Подготовка к заданию

Запустите программу «Открытая физика», в содержании найдите раздел «Квантовая физика», а затем виртуальную модель «Фотоэффект». Модель является компьютерным экспериментом по исследованию закономерностей внешнего фотоэффекта. Окно модели «Фотоэффект» представлено на рис. 2.7. Рассмотрим детально информационные поля этой компьютерной модели, их шесть.

Рис. 2.7. Окно виртуальной модели «Фотоэффект»

На верхнем левом информационном поле изображена схема установки для изучения внешнего фотоэлемента. Световые лучи от источника излучения попадают на поверхность катода. Фотоэлектроны, перемещающиеся от катода к аноду, изображаются движущимися точками.

Левое среднее информационное поле содержит данные о численном значении длины волны падающего света l, нм. Движок на линейке прокрутки позволяет изменять цвет источника света, перемещаясь от одной спектральной области к другой. Изменение длины волны сопровождается изменением окраски световых лучей, падающих на входное окно фотоэлемента.

Левое нижнее информационное поле отражает численное значение мощности падающего излучения. В реальном физическом эксперименте для изменения мощности падающего излучения можно изменить расстояние между источником света и фотоэлементом. В рассматриваемой компьютерной модели мощность излучения изменяется от 0,0 до 1,0 мВт, используя движок линейки прокрутки мощности. Электрическая схема виртуальной установки для изучения внешнего фотоэффекта содержит амперметр, вольтметр, реостат и источник питания. В верхнем правом информационном поле расположена вольтамперная характеристика фотоэлемента (зависимость фототока I в трубке от разности потенциалов U между анодом и катодом), полученной при заданной мощности излучения, а также данные о численном значении энергии кванта hv, эВ и силе тока в цепи I, мА. Красной точкой на графике выделено текущее значение параметров виртуального эксперимента – сила тока в цепи I при разности потенциалов U.

Значение разности потенциалов и полярность на фотоэлементе отображается в нижнем правом информационном поле. Напряжение изменяется с помощью движка на линейке прокрутки от –3,0 В до +3,0 В. Обратите внимание, что при переходе от запирающего напряжения к прямому изменяется полярность источника питания, изображенного на верхнем левом рисунке.

Порядок выполнения задания 2.4

1. Установите длину волны падающего излучения l = 380 нм.

2. Установите мощность падающего излучения Р = 1 мВт, подайте на фотоэлемент прямое напряжение. Понаблюдайте, как зависит фототок от напряжения, результаты измерений занесите в табл. 2.3.

Таблица 2.3

l, нм	Р, мВт	U, В	I, мА
		0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0

3. Повторить п. 2 для значений Р = 0,7 мВт; Р = 0,3 мВт. Полученные результаты представить в виде продолжения табл. 2.3.

4. На листе миллиметровой бумаги построить семейство трех вольтамперных характеристик. Указать на графике значение мощности падающего излучения для каждой кривой.

5. Назвать особенности, которыми обладает каждая вольтамперная характеристика (наличие линейного и горизонтального участков).

6. Указать, как зависит от мощности падающего излучения положение участков насыщения (I_нас, мА) на вольтамперных характеристиках. Заполнить табл. 2.4.

Таблица 2.4

l,нм	№	Р, мВ	Iнас, мА
		1,0
	0,7
	0,3

7. Самостоятельно сформулировать закон Столетова, используя данные табл. 2.4.

Задание 2.5. Красная граница фотоэффекта.

Определение работы выхода А_вых электрона (виртуальная модель)

Порядок выполнения задания 2.5

1. Установить мощность падающего излучения Р = 1 мВ, пользуясь движком прокрутки мощности. Установите длину волны излучения l = 450 нм. Проанализировать вольт-амперную характеристику, представленную в компьютерной модели. Пользуясь движком прокрутки напряжения, снять вольт-амперную характеристику при запирающем напряжении и заполнить табл. 2.5 экспериментальных значений.

Таблица 2.5

l, нм	hv, эВ	U, В	I, мА
	3,11	0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9

2. Пользуясь таблицей, определить значение U_З для заданной длины волны излучения (U_З= –1,1 В).

3. Повторить п. 1 минимум для двух различных длин волн (500 нм, 550 нм).

4. Пользуясь табл. 2.3, найти U_З для каждой длины волны. Заполнить табл. 2.6.

Таблица2. 6

l, нм	UЗ, В	hv, эВ
	(1,1 В)

5. Построить график зависимости потенциала запирания U_З(В) от величины энергии фотона hv (эВ).

6. Определить по графику граничную частоту v₀, по расчетным формулам значение работы выхода А (эВ). Значение постоянной Планка h = 4,136·10 ^–15 эВ·с.

7. Сделать вывод о материале, из которого изготовлен катод.

стр. 665.

Контрольные вопросы к заданию 2.5

1. В чем заключается явление внешнего фотоэффекта?

2. Какова суть законов фотоэффекта?

3. Из каких участков состоит вольтамперная характеристика вакуумного фотоэлемента?

4. Как формулируется уравнение Эйнштейна для фотоэффекта?

5. Что называется работой выхода электрона из металла?

6. Что понимают под красной границей фотоэффекта?

7. Каким уравнением определяется частота света при красной границе фотоэффекта?

8. Что понимают под термином задерживающее напряжение?

9. От чего зависит величина задерживающего потенциала?

10. Как связаны между собой граничная длина волны l₀ и граничная частота v₀?

Дата добавления: 2015-06-04