Изучение законов фотоэффекта и определение постоянной Планка (849874), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Рис. 4

Фототок насыщения зависит от падающего на фотоэлемент светового потока . Он будет тем больше, чем больше число фотонов в секунду падает на катод. Очевидно, что зависимость должна быть линейной. По этой причине вакуумные фотоэлементы могут служить точными фотометрами, позволяющими измерять световые потоки. Следует отметить, что при достаточно больших световых потоках ток насыщения перестаёт увеличиваться пропорционально световому потоку – наступает насыщение фотоэлемента по световому потоку.

Если световой поток, падающий на фотоэлемент, создаётся точечным источником, то его величина обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника до фотоэлемента:

. (3)

Определение постоянной Планка

С помощью уравнения Эйнштейна (1) для фотоэффекта, можно экспериментально получить значение постоянной Планка. Для этого необходимо измерить величину запирающего напряжения при различных частотах падающего на фотоэлемент света. В этом случае работа внешнего поля над электронами равна кинетической энергии электрона при вылете из катода:

. (4)

С учётом формулы (4) уравнение (1) можно переписать в виде:

, (5)

или окончательно:

. (6)

Из последнего уравнения видно, что если строить по точкам график экспериментальной зависимости , то должна получиться прямая. Тангенс угла наклона этой прямой к горизонтальной оси численно равен .

5. Порядок проведения лабораторной работы

Получение вольтамперной характеристики фотоэлемента

1. Запустите программу «Практикум по общей физике». В открывшемся меню выбрать «Открыть», после чего в новом появившемся меню выбрать раздел «Атомная физика» и нажать на кнопку «+» слева от названия раздела. Снова выбрать в очередном появившемся меню название работы «Изучение внешнего фотоэффекта» и нажать кнопку «+» слева от названия работы и выбрать из предложенных вариантов сценарий «Определение постоянной Планка» (кнопка ).

2. Включите питание установки, дайте ей прогреться в течение 5 минут, передвиньте источник света на отметку 25см. Поляроиды при этом следует извлечь из оправки.

3. Установите максимальную интенсивность света, полярность напряжения переключите на «-». Переключатель «Коэффициент усиления» установите в положение «х0.01».

4. Поверните ручку «напряжение» по часовой стрелке до упора. Установите красный светофильтр в объектив фотоприёмника.

5. Для построения вольтамперной характеристики фотоэлемента выберите из выпадающего списка зависимость . Запустите измерения, нажав кнопку . Плавно вращайте ручку «напряжение» против часовой стрелки до упора, уменьшая тем самым задерживающее напряжение до 0. Переключите полярность на «+» и плавно вращайте ручку «напряжение» по часовой стрелке до упора, увеличивая тем самым ускоряющее напряжение. Остановите измерения, нажав кнопку . По полученному графику вольтамперной характеристики определите положение примерно 12-15 точек графика, соответствующих различным значениям напряжения и тока, включая значение задерживающего напряжения и максимального тока фотоэлемента. Для этого установите жёлтый вертикальный маркер (левая кнопка мыши) в соответствующие точки графика. При этом соответствующие величины тока и напряжения высвечиваются в окне цифрового индикатора, расположенного над графиком. В отрицательной области характеристики необходимо определить положение 3-4 точек графика; особенно тщательно необходимо определить положение точки, соответствующей запирающему напряжению. Для этого следует перемещать по графику желтый маркер вдоль оси напряжений влево с малым шагом до тех пор, пока значение тока в окне над графиком станет равным нулю (при дальнейшем возрастании модуля отрицательного напряжения ток остается равным нулю). Данные занесите в таблицу 1 и постройте по ним вольтамперную характеристику в отчете к лабораторной работе. Сохраните полученный график, пользуясь кнопкой . По возможности сфотографируйте его для отчета.

6. Повторите описанные в пунктах 3-5 действия, устанавливая на объектив фотоэлемента другие светофильтры. Для удобства сравнения характеристик можно менять светофильтры, не останавливая измерений и получая, таким образом, несколько характеристик на одном экране. Замену светофильтров рекомендуется производить при большом отрицательном напряжении на фотоэлементе.

Таблица 1.

U_з=

I_max=

Определение постоянной Планка

1. Выберите из выпадающего списка зависимости ; и запустите измерения.

2. Установите максимальную интенсивность света, полярность напряжения переключите на «-». Переключатель «Коэффициент усиления» установите в положение «х0.001». Амплитуда сигнала тока на экране при этом увеличится в 10 раз, что позволит более точно определить величину запирающего напряжения.

3. Установите красный светофильтр в объектив фотоприёмника. Выставите нулевое значение напряжения при отрицательной полярности. Медленно и плавно изменяя напряжение, добейтесь падения фототока до нуля и зафиксируйте значение запирающего напряжения . Значение фототока могут испытывать некоторые колебания, поэтому обратите внимание на показания цифрового индикатора в левом нижнем углу экрана. Остановите измерения, как только величина тока периодически начинает принимать нулевые значения. Установите вертикальный жёлтый маркер в точку графика , в которой I=0 (для этого в области отрицательных напряжений, перемещая желтый маркер с малым шагом, найдите такую предельную точку, в которой ток в окне цифрового индикатора впервые окажется равным нулю; при этом при дальнейшем возрастании модуля отрицательного напряжения ток должен оставаться равным нулю, а при уменьшении модуля отрицательного напряжения ток начинает возрастать); нажмите кнопку . Откроется таблица «Обработка», в четвёртом столбце которой отображается измеренное запирающее напряжение. Внесите в ячейку первого столбца таблицы значение длины волны света, указанное на светофильтре. Во втором и третьем столбцах таблицы автоматически вычисляются значения частоты света и отношение . Данные таблицы для всех светофильтров перенесите в свой отчет по лабораторной работе.

4. Повторите действия, описанные в предыдущем пункте, для всех имеющихся в комплекте светофильтров, постепенно уменьшая длину волны излучения. По окончании измерений перейдите на вкладку «график», в которой по экспериментальным точкам строится график зависимости U_з= . Для аппроксимации этой зависимости линейной функцией вида Y=Ax+B нажмите кнопку . В верхнем левом углу окна появится соответствующее уравнение аппроксимирующей прямой. Определите по его угловому коэффициенту значение постоянной Планка (обратите при этом внимание на размерность величин, отложенных по соответствующим осям графика). Оцените по графику погрешность измерения постоянной Планка. Сохраните полученный график, пользуясь кнопкой и по возможности сфотографируйте его для отчета.

5. Используя таблицу, полученную при проведении эксперимента, на миллиметровой бумаге постройте график зависимости кинетической энергии электронов (где кинетическая энергия определяется как , - модуль задерживающего напряжения) от частоты и определите красную границу фотоэффекта и работу выхода электрона для материала катода. Для этого сначала продлите прямую, полученную в результате построения графика до пересечения с осью частот (точка пересечения с осью частот соответствует красной границе фотоэффекта), а затем найдите работу выхода. Работу выхода запишите в Джоулях и электрон-вольтах.

Изучение зависимости фототока от светового потока.

1. Нажмите кнопку и выберите сценарий «Зависимость фототока от светового потока».

2. Установите источник света на отметке 17 см (наиболее близкое положение к фотоэлементу). Установите максимальную интенсивность света, полярность напряжения переключите на «+». Переключатель «Коэффициент усиления» должен находиться в положении «х0.001». Обратите внимание, что реальные значения фототока при этом будут в 10 раз ниже тех, которые отображаются на экране.

3. Установите красный светофильтр в объектив фотоприёмника. Повернув ручку «напряжение» по часовой стрелке до упора установите максимальное ускоряющее напряжение (фотоэлемент будет работать при этом в режиме близком к насыщению).

4. Запустите измерения. Ослабьте световой поток, падающий на фотоэлемент. Для этого установите поляроиды в стойку перед фотоприёмником, пододвиньте стойку вплотную к установленному светофильтру и поверните один из поляроидов на такой угол, при котором фототок минимален. Остановите измерения. Установите жёлтый маркер (левая кнопка мыши) на участке графика с зарегистрированным минимальным током и с помощью кнопки добавьте это значение в таблицу обработки. В первый столбец открывшейся таблицы внесите текущую координату осветителя, выраженную в см. То же значение координаты внесите в пункт таблицы «Исходные данные».

5. Передвиньте осветитель в следующую точку (например, на отметку «20 см»). Нажмите кнопку запуска измерений и отклоните предложение программы очистить таблицу накопленных данных. Измерьте ток и заполните очередную строку таблицы обработки.

6. Повторите действия, описанные в предыдущем пункте, и получите еще несколько точек в таблице при удалении осветителя на расстояние вплоть до 38 см. Данные экранной таблицы перенесите в отчет по лабораторной работе и на миллиметровой бумаге постройте по ним соответствующий график.

7. По окончанию измерений перейдите на вкладку «график», в которой по экспериментальным точкам строится график зависимости . Для аппроксимации этой зависимости функцией вида Y=Ax выберите эту функцию и нажмите кнопку . Сохраните полученный график, пользуясь кнопкой , и, по возможности, сфотографируйте его для отчета по лабораторной работе.

6. Контрольные вопросы

1. В чем заключается явление фотоэффекта (внешнего и внутреннего)?

2. Запишите уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта для случая обычных и релятивистских скоростей электронов.

3. Как объясняется явление фотоэффекта с квантовой точки зрения?

4. Каково устройство фотоэлементов и их характеристика? Объясните ход вольтамперной характеристики вакуумного фотоэлемента.

5. Как изменится вольтамперная характеристика вакуумного фотоэлемента при увеличении интенсивности светового потока и сохранении неизменным его спектрального состава?

6. Как изменится вольтамперная характеристика вакуумного фотоэлемента при изменении спектрального состава светового потока и сохранении неизменного светового потока?

7. Как формулируются законы фотоэффекта?

8. Что такое красная граница фотоэффекта? Как определяется красная граница фотоэффекта в эксперименте?

9. Что такое метод задерживающих потенциалов?

10. Может ли происходить фотоэффект на свободных электронах?

11

Характеристики

Список файлов лабораторной работы