Тест. Корпускулярно-волновой дуализм

I вариант.

1. Четырех учеников попросили нарисовать общий вид графика зависимости максимальной кинетической энергии электронов, вылетевших из пластины в результате фотоэффекта, от интенсивности падающего света. Какой рисунок выполнен правильно?

2. Металлическую пластину освещали монохроматическим светом одинаковой интенсивности: сначала красным, потом зеленым, затем синим. В каком случае максимальная кинетическая энергия вылетающих фотоэлектронов была наибольшей?

1) при освещении красным светом

2) при освещении зеленым светом

3) при освещении синим светом

4) во всех случаях одинаковой

3. От чего зависит максимальная 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

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

4. При фотоэффекте задерживающая разность потенциалов не зависит от

А. частоты света Б. интенсивности света

В. угла падения света

1) А и Б 2) Б и В 3) А и В 4) А, Б, В

1) не изменится 2) увеличится

3) уменьшится

II вариант.

1. Фотоэлемент освещают светом с определенными частотами и интенсивностью. На рисунке справа представлен график зависимости силы фототока в этом фотоэлементе от приложенного к нему напряжения. В случае увеличения частоты без изменения интенсивности падающего света график изменится. На каком из приведенных рисунков правильно показано изменение графика?

2. Поверхность металла освещают светом, длина волны

которого меньше длины волны, соответствующей красной границе фотоэффекта для данного вещества. При увеличении интенсивности света

1) фотоэффект не будет происходить при любой интенсивности света

2) будет увеличиваться количество фотоэлектронов

3) будет увеличиваться энергия фотоэлектронов

4) будет увеличиваться как энергия, так и количество фотоэлектронов

3. При фотоэффекте работа выхода электрона из металла зависит от

1) частоты падающего света 2) интенсивности падающего света

3) химической природы металла

4) кинетической энергии вырываемых электронов

4. При фотоэффекте число электронов, выбиваемых монохроматическим светом из металла за единицу времени, не зависит от

А. частоты падающего света Б. интенсивности падающего света

В. работы выхода электронов из металла

Какие утверждения правильные?

1) А и В 2) А, Б, В 3) Б и В 4) А и Б

5. Как изменится минимальная частота, при которой возникает фотоэффект, если пластинке сообщить положительный заряд?

1) не изменится 2) увеличится

3) уменьшится

4) увеличится или уменьшится в зависимости от рода вещества

Тест. Корпускулярно-волновой дуализм.

III. вариант.

1. Фотоэлемент освещают светом с определенными частотами и интенсивностью. На рисунке справа представлен график зависимости силы фототока в этом фотоэлементе от приложенного к нему напряжения. В случае увеличения интенсивности падающего света той же частоты график изменится. На каком из приведенных рисунков правильно показано изменение графика?? ?

2. В своих опытах Столетов измерял максимальную силу тока (ток насыщения) при освещении электрода ультрафиолетовым светом. Сила тока насыщения при увеличении падающего света и неизменной его частоте будет

1) увеличиваться 2) уменьшаться 3) оставаться неизменной

4) сначала увеличиваться, затем уменьшаться

3. Кинетическая энергия электронов, выбиваемых из металла при фотоэффекте, не зависит от

А – частоты падающего света 2)Б - интенсивности падающего света

В – площади освещаемой поверхности

Какие утверждения правильны?

1) Б и В 2) А и Б 3) А и В 4) Б и В

4. Энергия фотона, поглощенного при фотоэффекте, равна Е. Кинетическая энергия электрона, вылетевшего с поверхности металла под действием этого фотона,

1) больше Е 2) меньше Е 3) равна Е

4) может быть больше или меньше Е при разных условиях

5. При освещении катода вакуумного фотоэлемента потоком монохроматического света происходит освобождение фотоэлектронов. Как изменится максимальная энергия вылетевших фотоэлектронов при уменьшении частоты падающего света в 2 раза?

1) увеличится в 2 раза 2) уменьшится в 2 раза

3) уменьшится более чем в 2 раза 4) уменьшится менее чем в 2 раза

IV вариант.

1. Было проведено три эксперимента по измерению зависимости фототока от приложенного напряжения между катодом и анодом . Металлическая пластинка катода освещалась монохроматическим светом одной и той же частоты, но разной интенсивности. На каком из рисунков правильно отражены результаты экспериментов?

2.Интенсивность света, падающего на фотокатод, уменьшилась в 10 раз. При этом уменьшилась (-ось)

1) максимальная скорость фотоэлектронов

2) максимальная энергия фотоэлектронов

3) число фотоэлектронов 4) максимальный импульс фотоэлектронов

3. При фотоэффекте работа выхода электрона из металла (красная граница фотоэффекта) не зависит от

А – частоты падающего света Б – интенсивности падающего света

В – химического состава металла

Какие утверждения правильны?

1) А, Б, В 2) Б и В 3) А и Б 4) А и В

4. При увеличении угла падения на плоский фотокатод монохроматического излучения с неизменной длиной волны максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов

1) возрастает 2) уменьшается 3) не изменяется

4) возрастает при http://pandia.ru/text/80/136/images/image011_5.gif" width="15" height="20"><500 нм

5. Какой график соответствует зависимости максимальной кинетической энергии фотоэлектронов Е от частоты 0 " style="border-collapse:collapse;border:none">

ФОТОЭФФЕКТ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ

ПЛАНКА И РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНОВ

Цель работы: ознакомление с явлением внешнего фотоэффекта и определение постоянной Планка и работы выхода электронов из металла.

Электромагнитное излучение обладает двойственной природой. При взаимодействии с веществом оно проявляет себя как поток частиц - фотонов с энергией Е и импульсом Р, равными

Е = hν, Р = kh/2π. (1)

Под действием электромагнитного излучения электроны могут вылетать из вещества. Это явление называют фотоэффектом.

С точки зрения квантовой теории света взаимодействие света с электронами вещества можно рассматривать как неупругое столкновение фотона с электроном. При таком столкновении фотон поглощается, а его энергия передается электрону. Таким образом, в результате единичного акта столкновения электрон приобретает дополнительную энергию.

Кинетическая энергия электрона частично тратится на совершение выхода А против задерживающих сил, действующих в поверхностном слое вещества, а оставшаяся часть кинетической энергии есть максимальная кинетическая энергия вылетевшего фотоэлектрона. Уравнение Эйнштейна, описывающее баланс энергии для взаимодействия фотона с электроном имеет вид

hν = А + Е max , (2)

где hν - энергия поглощенного фотона, А - работа выхода электрона, Е max - максимальная кинетическая энергия вылетевшего фотоэлектрона. Здесь предполагается, что кинетическая энергия электрона в веществе до поглощения фотона много меньше энергии фотона.

При экспериментальном изучении фотоэффекта используется двухэлектродная лампа-диод. Один из электродов - катод, освещается светом определенной частоты. Вылетающие фотоэлектроны достигают анода. При фиксированной частоте и постоянной мощности падающего света типичная зависимость силы фототока I от приложенного напряжения U между катодом и анодом приведена на рис.1.

При некотором отрицательном напряжении U з , называемом запирающим напряжением , фототок обращается в нуль. Это связано с тем, что максимальной кинетической энергии вылетающих фотоэлектронов Е max недостаточно для совершения работы eU з против тормозящих сил электрического поля между катодом и анодом (e - заряд электрона). Согласно уравнению Эйнштейна (1), величина U з для определенного фотокатода прямо пропорциональна частоте ν падающего света

eU з = Е max = hν – А. (3)

Для каждого вещества существует минимальная частота ν min , при превышении которой может наблюдаться фотоэффект. Она определяется из условия Е max = 0 и описывается формулой

ν min = А/h. (4)

Соответствующая длина волны, называемая красной границей фотоэффекта , равна

λ max = c /ν min , (5)

где с - скорость света.

В данной работе осуществляется экспериментальная проверка уравнения Эйнштейна (2) для фотоэффекта и измеряются значения постоянной Планка h и работы выхода электронов А для материала катода.

Выполнение измерений

Схема экспериментальной установки приведена на рис.2. Свет от источника S через систему оптических фильтров F попадает на фотокатод К фотоэлемента Ф. Между катодом К и анодом А с блока питания Б подается регулируемое тормозящее напряжение U. Тормозящее напряжение измеряется электронным вольтметром V , фототок - с помощью микроамперметра μА.

Частота ν (длина волны λ) излучения, падающего на фотоэлемент, регулируется подбором светофильтров. Эксперимент заключается в определении зависимости запирающего напряжения U з от частоты света hν . Он проводится следующим образом:

Включить осветитель и установить фильтр с определенной полосой пропускания.

Включить блок питания и вольтметр.

Управляя напряжением блока питания снять зависимость фототока, измеряемого микроамперметром, от задерживающего напряжения, измеряемого вольтметром.

Провести аналогичные измерения для других светофильтров. Результаты измерений занести в таблицу 1.

Таблица 1

Обработка результатов измерений заключается в следующем:

Построить графики зависимости фототока I от задерживающего напряжения U для различных значений частоты падающего света.

Экстраполируя полученные кривые до их пересечения с осью U, определить значения запирающего напряжения U з для используемых частот света (см. рис.3). При экстраполяции кривых малые значения фототока использовать не следует.

Рис.3

Результаты определения запирающего напряжения занести в таблицу 2.

Таблица 2

Используя табл. 2, построить график зависимости запирающего напряжения U з от частоты света ν. Согласно уравнению (3) запирающее напряжение линейно зависит от частоты света

U з = hν /c - A/e,

причем угловой коэффициент k наклона прямой равен h/e. Это позволяет определить постоянную Планка по формуле

Коэффициент k наклона прямой определяется с помощью построенной зависимости U з (ν).

Экстраполируя график зависимости U з (ν) до пересечения с осью абсцисс, определить частоту ν min , при которой запирающее напряжение обращается в нуль. Определить работу выхода электронов на основе формулы (4)

Оценить ошибку измерения работы выхода DА.

Контрольные вопросы

Что такое фотоэффект?

Чем определяется максимальная кинетическая энергия вылетающих фотоэлектронов?

Что такое красная граница фотоэффекта?

Как оценить напряжение запирания?

Савельев И.В. Курс общей физики. М.: Наука, т.3, гл.2.

Сивухин Д.В. Общий курс физики. Атомная и ядерная физика. ч.1, М.: Наука, гл.1.

О. Э. Родионова ,
, лицей № 34, г. Новокузнецк, Кемеровская обл.

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 = 10 15 Гц. – Ред. )

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: ν 1 = ν 2 , Ф 1 > Ф 2 , 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 ν 1 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.