3 Лабораторная работа / 3-Лабораторная работа (Физика) (Физика лаб. работа №3 спец-ть 230105) / Отчет по ЛР №3

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра физики

ОТЧЕТ

Лабораторная работа по курсу "Физика-1"

ИЗУЧЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ БОЛЬЦМАНА

И ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОТЫ ВЫХОДА

ЭЛЕКТРОНОВ ИЗ МЕТАЛЛА В ВАКУУМ

Преподаватель Студент группы

___________ / Васильев Н.Ф. / __________ / ________ /

___________2007 г. 31 января 2007 г.

Томск 2007

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;

a - угловой коэффициент линеаризованного графика

(3.2)

(3.3)

Формула для расчета систематической погрешности прямого измерения тока накала и анодного тока:

(3.4)

где γ – класс точности прибора;

x_N – нормирующее значение, равное конечному значению шкалы измерительного прибора.

Формула для расчета погрешности косвенного измерения натурального логарифма анодного тока:

(3.5)

Формула для расчета погрешности косвенного измерения величины, обратной температуре катода:

(3.6)

4. РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ИХ АНАЛИЗ.

Экспериментальные данные и результаты их обработки представлены в таблице.

Таблица 4.1

Результаты прямых и косвенных измерений

№	1	2	3	4	5	6	7	8
IН, мА	0.20	0.27	0.36	0.48	0.58	0.68	0.79	0.89
IA, мкА	9	11	16	23	32	42	58	75
T, К	1029	1051	1076	1109	1138	1167	1197	1226
ln IA	-11,618	-11,417	-11,043	-10,68	-10,35	-10,078	-9,75	-9,498
1/T, К-1	0,000972	0,000951	0,000929	0,000902	0,000879	0,000857	0,000835	0,000816

Расчет погрешностей измерений.

Найдем погрешность для каждого измерения.

Для ln I_A.

Погрешность для ln I_A находим из ряда формул 3.5, т.е. по формуле:

= (находим из формулы 3.4).

Рассчитаем погрешность первого значения ln I_A , а все остальные занесем ее в таблицу 4.2.

Для 1/Т.

Погрешность для 1/Т находится по формуле 3.6.

К - половина наименьшей цены деления.

Рассчитаем погрешность первого значения 1/Т, а все остальные значения занесем ее в таблицу 4.2.

Таблица 4.2

№	1		2	3		4	5	6		7	8
, А	0,1434		0,119	0,0849		0,061	0,045	0,035		0,0265	0,021
	4,72	4,53		4,32	4,07		3,86		3,67	3,49		3,33

Построим график зависимости .

Используя график, который находится выше, найдем значения k, b по аналитическому методу.

= 0,007141

=-84,4395

= -0,07567

= 0,0000064

= 895,4099

=0,000000175

= -13588,6 = 1,753276

= 27,2182

= 0,024338

=287,9554

Найдем работу выхода электронов из металла по экспериментальному графику. Для этого возьмем две точки на графике.

E = -k a;

Е= -(1,38*10^-23)*(-13589,7)= 18,753*10^-20Дж

5. ВЫВОДЫ

По результатам проведённых измерений и вычислений построен график в координатах ln I_A и 1/T. Построенный график имеет линейную зависимость в пределах погрешности измерений, что свидетельствует о выполнимости закона распределения Больцмана. По построенному графику определена работа выхода электронов из металла. =18.768∙10^-20(Дж)

.

6. ОТВЕТЫ НА КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

6.1. Что называется распределением Больцмана?

Под распределением Больцмана понимают 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?

В экспериментальной установке, применяемой в данной работе, реализуются два значения потенциальной энергии электронов:

- в металле;

- в вакууме.

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

6.4. Что общего и в чем различие распределений Больцмана и Максвелла?

Распределение Больцмана описывает распределение концентрации молекул в зависимости от их потенциальной энергии во внешнем силовом поле. Распределение Максвелла описывает распределение концентрации молекул в зависимости от их скорости, т.е. от их кинетической энергии.

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

Если бы работа выхода электронов из металла была равна нулю, то и угловой коэффициент экспериментальной прямой также равнялся бы нулю, т.е. прямая была бы параллельна оси X. Анодный ток I_A не зависел бы от температуры катода и был бы постоянной величиной. Концентрация электронного газа была бы одинакова и в металле и в вакууме.

Если бы работа выхода электронов из металла была отрицательной, то угловой коэффициент экспериментальной прямой поменял бы знак и анодный ток I_A уменьшался бы с увеличением температуры катода. Концентрация электронного газа была бы выше в вакууме, чем в металле.