Методичка по физике

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 выполняет 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.

			mV	2
eU
			max
	ç		2

(1)

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.

51

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
R	2

S

,

(2)

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. 36.2 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.

52

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 Ф по формуле (2).

6.Постройте семейство вольтамперных характеристик

фотоэлемента, т.е. зависимость значений светового потока Ф.

I f (U	)
a

для различных

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 рис. 36.3 две точки и определите

чувствительность фотоэлемента по формуле

Iнас

Ф

4.Сделайте выводы по результатам работы.

53

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 36А Изучение закономерностей фотоэффекта.

Цель работы: применение фотоэффекта для определения работы выхода и постоянной Планка.

Методика эксперимента

Фотоэлектрический эффект – испускание электронов веществом под действием света.

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

К

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, освещает катод К, изготовленный из исследуемого материала. Электроны, испущенные катодом 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 П и измерять вольтметром V.

54

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

I

Iн

I0

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	mV	2
2	m

eU	з

,

(1)

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,

55

равная работе выхода

Авых

(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

А		1	mV	2
вых		2	m

Если учесть (1), то получим

А	eU	з
вых

(2)

(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

I	01

для

данного светофильтра, соответствующего нулевому ускоряющему напряжению.

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

U з1 , соответствующее данному диапазону длин волн с 1 , пропускаемых светофильтром.

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

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

	материала катода с учетом, что					2c	(4)
	А		2 c	eU			( , e, известны)
					з1
	вых		1

56

7.

Из (1) определите максимальную скорость

V	m1

фотоэлектронов, соответствующую данному диапазону длин волн

1

1

, пропускаемому светофильтром:

V			2eU	з1
	m1		m

(6)

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

N			I	01
	1		e

(7)

9.Повторите пункты 1-8 с другими светофильтрами,

пропускающими известные диапазоны длин волн i

i

.

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		А	eU
				з1
		вых
	1
2 c		А	eU
				з 2
		вых
	2

Вычтя из (9) из (8), можно определить постоянную Планка
	e	U	з1	U			з 2
			1				1
	2c
								2
			1

(8)

(9)

(10)

57

Порядок выполнения работы

1. Выпишите из таблицы 1 рабочей тетради два значения длин волн 1 и 2 и соответствующие им задерживающие

напряжения U ç1

и U ç2

2.Рассчитайте по формуле (10)

3.Найдите отклонение эксп от табл

по формуле

		табл		эксп

табл

4.Сделайте выводы по результатам работы.

58

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Савельев И.В. Курс общей физики. – М.: Наука, 1979.-Т.2

2.Савельев И.В. Курс общей физики. – М.: Наука, 1979.-Т.3

3.Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1985

4.Верни Л.А. Магнитная гидродинамика в металлургии. –

М.: Металлургия. – 1975., 288с.

5.Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм. – М.: Высшая школа, 1983.

6.Атабеков Г.И. Основы теории цепей. – М.: Энергия, 1969.

59

СОДЕРЖАНИЕ
ЭЛЕКТОМАГНЕТИЗМ.........................................................................	1
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №21........................................................	1
Исследование электростатического поля с помощью зонда
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 23 .......................................................	4
Измерение электродвижущей силы источника тока
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 24 .....................................................	12
Шунтирование миллиамперметра
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №26......................................................	17
Измерение емкостей методом мостиковой схемы и расчет
емкостных сопротивлений в цепях переменного тока
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №27......................................................	20
Изучение резонанса напряжений и определение
индуктивности методом резонанса
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №28......................................................	23
Определение индуктивности катушки и магнитной
проницаемости ферромагнитного тела
ОПТИКА ................................................................................................	30
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №32......................................................	30
Определение радиуса кривизны линзы и полосы пропускания
светофильтра с помощью колец Ньютона
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №32А ...................................................	33
Интерферометрические измерения на основе опыта Юнга
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 32Б ..................................................	38
Определение геометрических размеров при помощи
бипризмы Френеля
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 34.....................................................	42
Определение длины световой волны и характеристик
дифракционной решетки
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 35 .....................................................	45
Определение концентрации растворов сахара и постоянной
вращения.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 36 .....................................................	50
Снятие вольтамперных характеристик фотоэлемента и
определение его чувствительности
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 36А ..................................................	54
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ..............................................	59

60