Комбинированные задачи

Для решения задания № 32 могут потребоваться знания из разных разделов физики. Как правило, в рамках одной задачи перекликаются материалы из 2-4-х разделов. В разделе теории приведены сведения, которые могут потребоваться при решении, но не были рассмотрены в теоретических разделах других задач по соответствующим тематикам.

Теория к заданию №32 ЕГЭ по физике

Ток насыщения

Током насыщения при фотоэффекте называется максимально возможное значение фототока, которое достигается в момент, когда все электроны вылетели из катода и достигли анода. Достижение фототоком величины тока насыщения означает, что ресурс заряда, обеспечивающего возрастание тока, исчерпан.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

Уравнение имеет вид:

,

где А – работа, совершенная электроном, E_k – его кинетическая энергия.

Это уравнение, по сути, описывает условие, при котором электрон может покинуть фотокатод (это возможно при и, следовательно, условие возникновения фототока.

Электронвольт

Электронвольт (обозн.: эВ) является единицей измерения энергии связей в атомах.

1эВ представляет собой работу А, совершаемую эл.полем при перемещении в нем (между 2-мя точками) электрона или иной частицы с элементарным зарядом. При этом напряжение между этими точками U должно быть равным 1 В. Таким образом, и . Это выражение является формулой перевода электронвольт в общепринятую единицу измерения работы – в Джоули.

Разбор типовых вариантов №32 по физике

Демонстрационный вариант 2018

В опыте по изучению фотоэффекта свет частотой падает на поверхность катода, в результате чего в цепи возникает ток. График зависимости силы тока I от напряжения U между анодом и катодом приведен на рисунке. Какова мощность падающего света Р, если в среднем один из 20 фотонов, падающих на катод, выбивает электрон?

Алгоритм решения:

1. Записываем формулу для нахождения мощности Р. Выразим ее через энергию одного фотона (1).
2. Записываем формулу для определения энергии фотона (2).
3. Определяем количество фотонов (3).
4. Подставляем (2) и (3) в (1) и находим мощность.
5. Записываем ответ.

Решение:

1. Мощность света равна: . Где Е – энергия света, t – время, в течение которого свет продолжает падать на катод. Представив энергию как где Е_Ф – энергия 1 фотона, N_Ф – количество фотонов, получим: .
2. Энергию одного фотона можно найти по формуле: .
3. Количество фотонов, согласно условию, пропорционально количеству выбитых электронов, а именно: , где N_e – число выбитых электронов. Количество электронов можно определить из графика. Из графика видно, что ток насыщения . Достижение током этого значения означает, что все электроны выбиты. I_нас можно представить как . Поскольку , то . Отсюда получим: . Соответственно, количество фотонов составит: .
4. (2, 3) → (1) : . Вычислим Р: .

Ответ: 0,1 Вт.

Первый вариант (Демидова, № 3)

Алгоритм решения:

1. Переводим в СИ несоответствующие ей данные из условия. Дополнительно записываем константы: скорость света, заряд электрона, постоянную Планка.
2. Записываем ур-ние Эйнштейна. Выражаем в нем частоту волны через ее длину (1).
3. Используя з-н сохранения энергии находим формулу для определения кинет.энергии (2).
4. Подставляем (2) в (1), выражаем искомую величину. Вычисляем искомое расстояние.
5. Записываем ответ.

Решение:

1. Переводим данные в СИ: ; ; . Скорость света: . Заряд электрона: Постоянная Планка: .
2. Согласно ур-нию Эйнштейна: . Поскольку , то получим: .
3. Потенциальная энергия фотоэлектрона может быть найдена по формуле: , где d – искомое расстояние. Поскольку при достижении максим.расстояния кинетическая энергия фотоэлектрона полностью превращается в потенциальную, то применяя з-н сохранения энергии, имеем для Е_k: .
4. (2) → (1) : . Отсюда: . Найдем d: .

Ответ: 1,5 см.

Второй вариант (Демидова, № 25)

На непроводящей горизонтальной поверхности стола лежит жесткая рамка массой m из однородной тонкой проволоки, согнутая в виде квадрата ACDE со стороной a (см. рисунок). Рамка находится в однородном горизонтальном магнитном поле, вектор индукции которого перпендикулярен сторонам АЕ и CD и равен по модулю В. По рамке течет ток в направлении, указанном стрелками (см. рисунок). При какой минимальной силе тока рамка начнет поворачиваться вокруг стороны CD?

Алгоритм решения:

1. Анализируем условие, определяем силы, действующие на рамку. Находим их направление, считая, что мы смотрим на рамку сверху.
2. Записываем условие поворота рамки.
3. Записываем уравнения для моментов сил и для силы Ампера. Объединяем их в единое равенство. Выражаем из него искомую силу тока.
4. Записываем ответ.

Решение:

Рамка начнет двигаться потому, что на нее действует сила Ампера. Применив правило правой руки, определим ее направление на участках АЕ и CD. На рамку, кроме этого, действует сила тяжести. Точка, в которой можно сконцентрировать воздействие силы тяжести, – геометрический центр тяжести (центр квадрата).

(вид на рамку сверху)

(вид на рамку сбоку, с торца)

Сила Ампера для участков АС и ED равна нулю, что следует из формулы (где – угол между стороной рамки и направлением тока), поскольку в этих случаях соответственно равен 0⁰ и 180⁰, а в обоих случаях равен нулю.

Рамка начинает поворачиваться, когда момент силы Ампера на участке АЕ, превысит момент силы тяжести: . Минимальной силе Ампера, необходимой для начала поворота, т.е. минимальному току, соответствует равенство этих моментов. Таким образом, предельно допустимый случай: . Моменты реакции опоры и силы Ампера для стороны CD равны нулю, т.к. приложены к оси поворота.

Момент равен: . Момент силы тяжести: ( взято потому, что точка приложения момента силы находится в центре рамки, т.е. на расстоянии половины стороны). Силу Ампера найдем по формуле: . Т.к. для учаска АЕ угол между вектором силы и нею составляет 90⁰, то и . Отсюда имеем: . Получаем: .

Ответ: .