Все уравнения по физике 11 класс

Все уравнения по физике 11 класс

Путь при равномерном движении:

Перемещение S (расстояние по прямой между начальной и конечной точкой движения) обычно находится из геометрических соображений. Координата при равномерном прямолинейном движении изменяется по закону (аналогичные уравнения получаются для остальных координатных осей):

Средняя скорость пути:

Средняя скорость перемещения:

Определение ускорения при равноускоренном движении:

Выразив из формулы выше конечную скорость, получаем более распространённый вид предыдущей формулы, которая теперь выражает зависимость скорости от времени при равноускоренном движении:

Средняя скорость при равноускоренном движении:

Перемещение при равноускоренном прямолинейном движении может быть рассчитано по нескольким формулам:

Координата при равноускоренном движении изменяется по закону:

Проекция скорости при равноускоренном движении изменяется по такому закону:

Скорость, с которой упадет тело падающее с высоты h без начальной скорости:

Время падения тела с высоты h без начальной скорости:

Максимальная высота на которую поднимется тело, брошенное вертикально вверх с начальной скоростью v₀, время подъема этого тела на максимальную высоту, и полное время полета (до возвращения в исходную точку):

Формула для тормозного пути тела:

Время падения тела при горизонтальном броске с высоты H может быть найдено по формуле:

Дальность полета тела при горизонтальном броске с высоты H:

Полная скорость в произвольный момент времени при горизонтальном броске, и угол наклона скорости к горизонту:

Максимальная высота подъема при броске под углом к горизонту (относительно начального уровня):

Время подъема до максимальной высоты при броске под углом к горизонту:

Дальность полета и полное время полета тела брошенного под углом к горизонту (при условии, что полет заканчивается на той же высоте с которой начался, т.е. тело бросали, например, с земли на землю):

Определение периода вращения при равномерном движении по окружности:

Определение частоты вращения при равномерном движении по окружности:

Связь периода и частоты:

Линейная скорость при равномерном движении по окружности может быть найдена по формулам:

Угловая скорость вращения при равномерном движении по окружности:

Связь линейной и скорости и угловой скорости выражается формулой:

Связь угла поворота и пути при равномерном движении по окружности радиусом R (фактически, это просто формула для длины дуги из геометрии):

Центростремительное ускорение находится по одной из формул:

Динамика

Второй закон Ньютона:

Здесь: F — равнодействующая сила, которая равна сумме всех сил действующих на тело:

Второй закон Ньютона в проекциях на оси (именно такая форма записи чаще всего и применяется на практике):

Третий закон Ньютона (сила действия равна силе противодействия):

Общий коэффициент жесткости параллельно соединённых пружин:

Общий коэффициент жесткости последовательно соединённых пружин:

Сила трения скольжения (или максимальное значение силы трения покоя):

Закон всемирного тяготения:

Если рассмотреть тело на поверхности планеты и ввести следующее обозначение:

Где: g — ускорение свободного падения на поверхности данной планеты, то получим следующую формулу для силы тяжести:

Ускорение свободного падения на некоторой высоте от поверхности планеты выражается формулой:

Скорость спутника на круговой орбите:

Первая космическая скорость:

Закон Кеплера для периодов обращения двух тел вращающихся вокруг одного притягивающего центра:

Статика

Момент силы определяется с помощью следующей формулы:

Условие при котором тело не будет вращаться:

Координата центра тяжести системы тел (аналогичные уравнения для остальных осей):

Гидростатика

Определение давления задаётся следующей формулой:

Давление, которое создает столб жидкости находится по формуле:

Но часто нужно учитывать еще и атмосферное давление, тогда формула для общего давления на некоторой глубине h в жидкости приобретает вид:

Идеальный гидравлический пресс:

Любой гидравлический пресс:

КПД для неидеального гидравлического пресса:

Сила Архимеда (выталкивающая сила, V — объем погруженной части тела):

Импульс

Импульс тела находится по следующей формуле:

Изменение импульса тела или системы тел (обратите внимание, что разность конечного и начального импульсов векторная):

Общий импульс системы тел (важно то, что сумма векторная):

Второй закон Ньютона в импульсной форме может быть записан в виде следующей формулы:

Закон сохранения импульса. Как следует из предыдущей формулы, в случае если на систему тел не действует внешних сил, либо действие внешних сил скомпенсировано (равнодействующая сила равна нолю), то изменение импульса равно нолю, что означает, что общий импульс системы сохраняется:

Если внешние силы не действуют только вдоль одной из осей, то сохраняется проекция импульса на данную ось, например:

Работа, мощность, энергия

Механическая работа рассчитывается по следующей формуле:

Самая общая формула для мощности (если мощность переменная, то по следующей формуле рассчитывается средняя мощность):

Мгновенная механическая мощность:

Коэффициент полезного действия (КПД) может быть рассчитан и через мощности и через работы:

Формула для кинетической энергии:

Потенциальная энергия тела поднятого на высоту:

Потенциальная энергия растянутой (или сжатой) пружины:

Полная механическая энергия:

Связь полной механической энергии тела или системы тел и работы внешних сил:

Закон сохранения механической энергии (далее – ЗСЭ). Как следует из предыдущей формулы, если внешние силы не совершают работы над телом (или системой тел), то его (их) общая полная механическая энергия остается постоянной, при этом энергия может перетекать из одного вида в другой (из кинетической в потенциальную или наоборот):

Молекулярная физика

Химическое количество вещества находится по одной из формул:

Масса одной молекулы вещества может быть найдена по следующей формуле:

Связь массы, плотности и объёма:

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории (МКТ) идеального газа:

Определение концентрации задаётся следующей формулой:

Для средней квадратичной скорости молекул имеется две формулы:

Средняя кинетическая энергия поступательного движения одной молекулы:

Постоянная Больцмана, постоянная Авогадро и универсальная газовая постоянная связаны следующим образом:

Следствия из основного уравнения МКТ:

Уравнение состояния идеального газа (уравнение Клапейрона-Менделеева):

Газовые законы. Закон Бойля-Мариотта:

Универсальный газовый закон (Клапейрона):

Давление смеси газов (закон Дальтона):

Тепловое расширение тел. Тепловое расширение газов описывается законом Гей-Люссака. Тепловое расширение жидкостей подчиняется следующему закону:

Для расширения твердых тел применяются три формулы, описывающие изменение линейных размеров, площади и объема тела:

Термодинамика

Количество теплоты (энергии) необходимое для нагревания некоторого тела (или количество теплоты выделяющееся при остывании тела) рассчитывается по формуле:

Теплоемкость (С — большое) тела может быть рассчитана через удельную теплоёмкость (c — маленькое) вещества и массу тела по следующей формуле:

Тогда формула для количества теплоты необходимой для нагревания тела, либо выделившейся при остывании тела может быть переписана следующим образом:

Фазовые превращения. При парообразовании поглощается, а при конденсации выделяется количество теплоты равное:

При плавлении поглощается, а при кристаллизации выделяется количество теплоты равное:

При сгорании топлива выделяется количество теплоты равное:

Уравнение теплового баланса (ЗСЭ). Для замкнутой системы тел выполняется следующее (сумма отданных теплот равна сумме полученных):

Если все теплоты записывать с учетом знака, где «+» соответствует получению энергии телом, а «–» выделению, то данное уравнение можно записать в виде:

Работа идеального газа:

Если же давление газа меняется, то работу газа считают, как площадь фигуры под графиком в p–V координатах. Внутренняя энергия идеального одноатомного газа:

Изменение внутренней энергии рассчитывается по формуле:

Первый закон (первое начало) термодинамики (ЗСЭ):

Для различных изопроцессов можно выписать формулы по которым могут быть рассчитаны полученная теплота Q, изменение внутренней энергии ΔU и работа газа A. Изохорный процесс (V = const):

Изобарный процесс (p = const):

Изотермический процесс (T = const):

Адиабатный процесс (Q = 0):

КПД тепловой машины может быть рассчитан по формуле:

Где: Q₁ – количество теплоты полученное рабочим телом за один цикл от нагревателя, Q₂ – количество теплоты переданное рабочим телом за один цикл холодильнику. Работа совершенная тепловой машиной за один цикл:

Наибольший КПД при заданных температурах нагревателя T₁ и холодильника T₂, достигается если тепловая машина работает по циклу Карно. Этот КПД цикла Карно равен:

Абсолютная влажность рассчитывается как плотность водяных паров (из уравнения Клапейрона-Менделеева выражается отношение массы к объему и получается следующая формула):

Относительная влажность воздуха может быть рассчитана по следующим формулам:

Потенциальная энергия поверхности жидкости площадью S:

Сила поверхностного натяжения, действующая на участок границы жидкости длиной L:

Высота столба жидкости в капилляре:

При полном смачивании θ = 0°, cos θ = 1. В этом случае высота столба жидкости в капилляре станет равной:

При полном несмачивании θ = 180°, cos θ = –1 и, следовательно, h 8 м/с, она также может быть вычислена по формуле:

Скорости электромагнитной волны (в т.ч. света) в среде и в вакууме также связаны между собой формулой:

При этом показатель преломления некоторого вещества можно рассчитать используя формулу:

Оптика

Оптическая длина пути определяется формулой:

Оптическая разность хода двух лучей:

Условие интерференционного максимума:

Условие интерференционного минимума:

Формула дифракционной решетки:

Закон преломления света на границе двух прозрачных сред:

Постоянную величину n₂₁ называют относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Если n₁ > n₂, то возможно явление полного внутреннего отражения, при этом:

Формула тонкой линзы:

Линейным увеличением линзы Γ называют отношение линейных размеров изображения и предмета:

Атомная и ядерная физика

Энергия кванта электромагнитной волны (в т.ч. света) или, другими словами, энергия фотона вычисляется по формуле:

Формула Эйнштейна для внешнего фотоэффекта (ЗСЭ):

Максимальная кинетическая энергия вылетающих электронов при фотоэффекте может быть выражена через величину задерживающего напряжение U_з и элементарный заряд е:

Существует граничная частота или длинна волны света (называемая красной границей фотоэффекта) такая, что свет с меньшей частотой или большей длиной волны не может вызвать фотоэффект. Эти значения связаны с величиной работы выхода следующим соотношением:

Второй постулат Бора или правило частот (ЗСЭ):

В атоме водорода выполняются следующие соотношения, связывающие радиус траектории вращающегося вокруг ядра электрона, его скорость и энергию на первой орбите с аналогичными характеристиками на остальных орбитах:

На любой орбите в атоме водорода кинетическая (К) и потенциальная (П) энергии электрона связаны с полной энергией (Е) следующими формулами:

Общее число нуклонов в ядре равно сумме числа протонов и нейтронов:

Энергия связи ядра выраженная в единицах СИ:

Энергия связи ядра выраженная в МэВ (где масса берется в атомных единицах):

Закон радиоактивного распада:

Ядерные реакции

Для произвольной ядерной реакции описывающейся формулой вида:

Выполняются следующие условия:

Энергетический выход такой ядерной реакции при этом равен:

Основы специальной теории относительности (СТО)

Релятивистское сокращение длины:

Релятивистское удлинение времени события:

Релятивистский закон сложения скоростей. Если два тела движутся навстречу друг другу, то их скорость сближения:

Релятивистский закон сложения скоростей. Если же тела движутся в одном направлении, то их относительная скорость:

Энергия покоя тела:

Любое изменение энергии тела означает изменение массы тела и наоборот:

Полная энергия тела:

Полная энергия тела Е пропорциональна релятивистской массе и зависит от скорости движущегося тела, в этом смысле важны следующие соотношения:

Релятивистское увеличение массы:

Кинетическая энергия тела, движущегося с релятивистской скоростью:

Между полной энергией тела, энергией покоя и импульсом существует зависимость:

Равномерное движение по окружности

В качестве дополнения, в таблице ниже приводим всевозможные взаимосвязи между характеристиками тела равномерно вращающегося по окружности (T – период, N – количество оборотов, v – частота, R – радиус окружности, ω – угловая скорость, φ – угол поворота (в радианах), υ – линейная скорость тела, a_n – центростремительное ускорение, L – длина дуги окружности, t – время):

Расширенная PDF версия документа «Все главные формулы по школьной физике»:

Как успешно подготовиться к ЦТ по физике и математике?

Для того чтобы успешно подготовиться к ЦТ по физике и математике, среди прочего, необходимо выполнить три важнейших условия:

1. Изучить все темы и выполнить все тесты и задания приведенные в учебных материалах на этом сайте. Для этого нужно всего ничего, а именно: посвящать подготовке к ЦТ по физике и математике, изучению теории и решению задач по три-четыре часа каждый день. Дело в том, что ЦТ это экзамен, где мало просто знать физику или математику, нужно еще уметь быстро и без сбоев решать большое количество задач по разным темам и различной сложности. Последнему научиться можно только решив тысячи задач.
2. Выучить все формулы и законы в физике, и формулы и методы в математике. На самом деле, выполнить это тоже очень просто, необходимых формул по физике всего около 200 штук, а по математике даже чуть меньше. В каждом из этих предметов есть около десятка стандартных методов решения задач базового уровня сложности, которые тоже вполне можно выучить, и таким образом, совершенно на автомате и без затруднений решить в нужный момент большую часть ЦТ. После этого Вам останется подумать только над самыми сложными задачами.
3. Посетить все три этапа репетиционного тестирования по физике и математике. Каждый РТ можно посещать по два раза, чтобы прорешать оба варианта. Опять же на ЦТ, кроме умения быстро и качественно решать задачи, и знания формул и методов необходимо также уметь правильно спланировать время, распределить силы, а главное правильно заполнить бланк ответов, не перепутав ни номера ответов и задач, ни собственную фамилию. Также в ходе РТ важно привыкнуть к стилю постановки вопросов в задачах, который на ЦТ может показаться неподготовленному человеку очень непривычным.

Успешное, старательное и ответственное выполнение этих трех пунктов, а также ответственная проработка итоговых тренировочных тестов, позволит Вам показать на ЦТ отличный результат, максимальный из того, на что Вы способны.

Нашли ошибку?

Если Вы, как Вам кажется, нашли ошибку в учебных материалах, то напишите, пожалуйста, о ней на электронную почту (адрес электронной почты здесь). В письме укажите предмет (физика или математика), название либо номер темы или теста, номер задачи, или место в тексте (страницу) где по Вашему мнению есть ошибка. Также опишите в чем заключается предположительная ошибка. Ваше письмо не останется незамеченным, ошибка либо будет исправлена, либо Вам разъяснят почему это не ошибка.

ЗАПРЕЩЕНО использование представленных на сайте материалов или их частей в любых коммерческих целях, а также их копирование, перепечатка, повторная публикация или воспроизведение в любой форме. Нарушение прав правообладателей преследуется по закону. Подробнее.

Перечень формул по курсу физики 11 класса

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа №11

МАОУ СОШ №11 г. Североуральск Свердловской области

Перечень формул по курсу физики 11 класса

Учебник: Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н.Сотский. Физика, 11 класс. Классический курс. М.: Просвещение, 2010

Косарева Вера Николаевна

ПЕРЕЧЕНЬ ФОРМУЛ ПО КУРСУ ФИЗИКИ 11 КЛАССА

F — сила, Н (ньютон)

B — вектор магнитной индукции, Тл (тесла)

— длина проводника, м

I —сила тока, А (ампер)

q —электрический заряд, Кл (кулон)

m – масса частицы, кг

— скорость частицы, м/с

F _L = B sin α Сила Лоренца

Радиус окружности и период обращения при движении заряженной частицы в однородном магнитном поле

r =

T =

Ф= B _n S = BS cos α Поток вектора магнитной индукции (магнитный поток)

Ф – магнитный поток, Вб (вебер)

B — вектор магнитной индукции, Тл (тесла)

S — площадь контура, м 2

M — момент сил, Н∙м

_i – электродвижущая сила индукции, В (вольт)

— длина проводника, м

— скорость проводника, м/с

I —сила тока, А (ампер)

_si — электродвижущая сила самоиндукции, В (вольт)

L — индуктивность, Гн (генри)

W _L – энергия магнитного поля катушки с током, Дж (джоуль)

Момент сил, вращающих контур с током в магнитном поле

Закон электромагнитной индукции Фарадея

_i =- = — Ф _t ′

ЭДС индукции в прямом проводнике, движущемся в однородном магнитном поле

= B l sin α

L = Индуктивность

_si =- = — LI _t ′

Энергия магнитного поля катушки с током

W _L =

КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ

Уравнения гармонических колебаний

(t) = x _t ′

(t) =( ) _t ′ = 2 x(t)

k =m 2

= A

= 2 A

— начальная фаза колебаний, рад (радиан )

– фаза колебаний, рад (радиан)

х — координата тела (смещение),м

А- амплитуда колебаний, м

m – масса тела, кг

a — ускорение, м/с 2

k – жесткость пружины, Н/м

ω ₀ – циклическая частота, рад/с

T – период колебаний, с

ν – частота колебаний, Гц (герц)

– скорость тела, м/с

— число колебаний ( безразмерное)

— длина нити, м

g — ускорение свободного падения, м/с 2

Период , частота и фаза колебаний

ω ₀ = ; ω ₀ =

ω ₀ t

; T= ; T=

T = Период малых свободных колебаний математического маятника

T = Период свободных колебаний пружинного маятника

Свободные электромагнитные колебания в колебательном контуре

_t ′ =

)

T = Формула Томсона

ω = =

-электрический заряд, Кл (кулон)

ω – циклическая частота ,рад/с

— начальная фаза, рад

I —сила тока, А (ампер)

L — индуктивность, Гн (генри)

С- электроёмкость конденсатора, Ф(фарад)

T – период колебаний, с

-индуктивное сопротивление, Ом

-ёмкостное сопротивление, Ом

R -активное сопротивление, Ом

Z –полное сопротивление, Ом

Р –мощность, Вт (ватт)

-сдвиг фаз между током и напряжением, рад

I — действующее значение силы тока, А (ампер)

U — действующее значение напряжения, В (вольт)

К – коэффициент трансформации трансформатора (безразмерный)

-напряжение на первичной обмотке, В (вольт)

— напряжение на вторичной обмотке, В (вольт)

— число витков в первичной обмотке (безразмерное)

— число витков во вторичной обмотке (безразмерное)

Закон сохранения энергии в колебательном контуре

= = =const

Действующие значения переменного тока

I = U =

Индуктивное , емкостное и полное сопротивление в цепи переменного тока

= ω L, = T= ,

Z 2 =

Средняя мощность в цепи переменного тока

P= IUcos

Коэффициент трансформации трансформатора

K = =

Механические и электромагнитные волны

λ =

λ -длина волны, м

– скорость распространения волны, м/с

ν – частота колебаний, Гц (герц)

T – период колебаний, с

s — смещение точки волновой поверхности, м

s _max – амплитуда колебаний, м

ω – циклическая частота ,рад/с

τ –время запаздывания волны, с

I — плотность потока электромагнитного излучения, Вт/м 2

-электромагнитная энергия, проходящая через некоторую поверхность, Дж (джоуль)

— время прохождения энергии, с

площадь этой поверхности, м 2

w — плотность электромагнитной энергии, Дж/м 3

c — скорость света в вакууме, м/с

-расстояние до объекта, м

s = s _max sin ( ω ( t — τ )) =

= s _max sin ( ω ( t — уравнение гармонической бегущей волны, распространяющейся в положительном направлении оси ОХ

I= =wc

λ = длина электромагнитной волны в вакууме (воздухе)

определение расстояния до объекта при радиолокации

= = n _отн

n ₁ = n ₂ закон преломления света

α – угол падения, град

– угол преломления, град

— скорость света в первой среде, м/с

— скорость света во второй среде, м/с

n _отн — относительный показатель преломления ( показатель преломления второй среды относительно первой) (безразмерный)

n _абс – абсолютный показатель преломления среды (безразмерный)

c — скорость света в вакууме, м/с

-скорость света в данной оптической среде, м/с

— абсолютный показатель преломления первой среды (безразмерный)

— абсолютный показатель преломления второй среды (безразмерный)

₁ -длина световой волны в первой среде, м

₂ — длина световой волны во второй среде, м

-предельный угол полного внутреннего отражения, град

D — оптическая сила тонкой линзы, дптр (диоптрия)

F – фокусное расстояние тонкой линзы, м

d — расстояние от предмета до линзы, м

f — расстояние от линзы до изображения, м

n – показатель преломления вещества, из которого изготовлена линза (безразмерный)

, -радиусы кривизны поверхностей линзы, м
Г — линейное увеличение линзы (безразмерное)
H – линейный размер изображения, м

h — линейный размер предмета ,м

∆ -разность хода двух волн, м

d — период дифракционной решетки, м

– угол дифракции, град

m — порядок максимума (безразмерный)

Показатели преломления света

n _отн =

n _абс =

Соотношение частот и длин волн при переходе монохроматического света через границу раздела двух оптических сред

ν ₁ = ν ₂ , ₁ = ₂

Предельный угол полного внутреннего отражения

sin = =

Оптическая сила тонкой линзы

D =

тонкой линзы

=

=( n -1) ( + )

= = Увеличение линзы

Интерференция света. Условия максимумов ∆ = 2 m ,

минимумов ∆ =( 2 m + 1) ,

Условия наблюдения главных максимумов при нормальном падении монохроматического света на дифракционную решетку

d sin =m ,

Основы специальной теории относительности

Энергия свободной частицы

E =

E – энергия, Дж (джоуль)

m –масса частицы, кг

-скорость частицы, м/с

c — скорость света в вакууме, м/с

p – импульс частицы, кг ∙ м/с

E ₀ – энергия покоя, Дж (джоуль)

=

Связь массы и энергии свободной частицы

E 2 – (pc) 2 = (mc 2 ) 2

Энергия покоя свободной частицы

ν – частота, Гц (герц)

E — энергия кванта, Дж (джоуль)

p – импульс фотона, кг ∙ м/с

λ -длина волны, м

c — скорость света в вакууме, м/с

A _выхода –работа выхода электрона из металла, Дж (джоуль)

E _{кин max} – кинетическая энергия электрона, Дж

ν _кр – красная граница фотоэффекта по частоте, Гц (герц)

— красная граница фотоэффекта по длине волны, м

m –масса электрона, кг

-скорость электрона, м/с

e – элементарный заряд, Кл (кулон)

U _зап – задерживающее напряжение, В (вольт)

E = h ν = pc =

p = = =

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

E _фотона = h ν=

A _выхода = h ν _кр =

E _{кин max} = = eU _зап

Длина волны де Бройля

= = =

Излучение и поглощение фотонов при переходе атома с одного уровня энергии на другой

h ν _mn = =

ν _mn — частота излученной волны, Гц (герц)

c — скорость света в вакууме, м/с

— длина волны излученной волны, м

-большая энергия стационарного состояния атома, Дж

— меньшая энергия стационарного состояния атома, Дж

m , n – номер орбиты электрона (безразмерный)

Спектр уровней энергии атома водорода

= , n =1,2,3, …

Физика атомного ядра

Дефект массы ядра :

∆ m =Z +(A-Z) —

∆ m – дефект массы ядра, кг

Z – число протонов в ядре (безразмерное)

А – массовое число (безразмерное)

— масса протона , кг

— масса нейтрона, кг

— масса ядра, кг

∆– энергия связи, Дж

c — скорость света в вакууме, м/с

– электронное антинейтрино

— электрон

— позитрон

— электронное нейтрино

число исходных ядер (безразмерное)

N –число оставшихся ядер (безразмерное)

t — время распада, с

T — период полураспада, с

Энергия связи ядра

∆ = ∆ m

Альфа-распад: +

Бета- распад. Электронный бета-распад:

+

Закон радиоактивного распада

N ( t ) = ∙

1. Демидова М.Ю. Методические рекомендации по некоторым аспектам совершенствования преподавания физики (на основе типичных затруднений выпускников при выполнении заданий ЕГЭ). М.:ФИПИ, 2014. http://4ege.ru/fizika/5671-rekomendacii-dlya-uchitelya.html

2.Касаткина И.Л. Практикум по общей физике. Ростов н/Д: Феникс,2009.

3. Кодификатор элементов содержания и требований к уровню подготовки выпускников образовательных организаций для проведения единого государственного экзамена по физике. 2015г. Подготовлен Федеральным государственным бюджетным научным учреждением «ФИПИ».

4.Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н.. Физика, 11 класс. Классический курс. М.: Просвещение, 2010.

Дистанционное обучение педагогов по ФГОС по низким ценам

Вебинары, курсы повышения квалификации, профессиональная переподготовка и профессиональное обучение. Низкие цены. Более 14000 образовательных программ. Диплом госудаственного образца для курсов, переподготовки и профобучения. Сертификат за участие в вебинарах. Бесплатные вебинары. Лицензия.

Физика. 11 класс

Конспект урока

Физика, 11 класс

Урок 22. Фотоэффект

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

• предмет и задачи квантовой физики;
• гипотеза М. Планка о квантах;
• опыты А.Г. Столетова;
• определение фотоэффекта, кванта, тока насыщения, задерживающего напряжения, работы выхода, красной границы фотоэффекта;
• уравнение Эйнштейна для фотоэффекта;
• законы фотоэффекта.

Глоссарий по теме:

Квантовая физика — раздел теоретической физики, в котором изучаются квантово-механические и квантово-полевые системы и законы их движения.

Фотоэффект – это вырывание электронов из вещества под действием света.

Квант — (от лат. quantum — «сколько») — неделимая порция какой-либо величины в физике.

Ток насыщения — некоторое предельное значение силы фототока.

Задерживающее напряжение — минимальное обратное напряжение между анодом и катодом, при котором фототок равен нулю.

Работа выхода – это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл. которую нужно сообщить электрону, для того чтобы он мог преодолеть силы, удерживающие его внутри металла.

Красная граница фотоэффекта – это минимальная частота или максимальная длина волны света излучения, при которой еще возможен внешний фотоэффект.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В. М. Физика. 11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 259 – 267.

2. Рымкевич А. П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.- М.:Дрофа,2009. – С. 153 – 158.

3. Элементарный учебник физики. Учебное пособие в 3 т./под редакцией академика Ландсберга Г. С.: Т.3. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика. – 12-е изд. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. С. 422 – 429.

4. Тульчинский М. Е. Качественные задачи по физике в средней школе. Пособие для учителей. Изд. 4-е, переработ. и доп. М. «Просвещение», 1972. С. 157.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

В начале 20-го века в физике произошла величайшая революция. Попытки объяснить наблюдаемые на опытах закономерности распределения энергии в спектрах теплового излучения оказались несостоятельными. Законы электромагнетизма Максвелла неожиданно «забастовали». Противоречия между опытом и практикой были разрешены немецким физиком Максом Планком.

Гипотеза Макса Планка: атомы испускают электромагнитную энергию не непрерывно, а отдельными порциями – квантами. Энергия Е каждой порции прямо пропорциональна частоте ν излучения света: E = hν.

Коэффициент пропорциональности получил название постоянной Планка, и она равна:

h = 6,63 ∙ 10 -34 Дж∙с.

После открытия Планка начала развиваться самая современная и глубокая физическая теория – квантовая физика.

Квантовая физика — раздел теоретической физики, в котором изучаются квантово-механические и квантово-полевые системы и законы их движения.

Поведение всех микрочастиц подчиняется квантовым законам. Но впервые квантовые свойства материи были обнаружены именно при исследовании излучения и поглощения света.

В 1886 году немецкий физик Густав Людвиг Герц обнаружил явление электризации металлов при их освещении.

Явление вырывания электронов из вещества под действием света называется внешним фотоэлектрическим эффектом.

Законы фотоэффекта были установлены в 1888 году профессором московского университета Александром Григорьевичем Столетовым.

Схема установки для изучения законов фотоэффекта

Первый закон фотоэффекта: фототок насыщения — максимальное число фотоэлектронов, вырываемых из вещества за единицу времени, — прямо пропорционален интенсивности падающего излучения.

Зависимость силы тока от приложенного напряжения

Увеличение интенсивности света означает увеличение числа падающих фотонов, которые выбивают с поверхности металла больше электронов.

Второй закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения и линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения.

Третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует граничная частота такая, что излучение меньшей частоты не вызывает фотоэффекта, какой бы ни была интенсивность падающего излучения. Эта минимальная частота излучения называется красной границей фотоэффекта.

где А_в – работа выхода электронов;

h – постоянная Планка;

ν_min — частота излучения, соответствующая красной границе фотоэффекта;

с – скорость света;

λкр – длина волны, соответствующая красной границе_.

Фотоэффект практически безынерционен: фототок возникает одновременно с освещением катода с точностью до одной миллиардной доли секунды.

Работа выхода – это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл.

Для большинства веществ фотоэффект возникает только под действием ультрафиолетового облучения. Однако некоторые металлы, например, литий, натрий и калий, испускают электроны и при облучении видимым светом.

Известно, что фототоком можно управлять, подавая на металлические пластины различные напряжения. Если на систему подать небольшое напряжение обратной полярности, «затрудняющее» вылет электронов, то ток уменьшится, так как фотоэлектронам, кроме работы выхода, придется совершать дополнительную работу против сил электрического поля.

Задерживающее напряжение — минимальное обратное напряжение между анодом и катодом, при котором фототок равен нулю.

Максимальная кинетическая энергия электронов выражается через задерживающее напряжение:

где — максимальная кинетическая энергия электронов;

Е – заряд электрона;

– задерживающее напряжение.

Теорию фотоэффекта разработал Альберт Эйнштейн. На основе квантовых представлений Эйнштейн объяснил фотоэффект. Электрон внутри металла после поглощения одного фотона получает порцию энергии и стремится вылететь за пределы кристаллической решетки, т.е. покинуть поверхность твердого тела. При этом часть полученной энергии он израсходует на совершение работы по преодолению сил, удерживающих его внутри вещества. Остаток энергии будет равен кинетической энергии:

В 1921 году Альберт Эйнштейн стал обладателем Нобелевской премии, которая, согласно официальной формулировке, была вручена «за заслуги перед теоретической физикой и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта».

Если фотоэффект сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внешним фотоэффектом или фотоэлектронной эмиссией, а вылетающие электроны — фотоэлектронами. Если фотоэффект не сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внутренним.

Примеры и разбор решения заданий

1. Монохроматический свет с длиной волны λ падает на поверхность металла, вызывая фотоэффект. Фотоэлектроны тормозятся электрическим полем. Как изменятся работа выхода электронов с поверхности металла и запирающее напряжение, если уменьшить длину волны падающего света?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Работа выхода — это характеристика металла, следовательно, работа выхода не изменится при изменении длины волны падающего света.

Запирающее напряжение — это такое минимальное напряжение, при котором фотоэлектроны перестают вылетать из металла. Оно определяется из уравнения:

Следовательно, при уменьшении длины волны падающего света, запирающее напряжение увеличивается.

2. Красная граница фотоэффекта для вещества фотокатода λ₀ = 290 нм. При облучении катода светом с длиной волны λ фототок прекращается при напряжении между анодом и катодом U = 1,5 В. Определите длину волны λ.

Запишем уравнение для фотоэффекта через длину волны:

Условие связи красной границы фотоэффекта и работы выхода:

Запишем выражение для запирающего напряжения – условие равенства максимальной кинетической энергии электрона и изменения его потенциальной энергии при перемещении в электростатическом поле:

Решая систему уравнений (1), (2), (3), получаем формулу для вычисления длины волны λ:

Подставляя численные значения, получаем: λ ≈ 215 нм.