Фотоэффект на егэ по физике

Пройти тестирование по этим заданиям
Вернуться к каталогу заданий

Версия для печати и копирования в MS Word

Пройти тестирование по этим заданиям

Фотоэффект

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:

Здесь кг — масса электрона, 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 , которое называется задерживающим напряжением, электроны разворачиваются назад в момент достижения анода (иначе говоря, электроны прибывают на анод с нулевой скоростью). Имеем:

(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 , 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 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 , 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:

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 .

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 :

(4)

Слагаемое 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:

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 . 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 , 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 , максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов равна 4,5 эВ. Если длина волны падающего излучения равна ,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 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 Дж. Задерживающая разность потенциалов для фотоэлектронов, вылетевших с поверхности этого металла под действием излучения с некоторой длиной волны , равна 3 В. Чему будет равна задерживающая разность потенциалов для фотоэлектронов в случае длины волны излучения ?

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.

МБОУ Лицей №6

Тематическая подборка для подготовки к ЕГЭ

по теме:

 «ФОТОЭФФЕКТ»

                                                                                      
Составила учитель физики

                                                                       Михайлова
И.Г.

г.Воронеж,  2015г.

Тематическая подборка для подготовки к ЕГЭ

по теме: «ФОТОЭФФЕКТ»

Задания с выбором ответа.

А1.Во время фотоэффекта максимальный импульс
электронов, выбиваемых из металла, зависит от импульса фотонов согласно графику

              р_е
                                                        1) 1          2)
2            3) 3         4) 4

      р_ф

А2. Во время фотоэффекта максимальная
кинетическая энергия  фотоэлектронов, выбиваемых из металла, зависит от
импульса фотонов согласно графику                                       1)
1          2) 2            3) 3         4) 4

           Е_е

          р_ф

А3.В опыте Столетова задерживающее напряжение
зависит от импульса фотонов согласно графику                       1)
1          2) 2            3) 3         4)  

         U_з

          р_ф

А4.  Под действием монохроматического света на
металлической пластине идёт фотоэффект, при этом количество выбиваемых
электронов в единицу времени зависит от интенсивности падающего света  согласно
графику 

                          
1)1      2)2     3)3      4)4    

             N       

                     I

А5.  Под действием монохроматического света на
металлической пластине идёт фотоэффект, при этом задерживающее напряжение
зависит от интенсивности падающего света  согласно графику 

                                                                           
1)1        2)2       3)3       4)4                         

           U_з

          I

А6.  Под действием монохроматического света на
металлической пластине идёт фотоэффект, при этом задерживающее напряжение
зависит от интенсивности падающего света  согласно графику 

                                                                          
1)1         2)2         3)3        4)4                          

          I_нас

          I

А7.Во время фотоэффекта зависимость импульса
падающих на металлическую пластину фотонов от максимального импульса выбитых
электронов показана на графике

                                                                       1) 1         
2) 2            3) 3         4) 4

         р_ф

                                                   
    р_е

А8. Во время фотоэффекта максимальная
кинетическая энергия  фотоэлектронов, выбиваемых из металла, зависит от частоты
падающего излучения согласно графику                            1) 1         
2) 2            3) 3         4) 4

Е_е

          _ν 

А9.На металлической пластине идёт фотоэффект.
Задерживающее напряжение фотоэффекта зависит от частоты излучения согласно
графику                                                       

                                                      
1) 1          2) 2            3) 3         4) 4

             U_з

          _ν 

А10.Если поочерёдно освещать поверхность металла
излучением с длинами волн 350нм и 540нм, то максимальные скорости
фотоэлектронов отличаются в два раза. Это означает, что работа выхода
электронов из металла равна

1) 2*10^-19Дж;                
      2)2,5*10^-19Дж;               3) 3*10^-19Дж;          

4) 3,3*10^-19Дж;                   
5) 3,5*10^-19Дж.

А11.На сколько герц изменилась частота падающего
на фотокатод излучения, если разность задерживающих напряжений составляет
4,14В?

1)10¹³
Гц;        2)  10¹⁴ Гц;          3) 10¹⁵ Гц;           
4) 10¹⁶ Гц;              5) 10¹⁷ Гц.

А12.Красная граница фотоэффекта для некоторого
металла равна 0,5мкм. При какой частоте падающего света оторвавшиеся с его
поверхности электроны будут полностью задерживаться потенциалом в 3,0В?

1)10¹⁴
Гц;        2) 5*10¹⁴ Гц;          3) 10¹⁵ Гц;           
4) 5*10¹⁶ Гц;             

5) 10¹⁶
Гц.

А13.Какую скорость приобретают вырванные из калия
электроны при облучении его фиолетовым светом с длиной волны 0,42 мкм, если
работа выхода электронов из калия равна 2эВ?

1)1,5*10⁵м/с;       
2) 5,6*10⁵м/с;       3) 8*10⁵м/с;      4) 1,5*10⁶м/с;   

 5) 5,5*10⁶м/с.

А14.Металлическая пластина, работа выхода для
которой равна 4,7эВ, освещена излучением с длиной волны 180нм. Какой
максимальный импульс передаётся пластине при вырывании электрона (m_е=9,1*10^-31кг).

1) 7*10^-25кг*м/с;        
  2) 3*10^-25кг*м/с;               3) 10^-25кг*м/с;         
       

  4) 8*10^-26кг*м/с;                             
5) 6*10^-26кг*м/с.

А15.При облучении металла светом с длиной волны
500нм фотоэлектроны задерживаются разностью потенциалов 1,2В. Какова
задерживающая разностью потенциалов при облучении металла светом с длиной волны
400нм?

1) 1,3В;           
2) 1,4В;             3) 1,6В;                  4) 1,7В;                       
5) 1,8В

А16.Кинетическая энергия фотоэлектрона,
вылетевшего с поверхности металла под действием фотона, равна Е. Энергия этого
фотона при фотоэффекте

1) больше
Е;                 2) меньше Е;                 3) равна Е;    

 4) может быть больше
или меньше Е в зависимости от условий.

А17.При освещении катода вакуумного фотоэлемента
потоком монохроматического света происходит освобождение фотоэлектронов. Как
изменится максимальная энергия вылетевших фотоэлектронов при увеличении частоты
падающего света в 3 раза?

1) увеличится в 3
раза;   2) не изменится;   3) увеличится более чем в 3 раза;

4) увеличится менее
чем в 3 раза.

А18.На пластину из никеля падает электромагнитное
излучение, энергия фотонов которого равна 9эВ. При этом в результате
фотоэффекта из пластины вылетают электроны с максимальной энергией 4эВ. Чему
равна  работа выхода электронов из никеля?

1)13эВ;                     
2) 9эВ;                                 3)5эВ;                        4) 3эВ.

А19.Если скорость фотоэлектронов, выбиваемых
светом с поверхности катода, при увеличении частоты света увеличивается в 3
раза, то запирающий потенциал в данной установке должен

1) увеличится в 9
раз;     2) уменьшится в 9 раз;      3) увеличится в 3 раза;          4)
уменьшится в 3 раза.

А20.Фотоэффектом называется

1) увеличение
температуры проводника с ростом сопротивления;

2) движение лёгкой
вертушки при освещении её лепестков;

3) появление разности
потенциалов между освещённой и тёмной сторонами металлической пластины;

4) электризация
металлов под действием света.

А21. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта
представляет собой применение к данному явлению

1) закона сохранения
импульса;

2) закона сохранения
энергии;

3) закона сохранения
заряда;

4) закона сохранения
момента импульса.

А22. Красная граница фотоэффекта для лития равна
540нм. Максимальная скорость вылета электронов 10⁶м/с. Частота
света, которым освещается катод, равна

1)1,32*10¹⁵
Гц;       2) 1,24*10¹⁵ Гц;         3) 1,08*10¹⁵
Гц;           4) 1,67*10¹⁴ Гц.

А23. Красную границу фотоэффекта определяет

1) частота падающего
света;

2) свойства вещества
фотокатода;

3) интенсивность
падающего света;

4)длина волны
падающего света.

А24. Определите задерживающую разность потенциалов
для фотоэлектронов, выбиваемых светом с поверхности калия (А_в = 2эВ)
при его освещении светом с частотой 9*10¹⁴Гц

1) 0,3В;           
2) 1,2В;             3) 1,7В;                  4) 2,1В.                        

А25. От чего зависит кинетическая энергия
фотоэлектронов, выбиваемых из металла при фотоэффекте? А: от частоты падающего
света;

                                              
Б:  от интенсивности падающего света;

                       
                       В: от работы выхода электронов из металла.

Правильными являются
ответы

1) только Б;                 2)
А       3) А и В;                4) А, Б и В.

А26. Поверхность металла освещается светом, длина
волны которого меньше, чем красная граница фотоэффекта. При увеличении
интенсивности света

1)   
фотоэффект происходить не
будет при любой интенсивности света;

2)   
будет увеличиваться
количество фотоэлектронов;

3)   
будет увеличиваться
энергия фотоэлектронов;

4)   
будет увеличиваться
энергия и количество фотоэлектронов.

А27. Поверхность металла освещается
монохроматическим светом одинаковой интенсивности: сначала красным, потом
зелёным, затем синим. В каком случае максимальная кинетическая энергия
фотоэлектронов была наибольшей?

1) при освещении
красным светом;

2)  при освещении
зелёным светом;

3)  при освещении
синим светом;

4) во всех случаях
одинаковая.

А28.Какое из уравнений служит для вычисления
работы выхода электронов из металла в результате фотоэффекта?

1) А = hν – Е_к    2) А = Е_к — hν               
     3)  А = Е_к + hν              4) А = Е_к/hν  

А29. Незаряженный, изолированный от других тел
металлический шар облучается ультрафиолетовым светом. Заряд какого знака будет
иметь шар в результате фотоэффекта?

1)
положительный;         2) отрицательный;

3) шар останется
нейтральным;

4) знак заряда может
быть любым.

А30. Интенсивность света, падающего на
металлическую пластину, уменьшается, а частота – увеличивается. Число
фотоэлектронов, покидающих пластину в единицу времени, будет

1) увеличиваться;                        2) 
уменьшаться;

3) оставаться
прежним;

4) сначала
увеличиваться, затем уменьшаться.

А31. Как изменится работа выхода электронов из
металла при увеличении энергии квантов падающего на него света с 3эВ до 5эВ?

1) увеличится на 2эВ;

2) увеличится на 3эВ;

3) увеличится на 5эВ;

4) не изменится.

А32. Как изменится минимальная частота, при которой
возникает фотоэффект, если пластине сообщить отрицательный заряд?

1)   
не изменится;      2)
увеличится;        3) уменьшится;

4)увеличится или уменьшится в зависимости от рода вещества.

А33. При изучении фотоэффекта поверхность металла
освещают светом с известной частотой, превышающей красную границу фотоэффекта,
и измеряют энергию вылетевших электронов. Насколько увеличится максимальная
кинетическая энергия фотоэлектронов при увеличении частоты света на 5*10¹⁴Гц?

1) 1,6*10^-19Дж; 
  2) 2*10^-19Дж;    3) 3,3*10^-19Дж;      4) 6,6*10^-19Дж. 

А34. Поверхность металла освещается светом,
энергия фотонов которого 9эВ. Работа  выхода электронов из металла в 3 раза
меньше, чем энергия фотонов. Чему равна максимальная кинетическая энергия
фотоэлектронов, вылетевших из металла при фотоэффекте?

1) 9эВ;            
2) 2эВ;              3) 3эВ;                   4) 6эВ.

А35. Поверхность металла освещается светом,
энергия фотонов которого 9эВ. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов,
вылетевших из металла при фотоэффекте в 3 раза меньше, чем энергия фотонов.
Чему равна работа  выхода электронов из металла?

1) 9эВ;            
2) 2эВ;              3) 3эВ;                   4) 6эВ.

А36.При облучении металла зелёным светом
наблюдается явление фотоэффекта. Фотоэффект для данного материала будет
наблюдаться и при облучении его

1)   
жёлтым светом; 2)красным
светом; 3) оранжевым светом;

4)ультрафиолетовым излучением.

А37. При уменьшении угла падения α на плоский
фотокатод монохроматического излучения с неизменной длиной волны λ  максимальная
кинетическая энергия фотоэлектронов

1)   
возрастает;        2)
уменьшается;       3) не изменяется;

4) возрастает при λ больше 500нм и уменьшается при λ меньше 500нм.

А38. Красная граница фотоэффекта исследуемого
металла 800нм. При освещении этого  металла светом с длиной волны λ
максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов, вылетевших из него в 4 раза
меньше, чем энергия падающего света. Какова длина волны λ падающего света?

1) 200нм;          2)
400нм;                    3) 600нм;              4)3200нм.

А39. Длина волны  падающего света на металл 600нм. Максимальная
кинетическая энергия фотоэлектронов, вылетевших из него в 4 раза меньше, чем
энергия падающего света. Какова красная граница фотоэффекта исследуемого
металла?

1) 400нм;          2)
450нм;                    3) 800нм;              4)2400нм.

А40. Красная граница фотоэффекта исследуемого
металла 800нм. Металл освещается светом с длиной волны 600нм. Найдите отношение
энергии падающего света к кинетическая энергия фотоэлектронов, вылетевших из
него.

1)
3/4                       2) 4/3                           3)
3                        4) 4

А41.Металла освещается  светом, энергия
которого 12эВ. Определите  работу  выхода электронов из металла, если известно,
что она в 3 раза больше максимальной кинетической энергии фотоэлектронов.

1) 3эВ;               
2) 4эВ;              3) 6эВ;                4) 9эВ.

А42. Металла освещается  светом. Максимальная
кинетическая энергия фотоэлектронов составляет 4,2 *10^-19Дж, работа  выхода
электронов из металла 9*10^-19Дж. Определите длину волны  падающего
света.

1) 150нм;                   
2)   300нм;              3)  600нм;                 4) 1200нм.

А43. Металла освещается  светом, энергия
которого 12эВ. Определите  максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов,
если известно, что она в 2 раза больше работы выхода электронов из металла.

1)
4эВ;                2) 6эВ;              3) 8эВ;                4) 12эВ.

А44. . Длина волны  падающего света на
металл 600нм. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов составляет 5,2
*10^-19Дж. Определите работу  выхода электронов из металла.

1) 7*10^-19Дж;         
2) 8*10^-19Дж;         3) 9*10^-19Дж;        4) 11*10^-19Дж; 

А45. Длина волны  падающего света на металл 600нм. Работа
 выхода электронов из металла составляет 6,2 *10^-19Дж. Определите максимальную
кинетическую энергию фотоэлектронов.

 1) 7*10^-19Дж;         
2) 8*10^-19Дж;         3) 9*10^-19Дж;        4) 11*10^-19Дж.

А46. Металла освещается  светом, энергия
которого 5,3*10^-19Дж. Максимальная кинетическая энергия
фотоэлектронов составляет 2*10^-19Дж. Какой длине волны соответствует
красная граница фотоэффекта этого металла?

1) 150нм;                   
2)   300нм;              3)  600нм;                 4) 1200нм.

А47. Металл освещается  светом. Максимальная
кинетическая энергия фотоэлектронов составляет 2,7*10^-19Дж, красная
граница фотоэффекта

соответствует 600нм.
Определите энергию падающего света.

1) 3,3*10^-19Дж;         
2) 6*10^-19Дж;         3) 5,4*10^-19Дж;        4) 7*10^-19Дж.

А48. Уменьшение длины волны вызывающего
фотоэффект фотона  на 1% ведёт к увеличению максимальной скорости выбитого
электрона на 1%. В такой ситуации отношение работы  выхода электронов к энергии
фотона равно

1) 0,5    2) 0,75    
3) 0,95       4) не может быть, такая ситуация неосуществима.

А49. Уменьшение длины волны вызывающего фотоэффект
фотона  на 1% ведёт к увеличению максимальной скорости выбитого электрона на
0,1%. В такой ситуации отношение работы  выхода электронов к энергии фотона
равно

1) 0,5    2) 0,75    
3) 0,95       4) не может быть, такая ситуация неосуществима.

А50. Уменьшение длины волны вызывающего фотоэффект
фотона  на 1% ведёт к увеличению максимальной скорости выбитого электрона на
10%. В такой ситуации отношение работы  выхода электронов к энергии фотона
равно

1) 0,5    2) 0,75    
3) 0,95       4) не может быть, такая ситуация неосуществима.

А51.Увеличение частоты вызывающего
фотоэффект фотона  на 1% ведёт к увеличению максимальной скорости выбитого
электрона на 2%. В такой ситуации отношение работы  выхода электронов к энергии
фотона равно

1) 0,5    2) 0,75    
3) 0,9       4) не может быть, такая ситуация неосуществима.

А52.Увеличение частоты вызывающего
фотоэффект фотона  на 1% ведёт к увеличению максимальной скорости выбитого
электрона на 0,2%. В такой ситуации отношение работы  выхода электронов к
энергии фотона равно

1) 0,5    2) 0,75    
3) 0,9       4) не может быть, такая ситуация неосуществима.

А53.Увеличение частоты вызывающего
фотоэффект фотона  в 1,1 раза ведёт к увеличению максимальной скорости выбитого
электрона в 1,1 раза. В такой ситуации отношение работы  выхода электронов к
энергии фотона равно

1) 0,5    2) 0,75    
3) 0,9       4) не может быть, такая ситуация неосуществима.

А54

А55

А56

57

58

59

60

61

Задания с кратким ответом.

В1. Красная граница фотоэффекта для металла равна
0,5мкм. При какой частоте света оторвавшиеся с его поверхности электроны
полностью задерживаются электрическим полем с потенциалом 3,0В. Полученный
результат умножьте на 10^-14 и округлите до целых.

В2. При освещении ультрафиолетовым светом с
частотой 10¹⁵Гц металлического проводника с работой выхода 3,11эВ
выбиваются электроны. Чему равна максимальная скорость выбитых электронов?
Ответ округлите до одной значащей цифры и умножьте на 10^-5.

В3.При облучении катода светом с частотой 1,1*10¹⁵Гц
фототок прекращается при напряжении 1,65В. Чему равна красная граница
фотоэффекта для данного металла?  Ответ округлите до целых и  умножьте на 10^-13.

В4. Если поочерёдно освещать поверхность металла
излучением с частотой 350нм и 540нм, то максимальная скорость выбитых
электронов отличается в 2 раза. Определите работу  выхода электронов из
металла, выразив её в эВ.

В5. Фотокатод покрытый кальцием ( А = 4,42 *10^-19Дж
) освещается светом с частотой  2*10¹⁵Гц. Вылетевшие из катода
электроны попадают в однородное магнитное поле перпендикулярно линиям магнитной
индукции и движутся по окружности радиусом  10мм. Чему равна индукция магнитного
поля? Ответ выразите в миллитеслах и округлите до одного знака после запятой.

В6. При облучении катода светом с частотой 10¹⁵Гц
металлического проводника с работой  выхода электронов из металла 3эВ
выбиваются электроны. Чему равна максимальная кинетическая энергия
фотоэлектронов? Ответ округлите до целых и  умножьте на 10^-19.

В7. Излучение с длиной волны 0,3мкм падает на
металлическую пластину. Красная граница фотоэффекта исследуемого металла 4,3*10¹⁴Гц.
Найдите в эВ кинетическую энергию фотоэлектронов фотоэлектронов и округлите до
сотых.

В8. Найдите длину волны света, при которой
способен выбить с максимальной кинетической энергией фотоэлектронов 2эВ, работа
 выхода электронов из металла  1,89эВ. Округлите результат до сотых и
выразиться в эВ.

В9

В9

В9

В9

Задания с развёрнутым ответом.

С1. В вакууме находятся две покрытые кальцием
пластины,  которым подключён конденсатор ёмкостью 8000пФ. При длительном
освещении одной из пластин светом фототок, возникший вначале, прекращается, а
на конденсаторе появляется заряд 11*10^-11Кл. Определите длину волны
света, освещающего пластину. ( А_в = 4,42 *10^-19Дж )

С2. В вакууме находятся две покрытые кальцием
пластины,  которым подключён конденсатор ёмкостью С. При длительном освещении
пластин светом  с частотой 10¹⁵ Гц возникший вначале ток
прекращается, а на конденсаторе появляется заряд 11*10^-11Кл.
Определите длину волны света, освещающего пластину. ( Ав = 4,42 *10^-19Дж
)

С3. Фотон с длиной волны 2*10^-5см
выбивает электрон из металлической пластины в сосуде, из которого откачен
воздух. Работа  выхода электронов из металла 3эВ. Электрон разгоняется постоянным
электрическим полем до энергии равной ионизации атома водорода (13,6эВ), и
ионизирует атом. Какую минимальную энергию будет иметь протон, возникающий   в
результате ионизации. Начальная скорость протона равна 0.

С4. Фотон с длиной волны ,соответствующей красной
границе фотоэффекта, выбивает электрон из металлической пластины в сосуде, в
котором находится водород. Электрон разгоняется постоянным электрическим полем
и ударяется о катод ( Ав = 4,42 *10^-19Дж ). Во сколько раз 
импульс протона  Начальная скорость протона равна 0.

С5. Фотон с длиной волны, соответствующей красной
границе фотоэффекта, выбивает электрон из катода в сосуде, из которого откачен
воздух и впущено небольшое количество водорода. Электрон разгоняется постоянным
электрическим полем до энергии ионизации атома водорода 13,6эВ, и ионизирует
атом. Возникший протон ускоряется имеющимся электрическим полем и ударяется о
катод. Во сколько раз импульс, передаваемый катоду протоном, больше
максимального импульса электрона, ионизирующего атом? Начальную скорость
протона считать равной нулю, удар абсолютно неупругим.

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:

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.