Страница 262 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

Какой ключ вы бы взяли и как предложили бы включить его в цепь на рисунке 10.2, чтобы можно было изменять полюса подаваемого на электроды напряжения, не отключая источник?

Решение

Для того чтобы можно было изменять полюса подаваемого на электроды напряжения, не отключая источник, необходимо использовать перекидной ключ, который также называют двухполюсным переключателем на два направления (в англоязычной литературе — DPDT-переключатель). Этот тип переключателя имеет шесть контактов: два центральных (подвижных) и четыре боковых (неподвижных, по два для каждого положения).

Включить его в цепь следует по следующей схеме:
1. Два центральных (подвижных) контакта переключателя подключаются к электродам (один контакт к одному электроду, второй — ко второму). Обозначим электроды $Э_1$ и $Э_2$.
2. Клеммы источника постоянного тока ($+$ и $-$) подключаются к четырем боковым (неподвижным) контактам по перекрестной схеме. Это означает, что положительная клемма $«+»$ источника соединяется с одной парой диагонально расположенных боковых контактов, а отрицательная клемма $«-»$ — с другой парой диагонально расположенных контактов.

При такой схеме, когда переключатель находится в одном положении, ток от положительной клеммы источника пойдет на электрод $Э_1$, а с электрода $Э_2$ вернется к отрицательной клемме. Таким образом, $Э_1$ будет анодом ($+$), а $Э_2$ — катодом ($-$).
При переключении в другое положение, благодаря перекрестному соединению, путь тока изменится. Теперь ток от положительной клеммы пойдет на электрод $Э_2$, а с электрода $Э_1$ вернется к отрицательной клемме. Полярность на электродах изменится на противоположную: $Э_1$ станет катодом ($-$), а $Э_2$ — анодом ($+$).

Ответ:
Следует использовать двухполюсный переключатель на два направления (перекидной ключ). Его нужно включить в цепь так: центральные контакты подключить к электродам, а клеммы источника тока — к боковым контактам по перекрестной (диагональной) схеме.

Подумайте, как изменится вольт-амперная характеристика фотоэффекта при увеличении или уменьшении частоты падающего излучения, если при этом световой поток не изменяется.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) фотоэффекта — это график зависимости силы фототока $I$ от напряжения $U$ между катодом и анодом. Характер этого графика определяется двумя ключевыми величинами: задерживающим напряжением $U_з$ и током насыщения $I_{нас}$. Проанализируем, как изменится ВАХ при изменении частоты падающего излучения $\nu$, если его световой поток (мощность излучения $P$) остаётся неизменным.

Для анализа будем использовать основные положения теории фотоэффекта:

1. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта связывает энергию падающего фотона $h\nu$ с работой выхода электрона $A_{вых}$ и максимальной кинетической энергией вылетевшего фотоэлектрона $E_{k,max}$: $h\nu = A_{вых} + E_{k,max}$.

2. Задерживающее напряжение $U_з$ — это такое отрицательное напряжение, при котором фототок прекращается. Оно способно остановить даже самые быстрые фотоэлектроны, поэтому работа поля по торможению электрона равна его максимальной кинетической энергии: $eU_з = E_{k,max}$. Объединив с уравнением Эйнштейна, получим: $U_з = \frac{h\nu - A_{вых}}{e}$.

3. Ток насыщения $I_{нас}$ достигается, когда все фотоэлектроны, испускаемые катодом в единицу времени, достигают анода. Его величина прямо пропорциональна числу фотоэлектронов $N_e$, выбиваемых в секунду: $I_{нас} = e \cdot N_e$. В свою очередь, по законам фотоэффекта, число выбитых электронов $N_e$ пропорционально числу падающих фотонов $N_{ph}$.

4. Мощность светового потока $P$ равна полной энергии всех фотонов, падающих на поверхность в единицу времени: $P = N_{ph} \cdot h\nu$. По условию задачи, эта величина постоянна: $P = \text{const}$. Из этого следует, что число падающих фотонов в секунду обратно пропорционально частоте света: $N_{ph} = \frac{P}{h\nu}$.

Рассмотрим, как эти зависимости влияют на ВАХ в двух случаях.

При увеличении частоты падающего излучения

Если частота падающего излучения $\nu$ увеличивается, то:

1. Задерживающее напряжение. Согласно формуле $U_з = \frac{h\nu - A_{вых}}{e}$, с ростом частоты $\nu$ увеличивается и максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов. Следовательно, для их остановки потребуется большее по модулю задерживающее напряжение $U_з$. На графике ВАХ это проявляется как смещение точки пересечения с осью напряжений влево (в сторону более отрицательных значений $U$).

2. Ток насыщения. Так как мощность излучения $P$ постоянна, а частота $\nu$ увеличивается, то из соотношения $N_{ph} = \frac{P}{h\nu}$ следует, что число фотонов $N_{ph}$, падающих на катод в секунду, уменьшается. Поскольку ток насыщения $I_{нас}$ пропорционален числу выбитых электронов, а оно, в свою очередь, пропорционально числу падающих фотонов, то ток насыщения $I_{нас}$ также уменьшится. На графике ВАХ это означает, что горизонтальная полка (плато) графика опустится ниже.

Ответ: При увеличении частоты падающего излучения при постоянном световом потоке, модуль задерживающего напряжения $|U_з|$ увеличится, а ток насыщения $I_{нас}$ уменьшится. График ВАХ сместится влево по оси напряжений и опустится по оси тока.

При уменьшении частоты падающего излучения

Если частота падающего излучения $\nu$ уменьшается (оставаясь выше красной границы фотоэффекта), то:

1. Задерживающее напряжение. Согласно формуле $U_з = \frac{h\nu - A_{вых}}{e}$, с уменьшением частоты $\nu$ уменьшается и максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов. Следовательно, для их остановки потребуется меньшее по модулю задерживающее напряжение $U_з$. На графике ВАХ это проявляется как смещение точки пересечения с осью напряжений вправо (ближе к нулю).

2. Ток насыщения. Так как мощность излучения $P$ постоянна, а частота $\nu$ уменьшается, то из соотношения $N_{ph} = \frac{P}{h\nu}$ следует, что число фотонов $N_{ph}$, падающих на катод в секунду, увеличивается. Это приведет к увеличению числа выбитых электронов и, как следствие, к увеличению тока насыщения $I_{нас}$. На графике ВАХ это означает, что горизонтальная полка (плато) графика поднимется выше.

Ответ: При уменьшении частоты падающего излучения при постоянном световом потоке, модуль задерживающего напряжения $|U_з|$ уменьшится, а ток насыщения $I_{нас}$ увеличится. График ВАХ сместится вправо по оси напряжений и поднимется по оси тока.