Федеральное государственное бюджетное

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«УХТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра физики

ОТЧЕТ

Лабораторная работа по курсу "Общая физика"

ВНЕШНИЙ ФОТОЭФФЕКТ. ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА

СТОЛЕТОВА И ПРОВЕРКА ФОРМУЛЫ ЭЙНШТЕЙНА

Преподаватель

Студент группы ФБО АИС-10 Абдрашитова Т.Ю,

Ухта 2012

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы является изучение основных законов внешнего фотоэффекта на основе измерения световой и вольтамперной характеристик вакуумного фотоэлемента.

2. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА

Внешний фотоэффект используется в приборах, которые называются фотоэлементами (ФЭ). В данной работе используется вакуумный фотоэлемент типа СЦВ-4.

Фотоэлемент состоит из стеклянного баллона 1 (рис.2.1), фотокатода 2 в виде тонкого сурьмяно-цезиевого сплава на внутренней поверхности баллона, металлического анода 3 и внешних выводов 4.

Кроме фотоэлемента экспериментальный макет (рис2.2) включает в себя источник постоянного напряжения E, потенциометр R1 для регулировки напряжения, подаваемого на фотоэлемент, и переключатель K для смены полярности напряжения и приборы для измерения фототока и напряжения на фотоэлементе. Органы регулировки напряжения, подаваемого на фотоэлемент, переключатель полярности этого напряжения выведены на лицевую панель экспериментального макета.

3. ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ

Экспериментальное значение постоянной Планка

h = a × e, (3.1)

где e - заряд электрона;

a - угловой коэффициент линейного графика

; (3.2)

где U_З - запирающее напряжение фотоэлемента;

n - частота света.

Экспериментальное значение работы выхода материала фотокатода

A = - b × e (в Дж); (3.3а)

A = - b (в эВ); (3.3б)

4. РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ИХ АНАЛИЗ.

Задание 1.

Значения фототока I при различных напряжениях U и расстояниях r от источника света до фотоэлемента приведены в таблицах 4.1. - 4.5.

Таблица 4.1.

r = 0,01 м, 1/r^2 = 10000
U, В
I, мкА

Таблица 4.2.

r = 0,02 м, 1/r^2 = 2500
U, В
I, мкА

Таблица 4.3.

r = 0,03 м, 1/r^2 = 1111
U, В
I, мкА

Таблица 4.4.

r = 0,04 м, 1/r^2 = 625
U, В
I, мкА

Таблица 4.2.

r = 0,05 м, 1/r^2 = 400
U, В
I, мкА

Проанализируем график, изображенный на рисунке. Как видно, поведения кривых во всех представленных случаях отлично друг от друга, связано это с изменением расстояния от источника света до фотоэлемента. Следовательно, максимальная энергия фотоэлектронов линейно возрастает с ростом частоты света ν и не зависит от светового потока. На рисунке для пяти различных световых потоков частоты излучения остались неизменными. Отсюда следует вывод – одинаковы будут и максимальная кинетическая энергия и задерживающая разность потенциалов.

Задание 2.

Значения напряжения запирания U_з при использовании различных светофильтров приведены в таблице 4.6.

Таблица 1.Результаты измерения запирающих напряжений

Светофильтр	Синий	Желтый	Зеленый	Красный
λгр, нм
νв, c^– 1	6,25 ∙ 10^14	5 ∙ 10^14	5,56 ∙ 10^14	4,839 ∙ 10^14
U, В	0,95	0,46	0,68	0,39

Рассчитаем верхние частоты ν_в пропускания светофильтров, исходя из граничных длин волн λ_гр, указанных в таблице 1.

Следующий шаг – расчет погрешностей для полученных в ходе эксперимента данных.

σ_п = = 0,015 В.

Согласно формуле рассчитаем абсолютную погрешность ν_в для каждого из представленных светофильтров. В качестве σ(λ_гр) возьмем значение половины разряда последней значащей цифры:

син. светофильтр: σ(ν_в) = 3 ∙ 10⁸ ∙ ∙ 4,95 ∙ 10^{– 9} = 0,064 ∙ 10¹⁴ с^{– 1};

жел. светофильтр: σ(ν_в) = 3 ∙ 10⁸ ∙ ∙ 4,95 ∙ 10^{– 9} = 0,041 ∙ 10¹⁴ с^{– 1};

зел. светофильтр: σ(ν_в) = 3 ∙ 10⁸ ∙ ∙ 4,95 ∙ 10^{– 9} = 0,051 ∙ 10¹⁴ с^{– 1};

кр. светофильтр: σ(ν_в) = 3 ∙ 10⁸ ∙ ∙ 4,95 ∙ 10^{– 9} = 0,039 ∙ 10¹⁴ с^{– 1}.

Строим график в координатах U_з, ν_в. Убеждаемся в наличие линейной зависимости. Определяем постоянную Планка h и работу выхода A.

S₁ = 6,25 ∙ 10¹⁴ + 5 ∙ 10¹⁴ + 5,56 ∙ 10¹⁴ + 4,839 ∙ 10¹⁴ = 21,649 ∙ 10¹⁴ с^{– 1};

S₂ = 0,95 + 0,46 + 0,68 + 0,39 = 2,48 В;

S₃ = (6,25 ∙ 10¹⁴ ∙ 0,95) + (5 ∙ 10¹⁴ ∙ 0,46) + (5,56 ∙ 10¹⁴ ∙ 0,68) + (4,839 ∙ 10¹⁴ ∙

∙ 0,39) = 13,90551 ∙ 10¹⁴;

S₄ = = (21,649 ∙ 10¹⁴)² = 468,679 ∙ 10²⁸ (с^{– 1})²;

D = 4 ∙ 468,679 ∙ 10²⁸ – 468,679 ∙ 10²⁸ = 1406,037 ∙ 10²⁸;

k = = 0,00137 ∙ 10¹⁴;

b = = 0,6126.

Определяем погрешности косвенного измерения полученных данных.

S₅ = = 2,48² = 6,1504 В²;

C = = 3,3202;

σ(k) = 3,3202 ∙ = 2,6776;

σ(b) = 3,3202 ∙ = 28,983 ∙ 10¹⁴.

Рис. 2 График зависимости напряжения запирания от верхней частоты падающего света.

Рассчитаем постоянную Планка:

h = 4 ∙ 10^{– 15} ∙ 1,60 ∙ 10^{– 19} = 6,4 ∙ 10^{– 34} Дж ∙ с;

σ(h) = |e| ∙ σ(k) = 1,60 ∙ 10^{– 19} ∙ 28,983 ∙ 10¹⁴ = 46,3728 ∙ 10^{– 5} Дж ∙ с.

5. ВЫВОДЫ

В результате выполнения лабораторной работы мне удалось проверить справедливость первого закона фотоэффекта, для этого я подтвердил линейную зависимость между фототоком насыщения I_нас и световым потоком, падающим на фотоэлемент. Также с помощью линеаризованного графика в параметрах напряжения запирания и верхних частот падающего света я доказал справедливость закона Эйнштейна.

В ходе экспериментов мне удалось определить значение постоянной Планка, которая равна 6,4 ∙ 10^{– 34} Дж ∙ с. Сравнивая полученный результат постоянной Планка с табличными данными, я могу утверждать в справедливости проделанной мной работы.

Дата добавления: 2015-09-29