1279-fizika_KKKKKKKKKKKKKKK

6. Рассчитайте по формуле (12) теоретическое значение оптиче- ского интервала теор по параметрам, указанным в нижней части окна модели, при d0 = 0,25 м.

7. Измерьте с помощью масштабной клеточки оптический интер- вал микроскопа и запишите полученное значение интервала эксп в табл. 4.

8.Сопоставьте полученные экспериментальные значения оптиче- ского интервала и увеличения микроскопа с указанными в окне мо- дели значениями и сделайте соответствующие выводы.

9.Устанавливая вторые значения F1 и F2, взятые из табл. 3 для вашего варианта, повторите действия по п. 2–8, записывая результа- ты измерений в табл. 4.

10.Оцените погрешности измерений и сделайте выводы.

Библиографический список

Основной Савельев И.В. Курс общей физики: В 5 кн. М.: АСТ: Астрель,

2006. Кн. 5.

Капуткин Д.Е., Шустиков А.Г. Физика. Обработка результатов измерений при выполнении лабораторных работ. М.: МИСиС, 2007. (№ 805).

Дополнительный Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука, 1976.

Контрольные вопросы

1.Что называют линзой? Дайте определение основных характери- стик линзы (оптический центр, оптические оси, фокусы, фокальная плоскость).

2.Покажите на рисунке, какие лучи используют для построения изображений в тонких линзах.

3.Постройте действительные (уменьшенное, увеличенное и неиз- менное по размеру) и мнимое изображения стрелки АВ, расположен- ной своим основанием на главной оптической оси собирающей линзы.

4.Напишите формулу тонкой линзы, пояснив физический смысл величин, в нее входящих, и дайте определение увеличения линзы.

5.Задача. Плосковыпуклая линза с радиусом кривизны R = 30 см

ипоказателем преломления n = 1,5 дает действительное изображение предмета с увеличением Г = 2. Найти расстояние от предмета до лин- зы и расстояние от линзы до изображения. (Рисунок обязателен.)

110

Лабораторная работа № 3-06к

ВНЕШНИЙ ФОТОЭФФЕКТ

Компьютерная модель «Фотоэффект» в сборнике компьютерных моделей «Открытая физика»,

раздел «Квантовая физика»

Цель работы

На компьютерной модели внешнего фотоэффекта подтверждение закономерностей внешнего фотоэффекта; определение красной гра- ницы фотоэффекта, работы выхода электронов из фотокатода и по- стоянной Планка.

Методика виртуального эксперимента

В данной работе используется компьютерная модель, основанная на методе изучения закономерностей внешнего фотоэффекта на уста- новке, в которой два электрода (катод К из исследуемого металла и анод А) в вакуумной трубке подключены к батарее так, что с помо- щью потенциометра можно изменять значение и знак подаваемого на электроды напряжения, величина которого измеряется вольтметром

(V). Ток, возникающий в электрической цепи при освещении катода монохроматическим светом (через кварцевое окошко), измеряется включенным в цепь амперметром (А). Этот ток называют фототоком.

Сила фототока I прямо пропорциональна числу фотоэлектронов N, долетающих до анода за единицу времени:

где N – число фотоэлектронов, достигших анода за время t; е – заряд электрона.

По теории Эйнштейна, каждый квант падающего света погло- щается только одним электроном, поэтому число вырванных фото- электронов должно быть пропорционально интенсивности света.

Согласно закону сохранения энергии, уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта

111

где hν – энергия падающего на металл фотона; Авых – работа выхода

некоторых вылетевших фотоэлектронов.

Минимальная частота νкр (или максимальная длина волны λкр), при которой еще наблюдается фотоэффект, т.е. для которой энер- гия падающего на катод фотона равна работе выхода,

называется красной границей фотоэффекта.

Запирающим (или задерживающим) напряжением называется минимальное тормозящее напряжение между анодом вакуумной лампы (фотоэлемента) и фотокатодом, при котором отсутствует ток в цепи этой лампы, т.е. фотоэлектроны не долетают до анода.

При таком напряжении кинетическая энергия электронов у катода равна потенциальной энергии электронов у анода, откуда следует выражение

Откройте компьютерную модель «Фотоэффект» (рис. 1). Внима- тельно рассмотрите модель, найдите все регуляторы и другие эле- менты. (Если вы забыли, как работать с системой компьютерного моделирования, прочитайте ВВЕДЕНИЕ еще раз.)

В компьютерной модели можно с помощью движков менять дли- ну волны λ падающего на фотокатод света, мощность падающего света (иначе говоря, интенсивность света), величину и знак напряже- ния U электростатического поля между электродами вакуумной лам- пы. Компьютерная модель фиксирует численные значения энергии фотона (hν), падающего на фотокатод, и величину фототока I.

Установив с помощью указателя мыши любое значение длины волны падающего на фотокатод света, понаблюдайте процессы дви- жения электронов при разных значениях мощности излучения. Затем проделайте те же наблюдения при определенной мощности для раз- ных длин волн.

112

4. Затем установите движком значение запирающего напряжения U = Uзап1 из табл. 1 для вашего варианта (в которой i - это номер из- мерения).

5.Перемещая мышью метку на спектре, установите такое макси- мальное значение длины волны λ = λ1, при котором прекращается фототок (при визуальном наблюдении движения электронов видно, что электроны не долетают до анода, а движутся обратно к катоду), при этом амперметр показывает ток I = 0.

6.Значения λ1 и Uзап1 занесите в табл. 2.

Таблица 2

Результаты измерений

Uзап i, В

λi, нм

1/ λi, ×106 м–1

7. Повторите действия по п. 3–6 для трех других значений Uзап из табл. 1 для вашего варианта.

Обработка результатов измерений

1.Вычислите численное значение работы выхода электрона из материала фотокатода, используя формулу (3) и экспериментально установленную длину волны красной границы фотоэффекта. Исполь- зуя табл. 3, определите, из какого материала изготовлен катод ваку- умной лампы (обратите внимание на размерность работы выхода в таблице).

2.Вычислите и запишите в табл. 2 обратные длины волн.

3.Постройте график зависимости модуля напряжения запирания

Uзап от обратной длины волны 1/λ: Uзап = f (1/λ).

114

4. Определите численное значение постоянной Планка, используя

ции к соответствующему приращению аргумента.

5. Запишите ответы и проанализируйте ответы и график (табл. 3).

Таблица 3

Значение работы выхода для некоторых материалов

Материал Калий Литий Платина Рубидий Серебро Цезий Цинк

Библиографический список

Основной Савельев И.В. Курс общей физики: В 5 кн. М.: АСТ: Астрель,

2006. Кн. 5.

Капуткин Д.Е., Шустиков А.Г. Физика. Обработка результатов измерений при выполнении лабораторных работ. М.: МИСиС, 2007. (№ 805).

Дополнительный Сивухин Д.В. Общий курс физики: В 5 т. М.: Физматлит, 2002. Т. 5.

Контрольные вопросы

1.Что такое фотон? Напишите формулу для вычисления энергии фотона.

2.Что называют внешним фотоэффектом? Перечислите условия, при которых возможен внешний фотоэффект. Напишите уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта и поясните физический смысл входящих в него величин. Что называют работой выхода и красной границей фотоэффекта?

3.Объясните принцип действия электрической схемы наблюдения внешнего фотоэффекта в данной работе. Нарисуйте и поясните вольт-амперную характеристику вакуумного фотоэлемента. Отлича- ются ли вольт-амперные характеристики различных материалов? (Ответ поясните.)

115

4.Дайте определение фототока. От чего зависит величина фото-

тока?

5.Поясните физический смысл запирающего (задерживающего) напряжения. Изменится ли величина запирающего напряжения, если: а) не меняя источник монохроматического излучения, изменить ма- териал фотоэлемента? б) не меняя материал фотоэлемента, изменять монохроматическое излучение?

6.Задача. Найти длину волны λ света, вырывающего из металла электроны, которые полностью задерживаются разностью потенциа-

лов U = 3 В. Фотоэффект начинается при частоте света ν0 = 6 1014 Гц. Найти работу выхода электрона из этого металла.

116

Лабораторная работа № 3-07к

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ РИДБЕРГА ПО СПЕКТРУ ИЗЛУЧЕНИЯ АТОМАРНОГО ВОДОРОДА

Компьютерная модель «Постулаты Бора» в сборнике компьютерных моделей «Открытая физика»,

раздел «Квантовая физика»

Цель работы

Знакомство с планетарной и квантовой моделями атома при моде- лировании процесса испускания и поглощения электромагнитного излучения атомом водорода; подтверждение закономерностей фор- мирования линейчатого спектра излучения атомарного водорода и определение постоянной Ридберга.

Методика виртуального эксперимента

В данной работе используется компьютерная модель, основанная на постулатах Бора.

•Первый постулат Бора: в атоме существуют стационарные (не изменяющиеся во времени) состояния, характеризующиеся опре- деленными значениями энергии, в которых он не излучает энергии.

•Второй постулат Бора: при переходе электрона с одной ор- биты на другую излучается или поглощается один фотон с энергией hν, равной разности энергий соответствующих стационарных со- стояний:

где En и Em – соответственно энергии стационарных состояний атома до (En) и после (Em) излучения или поглощения.

Линейчатый спектр атома определяется набором возможных дискретных частот квантовых переходов:

117

Связь длины волны λ с ее частотой ν определяется формулой

где с – скорость света в вакууме.

Спектры излучения и поглощения атомов состоят из отдельных спектральных линий. Экспериментально установлено, что спектр из- лучения атома водорода состоит из серии линий, длины волн кото- рых вычисляются по обобщенной формуле Бальмера:

где λ – длина волны спектральной линии в спектре атома водорода;

R – постоянная Ридберга (для длины волны табличное значение по-

стоянной Ридберга R = 1,1 107 м–1); n0 и ni – целые числа, означаю- щие номер уровня, на который переходит электрон (n0) и номер уров- ня, с которого переходит электрон (ni). Фиксированное число n0 опре-

деляет серию, число ni определяет отдельные линии соответст- вующей серии и принимает значения для этой серии ni = n0 +1, n0 +2, n0 +3 и т.д.

Спектральной серией называется совокупность линий излучения, соответствующих переходу электрона в атоме водорода на один и тот же нижний уровень энергии:

В компьютерной модели номер энергетического уровня в атоме водорода обозначен как орбита; например, для первого энергетиче- ского уровня n = 1 это будет орбита 1.

Откройте компьютерную модель «Постулаты Бора» (рис. 1). Вни- мательно рассмотрите модель, найдите все регуляторы и другие эле- менты виртуального эксперимента. (Если вы забыли, как работать с системой компьютерного моделирования, прочитайте ВВЕДЕНИЕ еще раз.) Подводя указатель мыши к любому уровню энергии элек- трона в окне модели и нажимая левую кнопку мыши, понаблюдайте за происходящим в окне модели: при каких переходах электрона атом излучает энергию (свет) и когда поглощает? Зарисуйте схему

118

энергетических уровней (правая часть окна модели) в конспект лабо- раторной работы и стрелками укажите эти переходы.

В данной модели можно устанавливать номер орбиты от 1 до 6. Компьютерная модель фиксирует энергетические переходы электро- на в атоме: направленная вверх стрелочка характеризует поглощение энергии атомом, а разница численных значений энергии – это энер- гия поглощенного при этом кванта света; направленная вниз стре- лочка характеризует излучение энергии атомом, а разница числен- ных значений энергии – это энергия излученного при этом кванта света. В нижнем поле окна модели фиксируется численное значение длины волны λ излученного или поглощенного кванта света. Подсчет стрелочек, направленных вверх или вниз, позволяет определить чис- ло спектральных линий в спектре поглощения или излучения соот- ветственно. На рис. 1 представлены три линии излучения и три ли- нии поглощения. В этой модели обязательно использование кнопки «Сброс», которая очищает окно планетарной модели.

Рис. 1. Диалоговое окно компьютерной модели «Постулаты Бора»

119