11280

Изучение внешнего фотоэффекта, Световой поток

Лабораторная работа

Физика

Световой поток – это физическая величина, определяемая оптической мощностью излучения по вызываемому им световому ощущению (по его действию на селективный приемник света с заданной спектральной чувствительностью); измеряется в люменах (лм)...

Русский

2015-01-17

380.5 KB

37 чел.

Изучение внешнего фотоэффекта

Методические указания к лабораторной работе № 11(а,б)

(раздел «Оптика»)

Указания содержат краткую теорию по явлению внешнего фотоэффекта и порядок выполнения лабораторной работы.

           Методические указания предназначены для выполнения лабораторной работы студентами всех форм обучения в лабораторном практикуме по физике (раздел «Оптика»).

Лабораторная работа №11(а,б)

    Цель работы: изучение явления внешнего фотоэффекта на примере вакуумного фотоэлемента; вычисление интегральной чувствительности фотоэлемента.

     Приборы и принадлежности: вакуумный фотоэлемент СЦВ-4, источник питания в цепи фотоэлемента, вольтметр, микроамперметр, потенциометр для изменения напряжения в цепи фотоэлемента, источник света (лампа накаливания), источник питания в цепи источника света, амперметр в цепи накала лампы, реостат, изменяющий ток накала осветителя.

Основные понятия и определения

1. Основы фотометрии

     Световой поток   – это физическая величина, определяемая оптической мощностью излучения по вызываемому им световому ощущению (по его действию на селективный приемник света с заданной спектральной чувствительностью); измеряется в люменах (лм).

     Освещенность – это физическая величина, определяемая отношением светового потока, падающего на поверхность, к величине этой поверхности : ; измеряется в люксах (лк). Прибор для измерения освещенности называется люксметром.  

     Сила света – это физическая величина, определяемая отношением светового потока  к телесному углу , в пределах которого распространяется излучение: ; измеряется в канделах (кд). Связь между освещенностью и силой света при нормальном падении света на площадку  при заданном расстоянии
от источника света: .

     Интегральная чувствительность фотоэлемента  – отношение силы фототока насыщения  к световому потоку  

при постоянном напряжении на фотоэлементе, соответствующему данному значению тока насыщения . Обычно выражается в мкА/лм. 

2. Внешний фотоэффект

        Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием света. Фотоэффект – это квантовое явление, его открытие и исследование сыграло важную роль в экспериментальном обосновании квантовой теории. Практическое значение имеет фотоэффект из твердых тел в вакуум. Систематические исследования фотоэффекта были проведены А.Г. Столетовым. Идея опытов Столетова понятна из установки, представленной на рис. 1,а. Свет, проходя через проволочную сетку (С), падал на металлическую пластину (М). При освещении пластины гальванометр фиксировал наличие в цепи электрического тока, получившего название фототока.

                                   а)                                б)

Рис.1. Схема опытов по наблюдению фотоэффекта.

В дальнейшем исследование закономерностей фотоэффекта проводилось по сходной схеме (рис.1,б), но с той разницей, что электроды были помещены в вакуумированный сосуд, а свет проникал в него и освещал электрод через кварцевое окошко (О),
хорошо пропу
скающее ультрафиолетовые лучи. Электрод, под-
вергающийся освещению, – катод (К), второй электрод – анод (А). Поддерживая освещение постоянным, и, изменяя напряжение между электродами, можно получить связь между фототоком   и прил
оженным напряжением  при фиксированном световом потоке . Эта зависимость получила название вольт - амперной характеристики (ВАХ) фототока. ВАХ, снятые при различных световых потоках, представлены на рис.2.

Для всех зависимостей характерно наличие участка тока насыщения  , когда все электроны, вырванные светом из катода К, попадают на анод А. Чтобы задержать фотоэлектроны, вылетающие из катода с максимальными скоростями, и, тем самым, прекратить фототок, к электродам нужно приложить обратную задерживающую разность потенциалов  .

Описание установки

    Лабораторная работа выполняется на установке, принципиальная схема которой представлена на рис. 3. На оптической
скамье в спец
иальных держателях установлены источник света -
лампа накаливания (Л) и фотоэлемент (ФЭ). Расстояние между лампой и фотоэлементом можно изменять перемещением вдоль
оптической скамьи фотоэлемента.  От лампы накаливания свет поп
адает в окошко фотоэлемента (О) и в цепи фотоэлемента начинает протекать фототок. Величина фототока измеряется микроамперметром (), а приложенное к электродам фотоэлемента напряжение – вольтметром (V ). Величина подаваемого напряжения может регулироваться потенциометром (П ). С помощью реостата (R) можно изменять ток в цепи накала лампы и измерять его величину амперметром (А). Вакуумный фотоэлемент (ФЭ) СЦВ-4 представляет собой сферический стеклянный вакуумированный баллон с нанесенным на него изнутри слоем цезия (выполняет роль катода (К)). Собирающий электрод (анод (А)) выполнен в виде металлического кольца, расположенного в центре баллона.

Рис. 3. Блок – схема измерительной установки.

Порядок выполнения работы №11(а) в лаборатории
"ОПТИКА"
к.433

1. На рабочем месте представлен график зависимости силы света источника  от протекающего через лампу тока  . Преподавателем задаются три значения силы тока, а студент должен
самостоятельно по графику определить соответствующие им знач
ения силы света источника , , .

2. Установить между источником света и фотоэлементом
предложенное преподавателем фиксированное расстояние
, остающееся неизменным при дальнейших измерениях.

3. По формуле  (- площадь фотокатода) вычислить 3 значения светового потока , , , соответствующие различным значениям тока накала.

     Значения токов накала , силы света , расстояния
и световых потоков  з
анести в таблицу 1(а).

4. Установив реостатом R  ток накала лампы, соответствующий, например, значению силы света источника  и световому потоку , снять зависимость фототока от напряжения на фотоэлементе . Для этого с помощью потенциометра П  напряжение на фотоэлементе изменяют с шагом 5 – 10 В от 0 до такого его значения, при котором фототок примет свое максимальное значение и при дальнейшем увеличении изменяться не будет  (фототок насыщения ).

5. Аналогичным образом снять ВАХ фототока и  для двух других значений светового потока  и . Результаты измерений и вычислений занести  в таблицу 1(а).

6. По данным таблицы 1(а) построить три графика световых характеристик и из них определить токи насыщения , , , соответствующие световым потокам , и .

7. Вычислить три значения интегральной чувствительности по формуле  и результаты вычислений занести в таблицу 1(a).

Таблица 1(a)

Измерения

1

2

3

4

5

6

7

Порядок выполнения работы №11(б) в лаборатории
"ОПТИКА,
к. 436

1. Установить на оптической скамье в передвижной каретке приемник люксметра. Изменяя трижды расстояние от нити лампы осветителя до приемника люксметра, измерить соответствующие значения освещенности . ВНИМАНИЕ: при измерениях освещенности  следить за тем, чтобы вся поверхность приемника люксметра была освещена.

По формуле вычислить значения силы света для каждого и найти среднее значение силы света источника , которое в дальнейшем и будем принимать как силу света источника.

2. Результаты измерений и вычислений  занести в таблицу 1(б).

3. Снять приемник люксметра и каретку с оптической скамьи и на его место установить фотоэлемент.

4. Установить между источником света и фотоэлементом одно из 3-х предложенных преподавателем расстояний  или .

                                   Таблица 1 (б)

№ пп

 1

2

3

5. По формуле   ( - площадь фотокатода) вычислить световой поток  , соответствующий этому расстоянию .

6. Снять зависимость фототока  от напряжения на фотоэлементе . Для этого, не меняя установленного расстояния , с помощью потенциометра П напряжение на фотоэлементе изменяют с шагом 5 – 10 В от 0 до такого его значения, при котором фототок примет свое максимальное значение   и при дальнейшем увеличении изменяться не будет  (фототок насыщения ).

7. Аналогичным образом снять ВАХ фототока и
для двух других значений светового потока  и . Результаты измерений и вычислений занести  в та
блицу 2(б).

8. По данным таблицы 2(б) построить три графика световых характеристик и из них определить токи насыщения , , , и соответствующие световым потокам ,  и .

9. Вычислить три значения интегральной чувствительности по формуле   и результаты вычислений занести в таблицу 2(б).        

 

                                                         Таблица 2(б)

Измерения

1

2

3

4

5

6

7

Контрольные вопросы (для защиты):

1. Какое явление называется внешним фотоэффектом?

2. Запишите формулу Планка, связывающую энергию фотона с частотой света  (длиной волны ).

3. Запишите формулу Эйнштейна для фотоэффекта и объясните её физический смысл.

4. Что такое задерживающий потенциал и как его определить экспериментально?

5. Объясните, что такое «ток насыщения» и как его измерить?

Рекомендуемая литература

  1.  Трофимова Т.И. Курс физики. - М.: Высш. школа, 2004.
  2.  Савельев И.В.  Курс общей физики. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атома и элементарных частиц. – М.: ООО «Издательство Астрель», 2001.
  3.  Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. - М.: Академия, 2008.

Правила техники безопасности

При выполнении работы необходимо убедится, что все токоведущие части электрической схемы изолированы. Категорически запрещается касаться руками или другими предметами зажимов цепи, находящихся под напряжением. По окончании работы обязательно отключите электрическую схему от источника напряжения.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

14730. Ознакомительная работа в среде MuLisp. Базовые функции Лиспа. Символы, свойства символов. Средства языка для работы с числами 76 KB
  Лабораторная работа № 1. Тема: Ознакомительная работа в среде MuLisp. Базовые функции Лиспа. Символы свойства символов. Средства языка для работы с числами. Цель: Ознакомиться со средой MuLisp. Изучить базовые функции Лиспа символы и их свойства а также средства для работы с...
14731. Определение функций. Функции ввода-вывода. Вычисления, изменяющие структуру 53 KB
  Лабораторная работа №2. Тема: Определение функций. Функции вводавывода. Вычисления изменяющие структуру. Цель: Получить навыки в написании функций. Изучить функции вводавывода. Функции определяемые пользователем. Функция ввода. Функции вывода. Вы...
14733. Ознакомиться с реализацией рекурсивных структур данных (на примере списков) на языке Lisp 31.5 KB
  Лабораторная работа №7 Цели работы Ознакомиться с реализацией рекурсивных структур данных на примере списков на языке Lisp. Реализовать основные функции работы со списками: создание списка вставка элемента с клавиатуры на позицию по з
14734. Изучение устройства и режимов работы диффузионной системы типа СДО - 125/3 - 12 692 KB
  Изучение устройства и режимов работы диффузионной системы типа СДО 125/3 12 Цель работы: Изучить конструкцию диффузионной системы типа СДО125/312 и особенности эксплуатации при проведении диффузионноокислительных процессов в технологии производства интегральн...
14735. Исследование радиационных характеристик источников ИК излучения 1.03 MB
  Исследование радиационных характеристик источников ИК излучения Цель работы: Изучить характеристики и конструкции источников ИК излучения Овладеть приемами аналитического расчета Овладеть приемами экспериментального определения облученности ...
14736. Изучение конструкции установки для осаждения эпитаксиальных слоев твердых растворов А iii B V ЭПИТРОН – 1С 1.45 MB
  Лабораторная работа №4 Изучение конструкции установки для осаждения эпитаксиальных слоев твердых растворов А iii B V Эпитрон – 1С. Цель работы: I изучить физикохимические основы процесса получения структур типа из газовой фазы; 2 изучить конструкцию технические х
14737. Изучение устройства и исследование характеристик элементов ГС технологического оборудования микроэлектроники 1.63 MB
  Лабораторная работа №3 Изучение устройства и исследование характеристик элементов ГС технологического оборудования микроэлектроники Цель работы: I изучить физические основы работы элементов газовых систем; 2 изучить конструкцию элементов газовых систем; 3 исслед
14738. Экспериментальные исследования диэлектрических свойств материалов 1.86 MB
  Лабораторная работа по физике № 230 Экспериментальные исследования диэлектрических свойств материалов ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Выяснить зависимость: диэлектрической проницаемости материалов от частоты от напряженности эл. поля зависимость емкости конденсатора ...