Экспериментальная установка и методика измерений

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 22 из 25Следующая ⇒

Фотоэлемент представляет собой откачанный стеклянный баллон, одна половина которого покрыта тонким слоем светочувствительного вещества k, служащего катодом (рис. 5.4.4). В центре баллона располагается анод а, выполненный в виде кольца или шарика. Корпус фотоэлемента снабжен специальным карманом, в который помещается светофильтр СФ. Расходящийся пучок света от источника (лампы Л, помещенной в специальный кожух с отверстием и закрепленной на штативе) проходит через светофильтр, благодаря которому на катод падает практически монохроматическое излучение длиной волны l. Значение l определяется цветом выбранного светофильтра. Величину светового потока F, падающего на катод, можно регулировать, изменяя расстояние L между источником света и фотоэлементом.

Источник питания ИП предназначен для подачи постоянного напряжения U между катодом и анодом; величина U может быть измерена вольтметром V. При замыкании переключателя П в положение 1 на катод подается отрицательный потенциал, а на анод – положительный. В этом случае выбитые светом электроны (фотоэлектроны) устремляются к аноду, и по цепи течёт фототок I, для измерения которого служит микроамперметр А.

Рис. 5.4.4

Уменьшить фототок I можно путем подачи обратного напряжения («–» на анод, «+» на катод), что осуществляется замыканием переключателя П в положение 2 (см. рис. 5.4.4). Для измерения задерживающего напряжения  необходимо замкнуть переключатель П в положение 2 и увеличивать подаваемое обратное напряжение до тех пор, пока показания микроамперметра А не обратятся в нуль; соответствующее показание вольтметра V и будет представлять собой величину .

Зная , можно из (5.4.5а) найти работу выхода электрона из металла:

.                                       (5.4.8)

Зависимость задерживающего напряжения от частоты – линейная (см. (5.4.5)):

.                            (5.4.9)

Рис. 5.4.5

Это значит, что график зависимости  представляет собой прямую с угловым коэффициентом

.

Таким образом, по графику (рис. 5.4.5) можно экспериментально определить постоянную Планка:

.        (5.4.10)

Точка пересечения графика с осью абсцисс даёт значение красной границы фотоэффекта n₀. Работу выхода  можно найти по (5.4.6).

Порядок выполнения работы

Задание 1. Снятие ВАХ фотоэлемента

1. Ознакомьтесь с экспериментальной установкой; запишите номер установки.

2. Перемещая вдоль оптической скамьи расположенные на ней источник света Л и фотоэлемент ФЭ, установите их на заданном (согласно рекомендациям к упражнению 1) расстоянии L друг от друга. Значение L запишите в левую часть таблицы 5.4.1.

3. Замкните переключатель П в положение 1. Источник питания ИП установите на нуль снимаемого напряжения.

4. Поместите в карман на корпусе фотоэлемента светофильтр СФ в соответствии с рекомендациями.

5. Включите в сеть источник питания ИП, цифровой вольтметр V и осветитель Л.

6. Увеличивая согласно рекомендациям подаваемое на фотоэлемент напряжение, заносите показания вольтметра (U) и микроамперметра (I) в таблицу до тех пор, пока не будет достигнуто насыщение (при дальнейшем повышении напряжения фототок практически не будет изменяться).

7. Измените в соответствии с рекомендациями расстояние L, запишите его значение. Установите источник питания на нуль.

8. Повторите измерения по пункту 6.

Таблица 5.4.1

9. По результатам проделанных измерений постройте графики зависимости  на одном чертеже. Сделайте соответствующие выводы.

Задание 2. Определение работы выхода электронов из металла.

1. Установите источник питания на нуль снимаемого напряжения. Замкните переключатель в положение 2. Установите расстояние L в соответствии с требованиями упражнения 2. Поставьте первый из перечисленных в табл. 5.4.2 светофильтров.

Таблица 5.4.2

№	Светофильтр	l, мкм	, В	, ‧10–19 Дж	, эВ	, эВ	, эВ 2
1	Синий 1	0,43
2	Синий 2	0,46
3	Зеленый	0,50
4	Желтый	0,51
5	Оранжевый	0,52
6	Красный	0,57
					=….	…	=….

2. Увеличивайте подаваемое на фотоэлемент напряжение до тех пор, пока показания микроамперметра не обратятся в нуль. Занесите в таблицу значение задерживающего напряжения . Уменьшите показания вольтметра до нуля.

3. Меняя светофильтры в порядке их перечисления в таблице, повторяйте измерения по пункту 2.

4. Используя справочные материалы и выражая длину волны l в метрах, по формуле (5.4.8) рассчитайте для каждого опыта работу выхода электрона . Переведите полученное значение из джоулей в электрон-вольты.

5. Найдите среднее значение работы выхода  и рассчитайте случайную погрешность по формуле Стьюдента:

.

Здесь  – коэффициент Стьюдента для числа опытов  и доверительной вероятности α =0.95;  – отклонения от среднего в каждом опыте. Оцените относительную погрешность .

6. Запишите все полученные результаты табл. 5.4.2.

Задание 3. Определение красной границы фотоэффекта и постоянной Планка.

1. Постройте график зависимости , проведя по экспериментальным точкам прямую линию (графическое усреднение экспериментальных данных; рис. 5.4.5).

2. Экстраполируя график до пересечения с осью абсцисс, определите красную границу фотоэффекта ; вычислите  по (5.4.7). По формуле (5.4.6) найдите работу выхода ; выразите её в Дж и в эВ. Результаты занесите в табл. 5.4.3; сравните со средним значением, полученным в задании 2.

3. На графике зависимости  как на гипотенузе постройте прямоугольный треугольник; определите его катеты  и  (в соответствии с масштабом!) и запишите в табл. 5.4.3 (рис. 5.4.5).

4. По формуле (5.4.10) определите постоянную Планка h; сравните с табличным значением.

5. Все результаты занесите в табл. 5.4.3; сделайте выводы.

Замечание. Целесообразно строить график зависимости  в программе Excel, используя линейный тренд и требование показать уравнение зависимости. Программа выдаёт уравнение в виде ; запишите его в таблицу 5.4.3. Здесь  и  – конкретные числа. В соответствии с уравнением (5.4.9) угловой коэффициент , а . Тогда

;                                               (5.4.11)

.                                           (5.4.12)

6. Вычислите  по (5.4.11); сравните с табличным значением. Определив  по (5.4.12), выразите в эВ и сравните со средним значением, полученным в задании 2.

Таблица 5.4.3

Обработка зависимости
В программе Excel		Построение графика на миллиметровой бумаге
Уравнение зависимости			Гц
=	В ‧ с		мкм
=	В		Дж
	Дж		эВ
	эВ	=	В
	Гц	=	Гц
	мкм	=	Дж ‧ с
=	Дж ‧ с		Дж ‧ с

7. Исходя из полученного значения , найдите красную границу  и  по (5.4.6а) и (5.4.7) соответственно. Запишите все полученные результаты в таблицу 5.4.3 Примечание. Подробно о построении графиков смотрите в начале методических указаний, с. 11-16.

8. Сделайте выводы по работе.

Задание 1

Место для построения ВАХ фотоэлемента

Выводы по результатам выполнения задания 1:

Задание 2

Пример расчета работы выхода (для одного из светофильтров, например, синий 1)

 =

Работа выхода в электрон-вольтах

=

Познавательные статьи:



Коммуникативные барьеры и пути их преодоления

Рынок недвижимости. Сущность недвижимости

Решение задач с использованием генеалогического метода

История происхождения и развития детской игры