BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN QUANG XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ PLANCK

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN QUANG HKI 2022 2023 BÀI 9 XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ PLANCK Hiện diện Điểm 1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Xác định hằng số Planck bằng hiện tượng quang điện ngoài của tế bào quang điện từ hiệu đi.

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN - QUANG HKI 2022 - 2023 BÀI 9: XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ PLANCK Hiện diện Điểm MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Xác định số Planck tượng quang điện tế bào quang điện từ hiệu điện hãm ứng với bước sóng khác ánh sáng kích thích BỐ TRÍ, DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM 2.1 Bố trí thí nghiệm Các dụng cụ thí nghiệm bố trí hình 2, volt kế mắc song song với nguồn điện dùng để đo điện áp đầu tế bào quang điện Micro Ampe kế mắc nối tiếp với tế bào quang điện dùng để đo cường độ dịng electron quang điện Hình Sơ đồ mạch điện Hình Bố trí thí nghiệm 2.2 Dụng cụ thí nghiệm ST T Tên dụng cụ Hình ảnh Cơng dụng minh họa BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN - QUANG HKI 2022 - 2023 Tế bào quang điện chân Dụng cụ để khảo sát tượng không loại Cs – Sb, quang điện Khi chiếu ánh sáng thích dịng điện tối đa khơng hợp electron bật tạo dòng quang lớn 3nA điện Tác sắc ánh sáng tới (Không sử dụng Lăng kính thí nghiệm) Hội tụ chùm ánh sáng đơn sắc giúp tăng Thấu kính hội tụ tiêu cự cường độ ánh sáng chiếu đến tế bào f = +100mm quang điện Điều chỉnh cường độ chùm sáng tới Khe hẹp (Khơng sử dụng thí nghiệm) Thay đèn dây tóc Dùng để cấp Đèn thủy ngân 12V/ nguồn ánh sáng thực thí nghiệm 35W tượng quang điện (Không sử dụng thí nghiệm) Thay đổi ánh sáng đơn sắc có bước sóng khác nhau, tần số khác Ánh Kính lọc sắc sáng qua kính lọc sắc chuyển thành ánh sáng đơn sắc có bước sóng xác định BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN - QUANG HKI 2022 - 2023 Nguồn điều chỉnh điện Cấp điều chỉnh hiệu điện áp chiều chiều Đo cường độ dòng điện (cường độ dòng Micro Ampere kế electron quang điện) Dùng để đảo chiều điện áp từ điện áp Công tắc đảo chiều điện thuận sang điện áp nghịch ngược lại áp để tìm hiệu điện hãm Đỡ dụng cụ tế bào quang điện, 10 Giá đỡ 11 Dây nối Nối mạch điện tạo thành mạch điện kín 12 Đồng hồ đa Đo hiệu điện chiều khe hẹp, thấu kính, nguồn sáng, … CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 3.1 Các bước tiến hành thí nghiệm Bước 1: Cung cấp nguồn điện cho đèn thủy ngân (Trong ta thay đèn dây tóc), cho ánh sáng qua kính lọc màu chọn chiếu vào tế bào quang điện BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN - QUANG HKI 2022 - 2023 Bước 2: Điều chỉnh khoảng cách thấu kính hội tụ cho ánh sáng qua hội tụ tế bào quang điện Bước 3: Mắc mạch điện hình vẽ: Bật nguồn, điều chỉnh điện áp chiều Micro ampe kế Vặn nút điều chỉnh tăng hiệu điện thế, quan sát vào ampe kế thấy dòng điện tăng đến giá trị xác định khơng tăng Đây giá trị dịng điện bão hòa Ibh, ghi nhận giá trị Ibh, Ubh Bước 4: Gạc chốt đổi hai cực điện nguồn với tế bào quang điện Vặn nút để giảm dần đến Micro ampe kế số Số hiển thị hình đồng hồ vạn lúc giá trị hiệu điện hãm Uh Bước 5: Thực hiệu nhiều lần đo (khoảng 10 lần) với bước sóng ứng với kính lọc màu    460  1 nm    520  1 nm chọn: màu chàm , màu lục 3.2 Chứng minh sai số 3.2.1 Chứng minh sai số  Ta có: c   Lấy ln vế: ln  ln c  ln  Lấy vi phân toàn phần vế: d d c d     c  Từ ta suy biểu thức tính sai số tương đối là:  3.2.2 Chứng minh sai số h  c     c  Ta có số Planck thí nghiệm xác định biểu thức sau: BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN - QUANG he HKI 2022 - 2023 U h1  U h2   Lấy ln vế:   ln h  ln e  ln U h1  U h2  ln     Lấy vi phân toàn phần vế:   d     dh de d U h1  U h2    h e U h1  U h2   Từ ta suy biểu thức tính sai số tương đối là:  h e U h1  U h2       h e U h1  U h2   KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM U h1  V  Lần đo 10 Trung bình  Kính lọc màu chàm 1   460  1 nm U h1  V  0,5142 0,5144 0,5146 0,5144 0,5143 0,5143 0,5142 0,5142 0,5143 0,5142 0,00011 0,00009 0,00029 0,00009 0,00001 0,00001 0,00011 0,00011 0,00001 0,00011 U h1  0,51431 U h1  0, 000094 U h1  U h1  U h1  dc  0, 000094  0, 0001  1,94.10 4  0,00019V  U h1  U h1  U h1   0,51431  0,00019  V 1  c 3.108   625,174.1012 Hz 9 1 460.10 1   c 1 1      2, 2.103  0, 22% 1 c 1 3.10 460    1.  2, 2.103.625,174.1012  1,375.1012 Hz         625,174  1,375  1012 Hz BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN - QUANG Kính lọc màu lục HKI 2022 - 2023 2   520  1 nm Lần đo U h2  V  U h2  V  10 Trung bình 0,3237 0,3235 0,3235 0,3237 0,3235 0,3235 0,3236 0,3235 0,3236 0,3237 0,00012 0,00008 0,00008 0,00012 0,00008 0,00008 0,00002 0,00008 0,00002 0,00012 U h2  0,32358 U h2  0, 00008  U h2  U h2  U h2  dc  0, 00008  0, 0001  0, 00018V  U h2  U h2  U h2   0, 32358  0, 00018  V 2  c 3.108   576,923.1012 Hz 9 520.10 2 2   c 2 1      1, 9.10 3  0,19% 3.10 520 2 c 2       1, 9.103.576,923.1012  1, 096.1012 Hz         576,923  1, 096  1012 Hz  Hằng số Planck: he   U h1  U h2 v1  v2  1, 6022.1019 0,51431  0,32358  6,325.1034 J.s 12  625,174  576,923 10 h e U h1  U h2       h e U h1  U h2   0, 001 0,00019  0, 00018 1,375  1, 096    6,5.103  0, 65% 1, 602 0,51431  0,32358 625,174  576,923  h   h  6,5.103.6,325.1034  4,1.10 36  0, 041.10 34 J.s Vậy h   6,325  0, 041 1034 J.s  Kết số Planck đo được, đối chiếu với giá trị lý thuyết  Kết số Planck đo được: h   6,325  0, 041 1034 J.s BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN - QUANG   HKI 2022 - 2023 34 Giá trị lí thuyết số Planck: hlt  6, 625.10 J.s Đối chiếu với giá trị lý thuyết, tính độ sai lệch tỉ đối: 6,325  1034  6, 625.1034 h  hlt    4,5% hlt 6, 625.1034 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN * Nhận xét: - Giá trị đo số Planck thực nghiệm phù hợp với giá trị lí thuyết với độ lệch tỉ đối nhỏ (4,5%) Vì sai số 4,5% nên giá trị thu từ thí nghiệm có giá trị chấp nhận thao tác đo xem tiến hành thí nghiệm có độ xác cao - Hằng số Planck xác định cách khớp hàm đồ thị dạng tuyến tính có giá trị gần với giá trị số Planck tính từ cơng thức: he U h1  U h e U h1  U h  v1  v2 c 1  1 2 * Nguyên nhân sai số: - Một số nguyên nhân gây sai số việc xác định giá trị hiệu điện hãm chưa micro ampe kế khơng ổn định mức 0µA người thực thí nghiệm - Giá trị bước sóng kính lọc sắc có giá trị khơng xác tuyệt đối trình chế tạo nhà sản xuất, cường độ ánh sáng chiếu đến tế bào quang điện yếu, * Cách khắc phục: Để khắc phục nguyên nhân gây sai số, người thực thí nghiệm cần phải: + Điều chỉnh vị trí kính lọc sắc đặt sát tế bào quang điện để tránh ánh sáng từ bên chiếu vào tế bào quang điện gây nhiễu giá trị đo + Đặt quang cụ đồng trục để ánh sáng từ nguồn chiếu vào tế bào quang điện + Điều chỉnh từ từ nút tinh chỉnh nguồn điện để cường độ dòng điện qua micro ampe kế vừa vặn đạt tới giá trị 0µA TRẢ LỜI CÂU HỎI Nhiệm vụ học tập 1: Sinh viên quan sát dụng cụ thí nghiệm kết hợp đọc tài liệu thí nghiệm giới thiệu thí nghiệm để hồn thành u cầu sau: BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN - QUANG HKI 2022 - 2023 Nêu tên trình bày rõ vai trò phận đánh số từ đến Hình 9.2 Tiến hành lắp đặt dụng cụ lên giá quang học Giải thích cần bố trí dụng cụ Hình 9.2 Nêu tên trình bày rõ vai trị phận đánh số từ đến Hình 9.2 ST T Công dụng Tên Nguồn điều chỉnh điện áp Điều chỉnh điện áp catode anode để xác định chiều Tế bào quang điện hiệu điện hãm Tạo electron quang điện có ánh sáng thích hợp chiếu vào Thấu kính hội tụ tiêu cự f Hội tụ chùm sáng đơn sắc chiếu đến để cường độ chùm sáng = +100mm Khe hẹp Kính lọc sắc Lăng kính Đèn thủy đến tế bào quang điện lớn Thực tế khơng dùng thí nghiệm Cho ánh sáng có bước sóng phù hợp qua Thực tế khơng dùng thí nghiệm ngân Đóng vai trị nguồn sáng 12V/35W BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN - QUANG HKI 2022 - 2023 Tiến hành lắp đặt dụng cụ lên giá quang học Giải thích cần bố trí dụng cụ Hình 9.2 Ta cần phải bố trí dụng cụ hình để đảm bảo dụng cụ đồng trục với nhau, giúp ánh sáng từ nguồn sáng qua thấu kính hội tụ truyền thẳng tập trung để gia tăng cường độ ánh sáng vào tế bào quang điện Qua ánh sáng tới tế bào quang điện (Tế bào quang điện chân không loại Cs -Sb) tạo dòng quang điện Nhiệm vụ học tập 2: Sinh viên sau lắp đặt dụng cụ thí nghiệm giá, hồn thành u cầu sau: Lựa chọn kính lọc màu bất kì, ghi nhận giá trị bước sóng kính Trình bày ngắn gọn bước tiến hành thí nghiệm Tiến hành thí nghiệm đo hiệu điện hãm với kính lọc màu kẻ bảng số liệu giá trị cần đo đạc, tính giá trị trung bình sai số phép đo Lưu ý: sinh viên lấy số liệu 10 lần cho lần đo Lập bảng số liệu tính số Planck dựa vào cơng thức 9.5 Trình bày kết số Planck đo được, đối chiếu với giá trị lý thuyết Nhận xét kết thí nghiệm Lựa chọn kính lọc màu bất kì, ghi nhận giá trị bước sóng kính Vì phịng thí nghiệm có sẵn loại kính màu chàm màu lục nên ta có bước sóng kính lọc sắc sau: BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN - QUANG - Kính lọc màu chàm: - Kính lọc màu lục: HKI 2022 - 2023 1   460  1 nm 1   520  1 nm Trình bày ngắn gọn bước tiến hành thí nghiệm (Phần 3) Tiến hành thí nghiệm đo hiệu điện hãm với kính lọc màu kẻ bảng số liệu giá trị cần đo đạc, tính giá trị trung bình sai số phép đo Lưu ý: sinh viên lấy số liệu 10 lần cho lần đo (Phần 4) Lập bảng số liệu tính số Planck dựa vào cơng thức 9.5 (Phần 4) Trình bày kết số Planck đo được, đối chiếu với giá trị lý thuyết Nhận xét kết thí nghiệm (Phần 5) Nhiệm vụ học tập 3: Sinh viên hoàn thành yêu cầu sau: Lập bảng số liệu hiệu điện hãm theo tần số kính lọc màu Vẽ đồ thị phụ thuộc hiệu điện hãm theo tần số ứng với tần số kính lọc màu Gợi ý: Vẽ Excel Xác định số Planck sau khớp hàm với đồ thị Nhận xét kết số Planck hoạt động học tập với giá trị số Planck hoạt động học tập Lập bảng số liệu hiệu điện hãm theo tần số kính lọc màu Tần số kính lọc màu Hiệu điện hãm (Hz) (V) 6, 52.1014 0,51431 5, 77.1014 0,32358 Màu chàm 1   460  1 nm Màu lục 2   520  1 nm 10 BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN - QUANG 11 HKI 2022 - 2023 BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN - QUANG HKI 2022 - 2023 Vẽ đồ thị phụ thuộc hiệu điện hãm theo tần số ứng với tần số kính lọc màu a) Đồ thị phụ thuộc hiệu điện hãm theo tần số ứng với tần số kính lọc màu Ta có hàm tuyến tính : y = a + bx Trong : x f   Ath c h ; y  Uh; a  ;b   e e  x1 ; y1    6, 52.1014 ;0,51431   14  x2 ; y2    5, 77.10 ; 0,32358  Đồ thị hàm tuyến tính y = a + bx qua điểm: Thế vào hàm tuyến tính: a  1, 63  15 b  4,185.10 15 Vậy đồ thị có phương trình y  1, 63  4,185.10 x b) Vẽ đồ thị Excel Hằng số Planck sau khớp hàm với đồ thị Từ đồ thị, ta xác định số Planck cách khớp hàm dạng tuyến tính, đó: b h  h  b.e  4,185.1015.1, 6022.10 19  6, 704.1034 J.s e Độ lệch tỉ đối h tính từ đồ thị so với giá trị lí thuyết: 12 BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN - QUANG  h  hlt hlt  6, 704.1034  6,625 1034 6, 625 10 34 HKI 2022 - 2023  1, 2% Nhận xét kết số Planck hoạt động học tập với giá trị số Planck hoạt động học tập Hằng số Planck xác định cách khớp hàm đồ thị dạng tuyến tính có giá trị h  6, 704.1034 J.s gần với giá trị số Planck h  6,325.1034 J.s tính từ công thức he U h1  U h e U h1  U h  v1  v2 c 1  1 2 Thử thách: Sinh viên đề xuất phương pháp khác để xác định số Planck? Dụng cụ, bố trí thí nghiệm: Các dụng cụ gồm có: - Điện trở R  100 - Biến trở R   500 - Các loại đèn LED phát ánh sáng màu lam, lục, đỏ trắng, loại có đường kính khoảng 6mm thơng dụng thị trường - Hai đồng hồ vạn - Một cục pin - Các dây nối - Nguồn điện (ở ta sử dụng đèn Flash điện thoại) Sơ đồ cách bố trí thí nghiệm : Các bước tiến hành thí nghiệm: Bước 1: Bật đèn Flash điện thoại, cho ánh sáng qua đèn LED cách đóng khóa K bóng đèn cần đo Bước 2: Mắc mạch điện hình vẽ Bật nguồn, nối dây vào nguồn điện chiều (pin) nối dây vào máy đo đồng hồ đa Điều chỉnh dây dẫn để thay đổi điện trở biến trở R để 13 BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN - QUANG HKI 2022 - 2023 thay đổi giá trị hiệu điện thế, quan sát vào ampe kế thấy dòng điện tăng đến giá trị xác định khơng tăng Đây giá trị dòng điện bão hòa Ibh, ghi nhận giá trị Ibh, Ubh Bước 3: Tiếp tục thay đổi giá trị điện trở biến trở R2 đến số ampe kế số Số hiển thị hình đồng hồ vạn lúc giá trị hiệu điện hãm U h Bước 4: Thực hiệu nhiều lần đo (khoảng 10 lần) với bước sóng ứng với đèn LED lam, lục, đỏ, trắng Bước 5: Xác định giá trị số Planck đồ thị thể phụ thuộc hiệu điện hãm theo tần số ứng với tần số đèn LED Với đồ thị hàm tuyến tính y = ax + b Qua ta xác định số Planck cách khớp hàm tuyến tính Trong đó: x f  A c h ; y  U h ; a  ; b   th  e e Thu thập số liệu so sánh với giá trị thực, sau đưa nhận xét: Lần đo a LED phát sáng màu… b Uh  V H  J.s  h  h  h TÀI LIỆU THAM KHẢO  Tổ Vật lý Đại cương (HKI 2019 – 2020) Tài liệu Thí nghiệm Điện – Quang Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh  Tổ Vật lý Đại cương (2020) Thí nghiệm Vật lý Đại cương Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh  Tổ Vật lý Đại cương (2020) Tài liệu bổ trợ - Học phần thực hành Vật lý Đại cương Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh  Nguyễn Trần Trác (chủ biên) (2005) Giáo trình Quang học NXB ĐH Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh, tr.144-207 14 ...  520  1 nm 10 BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN - QUANG 11 HKI 2022 - 2023 BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN - QUANG HKI 2022 - 2023 Vẽ đồ thị phụ thuộc hiệu điện hãm theo tần số ứng với tần số kính lọc màu a)... dụng cụ thí nghiệm kết hợp đọc tài liệu thí nghiệm giới thiệu thí nghiệm để hồn thành u cầu sau: BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN - QUANG HKI 2022 - 2023 Nêu tên trình bày rõ vai trị phận đánh số từ đến... Kết số Planck đo được, đối chiếu với giá trị lý thuyết  Kết số Planck đo được: h   6,325  0, 041 1034 J.s BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN - QUANG   HKI 2022 - 2023 34 Giá trị lí thuyết số Planck: