- •Изучение законов внешнего фотоэффекта
- •4. Описание установки
- •5. Теоретические положения
- •6. Практическая часть
- •6.1. Изучение зависимости фототока насыщения
- •6.2. Исследование зависимости максимальной кинетической энергии фотоэлектронов от частоты падающего света
- •Изучение законов внешнего фотоэффекта
- •Рецензенты Зайцев Геннадий Иванович Демидова Нина Николаевна
6. Практическая часть
6.1. Изучение зависимости фототока насыщения
от расстояния между источником света и фотоэлементом
1. Поставьте переключатели №№ 1-3 электрической схемы в положение "а", при этом на анод фотоэлемента подается положительный потенциал электрического поля. Сурьмяно-цезиевый фотокатод имеет максимальную чувствительность к излучению с частотой , что соответствует синему цвету. Учитывая это, поставьте перед фотоэлементом синий светофильтр.
2. Помещайте источник света на любые, выбранные вами, расстояния от фотоэлемента. При заданном расстоянии с помощью движка потенциометра подберите такое напряжение , при котором фототок насыщения достигает максимального значения. Определите фототок насыщения для всех фиксированных расстояний между осветителем и фотоэлементом. Результаты занесите в табл. 1.
Таблица 1
Результаты измерений фототока насыщения при различных
расстояниях фотоэлемента от источника света ( )
, м |
|
|
|
|
|
, м–2 |
|
|
|
|
|
, дел. |
|
|
|
|
|
, А |
|
|
|
|
|
, с–1 |
|
|
|
|
|
3. Рассчитайте максимальное число фотоэлектронов , достигающих анод за 1 с, зная, что соотношение между силой тока и числом носителей тока имеет вид:
,
где – заряд, переносимый электронами за 1 с.
4. Постройте график зависимости . Так как
освещенность поверхности обратно пропорциональна квадрату расстояния от точечного источника света до поверхности по закону обратных квадратов
,
запишите вывод о результатах проверки соответствующего закона внешнего фотоэффекта.
6.2. Исследование зависимости максимальной кинетической энергии фотоэлектронов от частоты падающего света
1. Поставьте все переключатели электрической схемы №№ 1-3 в положение "б". В этом случае на анод фотоэлемента подается отрицательный потенциал электрического поля. Установите минимальное расстояние между осветителем и фотоэлементом и не изменяйте его в течение этого эксперимента.
2. Равномерно увеличивая напряжение, измеряйте фототок до тех пор, пока его значение не станет равным нулю . Результаты измерения фототока и напряжения занесите в табл. 2. Повторите эксперимент для всех светофильтров.
Таблица 2
Результаты измерений фототока
при разной частоте падающего света ( )
№№ |
Напряжение |
Цвет светофильтров |
||||||||
синий |
зеленый |
желтый |
красный |
|||||||
|
, дел. |
, В |
, дел. |
А |
, дел. |
, А |
, дел. |
, А |
, дел. |
, А |
11 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
22 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
…… |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3. Постройте график обратной зависимости для разных частот падающего света. Для определения напряжения запирания необходимо учесть особенности вакуумного фотоэлемента, на сферический катод которого свет падает под разными углами, и освещенность участков его поверхности оказывается неодинаковой. Поэтому напряжение запирания определяется с помощью касательной, проведенной к верхней части графика этой зависимости до пересечения ее с осью напряжения (рис. 3).
4. По формуле (2) вычислите максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов при разной частоте света, падающего на фотокатод. Результаты занесите в табл. 3. Запишите вывод.
5. Используя формулу (1), рассчитайте работу выхода фотоэлектронов из фотокатода для всех частот падающего на него света в джоулях (Дж) и ее среднее значение в электрон-вольтах (эВ) (1 эВ = 1,60210–19 Дж). Результаты занесите в табл. 3.
6. Постройте график зависимости максимальной кинетической энергии фотоэлектронов от частоты света, падающего на фотокатод . По графику определите "красную границу" фотоэффекта (точка пересечения линии графика с осью частот).
7. Рассчитайте максимальную длину волны "красной границы".
,
где = 3108 м/с – скорость света в вакууме. Результаты определения и запишите в табл. 4.
Таблица 3
Результаты расчета максимальной кинетической энергии
фотоэлектронов и работы выхода электронов из металла
Цвет светофильтров |
|
|
|
|
|
Гц |
В |
Дж |
Дж |
эВ |
|
Синий |
5,71014 |
|
|
|
|
Зеленый |
5,41014 |
|
|
|
|
Желтый |
5,11014 |
|
|
|
|
Красный |
4,91014 |
|
|
|
|
Таблица 4
Результаты определения "красной границы" фотоэффекта
и постоянной Планка
|
|
|
|
|
Гц |
м |
Джс |
Джс |
% |
|
|
|
|
|
8. По наклону линии графика к оси частот определите постоянную Планка :
9. Рассчитайте относительное отклонение результатов эксперимента от теоретического значения постоянной Планка.
.
Запишите вывод.
Контрольные вопросы
1. Каковы основные положения квантовой теории света?
2. Определите частоту, энергию, импульс и массу фотона зеленого света .
3. Вычислите длину волны фотона, энергия которого равна энергии покоя электрона.
4. Определите максимальную скорость электронов, вылетающих из металла под действием -излучения, длина волны которого .
5. Как проявляется взаимодействие фотонов с электронами вещества?
6. Дайте характеристику внутреннего фотоэффекта.
7. Какое явление называется внешним фотоэффектом? Каковы его закономерности?
8. Объясните законы внешнего фотоэффекта с точки зрения квантовой природы света.
9. Каков принцип действия вакуумного фотоэлемента?
10. Проанализируйте вольт-амперную характеристику вакуумного фотоэлемента.
11. Внешний фотоэффект – практически безынерционное явление. Как это доказать?
12. Каково практическое использование явления внешнего фотоэффекта?
Список рекомендуемой литературы
1. Детлаф, А. А. Курс физики: учеб. пособие для ВТУЗов / А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. – 4-е изд. – М.: Издат. Центр "Академия", 2003. – 720 с.
2. Трофимова, Т. И. Курс физики: учеб. пособие для ВТУЗов / Т. И. Трофимова. – 8-е изд. – М.: Высш. шк., 2004. – 544 с.
Составители
Лавряшина Таисия Васильевна
Широколобова Татьяна Александровна