Меню

При освещении катода фотоэлемента желтым светом



При освещении катода фотоэлемента желтым светом

В опыте по изучению фотоэффекта катод освещается жёлтым светом, в результате чего в цепи возникает ток (рисунок 1). Зависимость показаний амперметра I от напряжения U между анодом и катодом приведена на рисунке 2. Используя законы фотоэффекта и предполагая, что отношение числа фотоэлектронов к числу поглощённых фотонов не зависит от частоты света, объясните, как изменится представленная зависимость I(U), если освещать катод зелёным светом, оставив мощность поглощённого катодом света неизменной.

1. При изменении света с жёлтого на зелёный его длина волны уменьшится, частота увеличится (νз > νж).

2. Работа выхода электронов из материала не зависит от частоты падающего света, поэтому в соответствии с уравнением Эйнштейна для фотоэффекта: hv = Aвых + Emax — увеличится максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов Emax. Так как то увеличится и модуль запирающего напряжения Uз.

3. Мощность поглощённого света связана с частотой волны ν соотношением P = NφEφ = Nφhν, где Nφ — число фотонов, падающих на катод за 1 с, Eφ= hν — энергия одного фотона (соотношение Планка). Так как мощность света не изменилась, а энергия фотонов Eφ увеличилась, то уменьшится число фотонов, падающих на катод за 1 с.

4. Сила тока насыщения Iнас определяется числом выбитых светом за 1 с электронов Ne, которое пропорционально числу падающих на катод за 1 с фотонов, поэтому сила тока насыщения уменьшится.

Ответ: точка отрыва графика от горизонтальной оси U сдвинется влево, горизонтальная асимптота графика Iнас сдвинется вниз.

Источник

При освещении катода фотоэлемента желтым светом

Каждый из нас бывал в кино. Ещё совсем недавно, 20–25 лет назад, его называли «Великим немым». В кинотеатре показывали лишь живые картины с пояснительными надписями. Но вот «Великий немой» заговорил: в кино зазвучали самые различные звуки — шум битвы и шорох ветвей, разговор и песня.

Какой же аппарат озвучил немое кино?

Посмотрите на рисунок 1. Вы видите совсем небольшой и очень простой с виду прибор. Это — маленькая электрическая машина. Она называется фотоэлементом.

Рис. 1. Внешний вид современного фотоэлемента.

Лишь с изобретением этого прибора стало возможным озвучить немое кино.

Он является одной из основных частей звукового киноаппарата.

Не только в кино применяется фотоэлемент. Он используется в современной жизни очень широко, а возможности применения фотоэлемента просто неограниченны.

Передача изображений по телеграфным проводам и с помощью радиоволн, автоматические включения и выключения различных машин и приборов, контроль качества изделий, точнейшие световые измерения — всё это осуществляется при помощи фотоэлементов.

Электрический ток в фотоэлементе возникает под действием света. Этот прибор работает лишь тогда, когда на него падает свет. Поэтому фотоэлемент часто называют «электрическим глазом». «Электрический глаз» безошибочно считает, бракует, предупреждает несчастные случаи, верно несёт пожарную и сторожевую службу. Более того, «электрический глаз» прекрасно «видит» в темноте на расстоянии в сотни метров в тех случаях, когда человек не разбирает очертаний предметов и в двух шагах!

Как устроен замечательный прибор — фотоэлемент, каким образом в нём рождается электрический ток, каковы разновидности «электрических глаз», где и как они применяются в жизни — обо всём этом и рассказывается в нашей книжке.

I. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО, РОЖДЕННОЕ СВЕТОМ

1. Опыты великого русского физика

А. Г. Столетов (родился в 1839 г., умер в 1896 г.).

В конце прошлого века, в 1888 году, профессор физики Московского университета Александр Григорьевич Столетов проводил очень интересные опыты. Он наблюдал рождение электрического тока под действием света!

Вот как ставились эти опыты.

Два небольших диска — сплошная металлическая пластинка и тонкая металлическая сетка — закреплялись вертикально друг против друга. Диски соединялись между собой проволокой, которая, в свою очередь, была последовательно соединена с электрической батареей и чувствительным прибором для измерения слабых электрических токов — гальванометром (рис. 2).

Рис. 2. Опыт А. Г. Столетова (следует иметь в виду, что все приборы изображены на рисунке условно, схематически).

Таким образом, получалась так называемая электрическая цепь, состоящая из 1-го диска, электрической батареи, гальванометра, 2-го диска и соединяющих их проволок. Так как эта цепь была разомкнута — между дисками находился воздушный промежуток, — то естественно, что электрического тока в ней не наблюдалось, хотя в цепь и была включена электрическая батарея. Но вот странное дело: стоило лишь направить на металлическую пластинку сильный свет от электрической дуги, как гальванометр тотчас отмечал появление в цепи электрического тока!

Читайте также:  Совместимость имен коля света

В чём тут было дело?

Выходило, что свет как бы переносил электрические заряды с диска на диск — с пластинки на сетку.

Столетов брал для своих опытов диски из самых различных металлов: алюминиевые, медные, цинковые, серебряные, никелевые; и во всех случаях он наблюдал, как под действием света от электрической дуги в цепи его опытной установки возникал электрический ток… если только освещаемая металлическая пластинка была соединена с отрицательным полюсом батареи.

Если же поменять местами полюсы батареи, т. е. пластинку соединить с положительным полюсом батареи, а сетку — с отрицательным, ток в цепи не появляется, из какого бы металла не были сделаны диски.

Заинтересованный этим необычным физическим явлением, Столетов ставит всё новые и новые опыты.

Он устанавливает, что действие света на диски практически мгновенно: достаточно осветить пластинку на 1/150 долю секунды, как гальванометр уже отмечает возникший электрический ток.

Он пробует освещать диски светом от различных источников: светом электрической дуги, бензиновой горелки, светом солнца. И приходит к выводу, что лучше всего действуют лучи электрической дуги.

Наконец, Столетов проводит ещё более интересный опыт. Он удаляет из своей установки электрическую батарею и освещает совершенно незаряженные пластинки.

И в этом случае в цепи возникает электрический ток!

Сплошная металлическая пластинка заряжается при этом положительным электричеством.

Свет рождал электричество!

Это явление, впервые подробно изученное великим русским учёным А. Г. Столетовым, было названо фотоэлектрическим эффектом (латинское слово «эффект» означает «влияние», «действие», а «фотос» по-гречески — «свет»).

Фотоэлектрический эффект — действие света на электрические заряды тел — и лежит в основе того замечательного прибора — фотоэлемента, о котором рассказывается в нашей книжке.

В чём причина фотоэлектрического эффекта? Почему и каким образом в электрической цепи возникает ток, когда на металлическую пластинку падает луч света?

Чтобы хорошо всё это понять, вспомним, что происходит, когда тела наэлектризовываются.

2. Что происходит при электризации тел?

Вы знаете, конечно, что все окружающие нас тела состоят из мельчайших невидимых частиц — атомов. Число различных видов этих частиц невелико. Но они могут соединяться друг с другом в самых разнообразных комбинациях, образуя устойчивые группы — молекулы. Этим и объясняется то, что из небольшого количества различных видов атомов построен необычайно разнообразный мир окружающих нас тел.

Размеры отдельных атомов необычайно малы — они не превышают нескольких стомиллионных долей сантиметра. Понятно поэтому, что число частиц — атомов или молекул — в каждом куске вещества, с которым нам обычно приходится иметь дело, чрезвычайно велико. Вот, например, сколько молекул содержится в одной капле воды, считая по 20 капель в кубическом сантиметре: 1 600 000 000 000 000 000 000.

Это — тысяча шестьсот миллиардов раз по миллиарду частиц!

Судите сами, насколько мала масса каждой отдельной молекулы, каждого отдельного атома.

Несмотря на такие ничтожно малые размеры атомов и молекул, теперь об этих невидимых частичках известно очень многое. Учёные нашли, чему равна их масса, т. е. сумели определить вес отдельных атомов, подробно изучили многие свойства различных атомов и молекул.

А за последние пятьдесят лет физики установили, что атомы — это сложно устроенные миры.

Вот как построен атом. В центре атома находится электрически положительно заряженное ядро. Размеры этого ядра примерно в 100 000 раз меньше размеров самого атома. Величина заряда и масса атомного ядра различны у различных атомов. Вокруг ядра вращаются отрицательно заряженные электрические частички — электроны. Они образуют так называемую электронную оболочку атома. Электроны представляют собой своего рода «атомы отрицательного электричества»: эти мельчайшие частички вещества несут с собой мельчайший отрицательный электрический заряд. Заряды всех электронов одинаковы.

Источник

Урок по физике на тему «Фотоэффект» (11 класс)

ДОСТУПНО ВНЕСЕНИЕ ОТВЕТОВ

  • 16 предметов
  • Для учеников 1-11 классов и дошкольников
  • Наградные и подарки

Принять участие

Уважаемые коллеги. Зазработка урока не моя:нашла ее на старой флешке. Пусть автор простит меня за плагиат. Но если она находилась в свободном доступе в интернете,то значит автор хотел поделиться ею.

Образовательная: обеспечить закрепление изученного материала и

продолжить формирование понятия фотоэффекта.

Воспитательная: продолжить развитие функции общения на уроке как

условия обеспечения взаимопонимания побуждения к

Развивающая: развить способности усвоения теоретических знаний с

помощью наглядно-образных представлений о научном

эксперименте, визуальную информацию переводить в

вербальную, формировать умение трансформировать

Читайте также:  Урок по теме материки части света

информацию, видоизменять её объём, форму, носитель.

Медиаобразовательная: формировать умение воспринимать альтернативную

точку зрения и высказывать обоснованные аргументы

Оформление : урок сопровождается показом презентации, используется компьютерная модель «Фотоэффект»( мультимедийный курс «Физика 7-11кл., или Приложение 3 (открывать во Flash )), http :// vschool . km . ru , интерактивная доска.

Организационный этап. ( Вступительное слово учителя)

Мы знаем, что физика – наука о природе. Вспомним Ф.И.Тютчева:

Не то, что мните вы, природа:

Не слепок, не бездушен лик, —

В ней есть душа, в ней есть свобода.

В ней есть любовь, в ней есть язык.

Да, у природы есть свой язык, и мы должны его понимать. На каждом уроке физики, при изучении любого явления мы учимся этому языку.

На предыдущих уроках мы познакомились с вами с «азбукой» квантовой физики и сегодня продолжим «читать» книгу природы.

Летит к нам квант, то бишь фотон.

Его хватает электрон,

И … до свидания, дом родной!

Это четверостишие вашего одноклассника. О чем в нем идет речь? Расшифруйте его физический смысл.

Закрепление изученного материала и продолжение формирования понятия фотоэффект.

Путь познания природы таков: открытие – исследование – объяснение. При изучении нашей темы этим этапам можно сопоставить три даты : 1887—1890 –1905 г.г. С именами каких ученых можно связать каждый этап? Какое значение имели их работы для квантовой физики?

1887 г.—Генрих Герц открыл явление фотоэффекта.

1890 г.—Александр Григорьевич Столетов установил

количественные закономерности фотоэффекта.

И только преждевременная смерть не позволила

ему довести исследования до конца и установить,

что является носителями фототока. Мы гордимся

выдающимися трудами ученого.

1905 г.—Альберт Эйнштейн обосновал квантовую природу

фотоэффекта и все его закономерности.

Что называют фотоэлектрическим эффектом ?

В чем состоит экспериментальное исследование, проведенное А.Г. Столетовым? (опыт Столетова А.Г.- http :// alexcon . Km . ru )

Сформулируйте законы внешнего фотоэффекта.

Ответьте на вопросы по статье А.Г. Столетова «Актино-электрические исследования».

Сравните установку А.Г.Столетова с установкой, изображенной в учебнике. Назовите их принципиальное сходство и различие.

Найдите, какие именно ( по номерам) из перечисленных А.Г.Столетовым результатов опыта превратились в известные нам законы фотоэффекта.

а) фотоэффект безынерционен ( №7. Разряжающее действие лучей обнаруживается даже при весьма кратковременном освещении, причем между моментом освещения и моментом соответственно разряда не протекает заметного времени.);

б) сила тока прямо пропорциональна энергии световой волны (№8. Разряжающее действие… пропорционально энергии лучей, падающих на разряжаемую поверхность.);

в) существует «красная граница фотоэффекта» (№4. Разряжающим действием обладают… если не исключительно, то с громадным превосходством перед прочими, лучи самой преломляемости, недостающие в солнечном спектре ( 295*10 мм). Чем спектр обильнее такими лучами, тем сильнее действие.

Какой из законов не мог быть установлен А.Г.Столетовым. Почему?

Найдите ошибку в следующем утверждении: « Чем больше освещенность, тем большая энергия передается отдельным электронам вещества. Чем большая энергия передается электронам, тем больше должна быть при вылете их кинетическая энергия. Это значит, что кинетическая энергия электронов должна зависеть от интенсивности света».

Какое напряжение называется задерживающим?

На что расходуется энергия фотонов при фотоэффекте?

В чем сущность гипотезы Эйнштейна в теории фотоэффекта?

Что такое фотон?

Что такое красная граница фотоэффекта?

Никогда не знаешь, что может тебе пригодиться в жизни ! Убедимся в этом, решив следующую задачу :

«Дверь имела хитроумное устройство: при попытке постороннего её открыть, ультрафиолетовая лампа с длиной волны 0.1 мкм освещала вольфрамовую пластинку фотоэлемента. Вырванные электроны замыкали электрическую цепь, которая открывала шлюз. В коридор устремлялась вода, кишащая пиявками, крокодилами, пираньями и акулами. Джеймс Бонд, агент 007, вдруг вспомнил, что в детстве мама говорила ему: — Запомни, сынок, работа выхода электронов из вольфрама 4,5 эВ! –Зачем это мне, мама? — Удивлялся маленький Джеймсик. – Никогда не знаешь, что может пригодиться тебе в жизни, — отвечала мама. Тогда он быстро произвел вычисления и подключил к фотоэлементу источник постоянного тока, дающий на его зажимах напряжение в 7,95 В, потянул за ручку двери и …»

Какие же вычисления произвел Джеймс Бонд? Что, в итоге, произошло?

3. Проверка домашнего задания.

На предыдущем уроке вы выполняли виртуальную практическую работу «Проверка законов фотоэффекта». Сейчас, используя обработанные вами дома данные этой работы, с помощью интерактивной доски и компьютерной модели фотоэффекта (Приложение 3) продемонстрируйте нам :

Зависимость тока насыщения от мощности излучения. Как зависит количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 сек от мощности светового потока? ( вспомните определение силы тока).

Читайте также:  Магический кристалл магия света

Докажите, что зависимость максимальной кинетической энергии фотоэлектронов от частоты излучения равнозначна зависимости задерживающего напряжения от длины волны. Продемонстрируйте эту зависимость.

Продемонстрируйте наличие «красной» границы фотоэффекта для любого металла.

Покажите, как с помощью этой модели можно определить постоянную Планка?

Каковы границы применимости данной компьютерной модели?

Какие бы вы внесли дополнения в неё?

Используя системы координат на интерактивной доске и ваши домашние работы, постройте:

1). График зависимости I от Р.

2).График зависимости кинетической энергии электронов от частоты излучения.

III Обобщение теории Эйнштейна с помощью алгоритм решения задач на фотоэффект .

Ознакомимся с алгоритмом применения уравнения Эйнштейна для фотоэффекта

к решению задач повышенной сложности. » Отправим «фотоэлектрон в путешествие по электрическим и магнитным полям, т.е.объединим уравнения электродинамики и теорию фотоэффекта (получают раздаточный материал) и используем его при решении домашних задач. (см. Приложение 1).

Выполним самостоятельную работу (тест) опираясь на данный алгоритм. (см. Приложение 2.)

«Увидели» явление фотоэффекта, повторили его физический смысл и его законы, используя возможности ИКТ и применяя деятельностный подход в обучении.

Ваше мнение об уроке:

Сегодня я узнал…

В стихотворении А.С.Пушкина читаем «… гений, парадоксов друг». Знаете ли вы что такое парадокс? Парадокс – это неожиданное явление, не соответствующее обычным представлениям. Дома просмотрите §66 учебника, стр.163, и найдите, в чем парадокс фотоэффекта.

Ответ: парадокс состоит в том, что при увеличении потока падающего света заданной длины волны не происходит увеличения скорости фотоэлектронов, а свет длиной меньшей порогового значения вообще не может выбить из металла электроны независимо от мощности светового потока.

Решить задачи: КИМ для подготовки к ЕГЭ. Раздел «Квантовая механика»

С1, С3, С6, используя алгоритм применения уравнения Эйнштейна для

решения задач на фотоэффект.

Найти в Интернете адреса сайтов в которых описывается явление фотоэффекта.( http :// vschool . km . ru ) и др.

применения уравнения Эйнштейна для фотоэффекта

к решению задач

1. Фотоэффект описывается уравнением Эйнштейна:

в котором — энергия светового кванта (фотона),

— работа выхода электрона из металла,

— кинетическая энергия фотоэлектрона.

2. Нахождение энергии фотона.

2.1. Если в задаче приводится значение длины волны, используйте формулу связи длины волны и скорости её распространения с частотой .

2.2. Энергию одного фотона можно найти, зная энергию излучения:

где N – число фотонов.

Энергия излучения связана с интенсивностью излучения (поверхностной плотностью потока излучения) соотношением

2.3. Энергия фотона связана с собственными характеристиками фотона как световой частицы. Формула связи импульса и энергии фотона:

3. Нахождение работы выхода электрона из металла.

Значение работы выхода электрона может быть определено:

3.1. с помощью справочной таблицы «Работа выхода электрона из металла», если известен металл и нет усложняющих нахождение работы выхода величин.

3.2. через значение красной границы фотоэффекта для данного металла в данном состоянии .

4. Поведение фотоэлектрона после вылета из металла может быть описано из следующих соображений:

4.1. В задерживающем однородном электрическом поле, согласно теореме о кинетической энергии, изменение кинетической энергии фотоэлектрона равно работе сил поля , т. е. (См. Физика – 10 под ред. Пинского, § 43).

4.2. Следует помнить, что движение фотоэлектронов вдоль силовых линий однородного электрического поля – движение с постоянным ускорением . Поэтому, в зависимости от постановки вопроса задачи, следует применять либо формулы электростатики (например, формулу связи напряжённости и напряжения однородного электрического поля для расчёта расстояния d , пройденного электроном до остановки в задерживающем поле), либо формулы кинематики равноускоренного движения, позволяющие рассчитать перемещение d и скорость фотоэлектрона в определённый момент времени ().

4.3. Если фотоэлектроны попадают в однородное магнитное поле, то в зависимости от угла между вектором скорости и вектором магнитной индукции они движутся прямолинейно ( = 0º, = 180º), по окружности ( = 90º) или по спирали (90º > > 0º).

Например, при = 90º фотоэлектрон движется под действием силы Лоренца с ускорением по окружности радиуса , при этом период обращения фотоэлектрона равен (См. Физика – 10 под ред. Пинского, § 55)

4.4. В скрещенных электрическом и магнитном полях фотоэлектрон может двигаться прямолинейно с постоянной скоростью при условии (См. Физика – 10 под ред. Пинского, § 55)

4.5. Зная максимальную скорость вылета фотоэлектрона, несложно определить импульс электрона, длину волны де Бройля и т. д.

5. Полезно помнить , что в простейших случаях вычисления можно проводить во внесистемных единицах, принимая значение постоянной Планка h = .

Источник