Экзамен по квантовой физике

Больше всего старшеклассников в ЕГЭ по физике пугает последнее, 32 задание. Его тема — квантовая физика. На первый взгляд эта тема кажется сложной и запутанной, но мы постараемся с ней разобраться. 32 задание весит целых три первичных балла, и важно их не упустить!

Меня зовут Максим, и я преподаю физику в учебном центре MAXIMUM. За 4 года работы преподавателем я подготовил более 200 учеников по всей России, многие из которых учатся в престижных университетах нашей страны. Сегодня я научу вас решать 32 задание ЕГЭ по физике.

Нам понадобится разобраться с блоками ЕГЭ «Квантовая физика» и «Электродинамика». Услышав слово «фотоэффект», многие ученики удивляются. Что это такое? Это связано с фотоаппаратом? У кого этот эффект возникает? В этой статье мы увидим, что квантовая физика в ЕГЭ не так страшна: для решения заданий нужно совсем небольшое количество теории и формул. Но сначала чуть подробнее поговорим о специфике задания.

Хочешь круто подготовится к ЕГЭ? Вам поможет учебный центр MAXIMUM! Все наши преподаватели сами сдавали этот экзамен на хороший балл. Мы ежегодно изучаем изменения ФИПИ и корректируем курсы, исходя из этого. Читайте подробнее про наши курсы и выбирайте подходящий!

Зачем вообще нужно это задание? Заглянем в кодификатор ФИПИ. Там говорится, что задание №32 проверяет умение решать физические задачи, знание и глубокое понимание электрических и квантовых законов, формул и графиков. А также способность анализировать физические явления, выражать из формул искомые величины и рассчитывать их.

Задание №32 стоит целых 3 балла, а это достаточно много, учитывая, что максимальный первичный балл — 52. На решение задачи выделяется 15-25 минут, включая оформление в бланк ответов №2. Средний процент выполнения составляет 16%, и это самый низкий показатель в ЕГЭ по физике. В моей практике многие ученики, написав начальную диагностику, решают блок «Квантовая физика» в 10% случаев.

Почему 32 задание ЕГЭ по физике решают только 10% учеников?

• Многие не успевают приступить к этому заданию, так как у учеников отсутствует стратегия на экзамене.
• Теорию по квантовой физике ученики проходят в конце 9 и 11 класса, и времени для отработки недостаточно.
• Квантовая физика — это самый новый раздел физики. Ученикам сложно его понять, так как он не применятся в бытовых ситуациях, в отличие от механики или термодинамики.

Какие темы необходимо изучить для решения заданий по квантовой физике?  

Чтобы разобраться с квантовой физикой для ЕГЭ, необходимо изучить три темы:

• Корпускулярно-волновой дуализм
• Физика атома
• Физика атомного ядра

Самая главная формула для 32 задания ЕГЭ по физике —  уравнение Эйнштейна для фотоэффекта:

Давайте подробнее разберемся в этой формуле.

Объяснение этого эффекта дал Эйнштейн, использовав гипотезу Планка о том, что свет — это поток особых частиц, фотонов. Энергия света, то есть энергия фотона равна hv, где h — это постоянная Планка, которая есть в справочных материалах, а v — это частота света. Именно эта энергия фотона частично передавалась электрону, и он вылетал из металла.

Важное слово — частично. Дело в том, что электроны не лежат на поверхности металла, а сидят где-то внутри. Чтобы достать их из глубины металла, нужно тоже затратить энергию, которая называется работой выхода. Оставшаяся энергия пойдет на то, чтобы разогнать электрон до определенной скорости.

То есть эта формула — просто закон сохранения энергии, который вы изучали в механике!

Кроме знаний квантовой физики, необходимо знать об электрическом и магнитном поле, фазовых переходах, а также разбираться в связи между частотой, длиной волны и скоростью света. О них я подробнее расскажу, когда буду разбирать примеры заданий.

Как оформлять вторую часть ЕГЭ по физике?

Чтобы получить 3 балла за решение задачи, необходимо обязательно обратить внимание на оформление задачи. Многие ученики могут получить 2 или даже 1 балл, если не соблюдают требования ФИПИ.

1. Должна быть записана вся теория и все законы, которые вы используете для решения задачи. Без этого вы просто не придёте к правильному ответу! Кстати, во многих заданиях пишут, что требуется рисунок, поэтому нужно правильно проиллюстрировать пример. Верный рисунок — это иллюстрация, на которой адекватно обозначены силы и вектора. Например, если тело лежит на столе, и сила реакции нарисована в 5 раз больше силы тяжести, полный балл вам не поставят.
2. Должны быть описаны все вводимые величины. Например, если в условии не было ничего сказано об ускорении, а вы используете его при решении, вынесите его на рисунок или укажите, что «а – ускорение тела». 
3. Должны быть произведены все математические действия. Не стоит перепрыгивать в уме через несколько математических действий по двум причинам. Во-первых, очень легко ошибиться, во-вторых – эксперты этого не оценят. 
4. Нужно получить правильный численный ответ, указать размерность и подставленные величины. 

Алгоритм выполнения 32 задания ЕГЭ по физике

Этот алгоритм подойдет вам для решения любой задачи части 2 и поможет избежать ошибок по невнимательности.

1. Внимательно прочитайте задачу. Запишите номер задания в бланк ответов №2.
2. Определите физическое явление, описываемое в условии, вспомните законы и формулы, которые устанавливают связь между данными и искомыми величинами. При необходимости сделайте на черновике рисунок с обозначением рассматриваемых величин.
3. Запишите в логической последовательности все действия, приводящие к определению искомой величины, с указанием явлений, законов и формул, соблюдая причинно-следственные связи.
4. Проверьте записанные рассуждения, вычеркните лишние законы и формулы, если такие есть.
5. Аккуратно и разборчиво перепишите в бланк ответов №2 полное решение.

Прототипы задания 32 и их решения

Задача 1. Фотокатод, покрытый кальцием (работа выхода А = 2 эВ) облучается светом с длиной волны λ = 300 нм . Вылетевшие с фотокатода электроны попадают в магнитное поле с индукцией B = 8 мТл перпендикулярно линиям магнитной индукции. Каков максимальный радиус окружности, по которой двигаются вылетевшие электроны?

Задача 2. Препарат с активностью 1,7⋅10¹¹ частиц в секунду помещён в металлический контейнер массой 0,5 кг. За 2 ч температура контейнера повысилась на 5,2 К. Известно, что данный препарат испускает α-частицы с энергией 5,3 МэВ, причём практически вся энергия α-частиц переходит во внутреннюю энергию контейнера. Найдите удельную теплоёмкость металла контейнера. Теплоёмкостью препарата и теплообменом с окружающей средой пренебречь.

Мы видим, что в задаче сказано, что температура контейнера увеличилась. Если его температура увеличилась, значит, он поглотил энергию. Также препарат каждую секунду испускает 1,7⋅10¹¹, каждая из которых несёт энергию 5,3 МэВ. Именно эта энергия будет поглощаться, и идти на нагрев нашего препарата. С основной идеей задачи разобрались, теперь можем приступить к формулам, которых всего две!

Теперь вы знаете, что такое 32 задание ЕГЭ по физике! Оказывается, квантовая физика в ЕГЭ не так страшна, как многие думают. Если хотите разобраться в остальных темах по физике, обратите внимание на наши онлайн-курсы. Уже более 150 тысяч выпускников подготовились с нами к ЕГЭ. Кстати, у меня на курсах MAXIMUM тоже можно поучиться!

ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ
ПО КВАНТОВОЙ ФИЗИКЕ на отделение ФиМ.
большие

1. Равновесное
тепловое излучение. Лучеиспускательная
и поглощательная способности тел.
Законы
Кирхгофа,
Стефана Больцмана и Вина.

2. Распределение
энергии в спектре излучения абсолютного
черного тела. Ультрафиолетовая
катастрофа.
Формула Планка.

1. Внешний фотоэффект
   и его основные законы. Исследования
   Столетова. Уравнение Эйнштейна. Опыт
   Лукирского и Прилежаева.

2. Опыты Лебедева.
   Объяснение давления света на основе
   электромагнитной и квантовой теории
   света. Масса и импульс фотона.

3. Поглощение и
   рассеяние рентгеновских лучей. Эффект
   Комптона.

4. Корпускулярно —
   волновая природа света и частиц. Гипотеза
   де-Бройля. Дифракция электронов. Опыт
   Дэвиссона и Джермера.

5. Постулаты Бора.
   Теория атома водорода по Бору и его
   спектр по теории Бора.

6. Дискретность
   энергетических уровней в атоме. Опыты
   Франка и Герца. Определение потенциалов
   возбуждения
   и ионизации атомов.

7. Квантовые числа
   и их физический смысл. Спин и магнитный
   момент электрона. Магнетон Бора. Принцип
   Паули.

10. Принцип
Паули. Заполнение электронных оболочек,
Периодическая система элементов
Менделеева.

11. Энергетический
спектр электрона в свободном атоме и в
кристалле. Причина расщепления
энергетических
уровней в зоны. Металлы, полупроводники,
диэлектрики.

12. Электропроводимость
металлов. Собственная и примесная
электропроводимость
полупроводников.
Зависимость электропроводности металлов
и полупроводников от температуры.

13. Р-n
переход. Выпрямление на р-п-переходе.

14. Фоторезистивный
и фото гальванический эффекты.
Фоторезисторы и полупроводниковые
элементы.

1. Спонтанное и
   индуцированное излучение. Оптические
   квантовые генераторы (лазеры).

2. Опыт Резерфорда
   по рассеянию α-частиц. Ядерная модель
   атома.

3. Состав и
   характеристика атомных ядер. Изотопы;
   изобары, изомеры. Масспектрограф.

4. Капельная и
   оболочечная модели ядер. Энергия связи
   ядра. Дефект массы.

19. Методы
регистрации заряженных частиц:
спинтарископ, фотоэмулъсионный метод,
камера
Вильсона, пузырьковая камера,
ионизационная камера, счетчик Гейгера
— Мюллера, счетчики
Черенкова.

1. Естественная
   радиоактивность. Закон радиоактивного
   распада. Радиоактивные ряды.

2. Деление тяжелых
   и синтез легких ядер. Атомный реактор.
   Ядерная энергетика.

3. Термоядерные
   реакции и перспективы их использования
   в мирных целях.

1. Ускорители
   заряженных частиц: линейный ускоритель,
   циклотрон, синхротрон, фазотрон,
   синхрофазотрон,
   бетатрон.

2. Тормозное и
   характеристическое рентгеновское
   излучение. Сплошные и характеристические
   спектры лучей Рентгена, механизмы их
   возникновения.

1. Искусственная
   радиоактивность. Трансурановые элементы.

2. Космические лучи.
   Первичное и вторичное космическое
   излучение. Зависимость интенсивности
   радиации от высоты. Радиационные пояса
   Земли.

27. Фотолюминесценция.
Исследования Вавилова. Правило Стокса.
Люминесцентные источники
света.

28. Сверхпроводимость.
Опытные факты. Понятие о квантовой
теорий сверхпроводимости.

29. Термо-
и фотоэлектрические свойства p-n-перехода.
Фотодиоды, светодиоды,
полупроводниковые
лазеры.

30. Статистика
Ферми-Дирака. Уровень Ферми

малые

1. Фотоэлементы,
   фотоумножители.

2. Фотохимические
   реакции.

3. Методы получения
   рентгеновских лучей и их свойства.

4. Электронно-оптический
   преобразователь.

5. Радиометрический
   эффект.

6. Понятие о соотношении
   неопределенностей.

7. Спектральные
   серии атома водорода.

8. Фотоэлементы с
   внешним фотоэффектом.

9. Свойства и природа
   ядерных сил.

10.Естественная
ширина спектральных линий.

11 .а- и Р- нестабильность
ядер. Спектры а и Р излучений.

12.Масспектрометры.

13.Понятие о дырочной
электропроводности. 14.Эффекты Зеемана
и Штарка.

14. Элементарные
частицы.

15.Люминесцентный
анализ, дефектоскопия, люминесцентные
источники света.

16. Правил а смещения
при а- и р- распадах.

17.3аконМозли.

18.Элементарные
частицы.

19Подтверждение
квантовой природы излучения в опытах
Вавилова.

20.Подтверждение
квантовой природы излучения в опыте
Ботэ.

21 .Комбинационное
рассеяние света.

22.0бщая характеристика
спектров излучения и поглощения. Виды
спектров.

23.Естественная
ширина спектральных линий.

24.3атруднения
классической электронной теории
электропроводности металлов и их
причины.

25.Опыты Штерна и
Герлаха

26.0тсутствие
электронов в ядре атома как следствие
соотношения неопределенностей.

27.0бъяснение
обратимости спектральных линий с
волновой и квантовой точки зрения.

28.Еденицы
радиоактивности.

29.Эффект Мессбауэра.

Пройти тестирование по 10 заданиям
Пройти тестирование по всем заданиям
Вернуться к каталогу заданий

Версия для печати и копирования в MS Word

1

График на рисунке представляет зависимость максимальной энергии фотоэлектронов от частоты падающих на катод фотонов. Определите по графику энергию фотона с частотой Ответ приведите в электрон-вольтах.

---

2

В некоторых опытах по изучению фотоэффекта фотоэлектроны тормозятся электрическим полем. Напряжение, при котором поле останавливает и возвращает назад все фотоэлектроны, назвали задерживающим напряжением.

В таблице представлены результаты одного из первых таких опытов при освещении одной и той же пластины, в ходе которого было получено значение

Задерживающее напряжение U, В	?	0,6
Частота	5,5	6,1

Чему равно опущенное в таблице первое значение задерживающего потенциала? Ответ выразите в вольтах и округлите с точностью до десятых.

---

3

Один из способов измерения постоянной Планка основан на определении максимальной кинетической энергии фотоэлектронов с помощью измерения задерживающего напряжения. В таблице представлены результаты одного из первых таких опытов.

Задерживающее напряжение U, В	0,4	0,9
Частота света	5,5	6,9

По результатам данного эксперимента определите постоянную Планка с точностью до первого знака после запятой. В ответе приведите значение, умноженное на 10 ^{— 34.}

---

4

В некоторых опытах по изучению фотоэффекта фотоэлектроны тормозятся электрическим полем. Напряжение, при котором поле останавливает и возвращает назад все фотоэлектроны, назвали задерживающим напряжением.

В таблице представлены результаты одного из первых таких опытов при освещении одной и той же пластины.

Задерживающее напряжение U, В	0,4	0,6
Частота Гц	5,5	6,1

По результатам данного эксперимента определите постоянную Планка. В ответе приведите её значение, умноженное на 10³⁴, с точностью до первого знака после запятой.

---

Пройти тестирование по этим заданиям