозящим для электронов (рис. 3). При некотором задерживающем напряжении UЗ фототок прекращается. В правом верхнем углу электронной панели имеется бегунок для изменения частоты падающего света ν. Таким образом, у студентов имеется возможность исследовать зависимость величины задерживающего напряжения UЗ от частоты падающего света ν. На электронной панели также предусмотрены всплывающие окна. Далее будет приведен кейс заданий к данной виртуальной лабораторной работе. Эти задания вставлены в программу и открываются во всплывающем окне электронной панели.
Рис. 3. Скриншот виртуальной лабораторной работы «Изучение законов внешнего фотоэффекта»
при задерживающем напряжении на источнике тока
Fig. 3. Screenshot of the virtual laboratory work “Studying the laws of the external photoelectric effect”
with a decelerating voltage on the current source
Задание № 1. Цель: сформулировать первый закон фотоэффекта по экспериментальному исследованию зависимости силы фототока насыщения от мощности P (интенсивности) и частоты падающего света.
Ход работы:
1. Выбрать в левом верхнем углу электронной панели металл катода (например, рубидий).
2. Выставить бегунком в правом верхнем углу частоту падающего на катод света ν, при которой будет идти фотоэффект (например, ν = 600 ТГц).
3. Передвигая ползунок реостата вправо, добиться на амперметре значения силы тока насыщения Iнас (этот ток остается постоянным при увеличении напряжения) (см. рис. 2).
4. Передвигая бегунок мощности (интенсивности) Р падающего на катод света, измерить величину тока насыщения при различных значениях мощности Р. Заполнить табл. 1. Построить график зависимости Iнас (Р).
5. Оставляя неизменной мощность (интенсивность) Р, измерить значения тока насыщения при различных значениях частоты ν падающего света. Заполнить табл. 2.
6. По результатам обработки данных, представленных в табл. 1 и 2, сделать вывод о зависимости величины силы тока насыщения Iнас от мощности (интенсивности) Р и частоты ν падающего света.
7. Сравнить полученный в ходе работы вывод с первым законом фотоэффекта.
Таблица 1
Table 1
Исследование зависимости величины тока
насыщения Iнас от мощности Р падающего света
Study of the dependence of the saturation current Isat
on the power P of the incident light
|
Номер опыта |
Р, Вт |
Iнас, мА |
|
1 |
0,75 |
|
|
2 |
0,5 |
|
|
3 |
1 |
|
|
4 |
1,25 |
|
|
5 |
1,5 |
|
|
6 |
1,75 |
|
|
7 |
2 |
|
Таблица 2
Table 2
Исследование зависимости величины тока
насыщения Iнас от частоты ν падающего света
Study of the dependence of the saturation current Isat
on the frequency ν of the incident light
|
Номер опыта |
ν, ТГц |
Iнас, мА |
|
1 |
550 |
|
|
2 |
600 |
|
|
3 |
650 |
|
|
4 |
700 |
|
|
5 |
750 |
|
|
6 |
800 |
|
|
7 |
850 |
|
Задание № 2. Цель: сформулировать второй закон фотоэффекта по экспериментальному исследованию зависимости задерживающего напряжения от частоты падающего света; определить постоянную Планка h.
Краткая теория:
1. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта:
Eфотона = Авых + Ек max. (1)
2. Формула Планка:
Ефотона = hv = hc / λ , (2)
где h = 6,626 · 10–34 – постоянная Планка, Дж·с; с = 3 · 108 – скорость света в вакууме, м/с; Авых – работа выхода материала фотокатода; Ек max – максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона; v – частота; λ – длина волны падающего света. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона связана с задерживающим напряжением UЗ соотношением Ек max = еUЗ, где е = 1,6 · 10–19 – заряд электрона, Кл.
Ход работы:
1. Выбрать в левом верхнем углу электронной панели (см. рис. 3) металл катода (например, цезий).
2. Выставить бегунком в правом верхнем углу частоту падающего на катод света ν, при которой будет идти фотоэффект (например, ν = 600 ТГц).
3. Переключить кнопку полярности источника тока (в правом нижнем углу электронной панели). При этом электрическое поле между электродами становится тормозящим для электронов.
4. Не меняя частоту падающего света, измерить величину задерживающего напряжения UЗ, при котором фототок прекращается, при различных значениях мощности Р. Заполнить табл. 3.
Таблица 3
Table 3
Исследование зависимости величины
задерживающего напряжения UЗ
от мощности Р падающего света
Study of the dependence
of the magnitude of the delaying voltage UЗ
on the power P of the incident light
|
Номер опыта |
Р, Вт |
UЗ, В |
|
1 |
0,75 |
|
|
2 |
0,5 |
|
|
3 |
1 |
|
|
4 |
1,25 |
|
|
5 |
1,5 |
|
|
6 |
1,75 |
|
|
7 |
2 |
|
|
|
|
|
5. Оставляя неизменной мощность (интенсивность) Р падающего света, измерить величину задерживающего напряжения UЗ при различных значениях частоты падающего света, занести значения в табл. 4.
6. Рассчитать значения максимальной кинетической энергии фотоэлектронов Ек max при различных значениях частоты падающего света ν, результаты занести в табл. 4.
Таблица 4
Table 4
Исследование зависимости величины задерживающего напряжения UЗ от частоты ν падающего света
Study of the dependence of the magnitude of the delaying
voltage UЗ on the frequency ν of the incident light
|
Номер опыта |
ν, ТГц |
Uз, В |
Ек max = |
Eфотона, Дж |
|
|
1 |
550 |
|
|
|
|
|
2 |
600 |
|
|
|
|
|
3 |
650 |
|
|
|
|
|
4 |
700 |
|
|
|
|
|
5 |
750 |
|
|
|
|
|
6 |
800 |
|
|
|
|
|
7 |
850 |
|
|
|
|
7. Построить график зависимости Ек max(ν). Экстраполировать полученную зависимость до пересечения с осью абсцисс и найти красную границу фотоэффекта νкр (минимальную частоту, при которой идет фотоэффект). Это значение частоты падающего света при Ек max = 0.
8. По результатам обработки данных, представленных в табл. 3 и 4, сделать вывод о зависимости величины максимальной кинетической энергии фотоэлектронов от частоты ν падающего света и его интенсивности (мощности Р).
9. Сравнить полученный вывод со вторым законом фотоэффекта.
10. Рассчитать энергию фотона Eфотона при различных значениях частоты падающего света, используя уравнение Эйнштейна для фотоэффекта (1). Работа выхода электрона из металла Авых зависит от выбранного металла и отображается на электронной панели. Результаты занести в табл. 4.
11. Рассчитать постоянную Планка h по формуле Планка (2) для каждой строки табл. 4. Найти среднее арифметическое значение постоянной Планка hср по результатам всех опытов, сравнить полученное значение со справочными данными hтабл = 6,626 · 10–34 Дж·с.
12. Определить относительную погрешность измерения по формуле
.
Задание № 3. Цель: сформулировать третий закон фотоэффекта по экспериментальному нахождению красной границы фотоэффекта для различных металлов.
Ход работы:
1. Выбрать в левом верхнем углу электронной панели первый металл (алюминий).
2. Пронаблюдать для данного металла явление фотоэффекта.
3. Не меняя мощности P (интенсивности) падающего света, уменьшать частоту света, плавно передвигая бегунок в правом верхнем углу электронной панели.
4. Определить минимальную частоту света, при которой еще идет фотоэффект – красную границу фотоэффекта νкр. Записать значение этой частоты в табл. 5.
5. Пронаблюдать, влияет ли мощность (интенсивность) излучения на значение красной границы фотоэффекта.
6. Рассчитать работу выхода Авых электрона из металла по формуле Авых = hvкр. В соответствии с уравнением (1) энергия фотона при частоте, равной красной границе фотоэффекта νкр, равна работе выхода Авых, а максимальная кинетическая энергия вылетающих электронов Ек max = 0.
7. Рассчитать длину волны, соответствующую красной границе фотоэффекта по формуле λкр = с / vкр.
8. Результаты занести в табл. 5.
Таблица 5
Table 5
Определение красной границы фотоэффекта для различных металлов
Determination of the red limit of the photoelectric effect for various metals
|
Номер опыта |
Металл пластины |
νкр, ТГц |
λкр, нм |
Авых, Дж |
|
1 |
Алюминий |
|
|
|
|
2 |
Барий |
|
|
|
|
3 |
Литий |
|
|
|
|
4 |
Рубидий |
|
|
|
|
5 |
Цезий |
|
|
|
9. Выбрать поочередно остальные металлы и выполнить для них пункты 2–5 табл. 5. Сравнить полученные значения νкр, λкр, Авых со справочными данными для каждого металла.
10. Сделать вывод о результатах проведенного эксперимента, сравнить его с третьим законом фотоэффекта.
Разработанный кейс заданий к приложению для виртуальной лабораторной работы «Изучение законов внешнего фотоэффекта» позволяет исследовать физическое явление путем анализа влияния изменяющихся условий эксперимента на протекание процесса. Задания кейса направляют студентов на обоснование выводов и самостоятельное формулирование законов внешнего фотоэффекта, что способствует лучшему усвоению и запоминанию теоретического материала.
На кафедре «Общеинженерные дисциплины и наземный транспорт» ФГБОУ ВО «Астраханский государственный технический университет» организована работа мастерской технического творчества «Прикладная физика». В рамках этого кружка студенты участвуют в проектной деятельности по разработке виртуальных лабораторных работ по физике. С результатами данных работ студенты выступают на международных студенческих научно-технических конференциях [5, 6], участвуют в конкурсе «УМНИК». После апробации виртуальные лабораторные работы успешно используются в учебном процессе.
Заключение
Выполнено описание разработки приложения для виртуальной лабораторной работы по физике «Изучение законов внешнего фотоэффекта». Осуществлена разработка кейса заданий, стимулирующих студентов к активной познавательной и мыслительной деятельности, к развитию навыков исследования и анализа, необходимых будущим инженерам. Показана реализация активного метода обучения как в учебной деятельности, при выполнении кейса заданий для виртуальных лабораторных работ, так и в проектной деятельности студентов, участвующих в их разработке. Эта деятельность мотивирует студентов не только осваивать цифровые технологии, навык написания программ, но и всесторонне изучать физические явления, лежащие в основе процессов, знание которых необходимо для инженерных направлений подготовки. Данный методический подход способствует формированию у студентов инженерного мышления, развитию межпредметных связей, побуждает студентов к активному усвоению материала, к самостоятельному овладению знаниями и практическими умения. В перспективе планируется разработка приложений с кейсом заданий для виртуального лабораторного практикума по физике для различных механических, термодинамических, электромагнитных, оптических, квантовых явлений и процессов.
