7 Лабораторная работа / 7-Лабораторная работа (Физика)_17 / Отчет по ЛР №7

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра физики

ОТЧЕТ

Лабораторная работа по курсу "Общая физика"

ВНЕШНИЙ ФОТОЭФФЕКТ. ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА

СТОЛЕТОВА И ПРОВЕРКА ФОРМУЛЫ ЭЙНШТЕЙНА

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.

Ф отоэлемент 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;

 - частота света.

Экспериментальное значение работы выхода материала фотокатода

A = -be (в Дж); (3.3а)

A = -b (в эВ); (3.3б)

Доверительные интервалы экспериментальных точек рассчитывают по формуле: (3.4)

Расчет световой волны

(3.5)

Метод наименьших квадратов:

(3.6)

(3.7)

(3.8)

Расчет случайных абсолютных погрешностей коэффициентов а и b:

(3.9)

(3.10)

где (3.11)

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. Вольтамперная характеристика фотоэлемента №1

r =1 см , 1/r2 =1 1/см2
U, В	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
I, мкА	0	5	13	23	36	42	46	48	49	49	50

Таблица 4.2. Вольтамперная характеристика фотоэлемента №2

r =1,5 см , 1/r2 = 0,44 1/см2
U, В	0	10	20	30	40	50	60	70	80	85
I, мкА	0	2	6	10	16	19	20	21	22	22

Таблица 4.3. Вольтамперная характеристика фотоэлемента №3

r = 2 см , 1/r2 =0,25 1/см2
U, В	0	10	20	30	40	50	60	65	70
I, мкА	0	1	3	6	9	11	11	12	12

Таблица 4.4. Вольтамперная характеристика фотоэлемента №4

r =3 см , 1/r2 =0,11 1/см2
U, В	0	5	10	15	20	25	30	35	40	45	50	55
I, мкА	0	0	0	1	1	2	3	3	4	4	5	5

Таблица 4.5. Вольтамперная характеристика фотоэлемента №5

r =4 см , 1/r2 =0,06 1/см2
U, В	0	5	10	15	20	25	30	35	40	45	50	55
I, мкА	0	0	0	1	1	1	1	2	2	2	3	3

0

30

20

10

60

50

40

90

80

70

100

U, B

10

20

30

40

50

I_нас, мкА

Рисунок 4.1.1 – Вольтамперная характеристика фотоэлемента №1.

I_нас, мкА

0

30

20

10

80

70

60

50

40

85

90

12

10

2

6

4

8

14

20

18

16

22

U, B

Рисунок 4.1.2 – Вольтамперная характеристика фотоэлемента №2.

U, B

I_нас, мкА

20

40

30

10

10

0

65

70

60

50

8

9

12

11

7

6

5

4

3

2

1

Рисунок 4.1.3 – Вольтамперная характеристика фотоэлемента №3.

I_нас, мкА

0

10

5

15

20

30

25

35

40

45

50

55

U, B

5

1

4

3

2

Рисунок 4.1.4 – Вольтамперная характеристика фотоэлемента №4.

10

0

5

20

15

30

25

40

35

55

50

45

U, B

I_нас, мкА

3

2

1

Рисунок 4.1.5 – Вольтамперная характеристика фотоэлемента №5.

Погрешность измерений расстояний r.

Цена деления шкалы линейки 1 мм => (r)=0.05см, тогда .

Доверительные интервалы экспериментальных точек рассчитываются по формуле (3.4):

1. 

2. 

3. 

4. 

5. 

	1	0.44	0.25	0.11	0.06
Iнас	50	22	12	5	3

I_нас, мкА

3

22

20

12

10

8

6

4

2

2

1

60

40

30

0,2

0,3

0,1

0

5

4

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

1

0,9

Рисунок 4.1.6 – График линейной зависимости I_нас от 1/r².

Вывод: Семейство вольтамперных характеристик фототока показывает наступление тока насыщения при определенных значениях напряжения и зависимость наступления тока насыщения от расстояния между источником света и катодом.

Чем больше это расстояние, тем меньше величина тока насыщения, т.е. . Из графика зависимости следует, что ток насыщения находится в линейной зависимости от 1/r². Таким образом эксперимент подтверждает теорию: , , где ф – число фотонов попадающих на фотоэлемент, N – число фотонов, испускаемых источником света в единицу времени, r – площадь катода.

Задание 2.

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

Таблица 4.6.Результаты измерения запирающих напряжений

Светофильтр	Синий	Желтый	Зеленый	Красный
гр , нм	480	540	600	620
в , с-1	6,2.1014	5,5.1014	4,9.1014	4,8.1014
Uз , В	0,95	0,77	0,46	0,39

Расчет частоты световой волны по формуле (3.5):

1. 

2. 

3. 

4. 

Построим график зависимости U_з

0

6

5

4

3

2

1

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

1

0,9

0,8

0,7

0,6

-1,5

U_З, В

-1

-0,5

Рисунок 4.2.1 – График зависимости U_з.

Убедился в наличии линейной зависимости .

Рассчитал постоянную Планка h по формуле (3.1):

Определил работу выхода электрона из катода:

из графика:

Оценка погрешности измерений методом наименьших квадратов по формулам (3.6), (3.7), (3.8):

Для каждого эксперимента n=4,

Расчет случайных абсолютных погрешностей коэффициентов а и в по формулам (3.9), (3.10) и (3.11):

Вывод: Из данных полученных в эксперименте следует, что чем меньше , тем больше U_з. Эти данные подтверждают справедливость уравнения Эйнштейна . Кинетическая энергия электронов обратно пропорциональна длине световой волны.

Из графика зависимости U_з следует, что , т.е. зависимость линейная. Найденное из графика экспериментальное значение постоянной Планка приближенно равно табличному значению этой величины.

Определенная из графика работа выхода, приближенно равна работе выхода полученной теоретическим расчетом.

Оценка погрешности измерений методом наименьших квадратов доказывает достоверность величин найденных экспериментально.

Абсолютно случайная погрешность величин а и в:

Величина а, найденная методом наименьших квадратов равна 0.4012^.10^-14, а по графику 0.4^.10^-14. Абсолютная погрешность между ними (0.4012-0.4)^.10^-14=0.0012^.10^-14В^.с.

Величина в, найденная методом наименьших квадратов совпала с величиной в, найденной из графика в=-1.5в.

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Вопросы:

1. В чем заключается сущность явления фотоэффекта?

2. Объясните принцип работы фотоэлемента с внешним фотоэффектом.

3. Что такое "красная граница" фотоэффекта? Чем обусловлено ее наличие и положение на шкале длин волн?

4. Объясните причину различия вольтамперных характеристик в прямом направлении для разных световых потоков.

5. При каких условиях возникает ток насыщения?

6. Изобразите вольтамперную характеристику фотоэлемента, включенного в обратном направлении. Поясните ее.

Ответы:

1. Фотоэффект – это явление вырывания электронов из металла под действием света.

2. Под действием света падающего через окошко фотоэлемента, из катода вырываются электроны, устремляющиеся к аноду под действием электрического поля, т.е. возникает электрический ток. Таким образом, цепь замыкается, т.е. работает. Фотоэлемент преобразует энергию светового излучения в энергию электрического тока.

3. "Красной границей" фотоэффекта является наименьшая частота падающего света (или наибольшая его длина), при которой происходит вырывание электронов из металла без сообщения им кинетической энергии. - этой частоте соответствует длина волны, которая является максимальной: где с – скорость световой волны.

4. Вольтамперные характеристики электрического тока в прямом направлении различаются по причине зависимости тока насыщения: а) от расстояния между источником света и катодом, б) от мощности светового потока падающего на катод.

5. Ток насыщения возникает при увеличении разности потенциалов между электродами, при неизменной интенсивности излучения. Ток насыщения определяется числом электронов, испущенных за 1с освещаемым катодом.

6. Вольтамперная характеристика фотоэлемента включенного в обратном направлении:

U

U_З

0

I

I_НАС

Если подключить к освещаемому электроду отрицательный полюс батареи, то сначала сила тока с повышением напряжения возрастает, а затем сила тока остается постоянной. Сила тока насыщения пропорциональна мощности светового потока излучения. Этому случаю соответствует участок графика слева от оси ординат. Измерив, запирающее напряжение, можно найти максимальное значение кинетической энергии электронов, вырываемых светом из катода: . Задерживающее напряжение и кинетическая энергия электронов не зависят от мощности излучения световой волны, но увеличиваются с возрастанием частоты света.