ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ-ОПТИКА

Рис. 35.4

плоскости колебаний векторов E 1 и E 2 образуют между собой

небольшой угол β. (рис 35.4б). Анализатор – одна призма Николя, через которую проходят оба пучка света, выходящие из призм 3-4. Интенсивности обоих пучков после анализатора зависят от положения главной плоскости анализатора А относительно

направления колебания световых векторов E 1 и E 2 (рис 35.4в).

Если плоскость А перпендикулярна E 1 , то левая половина поля зрения будет темной, правая – светлой.

Если А перпендикулярна E 2 , то правая половина поля зрения

будет темной, левая – светлой.

Если плоскость А расположена по биссектрисе угла β, то обе половины поля зрения будут освещены одинаково и ярко Если А расположить перпендикулярно биссектрисе угла β, то обе половины поля зрения будут освещены одинаково и слабо (рис. 35.4г). В работе следует ориентироваться на слабую освещенность, так как к изменению её глаз более чувствителен.

Если вставить между поляризатором и анализатором трубку с раствором сахара, то плоскости колебаний E 1 и E 2 повернутся на угол и яркости полей изменятся. Чтобы

восстановить одинаковую освещенность поля зрения, плоскость анализатора нужно повернуть на такой же угол (рис.35.4д,е,ж).

Порядок выполнения работы

51

1.Определите начальный отсчет прибора при отсутствии в нем трубки с раствором. Для этого поверните анализатор винтом 7, найдите такое его положение, чтобы освещенность поля зрения менялась при повороте анализатора на небольшой угол: вначале левая половина светлая, правая темная, затем – наоборот. После этого установите анализатор в промежуточное положение, добиваясь одинаковой освещенности всего поля зрения.

Запишите отсчет по шкале. Измерение проведите три раза. Для этого поворотом винта слегка измените освещенность поля зрения и вновь добейтесь одинаковой освещенности обеих его половин.

2.В световой канал прибора вставляйте поочередно трубки с известной и неизвестной концентрацией сахарных растворов и для каждой трубки проведите три раза измерения угла, как описано в пункте1.

3.Результаты изменений занесите в таблицу 1 рабочей тетради.

4.Рассчитайте средние значения каждой серии измерений, затем вычтите из средних значений < > показания прибора без

трубки с сахаром < 0 >, получите углы поворота плоскости поляризации света каждым раствором.

5.Постройте график зависимости углов φ поворота плоскости поляризации растворов от произведения их концентрации С на длину трубок l.

6.Зная величину х угла поворота плоскости поляризации

раствором неизвестной концентрации, определите концентрацию по графику (рис. 35.5)

7. Определите постоянную вращения сахара по двум произвольно выбранным точкам на графике (рис.35.5)

2 1

(Cl) C2l2 C1 l1

Рис.35.5

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 36 Снятие вольтамперных характеристик фотоэлемента и

определение его чувствительности

Цель работы: экспериментальная проверка первого закона фотоэффекта: число фотоэлектронов, вырываемых из катода за единицу времени пропорционально интенсивности света.

Методика эксперимента

Схема экспериментальной установки представлена на рис.36.1

ФЭ

А К А

V	-
	+

Ш

Рис.36.1

53

Эта установка состоит из источника света – электролампы Л, и фотоэлемента ФЭ, который представляет собой прозрачный для света баллон с вакуумом порядка 10-5 – 10-6 мм рт. ст. На одну половину внутренней поверхности баллона наносится светочувствительный слой из щелочных металлов, который выполнят роль катода К; в центре располагается металлический анод А. При освещении катод испускает электроны. Изменяя с помощью потенциометра П напряжение между катодом и анодом, получают семейство вольтамперных характеристик фотоэлемента, соответствующих различным световым потокам(рис. 36.2). Каждая характеристика снимается при постоянном световом потоке, то есть при неизменном расстоянии между осветителем и фотоэлементом.

I

Ф3>Ф2

Ф2>Ф1

Ф1

Uз 0

U

Рис.36.2

Для всех характеристик ток равен нулю при одном и том же значении задерживающего напряжения Uз. Это значит, что максимальная кинетическая энергия электронов расходуется на работу против запирающего электрического поля, т.е.

mV2

eUç max (1)

2

Одинаковое значение задерживающего напряжения при различных световых потоках показывает на основании (1), что максимальная скорость вылетающих из катода электронов от светового потока не зависит, что подтверждает второй закон фотоэффекта.

54

Фотоэлектроны образуют вблизи катода электронное облако. С ростом напряжения между катодом и анодом электронное облако рассасывается, ток при небольших напряжениях растет, затем перестаёт изменяться. Установившийся ток называется током насыщения. При этом все электроны, вылетающие из катода за 1 секунду, достигают анода т.е ток насыщения пропорционален количеству фотоэлектронов.

При нормальном попадании световых лучей на катод световой поток определяется формулой

	Ф	I	S ,	(2)
		R2

где I – сила света осветителя (лампы), S – площадь окошка фотоэлемента, R – расстояние от осветителя до фотоэлемента, которое можно менять, перемещая источник света.

Определив значение тока насыщения Iнас по графикам рис.2 и рассчитав световой поток для различных R по формуле (2), можно построить график зависимости Iнас от светового потока

(рис.36.3).

Iнас, μА

I

Ф

Ф, лм

Рис.36.3

Линейный характер графика (рис.36.3) подтверждает пропорциональность числа фотоэлектронов световому потоку, т.е. является подтверждением первого закона фотоэффекта.

55

Порядок выполнения работы

Задание 1.

Снятие вольтамперных характеристик.

1.Включите осветитель и установите его на расстоянии 8-13 см. от фотоэлемента (по заданию преподавателя).

2.Изменяя напряжение между катодом и анодом фотоэлемента с помощью потенциометра П, определите максимальное значение фототока - Iнас.

3.Меняя напряжение в сторону его уменьшения, получите несколько значений фототока и его значение при Uа=0.

4.Измерения произведите для нескольких значений R (n=3,4) и результаты измерений запишите в таблицу 1 рабочей тетради.

5.Для каждого значения R рассчитайте величину светового потока Ô по формуле (2).

6.Постройте семейство вольтамперных характеристик

фотоэлемента, т.е. зависимость I f (U a ) для различных значений светового потока Ф.

7.Укажите на графиках Iнас.

Задание 2.

Определение чувствительности фотоэлемента.

1.Занесите в таблицу 2 рабочей тетради значения Iнас и соответствующие им значения светового потока Ф.

2.Постройте график зависимости силы тока насыщения Iнас от величины светового потока Ф.

3.Выберите на графике Iíàñ f (Ô ) две точки и определите чувствительность фотоэлемента по формуле

Iнас

Ф

4.Сделайте выводы по результатам работы.

56

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 36А Изучение закономерностей фотоэффекта.

Цель работы: определение работы выхода и постоянной Планка.

Методика эксперимента

Фотоэлектрический эффект - испускание электронов веществом под действием света.

Электрическая схема измерительной установки дана на рис. 36А.1.

Рис. 36А.1

Установка состоит из источника света Л, вакуумного фотоэлемента ФЭ и сменных светофильтров СФ. Свет, пройдя через светофильтр, пропускающий определенный диапазон длин волн с , освещает катод К, изготовленный из исследуемого материала. Электроны, испущенные вследствие фотоэффекта, перемещаются к аноду А. В результате по цепи (рис.36А.1) течет фототок, измеряемый гальванометром Г. Напряжение между анодом и катодом можно изменять с помощью потенциометра — реостата П и измерять вольтметром V.

57

Полученная вольтамперная характеристика (то есть кривая зависимости фототока I от напряжения между электродами U) приведена на рис. 36А. 2

I

Iн

Uз

U

Рис.36А.2

Естественно, что характеристика снимается при неизменном потоке света Ф. Из этой кривой видно, что при некотором не очень большом прямом напряжении фототок достигает насыщения — все электроны, испущенные катодом, попадают на анод. Следовательно, сила тока насыщения Iн определяется количеством электронов, испускаемых катодом в единицу времени под действием света.

Пологий ход кривой указывает на то, что электроны вылетают из катода с различными скоростями. Доля электронов, отвечающая силе тока при U = 0, обладает скоростями, достаточными для того, чтобы долететь до анода «самостоятельно», без помощи ускоряющего поля. Для обращения силы тока в нуль нужно приложить задерживающее напряжение Uз. При таком напряжении ни одному из электронов, даже обладающему при вылете из катода наибольшим значением

скорости Vm , не удается преодолеть задерживающее поле и достигнуть анода. Поэтому можно написать, что

	1	m V2	eU		,	(1)
	2			ç
		m

где т и е — масса и заряд электрона. Таким образом, измерив задерживающее напряжение Uз, можно определить максимальное значение скорости фотоэлектронов.

Энергия, полученная электроном, доставляется ему в виде кванта , который усваивается им целиком. Часть этой энергии,

58

равная работе выхода Àâûõ (наименьшая энергия, которую

необходимо сообщить электрону для того, чтобы удалить его из вещества в вакуум), затрачивается на то, чтобы электрон мог покинуть тело. Остаток энергии образует максимальную кинетическую энергию электрона, покинувшего вещество. В этом случае выполняется уравнение Эйнштейна

À		1	m V2		(2)
âûõ	2			m
Если учесть (1), то получим
Àâûõ	eU ç				(3)

Порядок выполнения работы Задание 1.

Определение работы выхода электронов из вещества катода и максимальной скорости фотоэлектронов.

1.Установите потенциометр - реостат П в крайнее левое по электрической схеме положение.

2.На пути лучей источника света Л, поставьте светофильтр,

пропускающий диапазон волн с 1

3.По гальванометру Г измерьте значение фототока I01 для

данного светофильтра, соответствующего нулевому ускоряющему напряжению.

4. Удерживая нажатой кнопку выключателя К, установите потенциометром - реостатом П стрелку гальванометра Г строго на нуль. По вольтметру V измерьте значение задерживающего

напряжения U ç1 , соответствующее данному диапазону длин волн с 1 , пропускаемому светофильтром.

5.Повторите пункт 1-4 с другими светофильтрами и занесите результаты измерений в таблицу 1 рабочей тетради.

6.Из (3) определите работу выхода Àâûõ электронов из

2 c

материала катода с учетом, что (4)

59

	À	2 c	eU		( è	известны)
				ç1
	âûõ	1
7.	Из (1) определите максимальную скорость vm1

фотоэлектронов, соответствующую данному диапазону длин волн с 1 , пропускаемому светофильтром :

Vm1			2eU	ç1		(6)
			m

8. Определите для данного светофильтра число электронов, имеющих максимальную скорость

	N			I01	(7)
		1		e

9.Повторите пункты 1 - 6 с другими светофильтрами, пропускающими известные диапазоны длин волн с i (i 2,...)

10.Занесите результаты расчетов в таблицу 2 рабочей тетради.

Задание 2. Определение постоянной Планка.

Если записать уравнение (3) с учетом (4) для разных дин волн, то получим:

2 c		À	eU			(8)
				ç1
âûõ
1
2 c	À		eU			(9)
					ç2
âûõ
2

Вычтя из (9) из (8), можно определить постоянную Планка
	e	U	ç1 U ç2				(10)
			1		1
	2 ñ
			1		2

60