Фотоэффект физика 11 класс егэ - Помощь в подготовке к экзаменам и поступлению

Физика, 11 класс

Урок 22. Фотоэффект

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

предмет и задачи квантовой физики;
гипотеза М. Планка о квантах;
опыты А.Г. Столетова;
определение фотоэффекта, кванта, тока насыщения, задерживающего напряжения, работы выхода, красной границы фотоэффекта;
уравнение Эйнштейна для фотоэффекта;
законы фотоэффекта.

Глоссарий по теме:

Квантовая физика — раздел теоретической физики, в котором изучаются квантово-механические и квантово-полевые системы и законы их движения.

Фотоэффект – это вырывание электронов из вещества под действием света.

Квант — (от лат. quantum — «сколько») — неделимая порция какой-либо величины в физике.

Ток насыщения — некоторое предельное значение силы фототока.

Задерживающее напряжение — минимальное обратное напряжение между анодом и катодом, при котором фототок равен нулю.

Работа выхода – это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл. которую нужно сообщить электрону, для того чтобы он мог преодолеть силы, удерживающие его внутри металла.

Красная граница фотоэффекта – это минимальная частота или максимальная длина волны света излучения, при которой еще возможен внешний фотоэффект.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В. М. Физика. 11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 259 – 267.

2. Рымкевич А. П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.- М.:Дрофа,2009. – С. 153 – 158.

3. Элементарный учебник физики. Учебное пособие в 3 т./под редакцией академика Ландсберга Г. С.: Т.3. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика. – 12-е изд. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. С. 422 – 429.

4. Тульчинский М. Е. Качественные задачи по физике в средней школе. Пособие для учителей. Изд. 4-е, переработ. и доп. М. «Просвещение», 1972. С. 157.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

В начале 20-го века в физике произошла величайшая революция. Попытки объяснить наблюдаемые на опытах закономерности распределения энергии в спектрах теплового излучения оказались несостоятельными. Законы электромагнетизма Максвелла неожиданно «забастовали». Противоречия между опытом и практикой были разрешены немецким физиком Максом Планком.

Гипотеза Макса Планка: атомы испускают электромагнитную энергию не непрерывно, а отдельными порциями – квантами. Энергия Е каждой порции прямо пропорциональна частоте ν излучения света: E = hν.

Коэффициент пропорциональности получил название постоянной Планка, и она равна:

h = 6,63 ∙ 10^-34Дж∙с.

После открытия Планка начала развиваться самая современная и глубокая физическая теория – квантовая физика.

Квантовая физика — раздел теоретической физики, в котором изучаются квантово-механические и квантово-полевые системы и законы их движения.

Поведение всех микрочастиц подчиняется квантовым законам. Но впервые квантовые свойства материи были обнаружены именно при исследовании излучения и поглощения света.

В 1886 году немецкий физик Густав Людвиг Герц обнаружил явление электризации металлов при их освещении.

Явление вырывания электронов из вещества под действием света называется внешним фотоэлектрическим эффектом.

Законы фотоэффекта были установлены в 1888 году профессором московского университета Александром Григорьевичем Столетовым.

Схема установки для изучения законов фотоэффекта

Первый закон фотоэффекта: фототок насыщения — максимальное число фотоэлектронов, вырываемых из вещества за единицу времени, — прямо пропорционален интенсивности падающего излучения.

Зависимость силы тока от приложенного напряжения

Увеличение интенсивности света означает увеличение числа падающих фотонов, которые выбивают с поверхности металла больше электронов.

Второй закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения и линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения.

Третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует граничная частота такая, что излучение меньшей частоты не вызывает фотоэффекта, какой бы ни была интенсивность падающего излучения. Эта минимальная частота излучения называется красной границей фотоэффекта.

hν_min= A_в

где А_в– работа выхода электронов;

h – постоянная Планка;

ν_min — частота излучения, соответствующая красной границе фотоэффекта;

с – скорость света;

λкр – длина волны, соответствующая красной границе_.

Фотоэффект практически безынерционен: фототок возникает одновременно с освещением катода с точностью до одной миллиардной доли секунды.

Работа выхода – это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл.

Для большинства веществ фотоэффект возникает только под действием ультрафиолетового облучения. Однако некоторые металлы, например, литий, натрий и калий, испускают электроны и при облучении видимым светом.

Известно, что фототоком можно управлять, подавая на металлические пластины различные напряжения. Если на систему подать небольшое напряжение обратной полярности, «затрудняющее» вылет электронов, то ток уменьшится, так как фотоэлектронам, кроме работы выхода, придется совершать дополнительную работу против сил электрического поля.

Задерживающее напряжение — минимальное обратное напряжение между анодом и катодом, при котором фототок равен нулю.

Задерживающее напряжение

Максимальная кинетическая энергия электронов выражается через задерживающее напряжение:

где — максимальная кинетическая энергия электронов;

Е – заряд электрона;

– задерживающее напряжение.

Теорию фотоэффекта разработал Альберт Эйнштейн. На основе квантовых представлений Эйнштейн объяснил фотоэффект. Электрон внутри металла после поглощения одного фотона получает порцию энергии и стремится вылететь за пределы кристаллической решетки, т.е. покинуть поверхность твердого тела. При этом часть полученной энергии он израсходует на совершение работы по преодолению сил, удерживающих его внутри вещества. Остаток энергии будет равен кинетической энергии:

В 1921 году Альберт Эйнштейн стал обладателем Нобелевской премии, которая, согласно официальной формулировке, была вручена «за заслуги перед теоретической физикой и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта».

Если фотоэффект сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внешним фотоэффектом или фотоэлектронной эмиссией, а вылетающие электроны — фотоэлектронами. Если фотоэффект не сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внутренним.

Примеры и разбор решения заданий

1. Монохроматический свет с длиной волны λ падает на поверхность металла, вызывая фотоэффект. Фотоэлектроны тормозятся электрическим полем. Как изменятся работа выхода электронов с поверхности металла и запирающее напряжение, если уменьшить длину волны падающего света?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

1) увеличится

2) уменьшится

3) не изменится

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Работа выхода	Запирающее напряжение

Решение:

Работа выхода — это характеристика металла, следовательно, работа выхода не изменится при изменении длины волны падающего света.

Запирающее напряжение — это такое минимальное напряжение, при котором фотоэлектроны перестают вылетать из металла. Оно определяется из уравнения:

Следовательно, при уменьшении длины волны падающего света, запирающее напряжение увеличивается.

Ответ:

Работа выхода	Запирающее напряжение
не изменится	увеличится

2. Красная граница фотоэффекта для вещества фотокатода λ₀ = 290 нм. При облучении катода светом с длиной волны λ фототок прекращается при напряжении между анодом и катодом U = 1,5 В. Определите длину волны λ.

Решение.

Запишем уравнение для фотоэффекта через длину волны:

Условие связи красной границы фотоэффекта и работы выхода:

Запишем выражение для запирающего напряжения – условие равенства максимальной кинетической энергии электрона и изменения его потенциальной энергии при перемещении в электростатическом поле:

Решая систему уравнений (1), (2), (3), получаем формулу для вычисления длины волны λ:

Подставляя численные значения, получаем: λ ≈ 215 нм.

Ответ: λ ≈ 215 нм.

Источник

Фотоэффект

Темы кодификатора ЕГЭ: гипотеза М.Планка о квантах, фотоэффект, опыты А.Г.Столетова, уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.
Опыты Столетова
Зависимость фототока от напряжения
Законы фотоэффекта
Трудности классического объяснения фотоэффекта
Гипотеза Планка о квантах
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: гипотеза М.Планка о квантах, фотоэффект, опыты А.Г.Столетова, уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

Фотоэффект — это выбивание электронов из вещества падающим светом. Явление фотоэффекта было открыто Генрихом Герцем в 1887 году в ходе его знаменитых экспериментов по излучению электромагнитных волн.
Напомним, что Герц использовал специальный разрядник (вибратор Герца) — разрезанный пополам стержень с парой металлических шариков на концах разреза. На стержень подавалось высокое напряжение, и в промежутке между шариками проскакивала искра. Так вот, Герц обнаружил, что при облучении отрицательно заряженного шарика ультрафиолетовым светом проскакивание искры облегчалось.

Герц, однако, был поглощён исследованием электромагнитных волн и не принял данный факт во внимание. Год спустя фотоэффект был независимо открыт русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым. Тщательные экспериментальные исследования, проведённые Столетовым в течение двух лет, позволили сформулировать основные законы фотоэффекта.

к оглавлению ▴

Опыты Столетова

В своих знаменитых экспериментах Столетов использовал фотоэлемент собственной конструкции (Фотоэлементом называется любое устройство, позволяющее наблюдать фотоэффект). Его схема изображена на рис. 1.

Рис. 1. Фотоэлемент Столетова

В стеклянную колбу, из которой выкачан воздух (чтобы не мешать лететь электронам), введены два электрода: цинковый катод и анод . На катод и анод подаётся напряжение, величину которого можно менять с помощью потенциометра и измерять вольтметром .

Сейчас на катод подан «минус», а на анод — «плюс», но можно сделать и наоборот (и эта перемена знака — существенная часть опытов Столетова). Напряжению на электродах приписывается тот знак, который подан на анод (Поэтому поданное на электроды напряжение часто называют анодным напряжением). В данном случае, например, напряжение положительно.

Катод освещается ультрафиолетовыми лучами УФ через специальное кварцевое окошко, сделанное в колбе (стекло поглощает ультрафиолет, а кварц пропускает). Ультрафиолетовое излучение выбивает с катода электроны , которые разгоняются напряжением и летят на анод. Включённый в цепь миллиамперметр регистрирует электрический ток. Этот ток называется фототоком, а выбитые электроны, его создающие, называются фотоэлектронами.

В опытах Столетова можно независимо варьировать три величины: анодное напряжение, интенсивность света и его частоту.

к оглавлению ▴

Зависимость фототока от напряжения

Меняя величину и знак анодного напряжения, можно проследить, как меняется фототок. График этой зависимости, называемый характеристикой фотоэлемента, представлен на рис. 2.

Рис. 2. Характеристика фотоэлемента

Давайте обсудим ход полученной кривой. Прежде всего заметим, что электроны вылетают из катода с различными скоростями и в разных направлениях; максимальную скорость, которую имеют фотоэлектроны в условиях опыта, обозначим .

Если напряжение отрицательно и велико по модулю, то фототок отсутствует. Это легко понять: электрическое поле, действующее на электроны со стороны катода и анода, является тормозящим (на катоде «плюс», на аноде «минус») и обладает столь большой величиной, что электроны не в состоянии долететь до анода. Начального запаса кинетической энергии не хватает — электроны теряют свою скорость на подступах к аноду и разворачиваются обратно на катод. Максимальная кинетическая энергия вылетевших электронов оказывается меньше, чем модуль работы поля при перемещении электрона с катода на анод:

$frac{displaystyle mv^2}{displaystyle 2 vphantom{1^a}} < eU.$

Здесь $m = 9,1 cdot 10^{-31}$ кг — масса электрона, $e = -1,6 cdot 10^{-19}$ Кл — его заряд.

Будем постепенно увеличивать напряжение, т.е. двигаться слева направо вдоль оси из далёких отрицательных значений.

Поначалу тока по-прежнему нет, но точка разворота электронов становится всё ближе к аноду. Наконец, при достижении напряжения U_3 , которое называется задерживающим напряжением, электроны разворачиваются назад в момент достижения анода (иначе говоря, электроны прибывают на анод с нулевой скоростью). Имеем:

$frac{displaystyle mv^2}{displaystyle 2 vphantom{1^a}} < eU_3.$ (1)

Таким образом, величина задерживающего напряжения позволяет определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов.

При небольшом превышении задерживающего напряжения появляется слабый фототок. Его формируют электроны, вылетевшие с максимальной кинетической энергией почти точно вдоль оси колбы (т.е. почти перпендикулярно катоду): теперь электронам хватает этой энергии, чтобы добраться до анода с ненулевой скоростью и замкнуть цепь. Остальные электроны, которые имеют меньшие скорости или полетели в сторону от анода, на анод не попадают.

При повышении напряжения фототок увеличивается. Анода достигает большее количество электронов, вылетающих из катода под всё большими углами к оси колбы. Обратите внимание, что фототок присутствует при нулевом напряжении!

Когда напряжение выходит в область положительных значений, фототок продолжает возрастать. Оно и понятно: электрическое поле теперь разгоняет электроны, поэтому всё большее их число получают шанс оказаться на аноде. Однако достигают анода пока ещё не все фотоэлектроны. Например, электрон, вылетевший с максимальной скоростью перпендикулярно оси колбы (т.е. вдоль катода), хоть и развернётся полем в нужном направлении, но не настолько сильно, чтобы попасть на анод.

Наконец, при достаточно больших положительных значениях напряжения ток достигает своей предельной величины I_H , называемой током насыщения, и дальше возрастать перестаёт.

Почему? Дело в том, что напряжение, ускоряющее электроны, становится настолько велико, что анод захватывает вообще все электроны, выбитые из катода — в каком бы направлении и с какими бы скоростями они не начинали движение. Стало быть, дальнейших возможностей увеличиваться у фототока попросту нет — ресурс, так сказать, исчерпан.

к оглавлению ▴

Законы фотоэффекта

Величина I_H тока насыщения — это, по существу, количество электронов, выбиваемых из катода за одну секунду. Будем менять интенсивность света, не трогая частоту. Опыт показывает, что ток насыщения меняется пропорционально интенсивности света.

Первый закон фотоэффекта. Число электронов, выбиваемых из катода за секунду, пропорционально интенсивности падающего на катод излучения (при его неизменной частоте).

Ничего неожиданного в этом нет: чем больше энергии несёт излучение, тем ощутимее наблюдаемый результат. Загадки начинаются дальше.

А именно, будем изучать зависимость максимальной кинетической энергии фотоэлектронов от частоты и интенсивности падающего света. Сделать это несложно: ведь в силу формулы (1) нахождение максимальной кинетической энергии выбитых электронов фактически сводится к измерению задерживающего напряжения.

Сначала меняем частоту излучения при фиксированной интенсивности. Получается такой график (рис. 3):

Рис. 3. Зависимость энергии фотоэлектронов от частоты света

Как видим, существует некоторая частота nu_0 , называемая красной границей фотоэффекта, разделяющая две принципиально разные области графика. Если , то фотоэффекта нет.

Если же , то максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно растёт с частотой.

Теперь, наоборот, фиксируем частоту и меняем интенсивность света. Если при этом , то фотоэффект не возникает, какова бы ни была интенсивность! Не менее удивительный факт обнаруживается и при : максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов от интенсивности света не зависит.

Все эти факты нашли отражение во втором и третьем законах фотоэффекта.

Второй закон фотоэффекта. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.

Третий закон фотоэффекта. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта — наименьшая частота света , при которой фотоэффект ещё возможен. При фотоэффект не наблюдается ни при какой интенсивности света.

к оглавлению ▴

Трудности классического объяснения фотоэффекта

Как можно было бы объяснить фотоэффект с точки зрения классической электродинамики и волновых представлений о свете?

Известно, что для вырывания электрона из вещества требуется сообщить ему некоторую энергию , называемую работой выхода электрона. В случае свободного электрона в металле это работа по преодолению поля положительных ионов кристаллической решётки, удерживающего электрон на границе металла. В случае электрона, находящегося в атоме, работа выхода есть работа по разрыву связи электрона с ядром.

В переменном электрическом поле световой волны электрон начинает совершать колебания.

И если энергия колебаний превысит работу выхода, то электрон будет вырван из вещества.

Однако в рамках таких представлений невозможно понять второй и третий законы фотоэффекта. Действительно, почему кинетическая энергия выбитых электронов не зависит от интенсивности излучения? Ведь чем больше интенсивность, тем больше напряжённость электрического поля в электромагнитной волне, тем больше сила, действующая на электрон, тем больше энергия его колебаний и с тем большей кинетической энергией электрон вылетит из катода. Логично? Логично. Но эксперимент показывает иное.

Далее, откуда берётся красная граница фотоэффекта? Чем «провинились» низкие частоты? Казалось бы, с ростом интенсивности света растёт и сила, действующая на электроны; поэтому даже при низкой частоте света электрон рано или поздно будет вырван из вещества — когда интенсивность достигнет достаточно большого значения. Однако красная граница ставит жёсткий запрет на вылет электронов при низких частотах падающего излучения.

Кроме того, неясна безынерционность фотоэффекта. Именно, при освещении катода излучением сколь угодно слабой интенсивности (с частотой выше красной границы) фотоэффект начинается мгновенно — в момент включения освещения. Между тем, казалось бы, электронам требуется некоторое время для «расшатывания» связей, удерживающих их в веществе, и это время «раскачки» должно быть тем больше, чем слабее падающий свет. Аналогия такая: чем слабее вы толкаете качели, тем дольше придётся их раскачивать до заданной амплитуды.

Выглядит опять-таки логично, но опыт — единственный критерий истины в физике! — этим доводам противоречит.

Так на рубеже XIX и XX столетий в физике возникла тупиковая ситуация: электродинамика, предсказавшая существование электромагнитных волн и великолепно работающая в диапазоне радиоволн, отказалась объяснять явление фотоэффекта.

Выход из этого тупика был найден Альбертом Эйнштейном в 1905 году. Он нашёл простое уравнение, описывающее фотоэффект. Все три закона фотоэффекта оказались следствиями уравнения Эйнштейна.

Главная заслуга Эйнштейна состояла в отказе от попыток истолковать фотоэффект с позиций классической электродинамики. Эйнштейн привлёк к делу смелую гипотезу о квантах, высказанную Максом Планком пятью годами ранее.

к оглавлению ▴

Гипотеза Планка о квантах

Классическая электродинамика отказалась работать не только в области фотоэффекта. Она также дала серьёзный сбой, когда её попытались использовать для описания излучения нагретого тела (так называемого теплового излучения).

Суть проблемы состояла в том, что простая и естественная электродинамическая модель теплового излучения приводила к бессмысленному выводу: любое нагретое тело, непрерывно излучая, должно постепенно потерять всю свою энергию и остыть до абсолютного нуля. Как мы прекрасно знаем, ничего подобного не наблюдается.

В ходе решения этой проблемы Макс Планк высказал свою знаменитую гипотезу.

Гипотеза о квантах. Электромагнитная энергия излучается и поглощается не непрерывно, а отдельными неделимыми порциями — квантами. Энергия кванта пропорциональна частоте излучения:

(2)

Cоотношение (2) называется формулой Планка, а коэффициент пропорциональности — постоянной Планка.

Принятие этой гипотезы позволило Планку построить теорию теплового излучения, прекрасно согласующуюся с экспериментом. Располагая известными из опыта спектрами теплового излучения, Планк вычислил значение своей постоянной:

$h = 6,63 cdot 10^{-34}$ Дж·с. (3)

Успешность гипотезы Планка наводила на мысль, что законы классической физики неприменимы к малым частицам вроде атомов или электронов, а также к явлениям взаимодействия света и вещества. Подтверждением данной мысли как раз и послужило явление фотоэффекта.

к оглавлению ▴

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

Гипотеза Планка говорила о дискретности излучения и поглощения электромагнитных волн, то есть о прерывистом характере взаимодействия света с веществом. При этом Планк считал, что распространение света — это непрерывный процесс, происходящий в полном соответствии с законами классической электродинамики.

Эйнштейн пошёл ещё дальше: он предположил, что свет в принципе обладает прерывистой структурой: не только излучение и поглощение, но также и распространение света происходит отдельными порциями — квантами, обладающими энергией .

Планк рассматривал свою гипотезу лишь как математический трюк и не решился опровергнуть электродинамику применительно к микромиру. Физической реальностью кванты стали благодаря Эйнштейну.

Кванты электромагнитного излучения (в частности, кванты света) стали впоследствии называться фотонами. Таким образом, свет состоит из особых частиц — фотонов, движущихся в вакууме со скоростью .

Каждый фотон монохроматического света, имеющего частоту , несёт энергию h nu .

Фотоны могут обмениваться энергией и импульсом с частицами вещества (об импульсе фотона речь пойдёт в следующем листке); в таком случае мы говорим о столкновении фотона и частицы. В частности, происходит столкновение фотонов с электронами металла катода.

Поглощение света — это поглощение фотонов, то есть неупругое столкновение фотонов с частицами (атомами, электронами). Поглощаясь при столкновении с электроном, фотон передаёт ему свою энергию. В результате электрон получает кинетическую энергию мгновенно, а не постепенно, и именно этим объясняется безынерционность фотоэффекта.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта есть не что иное, как закон сохранения энергии. На что идёт энергия фотона ? при его неупругом столкновении с электроном? Она расходуется на совершение работы выхода по извлечению электрона из вещества и на придание электрону кинетической энергии mv^2/2 :

$h nu = A + frac{displaystyle mv^2}{displaystyle 2 vphantom{1^a}}.$ (4)

Слагаемое mv^2/2 оказывается максимальной кинетической энергией фотоэлектронов. Почему максимальной? Этот вопрос требует небольшого пояснения.

Электроны в металле могут быть свободными и связанными. Свободные электроны «гуляют» по всему металлу, связанные электроны «сидят» внутри своих атомов. Кроме того, электрон может находиться как вблизи поверхности металла, так и в его глубине.

Ясно, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона получится в том случае, когда фотон попадёт на свободный электрон в поверхностном слое металла — тогда для выбивания электрона достаточно одной лишь работы выхода.

Во всех других случаях придётся затрачивать дополнительную энергию — на вырывание связанного электрона из атома или на «протаскивание» глубинного электрона к поверхности.

Эти лишние затраты приведут к тому, что кинетическая энергия вылетевшего электрона окажется меньше.

Замечательное по простоте и физической ясности уравнение (4) содержит в себе всю теорию фотоэффекта. Давайте посмотрим, какое объяснение получают законы фотоэффекта с точки зрения уравнения Эйнштейна.

1. Число выбиваемых электронов пропорционально числу поглощённых фотонов. С увеличением интенсивности света количество фотонов, падающих на катод за секунду, возрастает.

Стало быть, пропорционально возрастает число поглощённых фотонов и, соответственно, число выбитых за секунду электронов.

2. Выразим из формулы (4) кинетическую энергию:

$frac{displaystyle mv^2}{displaystyle 2 vphantom{1^a}} = h nu - A.$

Действительно, кинетическая энергия выбитых электронов линейно растёт с частотой и не зависит от интенсивности света.

Зависимость кинетической энергии от частоты имеет вид уравнения прямой, проходящей через точку (A/h,0) . Этим полностью объясняется ход графика на рис. 3.

3. Для того, чтобы начался фотоэффект, энергии фотона должно хватить как минимум на совершение работы выхода: . Наименьшая частота nu_0 , определяемая равенством

как раз и будет красной границей фотоэффекта. Как видим, красная граница фотоэффекта определяется только работой выхода, т.е. зависит лишь от вещества облучаемой поверхности катода.

Если , то фотоэффекта не будет — сколько бы фотонов за секунду не падало на катод. Следовательно, интенсивность света роли не играет; главное — хватает ли отдельному фотону энергии, чтобы выбить электрон.

Уравнение Эйнштейна (4) даёт возможность экспериментального нахождения постоянной Планка. Для этого надо предварительно определить частоту излучения и работу выхода материала катода, а также измерить кинетическую энергию фотоэлектронов.

В ходе таких опытов было получено значение , в точности совпадающее с (3). Такое совпадение результатов двух независимых экспериментов — на основе спектров теплового излучения и уравнения Эйнштейна для фотоэффекта — означало, что обнаружены совершенно новые «правила игры», по которым происходит взаимодействие света и вещества. В этой области классическая физика в лице механики Ньютона и электродинамики Максвелла уступает место квантовой физике — теории микромира, построение которой продолжается и сегодня.

Это была необходимая теория. Разберем задачи ЕГЭ по теме «Фотоэффект».

Задача 1. Поток фотонов с энергией 10 эВ выбивает из металла электроны. Какова максимальная кинетическая энергия электронов, если работа выхода электронов с поверхности данного металла равна 6 эВ?

Решение:

Eф = Авых + Ек.

Eк = Eф — Авых = 10 – 6 = 4 эВ.

Ответ: 4.

Задача 2. Когда на металлическую пластину падает электромагнитное излучение с длиной волны lambda , максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов равна 4,5 эВ. Если длина волны падающего излучения равна 2lambda ,то максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов равна 1 эВ. Чему равна работа выхода электронов из металла?

Решение:

Запишем уравнение фотоэффекта для двух случаев:

Домножим второе уравнение на 2 и вычтем из первого уравнения второе:

_________________________________

Ответ: 2,5.

Задача 3. Красная граница фотоэффекта исследуемого металла соответствует длине волны $lambda _{kp}=600$ нм. Какова длина волны света, выбивающего из него фотоэлектроны, максимальная кинетическая энергия которых в 2 раза меньше работы выхода?

Решение:

По условию задачи,

Подставим это в уравнение фотоэффекта:

Ответ: 400.

Задача 4. Фотоны с энергией 2,1 эВ вызывают фотоэффект с поверхности цезия, для которого работа выхода равна 1,9 эВ. На сколько нужно уменьшить энергию фотона, чтобы максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшилась в 2 раза?

Решение:

Запишем два уравнения фотоэффекта для двух случаев и учтём, что по условию задачи

Тогда получаем:

Из первого уравнения получаем, что

Тогда из второго уравнения получаем, что

Значит энергию падающих фотонов нужно уменьшить на

Ответ: 0,1.

Задача 5. Работа выхода электронов из металла равна $1,6cdot 10^{-19}$ Дж. Задерживающая разность потенциалов для фотоэлектронов, вылетевших с поверхности этого металла под действием излучения с некоторой длиной волны lambda , равна 3 В. Чему будет равна задерживающая разность потенциалов для фотоэлектронов в случае длины волны излучения 2lambda ?

Решение:

Переведём работу выхода в электронвольты:

Теперь из уравнения фотоэффекта найдём энергию фотонов в первом случае:

Если длину волны увеличить в 2 раза, то энергия фотона уменьшится тоже в 2 раза, так как энергия фотона обратно пропорциональна длине волны. Тогда во втором случае энергия фотона будет равна:

Тогда:

Ответ: 1.

Спасибо за то, что пользуйтесь нашими материалами.
Информация на странице «Фотоэффект» подготовлена нашими авторами специально, чтобы помочь вам в освоении предмета и подготовке к ЕГЭ и ОГЭ.
Чтобы успешно сдать необходимые и поступить в ВУЗ или колледж нужно использовать все инструменты: учеба, контрольные, олимпиады, онлайн-лекции, видеоуроки, сборники заданий.
Также вы можете воспользоваться другими материалами из разделов нашего сайта.

Публикация обновлена:
09.03.2023

Источник

Слайд 1

ФОТОЭФФЕКТ решение задач части 2 © ГБОУ СОШ № 591 Невского района Санкт-Петербурга Учитель: Григорьева Л.Н.

Слайд 3

Задача (М, Б. Демидова, В. А. Грибов, А. И. Гиголо ; 1000 задач с ответами и решениями. Физика., М., «Экзамен», 2020) № 17, стр. 222 Металлическую пластину освещают монохроматическим светом с длиной волны Каков максимальный импульс фотоэлектронов, если работа выхода электронов из данного металла Дж?

Слайд 4

Дано: м Дж Дж · с кг Решение 1) Максимальный импульс фотоэлектронов определяется их максимальной скоростью : 2) Запишем уравнение Эйнштейна для фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов 3) Выразим скорость: 4 ) Максимальный импульс будет равен: справочные данные

Слайд 5

Подставим значения величин: Ответ:

Слайд 6

Задача (М, Б. Демидова, В. А. Грибов, А. И. Гиголо ; 1000 задач с ответами и решениями. Физика., М., «Экзамен», 2020) № 20, стр. 222 При увеличении в 2 раза частоты света, падающего на поверхность металла, запирающее напряжение для фотоэлектронов увеличилось в 3 раза. Первоначальная частота падающего света была равна Гц. Какова длина волны, соответствующая «красной границе» фотоэффекта для этого металла?

Слайд 7

Дано: м/с Решение Запишем уравнение для фотоэффекта: Кинетическая энергия фотоэлектронов определяет запирающее напряжение: При изменение частоты падающего света «красная граница» фотоэффекта ( ) не изменяется. Поэтому для ситуации в задаче можно записать: e

Слайд 8

Решим систему полученных уравнений: разделим первое уравнение на второе Подставим значения величин: м Ответ : м

Слайд 9

Задача (М, Б. Демидова, В. А. Грибов, А. И. Гиголо ; 1000 задач с ответами и решениями. Физика., М., «Экзамен», 2020) № 24, стр. 223 Фотокатод облучают светом с длиной волны . Красная граница фотоэффекта для вещества фотокатода . Какое напряжение нужно создать между анодом и катодом, чтобы фототок прекратился?

Слайд 10

Дано: Кл Решение U : , Подставим значения величин: Ответ:

Слайд 11

Задача (М, Б. Демидова, В. А. Грибов, А. И. Гиголо ; 1000 задач с ответами и решениями. Физика., М., «Экзамен», 2020) № 32 , стр. 225 При облучении металлической пластинки квантами света с энергией 3 эВ из нее выбиваются электроны, которые проходят ускоряющую разность потенциалов Какова работа выхода , если максимальная энергия ускоренных электронов равна удвоенной энергии фотонов, выбивающих их из металла?

Слайд 12

Дано: Дж Кл Решение: Энергия падающих квантов, полученная электроном: Пройдя ускоряющую разность потенциалов в электрическом поле между катодом и анодом, электрон приобретает энергию Эта энергия равна сумме кинетической энергии электрона, полученной от фотона и потенциальной энергии , приобретенной после прохождения ускоряющей разности потенциалов: = по условию =

Слайд 13

Составим систему уравнений и решим ее: = 4) Вычисления : Дж Ответ: Дж

Слайд 14

Задача (М, Б. Демидова, В. А. Грибов, А. И. Гиголо ; 1000 задач с ответами и решениями. Физика., М., «Экзамен», 2020) № 3 5 , стр. 226 Фотокатод с работой выхода Дж освещается светом. Вылетевшие из катода электроны попадают в однородное магнитное поле с индукцией Тл перпендикулярно линиям индукции этого поля и движутся по окружностям. Максимальный радиус такой окружности 2 см. какова частота падающего света?

Слайд 15

Дано: Тл м Дж ·с кг Кл Решение По уравнению фотоэффекта: Скорость электронов, вылетевших из катода: В магнитном поле на движущийся электрон действует сила Лоренца: По второму закону Ньютона: , Объединим выражения для силы Лоренца:

Слайд 16

Выразим скорость электрона : Приравняем выражения для скорости: Возведем в квадрат левую и правую части полученного уравнения: Решим уравнение относительно : + Гц Ответ: Гц

Слайд 17

Задача (М, Б. Демидова, В. А. Грибов, А. И. Гиголо ; 1000 задач с ответами и решениями. Физика., М., «Экзамен», 2020) № 42 , стр. 227 Для разгона космических аппаратов и коррекции их орбит предложено использовать солнечный парус – скрепленный с аппаратом легкий экран большой площади из тонкой пленки, которая зеркально отражает солнечный свет. Какой должна быть площадь паруса S , чтобы аппарат массой 500 кг (включая массу паруса) имел ускорение ? Мощность W солнечного излучения, падающего на 1 м² поверхности, перпендикулярной солнечным лучам, составляет 1370 Вт/м².

Слайд 18

Дано: Решение По второму закону Ньютона сила, действующая на солнечный парус: При зеркальном отражении фотонов солнечного света происходит изменение их импульса: и — изменение импульса фотона и энергия фотона соответственно 3) ,

Слайд 19

Объединяем полученные уравнения: , отсюда Подставим значения величин: Ответ:

Источник

Задачи на фотоэффект: определение красной границы, работы выхода, массы фотона.

Задача 1.

Красная граница фотоэффекта для натрия нм. Найти работу выхода электрона из натрия.

Работа выхода (Дж) определяется формулой:

Выражая в эВ, получим

Ответ: Дж, или 2,27 эВ.

Задача 2.

Какова наименьшая частота света, при которой еще наблюдается фотоэффект, если работа выхода электрона из металла Дж?

Из формулы предыдущей задачи имеем:

Ответ: длина волны 600 нм, частота Гц.

Задача 3.

Вычислить длину волны красной границы фотоэффекта для серебра. 19.62.

Работа выхода для серебра равна Дж. Тогда длина волны равна

Ответ: м, или 300 нм.

Задача 4.

Красная граница фотоэффекта для некоторого металла . Чему равно минимальное значение энергии фотона, вызывающего фотоэффект?

Минимальная энергия фотона – такая, что вызывает выход электрона из металла, но на сообщение электрону кинетической энергии ее уже не хватает. Поэтому

В электронвольтах это

Ответ: Дж, или 4,5 эВ.

Задача 5.

Будет ли наблюдаться фотоэффект, если работа выхода электрона из металла Дж, а свет имеет длину волны м?

Сравним работу выхода и минимальную энергию фотона. Если окажется, что работа выхода больше энергии фотона, то фотоэффект не будет происходить.

Так как , то фотоэффект будет наблюдаться.

Задача 6.

Красная граница фотоэффекта для некоторого металла . Какова масса фотона, вызывающего фотоэффект?

Ответ: кг.

Задача 7.

Для некоторого металла красная граница фотоэффекта Гц. Определить работу выхода электрона из этого металла.

В электронвольтах это

Ответ: Дж, или 1,78 эВ.

Источник

Решение задач на использование законов фотоэффекта (подготовка к ЕГЭ)

Кучерявенко Владимир Николаевич

учитель физики МКОУ «Нижнесмородинская средняя общеобразовательная школа»

Поныровского района Курской области

Цель занятия: — повторить законы фотоэффекта и уравнение Эйнштейна для фотоэффекта; — познакомиться с различными типами задач по фотоэффекту; — подробно разобрать решение различных по уровню сложности экзаменационных задач, соответствующих демоверсии КИМ ЕГЭ по физике 2020 года.

План занятия:

1. Повторение законов фотоэффекта и уравнения Эйнштейна.

2. Применение полученных знаний на практике:

решение качественных и графических задач на использование законов фотоэффекта;
решение расчётных задач на применение уравнения фотоэффекта;
решение комбинированных задач.

Фотоэффект

Фотоэффектом называется явление выбивания электронов из вещества под действием света.

Первый закон фотоэффекта

Количество фотоэлектронов, выбиваемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны.

ν 1 = ν 2

Второй закон фотоэффекта:

Кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света не зависит от интенсивности падающего света.

Третий закон фотоэффекта

Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. существует наименьшая частота  min , ниже которой фотоэффект не возможен .

Уравнение Эйнштейна

hν = A +

Энергия фотона расходуется на:

совершение работы выхода электрона с поверхности металла

сообщение электрону кинетической энергии

Типы задач на фотоэффект

1) Качественные задачи на применение законов фотоэффекта;

2) Качественные графические задачи;

3) Расчётные задачи с использованием уравнения Эйнштейна;

4) Комбинированные расчётные задачи.

Решение качественных задач на применение законов фотоэффекта

Задача 1 (базовый уровень)

При увеличением интенсивности света, падающего на фотокатод

уменьшается максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов
увеличивается число фотоэлектронов
увеличивается скорость фотоэлектронов
увеличивается работа выхода электронов

Решение. По ‌ I закону фотоэффекта увеличение интенсивности света приводит к увеличению числа фотоэлектронов.

Правильный ответ: 2

Задача 2 (базовый уровень)

При изучении фотоэффекта увеличили частоту излучения без изменения светового потока. При этом…

Увеличилось количество вылетающих из металла электронов
Увеличилась скорость вылетающих электронов
Увеличилась сила фототока насыщения
Увеличилась работа выхода электронов из металла

Решение. Согласно II закону фотоэффекта при увеличении частоты света увеличится линейно связанная с частотой кинетическая энергия, соответственно и скорость.

Правильный ответ: 2

Задача 3 (базовый уровень)

При фотоэффекте с увеличением длины волны падающего света работа выхода фотоэлектронов

уменьшается
увеличивается
не изменяется
увеличивается или уменьшается в зависимости от кинетической энергии фотоэлектронов

Решение. Согласно II ‌ I ‌ закону фотоэффекта, каждому веществу соответствует своя красная граница фотоэффекта. Следовательно, при увеличении длины волны, работа выхода не изменяется.

Правильный ответ: 3

Задача 4 (повышенный уровень)

Металлическую пластину освещали монохроматическим светом с длиной

волны λ=500 нм одинаковой интенсивности. Что происходит с частотой

падающего света, импульсом фотонов и кинетической энергией вылетающих

электронов при освещении этой пластины монохроматическим светом с

длиной волны λ=700нм? К каждому элементу первого столбца подберите

соответствующий элемент из второго и внесите строку ответов выбранные

цифры под соответствующими буквами.

Физические величины Характер изменений

А. частота падающего излучения 1) увеличивается

Б. импульс фотонов 2) уменьшается

В. кинетическая энергия вылетающих 3) не изменяется

электронов

Решение задачи на следующем слайде

Задача 4 (решение)

А . Частота падающего света уменьшается, т.к.

ν = с/λ

Б. Импульс фотонов уменьшается, т.к. p = h/λ

В. Кинетическая энергия вылетающих электронов уменьшается, т.к. Е кин = – А

Правильный ответ:

Решение качественных графических задач на применение законов фотоэффекта

Задача 5 (базовый уровень)

На рисунке представлен график

зависимости максимальной

кинетической энергии фотоэлектронов от

частоты фотонов, падающих на

поверхность катода. Какова работа выхода

электрона с поверхности катода?

1 эВ
1,5 эВ
2 эВ
3,5 эВ

Решение. По ‌ уравнению Эйнштейна для фотоэффекта

hν = A + кин По графику находим, что при частоте равной 0,

кин = -1,5 эВ Тогда А= — Е кин =-(-1,5 эВ)=1,5 эВ

Правильный ответ: 2

Задача 6 (базовый уровень)

Слой оксида кальция облучается светом и испускает электроны. На рисунке показан график изменения максимальной энергии фотоэлектронов в зависимости от частоты падающего света. Какова работа выхода фотоэлектронов из

оксида кальция?

1) 0,7 эВ

2) 1,4 эВ

3) 2,1 эВ

4) 2,8 эВ

Решение. По ‌ графику определим численное значение ν min =0,510 15 Гц

По формуле для работы выхода А=hν min = 6,6210 –34 *0,510 15 =

=3,3110 -19 Дж 2,1 эВ

Правильный ответ: 3

Задача 7 (базовый уровень)

На рисунке представлен график зависимости

силы фототока в фотоэлементе от приложенного к нему

напряжения. В случае увеличения интенсивности

падающего света той же частоты график изменится. На

каком из приведенных ниже графиков правильно

показано изменение графика?

Решение. Запишем уравнение Эйнштейна для фотоэффекта через задерживающее напряжение : hν = A + eU з

так как задерживающее напряжение не меняется , а увеличение

интенсивности приводит к увеличению числа электронов, то график

будет сдвигаться вверх.

Правильный ответ: 2

Решение расчётных задач с использованием уравнения Эйнштейна.

Е ф = А вых + Е кин ,

где Е ф = h ν , А вых = hν = , кин = .

Е ф = А вых + e U з , Е кин =еU з

Задача 8(повышенный уровень) Поток фотонов выбивает из металла фотоэлектроны, максимальная кинетическая энергия которых 10 эВ. Энергия фотонов в 3 раза больше работы выхода фотоэлектронов. Какова энергия фотонов?

Дано:

Решение:

Е кин = 10 эВ

Согласно уравнению Эйнштейна для фотоэффекта Е ф = А вых + Е кин

Е ф = 3А вых

Т.к. Е ф = 3А вых , то А вых = , тогда имеем Е ф = + Е кин

_____________

Решаем уравнение относительно Е ф

Е ф -?

Е ф = Е кин = 15 эВ

Ответ: 15 эВ.

Задача 9(повышенный уровень) Фотокатод освещается монохроматическим светом , энергия которого равна 4эВ. Чему равна работа выхода материала катода, если задерживающее напряжение равно 1,5 В?

Дано:

Е ф= 4 эВ=6,410 -19 Дж

Uз= 1,5 В

e =1,610 -19 Кл

____________

А вых -?

Решение:

Согласно уравнению Эйнштейна для фотоэффекта Е ф = А вых + Е кин . Т.к. Е кин =еU з , то Е ф = А вых + еU з .

Выразим работу выхода

А вых = Е ф — еU з

Вычислим:

А вых = 6,410 -19 — 1,610 -19 *1,5 = 410 -19 (Дж)

Ответ: 410 -19 Дж

Задача 10(повышенный уровень) Металлическую пластину освещают монохроматическим светом с длиной волны λ= 531 нм. Какова максимальная скорость фотоэлектронов, если работа выхода электронов из данного металла А вых = 1,2 эВ.

Решение:

Согласно уравнению Эйнштейна для фотоэффекта h ν = A вых +

Отсюда выразим скорость . Подставим и получим ответ : 6,310 5 м/с

Дано:

=531 нм=5,3110 -7 м

А вых =1,2эВ =1,9210 -19 Дж

m e =9,110 -31 кг

h=6,6210 –34 Джс

с= 310 8 м/с

________________

— ?

Решение комбинированных расчётных задач с использованием уравнения Эйнштейна.

Задача 11(высокий уровень) Фотоны, имеющие энергию 5 эВ, выбивают электроны с поверхности металла. Работа выхода электронов из металла равна 4,7 эВ. Какой импульс приобретает электрон при вылете с поверхности металла?

Решение:

Согласно уравнению Эйнштейна для фотоэффекта hν= А + Е кин

Кинетическая энергия

фотоэлектронов

Следовательно, решая совместно уравнения получим:

Вычислим: р= 310 -25 кгм/с

Дано:

hν = 5 эВ=810 -19 Дж

А = 4,7 эВ=

=7,5210 -19 Дж

m e =9,110 -31 кг

_______________

p — ?

Задача 12(высокий уровень) Фотокатод, покрытый кальцием (работа выхода 4,42  10 –19 Дж), освещается светом с длиной волны 300 нм. Вылетевшие из катода электроны попадают в однородное магнитное поле с индукцией 8,3  10 –4 Тл перпендикулярно линиям индукции этого поля. Каков максимальный радиус окружности, по которой движутся электроны?

Дано:

РЕШЕНИЕ:

Электрон в магнитном поле движется по окружности с ускорением a= . Вызвано силой Лоренца F=eB и в соответствии со 2-м законом Ньютона ma=F, тогда = . Решая систему уравнений , окончательно получим R=. Ответ: 4,710 -3 м

А= 4,42  10 –19 Дж

=300 нм=

= 310 -7 м

В= 8,3  10 –4 Тл

h=6,62 10 –34 Джс

с= 310 8 м/с

m e =9,110 -31 кг

_________________

R — ?

Задача 13(высокий уровень) Металлическая пластина облучается светом частотой 1,610 15 Гц. Вылетающие из пластины фотоэлектроны попадают в однородное электрическое поле напряжённостью 130 В/м, причём вектор напряжённости поля Е направлен к пластине перпендикулярно её поверхности. Определите работу выхода электронов из данного металла, если на расстоянии 10 см от пластины максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов равна 15,9 эВ.

Решение: Согласно уравнению Эйнштейна для фотоэффекта hν = A (1) . В электрическом поле на электрон действует сила, направленная противоположно вектору напряжённости, поэтому фотоэлектроны будут ускорятся и на расстоянии L их максимальная кинетическая энергия равна Ԑ= + еU (2). Т.к. поле однородно и напряжённость перпендикулярна пластине, то U=EL (3) . Решая систему уравнений (1), (2) и (3), находим hν= A + Ԑ — eEL . Отсюда A= hν — Ԑ + eEL =(6,62 10 –34 1,610 15 )/ 1,610 -19 -15,9 + 130= 3,7 эВ

Ответ: 3,7 эВ

Дано:

ν= 1,610 15 Гц

Е= 130 В/м

Ԑ= 15,9 эВ

L= 10 см=0,1 м

h=6,62 10 –34 Джс

______________

А — ?

Задача 14(высокий уровень) В вакууме находится два кальциевых электрода, к которым подключён конденсатор ёмкостью 4000 пФ. При длительном освещении катода светом фототок между электродами, возникающий в начале прекращается, а на конденсаторе появляется заряд 5,5 10 –9 Кл. «Красная граница» фотоэффекта для кальция λ max =450 нм. Определите частоту световой волны, освещающий катод. Ёмкостью системы электродов пренебречь.

Решение: Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта: hν = A Е к . Работа выхода A= . Фототок прекращается, когда Е к =eU , где U – напряжение на конденсаторе. Заряд конденсатора

Дано:

С=4000 пФ= 410 –9 Ф

q= CU . В результате получаем:

q= 5,5 10 –9 Кл

ν= + . Подставив данные, получим 10 15 Гц. Ответ: ν 10 15 Гц

λ max =450 нм=4,510 –9 м

h=6,62 10 –34 Джс

с= 310 8 м/с

________________

ν — ?

Задача 15(высокий уровень) Электроны, вылетающие в положительном направлении оси Ох под действием света с катода фотоэлемента, попадают в электрическое и магнитное поля (см. рисунок). Какой должна быть частота падающего света ν, чтобы в момент попадания самых быстрых электронов в область полей действующая на них сила была направлена против оси Оу? Работа выхода для вещества катода 2,39 эВ, напряжённость электрического поля 310 2 В/м, индукция магнитного поля 10 -3 Тл. Оси Ох, Оу и Оz взаимно перпендикулярны.

F л или Е В (3). Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта определяет максимальную скорость фотоэлектрона: Е= 310 2 В/м hν = A вых + (4). Из (1) – (4) получаем: В= 10 -3 Тл ν Ответ: ν m e =9,110 -31 кг h=6,62 10 –34 Джс _______________ ν — ? » width=»640″

Решение задачи №15

Дано:

Решение: Модуль силы, действующей на электрон со стороны электр. поля Е, не зависит от скорости: F э = еЕ (1) , а модуль силы Лоренца прямо пропорционален скорости электрона: F л = е В (2). Чтобы электроны отклонялись в сторону, противоположную оси Оу, должно быть

А= 2,39 эВ= 3,824  10 –19 Дж

F э F л или Е В (3). Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта определяет максимальную скорость фотоэлектрона:

Е= 310 2 В/м

hν = A вых + (4). Из (1) – (4) получаем:

В= 10 -3 Тл

Ответ: ν

m e =9,110 -31 кг

h=6,62 10 –34 Джс

_______________

ν — ?

Домашнее задание

ФИПИ. Открытый банк заданий ЕГЭ физика: http:// 85.142.162.119/os11/xmodules/qprint/index.php?proj=BA1F39653304A5B041B656915DC36B38

Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов. Интерактивные задачи по физике: http://school-collection.edu.ru/catalog/rubr/fb011676-b857-2653-941d-4dbaef589fa5/45269/?interface=themcol

Спасибо за внимание

Используемые источники:

ФИПИ. Открытый банк заданий ЕГЭ физика: http:// 85.142.162.119/os11/xmodules/qprint/index.php?proj=BA1F39653304A5B041B656915DC36B38

ЕГЭ. Физика. Типовые экзаменационные варианты. П/р

М.Ю. Демидовой. Национальное образование. Москва.

2016 г.

В.Г. Ильин, Л.А. Микасон, Л.А. Солдатов. Как сдать ЕГЭ по

физике на 100 баллов. Ростов н/Д. Феникс, 2004 г.

Источник

32. Электродинамика. Квантовая физика (расчетная задача)

1. Вспоминай формулы по каждой теме

2. Решай новые задачи каждый день

3. Вдумчиво разбирай решения

Фотоэффект

При падении света на поверхность платины из нее вылетают фотоэлектроны, имеющие скорость (v=2000) км/с. Затем этим же светом начинают облучать атомы водорода, вследствие чего они ионизируются. Какую скорость будут иметь электроны, вылетающие из ионизированных атомов водорода, если работа выхода электрона из платины (A = 5,3) эВ, а энергия ионизации атома водорода (E = 13,6) эВ? Изменением кинетической энергии атомов водорода пренебречь. Ответ дайте в км/с.

Так как скорости относительно скорости света пренебрежительно малы, то можно использовать нерялитивисткие формулы. Пусть энергия фотона, падающего на пластину равна (W). Тогда по уравнению Энштейна: [W=A+E_k=A+dfrac{mv^2}{2},quad (1)] где (E_k) – кинетическая энергия электрона, (m) – масса электрона.
С другой стороны часть от энергии фотона (W) расходуется на ионизацию газа, а остальная часть на кинетическую энергию вылетающего из атому электрона: [W=E+dfrac{mu^2}{2}quad (2)] Объединим (1) и (2). [A+dfrac{mv^2}{2}=E+dfrac{mu^2}{2}Rightarrow u=sqrt{v^2-dfrac{2}{m}(E-A)}] Тогда [u=sqrt{2000^2text{ км/с}-dfrac{2cdot 1,6 cdot 10^{-19}text{ Дж}}{9,1 cdot 10^{-31}text{ кг}}(13,6-5,3)}approx 1000text{ км/с}]

Ответ: 1000

Вылетевший при фотоэффекте с катода электрон попадает в электромагнитное поле как показано на рисунке. Вектор напряжённости электрического поля направлен вертикально вверх. Вектор магнитного поля направлен от наблюдателя. Определите, при каких значениях напряжённости электроны, вылетевшие с максимально возможной скоростью, отклоняются вверх. Частота падающего на катод света (nu=6,2cdot 10^{14}text{ Гц}) Работа выхода (A_{text{ вых}}=2,39) эВ Магнитная индукция поля (B=0,5) Тл. Ответ дайте в кВ/м

“Основная волна 2019”

Электроны заряжены отрицательно, следовательно, сила Кулона (F_k=qE), действуйющая на электроны направлена вниз, сила Лоренца (F_l=qvB) же наоборот направлена вверх, следовательно, чтобы электроны отклонялись вверх должно выполняться неравенство [F_l>F_k Rightarrow qvB>qE Rightarrow E < vB] Максимальную скорость найдем из уравнения Энштейна: [hnu=A_text{ вых}+dfrac{mv^2}{2} Rightarrow v=sqrt{dfrac{2(hnu — A_text{ вых})}{m}}] Откуда произведение (vB): [vB=Bsqrt{dfrac{2(hnu — A_text{ вых})}{m}}=0,5 text{ Тл}sqrt{dfrac{2(6,6cdot 10^{-34}text{ Дж$cdot$ с}cdot 6,2cdot 10^{14}text{ Гц}-2,39cdot 1,6cdot10^{-19}text{ Дж})}{9,1cdot 10^{-31}text{ кг}}}approx 1,2 cdot 10^{5}text{ В/м}] Откуда следует для того чтобы электроны отклонялись вверх, напряжённость должна быть меньше (120 text{ кВ/м})

Ответ: 120

В опыте по изучению фотоэффекта свет частотой (nu=6,1cdot 10^{14}) Гц падает на поверхность катода, в результате чего в цепи возникает ток. График зависимости силы тока (I) от напряжения (U) между анодом и катодом приведён на рисунке. Какова мощность падающего света (Р), если в среднем один из 20 фотонов, падающих на катод, выбивает электрон?

“Демоверсия 2018”

Из графика находим величину тока насыщения, которая равна 2 мА. Ток насыщения соответствует максимальному потоку электронов, которое способно выбивать в единицу времени излучение мощностью
По определению, сила тока — это количество заряда, прошедшего за единицу времени: [I=frac{q}{t}=frac{N_{e}|e|}{t}] Мошность светового потока — это энергия, которую несут фотоны за единицу временн: [P=frac{W}{t}=frac{N_{mathrm{phi}} h v}{t}] Учтём, что однн электрон выбивается каждые 20 фотонов, т. е. ( N_{phi}=20 N_{e} ) : [P=frac{20 N_{e} h v}{t}=frac{20 I_{text{ Н}} h v}{|e|}=frac{20 cdot 2 cdot 10^{-3} cdot 6,6 cdot 10^{-34} cdot 6,1 cdot 10^{14}}{1,6 cdot 10^{-19}} approx 0,1 text{ Вт}]

Ответ: 0,1

В опыте по изучению фотоэффекта монохроматическое излучение мощностью (Р = 0,21) Вт падает на поверхность катода, в результате чего в цепи возникает ток. График зависимости силы тока (I) от напряжения (U) между анодом и катодом приведён на рисунке. Какова частота (nu) падающего света, если в среднем один из 30 фотонов, падающих на катод, выбивает электрон? Ответ дайте поделив на 10(^{14})

“Демоверсия 2021”

По определению, сила тока – это количество заряда, прошедшего за единицу времени: [I=frac{q}{t}=frac{N_{e}|e|}{t}] Когда ток в цепи достигает насыщения, все фотоэлектроны, выбитые из катода, достигают анода. Тогда за время (t) через поперечное сечение проводника проходит заряд [q=N_eet,] где (e) – модуль заряда электрона, (N_e) – количество фотоэлектронов, выбитых из катода за 1 с Мошность светового потока — это энергия, которую несут фотоны за единицу временн: [P=frac{W}{t}=frac{N_{phi} h v}{t}] Сила тока насыщения по графику равна: [I_{max}=2text{ мА}] Учтём, что один электрон выбивается каждые 30 фотонов, т. е. ( N_{phi}=30 N_{e} ) : [nu = dfrac{Pe}{30I_{max}h}=dfrac{0,21text{ Вт}cdot 1,6cdot10^{-19}text{ Кл}}{30cdot 2text{ мА}cdot 6,6 text{ Дж$cdot $с/м}}=8,5cdot 10^{14}text{ Гц}]

Ответ: 8,5

От газоразрядной трубки, заполненной атомарным водородом, на дифракционную решетку нормально ее поверхности падает пучок света. Спектральная линия от перехода электрона в атоме водорода с четвертой на вторую стационарную орбиту наблюдается в (m = 7) порядке спектра дифракционной решетки под углом (varphi = 30^{circ}). Определите период (d) этой дифракционной решетки. Ответ дайте, разделив его на (10^{-8})

Угол (varphi) между нормалью к решетке и направлением на максимум (m)-го порядка дифракционной картины определяется уравнением (dsinvarphi=m lambda .)
Согласно постулатам Бора, при переходе атома с более высокой (n-)й стационарной орбиты на (k-)ю испускается один фотон, частота которого равна [v_{mk}=dfrac{E_i}{h}left(dfrac{1}{n^2}-dfrac{1}{k^2}right)]
По условию задчи (n=4), а (k=2). Объединяя записанные выражения и учитывая, что (lambda=dfrac{c}{v}), получаем окончательно [d=dfrac{mhcn^2k^2}{E_i(n^2-k^2)sinvarphi}approx 6,8cdot 10^{-6}textbf{ м}]

Ответ: 6,8

Фотон с длиной волны, соответствующей красной границе фотоэффекта, выбивает электрон из металлической пластинки (катода), помещенной в сосуд, из которого откачан воздух. Электрон разгоняется однородным электрическим полем напряженностью (E=5cdot 10^{4}text{ В/м}) Какой путь пролетел в этом электрическом поле электрон, если он приобрел скорость (upsilon=3cdot 10^{6}text{ м/с})? Релятивистские эффекты не учитывать.Ответ дайте, разделив его на (10^{-4})

Уравнение Эйнштейна в данном случае будет иметь вид: [dfrac{hc}{lambda_text{кр}}=dfrac{hc}{lambda_text{кр}}+dfrac{mupsilon^2}{2}]
Из чего следует, что начальная скорость вылетевшего электрона (upsilon_0=0)
Формула, связывающая изменение кинетической энергии частицы с работой силы со стороны электрического поля: [A=dfrac{mupsilon^2}{2}]
Работа силы связана с напряженностью поля и пройденным путем: [A=FS=eES]
Отсюда [S=dfrac{Mupsilon^2}{2eE}approx5cdot10^{-4}]

Ответ: 5

При облучении металлической пластинки квантами света с энергией 3 эВ из нее выбиваются электроны, которые проходят ускоряющую разность потенциалов (Delta U=5) В.Какова работа выхода (A_{text{вых}}) если максимальная энергия ускоренных электронов (E_e) равна удвоенной энергии фотонов, выбивающих их из металла?

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта: [hupsilon=A_{text{вых}}+dfrac{mupsilon^2}{2}]
Энергия ускоренных электронов: [E_e=dfrac{mupsilon^2}{2}+eDelta U=hupsilon-A_{text{вых}}+eDelta U]
По условию: [E_e=hnu]
Тогда [A_{text{вых}}=eDelta U-hnu=2text{ эВ}]

Ответ: 2

Курс Глицин. Любовь, друзья, спорт и подготовка к ЕГЭ

Источник