4 Лаб.практ 3 сем

K	K
O	O
B	B
	ί

б) Определение угла наименьшего отклонения

1) Включить источник света и винтом S установить ширину щели ~4-5 мм.

		τ				τ	2)	Установить
		τ				τ	зрительную трубу про-
A	δ	N	C	C	N	δ	A тив щели коллиматора
	М	ί	B1		B1 ί	М	и записать значение
							угла, соответствующее
			T		T		этому положению φ0.
			а)	Рис. 4.4	б)		3)	Установить
							призму на предметный

столик так, чтобы линия ее основания составляла с осью коллиматора ОМ (см.рис.4.4) острый угол ВОМ (положение столика при этом должно быть таким чтобы его можно было поворачивать по и против часовой стрелки).

4)Расположить зрительную трубу так чтобы было видно изображение щели.

5)Поворачивать столик в таком направлении, чтобы изображение двигалось к направлению неотклоненного луча следить за тем, чтобы изображение щели перемещалось в направлении вращения столика дойдя до некоторого положения останавливалось и начинало двигаться в противоположном направлении. Момент остановки изображение щели соответствует установке призмы на угол наименьшего отклонения. Разность отсчетов по лимбу неотклоненного положения трубы (против коллиматора)

φ0 и показаний при угле наименьшего отклонения φ1 и есть 1 0 . 6) Результаты измерений занести в таблицу 4. 2.

			Таблица4.
	Отсчеты по лимбу		Угол
	положение трубы		Наименьшего
φ0		φ1	отклонения δ

7) Определить показатель преломления призмы по формуле (4-1) и произвести математическую обработку результатов измерений.

Абсолютные ошибки ∆A и ∆δ взять равными 2', так как при измерении углов А и δ дважды допускают ошибку в 1'. В формулах погрешности значения величин ∆A и ∆δ необходимо выразить в радианах:

1' = 0,00029; 1o = 0,017453.

8) Сравнить полученный результат с табличным и сделать вывод.

3.4.Контрольные вопросы

1)Как достигнута цель, поставленная в лабораторной работе?

21

2)Пояснить расчёт погрешностей в лабораторной работе.

3)Проанализировать полученные результаты.

4)Сформулировать определения физических величин и физических законов, используемых в лабораторной работе.

Лабораторная работа 5

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

Цель работы: проверить справедливость законов Столетова; рассчитать постоянную Планка и работу выхода электрона из данного материала катода.

П р и б о р ы и п р и н а д л е ж н о с т и: вакуумный фотоэлемент, галогеновая лампа, набор светофильтров, электронный блок (электронный блок состоит измикроамперметра, вольтметра, источникапитанияиреостатов).

5.1 Сведения из теории

Под внешним фотоэффектом понимают явление вырывания электронов из твердых и жидких тел под действием электромагнитного излучения.

Явление внешнего фотоэффекта хорошо описывается тремя законами Столетова и уравнением Эйнштейна:

1 – фототок насыщения пропорционален световому потоку; 2 – скорость вылетевших электронов не зависит от интенсивности света, а

зависит от его частоты; 3 – для каждого физического тела существует красная граница фотоэф-

фекта, т.е. такая частота ν0 (или длина волны λ0) начиная с которой наблюдается это явление.

Эйнштейн, опираясь на гипотезу Планка, что излучение или поглощение электромагнитной энергии происходит только порциями, и закон сохранения и превращения энергии предложил уравнение, описывающее внешний фотоэффект:

h = A	mV 2	.			(5-1)
	2
В уравнении (5-1) W = h ν – энергия кванта,			h – постоянная Планка, v – часто-
				mV 2
та электромагнитной волны; А – работа выхода электрона, а					- его кине-
				2

тическая энергия.

Из уравнения (5-1) следует, что явление внешнего фотоэффекта будет наблюдаться только при условии:

22

				A
		0		h	(5-2)

и что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона зависит не от интенсивности света, а от его частоты и работы выхода А. При уменьшении частоты

света скорость выбитых электронов уменьшается и при некоторой частоте 0 становится равной нулю. Частоту 0, ниже которой фотоэффект у данного металла не наблюдается, называют красной границей фотоэффекта (или гранич-

ной частотой фотоэффекта)

На основе явления внешнего фотоэффекта созданы физические приборы разных типов, получивших название фотоэлементов, нашедшие применение в многочисленных технических устройствах.

Фотоэлементы разных типов отличаются друг от друга спектральной и вольт-амперной характеристиками. Спектральная характеристика определяет область спектра, в которой может применяться фотоэлемент.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) фотоэлемента (рис.5.1) выражает зависимость фототока I от разности потенциалов U между электродами. С увеличением U фототок растет до определенного предельного значения IH – тока насыщения, который согласно закону

			Столетова, пропорционален световому
			потоку Ф, падающему на катод:
			IH ~ Ф						(5-3)
			Фототок полностью прекращает-
			ся при создании задерживающего на-
			пряжения UЗ обратной полярности по
			сравнению с ускоряющим. При U = UЗ
			кинетическая энергия всех фотоэлек-
			тронов снижается до нуля под дейст-
Рис. 5.1. Вольт-	амперная	характеристика	вием электрического поля:
	фотодиода		eUЗ		mV 2				(5-4)
					2		.
В соответствии с уравнениями (5-1) и (5-4) имеем:
			UЗ h				A	.	(5-5)
			e				e
			Это соотношение указывает на
			возможность	экспериментального
			определения работы выхода А и по-
			стоянной Планка h по зависимости
			задерживающего потенциала UЗ от
			частоты падающего на фотоэле-
			мент света. Согласно уравнению (5-
			5) зависимость UЗ f ( )						представ-
			ляет собой прямую линию (рис. 5.2)

Рис.5.2 Зависимость задерживающей разности потенциалов от частоты падающего электромагнитного излучения

с угловым коэффициентом, равным he . На оси ординат прямая отсекает отре-

зок, равный Ae .

Этот способ определения А основан на экстраполяции графика до значения

UЗ= 0.

Проверка первого закона Столетова состоит в построении графика зависимости фототока насыщения IH от светового потока Ф, падающего на фотокатод. При изменении накала лампы изменяется и спектральный состав света. Поэтому для изменения Ф в работе изменяют расстояние от лампы до фотоэлемента. Если лампу считать изотропным источником света с силой света I0, то на

	расстоянии r от нее освещенность				I0
	E							.			(5-6)
					r2
	Световой поток, падающий на фотокатод с площадью S
	Ф E S					I0 S				.	(5-7)
						r2
	Согласно этому выражению закону Столетова соответствует соотноше-
	ние:						r 2
		I	Н2
							2		.		(5-8)
		I
			Н1				r 2
					1

В выражении (5.8) IН2 и IН1 – фототоки насыщения при световых потоках Ф2 и Ф1, а r2 и r1 – соответствующие расстояния между источником излучения и фотоэлементом.

5.2. Описание установки

Фотоэффект изучают на установке (рис. 5.3), состоящей из фотоэлемента и лампы накаливания, размещаемых на оптической скамье, а также цифровых микроамперметра и вольтметра, конструктивно объединенных вместе с реостатами в один электронный блок приборов. Вакуумный фотоэлемент заключен в защитный кожух с окном и представляет собой стеклянный баллон, половина которого изнутри покрыта, тонким слоем щелочного металла. Этот слой является катодом фотоэлемента. Анодом служит металлическое кольцо, расположенное в центре баллона. Источником света является галогеновая лампа накаливания, напряжение на которой может регулироваться ручкой, размещенной в левой части лицевой панели электронного блока. Квазимонохроматическое излучение получают с помощью светофильтров, закрепленных во вращающейся

оправе («центральная» длина волны пропускания светофильтра указана под светофильтром, а полосы пропускания светофильтров на кожухе фотоэлемента). Фототок измеряют цифровым микроамперметром. Напряжение на фотоэлементе может изменяться вращением ручки реостата и измеряется цифровым

вольтметром. Для переключения рережимов	задерживающего	и
24

ускоряющего напряжений служит специальный переключатель полярности, расположенный в нижней части панели электронного блока.

Рис. 3. Схема установки:

1 – лампа накаливания; 2 – светофильтры в оправе; 3 – фотоэлемент; 4 – реостат; 5 – переключатель полярности

5.3.Задание

5.4.Порядок выполнения работы

Упражнение1. Проверка первого закона Столетова.

1.1Поставить перед входом окна кожуха фотоэлемента указанный препо-

давателем светофильтр. Значения длины волны λ, наименьшее расстояния r0 между источником света и фотоэлементом занести в таблицу 5.1.

1.2На оптической скамье расположить входное окно кожуха фотоэлемента на расстоянии ∆r= 3-5 мм от кассеты светофильтров. (∆r – изменение расстояния между источником света и фотоэлементом )

1.3Включить электронный блок приборов и установить тумблером режим ускоряющего напряжения.

1.4Установить потенциометром «накал лампы» максимальный накал галогеновой лампы .

1.5Снять зависимость фототока от приложенного к фотоэлементу напряжения. Результаты записать в табл. 5.1.

Таблица 5 . 1.

		=			нм;				r0 =	см
Напряжение	0		1	2		3		5	7	…	17	19
U, в
Фототок
I, мкА (при
Ф1;)
∆r1=
							25

Фототок I, мкА (при Ф2)

∆r2=

1.6Не меняя светофильтр увеличить расстояние на 20-30 мм и повторить измерениясогласнопункту1.5..

1.7Построить графики зависимости I = f(U) и определить фототоки на-

сыщения.

1.8Рассчитать отношения фототоков насыщения и соответствующих квадратов расстояний (т.е. Iн1/Iн2 и r22/r12).

1.9Сравнить отношения токов насыщения с отношением соответствующих квадратов.

1.10Сделать вывод о справедливости первого закона Столетова.

Упражнение 2. Проверка второго закона Столетова.

2.1По заданию преподавателя поставить перед входом окна кожуха фотоэлемента указанный светофильтр. На оптической скамье расположить входное окно кожуха фотоэлемента на расстоянии 3-5 мм от кассеты светофильтров.

2.2Установить максимальный накал галогеновой лампы.

2.3Определить задерживающее напряжение и записать в таблицу 5.2 ее значение и расстояние на котором находится фотоэлемент.

2.4По заданию преподавателя снять несколько значений задерживающего потенциала, изменяя на 4-7 мм расстояние между фотоэлементом и лампой.

Таблица 5.2

λ=

Расстояние r, м

Величина 1/r2, м 2

Задерживающий потенциал UЗ, В

2.5По заданию преподавателя поставить другой светофильтр и повторить эксперимент согласно пунктам 2.2-2.4.

2.6Проанализировать полученные результаты и сделать вывод.

Задание дополнительное. Определить работу выхода и постоянную Планка.

=А=

26

А.1 На оптической скамье расположить входное окно кожуха фотоэлемента на расстоянии 3-5 мм от кассеты светофильтров

А.2 Установить максимальный накал галогеновой лампы.

А.3 Вывести потенциометры регулирующие напряжение на фотоэлементе на ноль, вращая ручки грубой и плавной регулировок против хода часовой стрелки.

А.4 Тумблер на электронном блоке включить в режим задерживающего напряжения.

А.5 Поставить перед окном кожуха фотоэлемента светофильтр с максимальной длинной волны пропускания. Длину волны и ширину полосы пропускания светофильтра записать в таблицу 5.3 ( Записать длины волн , пропускаемых светофильтрами, в порядке их уменьшения).

А.6 Медленно вращая ручки плавной и грубой регулировок, «согнать» фототок до нуля. Полученное значения задержующего напряжения записать в таблицу.

А.7 Заменить светофильтр очередным с меньшей длинной волны и выполнить пункт 3.6 (т.о. определить задерживающие напряжения всех имеющихся светофильтров).

А.8 Построить графики зависимостей задерживающего напряжения от полос пропускания (по частоте).

А.9 Построить графики зависимостей задерживающего напряжения от частоты (см. Приложение).

Используя их определить максимальное и минимальное значение постоянной Планка. Найти среднее значение постоянной Планка.

Таблица 5 . 3.

Цвет светофильтра

±∆λ, нм

max, 1014 Гц

min, 1014 Гц

Задерживающий потенциал UЗ, В

=Б=

Задание дополнительное. Определить красную границу фотоэффекта и рассчитать работу выхода электрона из материала катода.

Б.1 Используя графики зависимостей задерживающего напряжения от частоты, определить значения частот при которых UЗ=0.

Б.2 Найти среднее значение 0.

Б.3 Рассчитать работу выхода электрона из материала катода фотоэлемента.

27

Примечание.

Пример построения графика для определения значения постоянной Планка и работы выхода электрона из материала катода. На графике (см.Рис.4) выделены полосы пропускания светофильтров и “экстремальные” прямые. Используя эти прямые, определяются значения постоянной Планка и красные границы.

Контрольные вопросы.

1.Что понимают под световым потоком?

2.Какова связь между длиной волны, частотой и скоростью света?

3.Как связаны между собой длина волны, частота и скорость света?

4.Что понимают под фотоном?

5.Чему равна энергия фотона?

6.Что понимают под явлением внешнего фотоэффекта?

7.Сформулируйте законы Столетова.

8.Запишите и объясните уравнение Эйнштейна.

зi

1 2

Рис.5.4. Графики зависимости задерживающей разности потенциалов от частоты с максимальным и минимальным углом наклона .

9.Объясните термин “задерживающая разность потенциалов”.

10.Как найти задерживающую разность потенциалов в данной лабораторной работе?

11.Как зависит задерживающая разность потенциалов от частоты падающего

света? Чему равен угловой коэффициент зависимости UЗ = f( )?

12.Что понимается под спектральной и вольтамперной характеристиками фотоэлемента?

13.Что понимают под эффектом Комптона?

14.Можно ли на основе волновой теории объяснить внешний фотоэффект, эффект Комптона?

15.Как, используя рентгеновское излучение, определить значение постоян-

28

ной Планка?

16.Что показали опыты Боте?

17.Как устроен вакуумный фотоэлемент?

Лабораторная работа 6

ИЗУЧЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СПЕКТРОВ АТОМОВ

Ц е л ь р а б о т ы: 1) изучить оптические спектры атомов ртути и водорода; 2) определить постоянные Ридберга, Планка и энергию ионизации атома водорода.

Приборы и принадлежности: монохроматор, ртутная лампа, водородная трубка, оптическая скамья, конденсор.

6.1.Сведения из теории

6.2.Описание установки

Общий вид лабораторной установки представлен на рис. 6.1. Основной частью установки является монохроматор 1. Источниками света в данной установке являются ртутная лампа 4 и водородная трубка 3. Пульт управления 5 предназначен для питания ртутной лампы, пульт управления 6 – для питания водородной трубки.

Источник света рекомендуется располагать на расстоянии 45 см от щели, а линзу 2 (конденсор) – на расстоянии 13 см от источника света.

Для проверки правильности освещения входной щели ее закрывают листом белой бумаги. Перемещая линзу 2 и вращая регулировочный винт 7, получают в центре входной щели четкое изображение источника света. Ширина входной щели (0,01 – 0,03 мм) регулируется микрометрическим винтом.

Вращать микрометрический винт не разрешается!

Зрительная труба монохроматора дает изображение спектра. В поле зрения наблюдателя будет находиться указатель (черная стрелка). Отсчетный барабан монохроматора соединен поворотным механизмом с его диспергирующей призмой. При вращении отсчетного барабана призма поворачивается и в поле зрения появляются различные участки исследуемого спектра. На барабане нанесены деления – градусы, цена малого деления шкалы – 2º. Вращая отсчет-

29

ный барабан, совмещают указатель с наблюдаемой спектральной линией и снимают показания на барабане по указателю, скользящему по спиральной канавке.

1

6

7

2

3

4

5

Рис. 6.1. Лабораторная установка для изучения оптических спектров

6.2. Сведения из теории

Атомы и молекулы испускают набор волн излучения, который называется спектром излучения. Существуют спектры трех видов: линейчатые, полосатые и сплошные. Линейчатые спектры состоят из отдельных спектральных линий и характерны для атомов разреженных газов. Полосатые спектры дают свободные или слабо связанные молекулы. Твердые тела и жидкости имеют сплошные спектры излучения.

Длина волны спектральных линий атома водорода рассчитывается по обобщенной формуле Бальмера:

1		1		1
	R				,	(6-1)
		2		2
	nup			ndn

где nup – порядковый номер верхнего уровня; ndn порядковый номер нижнего уровня; R постоянная Ридберга.

В данной лабораторной работе изучается видимая часть спектра атома водорода, принадлежащая серии Бальмера (ndn = 2) и состоящая из четырех линий: красной (nup = 3), зелено-голубой (nup = 4), синей (nup = 5), фиолетовой (nup = 6).

6.3. Градуировка шкалы барабана монохроматора

30