Описание установки и методики измерений
Схема экспериментальной установки для изучения фотоэффекта в заданиях 1 и 2 данной работы приведена на рис. 1.
Объектом исследования в ней является вакуумный фотоэлемент ФЭ. Фотоэлемент представляет собой откачанный стеклянный баллон, одна половина которого покрыта тонким слоем светочувствительного вещества, служащего катодом “к”. В центре баллона располагается анод “а”, выполненный в виде кольца или шарика. Перед фотоэлементом помещается светофильтр СФ*). Расходящийся пучок света от источника (лампы Л) проходит через светофильтр, благодаря которому на катод падает практически монохроматическое излучение с длиной волны . Значение определяется цветом выбранного светофильтра. Величину светового потока Ф, попадающего на катод, можно регулировать, изменяя расстояние L между источником света и фотоэлементом.
Источник питания ИП предназначен для создания электрического поля между катодом и анодом путём подачи напряжения U; 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 из катода электроны (фотоэлектроны) устремляются к аноду, и по цепи течет ток (фототок) I, для измерения которого служит микроамперметр А.
Описание компьютерных моделей
Имитационные компьютерные модели являются альтернативным вариантом реальных экспериментальных установок. Запуск имитационной установки в данном случае производится активацией программы КФ3.exe (для заданий 1 и 2) или программы books.exe (для задания 3).
При выполнении заданий 1 и 2 после запуска КФ3.exe на экране монитора появляется схема установки, и вы можете познакомиться с рекомендациями к работе, если нажмёте клавиатурную клавишу “Ц” (РекомендаЦии к работе). После нажатия этой клавиши вы получаете индивидуальный номер установки (нужно записать в тетрадь в начале работы) и пояснения к выполнению заданий. Имейте в виду, что при каждом повторном входе в программу (запуске файла КФ3.exe) номер установки меняется, и экспериментальные условия и данные будут другими. Кроме номера установки, вы должны записать рекомендуемые положения переключателей, расстояния от источника L и L и цвет фильтра, с которым начнёте работу. После ознакомления с пояснениями к упражнению 1 вы должны нажать клавишу Enter и прочитать рекомендации к упражнению 2, а затем вернуться в основное меню (клавиша Esc). Все рекомендации должны быть зафиксированы в рабочей тетради. После возврата в основное меню вы можете установить расстояние от источника до фотоэлемента нажатием “Я” (РасстоЯние от источника). Манипулируя стрелками “, ” можно перемещать лампу относительно фотоэлемента, и соответствующее расстояние отображается на мониторе. После установки необходимого расстояния нужно нажать Enter и вернуться в основное меню. Далее нужно выбрать светофильтр – нажать “Ф” (СветоФильтры) и одну из клавиш (в зависимости от выбираемого фильтра в соответствии с рекомендациями) “1, 2, З, Ж, Л, С”. Дальнейшее нажатие Enter подтверждает выбор и возвращает вас в основное меню. Теперь вы можете снимать ВАХ фотоэлемента, меняя напряжение на нём (клавиатурные стрелки “, ” и вольтметр в правом нижнем углу экрана) и регистровать протекающий через него фототок (микроамперметр в левом нижнем углу монитора).
При выполнении задания 3 после запуска books.exe на экране монитора появляется заставка, схема которой представлена на рис. 3.
Набор программ, представленный названиями тем (“Траектория движения”, “Закон сложения скоростей” и др.) соответствует разделу “Механика” (отображается надписью на листе раскрытой книги в левом верхнем углу экрана). Ваша тема - “Квантовая физика” (обозначена “Квант” – вверху справа на закрытой книге). Чтобы открыть эту тему (книгу) нужно с помощью клавиатурных стрелок или мыши установить курсор на соответствующую пиктограмму (книгу с надписью “Квант”) и нажать Enter, или сделать щелчок ЛКМ. После выполнения
Рис. 3. Схема компьютерной заставки, появляющейся после запуска пакета программ “Phizika” (books.exe)
указанных операций на экране появляется тема Квантовая физика” (рис. 4), а в правой части экрана - мигающий ползунок (вертикальная клавиша справа экранного поля), который нужно переместить до конца вниз. Перемещение можно выполнить либо с помощью клавиатурных стрелок, которыми нужно установить курсор на нижние стрелки ползунка и затем нажать Enter, либо с помощью ЛКМ, которую нажать на ползунке и протащить, не отпуская вниз до упора, после чего ЛКМ можно отпустить. При этом в серединном поле экрана появляется набор задач, среди которых вверху слева – “Фотоэффект” (выделено изображением вакуумного фотоэлемента см. рис. 4). Далее следует установить курсор (указанным выше способом) на выделенную пиктограмму (его вид меняется - стрелка становится рукой с указывающим пальцем) и нажать Enter. При этом вы входите в задачу “Фотоэффект” и можете начинать работу с имитационной программой.
Рис. 4. Схема центральной части окна после активации темы “Квантовая физика” (“Квант”)
Рис. 5. Схема рабочего окна программы books.exeдля выполнения задания 3
Как только вы откроете окно задачи “Фотоэффект” (рис. 5) вы сможете наблюдать процесс протекания фототока (на экране монитора электроны в фотоэлементе движутся от фотокатода к аноду) при освещении фотоэлемента синим светом при мощности освещения P = 0.5 мВт и ускоряющем напряжении U = 0.5 В. При этом вид ВАХ I = I(U) с “рабочей точкой”, отмеченной крестом, изображается в правой части монитора.
Перемещая ползунок регулятора мощности P (т.е. меняя интенсивность освещения фотокатода), вы можете наблюдать изменение ВАХ, соответствующее закону Столетова (см. ВВЕДЕНИЕ), т.е. увидеть, как при увеличении интенсивности излучения фотокатода фототок увеличивается, а при уменьшении – соответственно уменьшается.
Перемещая ползунок регулятора напряжения, можно смещать рабочую точку по ВАХ фотоэлемента вправо-влево (из положительной области в отрицательную, что выполнялось переключателем П в задании 2) вплоть до полного прекращения тока и при этом наблюдать как электроны перестают достигать анода при запирающем напряжении Uз. Убедитесь, что увеличение интенсивности облучения фотокатода светом (увеличение P) при отрицательном напряжении, когда U>Uз, и фиксированной длине волны не приводит к появлению фототока. Но фототок появляется, если длина волны света уменьшается (ползунок регулятора цветности перемещается влево). Появление фототока будет легче заметить, если при этом увеличить и мощность облучения фотокатода.
Далее, если восстановить ускоряющее напряжение (U > 0), при котором фототок течёт через фотоэлемент (электроны попадают на анод) т.е. сместить рабочую точку ВАХ вправо, то можно наблюдать “красную границу” фотоэффекта. Достижение красной границы происходит при изменении цвета с синего на красный, при перемещении ползунка регулятора цветности слева направо. Убедитесь, что когда свет станет “достаточно красным” никакие изменения U и Р не позволят получить фототок. То есть, интенсивность излучения и ускоряющее электрическое поле не в состоянии “помочь” электронам покинуть катод и добраться до анода. Эта особенность фотоэффекта, т. е. зависимость фототока от частоты ЭМИ, свидетельствует о корпускулярной природе света. Т.е. в фотоэффекте свет ведёт себя как поток частиц (корпускул), энергия которых определяется только частотой , или длиной волны излучения (формула (1), От интенсивности света, как это имеет место в классической теории ЭМИ, фототок не зависит. Изменение интенсивности света в корпускулярном представлении меняет только число частиц-фотонов с фиксированным значением или и через это изменение влияет на фототок.
Процесс протекания фототока в любой момент можно остановить (“сфотографировать”) нажатием клавиатурной кнопки Pause (крайняя справа в верхнем ряду функциональных клавиш). При этом вы можете зафиксировать текущие значения параметров процесса, отображаемые в числовом виде на экране. Эти значения соответствуют рабочей точке ВАХ на экране монитора, отмеченной крестом. Для продолжения процесса можно нажать любую другую клавишу (например, Enter).
В экранном окне, где отображается лабораторная установка, находятся пиктограммы (кнопки), с помощью которых вы можете более подробно познакомиться с данной темой, получить контрольные вопросы и справочные данные, воспользоваться программным калькулятором и выполнить многое другое, что может потребоваться при работе с данной программой. Попробуйте самостоятельно изучить возможности управления программами пакета с помощью контекстных подсказок и вспомогательных пиктограмм. При этом имейте в виду, что вы всегда можете выйти из программы (пакета) нажатием кнопки “Выход” в левом нижнем углу экрана с последующим подтверждением “О’кей” и снова вернуться – повторным запуском books.exe-файла.