Thí nghiệm vật lý - Bko - 100 nghiệm các định luật quang điện xác định hằng số planck

1 VLKT - Viện Vật lý Kỹ thuật ĐHBK Hà nội Thí nghiệm Vật lý -BKO-100 Nghiệm các định luật quang điện Xác định hằng số Planck. I. Mục đích : 1. Vẽ đặc tr−ng Vôn - Ampe của tế bào quang điện chân không, đo dòng quang điện b$o hoà 2. Nghiệm định luật quang điện về dòng quang điện b$o hoà. 3. Đo hiệu thế cản , xác định hằng số Planck theo ph−ơng trình Einstein về hiệu ứng quang điện. II. Dụng cụ : Thiết bị nghiên cứu hiệu ứng quang điện và xác định hằng số Planck , với các thông số :
Tế bào quang điện chân không loại Cs-Sb , dòng điện tối không lớn hơn 3nA.
Bộ gồm 4 kính lọc sắc : 635nm, 570nm, 540nm, 460nm.
Sai số xác định điện áp gia tốc electron 2%.
Nguồn sáng : Đèn Halogen 12V/35W
Nguồn cung cấp cho thiết bị : AC 220V, 50 Hz III. Cấu tạo thiết bị : Trên mặt máy , từ trái sang phải : (1). Đồng hồ chỉ thị dòng điện và hiệu điện thế. (2). Chuyển mạch thay đổi giữa hai kiểu làm việc của đồng hồ:
Đo dòng điện (Current),
Đo hiệu điện thế (Voltage). (3). Chuyển mạch chọn thang đo dòng điện :
Vị trí x1 đo c−ờng độ dòng quang điện có giá trị 10-6A.
Vị trí x 0.1 đo c−ờng độ dòng quang điện có giá trị 10-7A. 1 2 3 4 5 6 7 8 Hình 1 : Bộ thí nghiệm nghiên cứu hiện t−ợng quang điện - Xác định hằng số Planck 9 10 2
Vị trí x 0.01 đo c−ờng độ dòng quang điện có giá trị 10-8A.
Vị trí x0.001 đo c−ờng độ dòng quang điện có giá trị 10-9A. (4). Chuyển mạch chọn c−iờng độ sáng của đèn chiếu, có 3 vị trí :
Vị trí đèn sáng mạnh (Strong)
Vị trí ngắt điện đèn chiếu sáng (OFF)
Vị trí đèn sáng yếu (WEAK) (5). Núm điều chỉnh hiệu điện thế một chiều cung cấp cho mạch điện của tế bào quang điện, thay đổi từ 0 đến ±15V (6). Chuyển mạch thay đổi chiều điện áp đặt vào mạch điện của tế bào quang điện. (7). Công-tắc nguồn, có 2 vị trí : bật điện (ON) và tắt điện (OFF). (8). Đèn báo hiệu. (9). Hộp kín, bên trong có tế bào quang điện. (10). Đèn chiếu sáng, có hai chế độ làm việc ( sáng mạnh, sáng yếu ) và có thể tr−ợt dọc theo ray để thay đổi khoảng cách đến tế bào quang điện. IV. Lắp ráp thí nghiệm : Đặt thiết bị lên mặt bàn phẳng có ổ cấp điện 220V/ 50Hz. Chuyển mạch (4) bật về vị trí WEAK (đèn sáng yếu). Nới lỏng ốc giữ đèn chiếu sao cho có thể dịch chuyển đèn chiếu nhẹ nhàng giữa đ−ờng ray để thay đổi khoảng cách giữa đèn chiếu và tế bào quang điện. Đặt đèn chiếu ở vị trí 40cm. Cắm phích lấy điện vào ổ điện 220V. Bật công-tắc nguồn (7) sang vị trí ON : đèn chiếu (10) phát sáng, báo hiệu máy đ$ sẵn sàng hoạt động. Quan sát bóng đèn chiếu đ−ợc thắp sáng (yếu). Tháo nắp che tế bào quang điện và thay nó bằng kính lọc sắc màu đỏ. Bật công-tắc c−ờng độ sáng (4) về các vị trí OFF, WEAK, Strong để kiểm tra các chế độ hoạt động của đèn chiếu. V. Trình tự thí nghiệm : 1. Vẽ đặc tuyến vôn-ampe của tế bào quang điện chân không :
Lắp kính lọc sắc màu đỏ vào cửa sổ của tế bào quang điện.
Chuyển mạch c−ờng độ sáng (4) đặt ở vị trí WEAK (sáng yếu). Dịch chuyển đèn chiếu đến vị trí 18cm.
Gạt chuyển mạch chiều điện áp (6) về vị trí + .
Đặt chuyển mạch thang đo dòng điện (3) ở vị trí x1 hoặc x0,1.
Xoay nhẹ núm điều chỉnh điện áp (5) về tận cùng trái (ứng với hiệu điện thế ban đầu 0V).
Muốn đo hiệu điện thế, ta gạt chuyển mạch (2) về vị trí VOLTAGE. Muốn đo dòng quang điện, ta gạt chuyển mạch (2) vị trí CURRENT.
Xoay nhẹ núm điều chỉnh điện áp (5) để tăng dần hiệu điện thế từng 0,5V một, từ 0V đến 10V. Đọc và ghi giá trị dòng quang điện t−ơng ứng vào bảng 1. Từ kết quả thu đ−ợc, vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của c−ờng độ dòng quang điện vào hiệu điện thế đặt giữa anốt và catốt của tế bào quang điện. Xác định hiệu thế bắt đầu dòng quang điện b:o hoà. 2. Nghiên cứu định luật dòng quang điện b)o hoà :
Giữ nguyên kính lọc sắc đỏ lắp trên cửa sổ của tế bào quang điện.
Đèn chiếu vẫn để ở vị trí r = 18 cm.
Điều chỉnh hiệu điện thế giữa hai cực của tế bào quang điện bằng 10V. Đọc và ghi giá trị dòng quang điện t−ơng ứng vào bảng 2 tại vị trí r=18cm
Tăng dần khoảng cách giữa đèn chiếu và tế bào quang điện từng 10mm một, từ vị trí r = 18cm đến vị trí r = 40cm. Đọc và ghi vào bảng 2 các giá trị dòng quang điện bào hoà I t−ơng ứng với mỗi vị trí r của đèn chiếu. 3
Từ kết quả thu đ−ợc, vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của c−ờng độ dòng quang điện b$o hoà vào nghịch đảo của bình ph−ơng khoảng cách từ đèn chiếu đến tế bào quang điện : I ~ 1/r2 Ghi chú : Cho biết độ dọi sáng vào tế quang điện do đèn chiếu gửi đến tỉ lệ nghịch với bình ph−ơng khoảng cách từ đèn chiếu đến tế bào quang điện. 3. Xác định hằng số Planck :
Đặt đèn chiếu ở vị trí r = 40cm.
Chuyển mạch thang đo dòng điện (3) đặt ở vị trí x0,001.
Lắp kính lọc sắc màu đỏ (b−ớc sóng λ = 635nm) vào cửa sổ của tế bào quang điện.
Xoay nhẹ núm điều chỉnh điện áp (5) về vị trí tận cùng trái (hiệu điện thế đặt vào hai cực của tế bào quang điện bằng 0V)
Bật đèn chiếu sang vị trí STRONG (sáng mạnh).
Gạt chuyển mạch (2) về vị trí CURRENT để đo dòng quang điện ban đầu.
Gạt chuyển mạch chiều dòng điện (6) về vị trí có dấu - (đảo chiều điện áp đặt giữa hai cực của tế bào quang điện để tạo ra hiệu điện thế cản).
Xoay nhẹ núm điều chỉnh điện áp (5) để tăng dần hiệu thế cản cho đén khi cq−ờng độ dòng quang điện giảm tới giá trị bằng 0 .
Gạt chuyển mạch (2) về vị trí VOLTAGE để đọc giá trị của hiệu điện thế cản UC và ghi vào bảng 3 cùng với giá trị b−ớc sóng λ t−ơng ứng .
Lần l−ợt thay kính lọc sắc đỏ bằng kính lọc sắc vàng (λ = 570nm) và kính lọc sắc lục (λ = 540nm) , rồi lặp lại các b−ớc thí nghiệm trên với mỗi kính lọc sắc đ$ cho. Đọc và ghi các kết quả thí nghiệm vào bảng 3.
Nhấn công-tắc của đèn chiếu và công- tắc nguồn về vị trí OFF để ngắt điện cho thiết bị. Tháo các kính lọc sắc, xếp cẩn thận vào hộp xốp và đậy nắp che cửa sổ của tế bào quang điện. VI. Kết quả thí nghiêm : 1. Bảng 1. Vẽ đặc tuyến vôn-ampe của tế bào quang điện chân không : TT Hiệu điện thế C−ờng độ dòng điện TT Hiệu điện thế C−ờng độ dòng điện 1 0 9 4,0 2 0.5 10 4,5 3 1,0 11 5,0 4 1.5 12 6,0 5 2,0 13 7,0 6 2.5 14 8,0 7 3,0 15 9,0 8 3.5 16 10,0 2. Bảng 2. Nghiên cứu định luật dòng quang điện b:o hoà : 4 TT Vị trí r (cm) C−ờng độ dòng điện ( nA) TT Vị trí r (cm) C−ờng độ dòng điện ( nA) 1 40 7 28 2 38 8 26 3 36 9 24 4 34 10 22 5 32 11 20 6 30 12 18 3. Bảng 3. Đo hiệu điện thế cản và xác đinh hằng số Planck: TT Kính lọc sắc B−ớc sóng λ (nm) Tần số ν (Hz) Hiệu điện thế cản UC (V) 1 đỏ 2 vàng 3 lục 4. Vẽ các đồ thị t−ơng ứng với các bảng 1, 2 , 3. Rút ra các kết luận về các định luật quang điện đ−ợc nghiệm qua các thí nghiệm nói trên. 5. Từ đồ thị mô tả quan hệ giữa tần số ν của ánh sáng đơn sắc chiếu vào tế bào quang điện và hiệu điện thế cản t−ơng ứng. Tính hằng số Planck và công thoát của êlectrôn theo ph−ơng trình Einstein : hν = A + eUC , trong đó ν = c/λ và A là công thoát của êlectrôn.