Задача 8 . Муха села на край пластинки диаметром 20 см, вращающейся с частотой 33 оборота в минуту, и катается «с ве­терком». Какова средняя скорость этого ветерка?

Задача 9 . Снежинка падает с высоты 4 м. Ветер первую по­ловину пути дует вправо, а вторую половину - влево, так что снежинка описывает траекторию в виде полуокружности. Ка­кова средняя скорость падения, если время падения 6,3 с?

Задача 10. Акула делает крути вокруг лодки, двигаясь со ско­ростью 15 м/с. На каком расстоянии от лодки она находится, если за 1 мин она сделала 6 кругов?

Задача 11. 1. Выберите на графике движения участки, кото­рые соответствуют равномерному движению и определите скорость тела при этом. Чем отличает­ся характер движения тела на участке ОА от движения на участке ВС?

Г. Скорость скворца 72км/ч, а скорость велосипедиста 25м/с. Кто из них

Задача 14 . По графикам движения определить с какими скоростями движутся тела 1 и 2? (рис 3) Определить по графику (рис 4) путь.

DIV_ADBLOCK192">

Задача 16. В течении 30 с поезд двигался равномерно со скоростью 72 км/ч. Какой путь он прошел за это время?

Задача 17. Сколько времени потребуется для перелёта из Москвы в Ташкент, если скорость самолета 900 км/ч, а расстояние между городами 3000 км?

Задача18 . Ленточный транспортер движется со скоростью 18 см/с. За какое время груз переместится с помощью транспортера на 24 м?

Задача19. Велосипедист 1ч 20 мин ехал со скоростью 10 м/с. Какое расстояние он прошел?

Задача 20 . Какое время понадобится самолету, чтобы пролететь расстояние 800 м? (скорость найти по таблице)

Задача 21.

Тело движется равномерно. По графику зависимости S(t) определите скорость, а по графику V(t) – путь. (рис 5)

Задача 22. Современный реактивный самолет развивает скорость до 1200 км/ч. Какое расстояние он пролетит за 3 ч 30 мин?

1.Красная граница фотоэффекта для натрия равна 547 нм. Найдите работу выхода электрона из натрия.

2. Какова наименьшая частота света, при которой еще наблюдается фотоэффект, если работа выхода электронов из металла равна 3,3 · 10-19 Дж?

3. Вычислить длину волны красной границы фотоэффекта для серебра.

4.Для некоторого металла красная граница фотоэффекта ν =4,3·10 14 Гц. Определить работу выхода электрона из этого металла и максимальную кинетическую энергию, которую приобретут электроны под действием излучения с длиной волны λ= 190 нм.

5.Максимальная кинетическая энергия электронов, вылетающих из рубидия при освещении ультрафиолетовым лучами с длиной волны равной 3,17 · 10 -7 м и энергией 2,84·10 -19 Дж. Определите работу выхода электронов из рубидия и красную границу фотоэффекта.

6. Какой скоростью обладают электроны, вырванные с поверхности натрия, при облучении его светом, частота которого равна 4,5·10 15 Гц? Определить наибольшую длину волны излучения, вызывающего фотоэффект.

7. Максимальная скорость фотоэлектронов, вырванных с поверхности меди при фотоэффекте равна 9,3 · 106 м/с. Определите частоту света, вызывающего фотоэффект.

8.На металлическую пластинку, красная граница фотоэффекта для которой равна 0,5 мкм, падает фотон с длиной волны равной 0,4 мкм. Во сколько раз скорость фотона больше скорости фотоэлектрона?

9. С какой скоростью вылетают электроны с поверхности цезия при освещении желтым светом с длиной волны равной 590 нм?

10. Цезиевый катод фотоэлемента освещает светом натриевой лампы с длиной волны равной 600 нм. Определить скорость вырываемых из катода фотоэлектронов, если красная граница фотоэффекта для цезия равна 650 нм.

11.Фотоны света, которым облучается поверхность палладия, имеет импульс, равный 5,7 ·10-5 кг·м/с. Найдите максимальную скорость фотоэлектронов. Работа выхода для палладия равна 5 эВ.

12.Чему равен импульс электрона, находящегося на первой боровской орбите, радиус которой равен 53·10-12 м, h=1,05·10-34 Дж·с?

13.Красная граница фотоэффекта для некоторого металла равна 2750 А. Найдите работу выхода электрона из этого металла. (1À=10-10 м, h= 6,63·10-34 Дж·с)

14.На металлическую пластину падает монохроматический луч света (λ=0,413 мкм). Поток фотоэлектронов, вырванных с поверхности металла, полностью задерживается тормозящим электрическим полем с разностью потенциалов, равной 1 В. Определите работу выхода.

15.Энергия фотона равна энергии покоящегося электрона. Найти длину волны такого фотона.

16. Какую максимальную кинетическую энергию имеют вырванные из лития электроны при облучении светом с частотой 1015 Гц?

17. Какова максимальная скорость электронов, вырванных с поверхности платины при облучении ее светом с длиной волны 100 нм?

18. Какой длины волны следует направить лучи на поверхность цезия, чтобы максимальная скорость фотоэлектронов была 2000 км\с? Красная граница фотоэффекта для цезия равна 690 нм.

19. Для ионизации атома кислорода необходима энергия около 14 эВ. Найти частоту излучения, которое может вызвать ионизации.

20. Определить энергию фотонов, соответствующих наиболее длинным (λ = 0,75 мкм) и наиболее коротким (λ= 0,4 мкм) волнам видимой части спектра.

21. Найти массу и импульс фотонов для инфракрасных (ν = 10 12 Гц) и рентгеновских

(ν= 10 18 Гц) лучей.

22. Каков импульс фотона, энергия которого равна 6 ·10 -19 Дж?

23 Определите красную границу фотоэффекта для калия.

24. Красная граница фотоэффекта для серебра равна 0,29 мкм. Определить работу выхода.

25. Возникает фотоэффект в цинке под действием излучения, имеющего длину волны 0,45 мкм?

26.Определить задерживающее напряжение для электронов, испускаемых с поверхности натрия под действием монохроматического излучения с длиной волны равной 2000 Å.(10-10)

27. Фотон с энергией равной 6 эВ падает на зеркало и отражается. Какой импульс получает зеркало?

28. Энергия фотона равна 4,1 эВ. Найти длину волны, которая ему соответствует.

29.Определить энергию фотона, которому соответствует длина волны равная 6·10-7 м.

30. Определить импульс фотона с энергией равной 1,2·10-18 Дж.

31.Определите массу фотона красного света с длиной волны равной 6,3 ·10-7м.

32. Отрицательно заряженная цинковая пластинка освещалась монохроматическим светом с длиной волны 300 нм. Красная граница для цинка составляет 332 нм. Какой максимальный потенциал приобретет цинковая пластинка?

33. Определите наибольшую скорость электрона, вылетевшего из цезия при освещении его светом длиной волны 3,31 ·10-7 м. Работа выхода равна 2 эВ, масса электрона 9,1 ·10 -31кг?

34.Определить красную границу фотоэффекта для платины.

35. Наибольшая длина волны света, при которой наблюдается фотоэффект для калия 6,2 ·10 -5 см. Найти работу выхода электронов из калия.

36.Определить наибольшую скорость электрона, вылетевшего из цезия, при освещении его светом с длиной волны 400 нм.

37.Найти работу выхода электрона с поверхности некоторого металла, если при облучении этого материала желтым светом скорость выбитых электронов равна 0,28 ·106 м/с. Длина волны желтого света равна 590 нм.

38.Какой кинетической энергией обладают электроны, вырванные с поверхности меди, при облучении ее светом с частотой 6· 1016 Гц?

39. Какую максимальную кинетическую энергию имеют электроны, вырванные из оксида бария, при облучении светом частотой 1 ПГц?

40.Какой длины волны надо направить свет на поверхность цезия, чтобы максимальная скорость фотоэлементов была 2 Мм/с?

Одним из явлений, подтверждающих гипотезу фотонов, является фотоэлектрический эффект .

Основное влияние на характер протекания фотоэффекта оказывают свойства облучаемого материала (проводник, полупроводник, диэлектрик), а также энергия фотонов, так как для каждого материала существует минимальное значение энергии фотонов, при которой фотоэффект прекращается.

Рис. 2.4. Ге́нрих Ру́дольф Герц (1857–1894)

Впервые явление фотоэффекта было замечено Г. Герцем в 1887 г. Сущность явления состоит в том, что при освещении ультрафиолетовыми лучами металлическое тело теряет электроны. Фотоэффект можно наблюдать, например, при освещении светом электрической дуги цинковой пластинки, соединенной с электрометром (см. рис. 2.5).

Рис. 2.5. Освещение заряженной цинковой пластинки светом электрической дуги:
1 - отрицательно заряженная пластинка; 2 - положительно заряженная пластинка

Если цинковую пластинку зарядить отрицательно, то при ее облучении электрометр быстро разряжается. Если же пластинка заряжена положительно, то при облучении ее заряд не изменяется.

Рис. 2.6. Алекса́ндр Григо́рьевич Столе́тов (1839–1896)

Рис. 2.7. Филипп Эдуард Антон фон Ленард (1862–1947)

Первые количественные исследования фотоэлектрического эффекта принадлежат русскому физику А.Г. Столетову , который установил основные законы фотоэффекта.

Рис. 2.8. Описание опыта Столетовым А.Г. «Два металлических диска («арматуры», «электроды») в 22 см диаметром были установлены вертикально и друг другу параллельно перед электрическим фонарем Дюбоска, из которого вынуты все стекла. В фонаре имелась лампа с вольтовой дугой А. Один из дисков, близлежащий к фонарю, сделан из тонкой металлической сетки, латунной или железной, иногда гальванопластически покрытой другим металлом, которая была натянута в круглом кольце; другой диск сплошной (металлическая пластинка)» [Столетов А. Г. Избранные сочинения / Под ред. А. К. Тимирязева.- М.; Л.: Гос. изд. техн.-теор. лит., 1950. - 660 с.]. Измерения производились зеркальным гальванометром G, источником тока В служили гальванические батареи из разного числа элементов.

Позже установка Столетова была усовершенствована Ф.Э.А. Ленардом (Нобелевская премия в 1905 г. за исследование катодных лучей) и другими исследователями (рис. 2.2).

Рис. 2.9. Схема опытов по изучению внешнего фотоэффекта

Свет, проникающий через кварцевое окно К В (кварц пропускает ультрафиолетовые лучи), освещает катод К , изготовленный из исследуемого материала. Электроны, испущенные вследствие фотоэффекта, перемещаются под действием электрического поля к аноду А . В цепи возникает фототок, измеряемый миллиамперметром. С помощью потенциометра П можно изменять напряжение между катодом и анодом, которое показывает вольтметр V .

Исследования привели к установлению следующих основных закономерностей фотоэффекта:

Проанализируем вольт-амперную характеристику (то есть зависимость фототока I от напряжения между электродами U), которая получается в результате фотоэлектрического эффекта. Из кривой на рис. 2.10 видно, что при некотором напряжении фототок достигает насыщения - все электроны, испущенные катодом, попадают на анод.

Рис. 2.10. Вольт-амперная характеристика фотоэффекта

Следовательно, сила тока насыщения определяется количеством электронов, испускаемых катодом в единицу времени под действием света. Поэтому сила фототока насыщения прямо пропорциональна световому потоку

где k - коэффициент пропорциональности, характеризующий «чувствительность» данного вещества к свету.

Рис. 2.11. Зависимость силы фототока насыщения от светового потока

Анализ кривой показывает, что электроны вылетают из катода с различными по величине скоростями. Часть электронов обладает достаточными скоростями, чтобы при U =0 долететь до анода «самостоятельно» и создать фототок без помощи ускоряющего поля. Для обращения фототока в нуль необходимо приложить некоторое задерживающее напряжение . По величине тормозящей разности потенциалов , при которой фототок обращается в нуль, можно определить скорость самых быстрых фотоэлектронов:

где - масса, величина заряда (e>0 ) и максимальная скорость этих электронов. Экспериментально было установлено, что максимальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности света, а зависит только от частоты облучения . Растущая линейная зависимость на рис. 2.4 указывает на то, что увеличение частоты приводит к возрастанию максимальной скорости фотоэлектронов.

Рис. 2 .4 . Зависимость задерживающего напряжения от частоты

Эта экспериментальная зависимость не укладывается в рамки классической электродинамики, так как скорость фотоэлектронов по классическим понятиям должна зависеть от интенсивности электромагнитной волны, а не от ее частоты.

В 1905 г. А. Эйнштейн показал, что все закономерности фотоэффекта легко объясняются, если предположить, что свет распространяется и поглощается такими же порциями (квантами) , какими он, по предположению Планка, испускается. Взаимодействуя с электроном вещества, фотон может обмениваться с ним энергией и импульсом. Фотоэффект возникает при неупругом столкновении фотона с электроном. При таком столкновении фотон поглощается, а его энергия передается электрону. Таким образом, электрон приобретает кинетическую энергию не постепенно, а сразу - в результате единичного акта столкновения. Этим и объясняется безинерционность фотоэффекта.

Рис. 2.13. Схема возникновения фотоэффекта в металле под действием падающих фотонов

Энергия, полученная электроном, доставляется ему в виде кванта . Часть этой энергии электрон тратит на то, чтобы «вырваться» из металла. Для каждого материала имеется своя работа выхода А ВЫХ

Остаток энергии фотона превращается в кинетическую энергию К электрона. Кинетическая энергия максимальна, если электрон образуется вблизи поверхности вещества и не расходует энергию при случайных столкновениях в веществе. В этом случае будет выполняться соотношение Эйнштейна для фотоэффекта (2.7).

Нобелевская премия по физике за 1921 г. была присуждена Эйнштейну за его «важные физико-математические исследования и особенно за открытие законов фотоэлектрического эффекта ». (Знаменитая теория относительности даже не упомянута в приведенной формулировке). Уравнение Эйнштейна позволяет объяснить законы фотоэффекта. Действительно, из соотношения Эйнштейна непосредственно следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности. Так как с уменьшением частоты падающего света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается (для данного вещества катода А ВЫХ постоянна), то при достижении некоторой критической частоты кинетическая энергия фотоэлектронов станет равной нулю и фотоэффект прекратится.

Согласно Эйнштейну, частота

представляет красную границу фотоэффекта для данного вещества. Она зависит лишь от работы выхода электронов, то есть от химической природы вещества и состояния его поверхности.

Используя выражение (2.8) для красной границы и соотношение (2.6), перепишем уравнение Эйнштейна в виде

которое объясняет экспериментальную линейную зависимость (см. рис. 2.4) задерживающего потенциала от частоты падающего электромагнитного излучения.

Таким образом, согласно Эйнштейну, свет с частотой w не только испускается, как это предполагал Планк, но и распространяется в пространстве и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых

В 1914 г. были проведены модифицированные опыты по фотоэффекту: лучи направлялись на металлическую пыль, помещенную в конденсаторе. Фотоэффект практически мгновенен: при соударении пылинки с фотонами из нее выбиваются электроны, пылинка приобретает заряд и начинает двигаться в поле конденсатора. Движение пылинок наблюдалось сразу после включения источника излучения. Если бы излучение было классической электромагнитной волной, то волне потребовалось бы вполне заметное в эксперименте время для того, чтобы раскачать электроны, сообщить им энергию, равную работе выхода и, тем самым, вырвать их из пылинки. Отсутствие такого запаздывания наглядно продемонстрировало корпускулярную природу фотоэффекта.

На явлении фотоэффекта основано действие приборов, называемых фотоэлементами . На рис. 2.14 показано устройство вакуумного фотоэлемента.

Рис. 2.14. Устройство вакуумного фотоэлемента

На внутреннюю поверхность металлического баллона наносится светочувствительный слой, служащий катодом. Он соединен с отрицательным полюсом источника тока. В центре баллона помещается проволочное кольцо, служащее анодом. Анод соединяется с положительным полюсом источника тока. Через прозрачное окно в передней стенке баллона свет проникает внутрь и, пройдя сквозь проволочное кольцо, выбивает фотоэлектроны из катода. Фотоэлектроны под действием электрического поля движутся в сторону анода, цепь замыкается и по ней начинает течь ток I Ф . Если на пути световых лучей появится непрозрачная преграда, то свет перестанет поступать на катод, фотоэлектронная эмиссия прекратится, и ток в цепи прервется. При этом сработает то или иное реле, связанное с регистрирующим устройством.

Рис. 2.15. Солнечные батареи на международной космической станции. При освещении области контакта различных полупроводников возникает фотоэдс, что позволяет преобразовывать световую энергию в электрическую.

Фотоэлементы являются основной частью всевозможных фотореле , нашедших широкое применение в промышленности. С помощью фотореле можно осуществлять управление различными приборами и установками, включая и выключая их автоматически при освещении светом фотоэлемента, либо, наоборот, при его выключении.

Пример 1. На поверхность лития падает монохроматический свет с длиной волны . Чтобы прекратить эмиссию электронов, нужно приложить задерживающую разность потенциалов не менее с - скорость света в вакууме.

Тогда уравнение Эйнштейна приобретает вид

Решая его, находим скорость электронов

которая действительно оказывается близка к скорости света в вакууме .

Контрольные работы

Подготовка к ЕГЭ. 11-й класс

(Здесь публикуются контрольные только по двум темам из присланных одиннадцати, по всему курсу для 11-го класса. Полный текст задач опубликован на интернет-сайте «Физики»: в рубрике «Дополнительные материалы». – Ред .)

Предлагаю систему контрольных работ, разработанных с целью подготовки учащихся к ЕГЭ. Каждая рассчитана на один урок, включает в себя шесть вариантов и является как бы тематическим фрагментом ЕГЭ. Уровень сложности пяти заданий дифференцирован. В каждом – три теста с выбором ответа и две задачи (одна проще, другая сложнее). Через три минуты после начала контрольной я собираю ответы на тесты, и учащиеся приступают к решению задач. Таким образом, темп (вопрос в минуту) оказывается максимально приближенным к условиям ЕГЭ.

Задачи оформляются традиционно: краткое условие, чертёж, расчётные формулы с краткими пояснениями, подстановка числовых данных, проверка единиц физических величин. Полная гласность подведения итогов контрольной работы обеспечивается детальной информированностью учащихся и системой выставления оценки. Решённый тест оценивается в 1 балл, 4-я задача – в 2 балла, более сложная 5-я – в 3 балла. Оценка за контрольную работу выставляется в зависимости от суммарного балла, полученного учащимся за правильные ответы на вопросы и задачи, по следующей шкале: 7–8 баллов – «5», 5–6 баллов – «4», 3–4 балла – «3», меньше 3 – «2».

Подобная структура контрольной работы позволяет объединить текущий контроль усвоения материала (задания 1–3) с проверкой глубины понимания физической теории (задачи 4, 5). Имея сводные данные по ответу на каждый вопрос и по решению каждой задачи, можно составить представление о динамике изучения материала каждым учащимся. Например, если учащийся регулярно правильно отвечает на первые три вопроса, но не справляется с четвёртой и пятой задачами, это означает, что он достаточно (на репродуктивном уровне) представляет себе материал курса. Наоборот, если учащийся регулярно решает пятую задачу, но неправильно отвечает на остальные вопросы, то это свидетельствует о достаточно глубоком, но фрагментарном изучении им курса.

Литература

Касьянов В.А. Физика-11: Тематическое и поурочное планирование. – М.: Дрофа, 2002.

Касьянов В.А. Единый государственный экзамен по физике в России и SAT-II в США. – Физика («ПС», № 40/03.

Коноплич Р.В. , Орлов В.А. , Добродеев Н.А. , Татур А.О. Сборник тестовых заданий для тематического и итогового контроля. Физика-11. – М.: Интеллект-Центр, 2002.

Коноплич Р.В. , Орлов В.А. , Добродеев Н.А. , Татур А.О. Сборник тестовых заданий для тематического и итогового контроля. Физика-10. – М.: Интеллект-Центр, 2002.

Кирик Л.А. Физика-11. Разноуровневые самостоятельные и контрольные работы. – М.: Илекса, 2003.

Кирик Л.А. Физика-10. Разноуровневые самостоятельные и контрольные работы. – М.: Илекса, 2003.

Орлов В.А. , Ханнанов Н.К. , Фадеева А.А. Учебно-тренировочные материалы для подготовки к единому государственному экзамену. Физика. – М.: Интеллект-Центр, 2003.

Пигалицын Л.В. Тематические тесты по физике. 11 класс. – Н.Новгород: Нижегородский гуманитарный центр, 1997.

Контрольная работа № 10. Квантовая теория электромагнитного излучения вещества

Вариант 1

1. Импульс фотона р связан с его частотой соотношением (h – постоянная Планка):

2. Фотоэффект – это явление:

А) почернения фотоэмульсии под действием света;

Б) вылета электронов с поверхности металла под действием света;

В) свечения некоторых веществ в темноте;

Г) излучения нагретого твёрдого тела.

3. На рисунке представлена диаграмма энергетических уровней атома. Какой стрелкой обозначен переход с излучением фотона наибольшей частоты?

А) 1; Б) 2; В) 3; Г) 4.

4. При переходе электрона в атоме водорода с одной орбиты на другую, более близкую к ядру, излучаются фотоны энергией 3,03 10 –19 Дж. Определите частоту излучения атома.

5. Работа выхода электрона из цинка равна 3,74 эВ. Определите красную границу фотоэффекта для цинка. Какую скорость получат электроны, вырванные из цинка при облучении его ультрафиолетовым излучением длиной волны 200 нм?

Вариант 2

1. Энергия фотона прямо пропорциональна ( – длина волны):

А) –2 ; Б) –1 ; В) ; Г) 2 .

2. На каком из графиков верно изображена зависимость фототока (при фотоэффекте) от напряжения между электродами при неизменной освещённости в стандартном эксперименте?

3. Атомы одного элемента, находившиеся в состояниях энергиями Е 1 и Е 2 , при переходе в основное состояние испустили фотоны длинами волн 1 и 2 соответственно, причем 1 > 2 . Для энергий этих состояний справедливо соотношение:

А) Е 1 > Е 2 ; Б) Е 1 < Е 2 ;

В) Е 1 = Е 2 ; Г) | Е 1 | < | Е 2 |.

4. При переходе электрона в атоме водорода с третьей стационарной орбиты на вторую излучается фотон, соответствующий длине волны 0,652 мкм (красная линия водородного спектра). Какую энергию теряет при этом атом водорода?

5. Для некоторого металла красной границей фотоэффекта является свет длиной волны 690 нм. Определите работу выхода электрона из этого металла и максимальную скорость, которую приобретут электроны под действием излучения длиной волны 190 нм.

Вариант 3

1. Длина волны кр, соответствующая красной границе фотоэффекта, равна (А – работа выхода, h – постоянная Планка):

А) ; Б) ; В) ; Г) .

2. Фототок насыщения при фотоэффекте при уменьшении падающего светового потока:

А) увеличивается; Б) уменьшается; В) не изменяется;

Г) увеличивается или уменьшается в зависимости от условий опыта.

3. Какой цифрой на приведённой диаграмме энергетических уровней атома обозначен переход с излучением фотона максимальной частоты?

А) 1; Б) 2; В) 3; Г) 4.

4. Глаз человека воспринимает свет длиной волны 500 нм, если световые лучи ежесекундно приносят в глаз энергию не менее 20,8 10 –18 Дж. Какое количество квантов света при этом ежесекундно попадает на сетчатку глаза?

5. Какую максимальную скорость приобретут фотоэлектроны, вырванные с поверхности молибдена излучением частотой 3 10 15 Гц? Работа выхода электрона для молибдена 4,27 эВ.

А) Э.Резерфорд; Б) Дж.Дж.Томсон;

В) Ф.Жолио-Кюри; Г) И.В.Курчатов.

2. Какое из приведённых ниже продолжений утверждения правильно? При переходе между двумя различными стационарными состояниями атом может:

А) излучать и поглощать фотоны любой энергии;

Б) излучать и поглощать фотоны лишь с определёнными значениями энергии;

В) излучать фотоны любой энергии, а поглощать лишь с некоторыми значениями энергии;

Г) поглощать фотоны любой энергии, а излучать лишь с некоторыми значениями энергии.

3. Какое из указанных явлений: I – спонтанное излучение; II – индуцированное излучение, – используется в оптических квантовых генераторах?

А) I; Б) II; В) I и II; Г) ни I, ни II.

4. При какой длине электромагнитной волны энергия фотона равна 9,93 10 –19 Дж?

5. Красная граница фотоэффекта для рубидия равна 0,81 мкм. Какое напряжение надо приложить к фотоэлементу, чтобы задерживать электроны, вырываемые из рубидия ультрафиолетовыми лучами длиной волны 0,1 мкм?

Вариант 5

1. Чему равна энергия фотона частотой ?

А) h с 2 ; Б) h с ; В) h ; Г) h /с .

2. При освещении катода вакуумного фотоэлемента монохроматическим светом происходит освобождение фотоэлектронов. Как изменится максимальная энергия фотоэлектронов при увеличении частоты света в 2 раза?

А) Не изменится; Б) увеличится в 2 раза;

В) увеличится менее, чем в 2 раза;

Г) увеличится более, чем в 2 раза.

3. Для данной диаграммы энергетических уровней укажите правильное утверждение:

А) Е 1 > Е 4 ; Б) Е 4 > Е 2 ;

В) Е 2 > Е 3 ; Г) Е 2 > Е 4 .

4. Для ионизации атома азота необходима энергия 14,53 эВ. Найдите длину волны излучения, которое вызовет ионизацию.

5. Работа выхода электронов из кадмия 4,08 эВ. Светом какой длиной волны нужно освещать кадмий, чтобы максимальная скорость вылетающих электронов была 7,2 10 5 м/с?

Вариант 6

1. Частота красного света почти в 2 раза меньше частоты фиолетового. Импульс «красного» фотона по отношению к импульсу «фиолетового» фотона:

А) больше в 4 раза; Б) меньше в 4 раза;

В) больше в 2 раза; Г) меньше в 2 раза.

2. Какова природа сил, отклоняющих a-частицы на малые углы от прямолинейных траекторий в опыте Резерфорда?

А) Гравитационная; Б) кулоновская;

В) электромагнитная; Г) ядерная.

3. При освещении поверхности тела с работой выхода А монохроматическим светом частотой вырываются фотоэлектроны. Что определяет разность (h – А )?

А) Среднюю кинетическую энергию фотоэлектронов;

Б) среднюю скорость фотоэлектронов;

В) максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов;

Г) максимальную скорость фотоэлектронов.

4. При переходе электронов в атоме водорода с 4-й стационарной орбиты на 2-ю излучается фотон, дающий зелёную линию в спектре водорода. Определите длину волны этой линии, если при излучении фотона теряется 2,53 эВ энергии.

5. Отрицательно заряженная цинковая пластинка освещалась монохроматическим светом длиной волны 300 нм. Красная граница для цинка составляет 332 нм. Какой максимальный потенциал приобретает цинковая пластинка?

Ответы

Контрольная работа № 11. Физика высоких энергий

Вариант 1

1. При испускании ядром -частицы образуется дочернее ядро, имеющее:

А) большее зарядовое и то же массовое число;

Б) меньшее зарядовое и то же массовое число;

В) большее зарядовое и меньшее массовое число;

Г) меньшее зарядовое и большее массовое число.

2. Число радиоактивных ядер в образце изменяется со временем, как показано на рисунке. Период полураспада материала образца:

А) 1 год; Б) 1,5 года; В) 2 года; Г) 2,5 года.

3. При радиоактивном распаде урана протекает ядерная реакция Какой при этом образуется изотоп?

4. Период полураспада радиоактивного элемента 400 лет. Какая часть образца из этого элемента распадается через 1200 лет?

5. Определите энергию связи, приходящуюся на один нуклон в ядре атома если масса последнего 22,99714 а.е.м.

Вариант 2

1. В результате естественного радиоактивного распада образуются:

А) только -частицы;

Б) только -частицы;

В) только -кванты;

Г) -частицы, -частицы, -кванты, нейтрино.

2. Число радиоактивных ядер в образце изменяется со временем, как показано на рисунке. Найдите период полураспада материала.

А) 2 мс; Б) 2,5 мс; В) 3 мс; Г) 3,5 мс.

3. Какая частица Х образуется в результате ядерной реакции

4. Какая доля ядер радиоактивного изотопа с периодом полураспада 2 дня останется через 16 дней?

5. При обстреле ядер бора протонами получается бериллий . Какие ещё ядра получаются при этой реакции и сколько энергии высвобождается?

Вариант 3

1. Сколько протонов входит в состав ядра

А) Z ; Б) A – Z ; B) A + Z ; Г) Z – A .

2.

А) Поток ядер водорода; Б) поток ядер гелия;

В) поток нейтронов; Г) поток электронов.

3. Ядро атома может самопроизвольно делиться на два осколка. Один из осколков – барий , другой – криптон Сколько нейтронов вылетает при делении?

А) 1; Б) 2; В) 3; Г) 4.

4. Определите, с поглощением или выделением энергии протекает реакция

5. При бомбардировке -частицами бора наблюдается вылет нейтронов. Напишите уравнение ядерной реакции, приводящей к вылету одного нейтрона. Каков энергетический выход этой реакции?

Вариант 4

1. Укажите второй продукт ядерной реакции

А) Нейтрон; Б) протон;

В) электрон; Г) -частица.

2. Что представляет собой -излучение?

А) Поток нейтронов;

Б) поток быстрых электронов;

В) поток квантов электромагнитного излучения;

Г) поток протонов.

3. В ядерных реакторах коэффициент размножения нейтронов в цепной реакции деления должен быть:

А) > 1; Б) = 1; В) < 1; Г) 1.

4. Определите энергию, которая выделяется при аннигиляции электрона и позитрона, если масса электрона 9,1 10 –31 кг.

5. Какова электрическая мощность атомной электростанции с КПД 25%, расходующей в сутки 220 г изотопа урана-235?

Вариант 5

1. Какая частица испускается атомным ядром при -распаде?

А) Только нейтрон; Б) только -квант;

В) электрон и антинейтрино; Г) позитрон и нейтрон.

2. Какие силы действуют между нейтронами в ядре?

А) Гравитационные; Б) ядерные;

В) кулоновские; Г) ядерные и гравитационные.

3. В недрах Солнца температура достигает десятков миллионов градусов. Это объясняют:

А) быстрым вращением Солнца вокруг своей оси;

Б) делением тяжёлых ядер;

В) термоядерным синтезом лёгких ядер;

Г) реакцией горения водорода в кислороде.

4. При бомбардировке изотопа алюминия -частицами получается радиоактивный изотоп фосфора , который затем распадается с выделением позитронов. Напишите уравнения обеих реакций.

5. При бомбардировке нейтронами изотопа бора образуются -частицы. Напишите уравнение этой реакции и найдите её энергетический выход.

Вариант 6

1. Масса ядра атома гелия больше массы ядра атома водорода в:

А) 2 раза; Б) 3 раза; В) 4 раза; Г) 6 раз.

2. Полное превращение элементов впервые наблюдалось в реакции , в результате которой появились два ядра:

А) водорода; Б) гелия; В) бериллия; Г) бора.

3. Какая доля радиоактивных ядер распадается через интервал времени, равный двум периодам полураспада?

А) 25%; Б) 50%; В) 75% Г) 100%.

4. В процессе термоядерного синтеза 5 10 4 кг водорода превращается в 49 644 кг гелия. Определите, сколько энергии выделяется при этом.

5. Мощность атомного реактора при использовании за сутки 0,2 кг изотопа урана-235 составляет 32 000 кВт. Какая часть энергии, выделяемой вследствие деления ядер, используется полезно?

Ответы

Ольга Павловна Сорокина окончила факультет вычислительной математики и кибернетики Горьковского госуниверситета им. Н.И.Лобачевского в 1988 г. С 1993 г. преподаёт математику, физику, информатику и ИКТ (последние два года). Учитель высшей квалификационной категории. Автор двух статей педагогического содержания. Кредо: «Уча других, мы учимся сами». Вместе с мужем воспитывает двоих детей. Всё свободное время отдаёт самообразованию. Любит готовить, печь пироги и торты.

Демонстрирует простой опыт. Если отрицательно заряженную цинковую пластинку, соединённую с электроскопом (прибором, показывающим наличие электрического заряда), осветить светом ультрафиолетовой лампы, то очень быстро стрелка электроскопа перейдёт в нулевое состояние. Это говорит о том, что заряд исчез с поверхности пластины. Если такой же опыт проделать с положительно заряженной пластиной, стрелка электроскопа не отклонится вовсе. Этот опыт был впервые проведен в 1888 г. русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым .

Александр Григорьевич Столетов

Что же происходит с веществом, когда на него падает свет?

Мы знаем, что свет - это электромагнитное излучение, поток квантовых частиц - фотонов . Когда электромагнитное излучение падает на металл, часть его отражается от поверхности, а часть поглощается поверхностным слоем. При поглощении фотон отдаёт электрону свою энергию. Получив эту энергию, электрон совершает работу и покидает поверхность металла. И пластинка, и электрон имеют отрицательный заряд, поэтому они отталкиваются, и электрон вылетает с поверхности.

Если же пластинка заряжена положительно, отрицательный электрон, выбитый с поверхности, снова притянется ею и не покинет её поверхность.

История открытия

Явление фотоэффекта было открыто в начале XIX века.

В 1839 г. французский учёный Александр Эдмонд Беккерель наблюдал фотогальванический эффект на границе металлического электрода и жидкости (электролите).

Александр Эдмонд Беккерель

В 1873 г. английский инженер-электрик Смит Уиллоуби обнаружил, что если воздействовать на селен электромагнитным излучением, то его электропроводность меняется.

Проводя опыты по исследованию электромагнитных волн в 1887 г., немецкий физик Генрих Герц заметил, что заряженный конденсатор разряжается гораздо быстрее, если осветить его пластины ультрафиолетовым излучением.

Генрих Герц

В 1888 г. германский физик-экспериментатор Вильгельм Гальвакс обнаружил, что при облучении металла коротковолновым ультрафиолетовым излучением металл теряет отрицательный заряд, то есть наблюдается явление фотоэффекта.

Огромный вклад в изучение фотоэффекта внёс русский физик Александр Григорьевич Столетов, проводивший детальные опыты по изучению фотоэффекта в 1888-1890 гг. Для этого он сконструировал специальный прибор, состоявший из двух параллельных дисков. Один из этих дисков, катод , сделанный из металла, находился внутри стеклянного корпуса. Другой диск, анод , представлял собой металлическую сетку, нанесённую на изготовленный из кварцевого стекла торец корпуса. Кварцевое стекло было выбрано учёным не случайно. Дело в том, что оно пропускает все виды световых волн, включая ультрафиолетовое излучение. Обычное стекло ультрафиолетовое излучение задерживает. Из корпуса откачивался воздух. К каждому из дисков подводилось напряжение: к катоду отрицательное, к аноду положительное.

Опыт Столетова

Во время опытов учёный освещал катод через стекло красным, зелёным, синим и ультрафиолетовым светом. Величина тока регистрировалась гальванометром, в котором основным элементом было зеркало. В зависимости от величины фототока, зеркало отклонялось на разный угол. Наибольший эффект оказывали ультрафиолетовые лучи. И чем больше их было в спектре, тем сильнее оказывалось воздействие света.

Столетов обнаружил, что под действием света освобождаются только отрицательные заряды.

Катод изготавливали из различных металлов. Наиболее чувствительными к свету оказались такие металлы, как алюминий, медь, цинк, серебро, никель.

В 1898 г. было установлено, что освобождаемые при фотоэффекте отрицательные заряды являются электронами.

А в 1905 г. Альбер Эйнштейн объяснил явление фотоэффекта, как частный случай закона сохранения и превращения энергии.

Внешний фотоэффект

Внешний фотоэффект

Процесс выхода электронов из вещества под действием электромагнитного излучения называют внешним фотоэффектом , или фотоэлектронной эмиссией . Электроны, вылетающие с поверхности, называются фотоэлектронами . Соответственно, электрический ток, который образуется при их упорядоченном движении, называют фототоком .

Первый закон фотоэффекта

Сила фототока прямо пропорциональна плотности светового потока . Чем выше интенсивность излучения, тем большее количество электронов будет выбито из катода за 1 с.

Интенсивность светового потока пропорциональна числу фотонов. С увеличением числа фотонов увеличивается число электронов, покидающих поверхность металла и создающих фототок. Следовательно, увеличивается сила тока.

Второй закон фотоэффекта

Максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности .

Энергия, которой обладает падающий на поверхность фотон, равна:

Е = h·ν ,где ν - частота падающего фотона; h - постоянная Планка.

Получив энергию Е , электрон совершает работу выхода φ . Остальная часть энергии - это кинетическая энергия фотоэлектрона.

Из закона сохранения энергии вытекает равенство:

h·ν=φ + W e , где W e - максимальная кинетическая энергия электрона в момент вылета из металла.

h·ν=φ + mv 2 /2

Третий закон фотоэффекта

Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света ν min (или максимальная длина волны λ max ), при которой ещё возможен фотоэффект, и если ν˂ ν min , то фотоэффект уже не происходит.

Фотоэффект проявляется, начиная с определённой частоты света ν min . При этой частоте, называемой «красной» границей фотоэффекта , начинается испускание электронов.

h· ν min = φ .

Если частота фотона ниже ν min , его энергии будет недостаточно, чтобы «выбить» электрон из металла.

Внутренний фотоэффект

Если под воздействием излучения электроны теряют связь со своми атомами, но не покидают твёрдые и жидкие полупроводники и диэлектрики, а остаются внутри них как свободные электроны, то такой фотоэффект называется внутренним. В результате происходит перераспределение электронов по энергетическим состояниям. Изменяется концентрация носителей зарядов и возникает фотопроводимость (увеличение проводимости под воздействием света).

К внутреннему фотоэффекту относят и вентильный фотоэффект , или фотоэффект в запирающем слое . Этот фотоэффект возникает, когда под воздействием света электроны покидают поверхность тела и переходят в другое, контактирующее тело - полупроводник или электролит.

Применение фотоэффекта

Все устройства, принцип действия которых основан на фотоэффекте, называются фотоэлементами . Первым в мире фотоэлементом стал прибор Столетова, созданный им для проведения опытов по изучению фотоэффекта.

Фотоэлементы широко используются в самых различных устройствах в автоматике и телемеханике. Без фотоэлементов невозможно управление станками с числовым программным управлением (ЧПУ), которые могут создавать детали по чертежам без участия человека. С их помощью считывается звук с киноплёнки. Они входят в состав различных контролирующих устройств, помогают остановить и заблокировать устройство в нужный момент. С помощью фотоэлементов уличное освещение включается с наступлением темноты и отключается на рассвете. Они помогают управлять турникетами в метро и маяками на суше, опускают шлагбаум при приближении поезда к переезду. Их используют в телескопах и солнечных батареях.

Фотоэлектрический эффект. Проводники могут заряжаться также под действием света. Явление заключается в том, что под действием света электроны могут вылететь из проводника в окружающее пространство, благодаря чему проводник заряжается положительно. Это явление получило название фотоэлектрического эффекта или фотоэффекта.

На рис. 18 изображен опыт, который в простейшей форме позволяет обнаружить и наблюдать возникновение на проводниках электрического заряда под действием света. Укрепим на стержне электроскопа хорошо очищенную от окислов металлическую (лучше всего цинковую) пластинку и зарядим электроскоп отрицательно. Если его изоляция достаточно хороша, то избыточные электроны будут хорошо удерживаться на электроскопе и его листки будут долго оставаться в отклоненном положении.

Рис. 18. Опыт по наблюдению фотоэлектрического эффекта. Электрическая дуга освещает отрицательно заряженную металлическую пластинку, укрепленную на электроскопе. Под влиянием света электроны вырываются из пластинки, отрицательный заряд электроскопа уменьшается и листки его спадают

Будем теперь освещать цинковую пластинку дуговой лампой проекционного фонаря. Листки немедленно опадут, а это значит, что цинковая пластинка теряет при этом свои избыточные электроны. Эти электроны под действием света вырываются из металла и, отталкиваемые отрицательно заряженной пластинкой, разлетаются в окружающее пространство. Зарядим теперь пластинку положительно и попробуем проделать тот же опыт. Мы найдем, что в этом случае освещение не вызывает никакого действия, и листки электроскопа остаются в отклоненном положении. Освобождающиеся электроны теперь не могут покинуть пластинку, так как они удерживаются сильным притяжением к положительному заряду. Положительные же заряды под действием света не освобождаются из металла.

Этот результат показывает, что положительные и отрицательные заряды связаны с металлом с различной прочностью. Под действием света могут освобождаться только отрицательные заряды – электроны.

Если проделать опыт с незаряженной пластинкой, то заметного отклонения листков обычного электроскопа не наблюдается. Однако, применив достаточно чувствительный электроскоп, мы обнаружим, что на пластинке под действием света возникает небольшой положительный заряд, скоро достигающий своего предела. Нетрудно понять, почему зарядка пластинки под действием света приостанавливается. После того как некоторое число электронов покинет пластинку и она зарядится положительно, дальнейшее удаление электронов в окружающее пространство сделается невозможным, как было объяснено выше. В томе III явление фотоэффекта будет изучено подробнее. Пока же ограничимся упоминанием, что и этот способ зарядки тел представляет собой также разделение электронов и положительных зарядов, которые существовали в теле и до освещения.