Порядок выполнения компьютерной лабораторной работы

Порядок выполнения компьютерной лабораторной работы № 1
Задание 1
Цель задания 1: снять вольт-амперную характеристику фотоэлемента.
Вольт-амперная характеристика – это зависимость силы тока i, текущего
через фотоэлемент от напряжения U между анодом и фотокатодом.
На рис. 2 приведена копия экрана компьютера с загруженной
лабораторной работой «Фотоэффект».
Рис. 2
На рис. 3 изображён примерный вид вольт-амперной характеристики
фотоэлемента, на которой помечены цифрами особые точки: 1, 2 и 3. На
промежутке от точки 1 до точки 2 сила фототока iнас не изменяется, здесь
фотоэлемент находится в режиме тока насыщения. Напряжение Uнас,
соответствующее точке 2, называется напряжением насыщения. В точке 3
фототок i становится равным нулю. Напряжение Uзадерж, соответствующее
этой точке, называется задерживающим напряжением.
Рис. 3
Ниже приведена табл. 1 для снятия вольт-амперной характеристики.
Значения частоты
преподавателем.
света

и
его
интенсивности
I
задаются
Частоту в данной работе удобно измерять в терагерцах (ТГц),
1ТГц = 1012Гц . Интенсивность света в настоящей работе можно изменять от
50 до 500 мВт/м2, частоту – от 300 до 3 000 ТГц.
Таблица 1
Порядок выполнения задания 1
1. Заготовьте таблицу измерений (см. табл. 1) и запишите в неё заданные
вам преподавателем значения частоты света  и его интенсивности I.
2. Включите источник света, нажав мышкой кнопку «включено» (см.
рис. 2).
3. В окошке «позиция движка» (см. рис. 2) наберите число 1040, при
этом движок реостата передвинется вправо, а вольтметр покажет напряжение
5 В. Запишите значения напряжения U и силы тока i в первый столбец
таблицы.
4. Подведите курсор мыши к окошку «позиция движка», нажмите на
стрелку, направленную вниз, и уменьшайте напряжение U, пока не дойдёте
до точки 2 вольт-амперной характеристики (после точки 2 фототок начинает
уменьшаться). Запишите во второй столбец таблицы значения напряжения и
тока, определяющие точку 2 вольт-амперной характеристики (см. рис. 3).
5. Уменьшая напряжение, определите то его значение, при котором
фототок i впервые обращается в ноль (Uзадерж, точка 3 на вольт-амперной
характеристике, см. рис. 3). Запишите эти значения напряжения U и силы
тока i в третий столбец таблицы.
6. Интервал напряжений от Uзадерж до Uнас разделите на несколько
примерно равных частей, определите координаты U-i промежуточных точек
между точками 3 и 2 (см. рис. 3). Запишите их значения в следующие
столбцы таблицы.
7. По данным табл. 1 постройте в достаточно крупном масштабе вольтамперную характеристику фотоэлемента.
Задание 2
Цель задания 2: исследовать зависимость фототока насыщения i нас от
параметров излучения:
а) интенсивности I падающего света (задание 2а);
б) частоты  света (задание 2б ).
Порядок выполнения задания 2а
1. Переведите экспериментальную установку в режим тока насыщения.
Для этого, ориентируясь по вольт-амперной характеристике, установите
напряжение U больше, чем Uнас.
2. При частоте света  , установленной в задании 1, изучите зависимость
фототока насыщения i нас от интенсивности падающего света I. Результаты
своего исследования занесите в табл. 2:
Таблица 2
 =......ТГц
I, мВт/м2
iнас., мкА
3. По данным табл. 2 постройте в достаточно крупном масштабе график
зависимости фототока насыщения от интенсивности света iнас(I).
Основываясь на виде графика, сделайте вывод о характере полученной
зависимости.
Порядок выполнения задания 2б
1. При интенсивности света I, установленной в задании 1, изучите
зависимость фототока насыщения i нас от частоты падающего света  .
Результаты своего исследования занесите в табл. 3.
Таблица 3
2. Основываясь на результатах, записанных в таблице 3, сделайте вывод
о характере полученной зависимости.
Задание 3
Цель задания 3: исследовать зависимость задерживающего напряжения
Uзадерж от параметров излучения:
а) интенсивности I падающего света I (задание 3а);
б) частоты  света ( задание 3б).
Определить следующие величины: постоянную М. Планка h, красную
границу фотоэффекта  кр. , работу выхода электрона из металла А.
Порядок выполнения задания 3а
1. Установите исходные значения интенсивности света I, частоты 
такие же, как в задании 1.
2. Уменьшая напряжение, определите то его значение, при котором
фототок i впервые обращается в ноль (Uзадерж, точка 3 на вольт-амперной
характеристике, см. рис. 3). Величину Uзадерж запишите в табл. 4.
3. При постоянной частоте света  изучите зависимость
задерживающего напряжения Uзадерж от интенсивности падающего света I.
Результаты своего исследования занесите в табл. 4.
Таблица 4
4. Основываясь на результатах, записанных в табл. 4, сделайте вывод о
характере полученной зависимости.
5. Используя найденное значение Uзадерж, определите максимальную
скорость электрона vm из условия:
2
e U задерж = mvm
2.
Порядок выполнения задания 3б
1. Установите исходные значения интенсивности света I, частоты 
такие же, как в задании 1, и запишите их в табл. 5.
2. Изменяя напряжение, определите то его значение, при котором
фототок i впервые обращается в ноль Uзадерж. Величину Uзадерж запишите в
таблицу.
Таблица 5
3. Изменяя частоту  , уменьшая её и увеличивая от исходного
значения, определяйте для каждой частоты задерживающее напряжение
Uзадерж, результаты записывайте в табл. 5.
4. По данным табл. 5 постройте в достаточно крупном масштабе график
зависимости Uзадерж – модуля задерживающего напряжения от частоты света.
Основываясь на виде графика, сделайте вывод о характере полученной
зависимости.
5. Сравните ваш экспериментальный график зависимости Uзадерж() с
теоретической зависимостью, которая следует из уравнения Эйнштейна для
фотоэффекта и определите следующие величины: постоянную М. Планка h,
красную границу фотоэффекта  кр. , работу выхода электрона из металла А.
Методика обработки результатов измерений изложена ниже.
Обработка результатов измерений
«Экспериментальную» зависимость Uзадерж() нужно сравнить с
теоретической зависимостью Uзадерж(), которую получим из уравнения
Эйнштейна (2). С учетом того, что m2/2 = eUзадерж
eUзадерж + А = h,
где eUзадерж – работа сил электрического поля;
e – элементарный заряд.
Отсюда
U задерж =
h
A
 .
e
e
Видно, что теоретическая зависимость Uзадерж() линейна. Тангенс угла
наклона этой прямой к оси абсцисс равен h/e. Из «экспериментальной»
прямой (рис. 4):
tg =
 U задерж

.
Тогда постоянная Планка равна:
 U задерж
h = e  tg = e
.

Рис. 4
(11)
Заметим, что в формулу (11) Uзадерж надо подставлять в вольтах, а 
– в герцах.
Измерив отрезок, отсекаемый этой прямой на оси абсцисс, найдём  кр. –
красную границу фотоэффекта. Из (5) работа выхода электронов из металла
равна:
A = h   кр. .
Работу выхода обычно измеряют в электрон-вольтах (1эВ = 1,6
19
Дж), значит:
A, эВ =
A, Дж
1,6  1019
10-
.
Другой способ определения A состоит в том, чтобы продолжить график
зависимости Uзадерж() до пересечения с осью ординат. Ордината точки
пересечения, как видно из рис. 4, равна A/e. Численно эта величина равна
работе выхода, измеренной в электрон-вольтах.
Полезно определить работу выхода двумя способами и найти
A1  A 2
2
– среднее арифметическое этих величин .
A =
Если считать, что A1  A 2 – модуль разности, характеризующий
абсолютную погрешность, то относительную погрешность  можно оценить
следующим образом:
=
A1  A 2
A
.
Используя табл. 6, определите материал катода.
Таблица 6
Металл
Cs
Na
Zn
W
Работа выхода, эВ
1,9
2,5
3,3
4,5
В табл. 6 работа выхода указана не в джоулях, а в электрон-вольтах, 1 эВ
= 1,6  10–19 Дж.
Сравните «экспериментальное» и теоретическое значения постоянной
Планка и сделайте, в соответствии с целью задания, вывод по заданию 3.