Излучение аргонового лазера с длиной волны λ = 500 нм сфокусировано на фотокатоде в пятно диаметром d = 0,1 мм. Работа выхода фотокатода A = 2 эВ. На анод, расположенный на расстоянии l = 30 мм от катода, подано ускоряющее напряжение U = 4 кВ. Найти диаметр пятна на аноде, на которое попадают фотоэлектроны.
💡 Пошаговый разбор и решение:
[рис.] 1. Из уравнения Эйнштейна для фотоэффекта
$\frac{hc}{\lambda} =A + \frac{m_e v _0 ^2}{2}$
найдем скорость вылетающих с фотокатода электронов:
$v _0= \sqrt{аргумента: $\frac{2 ( hc - A\lambda )}{\lambda m_e}$} аргумента$
2. Фотоэлектроны попадают в электрическое поле, напряженность которого равна $E= \frac{U}{l}$ Это электрическое поле действует на фотоэлектроны с силой, направленной противоположно направлению вектору напряженности, и = й $F=eE$
Рассмотрим движение электронов в электрическом поле по горизонтальной и вертикальной осям.
По горизонтальной оси движение = ускоренное с ускорением $a_x= \frac{F}{m_e}$ по вертикальной оси проекция силы равна нулю, поэтому движение электронов = мерное.
В таком случае уравнения движения электронов по выбранным осям имеют вид:
$x ( t ) =x_0 + v _0xt + $\frac{a_xt ^2}{2}$ = \frac{a_xt ^2}{2}$
$y ( t ) =y_0 + v _0yt= $\frac{d}{2}$ + v _0t$
Начальная координата $y_0= \frac{d}{2}$ так как электроны вылетают из крайних точек фотокатода. Диаметр пятна на аноде будет иметь максимальное значение в том случае, если начальная скорость электронов будет направлена вертикально. Поэтому в уравнении $v _0x=0, v _0y= v _0$
3. При попадании фотоэлектронов на анод координаты крайней точки будут равны $x= l,y= \frac{D}{2}$
Тогда уравнения будут иметь вид:
$l= \frac{a_xt ^2}{2}$
$\frac{D}{2} = $\frac{d}{2}$ + v _0t$
4. Объединяем все полученные формулы и выражаем диаметр пятна на аноде:
$D=d + 2l \sqrt{аргумента: $\frac{2 ( hc - A\lambda )}{\lambda m_e}$} аргумента \sqrt{аргумента: $\frac{2m_e}{eU}$} аргумента =d + 4l \sqrt{аргумента: $\frac{hc - A\lambda}{\lambda eU}$} аргумента$
Работа выхода равна $A=2эВ=3,2 \cdot 10 в степени ( - 19 ) Дж$ Подставляем значения величин и получаем:
$D=10 в степени ( - 4 ) + 4 \cdot 0,03 \sqrt{аргумента: \frac{6,6 \cdot 10 в степени ( - 34} аргумента \cdot 3 \cdot 10 в степени 8 - 3,2 \cdot 10 в степени ( - 19 ) \cdot 5 \cdot 10 в степени ( - 7 )}{5 \cdot 10 в степени ( - 7 ) \cdot 1,6 \cdot 10 в степени ( - 19 ) \cdot 4 \cdot 10 ^3} ) \approx1,4мм$ $D=10 в степени ( - 4 ) + $
$ + 4 \cdot 0,03 \sqrt{аргумента: \frac{6,6 \cdot 10 в степени ( - 34} аргумента \cdot 3 \cdot 10 в степени 8 - 3,2 \cdot 10 в степени ( - 19 ) \cdot 5 \cdot 10 в степени ( - 7 )}{5 \cdot 10 в степени ( - 7 ) \cdot 1,6 \cdot 10 в степени ( - 19 ) \cdot 4 \cdot 10 ^3} ) \approx1,4мм$
Ответ: 1,4 мм.
$\frac{hc}{\lambda} =A + \frac{m_e v _0 ^2}{2}$
найдем скорость вылетающих с фотокатода электронов:
$v _0= \sqrt{аргумента: $\frac{2 ( hc - A\lambda )}{\lambda m_e}$} аргумента$
2. Фотоэлектроны попадают в электрическое поле, напряженность которого равна $E= \frac{U}{l}$ Это электрическое поле действует на фотоэлектроны с силой, направленной противоположно направлению вектору напряженности, и = й $F=eE$
Рассмотрим движение электронов в электрическом поле по горизонтальной и вертикальной осям.
По горизонтальной оси движение = ускоренное с ускорением $a_x= \frac{F}{m_e}$ по вертикальной оси проекция силы равна нулю, поэтому движение электронов = мерное.
В таком случае уравнения движения электронов по выбранным осям имеют вид:
$x ( t ) =x_0 + v _0xt + $\frac{a_xt ^2}{2}$ = \frac{a_xt ^2}{2}$
$y ( t ) =y_0 + v _0yt= $\frac{d}{2}$ + v _0t$
Начальная координата $y_0= \frac{d}{2}$ так как электроны вылетают из крайних точек фотокатода. Диаметр пятна на аноде будет иметь максимальное значение в том случае, если начальная скорость электронов будет направлена вертикально. Поэтому в уравнении $v _0x=0, v _0y= v _0$
3. При попадании фотоэлектронов на анод координаты крайней точки будут равны $x= l,y= \frac{D}{2}$
Тогда уравнения будут иметь вид:
$l= \frac{a_xt ^2}{2}$
$\frac{D}{2} = $\frac{d}{2}$ + v _0t$
4. Объединяем все полученные формулы и выражаем диаметр пятна на аноде:
$D=d + 2l \sqrt{аргумента: $\frac{2 ( hc - A\lambda )}{\lambda m_e}$} аргумента \sqrt{аргумента: $\frac{2m_e}{eU}$} аргумента =d + 4l \sqrt{аргумента: $\frac{hc - A\lambda}{\lambda eU}$} аргумента$
Работа выхода равна $A=2эВ=3,2 \cdot 10 в степени ( - 19 ) Дж$ Подставляем значения величин и получаем:
$D=10 в степени ( - 4 ) + 4 \cdot 0,03 \sqrt{аргумента: \frac{6,6 \cdot 10 в степени ( - 34} аргумента \cdot 3 \cdot 10 в степени 8 - 3,2 \cdot 10 в степени ( - 19 ) \cdot 5 \cdot 10 в степени ( - 7 )}{5 \cdot 10 в степени ( - 7 ) \cdot 1,6 \cdot 10 в степени ( - 19 ) \cdot 4 \cdot 10 ^3} ) \approx1,4мм$ $D=10 в степени ( - 4 ) + $
$ + 4 \cdot 0,03 \sqrt{аргумента: \frac{6,6 \cdot 10 в степени ( - 34} аргумента \cdot 3 \cdot 10 в степени 8 - 3,2 \cdot 10 в степени ( - 19 ) \cdot 5 \cdot 10 в степени ( - 7 )}{5 \cdot 10 в степени ( - 7 ) \cdot 1,6 \cdot 10 в степени ( - 19 ) \cdot 4 \cdot 10 ^3} ) \approx1,4мм$
Ответ: 1,4 мм.
Правильный ответ:
1,4 мм
📚 Похожие разобранные задания по предмету:
ID 104694 • Задание №9
Некоторое число молей одноатомного идеального газа расширяется изотермически из состояния p1 = 105 Па и V1 = ...
ID 167088 • Задание №7
[рис.] Какой выигрыш в силе при подъеме тела дает система из идеальных блоков, показанная на рисунке?...
Официальные критерии проверки ФИПИ:
Критерии проверки:
Критерии оценивания выполнения задания | Баллы
Приведено полное решение, включающее следующие элементы:
I) записаны положения теории и физические законы, закономерности, применение которых необходимо для решения задачи выбранным способом;
II) описаны все вновь вводимые в решении буквенные обозначения физических величин (за исключением обозначений констант, указанных в варианте КИМ, обозначений, используемых в условии задачи, и стандартных обозначений величин, используемых при написании физических законов);
III) представлены необходимые математические преобразования и расчёты, приводящие к правильному числовому ответу (допускается решение «по частям» с промежуточными вычислениями);
IV) представлен правильный ответ с указанием единиц измерения искомой величины | 2
Правильно записаны все необходимые положения теории, физические законы, закономерности, и проведены преобразования, направленные на решение задачи, но имеется один или несколько из следующих недостатков.
Записи, соответствующие пункту II, представлены не в полном объёме или отсутствуют.
И (ИЛИ)
В решении имеются лишние записи, не входящие в решение (возможно, неверные), которые не отделены от решения и не зачёркнуты.
И (ИЛИ)
В необходимых математических преобразованиях или вычислениях допущены ошибки, и (или) в математических преобразованиях/вычислениях пропущены логически важные шаги.
И (ИЛИ)
Отсутствует пункт IV, или в нём допущена ошибка (в том числе в записи единиц измерения величины) | 1
Все случаи решения, которые не соответствуют вышеуказанным критериям выставления оценок в 1 или 2 балла | 0
Максимальный балл | 2
Критерии оценивания выполнения задания | Баллы
Приведено полное решение, включающее следующие элементы:
I) записаны положения теории и физические законы, закономерности, применение которых необходимо для решения задачи выбранным способом;
II) описаны все вновь вводимые в решении буквенные обозначения физических величин (за исключением обозначений констант, указанных в варианте КИМ, обозначений, используемых в условии задачи, и стандартных обозначений величин, используемых при написании физических законов);
III) представлены необходимые математические преобразования и расчёты, приводящие к правильному числовому ответу (допускается решение «по частям» с промежуточными вычислениями);
IV) представлен правильный ответ с указанием единиц измерения искомой величины | 2
Правильно записаны все необходимые положения теории, физические законы, закономерности, и проведены преобразования, направленные на решение задачи, но имеется один или несколько из следующих недостатков.
Записи, соответствующие пункту II, представлены не в полном объёме или отсутствуют.
И (ИЛИ)
В решении имеются лишние записи, не входящие в решение (возможно, неверные), которые не отделены от решения и не зачёркнуты.
И (ИЛИ)
В необходимых математических преобразованиях или вычислениях допущены ошибки, и (или) в математических преобразованиях/вычислениях пропущены логически важные шаги.
И (ИЛИ)
Отсутствует пункт IV, или в нём допущена ошибка (в том числе в записи единиц измерения величины) | 1
Все случаи решения, которые не соответствуют вышеуказанным критериям выставления оценок в 1 или 2 балла | 0
Максимальный балл | 2
🔗 Другие задания линии №26 по предмету Физика:
ID 108782
Два одинаковых груза массой $M=100 г$ каждый подвешены на концах невесомой и нерастяжимой нити,...
ID 108783
На последнем автосалоне в Детройте фирма «Мерседес» представила новый родстер с двигателем объе...
ID 108784
[рис.] Из двух ровных досок сделан желоб, представляющий собой двугранный угол с раствором $2 а...
ID 108785
[рис.] К одному концу легкой пружины жесткостью k = 100 Н/м прикреплен массивный груз, лежащ...
ID 108786
[рис.] В установке, изображенной на рисунке, грузик А соединен перекинутой через блок нитью с б...