- •Московский государственный университет прикладной биотехнологии
- •Лабораторный практикум по физике
- •Введение
- •4Ая страница
- •Раздел I. Термодинамика. Молекулярно-кинетические явления переноса.
- •Определение показателя адиабаты методом клемана-дезорма
- •I.Описание установки.
- •II. Методика работы
- •III. Порядок выполнения работы
- •IV. Обработка результатов измерений
- •V. Вывод:
- •Контрольные вопросы
- •Определение коэффициента вязкости жидкости по методу стокса
- •I. Описание установки. Приборы и принадлежности.
- •II. Методика работы.
- •III. Порядок измерений и таблица результатов.
- •IV. Обработка результатов измерений.
- •V. Вывод:
- •Определение коэффициента вязкости воздуха капиллярным методом (методом Пуазейля)
- •I. Описание установки:
- •II. Методика работы.
- •III. Порядок измерений.
- •IV. Обработка результатов измерений
- •Литература
- •Раздел II. Колебания. Волны.
- •Исследование затухающих и вынужденных колебаний
- •Упражнение 1
- •Порядок выполнения работы
- •Упражнение 2
- •I. Методика работы
- •II. Описание установки.
- •III. Порядок выполнения работы
- •IV. Обработка результатов измерений
- •V. Выводы к упражнению 2:
- •Лабораторная работа № 5 (1-11) определение скорости звука в твердых телах методом кундта
- •I. Описание установки.
- •II. Методика работы.
- •III. Порядок выполнения работы
- •IV. Обработка результатов измерений
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Вопросы для защиты в форме круглого стола
- •Раздел III. Электростатика. Постоянный ток
- •Лабораторная работа № 6 (2-4) определение емкости конденсатора баллистическим гальванометром
- •Упражнение 1.
- •III. Порядок выполнения работы
- •Упражнение 2.
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы.
- •Лабораторная работа № 7 (2-1) измерение сопротивлений при помощи моста уитстона
- •Из формулы сопротивления для однородного проводника
- •Или, в зависимости от знака х, наоборот:
- •III. Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Вопросы для защиты в форме круглого стола
- •Раздел IV. Электромагнетизм
- •Определение горизонтальной составляющей вектора индукции магнитного поля земли
- •I. Описание установки.
- •II. Методика работы.
- •III. Порядок выполнения работы
- •IV. Обработка результатов измерений
- •V. Вывод:
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 9 (2-15) определение кривой намагничиваия железа
- •I. Описание установки.
- •III. Порядок выполнения работы
- •IV. Обработка результатов измерений
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Вопросы для защиты в форме круглого стола
- •Раздел V. Волновая оптика
- •Изучение явления интерференции света от двух когерентных источников (опыт Юнга)
- •III. Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы.
- •Определение длин волн в спектре с помощью дифракционной решетки
- •I. Описание установки.
- •II. Методика работы.
- •III. Порядок выполнения работы
- •IV. Обработка результатов.
- •Контрольные вопросы
- •Изучение закона малюса
- •I. Описание установки.
- •II. Методика работы.
- •III. Порядок выполнения работы.
- •IV. Обработка результатов.
- •Контрольные вопросы
- •II. Методика работы.
- •Порядок выполнения работы
- •IV. Обработка результатов.
- •Контрольные вопросы.
- •Литература
- •Вопросы для защиты в форме круглого стола
- •Раздел VI. Квантовая оптика
- •Определение температуры нити накаливания с помощью яркостного пирометра
- •I. Описание установки.
- •II. Методика работы.
- •III. Порядок выполнения работы
- •IV. Обработка результатов.
- •Дополнительное задание.
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 14 (3-19) изучение фотоэлемента с внешним фотоэффектом
- •I. Описание установки
- •II. Методика работы
- •III. Порядок выполнения работы
- •Снятие вольтамперной характеристики
- •Снятие световой характеристики
- •Дополнительное задание
- •Контрольные вопросы
- •Ознакомление с работой газового лазера
- •Контрольные вопросы.
- •Литература
- •Вопросы для защиты в форме круглого стола
- •Приложение I. Погрешности прямых и косвенных измерений
- •2.Абсолютная и относительная погрешности
- •3.Доверительные границы. Доверительная вероятность (коэффициент надежности)
- •4.Задача обработки результатов наблюдений
- •5. Систематические и случайные погрешности
- •6. Однократные и многократные измерения а. Однократные измерения
- •Б. Многократные измерения
- •В. Сложение погрешностей
- •7.Обработка результатов прямых многократных наблюдений
- •А. Порядок операций при обработке результатов прямых многократных измерений
- •Б. Пример обработки результатов прямых многократных измерений
- •8. Обработка результатов косвенных измерений
- •А. Метод частных дифференциалов
- •Б. Метод дифференциала логарифма
- •В. Порядок операций при обработке результатов косвенных измерений
- •2. Округление погрешностей
- •3. Правила построения графиков экспериментальных зависимостей
- •Вопросы для защиты в форме круглого стола
Контрольные вопросы
Что называют тепловым излучением?
Что называется интегральной энергетической светимостью?
Что такое спектральная излучательная способность?
Поглощательная способность тела. Закон Кирхгофа.
Абсолютно черное тело и его модель.
Закон смещения Вина.
Закон Стефана-Больцмана.
Гипотеза и закон Планка.
Яркостная, цветовая и радиационная температуры.
Устройство и принцип действия пирометра с исчезающей нитью. Какую температуру измеряют этим пирометром?
Каково назначение красных и поглощающих светофильтров в пирометре?
Почему излучение реальных тел всегда меньше, чем абсолютно черного тела?
Лабораторная работа № 14 (3-19) изучение фотоэлемента с внешним фотоэффектом
Цели работы:
1)снятие вольтамперной и 2)световой характеристик фотоэлемента 3) определение средней чувствительности фотоэлемента (дополнительное задание).
I. Описание установки
Исследование характеристик фотоэлемента проводится на установке, схема которой приведена на рис.14.1.
Установка состоит из оптической скамьи с движущимися по ней на ползунках фотоэлементом (ФЭ) и электрической лампой (L),
Рис. 14.1. Схема установки для исследования внешнего фотоэффекта.
используемой в качестве эталонного источника света. Скамья имеет шкалу для измерения расстояния между фотоэлементом и лампой, которое отсчитывается по имеющимся на ползунках указателям (см. рис. 14.1).
Анодное напряжение регулируется с помощью реостата R. На эталонную лампу подается напряжение 110В, при котором определена ее сила света J.
Фотоэлемент с внешним фотоэффектом – это вакуумный или газонаполненный прибор.
Рис.14.2 Принципиальное устройство вакуумного фотоэлемента
На рис. 14.2 показано принципиальное устройство вакуумного фотоэлемента. Фотоэлемент представляет собой колбу (стеклянную или кварцевую), часть внутренней поверхности которой покрыта слоем светочувствительного металла. Воздух из колбы тщательно удалён. Внутри колбы имеется металлическое кольцо или сетка. Как от светочувствительного слоя, так и от кольца наружу сделаны выводы, с помощью которых фотоэлемент присоединяется к батарее таким образом, чтобы металлический слой был катодом (К), а кольцо – анодом (А).
В цепь включен микроамперметр для фиксирования тока. Если облучать катод светом, то электроны, вырываемые из него первоначально во всех направлениях, будут собираться к аноду, в цепи пойдет фототок, обнаруживаемый микроамперметром.
(У газонаполненных фотоэлементов колба наполнена инертным газом под таким малым давлением ((1÷0,05) мм рт. ст.), чтобы при рабочем напряжении между катодом и анодом возникал несамостоятельный разряд, приводящий к усилению фототока (при заполнении колбы аргоном коэффициент усиления ≈ 6 ÷ 8)).
II. Методика работы
Внешним фотоэффектом называется явление вырывания электронов из металлов под действием света. Внутренний фотоэффект наблюдается в полупроводниках, когда в них под воздействием света возникает фотопроводимость.
Для внешнего фотоэффекта (в случае вакуумного фотоэлемента) имеют место следующие закономерности, установленные экспериментально в конце XIX века А.Г. Столетовым:
1. При неизменном световом потоке фототок зависит от напряжения между катодом и анодом.
По мере увеличения анодного напряжения UA, все больше количество электронов будут попадать на анод, т.е. фототок будет нарастать. Когда UA достигнет такой величины, что все вырываемые электроны будут попадать на анод, то дальнейшее увеличение анодного напряжения не вызовет увеличения фототока, фототок достигнет насыщения.
2. Фототок пропорционален световому потоку (измеряется в люменах):
, (14.1)
где коэффициент пропорциональности , равный фототоку, отнесенному к единице светового потока, называется интегральной чувствительностью фотоэлемента:
(14.2)
и измеряется в амперах на люмен.
3. Кинетическая энергия вылетающего электрона зависит от частоты падающего света и не зависит от величины светового потока и температуры. Она линейно растет с увеличением частоты,
4. Фототок следует практически безынерционно за изменением светового потока.
С квантовой точки зрения, при падении фотонов на поверхность металла происходит соударение фотона с электроном металла. Фотон отдает электрону всю свою энергию . Эта энергия идет на то, чтобы вырвать электрон из металла и сообщить ему кинетическую энергию. В соответствии с законом сохранения энергии уравнение для внешнего фотоэффекта, вызываемого фотонами УФ и видимого диапазона (для фотонов высоких энергий нужно применять релятивистский подход), имеет вид (уравнение Эйнштейна):
, (14.3)
где – энергия фотона; А - работа выхода электрона из металла;– максимальная кинетическая энергия выбитого из металла электрона (m и V – соответственно масса и скорость электрона).
Предельное значение частоты света или соответствующей ей длины волны, при котором исчезает фототок, называется порогом или красной границей фотоэффекта.
В соответствии с (14.3) это имеет место при условии, что энергии кванта хватает только для совершения работы выхода. Следовательно, кинетическая энергия фотоэлектрона и, согласно (14.3), пороговая частота:
, (14.4)
где – постоянная Планка.
Так как
, (14.5)
где С - скорость света в вакууме, то зная , можно найти работу выхода электрона:
, (14.6)
Работа выхода обычно выражается в специальных единицах – электрон-вольтах (1эВ=1,6∙10-19 Дж). Поэтому
, (14.7)
где надо брать в системе СИ.
Если считать источник света практически точечным с равномерным распределением света, то световой поток, падающий на светочувствительную поверхность S фотоэлемента, будет равен:
, (14.8)
где J – сила света эталонной лампы. (Если мощность, указанная на лампочке, например, 60 Вт, то J=60 кд. 1кд(кандела) – единица силы света).
Изменяя r между лампой и фотоэлементом, а значит и световой поток , падающий на фотоэлемент (при строгом контроле напряжения на зажимах фотоэлемента и эталонной лампы), определяют световую характеристику фотоэлемента
В настоящей работе поставлены задачи:
1. Определение зависимости фототока от анодного напряжения(при
постоянном световом потоке ), которую называют вольтамперной характеристикой фотоэлемента:. В этом случаерасстояние на оптической скамье между фотоэлементом и источником света остается все время постоянным (r=const).
2. Определение зависимости фототока от светового потока(при постоянном напряжении на аноде), называемой световой характеристикой фотоэлемента:.
№ п/п |
Вольтамперная характеристика |
Световая Характеристика |
Чувств-тель-ность | |||
|
=… см |
J=…кд |
S= … см2 |
=…В |
J= …кд |
, мкА/лм |
, B |
, мкА |
, см |
,мкА |
Ф, лм | ||
1 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
… |
|
|
|
|
|
|
|
=…. |
=… |
, (14.9)
с использованием полученной световой характеристики .