Лабораторные работы: №5, №6, №7, №8.

ПОЛНОЕ ЗАДАНИЕ В ДЕМО ФАЙЛЕ

+ ДЛЯ ПОИСКА ДУБЛИРУЮ НИЖЕ

1

Лабораторная работа № 5

ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ С ПОМОЩЬЮ

МОСТИКА УИТСТОНА

Цель работы: изучить принцип действия мостика Уитстона.

Приборы и принадлежности: три магазина сопротивлений, набор

неизвестных сопротивлений, источник постоянного тока.

Мостик Уитстона представляет собой два параллельно соединенных

потенциометра. В одну диагональ мостика включается гальванометр, в

другую – источник тока (рис. 5.1).

Изменяя сопротивление плеч моста,

можно получить равновесное состояние

моста, то есть равенство потенциалов точек

D и В.

Мостик Уитстона можно использовать

для определения неизвестного

сопротивления, включенного в одно из плеч

моста. В основе расчета лежат правила

Кирхгофа.

Первое правило Кирхгофа

сформулировано для токов, сходящихся в

узле разветвлённой цепи: алгебраическая

сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю:





n

i 1

i I 0 .

Второе правило формулируется для замкнутого контура, состоящего из

последовательно соединенных элементов. В любом замкнутом контуре,

произвольно выбранном в разветвленной электрической цепи,

алгебраическая сумма произведений сил токов Ii на сопротивления Ri,

соответствующих участков этого контура равна алгебраической сумме

электродвижущих сил εk, встречающихся в этом контуре:

 

 



m

k 1

k

n

i 1

i i I R  .

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

Метод мостовой схемы (мостик Уитстона) для определения

сопротивлений очень точный. Рассмотрим принцип действия мостика

Уитстона.

Измеряемое сопротивление и три других переменных сопротивления

соединяются так, что образуют замкнутый четырехугольник АВСD. В одну

Рис. 5.1

Г

2

диагональ четырехугольника включен гальванометр Г, в другую – источник

постоянного тока  с внутренним сопротивлением r и ключ K.

По первому правилу Кирхгофа для узлов А, В, и D:

I I I 0.

I I I 0,

I I I 0,

2 x

1 0

1 2

Г

Г

  

  

  

(5.1)

Уравнение для узла С не даёт ничего нового, в него войдут те же

величины.

По второму правилу Кирхгофа для контуров ABCMNA, ABDА и ВСDВ

при обходе контуров по часовой стрелке, получим уравнения:

I R I R I R 0,

I R I R I R 0,

I R I R Ir ,

X X Г Г

Г Г

0 0

1 1 2 2

1 1 0 0

  

  

  

(5.2)

где 1 1 0 0 2 2 I R , I R , I R , I R X X – падения напряжения на соответствующих

участках цепи.

Всегда можно подобрать переменные сопротивления 0 1 2 R , R и R

такими, чтобы потенциалы точек B и D были равны: В D   . Такое

положение называют равновесием моста. Ток через гальванометр при этом

не идет.

Тогда:

I R I R 0.

I R I R 0,

0 0 X X

1 1 2 2

 

 

(5.3)

Из выражений (5.1) и (5.3) получим:

I I ; I I ; I R I R ; I R I R . 1 0 2 x 1 1 2 2 0 0 x x     (5.4)

Отсюда: .

R

R

R R

1

2

X 0  (5.5)

Мостик Уитстона собран на

стенде (рис. 4.18) и содержит:

1 2 0 R ,R ,R – магазины

сопротивлений; XI R и XII R –

неизвестные сопротивления,

которые нужно измерить;

A – микроамперметр;

б1 T – положение переключателя

тока для точной настройки

микроамперметра на нуль; б 2 T –

положение тумблера для грубой настройки; П – переключатель неизвестных

сопротивлений; I, II – положения переключателя, соответствующие

включению в цепь XI R и XII R ; III – положение переключателя,

соответствующие включению в цепь XI R и XII R последовательно;

R1 R0

R2

RXI

I RXII

II

IV

III

П

A

вкл

Тб0 ~

Тб1

Тб2

выкл

Рис. 5.2

3

1У – положение переключателя, соответствующие включению в цепь XI R и

XII R параллельно, 0 Tб – тумблер включения в сеть.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Все величины, полученные в результате измерений и вычислений,

вносятся в протокол измерений и вычислений в соответствии с

порядком выполнения работы и формой протокола.

Задание. Измерить с помощью мостовой схемы неизвестное

сопротивление.

Все величины, полученные в результате измерений и вычислений,

внесите в протокол измерений в соответствии с порядком выполнения

работы и формой протокола.

1) Тумблером 0 Tб включить установку (рис. 5.2).

2) С помощью 2 Tб включить в цепь микроамперметр А (грубая

настройка). Переключатель П поставить в положение I.

3) Изменяя 1 2 0 R ,R ,R , при положении 2 Tб добиться, чтобы стрелка на

микроамперметре встала на «0». Затем перевести тумблер в положение 1 Тб ,

соответствующее включению в цепь микроамперметра А для точной

настройки, и опять, изменяя 1 2 0 R ,R ,R , установить стрелку А на «0».

Полученные при этом значения 1 2 0 R ,R ,R занести в таблицу измерений.

Данные измерения повторить ещё два раза для других значений 1 2 0 R ,R ,R .

4) По измеренным значениям 1 2 0 R ,R ,R определить три значения XI R по

формуле (5.5) и вычислить их среднее арифметическое значение.

5) Перевести переключатель П в положение II для измерения

сопротивления X 2 R и повторить измерения и вычисления (см. пп. 3, 4).

6) Перевести переключатель П в положение III для измерения общего

сопротивления последовательно соединенных XI R и XII R . Повторить

измерения и вычисления по п. 3 – 4.

7) Перевести переключатель П в положение 1У для измерения общего

сопротивления параллельно соединенных XI R и XII R . Провести измерения и

вычисления по пп. 3, 4. Данные всех измерений и расчетов занести в таблицу

измерений.

8) Сравнить экспериментальные данные измерений III, IV с

теоретическими, вычисленными по формулам:

.

R R

R R

R

R R R ,

ср.I ср.II

ср.I ср.II

пар

посл ср.I ср.II







 

где ср.I R и ср.I R – средние значения сопротивлений.

9) Сделать выводы.

4

ПРОТОКОЛ ИЗМЕРЕНИЙ И ВЫЧИСЛЕНИЙ

Номер

положения П

Номер

измерения

1 R ,

Ом

2 R ,

Ом

0 R ,

Ом

X R ,

Ом

ср R ,

Ом

1

I 2

3

1

II 2

3

1

III 2

3

1

IV 2

3

Экспериментальные расчеты:

Положение переключателя I Положение переключателя II

Rx1 = Rx1 =

Rx2 = Rx2 =

Rx3 = Rx3 =

Среднее значение сопротивления Среднее значение сопротивления

Rср.I = Rср.II =

Положение переключателя III Положение переключателя IV

Rx1 = Rx1 =

Rx2 = Rx2 =

Rx3 = Rx3 =

Среднее значение сопротивления Среднее значение сопротивления

Rср.III = Rср.IV =

Теоретические расчеты:

Rпосл = Rпарал =

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется электрическим током? Что называется силой тока?

2. Какой ток называется постоянным?

3. Как записать закон Ома для участка цепи? Как записать закон Ома

для замкнутой цепи?

4. Что называется падением напряжения на участке цепи? Что

называется электродвижущей силой источника?

5. Как записать правила Кирхгофа?

5

Лабораторная работа № 6

ИЗУЧЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ СОЛЕНОИДА

Цель работы: изучить зависимость индукции магнитного поля на оси

соленоида от силы тока; исследовать распределение магнитного поля вдоль

оси соленоида.

Приборы и принадлежности: кассета ФПЭ-04, источник питания,

вольтметр универсальный В7-40/4, соединительные провода.

Соленоидом называется цилиндрическая катушка, состоящая из

большого числа витков проволоки, образующих винтовую линию.

Магнитное поле соленоида есть результат сложения полей, создаваемых

круговыми токами в витках, имеющих общую ось. Напряженность поля

велика внутри соленоида и мала вне его.

Графическое изображение магнитного поля соленоида дано на рис. 6.1.

Видно, что поле длинного соленоида (рис. 6.1, б) практически

сконцентрировано внутри соленоида и является однородным, то есть B  const



,

а поле короткого соленоида (рис. 6.2, а) изменяется вдоль оси и рассеивается в

пространстве.

Индукция поля длинного соленоида определяется по формуле:

B nI 0   , (6.1)

где 0  = 410 -7 Гн/м – магнитная постоянная; n – число витков на единицу

длины, 1/м; I – сила тока соленоида, А.

Для короткого соленоида магнитная индукция ( B ) выражается

формулой: cos cos ,

2

nI

B 1 2

0  



  (6.2)

где 1 2  , – углы, под

которыми из точки А видны

концы соленоида (рис. 6.2).

Существуют различные

методы определения

индукции магнитного поля. В

нашей работе для

исследования магнитного

поля используется датчик

а) Рис. 6.1 б)

........................

+ + + ........................ + + +

O1 O2

A

2

1

Рис. 6.2

6

Рис. 6.3

Холла. Датчик Холла – это магнитоэлектрический полупроводниковый

прибор, основанный на использовании эффекта Холла в полупроводниках.

Преимущества датчика Холла для измерения магнитной индукции:

линейная зависимость ЭДС Холла от магнитной индукции В в полях до

1 Тл; отсутствие подвижных деталей; безинерционность; малые размеры

датчика, что позволяет производить измерение магнитной индукции в узких

зазорах.

Недостатками схем с датчиками Холла являются невысокая

чувствительность и довольно высокая погрешность.

Рассмотрим эффект Холла. Если

полупроводниковый образец в виде

параллелепипеда поместить в

магнитное поле (рис. 6.3) так, чтобы

индукция поля (B 

) была

перпендикулярна направлению

движения зарядов, образующих

электрический ток, то в

полупроводнике возникнут

поперечное электрическое поле (E 

) и

соответственная разность

потенциалов (ЭДС) Холла ( X U ). Это

явление называется эффектом Холла. Возникновение ЭДС Холла связано с

действием силы Лоренца со стороны магнитного поля на заряженные

частицы. Заряды разного знака отклоняются к противоположным стенкам

образца, создавая разность потенциалов между ними (рис. 6.3, контакты

3 – 4). Зависимость Ux от B линейная.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

Поскольку магнитная индукция В пропорциональна току в соленоиде, то

холловская разность потенциалов Ux пропорциональна току в соленоиде.

Изменяя ток Is соленоида, можно найти зависимость ЭДС Холла от значения

индукции магнитного поля, то есть тарировать датчик Холла. На основании

полученной тарировки, перемещая датчик относительно центра соленоида,

можно исследовать изменение вектора индукции вдоль оси соленоида.

Экспериментальная установка состоит (рис. 6.4) из источника

питания – 1; кассеты – 2; микровольтметра – 3.

7

На рис. 6.5 изображена

кассета установки ФПЭ-04. Она

состоит из корпуса 1, датчика

Холла 2, соленоида 3,

выдвижного штока 4. Датчик

Холла находится в торце штока и

перемещается вместе с ним.

Установка предназначена для

исследования распределения

магнитной индукции вдоль оси

соленоида с помощью датчика

Холла.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Все величины, полученные в результате измерений и вычислений,

вносятся в протокол измерений и вычислений в соответствии с

порядком выполнения работы и формой протокола.

Задание 1. Произвести тарировку датчика Холла.

1) Включить установку, установить с помощью выдвижного штока 4

(см. рис. 6.5) датчик Холла в центре соленоида, определить по

микровольтметру значения ЭДС Холла для различных токов от 0,1 до 1 А.

Ток изменяется с помощью ручки, расположенной на панели источника

питания.

2) По формуле (6.1) вычислить значение магнитной индукции В для

каждого значения тока. Все результаты занести в табл. 1 измерений.

3) По результатам измерений построить в протоколе график

зависимости ЭДС Холла от индукции магнитного поля: U U B X X  .

Задание 2. Исследовать распределение магнитного поля вдоль оси

соленоида.

1) Установить ток в соленоиде I = 1 А.

Рис. 6.5

Рис. 6.4

8

2) Перемещая датчик Холла на расстояния x = 0, 1, 2, ... см,

относительно центра катушки, измерить ЭДС Холла.

3) По графику U B X по измеренным значениям ЭДС Холла определить

значения индукции магнитного поля для каждого положения датчика

относительно центра соленоида. Результаты занести табл. 2 измерений.

4) По результатам измерений построить в протоколе график

зависимости B  B( x ) .

5) Сделать выводы.

ПРОТОКОЛ ИЗМЕРЕНИЙ И ВЫЧИСЛЕНИЙ

Результаты измерений

Табл. 1 – Тарировка датчика Холла

Табл. 2 – Исследование магнитного поля вдоль оси соленоида

Номер

измерения

x, м Ux, В B, Тл

1 0,00

2 0,01

… … … …

10 0,09

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. В чём заключается физический смысл магнитной индукции В⃗⃗ ?

2. Как изобразить графически поле длинного соленоида? Поле

короткого соленоида?

3. По какой формуле определяется значение индукции на оси длинного

соленоида? На оси короткого соленоида?

4. В чём заключается эффект Холла?

5. Для чего нужна тарировка датчика Холла?

Магнитная постоянная: μ0 = 410-7 Гн/м.

Число витков на единицу длины: n = 2500 м-1.

Номер

измерения c I , А Ux, В B, Тл

1 0,1

2 0,2

… … … …

10 1

9

Лабораторная работа № 7

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ДИФРАКЦИИ НА ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКЕ

Цель работы: изучить явление дифракции света и при помощи дифракционной решетки, определить длину световой волны.

Приборы и принадлежности: дифракционная решетка, щель, осветитель, экран, линейка.

Явление дифракции света заключается в отклонении световых волн от прямолинейного пути, например, при огибании светом малых препятствий в оптически неоднородной среде.

По принципу Гюйгенса-Френеля интенсивность результирующей волны есть результат интерференции вторичных волн.

Рассмотрим дифракцию света при прохождении через дифракционную решетку. Простейшая дифракционная решетка представляет собой прозрачную пластинку, на которую нанесены параллельные друг другу царапины и оставлены узкие неповрежденные полоски между ними, то есть дифракционная решетка – это система одинаковых препятствий (штрихов) (рис. 7.1).

Сумма размеров прозрачной b и непрозрачной a полос называется периодом, или постоянной решетки d (рис. 7.1): d = a + b.

Период дифракционной решетки также определяет количество штрихов решетки приходящихся на единицу ее длины.

Свет, проходя через узкие щели решетки, испытывает дифракцию, то есть отклоняется от первоначального направления. Дифрагирующие лучи от отдельных щелей накладываются друг на друга в фокальной плоскости линзы и интерферируют между собой. Если число щелей равно N, то интерферируют между собой N пучков. Тогда интенсивность пучка может изменяться от нуля до максимальной величины, пропорциональной N2.

b

a

m = 0

m = +1

m = -1



DP

Л

Э

2

1



Рис. 7.1

10

Пусть свет с длиной волны  падает на решетку DP нормально

(рис. 7.1). За щелями в результате дифракции лучи будут распространяться

по различным направлениям. Рассмотрим лучи, составляющие угол φ с

нормалью к решетке.

Разность хода между лучами 1 и 2 равна:

Δ = (a+b)·sin φ.

Этой разности хода соответствует разность фаз: 2 .





  

Если  = , то  = 2 , то есть лучи 1 и 2 приходят в одинаковых фазах

и усиливают друг друга. Условие образования максимумов в этом случае

имеет вид:

Δ = d·sin φ = m·, (7.1)

где m 0,1,2,....

Это условие определяет положение главных максимумов. Из условия

следует, что при m = 0, sin  = 0. На экране получается дифракционный

максимум, называемый нулевым.

Положение минимумов определяется условием:

2

bsin 2m



  ,m  1,2,...., причем эти минимумы получаются там же, где

были бы минимумы от одной щели.

Добавочные минимумы определяются соотношением:

N

dsin m



  ,

m = +1, +2…

Между двумя главными максимумами располагается (N – 1) добавочных

минимумов, разделенных вторичными максимумами (рис. 7.2).

При m  1 по обе стороны от нулевого максимума возникают

максимумы первого порядка, при m = 2 – второго порядка и так далее. При

освещении дифракционной решетки белым светом на экране вместо светлых

полос будут видны спектры, разделенные темными промежутками. Каждый

спектр обращен к нулевому максимуму фиолетовым концом. Интенсивность

максимумов постепенно убывает.

11

Число дифракционных спектров ограничивается условием:

1.

d

sin m 



 

Чем больше период решетки d, тем больше число спектров можно

наблюдать, но тем менее яркими и более узкими становятся отдельные

спектральные линии.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

Осветитель ЭЛ, дифракционная решетка DP и экран Э находятся на

одной прямой, причем расстояние между ними измеряется линейкой, вдоль

которой они укреплены (рис. 7.3).

В стенке непрозрачного корпуса осветителя прорезана прямоугольная

щель. Щель освещается электрической лампочкой. Если смотреть на

освещенную монохроматическим светом щель через дифракционную

решетку, то, кроме центрального изображения щели, на экране по бокам

видны симметричные боковые её изображения. Экраном является

одновременно шкала с делениями, укрепленная под щелью S.

m=-1 m=1 m=2 sin 

Y

m=-2 m=0

Рис. 7.2

12

Каждое боковое дифракционное изображение смещено в сторону на

величину x. На рис. 7.3 показаны лучи, образующие изображение щели.

Очевидно, tg  x / у, где у – расстояние от щели до решетки.

Так как угол φ мал, то tg  sin, откуда sin  x / у . По условию

главных максимумов:

m ,

у

x

d   откуда

mу

dx

  (7.2)

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Все величины, полученные в результате измерений и вычислений,

вносятся в протокол измерений и вычислений в соответствии с

порядком выполнения работы и формой протокола.

Задание. Определить длину световой волны красной, зеленой и

фиолетовой линии спектров различных порядков.

1) Включить осветитель в сеть переменного тока.

2) Установите экран на таком расстоянии от дифракционной решетки,

чтобы на нем получилось четкое изображение центральной полосы и

спектров первого и второго порядков.

3) Измерить расстояние y от экрана до дифракционной решетки и

занесите результат в протокол.

4) Измерить на экране расстояние между серединами одноцветных

красных, зеленых и фиолетовых полос спектров первого порядка: хкр, хз , хф

слева и справа от центра. Тогда

2

x

x



 .

5) Повторить измерения для спектров второго порядка.

6) Вычислить длину волны красной, зеленой и фиолетовой линии

спектров первого и второго порядков по формуле (7.2).

7) Все результаты наблюдений сравнить со стандартными длинами волн

видимого света.

DP

x

m=1

y



ЭЛ

Э

m=-1

m=-2

m=2



S

Риc. 7.3

13

ПРОТОКОЛ ИЗМЕРЕНИЙ И ВЫЧИСЛЕНИЙ

Шкала световых волн

Цвет спектра

Интервал длин волн,

(×10-6) м

Интервал частот,

(×1014) Гц

Красный

Оранжевый

Желтый

Зеленый

Голубой

Синий

Фиолетовый

0,76 – 0,62

0,62 – 0,58

0,58 – 0,56

0,56 – 0,51

0,51 – 0,48

0,48 – 0,45

0,45 – 0,40

3,9 – 4,8

4,8 – 5,2

5,2 – 5,4

5,4 – 5,9

5,9 – 6,3

6,3 – 6,7

6,7 – 7,5

Результаты измерений и вычислений

m

y, м

xф, м

xз, м

xкр, м

λф, м

λз, м

λкр, м

1

2

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какое явление называется дифракцией света?

2. В чем заключается принцип Гюйгенса-Френеля?

3. Какие виды дифракции вам известны?

4. Что называется дифракционной решеткой?

5. Запишите условие максимума дифракции на решетке?

14

Лабораторная работа № 8

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ФОТОЭФФЕКТА

Цель работы: изучить законы фотоэффекта

Приборы и принадлежности: установка для изучения фотоэффекта,

набор светофильтров, люксметр.

Фотоэффектом называется явление выбивания электронов из металлов

светом. Закономерности фотоэффекта, экспериментально открытые

А.Г. Столетовым, можно сформулировать в виде трех положений:

1) фототок насыщения прямо пропорционален освещенности

фотокатода;

2) максимальная энергия фотоэлектронов не зависит от освещенности

фотокатода и линейно зависит от частоты падающего света;

3) существует «красная» граница фотоэффекта, то есть минимальная

частота ( min  ), при которой фотоэффект прекращается.

Объяснить законы фотоэффекта удалось на основе квантовых

представлений о природе света. Энергия света излучается и поглощается

порциями (квантами). Энергия кванта прямо пропорциональна частоте ( )

электромагнитной волны

  h . (8.1)

Здесь h =6,63·10–34 Дж·c – постоянная Планка. Частицу, энергия которой

выражается формулой (8.1), называют фотоном. Электрон, поглотив фотон,

выходит из металла. На удаление электрона расходуется энергия ( A ),

называемая работой выхода. Работа выхода равна энергии, которую

необходимо сообщить электрону, чтобы удалить его с поверхности металла

(жидкости) в вакуум. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта представляет

собой закон сохранения энергии:

,

2

mv

hν A

2

  (8.2)

где

2

mv 2

– максимальная кинетическая энергия электрона.

Фототок прекращается, если кинетическая энергия вылетающих

электронов обращается в нуль. Из формулы (8.2) в этом случае определяется

красная граница фотоэффекта:

h

A

min   .

Как правило, электрон поглощает один фотон (многофотонные

процессы маловероятны). Поэтому в уравнение (8.2) не входит число

падающих фотонов (освещенность фотокатода). Следовательно,

максимальная энергия вылетающих электронов зависит только от частоты и

не зависит от освещенности: hν A

2

mv2

  .

Фототок насыщения определяется максимальным числом выбитых

электронов, которое прямо пропорционально числу падающих фотонов.

15

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

Законы фотоэффекта можно получить при анализе вольт-амперной

характеристики (ВАХ) фотоэлемента.

В установке для снятия ВАХ (рис. 8.1) напряжение на фотоэлемент ФЭ

подаётся через потенциометр R от источника питания  . Напряжение и ток

в цепи фотоэлемента измеряются соответственно вольтметром V и

микроамперметром A; 1 R и 2 R – нагрузочные сопротивления.

Если на анод A подать положительный потенциал, а на катод K –

отрицательный, как показано на рис. 8.1, то с увеличением напряжения

фототок возрастает. При нулевом напряжении на фотоэлементе часть

выбиваемых электронов достигает анода, образуя электрический ток 0 I .

Для его прекращения необходимо подать на анод фотоэлемента

отрицательное напряжение з U , называемое напряжением задержки. Зная з U ,

можно определить максимальную энергию фотоэлектронов:

з

2

eU

2

mv

 (8.3)

где к

2

E

2

mv

 – максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона, Дж;

з eU – работа электростатического поля над электроном, Дж;

е = 1,6·10 –19 Кл – модуль заряда электрона.

При увеличении напряжения на аноде сила тока возрастает до н I  I ,

называемого током насыщения. Насыщение тока происходит тогда, когда все

выбитые электроны достигают анода.

Мостовая схема включения фотоэлемента (см. рис. 8.1) позволяет

менять полярность напряжения, не переключая источник тока.

На рис. 8.2 изображены две ВАХ, снятые при различных освещенностях

фотокатода 2  и 1  . Поскольку начинаются они в одной и той же точке, то

Рис. 8.1

Схема установки для исследования ВАХ

R2

R1

R μA

V

ФЭ

K А

16

з U и, следовательно, кинетическая энергия электронов не зависит от

освещенности.

Изучить зависимость энергии фотоэлектронов от частоты можно,

помещая на пути светового пучка различные светофильтры. На рис. 8.3

изображена схема установки для изучения фотоэффекта.

Включение установки для изучения законов фотоэффекта (рис. 8.3)

осуществляется тумблером 1 и контролируется по индикатору 2. Напряжение

на фотоэлементе регулируется ручкой 3 и контролируется по вольтметру 4.

Лампа накаливания 5 является источником света, освещающим

фотоэлемент 6. Сила тока в цепи измеряется микроамперметром 7.

Освещенность фотоэлемента регулируется ручкой 8.

Рис. 8.2

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) фотоэлемента

UЗ

I

U

Ф2

Ф1

Рис. 8.3

Схема установки для изучения законов фотоэффекта

1

5 6

3

2

4

V

7

8

Л ФЭ

Тб

17

Рис. 8.5

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Все величины, полученные в результате измерений и вычислений,

вносятся в протокол измерений и вычислений в соответствии с

порядком выполнения работы и формой протокола.

Задание 1. Снять вольт-амперную характеристику фотоэлемента.

1) Установить какую-либо освещенность фотоэлемента ручкой 8

(рис. 8.3).

2) Изменяя напряжение ручкой 3, установить нулевой ток.

3) Увеличивая напряжение, пройти интервал токов от нуля до

максимального значения на микроамперметре. Результаты измерений

занести в табл. 1 результатов измерений.

4) По результатам измерений в протоколе построить ВАХ фотоэлемента

(см. рис. 8.2).

Задание 2. Исследовать зависимость фототока от освещенности и

проверить независимость максимальной энергии фотоэлектронов от

освещенности.

1) Установить максимальную освещенность фотоэлемента и подобрать

напряжение так, чтобы сила тока находилась в пределах шкалы амперметра.

2) Измерить освещенность ( ) с

помощью люксметра и силу тока ( I )

микроамперметром.

3) Уменьшая освещенность,

повторить измерения  и I 5 – 7 раз.

Результаты измерений занести в табл. 2

результатов измерений.

4) По данным табл. 2 измерений

построить в протоколе график

I  f (Ф) зависимости силы тока от

освещенности (см. рис. 8.4).

5) Установить светофильтр

перед фотоэлементом (по заданию

преподавателя).

6) При нулевом напряжении

установить максимальную

освещенность фотоэлемента.

Измерить силу тока ( I ) при

напряжении U  0 .

7) Изменяя напряжение в

область отрицательных значений,

измерить напряжение ( з U ),

Ф

I

  constРис. 8.4

18

соответствующее значению силы тока: I  0 .

8) Измеренные значения освещенности, силы тока ( I ), напряжения (U )

занести в табл. 3 результатов измерений.

9) Повторить измерения (по пунктам 6 – 7) для меньших значений

освещенности.

10) Постройть в протоколе график зависимости I  f (U ) силы тока от

напряжения при различных освещенностях Ф (см. рис. 8.5).

11) Сделать выводы.

ПРОТОКОЛ ИЗМЕРЕНИЙ И ВЫЧИСЛЕНИЙ

Заряд электрона: е = 1,6·10-19 Кл.

Масса электрона: me=9,1·10-31 кг.

Постоянная Планка: h =6,63·10-34 Дж·c.

Скорость света в вакууме: с = 3·108 м/с.

Шкала световых волн:

Цвет светофильтра

Интервал длин волн,

(×10-6) м

Интервал частот,

(×1014) Гц

Красный

Оранжевый

Желтый

Зеленый

Голубой

Синий

Фиолетовый

0,76 – 0,62

0,62 – 0,58

0,58 – 0,56

0,56 – 0,51

0,51 – 0,48

0,48 – 0,45

0,45 – 0,40

3,9 – 4,8

4,8 – 5,2

5,2 – 5,4

5,4 – 5,9

5,9 – 6,3

6,3 – 6,7

6,7 – 7,5

Результаты измерений и вычислений

Табл. 1 – Вольт-амперная характеристика (ВАХ) при   const (рис. 8.3)

Номер измерений U, В I , мкА

1

2

3

4

5

Табл. 2 – Зависимость силы тока от освещенности при U  const (рис. 8.4)

Номер измерений Ф, лК I , мкА

1

2

3

4

5

19

Табл. 3 – Независимость максимальной энергии от освещенности

(рис. 8.5)

Номер измерения  , лК

I , мкА

(при U  0 )

U , з В

1

2

3

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое фотоэффект? Каковы законы фотоэффекта?

2. Какие из законов фотоэффекта не в состоянии объяснить волновая

теория света и почему?

3. Что называется напряжением задержки? Какую характеристику

электрона определяет это напряжение?

4. Как записать уравнение Эйнштейна для фотоэффекта? В чем

заключается его физический смысл?

5. От каких величин зависит фототок насыщения и скорость выбитых

электронов?