ГОУВПО Воронежский государственный технический

ГОУВПО «Воронежский государственный технический

университет»

 

Учебно-лабораторный центр кафедр общей физики

 

201-2007

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по дисциплине «Общая физика» для студентов всех специальностей очной формы обучения

ВНИМАНИЕ! Включать эталонную лампочку только в крайнем левом положении реостата!

5. Ввести красный светофильтр и, изменяя ток накала эталонной лампы, добиться, чтобы нить «исчезла» на фоне исследуемой спирали. По верхней шкале… 6. Аналогичные измерения провести для четырех-пяти различных температур.… 7. Для каждой температуры, используя зависимость поглоща-тельной способности вольфрама от температуры (см. рис.1.6) и…

ВНИМАНИЕ! Ввиду использованных в работе малых значений электросопротивлений нити при измерениях необходимо учитывать электросопротивление подводящих проводов!

Площадь боковой поверхности нити накала S, температурный коэффициент сопротивления a и величина эталонного сопротивления R_o указаны на установке. Эти и другие необходимые постоянные величины записать в табл. 1.3.

Таблица 1.3

Тк, К	S×106, м2	Rо, Ом	a×10-3, К-1	s×108, Вт×м-2×К-4
			4,7	5,67

2. Включить установку в сеть. Изменяя реостатом свечение нити лампы от минимального до максимального, измерить U_o и U_л в 8–10 точках. Выключить установку.

3. Для каждой измеренной точки рассчитать ток лампы I_л, сопротивление нити R_T, а также мощность излучения Р_л и записать результаты в табл.1.4.

Таблица 1.4

№ п/п	U0, В	Uл, В	Iл, А	RT, Ом	Pл, Вт	lnPл	T, K	lnT
...

4. По формуле (1.22) рассчитать температуру нити Т для каждой измеренной точки. С помощью микрокалькулятора или таблиц десятичных логарифмов определить lnP_л и lnT для каждой точки. Записать результаты в табл. 1.4.

5. По полученным результатам построить график зависимости функции lnP_л=f(lnT). По графику определить значение показателя степени n = tga.

6. Используя график и формулу (1.26), определить поглощательную способность или коэффициент черноты вольфрамовой спирали А_*

1.4. Теоретический минимум

(к лабораторным работам 3.01 и 3.02)

Тепловое излучение и его характеристики. Квантовая природа электромагнитного излучения. Законы Кирхгофа и Стефана-Больцмана, законы смещения и излучения Вина. Формулы Рэлея-Джинса и Планка. Квантовая гипотеза Планка. Оптическая пирометрия. Тепловые источники света.

 

2. Фотоэффект

2.1. Теоретическое введение

(к лабораторным работам 3.03 и 3.04)

 

Фотоэффект относится к числу физических явлений, в которых проявляются корпускулярные свойства света. Он заключается в образовании свободных носителей заряда под действием света (внешнего электромагнитного излучения). Различают следующие виды фотоэффекта:

1. Внешний – состоит в выбивании электронов с поверхности вещества под действием внешнего электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а также в газах на отдельных атомах или молекулах (фотоионизация);

2. Внутренний – это вызванные внешним электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу, что увеличивает электропроводность вещества;

3. Вентильный – состоит в возникновении электродвижущей силы на границе двух полупроводников различной проводимости (или металла с полупроводником) вследствие внутреннего фотоэффекта (при отсутствии внешнего электрического поля).

Рассмотрим особенности внешнего фотоэффекта. Вольт – амперные характеристики фотоэлемента при неизменной частоте n и неизменном световом потоке Ф показаны соответственно на рис.2.1 и на рис.2.2. Из рисунков видно, что при напряжении U = 0 фототок не равен нулю. Это свидетельствует о том, что электроны покидают катод с запасом кинетической энергии. Чтобы фототок стал равным нулю, нужно между анодом и катодом создать тормозящее электрическое поле. В этом

случае электроны будут совершать работу против сил электрического поля. Разность потенциалов U_з, при которой ток прекращается, называется задерживающим напряжением (или задерживающим потенциалом). Максимальная начальная скорость υ_max фотоэлектронов связана с U_з соотношением:

, (2.1)

где е и m – заряд и масса электрона соответственно.

При увеличении ускоряющей разности потенциалов U фототок достигает насыщения (рис.2.1, 2.2.). При этом все электроны, испущенные катодом, попадают на анод. Число электронов, вырванных светом за единицу времени, можно найти по формуле

. (2.2)

Опытным путем установлены следующие законы внешнего фотоэффекта.

1. Фототок насыщения J_нас пропорционален световому потоку Ф (рис.2.1, 2.3).

2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности (рис.2.2, 2.4).

3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота ν_кр (или максимальная длина волны λ_кр), при которой еще возможен внешний фотоэффект.

Объяснить количественные закономерности фотоэффекта удалось лишь Эйнштейну на основе квантовых представлений о свете. Развивая гипотезу Планка, Эйнштейн предположил, что свет не только излучается, но и распространяется, и поглощается в виде отдельных дискретных частиц (фотонов) с энергией ε = hν. При освещении катода светом каждый фотон взаимодействует с отдельным электроном. В результате поглощения фотона электрон приобретает энергию hν. Часть этой энергии, равная работе выхода А_в, затрачивается на то, чтобы электрон мог покинуть тело. Остаток энергии образует кинетическую энергию электрона. Таким образом, должно выполняться соотношение, называемое формулой Эйнштейна.

, (2.3)

где h – постоянная Планка, ν – частота поглощенного излучения.

Из уравнения Эйнштейна (3) следует, что

- максимальная скорость вырываемых электронов зависит только от частоты света;

- общее число фотоэлектронов, вылетающих за единицу времени, пропорционально числу падающих фотонов, т.е. сила тока насыщения пропорциональна световому потоку;

- фотоэффект возможен только в том случае, если энергия кванта . Отсюда следует, что красная граница фотоэффекта удовлетворяет соотношению

(2.4)

или

. (2.5)

С учетом (2.1) формулу Эйнштейна можно записать иначе:

hν = А_в +eU_з (2.6)

Разной частоте падающего света соответствуют разные значения U_з. Записав (6) для двух разных частот и решив систему уравнений относительно h, получим

. (2.7)

Совпадение рассчитанного по формуле (2.7) значения постоянной Планка с общепринятым значением h может служить подтверждением правильности уравнения Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

При очень больших интенсивностях света, достижимых с помощью лазеров, наблюдается многофотонный, или нелинейный фотоэффект. При многофотонном фотоэффекте электрон может получить одновременно энергию не от одного, а от N фотонов. Уравнение Эйнштейна в этом случае будет представлено в виде

(2.8)

Красная граница N – фотонного фотоэффекта:

(2.9)

2.2. Лабораторная работа 3.03. Исследование внешнего фотоэффекта

 

Цель работы: экспериментальная проверка уравнения Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Принадлежности: установка для исследования внешнего фотоэффекта, набор светофильтров.

2.2.1. Описание установки и методики измерений

 

Для определения величины задерживающего потенциала в данной работе используется схема, изображенная на рис. 2.5. Последовательно с вакуумным фотоэлементом ФЭ соединены гальванометр G и переменное сопротивление R, используемое в качестве потенциометра. Вольтметр V измеряет напряжение, подаваемое на фотоэлемент. Источник постоянного тока ИПТ подключен таким образом, чтобы напряжение, подаваемое на фотоэлемент, было отрицательным. С помощью переменного сопротивления R можно менять величину этого напряжения. Источником света является электрическая лампочка Л. На лицевой панели установки находятся шкалы измерительных приборов (вольтметра и гальванометра), тумблеры «Сеть» и «ИПТ», ручка регулировки потенциометра «R», кнопка «Свет». Тумблер «Сеть» подключает установку к электрической сети. Тумблер «ИПТ» подключает источник постоянного тока, с которого напряжение подается на потенциометр. Кнопка «Свет» включает источник света. При выведенном потенциометре (крайнее левое положение ручки «R» ) и включенной лампочке Л в цепи фотоэлемента возникает ток, фиксируемый гальванометром. Если постепенно увеличивать напряжение на фотоэлементе, то ток через гальванометр будет уменьшаться и при U_з станет равным нулю.

Светофильтры вставляются в специальную рамку, расположенную на левой боковой панели кожуха. Светофильтрам, используемым в работе, соответствуют следующие частоты: оранжевый n₁= 0,51×10¹⁵ Гц, зеленый n₂ = 0,56×10¹⁵ Гц, синий n₃ = 0,61×10¹⁵ Гц.

Гальванометр М-195/3 – очень чувствительный прибор. Цена деления 3,8×10^–9 А. Обращаться с ним надо бережно, производить измерения необходимо только в тот момент, когда прибор не подвергается толчкам и вибрациям. Гальванометр имеет световой отсчет. Перед измерением производится установка нуля с помощью ручки, которая находится на правой боковой стороне кожуха.

 

2.2.2. Порядок выполнения работы

1. Подключить установку к сети тумблером «Сеть». Произвести установку нуля гальванометра.

2. Установить в обойму перед лампочкой оранжевый светофильтр (n₁)_.

3. Включить источник постоянного тока тумблером «ИПТ» и заранее подать на фотоэлемент задерживающее напряжение 0,8 – 1,0 В, вращая ручку потенциометра «R».

4. Включить лампочку кнопкой «Свет» (в цепи фотоэлемента появится ток) и, удерживая ее, вращать ручку «R» до равенства тока нулю – т. е. подобрать точно задерживающий потенциал для фотоэлемента.

5. Измерить с точностью до одной сотой доли вольта задерживающий потенциал, предварительно рассчитав цену деления шкалы вольтметра. Десятые доли вольта отсчитываются по шкале прибора, сотые – оцениваются на глаз. Выключить лампочку. Данные занести в табл.2.1.

Таблица 2.1

№ п/п	n×10–15, Гц	U3, B	h, Дж×с	А, Дж

6. Установить зеленый светофильтр (n₂) и повторить пункты 4, 5.

7. Установить синий светофильтр (n₃)_. и повторить пункты 4, 5. Выключить оба тумблера.

8. По формуле (2.7) (см. теоретическое введение) вычислить постоянную Планка (не менее трех раз) и найти среднее значение.

9. Используя формулу (2.6), вычислить работу выхода электрона из металла.

2.2.3 Теоретический минимум

Фотоэффект. Законы внешнего фотоэффекта. Вольт–амперная характеристика внешнего фотоэффекта и ее объяснение. Несостоятельность волновой теории в объяснении законов внешнего фотоэффекта. Квантовая теория фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна. Красная граница фотоэффекта. Фотоэлементы, их характеристики. Применение фотоэлементов.

 

 

2.3. Лабораторная работа 3.04.

Исследование фотоэлемента

 

Цель работы: ознакомление с устройством, принципом работы и применением фотоэлементов (ФЭ).

Принадлежности: установка для исследования вакуумного (газонаполненного) фотоэлемента.

2.3.1. Описание установки и методики измерений

Фотоэлементы, действие которых основано на внешнем фотоэффекте, бывают вакуумные и газонаполненные. В качестве наполнителя используются инертные газы при давлении 5×10^-3 – 1,0 мм. рт. ст.

Основными характеристиками фотоэлементов являются вольт - амперная характеристика и чувствительность. Вольт - амперная характеристика – кривая, выражающая зависимость фототока I от напряжения U, подаваемого на фотоэлемент при постоянной освещенности катода. Световой поток Ф, создаваемый электрической лампочкой, которая находится на расстоянии r от фотоэлемента, падающий на поверхность фотокатода площадью S, определяется по формуле:

Ф = E×S = I_c ×S/r², (2.10)

где I_c – сила света лампочки, E = I_c/r² – освещенность фотокатода.

Отношение фототока I к световому потоку Ф, падающему на фотоэлемент, называют чувствительностью фотоэлемента

g = I/Ф (2.11)

Отношение числа фотоэлектронов, достигающих анода в единицу времени N = I/e (e=1,6×10^–19 Кл – заряд электрона), к числу фотонов N_п падающего монохроматического света называется квантовым выходом фотоэффекта a (безразмерная величина). В работе проводится оценка квантового выхода фотоэффекта по значению средней энергии светового кванта hn.

a = N/N_п=(I/e)(hn/A×Ф) = I×hn/(А×Ф×е), (2.12)

где h=6,625×10^–34 Дж×с – постоянная Планка; А=1,6×10^–3 Вт/лм – коэффициент перевода фотометрических величин в энергетические; n – усредненная частота падающего на ФЭ света (5×10¹⁴ Гц).

Схема установки для снятия вольтамперных характеристик ФЭ представлена на рис.2.6. Установка питается от сети переменного тока. Источник постоянного тока (ИПТ) питает цепь фотоэлемента, напряжение на котором регулируется с помощью потенциометра R, и цепь источника света. Электрическая лампочка Л может перемещаться относительно ФЭ, что позволяет изменять его освещенность. Между фотоэлементом и лампочкой могут устанавливаться светофильтры. Цепи лампы и фотоэлемента включаются с помощью тумблеров «Свет» и «Сеть».

 

Рис.2.6

2.3.2. Порядок выполнения работы

Внимание! Переключатель П, расположенный на лицевой панели установки, должен находиться в положении ВАХ!

Потенциометр R – в крайнем левом положении! Тумблер «Свет» выключен!

2. С помощью потенциометра R установить минимальное напряжение на ФЭ. 3. Установить лампочку на максимальном расстоянии от фотоэлемента. Включить… 4. Уменьшая расстояние между фотоэлементом и лампой, провести те же измерения для 5 – 6 расстояний (по пункту 3).

Содержание

1. Тепловое излучение.. 1

1.1. Теоретическое введение к лабораторным работам 3.01 и 3.02. 1

1.1.1. Характеристики теплового излучения. 1

1.1.2. Закон Кирхгофа. 2

1.1.3. Закон Стефана — Больцмана. 4

1.1.4. Закон смещения (первый закон) Вина. 5

1.1.5. Второй закон Вина. 5

1.1.6. Оптическая пирометрия. 7

1.2. Лабораторная работа 3.01. Определение температуры оптическим пирометром 9

1.2.1. Описание установки и методики измерений. 9

1.2.2. Порядок выполнения работы.. 12

1.3. Лабораторная работа 3.02. Изучение теплового излучения.. 14

1.3.1. Описание установки и методики измерений. 14

1.3.2. Порядок выполнения работы.. 16

1.4. Теоретический минимум.. 17

2. Фотоэффект.. 17

2.1. Теоретическое введение. 18

2.2. Лабораторная работа 3.03. Исследование внешнего фотоэффекта 22

2.2.1. Описание установки и методики измерений. 22

2.2.2. Порядок выполнения работы.. 23

2.2.3 Теоретический минимум.. 24

2.3. Лабораторная работа 3.04. Исследование фотоэлемента.. 25

2.3.1. Описание установки и методики измерений. 25

2.3.2. Порядок выполнения работы.. 27

2.3.3. Теоретический минимум.. 28

3. Атом водорода.. 29

3.1. Теоретическое введение. 29

3.2. Лабораторная работа 3.05. Изучение спектра атома водорода 35

3.2.1.Описание установки и методики измерений. 35

3.2.2. Порядок выполнения работы.. 37

3.2.3. Теоретический минимум.. 38

БИБЛИОГРФИЧЕСКИЙ СПИСОК.. 39

 

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторным работам по квантовой оптике

по дисциплине «Общая физика»

для студентов всех специальностей

очной формы обучения

 

 

Составители:

Москаленко Александр Георгиевич

Матовых Николай Васильевич

Татьянина Елена Павловна

Долгачев Александр Александрович

Гаршина Мария Николаевна

Железный Владимир Семенович

Суходолов Борис Григорьевич

Шестаков Олег Александрович

 

В авторской редакции

 

Подписано в печать 18.06.2007.

Формат 6084/16. Бумага для множительных аппаратов.

Усл. печ. л. 2,6. Уч.-изд. л. 2,4. Тираж 450 экз. «С»

Заказ №

 

ГОУВПО «Воронежский государственный

технический университет»

394026 Воронеж, Московский просп., 14