3 Лабораторная работа / 3-Лабораторная работа (Физика)_15 / Отчёт по лаб№3

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра физики

ОТЧЕТ

Лабораторная работа по курсу "Общая физика"

ИЗУЧЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ БОЛЬЦМАНА

И ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОТЫ ВЫХОДА

ЭЛЕКТРОНОВ ИЗ МЕТАЛЛА В ВАКУУМ

Преподаватель Студент группы

___________ /. / __________ /. /

___________

Томск 2004

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью настоящей работы является изучение распределения Больцмана на примере исследования температурной зависимости тока термоэлектронов, а также определение работы выхода электронов из металла в вакуум.

2. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА

С хема экспериментальной установки приведена на рис.2.1. Первичная обмотка трансформатора Т питается от сети переменного тока напряжением 220 В. Вторичная обмотка подключена к диодному мосту VD, выпрямленное напряжение с которого подается на накальную спираль электронной лампы Л.

Регулировка тока накала производится сопротивлением R, движок управления которым выведен на лицевую панель установки. На этой же панели расположен миллиамперметр ИП1. Определение температуры катода осуществляется по величине тока накала I_Н , измеренного миллиамперметром ИП1, с помощью градуировочной кривой. Для измерения тока I_A термоэлектронов, попадающих на анод, служит микроамперметр ИП2, включенный в анодную цепь. Прибор ИП2 также расположен на лицевой панели установки.

Суть эксперимента заключается в измерении зависимости анодного тока I_A от тока накала I_Н .

3. ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ

Работа выхода электрона из металла (в Дж):

E = -k a, (3.1)

где k - постоянная Больцмана = 1.38· 10^-23;

a - угловой коэффициент линеаризованного графика

4. РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ИХ АНАЛИЗ.

Экспериментальные данные и результаты их обработки представлены в таблице.

Таблица

Результаты прямых и косвенных измерений

	1	2	3	4	5	6	7	8
IН ,(мА)	0,20	0,24	0,29	0,36	0,41	0,51	0,57	0,67
IA ,(мкА)	9	10	12	16	19	25	31	41
T,(К)	1029	1042	1058	1077	1091	1118	1136	1164
ln IA	2.19722	2.30259	2,48490	2,77258	2,94443	3,21887	3,43398	3,71357
1/T(1/К)	0,00097	0,00095	0,00094	0,00092	0,00091	0,00089	0,00088	0,00085

Для расчета систематической погрешности прямого измерения тока накала и анодного тока воспользуемся формулой:

где - класс точности прибора. Он указан на приборах и равен для миллиамперметра и микроамперметра 1.5.

- нормирующее значение, равное конечному значению шкалы измерительного прибора. Так как в учебной лаборатории нормирующее значение используемых приборов равно пределу измерений этих приборов то для миллиамперметра оно будет 1 а для микроамперметра будет 100.

Построим график зависимости температуры катода от тока накала

Из графика зависимости температуры катода от тока накала видно что температура линейна то систематическая погрешность косвенного измерения температуры равна систематической погрешности измерения тока накала или величину σ(T) можно принять равной половине величины единицы младшего разряда значения температуры, т.е. ± 0,5 K.

Расчетаем погрешность косвенного измерения величины, обратной температуре катода:

Для первого опыта будит равна:

Формула для расчета погрешности косвенного измерения натурального логарифма анодного тока:

Для первого опыта будит равна:

Полученные данные занесём в таблицу погрешности измерений величин

Погрешности измерений величин

	 (ln IA)	 ( 1/T)
1	2,197220,17	0,000974,7*10-7
2	2,302590,15	0,000954,6*10-7
3	2,484900,13	0,000944,4*10-7
4	2,772580,1	0,000924,3*10-7
5	2,944430,08	0,000914,2*10-7
6	3,218870,06	0,000894*10-7
7	3,433980,05	0,000883,8*10-7
8	3,713570,04	0,000853,6*10-7

Теперь построим график функции lnI =f(1/T)

Найдем угловой коэффициент линеаризованного графика, используя для этого формулу:

,

где Δy=y(x)-y(x);

Δx=(x-x),

Δy=2,94443-3,43398=-0,48955

Δx=0,00091-0,00088=0,00003

Работу выхода электронов из металла рассчитаем по формуле(3.1)

Дж

5. ВЫВОДЫ

В результате проделанной работы, с помощью экспериментальной установки, мы убедились в справедливости распределения Больцмана, так

как смогли, в пределах погрешности измерений, построить линеаризованный график зависимости и из него определить, работу выхода электронов из металла в вакуум. Которая составила Е=2б25*10^-19Дж.

6.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

6.1 Что называется распределением Больцмана ?

Ответ: Распределение Больцмана – это зависимость концентрации частиц газа от их потенциальной энергии во внешнем поле.

6.2 Сколько значений потенциальной энергии частиц реализуется в экспериментальной установке, применяемой в данной работе ?

Ответ: В данной работе потенциальная энергия частиц имеет два значения.

6.3 Представить распределение Больцмана графически и указать на графике область изменения параметров системы в данной работе

Красным обозначена область в которой производили измерения. 6.4 Что общего и в чем различие распределений Больцмана и Максвелла?

Ответ: Распределение Больцмана – это распределение координат в идеальном газе. Распределение Максвелла – это распределение скоростей молекул в идеальном газе. Координаты и скорости – это независимые величины, которые поровну описывают микросостояние частицы газа, поэтому распределение Максвелла и Больцмана поровну влияют на микросостояние частиц газа.

6.5 Какова физическая причина существования работы выхода электронов из металла? Что было бы, если бы работа выхода равнялась нулю или была отрицательной?

Ответ: Потенциальные энергии электронов в металле и в вакууме отличаются на величину работы выхода. Под работой выхода понимают потенциальный барьер, который должен быть преодолен электронами, прежде чем они выйдут из металла в вакуум. При комнатной температуре металла, число электронов, обладающих кинетической энергией, достаточной для преодоления барьера, чрезвычайно мало. С увеличением температуры число таких электронов существенно возрастает. Если бы работа выхода равна нулю, то значение графика по осям x будут равны нулю. Если же работа выхода отрицательна (т.е. совершается работа, обратная работе выхода электронов), то коэффициент графика в данном случае должен быть положительным.