- •Міністерство освіти і науки україни
- •Розподіл лабораторних занять з курсу „фізика” на іі семестр навчання
- •Модуль 1. Магнетизм. Коливання та хвилі Лабораторна робота № 1 визначення горизонтальної складової вектора магнітної індукції магнітного поля землі
- •Теоретичні відомості
- •Порядок виконання роботи
- •Результати вимірювань та вихідні дані для розрахунку похибок
- •Питання для самоперевірки
- •Лабораторна робота № 2 вивчення механічного осцилятора з одним ступенем вільності
- •Теоретичні відомості
- •Порядок виконання роботи
- •Результати вимірювань та вихідні дані для розрахунку похибок
- •Результати вимірювань та вихідні дані для розрахунку похибок
- •Питання для самоперевірки
- •Лабораторна робота № 3 вивчення електричного осцилятора з одним ступенем вільності
- •Теоретичні відомості
- •Опис установки
- •Послідовність виконання роботи
- •Питання для самоперевірки
- •Лабораторна робота № 4 визначення швидкості звуку фазовим методом
- •Теоретичні відомості
- •Порядок виконання роботи
- •Питання для самоперевірки
- •Модуль 2. Оптика Лабораторна робота № 5 визначення радіуса кривини лінзи та довжини світлової хвилі за допомогою кілець ньютона
- •Теоретичні відомості
- •Опис приладу
- •Порядок виконання роботи
- •Визначення довжини хвилі
- •Питання для самоперевірки
- •Лабораторна робота № 6 визначення довжини хвилі жовтої лінії спектра неону за допомогою дифракційної гратки
- •Теоретичні відомості
- •Порядок виконання роботи
- •Питання для самоперевірки
- •Лабораторна робота № 7 визначення концентрації цукру в розчині за допомогою поляриметра
- •Теоретичні відомості
- •Порядок виконання роботи
- •Питання для самоперевірки
- •Лабораторна робота № 8 вимірювання кута розбіжності і ступеня поляризації випромінювання He-Ne лазера
- •Теоретичні відомості
- •1. Вимір розбіжності газового пучка
- •Порядок виконання роботи
- •2. Вимірювання ступеня поляризації лазерного випромінювання
- •Порядок виконання роботи
- •Питання для самоперевірки
- •Модуль 3. Атомна фізика Лабораторна робота № 9 вивчення законів теплового випромінювання речовин та вимірювання температури нагрітих тіл за допомогою оптичного пірометра
- •Теоретичні відомості
- •Опис приладу
- •Питання для самоперевірки
- •Лабораторна робота № 10 вивчення зовнішнього фотоефекту
- •Теоретичні відомості
- •Порядок виконання роботи
- •Питання для самоперевірки
- •Лабораторна робота № 11 вивчення спектрів випромінювання і поглинання різних речовин
- •Теоретичні відомості
- •Опис спектральних приладів
- •Порядок виконання роботи.
- •Питання для самоперевірки
- •Список рекомендованої літератури Основна література
- •Додаткова література
- •Додатки
- •Основні одиниці sі
- •Похідні одиниці sі, що мають спеціальні назви
- •Коефіцієнти Стьюдента
- •Характеристики мір
- •Характеристики приладів
- •Властивості натуральних логарифмів
- •Грецький алфавіт
Питання для самоперевірки
1. Яке випромінювання називається тепловим ?
2. Сформулюйте закон Кірхгофа для теплового випромінювання абсолютно чорного тіла.
3. У яких випадках для вимірювання температури використовуються пірометри ?
4. Які фізичні величини характеризують теплове випромінювання ? Дайте їх визначення.
5. Побудуйте графік розподілу енергії в спектрі випромінювання абсолютно чорного тіла за .
6. Сформулюйте і поясніть закони теплового випромінювання, використовуючи графік розподілу енергії в спектрі випромінювання абсолютно чорного тіла.
7. Яке тіло називається абсолютно чорним, сірим, кольоровим ?
8. Яка температура називається радіаційною, яскравісною, кольоровою ?
9. Назвіть типи пірометрів і поясніть принцип їх дії.
10. Як і чому вводиться поправка у покази пірометра із зникаючою ниткою?
Лабораторна робота № 10 вивчення зовнішнього фотоефекту
Мета роботи – вивчити явище і закони зовнішнього фотоефекту, ознайомитись з роботою фотоелементів, побудувати вольт-амперну характеристику фотоелемента, обчислити коефіцієнт інтегральної чутливості фотоелемента.
Прилади та обладнання: оптична лава; фотоелемент ФЕУ-1; джерело світла; мікроамперметр; вольтметр; джерело постійного струму; потенціометр; ключ; з’єднувальні дроти.
Теоретичні відомості
Зовнішнім фотоефектом (або просто – фотоефектом) називають вивільнення електронів з поверхні твердих тіл або рідин під дією електромагнітного випромінювання. Це явище було відкрито у 1887 р. німецьким фізиком Г.Герцем.
Внутрішній фотоефект (або фотопровідність) – явище, яке полягає у збільшенні електропровідності (концентрації вільних носіїв) під час освітлення напівпровідникових матеріалів.
Вентильний фотоефект – явище виникнення електрорушійної сили при освітленні контакту двох напівпровідників різного типу провідності або контакту напівпровідника з металом.
Електрична схема установки для дослідження фотоефекту показана на рис. 1. Головною її частиною є фотоелемент (ФЕ), за допомогою якого енергія випромінювання перетворюється в електричний струм. Фотоелементи із зовнішнім фотоефектом являють собою скляні балони, всередині яких розміщено фотокатод і анод. Фотокатодом є шар лужного або лужно-земельного металу, нанесеного на внутрішню поверхню балона. Анод у більшості випадків має форму кульки або петлі.
Якщо прикласти між електродами напругу, отримаємо готовий до дії ФЕ, в якому під дією світла електрони почнуть покидати катод і прямувати до анода, тобто в електричному колі з’явиться струм, який називають фотострумом.
На рис. 2 зображені вольт-амперні характеристики ФЕ, тобто залежність сили фотоструму I від напруги U між електродами для трьох різних світлових потоків, які падають на катод. Як видно, за деякої напруги фотострум досягає свого найбільшого значення і далі не залежить від напруги. Цю найбільшу силу струму називають струмом насичення Iн. Величина струму насичення збільшується в разі підвищення інтенсивності світла, що освітлює ФЕ.
Фотострум існує і в тому разі, коли напруга між електродами фотоелемента U=0. Він припиняється для даної речовини фотокатода тільки за певного від’ємного значення різниці потенціалів. Цю різницю потенціалів називають гальмівною напругою Uз. Значення гальмівної напруги прямо пропорційне частоті падаючого світла і не залежить від його інтенсивності. У результаті узагальнення експериментальних даних було встановлено три закони фотоефекту:
1) у разі незмінного спектрального складу світла сила фотоструму насичення Iн прямо пропорційна світловому потоку Ф, що падає на катод: Iн = Ф, де – коефіцієнт, який називають інтегральною фоточутливістю катода;
2) максимальна кінетична енергія Wк вивільнених світлом електронів не залежить від інтенсивності випромінювання, а визначається тільки його частотою (або довжиною хвилі = с/);
3) існує так звана “червона межа фотоефекту” – найбільша довжина хвилі чер (або найменша частота чер ) світла, для якої фотоефект ще може спостерігатися. Ця межа визначається матеріалом фотокатода і не залежить від інтенсивності світла, що падає на катод.
У 1905 р. А.Ейнштейн показав, що закони фотоефекту можна повністю пояснити з точки зору квантової теорії світла; електрон поглинає енергію кванта (фотона) h повністю. Ця енергія витрачається на подолання електроном потенціального бар’єру у металі, тобто на роботу виходу A та надання кінетичної енергії вивільненому електрону. Якщо електрон поглинув фотон не у самої поверхні, а на деякій глибині, то частина енергії буде витрачена внаслідок зіткнень електрона в речовині. Максимальну кінетичну енергію матимуть електрони, вивільнені з самого верхнього шару. На основі таких уявлень А.Ейнштейн, застосувавши закон збереження енергії до взаємодії фотона з електроном, дістав рівняння для зовнішнього фотоефекту, що носить його ім’я:
, (1)
де h – стала Планка; – частота випромінювання; A – робота виходу; me– маса електрона; – максимальна швидкість вивільнених електронів.
Квантова теорія світла так пояснює закони фотоефекту. У разі збільшення інтенсивності випромінювання зростає кількість фотонів, що поглинаються речовиною, а отже, і число вивільнених електронів, тому сила фотоструму прямо пропорційна інтенсивності світла (світловому потоку) – перший закон.
З формули (1) видно, що кінетична енергія вивільнених електронів залежить тільки від властивостей самої речовини, з якої виготовлений катод (робота виходу A), і частоти світла , тобто – від енергії фотона, а від інтенсивності світла не залежить – другий закон.
Якщо енергія фотона менше за роботу виходу, то за будь-якої інтенсивності світла електрони вилітати з поверхні речовини не будуть – третій закон.
Довжину хвилі, що відповідає червоній межі фотоефекту для будь-якого металу, можна знайти з (1), взявши кінетичну енергію електронів за нуль, тоді hчер = A, або:
, (2)
де c – швидкість світла в вакуумі ( c = 3·108 м/c).
У наш час ФЕ знайшли саме широке застосування: в кіно – для відтворення звуку, записаного на кінострічці у вигляді звукової доріжки; в фотометрії – для вимірювання сили світла, яскравості, освітленості; у військовій справі – прилади нічного зору, системи наведення і т.д. Безінерційність ФЕ, тобто їх властивість практично миттєво реагувати на появу світла або його зміну, використовується в фотореле, які автоматично управляють найрізноманітнішими процесами (автоматичні лічильники на конвеєрі, охоронна сигналізація, автоматичне включення і виключення світла при зміні освітленості і т.п.).