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

55988. Тарас Григорович Шевченко в англомовному світі 113.5 KB
  Англійська мова якою зараз говорять і яку розуміють на всіх континентах представила Шевченка для світової читацької громади найбільше. Майже всі поезії Шевченка відтворюють англійською мовою.
55989. Мій улюблений письменник Т.Г. Шевченко. Українські і британські письменники 46 KB
  Мета: Повторити і систематизувати знання учнів про деякі біографічні факти письменників, їх творчої спадщини; сприяти запамятовуванню вживання Passive Voice; перевірити знання учнів лексичного запасу з даної теми, розвивати вміння виконувати лексичні операції
55990. Стародавній Схід: далекий і близький 39.5 KB
  Навчальна мета: поглибити, узагальнити знання з теми. Засобом змагань викликати інтерес до творчої пошукової роботи; поєднати минуле і сучасне; навчити практично використовувати набуті знання у подальшому житті.
55991. Сценарій двомовного свята: «Лісова школа. Абетка» 53 KB
  Ні Лиско Петрівно, ці дітки особливі і вкрай талановиті. Я зараховую їх до нас в «Лісову школу». А за свою роботу та чудовий виступ пропоную нагородити їх подяками. По завершенню ведучі...
55992. Научно-исследовательская деятельность в школе 131.5 KB
  Сторонники исследовательского обучения отмечают учебный процесс в идеале должен моделировать процесс научного исследования поиска новых знаний Исследовательская деятельность учащихся является формой образовательного процесса...
55994. Ось і школа, ось і клас. Він давно чекає нас 272 KB
  Органайзер Добрий день діти Продзвенів і стих дзвінок. У ньому діти отримують знання навчаються писати читати рахувати. Гра Склади портфель Діти Мальвіна хоче перевірити чи зможете ви зібрати портфель до школи. Діти заучують правило.
55995. Реалізація проекту «Школа Віри в себе» 1.18 MB
  Вони дозволять вже у молодшому шкільному віці через комфортно побудоване навчання сформувати здібності особистості до самовдосконалення саморозвитку самопізнання. Педагоги отримають відповідь як зробити щоб кожна дитина вірила в свої сили викладалась на повну силу своїх інтелектуальних можливостей та виросла впевненою в собі людиною поступово за час навчання в Школі віри в себе набувала вміння вчитись вірячи у власні сили та впевнено набуваючи загальнолюдські уміння та навички. Реалізація проекту Школа Віри в себе...
55996. СУЧАСНА ШКОЛА – ТЕРИТОРІЯ ЗДОРОВ‘Я 529 KB
  Колектив школи намагається працювати за моделлю здоров’язберігаючого середовища найбільш значимими компонентами якої є: створення комфортних умов навчання і виховання та використання оздоровчих методик які...