Страница 151 - гдз по физике 10-11 класс задачник Рымкевич

Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета

Авторы: Рымкевич А. П.

Тип: Задачник

Издательство: Просвещение, Дрофа

Год издания: 2016 - 2025

Цвет обложки: белый, синий

ISBN: 978-5-358-15963-1

Популярные ГДЗ в 10 классе

Cтраница 151

№1139 (с. 151)
Условие. №1139 (с. 151)
ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1139, Условие

1139. Какую максимальную кинетическую энергию имеют электроны, вырванные из оксида бария, при облучении светом частотой 1 ПГц?

Решение 1. №1139 (с. 151)
ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1139, Решение 1
Решение 2. №1139 (с. 151)
ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1139, Решение 2
Решение 3. №1139 (с. 151)
ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1139, Решение 3
Решение 4. №1139 (с. 151)

Дано:

частота света, $\nu = 1 \text{ ПГц}$
материал - оксид бария (BaO)

Перевод в СИ и справочные данные:
$\nu = 1 \times 10^{15} \text{ Гц}$
Работа выхода для оксида бария $A_{вых}$ является справочной величиной. Примем ее равной $1.0 \text{ эВ}$.
$A_{вых} = 1.0 \text{ эВ} = 1.0 \times 1.602 \times 10^{-19} \text{ Дж} = 1.602 \times 10^{-19} \text{ Дж}$.
Постоянная Планка $h = 6.626 \times 10^{-34} \text{ Дж}\cdot\text{с}$.

Найти:

Максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов $E_{k,max}$.

Решение:

Для решения задачи используется уравнение Эйнштейна для фотоэлектрического эффекта, которое связывает энергию падающего фотона, работу выхода и максимальную кинетическую энергию выбитого электрона:

$E = A_{вых} + E_{k,max}$

Здесь $E$ – энергия падающего фотона, $A_{вых}$ – работа выхода электрона из вещества, а $E_{k,max}$ – искомая максимальная кинетическая энергия электрона.

Энергия фотона $E$ определяется его частотой $\nu$ по формуле Планка:

$E = h\nu$

Объединив формулы, выразим максимальную кинетическую энергию:

$E_{k,max} = h\nu - A_{вых}$

Сначала вычислим энергию падающих фотонов, подставив значения в систему СИ:

$E = (6.626 \times 10^{-34} \text{ Дж}\cdot\text{с}) \times (1 \times 10^{15} \text{ Гц}) = 6.626 \times 10^{-19} \text{ Дж}$

Теперь можно рассчитать максимальную кинетическую энергию электронов:

$E_{k,max} = 6.626 \times 10^{-19} \text{ Дж} - 1.602 \times 10^{-19} \text{ Дж} = 5.024 \times 10^{-19} \text{ Дж}$

Также можно выразить эту энергию во внесистемной единице – электрон-вольтах (эВ), разделив значение в джоулях на элементарный заряд $e \approx 1.602 \times 10^{-19} \text{ Кл}$:

$E_{k,max} = \frac{5.024 \times 10^{-19} \text{ Дж}}{1.602 \times 10^{-19} \text{ Кл}} \approx 3.14 \text{ эВ}$

Ответ: максимальная кинетическая энергия электронов составляет $5.024 \times 10^{-19}$ Дж, что примерно равно $3.14$ эВ.

№1140 (с. 151)
Условие. №1140 (с. 151)
ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1140, Условие

1140. Какую максимальную кинетическую энергию имеют фотоэлектроны при облучении железа светом с длиной волны 200 нм? Красная граница фотоэффекта для железа 288 нм.

Рис. 124

Решение 1. №1140 (с. 151)
ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1140, Решение 1
Решение 2. №1140 (с. 151)
ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1140, Решение 2
Решение 3. №1140 (с. 151)
ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1140, Решение 3
Решение 4. №1140 (с. 151)

Дано:

Длина волны падающего света, $\lambda = 200$ нм

Красная граница фотоэффекта для железа, $\lambda_{max} = 288$ нм

Постоянная Планка, $h \approx 6.63 \times 10^{-34}$ Дж·с

Скорость света в вакууме, $c = 3 \times 10^8$ м/с

Перевод в систему СИ:

$\lambda = 200 \times 10^{-9}$ м $= 2 \times 10^{-7}$ м

$\lambda_{max} = 288 \times 10^{-9}$ м $= 2.88 \times 10^{-7}$ м

Найти:

$E_{k,max}$ — максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов

Решение:

Для решения задачи используется уравнение Эйнштейна для фотоэффекта, которое связывает энергию падающего фотона ($E_{photon}$) с работой выхода электрона из металла ($A$) и максимальной кинетической энергией вылетевшего фотоэлектрона ($E_{k,max}$):

$E_{photon} = A + E_{k,max}$

Энергия фотона определяется его длиной волны $\lambda$:

$E_{photon} = \frac{hc}{\lambda}$

Работа выхода $A$ — это минимальная энергия, необходимая для вырывания электрона из металла. Она соответствует красной границе фотоэффекта, то есть максимальной длине волны $\lambda_{max}$, при которой фотоэффект еще возможен (при этом $E_{k,max} = 0$):

$A = \frac{hc}{\lambda_{max}}$

Подставим выражения для энергии фотона и работы выхода в уравнение Эйнштейна:

$\frac{hc}{\lambda} = \frac{hc}{\lambda_{max}} + E_{k,max}$

Выразим из этого уравнения искомую максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов:

$E_{k,max} = \frac{hc}{\lambda} - \frac{hc}{\lambda_{max}} = hc \left( \frac{1}{\lambda} - \frac{1}{\lambda_{max}} \right)$

Теперь подставим числовые значения в полученную формулу:

$E_{k,max} = 6.63 \times 10^{-34} \text{ Дж·с} \times 3 \times 10^8 \text{ м/с} \times \left( \frac{1}{2 \times 10^{-7} \text{ м}} - \frac{1}{2.88 \times 10^{-7} \text{ м}} \right)$

Выполним вычисления:

$hc = 6.63 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^8 = 19.89 \times 10^{-26}$ Дж·м

$\frac{1}{\lambda} = \frac{1}{2 \times 10^{-7}} = 0.5 \times 10^7$ м$^{-1}$

$\frac{1}{\lambda_{max}} = \frac{1}{2.88 \times 10^{-7}} \approx 0.3472 \times 10^7$ м$^{-1}$

$E_{k,max} \approx 19.89 \times 10^{-26} \times (0.5 \times 10^7 - 0.3472 \times 10^7)$

$E_{k,max} \approx 19.89 \times 10^{-26} \times (0.1528 \times 10^7)$

$E_{k,max} \approx 3.039 \times 10^{-19}$ Дж

Округлим результат до трех значащих цифр:

$E_{k,max} \approx 3.04 \times 10^{-19}$ Дж

Ответ: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов равна $3.04 \times 10^{-19}$ Дж.

№1141 (с. 151)
Условие. №1141 (с. 151)
ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1141, Условие

1141. Какой длины волны свет надо направить на поверхность цезия, чтобы максимальная скорость фотоэлектронов была 2 Мм/с?

Решение 1. №1141 (с. 151)
ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1141, Решение 1
Решение 2. №1141 (с. 151)
ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1141, Решение 2
Решение 3. №1141 (с. 151)
ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1141, Решение 3 ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1141, Решение 3 (продолжение 2)
Решение 4. №1141 (с. 151)

Дано:

$v_{max} = 2 \text{ Мм/с} = 2 \cdot 10^6 \text{ м/с}$

$A_{вых} = 1.9 \text{ эВ} = 1.9 \cdot 1.6 \cdot 10^{-19} \text{ Дж} = 3.04 \cdot 10^{-19} \text{ Дж}$ (работа выхода для цезия)

$m_e = 9.11 \cdot 10^{-31} \text{ кг}$ (масса электрона)

$h = 6.63 \cdot 10^{-34} \text{ Дж}\cdot\text{с}$ (постоянная Планка)

$c = 3 \cdot 10^8 \text{ м/с}$ (скорость света в вакууме)

Найти:

$\lambda - ?$

Решение:

Для решения задачи используется уравнение Эйнштейна для фотоэффекта, которое связывает энергию падающего фотона, работу выхода электрона и максимальную кинетическую энергию вылетевшего фотоэлектрона:

$E_{ф} = A_{вых} + E_{k,max}$

Энергия падающего фотона ($E_{ф}$) связана с длиной волны света ($\lambda$) соотношением:

$E_{ф} = \frac{hc}{\lambda}$

Максимальная кинетическая энергия ($E_{k,max}$) фотоэлектрона определяется его массой ($m_e$) и максимальной скоростью ($v_{max}$):

$E_{k,max} = \frac{m_e v_{max}^2}{2}$

Объединим эти формулы, подставив выражения для энергий в уравнение Эйнштейна:

$\frac{hc}{\lambda} = A_{вых} + \frac{m_e v_{max}^2}{2}$

Из этого уравнения выразим искомую длину волны $\lambda$:

$\lambda = \frac{hc}{A_{вых} + \frac{m_e v_{max}^2}{2}}$

Рассчитаем значение максимальной кинетической энергии фотоэлектронов:

$E_{k,max} = \frac{9.11 \cdot 10^{-31} \text{ кг} \cdot (2 \cdot 10^6 \text{ м/с})^2}{2} = \frac{9.11 \cdot 10^{-31} \cdot 4 \cdot 10^{12}}{2} \text{ Дж} \approx 18.22 \cdot 10^{-19} \text{ Дж}$

Теперь подставим все числовые значения в формулу для длины волны:

$\lambda = \frac{6.63 \cdot 10^{-34} \text{ Дж}\cdot\text{с} \cdot 3 \cdot 10^8 \text{ м/с}}{3.04 \cdot 10^{-19} \text{ Дж} + 18.22 \cdot 10^{-19} \text{ Дж}} = \frac{19.89 \cdot 10^{-26}}{21.26 \cdot 10^{-19}} \text{ м}$

$\lambda \approx 0.9355 \cdot 10^{-7} \text{ м}$

Переведем результат в нанометры ($1 \text{ нм} = 10^{-9} \text{ м}$):

$\lambda \approx 93.55 \cdot 10^{-9} \text{ м} \approx 94 \text{ нм}$

Ответ: длина волны света должна быть приблизительно равна $94 \text{ нм}$.

№1142 (с. 151)
Условие. №1142 (с. 151)
ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1142, Условие ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1142, Условие (продолжение 2)

1142. Найти максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов, вырванных с катода К (рис. 124), если запирающее напряжение равно 1,5 В.

Рис. 124

Решение 1. №1142 (с. 151)
ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1142, Решение 1
Решение 2. №1142 (с. 151)
ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1142, Решение 2
Решение 3. №1142 (с. 151)
ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1142, Решение 3
Решение 4. №1142 (с. 151)

Дано:

Запирающее напряжение $U_з = 1.5$ В.

Найти:

Максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов $E_{k,max}$.

Решение:

На изображении показана схема для изучения фотоэффекта. Фотоэффект — это явление испускания электронов (фотоэлектронов) веществом под действием света.

Запирающее напряжение ($U_з$) — это такая минимальная задерживающая разность потенциалов между катодом и анодом, при которой фототок (ток, создаваемый фотоэлектронами) становится равным нулю. Это происходит, когда работа задерживающего электрического поля полностью останавливает даже самые быстрые фотоэлектроны, обладающие максимальной начальной кинетической энергией $E_{k,max}$.

Работа $A$, совершаемая электрическим полем над зарядом $q$ при его перемещении между точками с разностью потенциалов $U$, равна $A = qU$.

В данном случае заряд фотоэлектрона равен элементарному заряду $e$, а разность потенциалов — запирающему напряжению $U_з$. Таким образом, работа электрического поля по торможению электрона равна $A = eU_з$.

Согласно закону сохранения энергии, чтобы остановить фотоэлектрон, работа поля должна быть равна его начальной кинетической энергии. Для самых быстрых электронов это соотношение выглядит так:

$E_{k,max} = A = eU_з$

Для расчета в системе СИ (в Джоулях) используем значение элементарного заряда $e \approx 1.6 \times 10^{-19}$ Кл.

Подставим числовые значения в формулу:

$E_{k,max} = (1.6 \times 10^{-19} \text{ Кл}) \times (1.5 \text{ В}) = 2.4 \times 10^{-19} \text{ Дж}$

В квантовой физике энергию часто выражают в электрон-вольтах (эВ). 1 эВ — это энергия, которую приобретает частица с зарядом $e$ при прохождении разности потенциалов в 1 В. Следовательно, если запирающее напряжение составляет 1,5 В, то максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов равна 1,5 эВ. Это можно проверить: $1.5 \text{ эВ} = 1.5 \times (1.6 \times 10^{-19} \text{ Дж}) = 2.4 \times 10^{-19} \text{ Дж}$.

Ответ: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов равна $2.4 \times 10^{-19}$ Дж.

№1143 (с. 151)
Условие. №1143 (с. 151)
ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1143, Условие

1143. Какова максимальная скорость фотоэлектронов, если фототок прекращается при запирающем напряжении 0,8 В?

Решение 1. №1143 (с. 151)
ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1143, Решение 1
Решение 2. №1143 (с. 151)
ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1143, Решение 2
Решение 3. №1143 (с. 151)
ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1143, Решение 3
Решение 4. №1143 (с. 151)

Дано:

Запирающее напряжение $U_з = 0,8 \text{ В}$
Заряд электрона (элементарный заряд) $e \approx 1,6 \cdot 10^{-19} \text{ Кл}$
Масса электрона $m_e \approx 9,1 \cdot 10^{-31} \text{ кг}$

Данные уже представлены в системе СИ.

Найти:

Максимальная скорость фотоэлектронов $v_{max}$ — ?

Решение:

Фототок прекращается, когда задерживающее электрическое поле совершает работу, равную максимальной кинетической энергии вылетающих фотоэлектронов. Работа электрического поля по торможению электрона равна $A = eU_з$.

Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов определяется по формуле:

$E_{k,max} = \frac{m_e v_{max}^2}{2}$

Приравнивая работу поля и кинетическую энергию, получаем уравнение:

$eU_з = \frac{m_e v_{max}^2}{2}$

Выразим из этого уравнения максимальную скорость $v_{max}$:

$v_{max}^2 = \frac{2eU_з}{m_e}$

$v_{max} = \sqrt{\frac{2eU_з}{m_e}}$

Подставим числовые значения в формулу:

$v_{max} = \sqrt{\frac{2 \cdot 1,6 \cdot 10^{-19} \text{ Кл} \cdot 0,8 \text{ В}}{9,1 \cdot 10^{-31} \text{ кг}}} = \sqrt{\frac{2,56 \cdot 10^{-19}}{9,1 \cdot 10^{-31}}} \text{ м/с} \approx \sqrt{0,281 \cdot 10^{12}} \text{ м/с} \approx \sqrt{28,1 \cdot 10^{10}} \text{ м/с}$

$v_{max} \approx 5,3 \cdot 10^5 \text{ м/с} = 530 \text{ км/с}$

Ответ: максимальная скорость фотоэлектронов составляет приблизительно $5,3 \cdot 10^5 \text{ м/с}$ (или 530 км/с).

№1144 (с. 151)
Условие. №1144 (с. 151)
ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1144, Условие

1144. К вакуумному фотоэлементу, у которого катод выполнен из цезия, приложено запирающее напряжение 2 В. При какой длине волны падающего на катод света появится фототок?

Решение 1. №1144 (с. 151)
ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1144, Решение 1
Решение 2. №1144 (с. 151)
ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1144, Решение 2
Решение 3. №1144 (с. 151)
ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1144, Решение 3
Решение 4. №1144 (с. 151)

1144. Дано:

Запирающее напряжение $U_з = 2$ В
Материал катода - цезий (Cs)
Работа выхода для цезия $A_{вых} = 1.9$ эВ (справочное значение)
Постоянная Планка $h \approx 6.63 \cdot 10^{-34}$ Дж·с
Скорость света в вакууме $c = 3 \cdot 10^8$ м/с
Элементарный заряд $e \approx 1.6 \cdot 10^{-19}$ Кл

Переведем работу выхода в систему СИ:
$A_{вых} = 1.9 \text{ эВ} = 1.9 \cdot 1.6 \cdot 10^{-19} \text{ Дж} = 3.04 \cdot 10^{-19} \text{ Дж}$

Найти:

$\lambda$ - ?

Решение:

Фототок в вакуумном фотоэлементе возникает, когда энергия падающих фотонов достаточна для того, чтобы выбить электроны из катода (преодолеть работу выхода) и сообщить им кинетическую энергию, достаточную для преодоления задерживающего электрического поля, создаваемого запирающим напряжением.

Условие возникновения фототока описывается уравнением Эйнштейна для фотоэффекта: $E_ф \ge A_{вых} + E_{к,max}$ где $E_ф$ — энергия фотона, $A_{вых}$ — работа выхода электронов из материала катода, а $E_{к,max}$ — максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов.

Энергия фотона связана с длиной волны света $\lambda$ соотношением: $E_ф = \frac{hc}{\lambda}$

Максимальная кинетическая энергия электронов, которые могут преодолеть задерживающее поле, определяется величиной запирающего напряжения $U_з$: $E_{к,max} = eU_з$

Таким образом, для появления фототока должно выполняться условие: $\frac{hc}{\lambda} \ge A_{вых} + eU_з$

Вопрос "при какой длине волны... появится фототок" подразумевает нахождение пограничного значения. Это максимальная длина волны (минимальная энергия фотона), при которой фототок еще возможен. Следовательно, мы ищем $\lambda_{max}$, используя знак равенства: $\frac{hc}{\lambda_{max}} = A_{вых} + eU_з$

Выразим из этого уравнения длину волны $\lambda_{max}$: $\lambda_{max} = \frac{hc}{A_{вых} + eU_з}$

Подставим числовые значения в систему СИ: $\lambda_{max} = \frac{6.63 \cdot 10^{-34} \text{ Дж}\cdot\text{с} \cdot 3 \cdot 10^8 \text{ м/с}}{3.04 \cdot 10^{-19} \text{ Дж} + 1.6 \cdot 10^{-19} \text{ Кл} \cdot 2 \text{ В}}$

$\lambda_{max} = \frac{19.89 \cdot 10^{-26} \text{ Дж}\cdot\text{м}}{3.04 \cdot 10^{-19} \text{ Дж} + 3.2 \cdot 10^{-19} \text{ Дж}}$

$\lambda_{max} = \frac{19.89 \cdot 10^{-26} \text{ Дж}\cdot\text{м}}{6.24 \cdot 10^{-19} \text{ Дж}} \approx 3.1875 \cdot 10^{-7} \text{ м}$

Таким образом, фототок появится при облучении катода светом с длиной волны, не превышающей это значение ($\lambda \le \lambda_{max}$). В нанометрах это значение составляет примерно $319$ нм, что соответствует ультрафиолетовому диапазону излучения.

Ответ: фототок появится при длине волны падающего света $\lambda \le 3.19 \cdot 10^{-7}$ м (или 319 нм).

№1145 (с. 151)
Условие. №1145 (с. 151)
ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1145, Условие

1145. Какое запирающее напряжение надо подать на вакуумный фотоэлемент, чтобы электроны, вырванные ультрафиолетовым светом с длиной волны 100 нм из вольфрамового катода, не могли создать ток в цепи?

Решение 1. №1145 (с. 151)
ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1145, Решение 1
Решение 2. №1145 (с. 151)
ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1145, Решение 2
Решение 3. №1145 (с. 151)
ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1145, Решение 3 ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1145, Решение 3 (продолжение 2)
Решение 4. №1145 (с. 151)

Дано:

Длина волны ультрафиолетового света, $\lambda = 100$ нм.

Материал катода - вольфрам. Работа выхода для вольфрама (справочное значение), $A_{вых} = 4.5$ эВ.

Постоянная Планка, $h \approx 6.63 \times 10^{-34}$ Дж·с.

Скорость света в вакууме, $c \approx 3 \times 10^8$ м/с.

Элементарный заряд, $e \approx 1.6 \times 10^{-19}$ Кл.

Перевод в систему СИ:

$\lambda = 100 \text{ нм} = 100 \times 10^{-9} \text{ м} = 10^{-7} \text{ м}$.

$A_{вых} = 4.5 \text{ эВ} = 4.5 \times 1.6 \times 10^{-19} \text{ Дж} = 7.2 \times 10^{-19} \text{ Дж}$.

Найти:

Запирающее напряжение, $U_з$.

Решение:

Чтобы прекратить фототок, необходимо приложить запирающее напряжение $U_з$, которое остановит даже самые быстрые фотоэлектроны. Работа электрического поля по торможению этих электронов должна быть равна их максимальной кинетической энергии $E_{к,макс}$.

$eU_з = E_{к,макс}$

Максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов можно найти из уравнения Эйнштейна для фотоэффекта:

$E_ф = A_{вых} + E_{к,макс}$

где $E_ф$ – энергия падающего фотона, а $A_{вых}$ – работа выхода электрона из вольфрама.

Энергия фотона определяется его длиной волны $\lambda$:

$E_ф = \frac{hc}{\lambda}$

где $h$ – постоянная Планка, а $c$ – скорость света.

Объединим эти уравнения, чтобы выразить $U_з$. Сначала найдем $E_{к,макс}$:

$E_{к,макс} = E_ф - A_{вых} = \frac{hc}{\lambda} - A_{вых}$

Теперь подставим это выражение в формулу для работы поля:

$eU_з = \frac{hc}{\lambda} - A_{вых}$

Отсюда находим искомое запирающее напряжение:

$U_з = \frac{1}{e} \left( \frac{hc}{\lambda} - A_{вых} \right)$

Подставим числовые значения в систему СИ и произведем вычисления.

1. Найдем энергию фотона:

$E_ф = \frac{6.63 \times 10^{-34} \text{ Дж} \cdot \text{с} \times 3 \times 10^8 \text{ м/с}}{10^{-7} \text{ м}} = 19.89 \times 10^{-19} \text{ Дж}$

2. Найдем максимальную кинетическую энергию электронов:

$E_{к,макс} = 19.89 \times 10^{-19} \text{ Дж} - 7.2 \times 10^{-19} \text{ Дж} = 12.69 \times 10^{-19} \text{ Дж}$

3. Найдем запирающее напряжение:

$U_з = \frac{E_{к,макс}}{e} = \frac{12.69 \times 10^{-19} \text{ Дж}}{1.6 \times 10^{-19} \text{ Кл}} \approx 7.93 \text{ В}$

Ответ: запирающее напряжение должно быть приблизительно равно $7.93$ В.

№1146 (с. 151)
Условие. №1146 (с. 151)
ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1146, Условие

1146. Для определения постоянной Планка была составлена цепь, представленная на рисунке 125. Когда скользящий контакт потенциометра находится в крайнем левом положении, гальванометр при освещении фотоэлемента регистрирует слабый фототок. Передвигая скользящий контакт вправо, постепенно увеличивают запирающее напряжение до тех пор, пока не прекратится фототок. При освещении фотоэлемента фиолетовым светом с частотой $v_2 = 750 \text{ ТГц}$ запирающее напряжение $U_{32} = 2 \text{ В}$, а при освещении красным светом с частотой $v_1 = 390 \text{ ТГц}$ запирающее напряжение $U_{31} = 0,5 \text{ В}$. Какое значение постоянной Планка было получено?

Решение 1. №1146 (с. 151)
ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1146, Решение 1
Решение 2. №1146 (с. 151)
ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1146, Решение 2
Решение 3. №1146 (с. 151)
ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1146, Решение 3
Решение 4. №1146 (с. 151)

Дано:

Частота фиолетового света $v_2 = 750 \text{ ТГц} = 750 \cdot 10^{12} \text{ Гц}$

Запирающее напряжение для фиолетового света $U_{з2} = 2 \text{ В}$

Частота красного света $v_1 = 390 \text{ ТГц} = 390 \cdot 10^{12} \text{ Гц}$

Запирающее напряжение для красного света $U_{з1} = 0,5 \text{ В}$

Заряд электрона $e \approx 1,6 \cdot 10^{-19} \text{ Кл}$

Найти:

Постоянную Планка $h$.

Решение:

Для решения задачи используется уравнение Эйнштейна для фотоэлектрического эффекта. Согласно этому уравнению, энергия падающего фотона $h\nu$ идет на совершение работы выхода электрона из металла $A_{вых}$ и на сообщение вылетевшему электрону максимальной кинетической энергии $K_{max}$:

$h\nu = A_{вых} + K_{max}$

Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов связана с задерживающим (запирающим) напряжением $U_з$ соотношением:

$K_{max} = eU_з$

где $e$ — элементарный заряд. Подставив это в уравнение Эйнштейна, получим:

$h\nu = A_{вых} + eU_з$

Работа выхода $A_{вых}$ зависит только от материала фотокатода и не зависит от частоты и интенсивности падающего света. Запишем это уравнение для двух экспериментальных случаев (освещение фиолетовым и красным светом):

1. Для красного света: $h\nu_1 = A_{вых} + eU_{з1}$

2. Для фиолетового света: $h\nu_2 = A_{вых} + eU_{з2}$

Мы получили систему из двух линейных уравнений с двумя неизвестными: постоянной Планка $h$ и работой выхода $A_{вых}$. Чтобы найти $h$, исключим $A_{вых}$, вычтя первое уравнение из второго:

$h\nu_2 - h\nu_1 = (A_{вых} + eU_{з2}) - (A_{вых} + eU_{з1})$

$h(\nu_2 - \nu_1) = eU_{з2} - eU_{з1}$

$h(\nu_2 - \nu_1) = e(U_{з2} - U_{з1})$

Выразим из этого уравнения постоянную Планка $h$:

$h = \frac{e(U_{з2} - U_{з1})}{\nu_2 - \nu_1}$

Теперь подставим числовые значения из условия задачи и выполним расчеты:

$h = \frac{1,6 \cdot 10^{-19} \text{ Кл} \cdot (2 \text{ В} - 0,5 \text{ В})}{(750 \cdot 10^{12} \text{ Гц} - 390 \cdot 10^{12} \text{ Гц})}$

$h = \frac{1,6 \cdot 10^{-19} \cdot 1,5}{(750 - 390) \cdot 10^{12}} \text{ Дж} \cdot \text{с}$

$h = \frac{2,4 \cdot 10^{-19}}{360 \cdot 10^{12}} \text{ Дж} \cdot \text{с} \approx 0,00667 \cdot 10^{-31} \text{ Дж} \cdot \text{с}$

$h \approx 6,67 \cdot 10^{-34} \text{ Дж} \cdot \text{с}$

Ответ: полученное значение постоянной Планка составляет $h \approx 6,67 \cdot 10^{-34} \text{ Дж} \cdot \text{с}$.

№1147 (с. 151)
Условие. №1147 (с. 151)
ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1147, Условие ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1147, Условие (продолжение 2)

1147. В установке, изображённой на рисунке 125, катод фотоэлемента может быть выполнен из различных материалов. На рисунке 126 представлены графики зависимости запирающего напряжения $U_з$ от частоты $\nu$ облучающего света для двух разных материалов катода. Обосновать линейность этой зависимости. Какой из материалов имеет большую работу выхода? Каков физический смысл точек $A$ и $B$ на графике?

Решение 1. №1147 (с. 151)
ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1147, Решение 1
Решение 2. №1147 (с. 151)
ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1147, Решение 2
Решение 3. №1147 (с. 151)
ГДЗ Физика, 10-11 класс Задачник, автор: Рымкевич Андрей Павлович, издательство Просвещение, Москва, 2016, белого цвета, страница 151, номер 1147, Решение 3
Решение 4. №1147 (с. 151)

Обосновать линейность этой зависимости.Линейность зависимости запирающего напряжения $U_з$ от частоты света $\nu$ следует из уравнения Эйнштейна для фотоэффекта. Согласно этому уравнению, энергия фотона $h\nu$ расходуется на работу выхода электрона из металла $A_{вых}$ и на сообщение ему максимальной кинетической энергии $K_{max}$:
$h\nu = A_{вых} + K_{max}$
где $h$ — постоянная Планка.
Запирающее напряжение $U_з$ — это такое напряжение, при котором электрическое поле совершает работу, равную максимальной кинетической энергии фотоэлектронов, тем самым останавливая их. Работа поля равна $eU_з$, где $e$ — элементарный заряд. Таким образом, $K_{max} = eU_з$.
Подставив это выражение в уравнение Эйнштейна, получим:
$h\nu = A_{вых} + eU_з$
Выразим отсюда запирающее напряжение $U_з$:
$eU_з = h\nu - A_{вых}$
$U_з = \frac{h}{e}\nu - \frac{A_{вых}}{e}$
Это уравнение представляет собой линейную функцию вида $y = kx + b$, где:
• $y = U_з$
• $x = \nu$
• угловой коэффициент (тангенс угла наклона) $k = \frac{h}{e}$ является константой, так как $h$ и $e$ — фундаментальные физические постоянные.
• свободный член $b = -\frac{A_{вых}}{e}$ постоянен для данного материала.
Поскольку зависимость $U_з$ от $\nu$ описывается линейным уравнением, её график представляет собой прямую линию.
Ответ:Зависимость запирающего напряжения от частоты света описывается уравнением $U_з = \frac{h}{e}\nu - \frac{A_{вых}}{e}$, которое является уравнением прямой линии, что и объясняет линейный характер графиков.

Какой из материалов имеет бо́льшую работу выхода?Работа выхода $A_{вых}$ связана с красной границей фотоэффекта $\nu_0$ (минимальной частотой света, при которой еще возможен фотоэффект) соотношением $A_{вых} = h\nu_0$. На графике красной границе соответствуют точки пересечения прямых с осью частот $\nu$, так как при $\nu = \nu_0$ кинетическая энергия фотоэлектронов равна нулю, а значит, и запирающее напряжение $U_з = 0$.
Из графика видно, что точка пересечения с осью частот для графика II ($\nu_{0,II}$) находится правее, чем для графика I ($\nu_{0,I}$). Это означает, что $\nu_{0,II} > \nu_{0,I}$.
Поскольку работа выхода прямо пропорциональна частоте красной границы ($A_{вых} \sim \nu_0$), то для материала II работа выхода будет больше, чем для материала I.
$A_{вых, II} > A_{вых, I}$
Ответ:Материал II имеет бо́льшую работу выхода.

Каков физический смысл точек А и В на графике?Точки A и B — это точки пересечения экстраполированных графиков с осью ординат (осью $U_з$). Это соответствует случаю, когда частота света $\nu = 0$. Подставим $\nu = 0$ в уравнение для запирающего напряжения:
$U_з = \frac{h}{e} \cdot 0 - \frac{A_{вых}}{e} = -\frac{A_{вых}}{e}$
Таким образом, ординаты точек A и B равны:
$U_{з,A} = -\frac{A_{вых,I}}{e}$
$U_{з,B} = -\frac{A_{вых,II}}{e}$
Физический смысл этих точек заключается в том, что модуль значения напряжения в этих точках, умноженный на элементарный заряд $e$, равен работе выхода электрона для соответствующего материала:
$A_{вых} = -e \cdot U_з$ или $A_{вых} = e \cdot |U_з|$
Иными словами, ордината точки пересечения графика с осью напряжений численно равна работе выхода, выраженной в электрон-вольтах (эВ), и взятой с отрицательным знаком.
Ответ:Физический смысл ординат точек A и B заключается в том, что они равны взятому с обратным знаком отношению работы выхода к элементарному заряду ($U_з = -A_{вых}/e$). Модуль ординаты, умноженный на элементарный заряд, равен работе выхода для соответствующего материала.

Помогло решение? Оставьте отзыв в комментариях ниже.

Присоединяйтесь к Телеграм-группе @top_gdz

Присоединиться