Компетентностно - ориентированные задания по квантовой оптике

Категория

Задания по квантовой оптике

учебных

Вариант № 1

целей

Знание

Перечислите и объясните явления, в которых свет проявляет

свои корпускулярные свойства.

Понимание

Как изменяется импульс электрона отдачи при увеличении уг-

ла рассеяния рентгеновских лучей от нуля до 180 градусов

при комптоновском рассеянии?

Применение

Решите задачу. Определите, с какой скоростью должен дви-

гаться электрон, чтобы его импульс был равен импульсу фо-

тона, длина волны которого равна 2 пм.

Анализ

Определите по графику, какая из

вольт - амперных характеристик

фотоэлемента получена при осве-

щении светом меньшей интенсив-

ности? Как, пользуясь данными из

графика, определить кинетическую

энергию фотоэлектронов?

Синтез

Энергетическая светимость чѐрного тела изменилась в не-

сколько раз. Как определить изменение его энергетической

светимости? Задайте необходимые условия задачи и решите

еѐ.

Оценка

Оцените диаметр сферической космической частицы, если

действующие на неѐ силы светового давления и притяжения к

Солнцу взаимно уравновешиваются. Частица состоит из желе-

за ( = 7,8 103 кг/м3).Температуру Солнца принять равной

6000К.

104

Категория

Задания по квантовой оптике

учебных

Вариант № 2

целей

Знание

Сформулируйте законы теплового излучения абсолютно чѐр-

ного тела, полученные экспериментальным путѐм.

Понимание

Укажите ошибочное утверждение:

а) фототок не зависит от интенсивности падающего света;

б) фотоэлектрон при выходе из металла должен преодолеть

потенциальный барьер, на что затрачивается энергия, равная

работе выхода; в) при изменении частоты падающего света

меняется величина задерживающего напряжения; г) величина

фототока зависит от поляризации падающего света.

Применение

Решите задачу. На идеально отражающую поверхность пло-

щадью 5 см2 за 3 минуты нормально падает монохроматиче-

ский свет, энергия которого равна 9 Дж. Определите световое

давление, оказываемое на поверхность.

Анализ

На основе анализа графика определите, ка-

кому закону теплового излучения он соот-

ветствует. Определите на сколько изменит-

ся энергетическая светимость тела, нагрето-

го от 900 К до 1650К.

Синтез

Как определить длину волны рентгеновского излучения, если

при комптоновском рассеянии этого излучения под извест-

ным углом длина волны рассеянного излучения будет равна λ?

Задайте необходимые условия задачи и решите еѐ.

Оценка

Оцените, во сколько раз энергия фотона, соответствующего

гамма – излучению с частотой 3 1021Гц, больше энергии фо-

тона рентгеновского излучения с длиной волны 3 10-10м.

105

Категория

Задания по квантовой оптике

учебных

Вариант № 3

целей

Знание

Какая характеристика фотона не изменяется при комптонов-

ском рассеянии: а) импульс; б) энергия; в) масса; г) скорость?

Понимание

На графике показаны экспери-

ментальная и теоретическая за-

висимости спектральной плот-

ности энергетической светимо-

сти от длины волны. При каких

условиях экспериментальная и

теоретическая кривые совпадают? В чѐм смысл «ультрафиоле-

товой катастрофы»?

Применение

Определите, с какой скоростью должен двигаться электрон,

чтобы его импульс был равен импульсу фотона, длина волны

которого λ= 500 нм.

Анализ

На графиках изображена зависимость максимальной кинети-

ческой энергии электронов, которую они приобрели в резуль-

тате фотоэффекта, от интенсивности света. Определите вер-

ный график зависимости E от I.

Синтез

Докажите, что световое давление, оказываемое на поверхность

тела потоком монохроматического излучения, падающего

перпендикулярно поверхности, в случае идеального зеркала

равно 2ѡ, а в случае полностью поглощающей поверхности

равно ѡ, где ѡ – объѐмная плотность энергии излучения.

Оценка

Принимая Солнце за чѐрное тело, и учитывая, что его макси-

мальной спектральной плотности энергетической светимости

соответствует длина волны 500 нм, оцените энергию, излу-

чаемую Солнцем за 10 мин и массу, теряемую Солнцем за это

время вследствие излучения.

106

Категория

Задания по квантовой оптике

учебных

Вариант № 4

целей

Знание

Какие законы Столетова для внешнего фотоэффекта можно

объяснить с помощью уравнения Эйнштейна?

Понимание

Укажите правильное утверждение. Свет падает на чѐрную

пластинку под углом α > 0 и полностью поглощается ею. При

этом пластинка будет: а) отталкиваться по направлению света;

б) отталкиваться по нормали; в) стоять на месте.

Применение

Решите задачу. Определите длину волны излучения, кванты

которого имеют такую же энергию, что и электроны, прошед-

шие разность потенциалов 4,1 В.

Анализ

На графике представлена зависи-

мость спектральной плотности энер-

гетической светимости абсолютно

чѐрного тела от длины волны при

трѐх температурах

Т1 , Т2 , Т3 .

Проанализируйте график и дайте

правильные ответы на вопросы: а) какая кривая на графике

соответствует самой высокой температуре; б) какому закону

теплового излучения соответствует этот график; в) как изме-

нится график, если исследовать зависимость спектральной

плотности энергетической светимости абсолютно чѐрного тела

от частоты?

Синтез

Вам известно, что наибольшая длина волны излучения, спо-

собного вызвать фотоэффект у платины, равна 0,234 мкм. У

вас есть источник света с частотой 1500 пГц. Придумайте за-

дачу и решите еѐ.

Оценка

Оцените, чему равна величина Δλmax для комптоновского рас-

сеяния на протоне.

107

Категория

Задания по квантовой оптике

учебных

Вариант № 5

целей

Знание

Как определить давление света на плоскую зеркальную по-

верхность, если известен еѐ коэффициент отражения и угол

падения света?

Понимание

В чѐм отличие характера взаимодействия фотона и электрона

при фотоэффекте и при эффекте Комптона?

Применение

Решите задачу. Чему равна энергия фотона, если его длина

волны 500 нм?

Анализ

На графике изображена зависи-

мость задерживающей разности

потенциала от частоты падающе-

го света на поверхность цезия (I)

и меди (II). У какого из материа-

лов работа выхода имеет боль-

шую величину?

Синтез

Систематизируйте верные и ошибочные утверждения, пере-

численные ниже: а) при различных температурах тела погло-

щают, отражают или передают падающее на них излучение,

одинаково; б) по закону Вина суммарная энергия, излучаемая

ежесекундно абсолютно чѐрным телом и включающая все

длины волн, пропорциональна четвѐртой степени абсолютной

температуры тела; в) абсолютно чѐрное тело – это идеальный

поглотитель и наилучший излучатель света; г) поглощатель-

ной способностью тела называют отношение падающего на

тело потока тепловой энергии к поглощѐнному потоку; д ) лю-

бое нагретое тело испускает электромагнитное излучение; е)

формула Рэлея – Джинса хорошо воспроизводит эксперимен-

тальную кривую излучения абсолютно чѐрного тела при низ-

ких частотах, но расходится с ней при высоких частотах.

Оценка

Фотокатод, выполненный из щелочного металла, облучают

последовательно светом разных длин волн: инфракрасным,

синим, ультрафиолетовым.

Оцените вероятность того, что излучение (какое) не вызовет

фотоэффекта.

108

Категория

Задания по квантовой оптике

учебных

Вариант № 6

целей

Знание

В чѐм отличие, между внешним, внутренним и вентильным

фотоэффектами? Где они применяются?

Понимание

Укажите правильное утверждение. Свет падает на зеркальную

пластинку под углом α > 0 и полностью отражается от неѐ.

При этом пластинка будет: а) отталкиваться по направлению

света; б) отталкиваться по нормали; в) стоять на месте.

Применение

Решите задачу. Температура абсолютно чѐрного тела измени-

лась с 300 до 600 К. Докажите, что суммарная мощность из-

лучения увеличилась в 81 раз.

Анализ

Проанализируйте предложенные утверждения, и укажите

ошибочное: а) комптоновское рассеяние происходит на сво-

бодных или слабо связанных протонах и других элементарных

частицах; б) при эффекте Комптона происходит увеличение

частоты волны рассеянного излучения; в) комптоновский

сдвиг не зависит от длины волны падающего излучения и от

природы рассеивающего вещества; г) при эффекте Комптона

выполняются законы сохранения импульса и энергии.

Синтез

Вам известна работа выхода электрона с поверхности металла.

Какую физическую величину можно определить? Придумайте

задачу на эту тему и решите еѐ.

Оценка

При проникновении солнечного света в застеклѐнное помеще-

ние, наблюдается так называемый тепличный (парниковый)

эффект. Дайте оценку этого явления с точки зрения законов

теплового излучения.

109

Категория

Задания по квантовой оптике

учебных

Вариант № 7

целей

Знание

Как определить массу фотона, если известна частота его излу-

чения?

Понимание

На какую поверхность – идеально белую или идеально чѐрную

свет оказывает большее давление и во сколько раз?

Применение

Решите задачу. Чѐрное тело нагрели от температуры Т1= 600К

до Т2= 2400К. Как изменилась длина волны, соответствующая

максимуму спектральной плотности энергетической светимо-

сти?

Анализ

В результате эксперимента полу-

чена зависимость задерживающей

разности потенциалов от частоты

света, падающего на металличе-

скую пластинку. Проведите ана-

лиз и ответьте, какую информа-

цию о фотоэффекте можно полу-

чить из этого графика? Какие

фундаментальные физические постоянные можно определить

по угловому коэффициенту наклона графической прямой ли-

нии?

Синтез

Вам известно, что монохроматический свет от лазера падает

на зеркало под определѐнным углом. Мощность излучения ла-

зера равна 50 мВт. Как определить силу давления излучения?

Задайте необходимые условия задачи и решите еѐ.

Оценка

Фотон с энергией 0,3 МэВ рассеялся под углом 180°на сво-

бодном электроне. Оцените долю энергии фотона, приходя-

щуюся на рассеянный фотон.

110

Категория

Задания по квантовой оптике

учебных

Вариант № 8

целей

Знание

На рисунке показана схема экспери-

ментальной установки для наблюде-

ния внешнего фотоэффекта.

Назовите основные элементы уста-

новки. Какое уравнение описывает

явление внешнего фотоэффекта?

Понимание

Почему в дневное время окна домов со стороны улицы кажут-

ся темными?

Применение

Какой области спектра (инфракрасной, видимой, ультрафио-

летовой, рентгеновской) принадлежит излучение, каждый

квант которого обладает энергией 10-19Дж?

Анализ

Проанализируйте данные ниже утверждения. Укажите оши-

бочное: а) эффект Комптона состоит в увеличении длины вол-

ны рентгеновских лучей при их рассеянии на атомах вещества

и сопровождается фотоэффектом; б) с точки зрения волновой

теории длина волны рассеянного излучения должна равняться

длине волны падающего; в) максимальное значение Δλ при

комптоновском рассеянии достигается для лучей, рассеянных

под углом 90°.

Синтез

Как изменится мощность излучения чѐрного тела, если длина

волны, соответствующая максимуму спектральной плотности

энергетической светимости, сместилась с λ1 до λ2. Задайте не-

обходимые данные задачи и решите еѐ.

Оценка

Оцените правильность утверждения (верное, неверное): чем

меньше ширина запрещенной зоны в полупроводнике, тем

дальше в сторону коротких волн простирается граница внут-

реннего фотоэффекта, обусловленная разделением электронов

и дырок (собственная фотопроводимость полупроводника).

111

Категория

Задания по квантовой оптике

учебных

Вариант № 9

целей

Знание

Каким способом можно увеличить кинетическую энергию фо-

тоэлектронов при внешнем фотоэффекте?

Понимание

На зеркальную поверхность перпендикулярно ей падает свет и

полностью отражается от нее. Как определить импульс, пере-

данный поверхности при отражении одного фотона?

Применение

Решите задачу. С какой скоростью должен двигаться элек-

трон, чтобы его кинетическая энергия была равна энергии фо-

тона, длина волны которого равна 500 нм?

Анализ

Проанализируйте утверждение и укажите правильное: а) при

эффекте Комптона происходит уменьшение длины волны рас-

сеянного излучения; б) эффект Комптона можно наблюдать

при рассеянии видимого света на веществах с лѐгкими атома-

ми; в) комптоновский сдвиг Δλ зависит только от угла между

направлениями рассеянного и первичного излучений.

Синтез

Вам известно, что красная граница фотоэффекта для некото-

рого металла равна λо. Как определить максимальную ско-

рость электронов, вырываемых из этого металла светом с дли-

ной волны λ? Задайте необходимые условия задачи и решите

еѐ.

Оценка

С поверхности сажи площадью 1 см2 при температуре 400 С

за 1 мин излучается энергия 1000 Дж. Оцените коэффициент

черноты сажи.

112

Категория

Задания по квантовой оптике

учебных

Вариант № 10

целей

Знание

В чѐм отличие радиационной, цветовой и яркостной темпера-

тур?

Понимание

Какое явление наблюдается при взаимодействии фотона со

свободным электроном, в результате которого изменяется

длина волны излучения и энергия фотона?

Применение

Какой области спектра (инфракрасной, видимой, ультрафио-

летовой, рентгеновской) принадлежит излучение, каждый

квант которого обладает энергией 2,5 эВ?

Анализ

На графике показана зависи-

мость поглощательной способ-

ности трѐх тел от длины волны

света. На основе анализа гра-

фика и закона Кирхгофа, опре-

делите, какое из тел обладает

наименьшей спектральной

плотностью энергетической светимости.

Синтез

Лазерный луч, падая нормально на зеркало, полностью от него

отражается. Вам известно время, за которое лазер излучает

энергию Е. Как определить импульс, получаемый зеркалом за

1с? Задайте необходимые данные задачи и решите еѐ.

Оценка

Оцените, как зависит максимальная кинетическая энергия фо-

тоэлектронов от частоты падающего света на катод и от мощ-

ности излучения: а) линейно убывает с увеличением частоты,

не зависит от мощности; б) линейно возрастает с увеличением

частоты, не зависит от мощности; в) линейно возрастает с уве-

личением мощности, не зависит от частоты; г) не зависит ни

от частоты, ни от мощности.