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PhotoeffektPhysik

Klasse 9–13

T r a i l e r a n s e h e n

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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

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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 Be-schreibung der verschiedenen Experi-mente 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 Beschrei-bung des Konzepts der Austrittsarbeit.Nun werden technische Anwendungen des äußeren Photoeffekts beschrieben. Danach erfolgen eine Betrachtung des inneren Photoeffekts und die Beschrei-bung etlicher seiner Anwendungen. Hier finden sich einige heutzutage allgegen-wärtige 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 We-sen der Quantentheorien.

„Gegenfeldmethode und Austrittsarbeit“ (Film 3 min)Dieser separate Kurzfilm stellt die Ge-genfeldmethode als Werkzeug zur Be-stimmung 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 ex-perimentelle Bestätigung der maxwell-schen Erklärung wird erwähnt.Anschließend wird der Photoeffekt vor-gestellt, also die Tatsache, dass durch Bestrahlung mit Licht aus Metalloberflä-chen Ladungsträger ausgelöst werden können. Nach der ersten Nennung des Effekts werden historische Experimente gezeigt und die Ergebnisse, insbesonde-re die Abhängigkeit der Wirkung von der Farbe des einfallenden Lichts, aufgeführt.

Physikalische Deutung des Photoeffekts (6:10 min)Zunächst wird der Widerspruch zur Wel-lentheorie des Lichts herausgearbeitet, also die Frequenzabhängigkeit sowohl des Eintretens des Effekts als auch der

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Elektronenenergie und die Tatsache, dass eine bloße Änderung der Intensität des eingestrahlten Lichts die Energie der aus-gelösten 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 er-wähnt, dann der Photoeffekt auf der Basis dieser Postulate erklärt. Dazu wird über eine einfache Energiebetrachtung die Austrittsarbeit eingeführt, deren Be-trag ja die Grenzwellenlänge bestimmt. Damit lassen sich nun alle Widersprüche auflösen.(Hinweis: Die experimentelle Bestimmung der Austrittsarbeit mittels der Gegenfeld-methode 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 Erklä-rung 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 Anwendun-gen, die auf dem äußeren Photoeffekt beruhen, angefangen mit der Photozelle und ihrer Umsetzung in Belichtungsmes-sern. Es folgen der Photomultiplier, der Restlichtverstärker sowie der Bildwandler.

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Der innere Photoeffekt und seine Anwendungen (2:30 min)Zunächst wird beschrieben, was unter dem Begriff des inneren Photoeffekts zu verstehen ist. Anschließend werden Pho-towiderstände, Photodioden und Photo-transistoren kurz vorgestellt und zuletzt CCD-Sensoren und Solarzellen. Auch die Verwendung von lichtempfindlichen Sen-soren 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-Teil-

chen-Dualismus“ bezeichnet wurde. Licht als Quantenobjekt hat Eigenschaf-ten, die nicht alle gleichzeitig in demsel-ben Experiment beobachtbar sind. Wel-lenbild und Photonenbild werden parallel betrachtet. Die Tatsache, dass bei der Ausbreitung eher die Wellenna-tur, bei der Wechselwirkung mit Materie eher der Teilchencharakter überwiegt, wird vorgestellt. Wichtig ist, dass der beobachtete Zustand eines Quantenob-jektes nicht von dem Experiment zu tren-nen ist.

GrafikenDer äußere PhotoeffektBei Bestrahlung mit kurzwelligem Licht werden Elektronen aus einer Metallober-fläche herausgelöst.

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Der innere PhotoeffektIn der Halbleiterphysik spielt der innere Photoeffekt eine bedeutsame Rolle. An-ders als beim äußeren Photoeffekt wer-den hier die Elektronen durch elektroma-gnetische 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 Leitfähig-keit und es kann ein Strom fließen.

Der atomare PhotoeffektDurch kurzwelliges Licht können einzel-ne Atome ionisiert werden. Dabei ent-weichen Hüllenelektronen aus dem Atom. Sie bewegen sich bis zu einer Rekombination als freie Teilchen durch den Raum. Dieser Prozess der Photo-

ionisa tion wird vor allem bei der an das sichtbare Licht angrenzenden kurzwelli-geren UV-Strahlung beobachtet.

Frequenz und kinetische Energie (2 Grafiken)Damit ein Elektron das Metall verlassen kann, muss es genug Energie aufneh-men, um die im Metall wirkenden Anzie-hungskräfte zu überwinden. Was von der Energie des absorbierten Photons noch übrig ist, bleibt nun gemäß der Energie-erhaltung als kinetische Energie des Elek-trons. Photonen, die nicht genügend Energie besitzen, können keine Elektro-nen auslösen. Die Frequenz bestimmt also die Geschwindigkeit der Elektronen.

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Funktion einer Solarzelle (vereinfacht)Eine Solarzelle besteht aus zwei Halblei-terschichten. Trifft Sonnenlicht auf die Photovoltaikzelle, sammeln sich die Elek-tronen in der n-Schicht, sodass dort ein Elektronenüberschuss entsteht, während es in der p-Schicht zu einem Elektronen-mangel kommt. Auf diese Weise entsteht zwischen den beiden Schichten ein Po-tentialgefälle, es fließt eine elektrische Spannung im Millivoltbereich.

GegenfeldmethodeDie Grafik zeigt den Versuchsaufbau zur Gegenfeldmethode. Licht trifft auf die Kathode einer Photozelle und löst Elek-tronen aus dem Metall. Diese werden von der Anode aufgefangen.

Gegenfeldmethode (vereinfacht)Die Grafik zeigt, wie das aus der positiv geladenen Kondensatorplatte austreten-de Elektron durch die entgegenwirkende Gegenspannung gebremst wird. Die ne-gativ geladene Kondensatorplatte stößt das negativ geladene Elektron ab.

Wichtige Entdeckungen zum PhotoeffektAuf einem Zeitstrahl sind die wichtigsten Entdeckungen rund um den Photoeffekt eingetragen.

Das elektromagnetische SpektrumDas elektromagnetische Spektrum, auch elektromagnetisches Wellenspektrum genannt, ist die Gesamtheit aller elekt-romagnetischen Wellen verschiedener Wellenlängen. In diesem Spektrum las-sen sich die Frequenz, die Wellenlänge sowie die Photonenenergie ablesen und den Bereichen des elektromagnetischen Spektrums zuordnen.

Bezug zu Lehrplänen und Bildungsstandards

Die Schülerinnen und Schüler • kennen den Begriff „Photoeffekt“;• erkennen, dass die Beobachtungen

zum Photoeffekt nicht mit der Wellen-natur des Lichts vereinbar sind;

• kennen die Postulate von Einstein zur Erklärung des Photoeffekts;

• kennen den Begriff der Austritts-arbeit;

• kennen den Unterschied zwischen innerem und äußerem Photoeffekt;

• kennen technische Anwendungen sowohl des inneren als auch des äu-ßeren Photoeffekts;

• kennen die Gegenfeldmethode als Mittel zur Bestimmung der Elektronen-energie;

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• erkennen, dass das Erhöhen der Leit-fähigkeit bei Lichteinfall in Halbleiter-materialien ein dem äußeren Photo-effekt ähnlicher Prozess ist;

• kennen Wellenbild und Teilchenbild der elektromagnetischen Strahlung;

• erkennen die Energieabhängigkeit des Photoeffekts.

Didaktische Hinweise

Der Film kann im Fach Physik im Gymna-sium 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 Schü-lern weiterführende Einblicke und neue Gesichtspunkte vermitteln. In der Oberstufe ist die Betrachtung von Quantenobjekten und auch die Diskus-sion des Photoeffekts Pflichtstoff. Die Produktion kann nun zum Beispiel als Grundlage für ein schülerzentriertes Er-arbeiten der Thematik oder auch zur Verbesserung der Anschaulichkeit einge-setzt werden. Parallel zur Beobachtung im Experiment kann die Animation die

mikroskopischen Vorgänge zeigen und so vor allem auch schwächeren Schüle-rinnen und Schülern den Zugang zu An-sätzen der Quantentheorien vereinfa-chen.Die Beschreibung technischer Anwen-dungen 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 einge-setzt werden, wo sie einerseits die Inhal-te vertiefen, andererseits aber auch die Grundinhalte sichern.

Die Produktion kann im Rahmen der fol-genden Themenschwerpunkte eingesetzt werden:• Wellennatur des Lichtes• Licht im Teilchenbild• Entdeckung des Photoeffekts• innerer und äußerer Photoeffekt• technische Anwendungen des Photo-

effekts• Austrittsarbeit und Gegenfeldmethode

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Arbeitsmaterial

Als Arbeitsmaterial steht Ihnen im ROM-Teil ein umfangreiches Angebot an er-gänzenden Materialien zur Verfügung (siehe Tabelle). Die Arbeitsblätter liegen als PDF- und Word-Dateien vor.

Die Word-Dateien können bearbeitet und so individuell an die Unterrichts-situation angepasst werden.

Ordner Materialien

Didaktische Hinweise Hinweise zum Einsatz der Filme, der Filmsequenzen, der Grafiken und der ergänzenden Arbeitsmaterialien

Arbeitsblätter(mit Lösungen)

1) Anwendungen des Photoeffekts2) Rechnungen zur Austrittsarbeit (differenziert)3) Kreuzworträtsel4) Lückentext (differenziert)5) Stimmt das?

Grafiken • Der äußere Photoeffekt• Der innere Photoeffekt• Der atomare Photoeffekt• Frequenz und Energie• Funktion einer Solarzelle• Gegenfeldmethode• Wichtige Entdeckungen zum Photoeffekt• Das elektromagnetische Spektrum

Infotexte • Werte für die Austrittsarbeit diverser Metalle und Oxide• Energien der Photonen des sichtbaren Lichts

Filmtexte Filmtexte zu den Filmen als PDF-Dokument

Programmstruktur Übersicht über den Aufbau der DVD

Weitere Medien Informationen zu ergänzenden FWU-Medien

Produktionsangaben Produktionsangaben zur DVD und zum Film

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Programmstruktur

46 11338 Photoeffekt

Photoeffekt Programmstruktur

Untermenü Hauptmenü

PhotoeffektPhotoeffekt Film 19 min

Photoeffekt Sequenzen Der äußere Photoeffekt Grafik

Der innere Photoeffekt Grafik

Der atomare Photoeffekt Grafik

Frequenz und kinetische Energie 2 Grafiken

Funktion einer Solarzelle (vereinfacht) Grafik Gegenfeldmethode und Austrittsarbeit Film 3 min

Gegenfeldmethode (vereinfacht) Grafik Arbeitsmaterial

PhotoeffektDie Entdeckung des Photoeffekts 2:20 min

Physikalische Deutung des Photoeffekts 6:10 min

Der äußere Photoeffekt und seine technischen Anwendungen 5:20 min

Der innere Photoeffekt und seine Anwendungen 2:30 min

Quantentheorien – Konsequenzen aus der Interpretation des Photoeffekts 2:10 min

Arbeitsmaterial

Didaktische Hinweise 5 Arbeitsblätter (z. T. differenziert) 2 Infotexte 10 Grafiken Filmtext Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben

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Produktionsangaben Photoeffekt (DVD)

Produktion FWU Institut für Film und Bild, 2018

DVD-KonzeptDr. Maike Schuchmann

DVD-Authoring und DesignDicentia Germany GmbHim Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2018

BildnachweisFWU Institut für Film und BildKatrin Opitz© natros – fotolia.de© jkrieger – Wikimedia Commons

ArbeitsmaterialDr. Sylvia Becker

BegleitheftDr. Maike Schuchmann

Pädagogische Referentin im FWUDr. Maike Schuchmann

Produktionsangaben zu den Filmen„Photoeffekt“ und „Gegenfeld methode und Austrittsarbeit“

ProduktionWeglowinthedark.

im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2018

Animation und GestaltungAntonia KühnDominic Bünning

SounddesignSven Lütgen

SprecherMark Bremer

DrehbuchDr. Maike SchuchmannDr. Sylvia Becker

Fotos WikicommonsIstockphotoKamioka Observatory, TokyoArchiv FrickeU.S. Department of Defense (The appearance of U.S. Department of Defense (DoD) visual information does not imply or constitute DoD endorsement)

FachberatungDr. Sylvia Becker

RedaktionDr. Maike Schuchmann

Nur Bildstellen/Medienzentren:öV zulässig

© 2018 FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz 3 D-82031 Grünwald Telefon (089) 6497-1 Telefax (089) 6497-240 E-Mail info@fwu.de vertrieb@fwu.de Internet www.fwu.de

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www.fwu-shop.deBestell-Hotline: +49 (0)89-6497-444vertrieb@fwu.de

Ausführliche didaktische Hinweise finden Sie im Arbeitsmaterial.

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.

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Lehrprogrammgemäß

§ 14 JuSchG und § 60b UrhG

FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gGmbHBavariafilmplatz 3 | 82031 Grünwald | Telefon +49 (0)89-6497-1

Telefax +49 (0)89-6497-240 | info@fwu.de | www.fwu.de

GEMAFREI

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Themen Klasse 9–10 Klasse 10–13

Wellennatur des Lichtes

Licht als Quantenobjekt

Formen des Photoeffektes

Technische Anwendungen des Photoeffektes

PhotoeffektLicht 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 DE

Filme 2

Filmsequenzen 5

Arbeits-/Infoblätter 5/2

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