Обработка результатов измерений

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ«ФОТОЭФФЕКТ»

(КОМПЬЮТЕРНАЯ ИМИТАЦИЯ ОПЫТА ЛЕНАРДА)

Описание установки

На рисунке 1 изображена установка, позволяющая детально изучать фотоэффект. Электроды, фотокатод и анод, помещены в баллон, из которого откачан воздух. Свет на фотокатод подается через кварцевое окошко. Свет характеризуется двумя параметрами: интенсивностью и частотой. Интенсивность I – это средняя энергия электромагнитной волны, падающая за единицу времени на единицу площади; частота – это количество колебаний полей электромагнитной волны в единицу времени. Значения этих параметров можно изменять в соответствующих окошках.

Разность потенциалов (напряжение) между фотокатодом и анодом измеряет вольтметр. Ток в цепи анода измеряется чувствительным микроамперметром. Для регулировки напряжения батарея питания подключена к реостату со средней точкой. Если движок реостата стоит против средней точки, подсоединенной через микроамперметр к аноду, то разность потенциалов между фотокатодом и анодом равна нулю. При смещении движка влево потенциал анода становится отрицательным относительно катода. Если движок реостата сдвигать вправо от средней точки, то потенциал анода становится положительным. Позиция движка реостата регулируется в соответствующем окошке. Работа выхода электронов из фотокатода при выполнении лабораторной работы задаётся автоматически, случайным выбором из восемнадцати возможных вариантов.

 

Задание 1.

Цель задания 1: определить граничное значение частоты, при котором появляется фотоэффект – красную границу фотоэффекта .

Порядок выполнения задания 1:

1. Включите установку, нажав кнопку «включено».

2. В окошке «Позиция движка» установите число 1040, при этом вольтметр будет показывать 5.00 вольт.

3. Нажмите на кнопку «Задать работу выхода», в появившемся окошке нажмите кнопку «Задать автоматически».

4. Увеличивайте частоту , пока не появится фотоэффект: из фотокатода полетят электроны, микроамперметр покажетотличное от нуля значение силы тока. Для уточнения граничного значения частоты надо подвигать частоту туда-сюда и установить, при какой частоте фототок появляется впервые.

5. Запишите в отчёт значение красной границы фотоэффекта и металл фотокатода (определите по таблице 4).

 

 

 

Рис.1

Цель задания 2: снять вольтамперную характеристику фотоэлемента.

 

Вольтамперная характеристика – это зависимость силы тока i, текущего через фотоэлемент от напряжения U между анодом и фотокатодом.

 

На рис.2 изображён примерный вид вольтамперной характеристики фотоэлемента, на ней помечены цифрами особые точки: 1, 2 и 3. На промежутке от точки 1 до точки 2 сила фототока не изменяется, здесь фотоэлемент находится в режиме тока насыщения. Напряжение , соответствующее точке 2, называется напряжением насыщения. В точке 3 фототок i впервые становится равным нулю. Напряжение , соответствующее этой точке, называется задерживающим напряжением.

Рис.2

Ниже приведена таблица 1 для снятия вольтамперной характеристики.

Значения частоты света надо установить примерно на 30%-50% больше красной границы. Интенсивность I задаётся преподавателем.

Частоту в данной работе удобно измерять в терагерцах (ТГц), .

Интенсивность света в настоящей работе можно изменять от 50 до 500 мВт/м², частоту – от 300 до 3000 ТГц.

Таблица 1

Порядок выполнения задания 2:

1. Заготовьте таблицу измерений 1 и запишите в неё значения частоты света и заданное Вам преподавателем значения и его интенсивности I.

2. При позиции движка 1040, вольтметр покажет напряжение 5 В. Запишите значения напряжения U и силы тока i в первый столбец таблицы.

3. Подведите курсор мыши к окошку «позиция движка», нажмите на стрелку направленную вниз и уменьшайте напряжение U пока не дойдёте до точки 2 вольтамперной характеристики (после точки 2 фототок начинает уменьшаться). Запишите во второй столбец таблицы значения напряжения и тока, определяющие точку 2 вольтамперной характеристики (см. рис.2).

4. Уменьшая напряжение, определите то его значение, при котором фототок i впервые обращается в ноль (, точка 3 на вольтамперной характеристике, см. рис.2). Для уточнения граничного значения U надо подвигать движок реостата туда-сюда и установить, при каком значении U фототок исчезает впервые, при этом электроны останавливаются на мгновение у анода и затем возвращаются на катод.

Запишите эти значения напряжения U и силы тока i в третий столбец таблицы.

5. Интервал напряжений от до разделите пополам, определите координаты U- i в промежуточной точке между точками 3 и 2. Запишите их значения в следующий столбец таблицы.

6. По данным таблицы 1 постройте в достаточно крупном масштабе вольтамперную характеристику фотоэлемента.

7. Используя найденное значение , определите максимальную скорость электрона v_m из условия:

.

 

Задание 3

Цель задания:

а) исследовать зависимость фототока насыщения от интенсивности падающего света I;

б) установить влияние частоты световой волны на

фототок насыщения.

 

Порядок выполнения задания 3:

 

1. Переведите экспериментальную установку в режим тока насыщения, для этого установите напряжение U = 5 В.

2. При частоте света , установленной в задании 2, изучите зависимость фототока насыщения от интенсивности падающего света I. Результаты своего исследования занесите в таблицу 2:

Таблица 2

 

3. По данным таблицы 2 постройте в достаточно крупном масштабе график зависимости фототока насыщения от интенсивности света - .

Основываясь на виде графика, сделайте вывод о характере полученной зависимости, вывод запишите в отчёт.

4. установит влияние частоты световой волны на фототок насыщения,

для этого поменяйте значение частоты, сделайте вывод,

запишите его в отчёт.

 

Задание 4

Цель задания 4:

а) исследовать зависимость задерживающего напряжения от частоты света ;

б) установить влияние интенсивности I световой волны на задерживающее напряжение.

Определить следующие величины: постоянную М. Планка h, работу выхода электрона из металла А.

Порядок выполнения задания 4:

 

1. Установите исходные значения интенсивности света I, частоты такие же, как в задании 2 и запишите их в таблицу 3.

2. Изменяя напряжение, определите то его значение, при котором фототок i впервые обращается в ноль - . Величину запишите

в таблицу 3

Таблица 3

 

3. Изменяя частоту , уменьшая её и увеличивая от исходного значения, определяйте для каждой частоты задерживающее напряжение , результаты записывайте в таблицу 3.

4. Установите влияние интенсивности I световой волны на задерживающее напряжение, для этого измените интенсивность, сделайте вывод,

запишите его в отчёт.

5. По данным таблицы 3 постройте в достаточно крупном масштабе график зависимости - модуля задерживающего напряжения от частоты света. Основываясь на виде графика, сделайте вывод о характере полученной зависимости, запишите его в отчёт.

 

6. Сравните Ваш экспериментальный график зависимости

с теоретической зависимостью, которая следует из уравнения Эйнштейна для фотоэффекта и определите следующие величины:

постоянную М.Планка h, работу выхода электрона из металла А.

Методика обработки результатов измерений изложена ниже.

 

Обработка результатов измерений

 

«Экспериментальную» зависимость нужно сравнить с теоретической зависимостью , которую получим из уравнения Эйнштейна:

, (1)

где - работа сил электрического поля,

- элементарный заряд.

отсюда:

.

Видно, что теоретическая зависимость линейна. Тангенс угла наклона этой прямой к оси абсцисс равен h/e. Из «экспериментальной» прямой (см. рис. 3):

.

Тогда постоянная Планка равна:

. (2)

 

Рис.3

Заметим, что в формулу (2) надо подставлять в вольтах, а - в герцах.

Измерив отрезок, отсекаемый этой прямой на оси абсцисс, найдём - красную границу фотоэффекта. Из (1) работа выхода электронов из металла равна:

.

Работу выхода обычно измеряют в электрон-вольтах (1эВ = 1,6 10^-19Дж):

.

№	А, эВ	ТГц	металл		№	А, эВ	ТГц	металл
	1,89		цезий			4,27		молибден
	2,15		калий			4,28		серебро
	2,27		натрий			4,36		железо
	2,29		барий			4,47		медь
	2,39		литий			4,5		вольфрам
	3,74		алюминий			4,58		золото
	3,74		цинк			4,62		висмут
	3,92		титан			4,84		никель
	4,25		кобальт			5,29		платина

Таблица 4

В этой таблице работа выхода указана не в джоулях, а в электрон-вольтах.

Сравните экспериментальное и теоретическое значения постоянной Планка и сделайте, в соответствии с целью задания, вывод по заданию 4, запишите его в отчёт.