Материал: МЭИ(ТУ) Физика

Объектом наблюдения в нашем случае служит вольфрамовая спираль лампы накаливания. Температура спирали этой лампы измеряется при различных значениях проходящего через неё тока и, следовательно, при различных значениях подводимой к ней мощности. В цепь накала лампы включён амперметр и вольтметр. С помощью этих приборов можно измерять электрическую мощность, выделяющуюся в спирали исследуемой лампы. Изменение тока накала в лампе производится посредством ручки потенциометра на блоке питания. Электрическая схема дана на рис. 3.

При высокой температуре подводимая к спирали исследуемой лампы мощность W почти полностью расходуется на излучение, т. е. W = ETS, где ET – интегральная излучательная способность нечёрного тела (спирали), S – площадь поверхности этого тела, T – температура тела. Тогда выполняется соотношение

ET S = SBT n ≈W , W = IV

(W – мощность лампы, I – сила тока в ней, V – напряжение лампы). Логарифмируя предыдущее выражение, имеем

3. Порядок выполнения работы

1.Включить блок питания лампы накаливания.

2.С помощью ручки потенциометра блока питания отрегулировать накал спирали лампы до красного каления.

3.Навести пирометр на объект наблюдения – спираль лампы.

4.Сфокусировать изображение нити пирометрической лампы перемещением окуляра пирометра.

5.Добиться резкой видимости спирали исследуемой лампы накаливания путём продольного перемещения объектива пирометра. При действиях, указанных в пп. 5-6, монохроматический светофильтр в окуляре удобно выключить.

6.Проверить, накладывается ли вершина пирометрической нити на спираль лампы накаливания, хорошая ли видимость объекта и нити одновременно.

7.Ввести в пирометр монохроматический светофильтр.

8.Пользуясь ручкой потенциометра, установить в цепи накала исследуемой лампы значения силы тока, рекомендованные в таблице, помещённой на установке. Одновременно с этим измерить напряжение на спирали лампы. Отсчёт значений силы тока и напряжения производить через одну-две минуты после перемещения рукоятки потенциометра, когда режим в цепи лампы полностью установится.

9.Для каждого установленного значения силы тока измерить пирометром температуру спирали лампы. Для этого отрегулировать накал нити пирометрической лампы до тех пор, пока изображение её вершины не исчезнет на фоне спирали (рис. 4). Иметь ввиду, что нить лампы пирометра обладает тепловой инерцией и регулировка её накала должна быть медленной. Каждое измерение температуры необходимо производить не менее трёх раз, изменяя накал нити пирометра и вновь отыскивая условие исчезновения нити.

Таблица

4. Обработка результатов измерений

1.По результатам измеренных значений яркостной температуры нити пирометра найти истинные (термодинамические) температуры с помощью графика, представленного на установке.

2.Вычислить мощность, подводимую к спирали исследуемой лампы, для каждого значения термодинамической температуры этой спирали.

3.Построить график зависимости потребляемой лампой мощности W от термодинамической температуры T нити лампы.

4.Построить график зависимости lg W от lg T и найти n в формуле (1) как тангенс угла наклона полученного графика к оси абсцисс.

Лабораторная работа № 17

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРАСНОЙ ГРАНИЦЫ ФОТОЭФФЕКТА И

РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНА ИЗ МЕТАЛЛА

Цель работы: изучение явления внешнего фотоэффекта, нахождение его красной границы и работы выхода электрона из металла.

1. Введение

Явление внешнего фотоэффекта объясняется выходом электронов из вещества под действием света. Основным уравнением, описывающим фотоэффект, является уравнение Эйнштейна

где hν – энергия кванта, падающего на вещество (h – постоянная Планка, ν – частота

(с – скорость света в вакууме). Если известна ν0, то из выражения (2) можно найти работу выхода электронов A для данного вещества.

Простейшим прибором для наблюдения фотоэффекта является вакуумный фотоэлемент. Он представляет собой стеклянный баллон, в котором создан вакуум. Внутри имеется поверхность, покрытая слоем вещества, испускающего электроны под действием света – так называемый фотокатод. Анодом фотоэлемента является металлический проводник, впаянный в баллон (рис.1).

Рис. 1

В установке использован фотоэлемент с катодом из материала, красная граница которого лежит в видимой области спектра. В качестве источника света с непрерывным

спектром испускания используется лампа накаливания. Для выделения из белого света монохроматического света с длиной волны λ используется монохроматор со стеклянной призмой.

2. Описание установки и метода измерений

Схема установки приведена на рис. 2.

R

Рис. 2

Белый свет от лампы накаливания ЛН направляется на входную щель Щ1 монохроматора. Пройдя щель Щ1 (последняя расположена в фокальной плоскости Л1), свет разлагается в спектр призмой монохроматора ПМ и попадает на его выходную щель Щ2, которая расположена в фокальной плоскости линзы Л2. В зависимости от положения призмы ПМ на выходную щель направляется та или иная часть спектра испускания лампы накаливания. В данной работе применяется монохроматор УМ-2, общий вид которого представлен на рис. 3.

1 2

Рис.3

Поворот призмы ПМ осуществляется с помощью барабана 3. На барабан нанесены оцифрованные деления, каждое из которых соответствует определённому угловому положению призмы. Они могут быть переведены в длины волн с помощью градуировочного графика, прилагаемого к работе.

Пройдя выходную щель, свет попадает на фотоэлемент. Этот свет можно считать монохроматическим. Свет, попавший на катод фотоэлемента, выбивает из него электроны, которые можно собрать на аноде и соответствующий ток измерить прибором в цепи фотоэлемента.

В работе величина фототока находится следующим образом. Измеряется падение напряжения на входном сопротивлении R вольтметра при прохождении по нему фототока. Входное сопротивление вольтметра велико, и даже небольшой ток создает замет-

ное падение напряжения. Величина фототока определяется из формулы I = UR , где U –

показание вольтметра. Питание цепи фотоэлемента осуществляется от универсального блока питания.

3. Порядок выполнения работы

1.Включить цифровой вольтметр и дать ему прогреться в течение 10-15 мин.

2.Включить блок питания фотоэлемента УБП и блок питания лампы накаливания БП.

3.Проверить, попадает ли наиболее яркая часть светового пятна от лампы накаливания на входную щель монохроматора. При необходимости произвести регулировку.

4.Проверить, находится ли ручка затвора 2 монохроматора в положении "открыто". Ширина входной щели монохроматора установлена и в регулировке не нуждается.

5.Медленно вращая барабан 1 монохроматора ВМ, найти такое его положение, которое соответствует максимальному показанию цифрового вольтметра. Отсчет производить по черной точке на указателе барабана.

6.Измерить зависимость падения напряжения на входном сопротивлении вольтметра R от числа делений барабана. Барабан следует вращать в сторону увеличения числа делений. За начало отсчета принять значение, найденное в пункте 5. Показания снимать через 50° (2300, 2350, 2400 и т. д.) до тех пор, пока показания вольтметра не будут близки к нулю.

7.Измерения проделать три раза, результат записать в таблицу. По окончании измерений выключить питание всех блоков установки.

Таблица

4. Обработка результатов измерений

1.С помощью градуировочного графика, имеющегося на установке, перевести деления барабана φ в длины волн λ.

2.Найти величину фототока I = UR для среднего значения каждого из трёх измере-

ний, соответствующих определённому значению λ.

3.Построить график I = f(λ).

4.Найти из графика значение λ0, соответствующее прекращению тока. Для этого нужно продолжить прямолинейный участок графика до пересечения с осью длин волн.

5.По графику I = f(λ) найти погрешность ∆λ0 и представить результат измерений в виде л0 = л0 ± Дл0 .

6.По найденному λ0 вычислить работу выхода электрона из металла. Выразить работу выхода в джоулях и электрон-вольтах.

7.Найти погрешность ∆A работы выхода и представить результат измерений в виде

A = A ± ДA .