Методические указания к выполнению лабораторных занятий по дисциплине «физика» Алмалык 2020

Порядок выполнения работы
Упражнение 1. Изучение зависимости значения фототока I_ф от анодного напряжения U_а при постоянном потоке света (=const).
1. Фотоэлемент устанавливается на расстоянии l=15 см от источника света.
2. На источник света (лампу) подается напряжение и на протяжении опыта это напряжение не меняется.
3. После проверки схемы преподавателем подключается УИП-1 (универсальный источник питания).
4. При помощи потенциометра напряжение анода увеличивается от 0 до 100 В с интервалом 10 В. При этом значение фототока записывается в таблицу №1. Затем опыт повторяется в обратном порядке: напряжение анода уменьшается от 100 до 0 В с интервалом 10 В. При этом значение фототока тоже записывается в таблицу №1.

Таблица №1

№	l, м	Ua, В при увеличении напряжения	Iф, мкА	Ua, В при уменьшении напряжения	Iф, мкА	Iф.ср., мкА
1.
2.
3.
4.
5.
6.
6.
8.
9.
10.

5. Строится график зависимости фототока I_ф.ср. от напряжения U_a:
I_ф.ср.f(U_a).
Упражнение 2. Изучение зависимости фототока I_ф от потока света  при постоянном напряжении (U_а=const).
1. На фотоэлемент подается напряжение 100 В и это напряжение до конца опыта сохраняется неизменным.
2. Фотоэлемент удалятся от источника света на расстояние от 15 см до 60 см. Значение фототока I_ф при каждом изменении на 5 см записывается в таблицу №2.
3. Фотоэлемент сближается к источнику света на расстояние от 60 см до 15 см. Значение фототока I_ф при каждом изменении на 5 см также записывается в таблицу №2. При этом сила света лампы берется I=25 свечей.
4. Для каждого значения l рассчитывается значения Ф по формуле
=IS/l²,
где S площадь фотокатода (S=4 см²), I – сила света при напряжении лампы накаливания U_н=230 В.
5. Для всех значений I рассчитывается интегральная чувствительность фотоэлемента по формуле
j=I_ф/.
6. Полученные расчеты записываются в таблицу №2.
Таблица №2

№	U, В	l, м при удалении	Iф, мкА	l, м при приближении	Iф, мкА	Iф.ср., мкА	j, мкА/лм
1.
2.
3.
4.
5.
6.
6.
8.
9.
10.

7. Построить график зависимости между световым потоком Ф и фототоком I_ф.
8. С помощью графика определяется тангенс угла и интегральная чувствительность. Сравниваются данные, полученные с помощью эксперимента и графика.

Контрольные вопросы

1. Что такое фотоэффект? Какие виды фотоэффекта существуют?

2. От каких величин зависит величина фототока?
3. Опишите три закона внешнего фотоэффекта.
4. Напишите и объясните формулу Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.
5. Что такое работа выхода?
6. Что такое красная граница фотоэффекта?
7. Что такое задерживающее напряжение?

Лабораторная работа №22


Градуировка термопары


Цель работы: ознакомление с физической основой явления фотоэффекта и изучение свойств фотоэлемента.
Приборы и принадлежности: фотоэлемент, источник света, источник тока, вольтметр, микроамперметр.


Теоретические сведения
При соприкосновении двух разных металлов между ними возникает контактная разность потенциалов, и она зависит от химических свойств металлов и температуры.
Причина возникновения контактной разности потенциалов можно объяснить, исходя из представлений электронной теории металлов.
Рассмотрим контакт двух разных металлов (рис. 12.1).
Обозначим работу выхода электронов из первого металла A₁, а из второго через A₂. Наиболее быстрые электроны при хаотическом движении будут переходить через поверхность контакта из первого металла во второй, а из второго в первый.
Если работы выхода A₁>A₂, то электроны при прочих равных условиях труднее выйти из первого металла, чем из второго. В результате взаимных переходов электронов в первом металле проявится избыток, во втором – недостаток. Разность потенциалов между двумя соприкасающимися металлами, возникающая из–за различной работы выхода электронов этих металлов равна:
=₁–₂=–(A₁–A₂)/e, (12.1)
где e – заряд электрона. Знак минус означает, что первый металл заряжается отрицательно, а второй положительно.
Металл представляет для электронов потенциальную яму. Во первых, покинуть металл удается только тем электронам, энергия которых окажется достаточной для преодоления потенциального барьера.
Второй причиной появления контактной разности потенциалов является то, что разные металлы обладают неодинаковой концентрацией электронов n (число электронов в единице объема).
Рассматривая электроны как идеальный газ, можно воспользоваться выражением для давления идеального газа:
p=nkT. (12.2)
где k=1,38^.10^-23 Дж/К – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура.
При n₁>n₂ даже при одинаковых температурах, давление электронного газа в металлах будет равным p₁>p₂. Под действием разности давлений p₁–p₂ электроны переходят из первого металла во второй. Это происходит до тех пор, пока возникающее электрическое поле своим противодействием не компенсирует влияние перепада давления. Разность потенциалов, возникающая на границе двух металлов в результате диффузионного перехода электронов
=₁–₂=(kT/e)ln(n₁/n₂). (12.3)
Полная контактная разность потенциалов между двумя металлами равна сумме (12.1) и (12.3):
₁–₂=+=–(A₁–A₂)/e+(kT/e)ln(n₁/n₂). (12.4)
Это формула есть математическое выражение первого закона Вольта; она показывает, что ₁–₂ зависит только от температуры и химического состава соприкасающихся проводников (A₁, A₂, n₁, n₂).
Второй член уравнения (12.4), полученный из классических представлений, дает не совсем точные количественные результаты. В более строгий теории классические представления заменяют квантовой теорией.
Термопара представляет собой два разнородных проводника (1 и 2), соединенные своими концами (рис. 12.2). Места соединений называют спаями (1 и 2). Если температуры спаев не одинаковы (например, T₁>T₂), то в цепи термопары потечет ток (термоток) - явление Зеебека.
Электродвижущая сила такой замкнутой цепи равна алгебраической сумме скачков потенциалов
=₁+₂. (12.5)
Если температура обоих спаев T₁=T₂, то согласно уравнению (12.4), получим
=(k/e)ln(n₁/n₂) (T₁–T₂) (12.6)
Если же T₁>T₂, тогда ЭДС >0 и равна:
=C(T₁–T₂). (12.7)
Коэффициент C=(k/e)ln(n₁/n₂) – удельная термо-ЭДС, определяется свойствами металлов, из которых изготовлена термопара и для данной пары металлов величина постоянная.
Термоэлектродвижущая сила прямо пропорциональна разности температур спаев.
Коэффициент равен термоэлектродвижущей силе, возникающей в замкнутом контуре при разности температур между спаями в 1 градус:
C=/(T₁–T₂). (12.8)
Термоэлектрические явления в металлах используются для измерения температур. Термопары позволяют измерять температуру в широком интервале (так, например, термопара железо – константа, используются для измерения температур до 500С и имеет постоянную C=5,310^–5 В/К.
Градуировку термопары можно провести при помощи установки (рис. 12.3).
Для определения постоянной C термопары поступает следующем образом. Находят силу термотока I_o при некоторой разности температур t₁–t_o при выключенном сопротивлении (R=0). Затем при той же разности температур измеряют силу тока I₁, включив последовательно с термопарой сопротивление, изменяющее ток примерно в 2 раза. Тогда по закону Ома будем иметь два уравнения:
=I_oR_o; =I₁(R_o+R). (12.9)
где R_o – неизвестное внутреннее сопротивление термопары и гальванометра.
Решая систему уравнений (12.9), находим:
= R. (12.10)
Подставляя значении  из формулы (12.10) и (12.4), получим:
C= (12.11)
Сила тока I_o=k_in_o, I₁=k_in_i, где k_i – цена деления гальванометра, n_o и n₁ – число делений гальванометра, соответствующие токам I_o и I₁. После постановки I_o и I₁ формула (12.11) запишется в виде:
C=
(12.12)