Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине “Физика” для студентов всех специальностей (стр. 5 )

  W2 = J⋅U⋅t,  (6) 

где  J – сила тока, U – напряжение.

       Согласно закону сохранения энергии W1 = W2.  Тогда с учетом равенств (5) и (6) можно записать:

          (7)

       Отсюда получим выражение для нахождения постоянной Стефана-Больцмана:

    (8)

2. Устройство установки.

       Электрическая схема включения лампы приведена на рис.2а. Для регулировки яркости нити накала лампы используется лабораторный автотрансформатор ЛАТР.

       Температура нити лампы Т определяется с помощью пирометра с исчезающей нитью. Вообще пирометрами называются приборы для измерения температуры нагретых тел по интенсивности их теплового излучения в оптическом диапазоне спектра.

       Устройство пирометра с исчезающей нитью показано на рис.2б. Измерение  температуры  основано  на  сравнении яркости исследуемого тела (в нашей работе – раскаленной нити электрической лампы) с  яркостью нити  N  эталонной лампочки пирометра, которая подключена к источнику тока Б. Сила тока в этой цепи изменяется с помощью реостата, встроенного в пирометр.

       

  (а)  (б)

Рис.2.Электрическая схема включения лампы (а) и устройство  пирометра для измерения температуры нити накала лампы (б).

       Изображения нити, температура  которой  определяется, и нити  эталонной лампочки формируются  в фокальной плоскости объектива

ОБ.  Таким образом,  в  окуляре  OK  одновременно  наблюдаются  изображения нитей лампы и пирометра. 

  Изменяя силу тока в цепи лампочки пирометра, следует добиться совпадения яркости свечения нити эталонной лампочки с яркостью свечения исследуемой нити лампы. В этот момент те участки нити эталонной лампочки, которые пересекают изображение исследуемой нити, как бы «исчезают» на его фоне. По величине силы тока согласно показаниям миллиамперметра можно найти температуру Т исследуемой нити лампы. Для этого используется специальный график зависимости температуры Т от значения силы тока в цепи пирометра.

3. Порядок выполнения работы.

Занести в табл.1 значения комнатной температуры T0 и площади  поверхности нити лампы S. Установить ручку ЛАТРа, питающего излучающую электрическую лампу, в начальное положение, и только после получения разрешения у преподавателя включить автотрансформатор в сеть переменного тока. Плавно увеличивая напряжение ручкой ЛАТРа, добиться свечения нити лампы, после чего снять показания амперметра и вольтметра. Значения силы тока J и напряжения U занести в табл.1. Навести пирометр на лампу и добиться того, чтобы нить пирометра пересекла нить излучающей лампы. Настроить окуляр пирометра на отчетливую видимость нити, а объектив – на отчетливую видимость излучающей лампы. С помощью реостата постепенно увеличивать силу тока в цепи пирометра до тех пор, пока яркость свечения нити эталонной лампы пирометра не сравняется с яркостью нити излучающей лампы. Используя показания миллиамперметра, с помощью предоставленного графика определить температуру излучающей нити Т (результат занести в табл.1). Постепенно увеличивая напряжение на лампе  ручкой  ЛАТРа,  т. е. соответственно увеличивая силу тока, а значит - и температуру исследуемой нити накала лампы, повторить измерения согласно пунктам  5 и 6  еще  3  раза  (максимальную силу тока обязательно согласовать с преподавателем). Результаты измерений силы тока J, напряжения U и температуры нити Т занести в табл. 1.

  Таблица 1.

№ Опыта	T0 К	S м2	J А	U В	Т К
1
2
3
4

4. Математическая обработка результатов измерений.

Используя  данные  табл.1  T0,  S,  J, U  и T,  по формуле (8)  вычислить значение постоянной Стефана-Больцмана σi (результаты занести в табл.2). Вычислить среднее арифметическое значение σср  (результат занести в табл.2). Найти абсолютные погрешности Δσi (данные занести в табл.2). Возвести в квадрат все значения Δσi (данные занести в табл.2). Вычислить среднюю квадратичную погрешность среднего арифметического значения постоянной Стефана-Больцмана по формуле:

    Результат занести в табл.2.

По таблице на стр.2  найти  значение  коэффициента  Стьюдента (n - число опытов, равное пяти;  α - доверительная вероятность, которую принимаем равной 0,95),  после чего вычислить абсолютную погрешность Δσα,n среднего арифметического значения постоянной Стефана-Больцмана по формуле:

    Результат  занести в табл.2.

Таблица 2.

№ Опыта	σI Вт/м2К4	σср Вт/м2К4	ДσI Вт/м2К4	(Дσi)2 Вт2/м4К8	Sσ Вт/м2К4	Дσб, n Вт/м2К4
1
2
3
4

После округления величин Δσα,n и  σср записать окончательный результат измерений в общепринятом виде:

  σ = σср  ± Дσα,n

       Следует при этом указать единицу измерения постоянной Стефана-Больцмана, а также значения  б  и  n.

Лабораторная работа

(компьютерный вариант)

Определение работы выхода электрона из металла

и  постоянной  Планка  с  помощью фотоэлемента

Цель работы: 1.Ознакомление с законами внешнего фотоэффекта. 2.Определение работы выхода электрона из металла. 3.Определение постоянной Планка.

1. Теория метода.

       Выполнение данной работы проводится с использованием фотоэлемента – устройства, действие которого основано на явлении внешнего фотоэлектрического эффекта (в дальнейшем, – просто фотоэффекта).

       Фотоэффектом называется явление выбивания электронов из твердых или жидких тел под действием электромагнитного излучения, в частности, света. В закономерностях фотоэффекта отчетливо проявляются  квантовые (корпускулярные) свойства света. Это означает, что при фотоэффекте свет следует рассматривать не как электромагнитные волны, а как поток материальных частиц (фотонов).

       Свободные электроны, возникающие при фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а поток этих электронов называется фототоком.

       На рис.1 приведена схема экспериментальной установки для исследования фотоэффекта. Основным элементом этой установки является фотоэлемент, представляющий собой вакуумную трубку, в которой размещены катод К и анод А. Трубка подключена к источнику постоянного тока. Напряжение между катодом  и  анодом U = φА - φК, измеряемое вольтметром V, можно изменять с помощью потенциометра R. Причем на трубку можно подавать как прямое напряжение, когда разность потенциалов φА - φК  > 0 (плюс на аноде и минус на катоде), так и обратное напряжение, когда разность потенциалов φА - φК  < 0 (минус на аноде и плюс на катоде).

       Монохроматический свет интенсивностью J через кварцевое окно трубки падает на катод, изготовленный из  исследуемого металла. Если на трубку подать прямое напряжение, то фотоэлектроны, выбитые светом из катода, под действием электрического поля между катодом и анодом будут двигаться к аноду, создавая фототок, сила которого измеряется миллиамперметром  mA (рис.1).

Рис.1. Схема  экспериментальной  установки  для  исследования фотоэффекта.

       С помощью рассмотренной установки можно исследовать влияние напряжения U на силу фототока I. Графически представленная  зависимость I от U называется вольт-амперной характеристикой фотоэффекта.

       На рис.2 представлены экспериментальные вольт-амперные характеристики для двух различных значений интенсивности J1  и  J2 падающего  на  катод  монохроматического  света  одинаковой  частоты ν.  Видно,  что  фототок  существует  не  только  тогда, когда φА - φК  ≥ 0, но и тогда, когда φА - φК  < 0. Он прекращается для данного металла катода только при определенной величине отрицательного значения  разницы  потенциалов  φА - φК = UЗ, которая называется задерживающим  напряжением.

       Равенство нулю силы фототока при напряжении UЗ означает, что при этом напряжении ни один из фотоэлектронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной кинетической энергией, не может преодолеть задерживающего электрического поля и достигнуть анода. Следовательно, работа сил электрического поля по торможению фотоэлектрона должна быть равна величине максимальной кинетической энергии выбитого светом электрона: