Dwie różne fotokomórki oświetlano światłem pochodzącym z tego...- Zadanie Zadanie 1.: Teraz matura. Fizyka. Zadania i arkusze maturalne. Po gimnazjum

Rozwiązanie

Uzasadnienie:

Zauważmy, że zgodnie ze zjawiskiem fotoelektrycznym potrzebna jest odpowiednia długość fali, aby elektron został wybity przez nadlatujący foton. Dokładniej: foton musi mieć energię równą bądź większą pracy wyjścia dla danego materiału. Wybite elektrony lecą w dowolnym kierunku chociaż część dociera do anody (w wyniku czego odczytujemy pewną wartość natężenia). Jednakże, gdy przyłożymy napięcie elektryczne to zaczniemy działać na elektrony pewną siłą. Dzięki tej sile możemy nakierunkować wybite elektrony oraz nadać im dodatkowej energii kinetycznej. Zatem część elektronów zacznie lecieć w fotokomórce z fotokatody na anodę. Zauważać to będziemy jako zwiększenie odczytywanego natężenia.

Zwiększanie napięcia skutkuje zwiększeniem wartości siły działającej na wybite elektrony w wyniku czego coraz większa ilość elektronów zostanie nakierowanych na anodę. Spowoduje to zwiększeniem odczytywanego natężenia aż do pewnej maksymalnej wartości.

Możemy też, zmieniając przyłożone napięcie, zwolnić elektrony (co jest przedstawione na wykresie dla ujemnych wartości napięcia) w wyniku czego odczytywane natężenie będzie maleć aż do osiągnięcia zerowej wartości, czyli wtedy wszystkie elektrony zostaną zatrzymane.

Z wykresy wynika, że do zatrzymania wszystkich elektronów większe napięcie potrzebne jest w przypadku fotokomórki 1. Z tego wynika, że większa jest wówczas również energia kinetyczna wybijanych elektronów:

$E_{k_{1}} > E_{k_{2}} | - E_{k_{2}}$

$E_{k_{1}} - E_{k_{2}} > 0$

Skoro większa jest energia kinetyczna to oznacza, że w przypadku fotokomórki 1 większa jest prędkość wybijanych elektronów, czyli:

$v_{1} > v_{2}$

Zgodnie z wzorem Einsteina wiemy, że energia fotonu jest sumą energii kinetycznej i pracy wyjścia:

$E_{f} = W + E_{k}$

gdzie:

$W$ - praca wyjścia,

$E_{k}$ - energia kinetyczna wybijanych elektronów.

Energia fotonu jest taka sama w obu przypadkach, ponieważ fotokomórki oświetlane są tym samym źródłem światła. Zatem im większa energia kinetyczna tym mniejsza jest praca wyjścia:

$E_{f_{2}} = E_{f_{1}}$