Номер 773, страница 223 - гдз по физике 11 класс сборник задач Дорофейчик, Силенков

773. На рисунке 194 представлена вольт-амперная характеристика фотоэлемента, полученная при освещении фотокатода монохроматическим излучением постоянной мощности. Приведите в соответствие параметры, характеризующие фотоэффект, с характером изменения этих величин, если напряжение на фотоэлементе изменилось:

А) от нуля до $U_A$;

Б) от $U_B$ до $U_C$.

Рис. 194

Параметр

а) Число фотоэлектронов, ежесекундно вырываемых с поверхности фотокатода.

б) Число фотоэлектронов, ежесекундно достигающих анода.

в) Число фотонов, ежесекундно падающих на фотокатод.

г) Максимальная энергия фотоэлектронов, вылетающих с поверхности фотокатода.

д) Максимальная энергия фотоэлектронов, достигающих анода

Характер изменения

1) Увеличивается.

2) Уменьшается, но не до нуля.

3) Уменьшается до нуля.

4) Не изменяется

А) Если напряжение на фотоэлементе изменилось от нуля до $U_A$:

а) Число фотоэлектронов, ежесекундно вырываемых с поверхности фотокатода.

По условию, фотокатод освещается монохроматическим излучением постоянной мощности. Это означает, что число фотонов, падающих на катод в единицу времени, постоянно. Согласно законам фотоэффекта, число вырываемых фотоэлектронов прямо пропорционально числу падающих фотонов. Следовательно, число фотоэлектронов, вырываемых с фотокатода в секунду, не зависит от приложенного напряжения и остается постоянным.

Ответ: 4) Не изменяется

б) Число фотоэлектронов, ежесекундно достигающих анода.

При изменении напряжения от 0 до $U_A$ на фотоэлемент подается задерживающее (отрицательное) напряжение, которое тормозит фотоэлектроны. На вольт-амперной характеристике видно, что при уменьшении напряжения от 0 до $U_A$ фототок $I_ф$ уменьшается до нуля. Фототок прямо пропорционален числу электронов, достигающих анода в единицу времени. Следовательно, это число уменьшается до нуля.

Ответ: 3) Уменьшается до нуля

в) Число фотонов, ежесекундно падающих на фотокатод.

Источник излучения имеет постоянную мощность и является монохроматическим. Это означает, что число фотонов, падающих на фотокатод в единицу времени, является величиной постоянной и не зависит от напряжения на фотоэлементе.

Ответ: 4) Не изменяется

г) Максимальная энергия фотоэлектронов, вылетающих с поверхности фотокатода.

Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов при вылете с катода определяется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта: $E_{k,max} = h\nu - A_{вых}$, где $h\nu$ – энергия падающего фотона, а $A_{вых}$ – работа выхода. Так как излучение монохроматическое ($\nu$ = const) и материал катода не меняется ($A_{вых}$ = const), максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектронов не изменяется и не зависит от приложенного напряжения.

Ответ: 4) Не изменяется

д) Максимальная энергия фотоэлектронов, достигающих анода.

Энергия электрона при достижении анода связана с его начальной энергией и работой электрического поля: $E_{k,anode} = E_{k,cathode} + eU$. При изменении напряжения от 0 до $U_A$ напряжение $U$ становится отрицательным (задерживающим). Работа поля $eU$ отрицательна и ее модуль растет, что приводит к уменьшению кинетической энергии электронов. Напряжение $U_A$ – это задерживающее напряжение, при котором даже самые быстрые электроны останавливаются, не долетев до анода. Их кинетическая энергия на аноде становится равной нулю. Следовательно, максимальная энергия уменьшается до нуля.

Ответ: 3) Уменьшается до нуля

Б) Если напряжение на фотоэлементе изменилось от $U_B$ до $U_C$:

а) Число фотоэлектронов, ежесекундно вырываемых с поверхности фотокатода.

Как и в предыдущем случае, число вырываемых электронов определяется только интенсивностью и частотой падающего света, которые по условию постоянны. Поэтому эта величина не изменяется.

Ответ: 4) Не изменяется

б) Число фотоэлектронов, ежесекундно достигающих анода.

На участке от $U_B$ до $U_C$ наблюдается ток насыщения. Это означает, что все электроны, вырванные светом с катода, достигают анода. Поскольку число вырываемых электронов постоянно (см. пункт а), то и число достигающих анода электронов также будет постоянным.

Ответ: 4) Не изменяется

в) Число фотонов, ежесекундно падающих на фотокатод.

Эта величина зависит только от источника света и не зависит от напряжения на фотоэлементе. Так как источник имеет постоянную мощность, число фотонов не изменяется.

Ответ: 4) Не изменяется

г) Максимальная энергия фотоэлектронов, вылетающих с поверхности фотокатода.

Максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектронов определяется только частотой света и работой выхода материала катода ($E_{k,max} = h\nu - A_{вых}$) и не зависит от приложенного напряжения. Следовательно, она не изменяется.

Ответ: 4) Не изменяется

д) Максимальная энергия фотоэлектронов, достигающих анода.

Кинетическая энергия электрона при достижении анода равна $E_{k,anode} = E_{k,cathode} + eU$. Напряжение на участке от $U_B$ до $U_C$ является положительным (ускоряющим) и увеличивается. Так как $E_{k,cathode}$ постоянно, а $U$ увеличивается ($U_C > U_B$), то и максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов при достижении анода будет увеличиваться.

Ответ: 1) Увеличивается