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

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)

1139. Какую максимальную кинетическую энергию имеют электроны, вырванные из оксида бария, при облучении светом частотой 1 ПГц?
Решение 1. №1139 (с. 151)

Решение 2. №1139 (с. 151)

Решение 3. №1139 (с. 151)

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)

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)

Решение 2. №1140 (с. 151)

Решение 3. №1140 (с. 151)

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)

1141. Какой длины волны свет надо направить на поверхность цезия, чтобы максимальная скорость фотоэлектронов была 2 Мм/с?
Решение 1. №1141 (с. 151)

Решение 2. №1141 (с. 151)

Решение 3. №1141 (с. 151)


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)


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)

Решение 2. №1142 (с. 151)

Решение 3. №1142 (с. 151)

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)

1143. Какова максимальная скорость фотоэлектронов, если фототок прекращается при запирающем напряжении 0,8 В?
Решение 1. №1143 (с. 151)

Решение 2. №1143 (с. 151)

Решение 3. №1143 (с. 151)

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)

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)

Решение 2. №1144 (с. 151)

Решение 3. №1144 (с. 151)

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)

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)

Решение 2. №1145 (с. 151)

Решение 3. №1145 (с. 151)


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)

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)

Решение 2. №1146 (с. 151)

Решение 3. №1146 (с. 151)

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)


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)

Решение 2. №1147 (с. 151)

Решение 3. №1147 (с. 151)

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.