Порядок выполнения работы
Установка состоит из двух электрических цепей: источника света и фотоэлемента (рис. 31).
Рис. 31
Лампа накаливания Л неподвижно закреплена на одном конце оптической скамьи. Лампа питается от понижающего трансформатора Т, включенного в сеть с напряжением 220 В. Сила тока накала нити лампы Л, измеряемая амперметром А, регулируется реостатом R.
Фотоэлемент F укреплен на подставке, которую можно перемещать вдоль оптической скамьи. Фототок измеряют с помощью гальванометра G.
Фотоэлемент обращен к лампе светочувствительной поверхностью, поэтому в перерывах между измерениями фотоэлемент следует закрывать непрозрачной крышкой.
Проверка выполнения закона освещенности
Сила фототока, при небольших световых потоках пропорциональна освещенности, так как εф ~ Ф и i ~ E.
Поэтому равенство (14) можно переписать в виде:
.
(15)
Чтобы проверить справедливость формулы (15), фотоэлемент устанавливают на различных расстояниях r от источника света от 30–35 до 75 см. В этих пределах выполняют 7–9 измерений. Измерения проводят, начиная с меньших расстояний, и далее опыт повторяют в обратном порядке. При определении окончательных результатов следует рассчитать средние арифметические каждых двух значений фототока при одном и том же расстоянии.
Положение лампы и фотоэлемента на скамье фиксируют с помощью указателей. При выполнении опыта следят за постоянством силы тока лампы шкалы.
На основании данных, полученных в ходе эксперимента, следует:
1) построить график зависимости силы фототока от квадрата расстояния;
2) проверить выполнение соотношения (15).
Однако необходимо учесть то обстоятельство, что при использовании источника света конечных размеров, как, например, нить лампы накаливания, освещённость будет убывать медленнее, чем рассчитанная по формуле . И равенство (15) в этом случае приблизительно.
При
определении чувствительности фотоэлемента
силу
тока принято выражать в микроамперах,
световой
поток в люменах.
В данной установке сила света лампы накаливания J = 21 св при силе тока накала 2,8 А, поверхность фотоэлемента равна ΔS = 9,2 см2.
Так как поверхность фотоэлемента нормальна к падающим лучам света, то её освещенность
.
(16)
В то же время, освещенность фотоэлемента можно выразить через падающий ток Ф на поверхность фотоэлемента:
.
(17)
Из формул (16) и (17) для светового потока следует:
.
(18)
Подставив Ф в выражение для чувствительности фотоэлемента, получим рабочую формулу
.
(19)
Средняя абсолютная погрешность чувствительности
определяют
по правилам вычисления средней абсолютной
погрешности при многократных измерениях.
Результаты измерений вносят в табл. 6.
Таблица 6
№ измерения |
r |
r2 |
Отсчеты по гальванометру |
i, мкА |
ir2 |
Δ(ir2) |
γ |
Δγ |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Среднее значение |
|
|
|
|
||||||||
Контрольные вопросы
1. Охарактеризуйте виды фотоэффекта.
2. Сформулируйте законы освещенности. Законы Столетова.
3. Дайте объяснение внешнего фотоэффекта с точки зрения квантовой теории.
4. Объясните устройство и применение фотоэлемента.
5. Каковы основные фотометрические понятия и единицы измерения?
6. Объясните суть понятия – красная граница.
Список литературы
1. Грабовский Р. М. Курс физики. – М., 2004. – § 68, 69.
2. Детлаф А. А., Яворский Б. М. Курс физики. – М., 2007. – § 35.3, 36.1–36.4.
. Исследование дифракции Фраунгофера
(лабораторная работа №304)
Приборы и принадлежности: дифракционная решетка, лазер.
Краткая теория и метод измерения
Исследование прозрачной дифракционной решётки
Известно, что дифракцией света называют отклонение света от первоначального направления, не связанное с отражением или преломлением света.
Благодаря дифракции волны могут попадать в область геометрической тени, огибая препятствия, проникать через небольшие отверстия в экранах. Например, звук достаточно хорошо слышен за углом дома, так как звуковая волна его огибает.
Различают два вида дифракции:
Дифракция Френеля или дифракция в сходящихся лучах. В данном случае на препятствие падает сферическая или плоская волна, а дифракционная картина наблюдается на экране, находящемся за препятствием на конечном расстоянии от него. На экране получается «дифракционное изображение» препятствия.
Дифракция Фраунгофера или дифракция в параллельных лучах. В этом случае на препятствие падает плоская волна, а дифракционная картина наблюдается на экране, который находится в фокальной плоскости собирающей линзы, установленной на пути прошедшего через препятствие света. На экране получается «дифракционное изображение» удаленного источника света.
Принцип Гюйгенса-Френеля:
Световая волна, возбуждаемая каким либо источником S, может быть представлена как результат суперпозиции вторичных волн, «излучаемых» фиктивными источниками. Такими источниками могут служить бесконечно малые элементы любой замкнутой поверхности, охватывающей источник S. Обычно в качестве этой поверхности выбирают одну из волновых поверхностей, поэтому все фиктивные источники действуют синфазно. Таким образом, волны, распространяющиеся от источника, являются результатом интерференции всех когерентных вторичных волн.