ЛР2_Физика

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра программного обеспечения информационных технологий

Факультет КСиС

Специальность ПОИТ

Лабораторная работа №2

по дисциплине «Физика»

тема: «Фотоэффект»

Выполнил студент: Бордон Е.С.

группа 991051

Зачетная книжка № 99105004

Минск 2020

Фотоэффект ― явление вырывания электронов из металла под действием света.

Согласно теории Эйнштейна, электрон выбивается с поверхности металла при соударении с ним отдельного фотона. При этом вся энергия фотона передается электрону, а фотон перестает существовать. Так как все электроны удерживаются в металле силами кулоновского притяжения, для выбивания электрона с поверхности металла требуется совершение определенной работы А_o (называемой работой выхода и составляющей для большинства металлов величину порядка нескольких электронвольт). Электроны, расположенные в глубине атома, требуют для своего освобождения больше энергии, чем внешние атомные электроны.

Фотоэффект важен для установления квантовой природы электромагнитного излучения. Эйнштейн в 1921г. награжден Нобелевской премией "за вклад в теоретическую физику, и особенно за его открытие закона фотоэлектрического эффекта".

Рис 1. Компьютерная модель для изучения фотоэффекта

На экране установка, состоящая из трубки, из которой до глубокого вакуума выкачан воздух. В трубке два электрода: катод, на который может падать световой поток и анод. В цепь включаем амперметр и вольтметр.

Задание 1: получите в цепи фототок, затем доведите величину светового потока до нуля. Что изменилось в показаниях приборов? Сделайте вывод.

Рис 2. Результат работы установки по заданию 1

Включаем источник света и обучаем катод световым потоком. Источник напряжения равен 0, однако стрелка амперметра отклоняется. Следовательно, в цепи есть ток.

При увеличении светового потока – увеличивается ток в сети.

Задание 2: Зафиксируйте величину ускоряющего напряжения. Изменяя величину светового потока, постройте график I = f(Ф). Проделайте эксперимент при различных значениях U. Сделайте вывод.

Таблица 1: Наблюдения за экспериментом 1.

f(Ф)	U=2В	U=5В	U=10В	U=15В
16	0,7	0,9	0,9	0,9
32	1,4	1,7	1,9	1,9
48	2	2,6	2,8	2,8
64	2,7	3,5	3,7	3,7
80	3,4	4,3	4,7	4,7
96	4,1	5,2	5,6	5,6

Таблица наблюдений показывает, что при определенном значении напряжения изменение светового потока перестает влиять на силу тока в цепи.

Рис 3. График I = f(Ф)

На графике видно что при 10 и 15В (желтая линия) сила светового потока перестает влиять на силу тока в цепи.

Задание 3: Зафиксируйте величину светового потока. Изменяя ускоряющее напряжение, постройте график I = f(U) при всех возможных значениях U. Как объяснить его вид?

Увеличиваем напряжение. Сила тока сначала увеличивается, а затем, начиная с некоторого значения, не изменяется.

Рис 3. График I = U

Далее увеличиваем падающий световой поток на пластину. Также увеличиваем напряжение. Ток достигает насыщения.

Сила тока насыщения в два раза больше, чем в первом опыте.

Рис 4. График I = U

Таким образом, мы подтвердили первый закон фотоэффекта.

Первый закон фотоэффекта: сила тока насыщения прямо пропорциональна падающему световому потоку.

Задание 4: Чему равен потенциал катода, при котором фототок в цепи равен нулю (задерживающий потенциал)?

Переключим полюсы источника и опять начнем увеличивать подаваемое напряжение. Мы видим, что сила тока уменьшается и при некотором значении напряжения становится равной 0.

Это так называемое задерживающее напряжение. Электроны, покинувшие катод полностью задерживаются электрическим полем.

В нашем эксперименте задерживающий потенциал равен -10,1 В

Данный эффект отображен на графиках I=U (см. рис 3 и 4).

Задание 5: По полученным данным рассчитайте максимальную скорость фотоэлектронов.

Для нахождения скорости фотоэлектронов нужно знать красную границу. Красная граница – это максимальная длинна волны при которой наблюдается фотоэффект.

Опытным путем была определена красная граница – 535нм.

Дано:

λ_кр = 535 нм =535·10^-9 м

λ_кр = 180 нм =180·10^-9 м

V_max = ?

Решение:

Зная красную границу фотоэффекта, найдем работу выхода

, Дж

Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта

Откуда максимальная кинетическая энергия

, Дж

Максимальная скорость фотоэлектронов

, м/с

Ответ: 1,268 10⁶ , м/с.

Задание 6: Найдите наибольшее значение длины волны света, при которой еще фиксируется фототок в цепи. Опыт проделайте при различных значениях светового потока.

Красная граница – λ_кр = 535 нм =535·10^-9 м.