МУ - К-70 (Экспериментальная проверка уравнений Эйнштейна для фотоэффекта и определение постоянной Планка с помощью спектрометра с дифракционной решеткой), страница 2

Чем меньше λ, тем меньшему углу φ соответствуетположение максимумов. В центре лежит узкий максимумРис. 8.нулевого порядка; у него окрашены только края. Для каждого максимума порядка m = 1, 2, 3, …белый свет разлагается решеткой в спектр так, что внутренний его край окрашен в фиолетовыйцвет (Ф), наружный – в красный (Кр). Спектры m-х порядков располагаются симметрично пообе стороны от центрального. Спектры больших порядков накладываются друг на друга (нарис.

8 для m = 3).6ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ1. Описание установкиЭкспериментальная установка представлена на рис. 9.Рис. 9.1. Две оптические скамьи (1) и (2) снабженные миллиметровой шкалой и соединенные спомощью поворотного шарнира таким образом, чтобы левая скамья (1) стояла неподвижно, аправую скамью (2) можно было поворачивать.2.

В качестве источника излучения используется галогенная лампа накаливания (3) (12В,50 Вт), обладающая сплошным спектром. Лампа размещена в закрытом кожухе. Световой потоквыводится через двухсекционный конденсор (F=60 мм), встроенный в стенку кожуха.Галогены – химические элементы главной подгруппы VII группы периодическойсистемы Менделеева: фтор, хлор, бром, йод и астат.3. Стойка (4) с укрепленной на ней щелью, ширину которой можно менять, вращаяголовку винта (5).4.

Стойки (6), (7) с укрепленными на них собирающими (F=+100 мм) линзами (8), (9).5. Стойка (10) с держателем (11) для дифракционной решетки (12) 600 штрихов/мм. Дляспектрального анализа излучения используется дифракционная решетка. Дифрагированноерешеткой излучение отправляется в приемник излучения. Сканирование спектра (просмотрсоставляющих спектра) осуществляется поворотом правой оптической скамьи (2). Отсчет угладифракции производится по шкале верньера (13). Внутренняя часть шкалы расположена справой стороны неподвижной оптической скамьи (1). Подвижная часть шкалы расположена слевой стороны подвижной оптической скамьи (2).6. Приемником излучения является фотоэлемент (14), ток которого пропорционаленинтенсивности светового потока, падающего на его катод через входную щель корпуса. Санодной нагрузки фотоэлемента сигнал подается на вход измерительного усилителя (15).Выходное напряжение усилителя измеряется цифровым вольтметром (16).7Таким образом, регистрация интенсивности светового потока, попадающего в приемник,осуществляется в относительных единицах по шкале цифрового вольтметра.7.

Переменный резистор (17) сопротивлением 100 Ом используется в электрическойцепи как потенциометр.8. Цифровой вольтметр (18) используется для измерения напряжения между катодом ианодом фотоэлемента.9. Блок питания (19) служит для обеспечения необходимым напряжением всехэлектрических цепей экспериментальной установки.10. На рис. 10 приведена электрическая схема для проведения эксперимента. Выполнитеэлектрические соединения в соответствие с рисунком.Рис. 10.2. Проверка готовности установки к работеВнимание!регулировки.Включайтеисточниксвета толькона времяизмеренийили1. Установите лампу на расстоянии 9 см, щель – на расстоянии 34 см и первую 100 ммлинзу на расстоянии 44 см от левого края левой оптической скамьи и включите лампу.2.

Установите ширину щели приблизительно равной ширине входной щелифотоэлемента.3. Перемещая патрон лампы фокусируйте свет, исходящий от лампы, в плоскости щели(выполняется лаборантом).4. Перемещайте линзу так, чтобы луч света после линзы шел параллельно – вы можетеоценить это по пучку света на ближайших поверхностях.5. Вставьте решетку 600 штрихов/мм в держатель диафрагмы в центре поворотногошарнира.86. Выровняйте штрихи решетки по вертикали, наблюдая за картиной спектра наблизлежащих поверхностях – на одинаковой высоте по обеим сторонам решетки.7. Поместите фотоэлемент к правому краю правой оптической скамьи, используя входщели корпуса.8. Сфокусируйте свет на входе щели фотоэлемента с помощью другой 100 мм линзы,находящейся в передней части фотоэлемента.9.

Запишите угол как нулевой, когда весь недифрагированный свет поступает вовходную щель фотоэлемента.10. Установите измерительный усилитель в режим с усилением 105 и постояннойвремени 0.3 с.11. Проконтролируйте, чтобы усилитель был установлен на нуль – без подключения ковходу установите выходное напряжение с помощью кнопки установки «0».12. Установите напряжение источника питания потенциометра 3 В, ток на 1 А.13.

Подвижный движок потенциометра переведите в крайнее левое положение.14. Передвигая движок потенциометра вправо наблюдайте за показаниями цифровоговольтметра, подключенного к выходу усилителя, которые пропорциональны фототоку взависимости от задерживающего напряжения поданного на фотоэлемент.3. Дополнительные указания по измерениям1. Измерение фототока в данной работе представляет известную трудность из-за оченьмалого его значения (10-6…10-11 А). Входное сопротивление измерительного усилителясоставляет 10000 Ом. Если усилитель настроен на усиление 104, то один вольт на выходеусилителя соответствует 0.0001 В на входе и, таким образом,току 10 нА.2.

Считывание со шкалы верньера на поворотномшарнире можно производить следующим образом. Возьмитена внутренней шкале ближайшее нижнее показание углаотносительно 0 – отметки на наружной шкале и добавьтепоказания угла по верньеру, для положения при которомлинии верньера (наружные, подвижные) и линии шкалы накруглой пластине (фиксированные в центре) совпадут.Пример считывания со шкалы верньера представлен на рис.11.

Ближайшая самая низкая отметка возле нулевой отметки– 15о. Следующие совпадающие отметки – 1.5о. Такимобразом угол равен 16.5о.Рис. 11.4. Выполнение экспериментаВнимание!регулировки.Включайтеисточниксвета толькона времяизмеренийилиЗадание 1. Вычисление угла дифракции спектрометра в зависимости от длинны волныизлучаемого света.С использованием уравнения (7) угол дифракции определяется соотношением:9  arcsin( / d ) ,где d – постоянная решетки (в данном случае 1/600 мм), λ – длинна волны излучаемого света(значения приводятся в таблице 1) и m = 1 – порядок дифракционного максимума в данномслучае.Таблица 1Уголдифракции,λ, нмν, 1012 Гц.Uз, Вград.389403431473515543570624Полученные значения φ согласуйте с преподавателем и запишите в таблицу 1.Задание 2. Вычисление частоты света ν в зависимости от угла дифракции спектрометра.Частота света ν может быть вычислена по формуле ν = с/λ, где скорость света с=3·10 8м/с, λ – выбранная длинна волны.

Результаты запишите в таблицу 1.Задание 3. Экспериментальное определение запирающего напряжения Uз для различныхчастот света ν.1. Подсоединить блок питания и усилитель к источнику питания, т.е. вставить вилкукабеля питания в розетку с напряжением 220 В. После этого тумблер «Сеть», находящийся назадней стенки приборов, поставить в положение «Включено».2. Установить на верньере угол дифракции (см. задание 1) соответствующий длиневолны 389 нм.3. Передвигая движок потенциометра вправо установите напряжение (пропорциональноефототоку) на цифровом вольтметре (16) равное нулю. Тогда напряжение на цифровомвольтметре (18) будет равно запирающему напряжению.

Результат запишите в таблицу 1.4. Повторите пункты (2) и (3) для остальных углов дифракции и длин волн приведенныхв таблице 1.Внимание! При углах дифракции φ > 21o применить красный фильтр дляпоглощения ультрафиолетового излучения второго порядка спектра, которое можетповлиять на измерения.105. Обработка и анализ результатов1. Постройте график зависимости |Uз| от ν.2. Проведите с помощью линейки прямую линию так, чтобы отклонение точек от этойпрямой было наименьшим.3. Определите с помощью график ΔUз / Δν.4. По формуле (6) вычислите значение постоянной Планк h.5. По формуле (hтабл.

– h) / hтабл. рассчитайте относительную погрешность в определениизначения постоянной Планка в сравнении с табличным значениям hтабл. = 6.62·10-34 Дж·с.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ1. Сформулируйте законы внешнего фотоэффекта. Какие из этих законов проверялись вработе? Каковы результаты этой проверки?2. Покажите, что классическая электромагнитная теория света не объясняет все законывнешнего фотоэффекта. Как они объясняются на основе квантовых представлений о природесвета? Определите энергия, импульс, массу фотона с длинной волны 500 нм.3. В чем сущность метода запирающего напряжения? Объясните методику определенияνо, A, h.4. Как объяснить теоретически и проверить в эксперименте: а) линейную зависимостьзапирающего напряжения от частоты света; б) независимость запирающего напряжения отинтенсивности света.5.

Определите длину волны, частоту, импульс и массу фотона с энергией: 1 эВ, 0.5 эВ,100 эВ.6. Красная граница фотоэффекта для вольфрама 230 нм. Какую длину волны должениметь свет, чтобы максимальная энергия испускаемых электронов равнялась 1.5 эВ?7. Красная граница фотоэффекта для меди равна 1.1 ПГц. Найдите максимальнуюэнергию фотоэлектронов (в джоулях и электронвольтах), испускаемых с поверхности меди приоблучении ее светом частотой 1.5 ПГц, и запирающее напряжение для этого случая (контактнойразностью потенциалов пренебреч)8. Работа выхода для натрия составляет 2.3 эВ. При какой максимальной длине волнысвета еще будет происходить испускание фотоэлектронов с поверхности натрия? Какуюмаксимальную кинетическую энергию имеют фотоэлектроны при облучении поверхностинатрия светом с длинной волны 2000 ангстрем?11.