Тема: «Исследование явления фотоэффекта»

Цель работы: с помощью компьютерной модели: «Фотоэффект» исследовать закономерности внешнего фотоэффекта: определить красную границу фотоэффекта и найти работу выхода материала фотокатода; измерить запирающий потенциал U _з для различных длин волн и определить постоянную Планка h.

Средства обучения:

· оборудование: CD «Физика 7-11 класс» − компьютерная модель: «Фотоэффект»;

· методические указания к выполнению лабораторной работы, калькулятор.

Ход выполнения лабораторной работы

Теоретическая часть

Фотоэффект – это вырывание электронов из вещества под действием света. Фотоэффект открыт Г. Герцем (1887 г.). Теория фотоэффекта развита А. Эйнштейном (1905 г.) на основе квантовых представлений.

Согласно квантовым представлениям, свет излучается и поглощается отдельными порциями (квантами), энергия E которых пропорциональна частоте ν: E = h ν, где h = 6,63·10^–34 Дж·с – постоянная Планка.

Чтобы вырвать электрон из вещества, нужно сообщить ему энергию, превышающую работу выхода A. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона определяется уравнением Эйнштейна: (1). Это уравнение объясняет основные законы фотоэффекта:

1. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от падающего светового потока.

Если между фотокатодом и анодом вакуумного фотоэлемента создать электрическое поле, тормозящее движение электронов к аноду, то при некотором значении задерживающего напряжения U _з анодный ток прекращается. Величина U _з определяется соотношением: (2),

где е= 1,6×10^-19 Кл –модуль заряда электрона.

2. Количество электронов, вырываемых с поверхности металла в секунду, прямо пропорционально мощности светового потока P.

Если частота света ν меньше некоторой определенной для данного вещества минимальной частоты ν_min, то фотоэффект не происходит (красная граница фотоэффекта): (3) или (4),

где с= 3×10⁸ м/с – скорость света в вакууме.

Внешний фотоэффект находит широкое практическое применение. Приборы, действие которых основано на явлении фотоэлектрического эффекта, называются фотоэлементами.

Вычисления и измерения

1. Откройте в разделе «Квантовая физика» окно модель «Фотоэффект». Модель является компьютерным экспериментом по исследованию закономерностей внешнего фотоэффекта. На экране отображаются установка для наблюдения фотоэффекта, график I (U), текущие значения U (В); P ( мВт); λ (нм); h ν (эВ); I ( мА). Модель позволяет изменять значение напряжения U между анодом и катодом фотоэлемента и его знак, длину волны λ в диапазоне видимого света и мощность светового потока P.

2.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Лабораторная работа № 5

В ходе эксперимента можно определить красную границу фотоэффекта и найти работу выхода материала фотокатода. Можно измерить запирающий потенциал U _з для различных длин волн и определить постоянную Планка h.

3. Знакомство с моделью: «Фотоэффект».

− Установите следующие значения: λ = 380 нм (длина волны падающего света); P = 1 мВт (мощность падающего света).

− Нажмите кнопку «Старт», понаблюдайте за происходящим на экране явлением.

− Прервите процесс кнопкой «Сброс».

− Для продолжения наблюдения снова нажмите кнопку «Старт».

4. Проведите следующие компьютерные эксперименты:

Эксперимент 1

− Выясните, что означает знак «–» перед значением напряжения. Для этого установите отрицательное значение напряжения. Нажмите кнопку «Старт» и понаблюдайте за происходящим на экране. Опишите в отчете наблюдаемое и объясните причину увиденного:

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

− Понаблюдайте и напишите, как зависит фототок I и запирающее напряжение U _з от величины светового потока:

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

− Понаблюдайте и напишите, что происходит, если увеличить разность потенциалов между электродами (не меняя интенсивность падающего излучения)? От чего зависит кинетическая энергия вырываемых светом электронов?

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

Эксперимент 2

− Понаблюдайте, при каком значении λ фотоэффект не возникает.

− Определите «красную границу» фотоэффекта для материала, использованного в данном компьютерном эксперименте:

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

Эксперимент 3

− Осветите фотоэлемент синим светом. Плавно увеличивая напряжение, подаваемое на фотоэлемент, измерьте напряжение U _з, при котором происходит запирание фототока в цепи, т.е. стрелка гальванометра не отклоняется (сила тока равна нулю).

− По известному значению частоты света ν, пропускаемого светофильтром, и измеренному значению напряжения U _з, вычислите работу выхода электрона A _вых из катода фотоэлемента.

Работу выхода A _вых электрона с катода вакуумного фотоэлемента определяют, используя выражения (1) и (2), из которых следует: A _вых = h ν – eU _з. (5). Выразите полученный результат в Джоулях и электрон-вольтах:

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

− Осветите фотоэлемент красным цветом. Повторите эксперимент.

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Лабораторная работа № 5

Результаты измерений и вычислений занесите в отчетную таблицу 1.

3. Таблица 1 – Результаты измерений и вычислений

№ оп.	λ, нм	ν, Гц	А, Дж	А, эВ	Uз, В
1.
2.

 

Эксперимент 4. Определите с помощью использованной установки постоянную Планка:

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4. Обобщите результаты своей работы. Сделайте вывод по проделанной работе

Вывод: _______________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Контрольные вопросы

1. Как качественно объяснить фотоэффект, исходя из уравнения Эйнштейна?

2. Что влияет на положение красной границы фотоэффекта?

3. Опишите вольтамперную характеристику фотоэлемента?

 

 

Вольт – амперная характеристика фотоэлемента

Ответы:

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Лабораторная работа № 6

Лабораторная работа №6