конспект урока по теме "Технические устройства и практическое применение: фотоэлемент, фотодатчик, солнечная батарея, светодиод", 11 класс.
план-конспект урока по физике (11 класс)

Конспект урока по физике (11 класс)

Тема: Технические устройства и практическое применение: фотоэлемент, фотодатчик, солнечная батарея, светодиод.

Тип урока: Урок изучения нового материала, практико-ориентированный, межпредметный (физика + технология + экология).

Цели урока:

• Образовательные: сформировать представление о принципах работы фотоэлемента, фотодатчика, солнечной батареи и светодиода; показать их техническое применение; продемонстрировать связь физических законов с инженерными решениями.
• Развивающие: развивать навыки анализа схем, работы с оборудованием, умение выявлять причинно-следственные связи, навыки проектной деятельности.
• Воспитательные: формировать экологическое мышление (возобновляемые источники энергии), интерес к современной технике, инженерным профессиям.

Оборудование и материалы:

• Компьютер, проектор, презентация.
• Раздаточный материал: карточки с заданиями, таблица.

Планируемые результаты:

• Учащиеся знают физический принцип работы фотоэффекта, умеют отличать внешний и внутренний фотоэффект.
• Понимают устройство и применение светодиода, солнечной батареи, фотодатчика.
• Могут объяснить, где применяются эти устройства в быту, промышленности, энергетике.

Ход урока

1. Организационный момент

Приветствие, проверка готовности, фиксация отсутствующих.

2. Мотивация

Подведение к теме: «Сегодня мы разберём, как работают устройства, которые преобразуют свет в электричество и электричество в свет». Проведем расчеты экономической эффективности использования устройств, работающих на основе фотоэффекта.

3. Актуализация знаний

Фронтальный опрос:

• Что такое фотоэффект? физическое явление выбивания электронов из вещества (обычно металла) под воздействием электромагнитного излучения (света).
• Кто открыл явление фотоэффекта и за что получил Нобелевскую премию?  Нобелевскую премию по физике (1921 г.) получил Альберт Эйнштейн за теоретическое объяснение фотоэффекта (1905 г.), основанное на квантовой гипотезе и введении понятия фотона
• Чем внешний фотоэффект отличается от внутреннего? Основное отличие внешнего фотоэффекта от внутреннего заключается в судьбе выбитых светом электронов: при внешнем фотоэффекте они покидают вещество (эмиссия), а при внутреннем — остаются внутри, увеличивая проводимость или создавая ЭДС. Внешний фотоэффект характерен для металлов, а внутренний — для полупроводников и диэлектриков
• От чего зависит кинетическая энергия вылетающих электронов? Кинетическая энергия вылетающих при фотоэффекте электронов зависит исключительно от частоты (или длины волны) падающего света и материала катода (работы выхода). Она увеличивается с ростом частоты света и не зависит от его интенсивности. 

Учитель кратко фиксирует основные формулы и понятия на доске.

4. Изучение нового материала. Учащимся заранее выдано домашнее задание подготовить сообщения по темам: Вакуумный фотоэлемент; полупроводниковый фотодиод, фоторезистор; солнечная батарея; светодиод (LED).

4.1. Вакуумный фотоэлемент

• Устройство: стеклянный баллон, катод, анод.
• Принцип действия: внешний фотоэффект.
• Применение: звуковое кино, считыватели, системы контроля.
• Демонстрация: схема включения фотоэлемента, изменение тока при освещении.

4.2. Полупроводниковый фотодиод, фоторезистор

• Внутренний фотоэффект.
• Устройство: p–n переход.
• Фотодиод — работает при обратном смещении, фотодатчик.
• Фоторезистор — меняет сопротивление при освещении.
• Примеры: датчики освещённости в телефонах, автоматическое включение уличного освещения, турникеты метро, системы пожарной сигнализации.

4.3. Солнечная батарея

• Фотогальванический эффект.
• Конструкция: система p–n переходов, последовательно-параллельное соединение элементов.
• Коэффициент полезного действия, материалы (кремний, перовскиты).
• Применение: космические аппараты, калькуляторы, электромобили, солнечные электростанции.
• Экологический аспект: «зелёная энергетика», снижение выбросов CO₂.

4.4. Светодиод (LED)

• Принцип работы: инжекционная электролюминесценция в p–n переходе.
• Инверсия фотодиода.
• Цвет свечения зависит от ширины запрещённой зоны.
• Преимущества перед лампами накаливания: долговечность, экономичность, КПД.
• Применение: экраны, освещение, оптоволокно, индикаторы.

5. Закрепление материала

5.1. Заполнение таблицы (раздаточный материал – таблица для заполнения каждому ученику) В ходе сообщений учащиеся заполняют таблицу

5.2.  Практическая работа (работа с кейсами):
Кейс1 «Реальная мощность солнечной панели»

Тема: Расчет КПД солнечной батареи на основе фотоэффекта.

Контекст: Вы инженер компании, устанавливающей солнечные станции для частных домов. Заказчик купил панель, на которой написано «Мощность: 300 Вт». Он хочет понять, сколько на самом деле он получит и не обманул ли его производитель.

Вводные данные:

Площадь панели: 1,6 м2 Заявленная пиковая мощность: 300 Вт (при стандартных тестовых условиях, STC).

Интенсивность солнечного излучения (солнечная постоянная у поверхности): 1000 Вт/м2.

Известно, что красная граница фотоэффекта для материала фотоэлемента соответствует длине волны 700 нм. Интенсивность света распределена по спектру, но для упрощения считаем, что фотоны с длиной волны больше 700 нм (инфракрасное излучение) вообще не генерируют ток, а составляют примерно 20% от общей энергии.

Задания:

Теоретическое: Почему фотоны с длиной волны > 700 нм не участвуют в создании тока? Какой закон фотоэффекта это объясняет?

Расчетное: Рассчитайте, какую максимальную мощность могла бы выдать панель, если бы КПД был 100 % (вся энергия света превращалась бы в электричество). Сравните с паспортными 300 Вт. (Мощность (в ваттах) = Эффективность × Площадь × Солнечное излучение — формула для расчёта выходной мощности фотоэлектрической солнечной панели.)

Практическое: Какой реальный КПД панели (на основе паспортных данных 300 Вт от 1000 Вт/м2).

Проблемное: Объясните заказчику, почему зимой и в пасмурную погоду панель выдает в 5-10 раз меньше энергии, даже если светит солнце, но за облаками? (Ответ свяжите с интенсивностью света и спектром).

Итоговые ответы:

Ответ для заказчика:

«Уважаемый клиент, давайте разберёмся, почему зимой и в облачную погоду выработка падает так сильно. Это связано с двумя основными факторами:

1. Снижение интенсивности света. В пасмурную погоду облака рассеивают и поглощают часть солнечного света. Интенсивность излучения может упасть с 1000 Вт/м² (яркое солнце) до 100–200 Вт/м². Это прямое снижение энергии падающего света. Например, при интенсивности 150 Вт/м² ваша панель получит в 6-7 раз меньше энергии, чем в ясный день.
2. Изменение спектра света. Облака действуют как фильтр: они сильнее рассеивают инфракрасное излучение, а также изменяют спектральный состав. Для фотоэлемента важно не только количество света, но и его качество — наличие фотонов с энергией, достаточной для генерации тока. В пасмурную погоду доля таких фотонов может снижаться, что дополнительно уменьшает КПД.
3. Зимний фактор. Зимой солнце стоит низко над горизонтом, его лучи проходят больший путь в атмосфере. Это увеличивает потери энергии и смещает спектр в сторону длинных волн. Кроме того, снег может закрывать панель, а короткий световой день уменьшает время работы.

В результате совместного действия этих факторов выработка может упасть в 5–10 раз. Это нормально для всех солнечных панелей, и мы при проектировании системы обязательно закладываем запас мощности, чтобы обеспечить вас энергией круглый год».

Кейс 2. «Светодиод против лампы накаливания»

Тема: Применение обратного фотоэффекта (электролюминесценция) и законы сохранения энергии.

Контекст: Владелец магазина решил заменить все лампы накаливания на светодиодные. Он знает, что светодиоды экономичнее, но хочет цифр. Вы должны доказать, что затраты окупятся.

Вводные данные:

В магазине 20 ламп накаливания по 100 Вт (световой поток ~ 1300 Лм)

Цена электроэнергии: 6,97/кВтч

Лампы работают: 12 часов в сутки, 30дней в месяц.

Краткая справка (повторение теории)

Люмен (лм) — единица измерения светового потока. Чем больше люмен, тем ярче светит лампа.

Световая отдача (лм/Вт) — отношение светового потока к потребляемой мощности. Чем выше, тем эффективнее лампа.

Максимально возможная световая отдача для идеального монохроматического источника с длиной волны 555 нм (зелёный свет, к которому глаз наиболее чувствителен) составляет 683 лм/Вт .

КПД лампы (как преобразователя электрической энергии в свет) можно оценить через отношение световой отдачи лампы к идеальной (683 лм/Вт), хотя это упрощение, так как часть света может быть невидимой.

Задания:

Расчетное: Рассчитайте экономию электроэнергии в кВТч за 1 месяц для магазина. Сколько рублей экономии в месяц?

Инженерное: рассчитайте КПД обеих ламп.

Подсказка: Световой поток измеряется в Люменах. Люмен – единица светового потока, субъективная, но для упрощения примите, что КПД лампы = (Световая отдача/Максимально возможная).

Справка: Идеальный источник света (монохроматический зеленый свет 555 нм) имеет световую отдачу 683 Лм/Вт. Световая отдача лампы = Световой поток (Лм)/ Потребляемая мощность (Вт).

Вывод: Сколько месяцев нужно работать магазину, чтобы окупить покупку 20 ламп, если одна LED-лампа стоит 200 рублей?

Итоговые результаты

Вывод для владельца магазина

«Уважаемый клиент! Замена 20 ламп накаливания на светодиодные окупится менее чем за один месяц (примерно за 27 дней). После этого каждый месяц вы будете экономить около 4 500 рублей только на освещении. КПД светодиода (19%) в 10 раз выше, чем у лампы накаливания (1,9%), то есть почти вся энергия идёт на свет, а не на обогрев помещения. Рекомендуем произвести замену как можно скорее — это выгодная инвестиция».

Кейс 3. Расчет эффективности солнечной батареи

Солнечная батарея площадью 2 м2 освещается солнечным светом. Интенсивность солнечного излучения (мощность, падающая на 1 м² поверхности) составляет 800 Вт/м2. Батарея состоит из кремниевых фотоэлементов, для которых красная граница фотоэффекта соответствует длине волны λmax=1,1 мкм. При освещении батареи генерируется электрический ток с напряжением на выходе 24 В и силой тока 5 А.

Вопросы и задания:

1. Рассчитайте полную мощность солнечного излучения, падающего на батарею.
2. Определите электрическую мощность, которую вырабатывает батарея.
3. Вычислите коэффициент полезного действия (КПД) солнечной батареи.
4. Определите минимальную энергию фотона (в Дж), необходимую для возникновения фотоэффекта в кремнии.
5. Качественный вопрос: Почему для повышения КПД солнечных батарей важно использовать материалы с различной шириной запрещенной зоны (многослойные элементы)?

Решение Кейса 3

1. Полная мощность излучения, падающего на батарею:

Pin=I⋅S=800 Вт/м2⋅2 м2=1600 Вт.

2. Электрическая мощность батареи:

Pout=U⋅I=24 В⋅5 А=120 Вт.

3. Коэффициент полезного действия:

η=Pout/Pin⋅100%=120/1600⋅100%=7,5%.

4. Минимальная энергия фотона для возникновения фотоэффекта (соответствует красной границе):

Emin=hνmin=hc/λmax=6,63⋅10−34⋅3⋅108/1,1⋅10−6≈1,81⋅10−19 Дж.

Качественный ответ: Многослойные элементы (тандемные) позволяют более эффективно использовать солнечный спектр. Верхний слой поглощает коротковолновые фотоны, а нижний слой — длинноволновые, которые прошли через верхний слой. Это позволяет преобразовывать в электричество большую часть спектра и повышает общий КПД батареи.

Кейс 4. Энергетическая эффективность светодиода

Светодиод синего свечения работает при напряжении 3,2 В и потребляет ток 20 мА (режим работы, близкий к номинальному). Длина волны излучаемого света λ=470 нм (синий свет). Считаем, что каждый электрон, проходящий через p-n-переход, создает один фотон.

Вопросы и задания:

1. Рассчитайте мощность, потребляемую светодиодом от источника.
2. Определите энергию одного излучаемого фотона (в Дж).
3. Найдите число фотонов, излучаемых светодиодом за 1 секунду.
4. Вычислите мощность светового излучения (полезную мощность) светодиода.
5. Определите КПД светодиода и сравните его с типичным КПД лампы накаливания (около 5%). Сделайте вывод об эффективности.

Решение Кейса 4

1. Потребляемая электрическая мощность:

Pel=U⋅I=3,2 В⋅0,020 А=0,064 Вт=64 мВт.

2. Энергия одного фотона:

Eph=hc/λ=6,63⋅10−34⋅3⋅108/470⋅10−9≈4,23⋅10−19 Дж.

3. Число фотонов, излучаемых за 1 секунду: Так как каждый электрон создает один фотон, число фотонов N равно числу электронов, прошедших через переход за секунду. Число электронов: Ne=I/e​, где e=1,6⋅10−19 Кл

N=Ne=0,020/1,6⋅10−19=1,25⋅1017 фотонов/с.

4. Мощность светового излучения (полезная мощность):

Plight=N⋅Eph= (1,25⋅1017)⋅(4,23⋅10−19)≈0,0529 Вт=52,9 мВт.

5. КПД светодиода:

η=Plight/Pel⋅100%=52,9/64⋅100%≈82,7%.

Вывод: КПД светодиода (около 83%) значительно превосходит КПД лампы накаливания (около 5%). Это означает, что светодиод преобразует в свет гораздо большую часть потребляемой электроэнергии, выделяя меньше тепла, что делает его более энергоэффективным источником освещения.

6. Итоги урока. Рефлексия

• Обсуждение результатов, полученных в ходе решения кейсов (эффективность/неэффективность применения солнечных батарей, светодиодов и тп)
• Что нового узнали?
• Где в быту встречаются фотоэлементы?
• В каком устройстве фотоэффект «работает в обратную сторону»?

Домашнее задание:

1. § 70 (по учебнику Мякишева, Буховцева) — читать, ответить на вопросы.
2. Подготовить краткое сообщение (на выбор):

• Светодиоды в современной технике.
• Фотодатчики в «умном доме».

Заключительное слово учителя:
Сегодня мы убедились, что явление фотоэффекта — не только фундаментальное открытие, изменившее физику, но и основа сотен современных устройств. Мы стоим на пороге энергетической революции, где солнечная энергия становится доступной каждому. Возможно, кто-то из вас свяжет свою профессию с разработкой новых фотоэлементов, светодиодов или создаст более эффективную солнечную панель будущего.