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

28970. Реформы и контрреформы Александра III 26.5 KB
  Реформы и контрреформы Александра III 1. Александр III правил с 1881 по 1894 гг. После убийства отца Александр III выдвинул программу своего царствования: подавление оппозиции революционного движения; укрепление основ российской жизни самодержавия православия народности. Александру III было известно что перед смертью его отец одобрил проект либеральных реформ М.
28971. Характер и особенности социально-экономического развития России во второй половине XIX в. 55 KB
  Характер и особенности социальноэкономического развития России во второй половине XIX в. Промышленный переворот в России начался в конце 30х годов XIX века он имел 2 стороны: техническую переход от мануфактуры к фабрике замена ручного труда машинным; социальную формирование промышленного рабочего класса и класса буржуазии. К 80м годам сформировались основные промышленные районы России: Московский; Петербургский; Прибалтийский; Уральский; Южный Донбасс и Криворожье; Бакинский....
28972. Внешняя политика России во второй половине XIX в. 34 KB
  Внешняя политика России во второй половине XIX в. Кроме того ввиду усиления позиций Англии Франции Германии и Японии в Китае важной задачей стало укрепление позиций России в этом регионе. По договорам с Японией было закреплено право России на Курильские острова. Его фраза: €œРоссия не сердится она сосредотачивается€ – образно выражала принципы внешней политики России того времени.
28973. Россия в начале XX века. Обострение социально- экономических и политических противоречий в стране 29 KB
  Россия в начале XX века. Геостратегическое положение было очень уязвимым и следовательно Россия была вынуждена содержать самую большую армию. Россия была многонациональным государством однако крупных конфликтов на национальной почве не было. По длине железных дорог Россия занимала 2 место в мире уступая только США однако качество было очень низким.
28974. Первая российская революция 1905-1907гг.: причины, характер, итоги 18.41 KB
  Причины: Нерешенность аграрного вопроса Противоречие между трудом и капиталом ухудшение положения рабочих Отсутствие политических свобод Кризис системы отношений между центром и провинцией национальными районами Поражение в русскояпонской войне Характер: Первая русская революция была – буржуазнодемократической. Революционные выступления – стачка рабочих в Иваново – Вознесенске. Возникновение Совета уполномоченных депутатов – нового органа власти рабочих. Консервативномонархические круги создают в ноябре Союз русского народа...
28975. Консерваторы, либералы и революционные радикалы в политической жизни России в начале XX века 26.5 KB
  Их программа включала требование установления парламентского демократического строя в форме конституционной монархии всеобщего избирательного права введения широких политических свобод 8часового рабочего дня права на стачки и профсоюзы. Программа предусматривала установление конституционной монархии с сильной исполнительной властью царя и законодательной Думой сохранение единой и неделимой России с предоставлением автономии Финляндии. В 1903 на съезде в Лондоне были приняты устав и программа РСДРП. Первый – программаминимум – реализация...
28976. Выход из революционного кризиса. Столыпинская модернизация России 48 KB
  Столыпинская модернизация России 3 июня 1907 правительство осуществило государственный переворот и 2 Дума февральиюнь 1907 была распущена. Столыпин то она получила названия Столыпинской. Столыпиным предельно четко: Нам нужна Великая Россия . Значительная часть столыпинских законопроектов была направлена на улучшение труда и быта различных категорий служащих торговых железнодорожных почтовых телеграфных ремесленников учителей начальной и средней школы преподавателей высшей школы членовкорреспондентов академиков...
28977. Россия в условиях 1-й мировой войны и общенационального кризиса 38.5 KB
  Россия в условиях 1й мировой войны и общенационального кризиса. Боевые дествия Поводом к началу Первой мировой войны послужило убийство сербскими националистами в боснийском городе Сараево 15 июня 1914 г. вручил правительству ноту с объявлением войны. Принятые Россией накануне войны программы развития армии и флота предполагалось выполнить примерно к 1917 г.
28978. Демократическая революция 1917г в России и ее итоги 31.5 KB
  В городах появились очереди стояние в которых было психологическим надломом для сотен тысяч рабочих и работниц. Начало первым беспорядкам положила забастовка рабочих Путиловского завода 17 февраля. Рабочие завода требовали увеличения расценок на 50 и приёма на работу уволенных рабочих. К толпам рабочих присоединялись тысячи случайных людей: подростков студентов мелких служащих интеллигентов.