Задачи, тесты

Графические задачи по теме «Фотоэффект»

Данное занятие можно провести при повторении, закреплении, обобщении темы, при подготовке к ЕГЭ. В зависимости от условий учебного учреждения можно провести мультимедийный урок или распечатать задания для каждого учащегося. Часть задач можно выполнить с применением компьютера. Перед выполнением заданий следует повторить теорию фотоэффекта и графики линейной и обратной зависимостей.

1. На рисунке показан график зависимости запирающего напряжения U_з от частоты ν облучающего света для двух разных материалов фотокатода. Обоснуйте линейность этой зависимости.

• Какой физический смысл имеют точки пересечения графиков с осью абсцисс? • Какой физический смысл точек пересечения продолжения графиков с осью ординат? • Какой из фотокатодов имеет бóльшую работу выхода? • Почему угол наклона графиков одинаков? (Ответ. tgα = h/e.) • Как будет выглядеть график зависимости U_з от длины волны λ? Постройте его для двух значений А_вых. (Ответ. )

График – гипербола, смещённая по оси абсцисс вниз (рис. 2).

2. Для изучения фотоэффекта на литии (А_вых = 2,5 эВ) в качестве источника ультрафиолетового излучения используется ртутная лампа. С помощью светофильтров из её спектра можно выделять излучения определённых длин волн. По приведённым в таблице значениям длин волн рассчитайте соответствующее запирающее напряжение и частоту падающего света, а также постройте график зависимости напряжения запирания от частоты падающего света, U_з(ν) (1 петагерц = 1 ПГц = 10¹⁵Гц. – Ред.)

λ, нм	253,6	313,2	366,3	435,8	577
ν,  ПГц
Uз, В

 

Ответ. ν, ПГц: 1,183; 0,958; 0,819; 0,688; 0,520;

U_з, В: 2,4; 1,5; 0,9; 0,35; 0.

• Используя график, определите постоянную Планка и сравните её значение с табличным. • Постройте график зависимости запирающего напряжения от длины волны падающего света U_з(λ).

3. Фотоэлемент освещают светом определённой частоты и интенсивности. На рис. 3 представлен график зависимости силы фототока фотоэлемента от приложенного к нему напряжения. В случае увеличения частоты без изменения интенсивности падающего света график изменится. На каком из приведённых на рис. 4, а–г графиков правильно отражено изменение данного графика? (Первоначальный график показан пунктиром.)

Ответ. Называем верным ответ А. Интенсивность падающего света (J) определяется отношением суммарной энергии падающих фотонов к интервалу времени и площади поверхности, на которую они падают. С ростом частоты фотонов постоянная интенсивность излучения означает уменьшение числа фотонов. Поэтому, если квантовый выход (отношение числа фотоэлектронов к числу падающих фотонов за один и тот же интервал времени) считать постоянным, то с увеличением n падает I_нас. Но известно, что квантовый выход зависит и от свойств материала фотокатода, и от частоты ν. Так что давать такие задачи в школе не стоит. – Ред.

4. Фотоэлемент освещают светом определённой частоты и интенсивности. На рис. 3 представлен график зависимости фототока от приложенного к фотоэлементу напряжения. В случае увеличения интенсивности падающего света график изменится. На каком из графиков рис. 4, а–г правильно отмечено изменение данного графика? (Первоначальный график показан пунктиром.)

5. На рис. 4, б изображены две вольт-амперные характеристики одного и того же элемента. Сравните частоты, световые потоки, максимальные кинетические энергии фотоэлектронов, соответствующие этим характеристикам.

(Ответ:ν₁= ν₂, Ф₁ > Ф₂, Е_к1 = Е_к2.)

6. Снимаются вольт-амперные характеристики вакуумного фотоэлемента (рис. 5). Максимальному числу фотонов, падающих на фотокатод за единицу времени, соответствует характеристика:

А) 1; Б) 2; В) 3; Г) 4; Д) Не зависит от числа фотонов.

7. Металлическую пластинку освещают лазером, частота излучения которого 480 ТГц. Зависимость формы импульса от времени показана на рис. 6. Фотоэффект наблюдается в обоих случаях. Когда максимальная скорость фотоэлектронов больше?

А) В случае 1;

Б) В случае 2;

В) в обоих случаях скорость одинаковая;

Г) Для ответа нужно знать работу выхода.

8. Четырёх учеников попросили нарисовать общий вид графика зависимости максимальной энергии Е_к электронов, вылетевших из пластины в результате фотоэффекта, от интенсивности падающего света. Какой из приведённых на рис. 7, а–г графиков выполнен правильно?

9. Какой из графиков на рис. 8, а–г соответствует зависимости максимальной скорости фотоэлектронов от энергии падающих на вещество фотонов?

10. Какой из графиков на рис. 9, а–г соответствует зависимости максимальной кинетической энергии фотоэлектронов от частоты падающего света?

11. Постройте график зависимости кинетической энергии фотоэлектронов от частоты света для натрия. Работа выхода 2,35 эВ.

12. Покажите график зависимости максимальной энергии фотоэлектронов от энергии падающих фотонов для фотокатодов с разной работой выхода.

(Ответ. См. рис. 10: А_вых2 > А_вых1.)

13. На каком из графиков на рис. 11, а–г верно изображена вольт-амперная характеристика при постоянной освещённости?

14. Были проведены три эксперимента по измерению фототока от приложенного напряжения между фотокатодом и анодом (рис. 12). В этих экспериментах металлическая пластинка фотокатода освещалась монохроматическим светом одной и той же частоты. На каком из рис. 13, а–г правильно отражены результаты этих экспериментов?

15. Два фотокатода освещаются одним и тем же источником света. При этом зависимость фототока от напряжения между катодом и анодом (вольт-амперная характеристика) для одного катода изображена кривой 1, для другого – кривой 2 (рис. 14).

У какого фотокатода больше работа выхода? Ответ обоснуйте.

16. На графике (рис. 15) приведена зависимость фототока от приложенного обратного напряжения при освещении металлической пластины (фотокатода) электромагнитным излучением с энергией фотонов 4 эВ. Чему равна работа выхода из этого металла?

А) 1,5 эВ; Б) 2,5 эВ;

В) 3,5 эВ; Г) 5,5 эВ.

17. Фотоэлектроны, вылетающие из металлической пластины, тормозятся электрическим полем. Пластина освещена, энергия фотонов 3,2 эВ. На рис. 16 приведён график зависимости фототока от запирающего напряжения. Определите работу выхода электронов.

А) 1,2 эВ; Б) 2 эВ;

В) 3,2 эВ; Г) 4,4 эВ.

18. C освещаемого фотокатода вылетают фотоэлектроны (работа выхода 2,5 эВ). На рис. 17 представлен график зависимости силы фототока от напряжения задерживающего поля. Определите энергию фотонов, налетающих на катод.

А) 1,5 эВ; Б) 2 эВ;

В) 2,5 эВ; Г) 3 эВ; Д) 3,5 эВ.

19. На рис. 18 приведён график зависимости максимальной кинетической энергии Е_к от частоты ν фотонов, падающих на поверхность тела. Какова энергия фотона частотой ν₁ и работа выхода электрона с поверхности тела?

А) 1,5 эВ; 2 эВ; Б) 2 эВ; 3,5 эВ;

В) 2 эВ; 1,5 эВ; Г) 3,5 эВ; 2 эВ.

Литература

1. Рымкевич А.П. Задачник по физике. 10–11 классы. – М.: Дрофа, 2005.
2. Степанова Г.Н. Сборник задач по физике. 10–11 классы. – М.: Просвещение, 2003.
3. Турчина И.В. и др. 3800 задач для школьников и поступающих в вузы. – М.: Дрофа, 2000.
4. Орлов В.А., Ханнанов Н.К. ЕГЭ, контрольные измерительные материалы-2002. – М.: Просвещение, 2003.
5. Гладышева Н.К. и др. Тесты. Физика-10–11. – М.: Дрофа, 2003.