Закономерности фотоэлектрического эффекта

Министерство образования и науки Российской федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Ростовский государственный строительный университет»

Утверждено

на заседании кафедры физики

23 сентября 2011 г.

ФИЗИКА В ТЕСТАХ.

ЧАСТЬ IV. ВОЛНОВАЯ И КВАНТОВАЯ ОПТИКА.

ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ

(для бакалавриата всех профилей)

Ростов-на-Дону

УДК 531.383

Физика в тестах. Часть IV. Волновая и квантовая оптика. Элементы квантовой механики (для бакалавриата всех профилей). – Ростов н/Д: Рост. гос. строит. ун-т, 2012. – 29 с.

Содержатся тестовые задания для проверки уровня подготовки студентов по курсу физики, а также необходимый теоретический материал для самостоятельной работы студентов при подготовке к защите лабораторных работ физического практикума, к промежуточной и итоговой аттестациям студентов, к сдаче зачетов и экзаменов.

Предназначены для студентов бакалавриата всех профилей по направлениям подготовки:

270800 «Строительство»

270200 «Реконструкция и реставрация архитектурного наследия»

280700 «Техносферная безопасность»

190700 «Технология транспортных процессов»

190600 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов»

230400 «Информационные системы и технологии»

230700 «Прикладная информатика»

120700 «Землеустройство и кадастр»

261400 «Технология художественной обработки материалов»

221700 «Стандартизация и метрология»

100800 «Товароведение»

УДК 531.383

Составители: проф. Н.Н. Харабаев

доц. Е.В. Чебанова

проф. А.Н. Павлов

Рецензент: доц. Ю.И. Гольцов

Редактор Н.Е.Гладких

Темплан 2012 г., поз. 72.

Подписано в печать 8.11.11.

Формат 60х84 1/16. Бумага писчая. Ризограф. Уч.-изд.л. 1,2.

Тираж 100 экз. Заказ

___________________________________________________________

Редакционно-издательский центр

Ростовского государственного строительного университета

334022, Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162.

© Ростовский государственный

строительный университет, 2012.

Интерференция света

ЗАДАНИЕ № 1

Если S₁ и S₂ – источники когерентных волн, а L₁ и L₂ – расстояния от точки А до источников, то в точке А наблюдается минимум интерференции в воздухе при условии…

1) ;

2) ;

3) ;

4) .

ЗАДАНИЕ № 2

Для точки А оптическая разность хода лучей от двух когерентных источников S₁ и S₂ равна 1,2 мкм. Если длина волны в вакууме 600 нм, то в точке А будет наблюдаться...

ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:

1) максимум интерференции, так как разность хода равна четному числу полуволн ;

2) минимум интерференции, так как разность хода равна четному числу полуволн ;

3) минимум интерференции, так как разность хода равна нечетному числу полуволн ;

4) максимум интерференции, так как разность хода равна нечетному числу полуволн .

ЗАДАНИЕ № 3

Если S₁ и S₂ – источники когерентных волн, то разность фаз колебаний, возбуждаемых этими волнами в точке О (центральный максимум) равна…

ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:

1) 0 ; 2) ;3) ; 4) .

---------------------------

Указания к заданиям № 1 – 3

Для случая двух источников когерентных волн с нулевой разностью фаз справедливы следующие заключения:

1) если L₁ и L₂ – оптические длины путей, проходимых волнами, соответственно, от источников 1 и 2 до точки С, то в этой точке С интерференционный максимум наблюдается при условии:

( = 0, 1, 2,…) ,

а интерференционный минимум наблюдается при условии:

( = 0, 1, 2,…) ,

где ∆ – оптическая разность хода двух волн: ;

(Оптическая длина пути L = ns ,где n – показатель преломления среды,

s – геометрическая длина пути световой волны);

λ_о – длина световой волны;

2) разность фаз двух колебаний в точке С, возбуждаемых волнами от источников 1 и 2:

.

ЗАДАНИЕ № 4

Тонкая пленка вследствие явления интерференции в отраженном свете имеет зеленый цвет. При увеличении показателя преломления пленки ее цвет…

ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:

1) не изменится ;

2) станет синим ;

3) станет красным .

ЗАДАНИЕ № 5

Тонкая пленка вследствие явления интерференции в отраженном свете имеет зеленый цвет. При уменьшении показателя преломления пленки ее цвет…

ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:

1) не изменится ;

2) станет синим ;

3) станет красным .

ЗАДАНИЕ № 6

Постоянно меняющаяся радужная окраска мыльных пузырей объясняется…

ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:

1) интерференцией света ;

2) дифракцией света ;

3) дисперсией света ;

4) поляризацией света .

---------------------------

Указания к заданиям № 4 – 6

Условия максимумов и минимумов при интерференции света, отраженного от верхней и нижней поверхностей тонкой плоскопараллельной пленки, находящейся в воздухе (n_о = 1):

1) условие максимумов – ( = 0, 1, 2…) ,

2) условие минимумов – ( = 0, 1, 2…),

где d – толщина пленки,

n – показатель преломления пленки,

i – угол падения света,

λ_о – длина световой волны.

Член обусловлен потерей полуволны при отражении света от границы раздела двух сред: если n > n_о, то необходим знак плюс, если n < n_о необходим знак минус.

Красный цвет соответствует наибольшей (~ 750 нм), а фиолетовый цвет – наименьшей (~ 400 нм) длине волны видимого спектра.

ЗАДАНИЕ № 7

Hа стеклянной линзе нанесена тонкая пленка, дающая минимум в отраженном свете (просветление оптики). Какие параметры влияют на «эффект просветления»?

А. Толщина пленки.

В. Показатель преломления пленки.

С. Длина волны падающего света.

ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:

1) только А ; 2) А и В ; 3) только С ; 4) А и С ; 5) А, В, C .

ЗАДАНИЕ № 8

Тонкая пленка на поверхности линзы дает минимум в отраженном свете для зеленого цвета. Чтобы минимум достигался для фиолетового цвета, можно...

А. Увеличить толщину пленки при неизменном показателе преломления.

В. Уменьшить толщину пленки при неизменном показателе преломления.

С. Увеличить показатель преломления пленки при той же ее толщине.

D. Уменьшить показатель преломления пленки при той же ее толщине.

ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:

1)только А ; 2)только В ; 3)только С ; 4) A или C ; 5) B или D .

---------------------------

Указания к заданиям № 7, 8

Случаю «просветления оптики» (см. Трофимова Т.И. Курс физики. М. ВШ. 2004. С. 328) соответствует наблюдение интерференционного минимума для световых волн, отраженных от верхней и нижней поверхности тонкой плоскопараллельной пленки на поверхности стекла.

Условие наблюдения интерференционного минимума:

( = 0, 1, 2,…) ,

где d – толщина пленки,

n – показатель преломления пленки,

– длина световой волны.

Для пленки минимальной толщины условие интерференционного минимума в отраженном свете:

.

Дифракция света

ЗАДАНИЕ № 9

Имеются 4 решетки с различными постоянными d , освещаемые одним и тем же монохроматическим излучением различной интенсивности. Какой рисунок иллюстpиpует положение главных максимумов, создаваемых дифракционной решеткой с наибольшей постоянной решетки? (J – интенсивность света, j –угол дифракции)

ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:

ЗАДАНИЕ № 10

Половина дифракционной решетки пеpекpывается с одного конца непpозpачной пpегpадой, в результате чего число штрихов уменьшается. Что изменится при этом?

А. Расстояние между главными максимумами.

B. Постоянная решетки.

C. Яркость максимумов.

ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:

1) Все эти параметры ; 2) Только C ;

3) А и В ; 4) A и C .

ЗАДАНИЕ № 11

Одна и та же дифракционная решетка освещается различными монохроматическими излучениями. Какой рисунок соответствует случаю освещения светом наибольшей частоты? (J – интенсивность света, j – угол дифракции)

ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:

1) А ; 2) Б ;

3) В ; 4) Г ;

5) Для ответа недостаточно данных .

---------------------------

Указания к заданиям № 9 – 11

Формула дифракционной решетки (условие наблюдения дифракционных максимумов):

( = 0, 1, 2,…k) ,

где – постоянная дифракционной решетки;

– длина световой волны;

– угол дифракции,

– номер дифракционных максимумов (порядок спектра),

– наибольший номер дифракционных максимумов;

– общее число дифракционных максимумов.

С уменьшением числа штрихов дифракционной решетки уменьшается интенсивность проходящего через нее света, т.е. яркость дифракционных максимумов, а положение дифракционных максимумов при этом не изменяется, так как оно зависит только от постоянной дифракционной решетки d для данной длины световой волны .

Поляризация света

ЗАДАНИЕ № 12

На пути естественного света интенсивностью J_о помещены две пластинки турмалина. После прохождения пластинки 1 свет полностью поляризован. Если угол j между направлениями OO и O¢O¢ равен

, то интенсивность J₂ света, прошедшего через обе пластинки, связана с J_о соотношением…

ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:

1) ; 2) ;

3) ; 4) .

ЗАДАНИЕ № 13

На пути естественного света интенсивностью J_о помещены две пластинки турмалина. После прохождения пластинки 1 свет полностью поляризован. Если J₁ и J₂ – интенсивности света, прошедшего пластинки 1 и 2 соответственно, и , тогда угол j между направлениями OO и O¢O¢ равен …

ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:

1) 30^o ; 2) 45^o ;

3) 60^o ; 4) 90^o .

ЗАДАНИЕ № 14

При падении света из воздуха на диэлектрик отраженный луч полностью поляризован при угле падения 60^o . Преломленный луч распространяется под углом 30^o к нормали. При этом показатель преломления диэлектрика равен…

ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:

1) 0 ; 2) 1,41 ; 3) 1,5 ; 4) 1,73 .

ЗАДАНИЕ № 15

При падении света из воздуха на диэлектрик отраженный луч полностью поляризован. Преломленный луч распространяется под углом 30^о к нормали. При этом падающий луч составляет с нормалью угол …

ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:

1) 30^o ; 2) 45^o ; 3) 60^o ; 4) 90^o .

--------------------------

Указания к заданиям № 12 - 15

Интенсивность полностью плоскополяризованного света, прошедшего первый кристалл:

, где

– интенсивность естественного света, падающего на первый кристалл. Закон Малюса: интенсивность полностью плоскополяризованного света, вышедшего из второго кристалла:

, где

– интенсивность полностью плоскополяризованного света, прошедшего первый кристалл и падающего на второй кристалл;

j – угол между оптическими осями первого и второго кристаллов.

Интенсивность света, прошедшего через два поляризатора:

.

Если луч естественного света падает на границу раздела двух диэлектрических сред, то отраженный и преломленный лучи являются поляризованными.

В том случае, если угол падения удовлетворяет соотношению:

( – угол Брюстера, – относительный показатель преломления второй среды относительно первой),

отраженный луч является полностью плоскополяризованным, а преломленный луч является максимально поляризованным, причем отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны (закон Брюстера).

Тепловое излучение

ЗАДАНИЕ № 16

Температура абсолютно черного тела увеличена в 2 раза, а его интегральная излучательность увеличилась при этом в …

ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:

1) 2 раза ; 2) 4 раза ; 3) 8 раз ; 4) 16 раз ; 5) 32 раза .

ЗАДАНИЕ № 17

На рисунке представлены графики зависимости спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела от частоты при различных температурах. Наибольшей температуре соответствует график…

ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:

1) 1 ; 2) 2 ; 3) 3 .

ЗАДАНИЕ № 18

На рисунке показаны кривые зависимости спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела от длины волны при различных температурах. Наибольшей температуре соответствует график…

ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:

1) 1;

2) 2;

3) 3;

ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:

1) 1 ; 2) 2 ; 3) 3 .

ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:

1) 1;

2) 2;

3) 3;

ЗАДАНИЕ № 19

На рисунке показана кривая зависимости спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела от длины волны при Т = 6000 К . Если температуру тела уменьшить в 4 раза, то длина волны, соответствующая максимуму излучения абсолютно черного тела, равна (нм)…

ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:

1)150 ; 2) ;

2) 250 ;;

3) 3)500 ; 4) 1000 ;

5) 2000 .

ЗАДАНИЕ № 20

На рисунке показаны кривые зависимости спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела от длины волны при различных температурах. Если кривая 1 соответствует спектру излучения абсолютно черного тела при температуре 6000 К, то кривая 2 соответствует температуре (К)…

ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:

ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:

1) 500 К ; 2) 1500 К ;

3) 2000 К ; 4) 4000 К .

---------------------------

Указания к заданиям № 16 - 20

Закон Стефана-Больцмана:,

где –интегральная излучательность абсолютно черного тела, т.е. мощность излучения с единицы площади поверхности абсолютно черного тела;

Т – температура;

–постоянная Стефана-Больцмана.

Закон смещения Вина: , где – длина волны, соответствующая максимальному значению спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела, T – термодинамическая температура тела, b – постоянная Вина.

Внешний фотоэффект

2) 2;

3) 3;

ЗАДАНИЕ № 21

В опытах по внешнему фотоэффекту изучалась зависимость энергии фотоэлектрона от частоты падающего на фотокатод света. Для некоторого материала фотокатода исследуемая зависимость представлена на рисунке линией b. При замене материала фотокатода на материал с меньшей работой выхода электрона зависимость W_k (n )будет соответствовать линии …

ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:

1) a ; 2) b ;

3) c ; 4) d .

ЗАДАНИЕ № 22

На рисунке представлены две зависимости задерживающего напряжения U₃ от частоты ν падающего света для внешнего фотоэффекта. Укажите верные утверждения.

ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:

ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:

1. А₂ < А₁, где А₁ и А₂ – значения работы

выхода электронов из соответствующего

металла.

2. Зависимости получены для двух

различных металлов.

3. С помощью этих зависимостей можно

определить значение постоянной Планка.

ЗАДАНИЕ № 23

На рисунке представлены две вольтамперные характеристики вакуумного фотоэлемента. Если Е – освещенность фотокатода, а n – частота падающего на него света, то справедливо следующее утверждение…

ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:

ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:

1) n₁ > n₂ , E₁ > E₂ ;

2) n₁ > n₂ , E₁ = E₂ ;

3) n₁ = n₂ , E₁ > E₂ ;

4) n₁ = n₂ , E₁ < E₂ ;

5) n₁ < n₂ , E₁ > E₂ ;

6) n₁ < n₂ , E₁ = E₂ .

ЗАДАНИЕ № 24

На рисунке представлены две вольтамперные характеристики вакуумного фотоэлемента. Если Е – освещенность фотокатода, а n – частота падающего на него света, то справедливо следующее утверждение…

ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:

ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:

1) n₁ > n₂ , E₁ > E₂ ;

2) n₁ > n₂ , E₁ = E₂ ;

3) n₁ = n₂ , E₁ > E₂ ;

4) n₁ = n₂ , E₁ < E₂ ;

5) n₁ < n₂ , E₁ > E₂ ;

6) n₁ < n₂ , E₁ = E₂ .

---------------------------

Указания к заданиям № 21 – 24

Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэлектронного эффекта:

,

где – энергия фотона частотой ν , падающего на поверхность металла

(h – постоянная Планка),

– работа выхода электрона из металла,

– максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона

(m – масса электрона, – скорость электрона).

Если , то фотоэффект возможен, если , то фотоэффект невозможен, а если , то соответствует так называемой красной границе фотоэффекта, т.е. наименьшей частоте света, при которой фотоэффект еще возможен.

Закономерности фотоэлектрического эффекта.

Фототок, при котором все выбитые из катода электроны достигают анода, это фототок насыщения на вольт-амперной характеристике I(U) фотоэлемента.

Сила фототока насыщения при облучении катода светом фиксированной частоты пропорциональна интенсивности облучения.

Величина задерживающего напряжения U_з , при котором фототок прекращается (I = 0), определяется из соотношения: ,

где – работа электрического поля по погашению кинетической энергии фотоэлектрона от до 0.

Эффект Комптона

ЗАДАНИЕ № 25

На рисунке показаны направления движений падающего фотона ( g ), рассеянного фотона ( g¢ ) и электрона отдачи ( е ). Угол рассеяния 90^o , направление движения электрона отдачи составляет с направлением движения падающего фотона угол j = 30^o . Если импульс падающего фотона 3 (МэВ×с)/м, то импульс рассеянного фотона (в тех же единицах) равен…

ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:

ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:

1) 1,5 ; 2) ;

3) ; 4) .

ЗАДАНИЕ № 26

На рисунке показаны направления движений падающего фотона ( g ), рассеянного фотона ( g¢ ) и электрона отдачи ( е ). Угол рассеяния 90^o , направление движения электрона отдачи составляет с направлением движения падающего фотона угол j = 30^o . Если импульс падающего фотона р_ф , то импульс электрона отдачи равен…

ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:

ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:

1) ; 2) ;

3) ; 4) .

---------------------------

Указания к заданиям № 25, 26

Закон сохранения импульса для взаимодействующих частиц – фотона и электрона – при комптоновском рассеянии:

, где , – импульс фотона до и после взаимодействия, соответственно;

– импульс электрона после взаимодействия.

Давление СВЕТА

ЗАДАНИЕ № 27

Параллельный пучок света падает по нормали на зачерненную плоскую поверхность, производя давление Р . При замене поверхности на зеркальную давление света…

ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:

ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:

1) увеличится в 2 раза ; 2) уменьшится в 2 раза ; 3) не изменится .

ЗАДАНИЕ № 28

Если в 2 раза увеличить объемную плотность энергии световой волны, то давление света …

ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:

1) увеличится в 2 раза ; 2) уменьшится в 2 раза ; 3) не изменится .

---------------------------

Указание к заданиям № 27, 28

Давление света Р на освещаемую поверхность обусловлено изменением импульса падающего фотона при его соударении с поверхностью, причем Р ~ .

При падении по нормали на зачерненную плоскую поверхность импульс фотона изменяется от до 0 , т.е. изменение импульса фотона , а при аналогичном падении фотона на зеркальную плоскую поверхность импульс фотона при отражении изменяется от до – , т.е. изменение импульса в этом случае .

Давление P , производимое светом, падающим по нормали на поверхность:

,

где – коэффициент отражения, показывающий какую часть от падающей на поверхность световой энергии составляет отраженная энергия;

– объемная плотность энергии излучения: ,

E_e = Nhν (E_e – энергетическая освещенность, т.е. энергия всех N фотонов, падающих на единицу поверхности в единицу времени);

– энергия фотона частотой ν (h – постоянная Планка); с – сс корость света.