Ответы на билеты к экзамену в ПУ-30

БИЛЕТ № 23

1. Квантовые свойства света. Фотоэффект и его законы. Приме¬нение фотоэффекта в технике

Явление вырывания электронов из твердых и жидких веществ пол действием света называют фотоэффектом. Если вырванные электроны вылетают за пределы вещества, то такой фотоэффект называют внешним.

Фотоэффект был открыт в 1887 г. Г. Герцем, а затем его экспери¬ментально исследовал русский ученый А. Г. Столетов. Принципиаль¬ная схема для исследования фотоэффекта приведена на рис. 23.1, а.

Падающее

Рис. 23.1

В вакуумной трубке помещены два электрода — катод из исследуе¬мого металла и анод (в схеме Столетова применялась металлическая сетка), подключенные к источнику напряжения. Напряжение межлу электродами измеряли вольтметром, а силу тока в цепи — гальваномет¬ром. Без освещения катода в цепи тока нет. При освещении электроны, вырываемые светом из катода под действием электрического поля, при¬тягиваются к положительно заряженному аноду. Возникающий в цепи электрический ток называют фототоком, а вырванные электроны фо¬тоэлектронами. Фототок возникает даже в отсутствие разности потен¬циалов между анодом и катодом.

С увеличением разности потенциалов между анодом и катодом сила тока возрастает. При некотором напряжении она достигает мак¬симального значения, называемого фототоком насыщения /н (рис. 23.1,6).

Были установлены законы фотоэффекта.

1. Фототок насыщения прямо пропорционален интенсивности света, падающего на катод.

2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов прямо пропор¬циональна частоте света и не зависит от его интенсивности.

3. Для каждого вещества существует минимальная частота света, называемая красной границей фотоэффекта, ниже которой фотоэффект невозможен.

Явление фотоэффекта и его законы были объяснены на основе предло¬женной Эйнштейпом квантовой теории света. Согласно этой теории, рас¬пространение света следует рассматривать не как непрерывный волновой процесс, а как поток дискретных световых квантов — фотонов с энергией

hv. Интенсивность света прямо пропорциональна числу фотонов АГф и

энергии каждого из них hv. Каждый фотон поглощается целиком только одним электроном. Поэтому число вырванных светом фотоэлектронов (а

стало быть, и фототок насыщения lri), пропорционально Нф, т е. интен¬сивности света (первый закон фотоэффекта).

Объяснить второй и третий законы фотоэффекта Эйнштейну удалось с по¬мощью закона сохранения энергии. Энергию связи электрона в мегалле ха¬рактеризуют работой выхода Д ^ Работа выхода — минимальная работа, которую нужно совершить для удаления электрона из металла.

Энергия фотона идет на совершение работы выхода и на сообщение выле¬тевшему фотоэлектрону кинетической энергии

hv = Авых +

\ 2 где h — постоянная Планка связывает энергию излучения кванта и час-

<3 i

тоту h = 6,62 • 10 Дж - с. Закон сохранения энергии называют уравнением

Эйнштейна для фотоэффекта. Кинетическая энергия фотоэлектрона ли¬нейно зависит от частоты света (второй закон фотоэффекта:

вш

Рис 23.2

_ mv1 . ( А.

выг

График зависимости кинетической энергии от частоты ЕДу) приведен на рис. 23.2.

Кинетическая энергия всегда положительна. Это значит, что фотоэффект будет наблюдаться для частот

Предельная частота vmi(j определяет красную границу фотоэффекта, ниже которой фотоэффект невозможен (третий закон фотоэффекта):

^ nun

Излучение такой длины волны находится в красном диапазоне видимого спектра, чем и объясняется название — красная граница.

Фотоэффект нашел широкое применение в технике. Вакуумные фото¬элементы используют в турникетах метро, системах защитной и аварийной сигнализации, фотоэкспонометрах, военной технике, системах связи, считывания светового сигнала, проходящего через звуковую дорожку кинопленки, и т.д.

2. Качественная задача по теме « Электрический ток»

На рис. 23.3 представлена зависимость силы тока / от напряжения U на некотором сопрот ивлении. На каком участке выполняется закон Ома?

с/, в

/> А4

Согласно закону Ома для участка цепи, I=U/R, где ^-сопротивление участка цепи, сила тока прямо пропорциональна напряжению, а графиком такой зависимости является прямая . На графике такая зависимость выпол¬няется на участке до напряжения 4 В.

3. Текст по разделу «Молекулярная физика», содержащий опи¬сание физических явлений или процессов, наблюдаемых в природе или в повседневной жизни. Задание на понимание физических тер¬минов, определение явления или его признаков, объяснение явле¬ния при помощи имеющихся знаний

О природе теплоты

Задумывались ли над тем, как тепло проникает через твердые тела? По¬чему испарение приводит к охлаждению?

выя

Молекулы веществ находятся в непрерывном движении и все время взаимодействуют друг с другом, В жидкостях и газах они способны пере¬двигаться на большие расстояния, причем в газах движение происходит более свободно, чем в жидкостях. В твердом теле молекулы только совер¬шают колебания вблизи определенных мест. Чем быстрее движутся моле¬

кулы, тем выше температура тела. При передаче тепла через твердый мате¬риал распространяется не вещество, вроде воды или воздуха, а изменяется интенсивность колебаний молекул. Наблюдали ли вы, чго происходит, ко¬гда пища в кастрюле, поставленной на газовую плиту, разогревается? Дви¬жение молекул горящего газа намного быстрее, чем у предметов с нормаль¬ной температурой. Эти быстрые молекулы сталкиваются с молекулами ме¬тал та у дна кастрюли. И те начинают двигаться гораздо быстрее. Затем, в свою очередь, начинают двигаться быстрее молекулы, расположенные в верхних слоях металла и так от молекулы к молекуле быстрое колебатель¬ное движение распространяется через металл и достигает содержимого ка¬стрюли.

А почему происходит охлаждение, когда вода или любая другая жид¬кость испаряется? Жидкости отличаются от твердых тел тем, что молекулы в них могут вырываться из своего окружения и двигаться более или менее сами по себе. Межмолекулярных сил уже не хватает, чтобы удерживать молекулу в одном определенном положении, как это имеет место в твердых телах. Но силы притяжения в жидкости еще достаточно велики, чтобы удерживать молекулы все вместе в объеме жидкости, налитой в сосуд. Во время своих перемещений по жидкости молекулы соударяются друг с др>- гом. Может случиться, что молекула, находящаяся недалеко от поверхно¬сти, получит при соударении настолько большую скорость, что сможет вылететь из жидкости в воздух. Происходит процесс испарения В жидко¬сти остаются более медленные молекулы, которым соответствует более низкая температура. В результате при испарении жидкость охлаждается.

Ответьте на вопросы к тексту и выполните задание:

1. Что вы чувствуете, когда протираете кожу своей руки спиртом?

2. При одной и той же температуре, когда нам кажется теплее — в сы¬рую погоду или в сухую?

3. Когда быстрее растает кусочек льда — закутанный в теплый шарф или положенный на тарелку?

4. Каков принцип работы холодильника?