pdf / 3к.2 Изучение основных законов внешнего фотоэффекта

15. Установку не выключать!

Упражнение 2. Получение данных для измерения величины постоянной Планка и работы выхода для металла катода

а) получить на дисплее мультиметра «Uф» показание напряжения «+001» и уменьшить его до ближайшего «+000»;

б) убрать руку с рукоятки «ПОТЕНЦИОМЕТР» и, если показания «Uф» отличаются от «+000», действия повторить;

в) показание мультиметра «U» внести в табл. 1 и 2.

4. Плавно поворачивая рукоятку «ПОТЕНЦИОМЕТР»,

а) получить на дисплее мультиметра «Uф» показание напряжения «–001» и увеличить его до ближайшего «–000»;

б) убрать руку с рукоятки «ПОТЕНЦИОМЕТР» и, если показания «Uф» отличаются от «–000», действия повторить;

в) показание мультиметра «U» внести в табл. 1 и 2.

5. Вычислить среднее арифметическое (полусумму) Uср показаний мультиметра «U», полученных в пп. 3 и 4. Результат внести в табл. 1 и 2.

ЗАМЕЧАНИЕ! Если напряжение на мультиметре «Uф» равно нулю, то абсолютное значение (модуль) напряжения на мультиметре «U» является задерживающим напря-

7.Устанавливая переключатель «СВЕТОДИОД» в положение «2», «3», «4», повторить выполнение пп. 3–6. Результаты внести в табл. 2.

8.Перевести поворотный переключатель на мультиметрах «U» и «Uф» в положение «OFF».

11

9.Перевести тумблер «ПИТАНИЕ» в положение «OFF».

10.В табл. 2 внести значения длин волн светодиодов № 1–4, указанные на уста-

новке.

ЗАДАНИЕ

Задание 1. Изучение вольт-амперной характеристики I = I(U)

1.1.Изучить лабораторную установку и методику измерений.

1.2.Следуя указаниям в подразделе «Подготовка лабораторной установки к работе и методика измерений» выполнить пп. 1–14 из Упражнения 1 и полученные результаты внести в табл. 1.

1.3.Следуя указаниям пп. 1–2 ПРИЛОЖЕНИЯ «Обработка результатов изме-

рений», вычислить силу I анодного тока для различных значений Uф и построить вольт-амперную характеристику ФЭУ, т. е. график функции I = I(U).

1.4.Сделать вывод:

а) о соответствии формы полученной кривой I = I(U) характеру вольт-амперной характеристики фотоэлемента;

б) почему наличие на графике Uз и явление насыщения анодного тока I с ростом вели-

чины ускоряющего напряжения U подтверждает квантовую природу наблюдаемого явления.

Задание 2. Изучение зависимости задерживающего напряжения фототока от частоты света.

2.1.Следуя указаниям в подразделе «Подготовка лабораторной установки к работе и методика измерений» выполнить пп. 1–10 из Упражнение 2 и полученные результаты внести в табл. 2.

2.2.Следуя указаниям пп. 3–5 ПРИЛОЖЕНИЯ «Обработка результатов измерений», построить график зависимости Uз Uз ( ) , из которого определить значение

постоянной Планка h и работы выхода Ав материала фотокатода.

2.3. Сделать вывод о форме графика Uз Uз ( ) и полученных значениях постоянной Планка h и работы выхода Ав.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Дать определение внешнего фотоэффекта.

2.Сформулировать основные закономерности внешнего фотоэффекта.

3.В чем заключается гипотеза Эйнштейна? Объяснить с квантовой точки зрения возникновение внешнего фотоэффекта.

4.Записать уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

5.Дать определение работы выхода.

6.Получить соотношение между работой выхода и красной границей фотоэф-

фекта.

7.Получить соотношение между задерживающим напряжением и максимальной кинетической энергией фотоэлектронов.

8.На основе квантовой гипотезы Эйнштейна дать объяснение основных закономерностей внешнего фотоэффекта.

12

ЛИТЕРАТУРА

1.Савельев И. В., Курс физики : учеб. В 3 т. Т. 3 : Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц / И. В. Савельев. – М. : Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. – 304 с.

2.Епифанов, Г. И. Физика твердого тела : учеб. пособие / Г. И. Епифанов. – 4-е изд., стер. – СПб. : Издательство «Лань», 2011. – 288 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

Задание 1. Изучение вольт-амперной характеристики I = I(U)

1. В формулу

где kф = 10–6 Ом–1,

подставить полученные значения напряжения Uф и вычислить силу I тока анода ФЭУ. Полученные результаты внести в табл. 1.

2. По данным табл. 1 построить вольт-амперную характеристику ФЭУ, т. е. график функции I = I(U).

При построении графика в приложении Microsoft Exсel необходимо:

2.1.В документ Microsoft Exсel ввести экспериментальные данные табл. 1 в виде столбцов для U и I.

2.2.Выделить курсором столбцы данных и на вкладке Вставка в группе Диаграммы щелкнуть диаграмму типа Точечная и выбрать подтип Точечная с марке-

рами (без соединительных линий). Численные данные – иллюстративные!

2.3.Кликнуть правой кнопкой «мыши» по одному из маркеров ряда создавшейся диаграммы и в открывшемся меню выбрать Добавить линию тренда.

2.4.В открывшемся окне выбрать Полиномиальная; в окошке Степень выбрать число 3 (или другое, при котором линия тренда проходит наиболее близко ко всем маркерам); выбрать показывать уравнение на диаграмме. Нажать кнопку За-

крыть. На диаграмму добавить ее название и названия осей.

13

Показать, что с ростом величины ускоряющего напряжения U наблюдается насыщение анодного тока I, что подтверждает квантовую природу наблюдаемого явления.

2.5. Построить на новой диаграмме MS Excel график полученной в п. 2.4 функции линии тренда y(x).

Рис. 13

Для этого ввести столбец данных для напряжения U и для его первой величины (–1 В)

ввести функцию =-0,0015*RC[-1]^3+0,0214*RC[-1]^2+0,2189*RC[-1]+0,1808. Нажать

«Enter» и тогда в первой ячейке для силы тока I появится результат «–0,0152». Выделить курсором данную ячейку и потянуть за правый нижний угол этой ячейки вертикально вниз до последней ячейки для тока I. В итоге получаем два столбца данных, как указано на диаграмме (рис. 13). Строим линию тренда, указываем вид ее функции. Наблюдаем явление насыщения анодного тока после 12 В ускоряющего напряжения.

Численные данные – иллюстративные!

Задание 2. Изучение зависимости задерживающего напряжения фототока от частоты света.

3. В формулу

с ,

где с = 3·108 м/с – скорость света в вакууме, подставить значения длин волн λ для различных светодиодов и вычислить соответ-

ствующую им частоту ν. Полученные результаты внести в табл. 1.

4. По данным табл. 2 в приложении Microsoft Exсel построить график зависимости Uз Uз ( ) :

14

4.1. В документ Microsoft Exсel ввести экспериментальные данные табл. 2 в виде столбцов для ν и Uз .

4.2.Выделить курсором столбцы данных и на вкладке Вставка в группе Диаграммы щелкнуть диаграмму типа Точечная и выбрать подтип Точечная с маркерами (без соединительных линий).

4.3.В группе Анализ нажать кнопку Линия тренда и выбрать пункт До-

полнительные параметры линии тренда.

4.4.В открывшемся окне выбрать Линейная и показывать уравнение на диаграмме. Нажать кнопку Закрыть.

4.5.На диаграмму добавить ее название и названия осей. Примерный вид

диаграммы показан на рис. 14.

5. Из полученного уравнения прямой линии тренда y k x b определить зна-

чение постоянной Планка h и работы выхода Ав материала фотокатода как h k e 10 15 Дж·с,

Aв b e 10 3 Дж,

Aв b 10 3 эВ,

где k и b – числовые значения постоянных коэффициентов в уравнении прямой линии тренда;

e 1,6 10 19 – числовое значение элементарного заряда.

Рис. 14

Например, для графика зависимости Uз Uз ( ) , показанного на рис. 13, посто-

янная Планка h и работа выхода Ав материала фотокатода равны:

h 4,147 1,6 10 19 10 15 Дж с 6,64 10 34 Дж с; Aв 1430,8 1,6 10 19 10 3 Дж 2, 29 10 19 Дж;

Aв 1430,8 10 3 эВ 1, 43 эВ .

15