Волков А.Ф., Лумпиева Т.П. Лабораторный практикум по физике

Подождите немного. Документ загружается.

Квантовая оптика Описания лабораторных работ

Зависимость сопротивления R нити от температуры имеет вид:

(

)

tRR

, (7)

где

– сопротивление при 0°С;

α = 0,0045 град

−1

– температурный коэффициент сопротивления;

t – температура в градусах Цельсия.

Выразим отсюда температуру:

−

. (8)

Сила тока i в цепи термостолбика пропорциональна потоку излучения

. Энергия, излучаемая нитью лампочки, не полностью попадает на термо-

столбик, так как часть ее рассеивается, поэтому

, (9)

где k – коэффициент, учитывающий долю падающей на термостолбик энергии.

Учитывая, что (см. (2)), а также то, что тело серое (см. (5)), получим:

SR=Φ

, (10)

где х − определяемый показатель степени.

Поверхность нити S, коэффициенты k,

α и σ − величины постоянные.

Обозначим их произведение через В. Тогда

. (11)

Для определения показателя степени х прологарифмируем уравнение (11):

i lglglg

График зависимости lg i от lg Т

представляет собой прямую ли-

нию (рис. 2).

Рисунок 2

Показатель степени

х ра-

вен тангенсу угла наклона гра-

фика к оси абсцисс:

lglg

−

. (12)

271

Описания лабораторных работ Квантовая оптика

Подготовка к работе

(ответы представить в письменном виде)

Какова цель работы?

Какие величины Вы будете измерять непосредственно?

Запишите формулу, по которой рассчитывается сопротивление нити. Пояс-

ните смысл обозначений

Запишите формулу, по которой рассчитывается температура нити. Поясните

смысл обозначений. Как связана абсолютная температура с температурой о

шкале Цельсия?

Какой график надо построить по результатам работы?

Выполнение работы

1. Записать значение R

, указанное на установке.

Определить цену деления приборов. Включить установку в сеть.

Регулятором напряжения подобрать такое значение напряжения, чтобы

стрелка гальванометра отклонилась на наибольшее число делений (

макси-

мальное значение напряжения не должно превысить 180 В!

). Регулировка

накала должна быть медленной, так как нить лампочки обладает тепловой

инерцией.

Уменьшая напряжение на лампочке с постоянным шагом до значения тока в

цепи гальванометра, равного нулю, снять 10-12 показаний гальванометра,

вольтметра и амперметра.

Повторить измерения для случая увеличения напряжения до максимального

значения тока в цепи гальванометра, устанавливая те же значения напряже-

ния.

Оформление отчета

1. Расчеты

1. Вычислить сопротивление лампочки по формуле (6) по результатам каждого

измерения.

Вычислить температуру нити лампочки по формуле (8) по результатам каж-

дого измерения. Выразите температуру в кельвинах.

Найти lg Т и lg i.

Построить график зависимости логарифма силы тока в цепи гальванометра

от логарифма абсолютной температуры нити лампочки: lg

i=f(lg Т).

Рассчитать показатель степени х по формуле (12).

2. Защита работы

(ответы представить в письменном виде)

Какое излучение называется тепловым? Какими величинами характеризуют

тепловое излучение. Запишите соответствующие формулы.

Какое тело называется абсолютно черным?

Сформулируйте закон Стефана-Больцмана. Запишите формулу.

Полученное значение показателя степени сравните с теоретическим значе-

нием. Сделайте вывод.

272

Квантовая оптика Описания лабораторных работ

ПРОТОКОЛ

измерений к лабораторной работе № 89

Выполнил(а)_____________________ Группа__________________

Определение цены деления приборов

№

п/п

Прибор

Предел подключения

с указанием единицы

измерения

Число деле-

ний на шка-

ле прибора

Цена деления

с указанием

единицы изме-

рения

1 Вольтметр

2 Амперметр

3 Микроамперметр

Сопротивление нити накала при 0°С

= _____________

Температурный коэффициент сопротивления

= 0,0045 град

−1

№

п/п

мкА

Ом

°С

i lgT

Дата________ Подпись преподавателя___________________

273

Описания лабораторных работ Квантовая оптика

Лабораторная работа № 91

ИЗУЧЕНИЕ ВАКУУМНЫХ ФОТОЭЛЕМЕНТОВ

И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Цель работы – снять вольтамперную характеристику вакуумного фото-

элемента, проверить первый закон фотоэффекта и определить интегральную

чувствительность фотоэлемента.

Приборы и принадлежности: вакуумный фотоэлемент СЦВ-3, источник

питания, микроамперметр, вольтметр, реостат, люксметр.

Общие положения

Внешним фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется ис-

пускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения

(света). Электроны, вылетающие из вещества, называются фотоэлектронами, а

электрический ток, образуемый ими при движении во внешнем электрическом

поле, называется фототоком. Основные закономерности фотоэффекта заключа-

ются в следующем:

1. Фототок насыщения пропорционален световому потоку при его неиз-

менном спектральном составе.

2. Максимальная кинетическая энергия электронов, испускаемых с по-

верхности твердого тела, пропорциональна частоте падающего света и не зави-

сит от его интенсивности.

3. Для каждого вещества существует определенная частота, при которой

фотоэффект прекращается. Эту частоту

и соответствующую ей длину волны

называют красной границей фотоэффекта.

А. Эйнштейн показал, что закономерности фотоэффекта легко объяснить,

если предположить, что свет поглощается веществом такими же порциями

(квантами), какими он, по гипотезе М. Планка, испускается. Энергия кванта

ν=ε h поглощается электроном полностью. Часть этой энергии, равная работе

выхода А

вых

, затрачивается на то, чтобы электрон мог покинуть вещество. Оста-

ток энергии образует кинетическую энергию вылетевшего электрона. В этом

случае должно выполняться соотношение

вых

h +=ν

max

. (1)

Соотношение (1) называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта.

На основании первого закона фотоэффекта можно записать:

нас

, (2)

где – ток насыщения, Ф – световой поток.

нас

274

Квантовая оптика Описания лабораторных работ

Коэффициент пропорциональности γ является характеристикой фотоэле-

мента и называется интегральной чувствительностью. Для различных вакуум-

ных фотоэлементов чувствительность γ лежит в пределах 1÷100 мкА/лм.

Световой поток Φ можно определить, зная площадь фотокатода S и осве-

щенность его поверхности E:

. (3)

Освещенность поверхности зависит от силы света источника и расстоя-

ния между фотокатодом и источни-

ком. В системе СИ единицей измере-

ния светового потока является люмен

(лм), освещенности – люкс (лк).

нас

нас2

нас1

Рисунок 1

Согласно (2), зависимость

(

)

нас

должна быть линейной, и

интегральную чувствительность γ

можно найти как тангенс угла накло-

на этой прямой к оси абсци

сс

Φ−Φ

−

=γ

наснас

. (4)

Описание экспериментальной установки

Вакуумный сурьмяно-цезиевый фотоэлемент СЦВ-3 выполнен в виде

стеклянного баллона, воздух из которого откачан до давления 10

−6

÷ 10

−7

мм

рт. ст. На одну половину внутренней поверхности баллона на подкладочный

слой магния или серебра нанесен тонкий слой сурьмы, а затем слой цезия. Об-

разующееся при этом соединение служит катодом. Красная граница фо-

тоэффекта для данного материала, в силу малости работы выхода, находится в

видимой части спектра. Площадь катода для данного фотоэлемента S=4,0 см

SbCs

. В

центральной части баллона находится металлический анод А.

Схема установки представлена на рис. 2.

P 2

P 1

Рисунок 2

275

Описания лабораторных работ Квантовая оптика

Подготовка к работе

(ответы представить в письменном виде)

1. Какова цель работы?

2. Какие величины Вы будете измерять непосредственно?

3. Какие графики необходимо построить по результатам работы? Нарисуйте

схематический вид ожидаемых зависимостей.

4. Запишите формулы, по которым Вы будете рассчитывать световой поток,

интегральную чувствительность фотоэлемента. Поясните смысл обозначе-

ний.

Выполнение работы

1. Определить цену деления приборов.

2. Установить фотоэлемент на расстоянии 15 см от источника. Измерить

люксметром освещенность фотоэлемента.

3. Снять вольт-амперную характеристику, т.е. зависимость силы фототока от

напряжения. Следует иметь ввиду, что при малых напряжениях небольшое

изменение напряжения вызывает значительное изменение тока. Поэтому в

интервале от 0 до 5 В нужно напряжение изменять через 1 В. Затем шаг из-

менения напряжения можно увеличить до 5 В. Для построения графика

i=f(U) снимают не менее 10 пар значений напряжения и тока, из них не ме-

нее 5 пар значений должно быть в области насыщения.

4. Повторить измерения еще два раза согласно п. 2, 3, каждый раз увеличивая

расстояние на 10 см.

Оформление отчета

1. Расчеты

1. Рассчитать световой поток для каждого расстояния по формуле (3).

2. Построить графики зависимости силы тока от напряжения i=f(U) по резуль-

татам каждого опыта. Графики построить на одной координатной сетке.

3. По графикам определить значения фототока насыщения для каждого свето-

вого потока.

4. Построить график зависимости фототока насыщения от светового потока

()

Φ= fi

нас

5. Используя график , рассчитать интегральную чувствительность

фотоэлемента по формуле (4).

()

Φ= fi

нас

2. Защита работы

(ответы представить в письменном виде)

1. Какое явление изучалось в данной работе? В чем оно заключается?

2. Сформулируйте законы внешнего фотоэффекта. Какой закон Вы проверяли в

данной работе?

3. Запишите уравнение Эйнштейна для фотоэффекта и поясните смысл входя-

щих в него величин.

4. Сравните графики, полученные экспериментально, с теоретическими зави-

симостями. Сделайте вывод.

276

Квантовая оптика Описания лабораторных работ

277

ПРОТОКОЛ

измерений к лабораторной работе № 91

Выполнил(а)_____________________ Группа__________________

Определение цены деления приборов

№

п/

Прибор

Предел подключения

с указанием единицы

измерения

Число деле-

ний на шка-

ле прибора

Цена деления

с указанием едини-

цы измерения

1 Вольтметр

икроампер-

метр

Площадь катода фотоэлемента S = _______________

№,

п/п

см

лк

мкA

см

лк

мкA

см

лк

мкA

Дата________ Подпись преподавателя_____________________

Описания лабораторных работ Квантовая оптика

Лабораторная работа № 92

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА И

РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНА

Цель работы − проверить уравнение Эйнштейна для фотоэффекта, опре-

делить постоянную Планка и работу выхода электрона.

Приборы и принадлежности: фотоэлемент вакуумный, источник света,

два светофильтра, зеркальный гальванометр, вольтметр, потенциометр.

Описание экспериментальной установки

Схема установки приведена на рисунке 1. Источником света является

лампа накаливания Н. Свет, проходя через светофильтр S, освещает катод К

фотоэлемента ФЭ. В работе используется вакуумный сурьмяно-цезиевый фото-

элемент СЦВ-3. Он выполнен в виде стеклянного баллона, воздух из которого

откачан до давления мм рт. ст. (рис. 1). На одну половину внутрен-

−−

ней поверхности баллона на подкладочный слой магния или серебра нанесен

тонкий слой сурьмы, а затем слой цезия. Образующееся при этом соединение

SbCs

служит катодом. Красная граница фотоэффекта для данного материала, в

силу малости работы выхода, находится в видимой части спектра. В централь-

ной части баллона расположен металлический анод А.

P 1

P 2

m V

Рисунок 1

Под действием постоянного напряжения, приложенного к фотоэлементу,

электроны, вылетевшие из катода, достигают анода и создают в замкнутой цепи

ток, величину которого измеряют гальванометром

. Движением электронов

можно управлять с помощью внешнего электрического поля, которое можно

подобрать таким, чтобы ток через гальванометр был равен нулю.

278

Квантовая оптика Описания лабораторных работ

Общие положения

Внешним фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется ис-

пускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения

(света). Электроны, вылетающие из вещества, называются фотоэлектронами, а

электрический ток, образуемый ими при движении во внешнем электрическом

поле, называется фототоком. Основные закономерности фотоэффекта заклю-

чаются в следующем:

1. Фототок насыщения пропорционален световому потоку при его неиз-

менном спектральном составе.

2. Максимальная кинетическая энергия электронов, испускаемых с по-

верхности твердого тела, пропорциональна частоте падающего света и не зави-

сит от его интенсивности.

3. Для каждого вещества существует минимальная частота, при которой

фотоэффект прекращается. Эту частоту

и соответствующую ей максималь-

ную длину волны называют красной границей фотоэффекта.

А. Эйнштейн показал, что закономерности фотоэффекта легко объяснить,

если предположить, что свет поглощается веществом такими же порциями

(квантами), какими он, по гипотезе М. Планка, испускается. Энергия кванта

ε= поглощается электроном полностью. Часть этой энергии, равная работе νh

выхода А

вых

, затрачивается на то, чтобы электрон мог покинуть вещество. Оста-

ток энергии образует кинетическую энергию вылетевшего электрона. В этом

случае должно выполниться соотношение

вых

h +=ν

max

, (1)

Соотношение (1) называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта.

Работа электрического поля по задержанию электронов по закону сохра-

нения энергии должна равняться кинетической энергии вылетевших электро-

нов:

max

, (2)

где е – модуль заряда электрона, а величина

называется задерживающим

напряжением. Из уравнений (1) и (2) следует:

eUAh

вых

. (3)

Если освещать катод поочередно светом с частотами

и , и измерять

значения задерживающих напряжений и , то согласно уравнению (3)

можно записать:

eUAh

вых

;

eUAh

вых

Решая систему уравнений, получим:

279

Описания лабораторных работ Квантовая оптика

(

)

ν−ν

−

UUe

(4)

(

)

2112

ν−ν

−

UUe

вых

, (5)

где

=ν

. (6)

с – скорость света, λ – длина волны соответствующего светофильтра.

Подготовка к работе

(ответы представить в письменном виде)

Какова цель работы?

Какие величины Вы будете измерять непосредственно?

Запишите формулу, по которой рассчитывается частота света. Поясните

смысл обозначений.

Запишите формулы, по которым Вы будете рассчитывать постоянную План-

ка и работу выхода электрона. Поясните смысл обозначений.

Выполнение работы

1. Подключить к электросети гальванометр. Зайчик гальванометра должен на-

ходиться на нуле.

2. Определить цену деления вольтметра.

3. Вставить в держатель один из светофильтров и записать указанную для него

длину волны.

4. Подключить к электросети схему.

5. При разомкнутом ключе

убедиться в наличии фототока (зайчик гальва-

нометра отклоняется). Затем замкнуть ключ

и с помощью потенциометра

R добиться того, чтобы фототок (ток через гальванометр) стал равен нулю.

Величину задерживающего напряжения определить по показанию вольтмет-

ра. Измерения повторить не менее трех раз.

6. Заменить светофильтр и провести измерения с ним согласно п. 3, 5.

Оформление отчета

1. Расчеты

1. По формуле (6) рассчитать частоты

2. По формуле (4) рассчитать три раза постоянную Планка . h

3. По формуле (5) рассчитать три раза работу выхода А

вых

. Значение работы

выхода выразить в электронвольтах.

(1эВ = 1,6⋅10

−19

Дж).

280