Решение задач по теме "Фотоэффект".

ГБПОУ КМТТ п. Навля

 

 

 

 

 

 

 

Разработка урока по физике

для студентов СПО

Решение задач по теме: «Фотоэффект»

(2 курс)

 

Преподаватель физики:

Трохова Л. А.

 

 

 

 

 

2019 г

Решение задач по теме: «Волновые и квантовые свойства света»

«Науку все глубже постигнуть стремись,

Познанием вечного жаждой томись,

Лишь первых познаний блеснет тебе свет,

Узнаешь: предела для знания нет»

(Фирдоуси, персидский и таджикский поэт 940-1030 г.г.)

Успех человека в значительной степени зависит от того, насколько развито у него системное мышление. Занятие физикой никогда нельзя считать бесполезной тратой времени. Системное мышление формируется в процессе поиска решений.

Цель:

1. Формирование практических умений и навыков;

2. Развитие умений применять свои знания для анализа различных физических явлений, умения выполнять расчеты;

3. Воспитывать самостоятельность и ответственность.

Оборудование:

1. Источник ультрафиолетового излучения прибор «Фотон», λ=230-290 нм

2. электрометр;

3. стеклянна палочка;

4. эбонитовая палочка;

5. мех;

6. пластинка из обыкновенного стекла;

7. ПК (презентация «Волновые и квантовые свойства света»).

 

Ход урока

I. Орг. момент

II. Актуализация знаний

1. В чем заключается явление фотоэффекта?

2. Когда и кем было открыто явление фотоэффекта?

(Г. Геру 1887 г, занимаясь опытами с электромагнитными волнами, обнаружил, что при облучении ультрафиолетовыми лучами электродов, находящихся под высоким напряжением, разряд возникает при большем расстоянии между электродами, чем без облучения.)

3. Кем были установлены количественные закономерности фотоэффекта?

(Столетов А. Г (1888-1889 г)

·                     Число электронов, выбиваемых за 1 сек из вещества, пропорционально интенсивности света, падающего на вещество;

·                    Кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а зависит от его частоты;

m_ev²/2 = eU_з, U_{з –} задерживающая  разность потенциалов;

Кинетическая энергия линейно возрастает с частотой света.

·                    Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть наименьшая частота ν<ν_min,  при которой возможен фотоэффект.)

4. Написать формулу Эйнштейна дл фотоэффекта и объяснить её.

(E = hν = A + m_ev²/2

1900 г – Планк – атомы излучают свет отдельными порциями – квантами: E = hν, h = 6, 63 ×10^-34 Дж с – постоянная Планка

1905 г – Эйнштейн)

5. Что собой представляет фотон?

6. Записать формулы, определяющие энергию фотона, массу и импульс.

(C = λ×ν; c = 3×10⁸м/с

E = mc² = hν = h×(c/λ)

m = hν/c²

p = mc = hν/c = h/λ)

7. Как направлен импульс фотона?

8. Когда проявляются волновые свойства света, а когда квантовые?

III. Решение задач.

1. Экспериментальные задачи (Приложение № 1).

2. Фотоэлектроны, вылетающие из металлической пластины, тормозятся внешним электрическим полем. Пластина освещена светом, энергия фотонов которого равна 3 эВ. На рисунке приведён график зависимости фототока от напряжения между пластинами, создаваемого внешним полем. Определить работу выхода электрона.

                                                                                          

Дано:	Си	Решение
E = 3 эВ	4, 8 × 10-19 Дж
e =1, 6 × 10-19 Кл
I = f (ν)
A - ?

 

1 эВ = 1, 6 ×10^-19 Дж

U_з = 1,0 В – определяем по графику

E = A + e U_з

A = E - e U_з

 

A = 4, 8 × 10^-19 - 1, 6 ×10^-19 = 3, 2 ×10^-19  Дж

Ответ: А = 3, 2 ×10^-19  Дж (2 эВ)

 

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

Дано:	Си	Решение
V = 2 Мм/с                         h = 6, 63 × 10-34 Дж с me = 9,1 × 10-31 кг с = 3 × 108 м/с Ац = 1,8 эВ	2×106 м/с       2,88 × 10-19 Дж	hν = A + mev2/2; c = λ×ν; ν = c/λ, тогда h× (c/λ) = A + mev2/2;
λ- ?

 

λ = hc/( A + m_ev²/2);

λ = (6, 63 × 10^-34 × 3 × 10⁸)/ (2,88 × 10^-19 + (9,1 × 10^-31× (2×10⁶)²/2 = (19,89 × 10^-26)/ (2,88 × 10^-19 +18,2 × 10^-19) = (19,89 × 10^-26)/ (21,08 × 10^-19) = 0,943 ×10^-7 м = 94,3 × 10^-9м = 94, 3 нм

[λ] = [(Дж с × м/с) / Дж] = [м]

[Е_к] = [кг м²/с²] = [(кг м/ с²) × м] = [н м] = [Дж]

Ответ: λ = 94, 3 нм

 

4. При какой скорости электроны будут иметь энергию, равную энергии фотонов ультрафиолетового света с длиной волны 200 нм?

Дано:	Си	Решение
λ = 200 нм me = 9,1 × 10-31 кг h = 6, 63 × 10-34 Дж с	200 × 10-9 м   Е эл = Е ф	Е ф = hν = h× c/λ; Е эл = (me V2) / 2; (me V2) / 2 = h× c/λ; V =
V - ?

 

V =

V = 10^-34) × (3×10⁸) / (9,1 × 10^-31) × (2 × 10^-7) =   2,186 × 10¹² = 1, 478 × 10⁶  м/с = 1478 км/с

Ответ: V = 1478 км/с

 

5. Уменьшается ли масса Солнца вследствие излучения? (на 4×10⁹ ежесекундно)

IV. Закрепление. Самостоятельная работа по карточкам (приложение № 2)

V. Д/з – повторить пар. 87 – 90, упр. 12 – 4, № 1143, 1151, разгадать кроссворд (приложение № 3)

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение № 1. Экспериментальные задачи

1. Пластинка из хорошо отчищенного шкуркой цинка прикреплена к головке электрометра:

1). Сначала пластинке сообщаем положительный заряд (в результате электризации стеклянной палочки мехом, она получает положительный заряд). Освещаем от электрофиолетового излучателя. Электрометр не демонстрирует никакого уменьшения заряда.

2). Сообщаем пластинке отрицательный заряд (эбонитовую палочку электризуем мехом). Освещаем от электрофиолетового излучателя, стрелка электрометра показывает быстрое уменьшение заряда до нуля.

Почему в первом случае электрометр не разряжается, а во втором случае заряд быстро уменьшается до нуля?

2. Почему стрелка электрометра не показывает уменьшение заряда, если между отрицательно заряженной цинковой пластинкой и источником ультрафиолетового излучения пометить пластинку из обыкновенного стекла толщиной 3 мм, она полностью перекрывает световой поток?

Заряд цинковой пластинки не уменьшается, при удалении стекла заряд уменьшается до нуля.

(Стеклянная пластинка не пропускает коротковолнового ультрафиолетового излучения).

 

 

 

Приложение № 2. Карточки для самостоятельной работы

 

 

№ 1. Энергия излучения с длиной волны 1 мкм составляет 10^-7 Дж. Определите число фотонов в излучении.                                         Ответ: _________________

 

№ 2. Какова красная граница фотоэффекта для платины, если работа выхода электронов равна  А = 1×10^-18 Дж?                               Ответ: _________________ м

 

№ 3. Найти работу выхода электронов из металла, если фотоэффект начинается при частоте падающего света 6×10¹⁴ Гц. .                            Ответ: _________________ Дж

 

№ 4. Определите энергию пучка синего света с длиной волны 450 нм, Состоящего из 10 фотонов. .                                                              Ответ: _________________ Дж

 

№ 5. Найти массу фотона, длина волны которого равна 500 нм.       

.                                                                            Ответ: _________________ кг

 

 

 

 

Ответы к карточкам для самостоятельной работы

 

№ 1

Дано:	Си	Решение
E = 10-7 Дж λ = 1 мкм	1×10-6 м	Eф = hν = h× (c/λ), так как c = λ×ν; υ = c/λ
		n = Е/ Eф = Е λ/nc
		n = 10-7 ×1×10-6/6,63×10-34×3×108 = 0,0502×1013  = 5,02×1011 фотонов.
n - ?

Ответ:5,02×10¹¹ фотонов.

 

№ 2

Дано:	Решение
А = 1×10-18 Дж	А =  hνкр = h× (c/ λкр); λкр = (hc)/A;
	λкр = (6, 63×10-34×3×108)/ (1×10-18) = 1,989×10-7 м = 2×10-7 м
λкр - ?	[λ] = [(Дж с × м/с) / Дж] = [м]

Ответ: λ_кр = 2×10^-7 м.

 

№ 3

Дано:	Решение
νmin = 6×1014 c-1	[V] = [Гц] = [1/с] = [c-1] A = h νmin
h = 6, 63×10-34 Дж c	A = 6, 63×10-34 × 6×1014  = 4,0× 10-19 Дж.
A - ?

Ответ: А = 4,0× 10^-19 Дж

 

 

 

 

№ 4

Дано:	Си	Решение
λ = 450 нм n = 10 фотонов	4,5×10-7 м	Eф = hν = h× (c/λ) Е = Eф × n = (hc/ λ) × n
		E = ((6, 63×10-34 × 3×108)/ 4,5×10-7 )) × 10 =
		4,42 × 10-18 Дж.
E - ?

Ответ: Е = 4,42 × 10^-18 Дж.

 

№ 5

Дано:	Си	Решение
λ = 450 нм	5×10-7 м	Согласно теории относительности Эйнштейна E = mc2 = hν = h× (c/λ); m = hc/ λc2 = h/ λc;
		m = 6, 63×10-34/(5×10-7  × 3×108) = 0,442×10-35 кг = 4,42 ×10-36 кг.
		m = [(Дж с/ м×м/с)] = [H×м×c2] = [(кг× м×c2)/с2×м] = [кг]
m - ?

Ответ: m= 4,42 ×10^-36 кг.

 

 

 

Приложение № 3.

Кроссворд «Волновые и квантовые свойства света»

 

					1	ф
				2		о
				3		т
		4				о
					5	э
				6		л
7						е
					8	м
				9		е
		10				н
			11			т

 

1.      Квант электромагнитного излучения.

2.      Явление испускания электронов под действием электромагнитного излучения

3.      Русский физик-экспериментатор, установивший законы фотоэффекта.

4.      Один из электродов фотоэлемента.

5.      Создатель теории фотоэффекта.

6.      Немецкий физик-теоретик, основоположник квантовой теории.

7.      Внесистемная единица длины световой волны.

8.      Английский физик, создатель теории электромагнитного поля.

9.      Немецкий ученый, открывший явление фотоэффекта.

10.  Порция энергии.

11.  Электрический ток, представляющий собой направленное движение фотоэлектронов.