Thí nghiệm vật lý Bài KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN I MỤC ĐÍCH - - Khảo sát tượng quang điện chất hạt ánh sáng, hiểu ứng dụng tượng linh kiện điện tử led, laser, photodiode, thiết bị đầu cuối hệ thống Viễn thông ổ đọc ghi đĩa quang máy tính Vẽ đặc tuyến von-ampe tế bào quang điện Nghiệm lại định luật quang điện Xác định số Planck II CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hiện tượng quang điện hiệu ứng bắn electron từ kim loại dọi vào kim loại chùm sáng có bước sóng thích hợp Các electron bắn gọi electron quang Electron kim loại muốn ngồi kim loại phải có lượng cơng Ath electron kim loại Bình thường động chuyển động nhiệt electron nhỏ Ath Khi xạ điện từ thích hợp dọi tới, electron tự kim loại hấp thụ photon Mỗi photon có lượng hf Năng lượng phần chuyển thành cơng Ath phần lại chuyển thành động ban đầu electron quang Động ban đầu lớn electron gần bề mặt kim loại kết động ban đầu cực đại với quang electron sát bề mặt kim loại Theo định luật bảo tồn lượng ta có: mv h Ath max Ath Wd max (1) Khi chiếu vào catốt ánh sáng có bước sóng thích hợp mạch xuất dòng quang điện Muốn cho dòng quang điện triệt tiêu hồn tồn phải đặt vào anốt catốt hiệu điện cản Sự tồn hiệu điện cản chứng tỏ bật khỏi mặt kim loại, electron quang có vận tốc ban đầu v0 Điện trường cản mạnh Hình đến mức electron có vận tốc ban đầu lớn v 0max không bay đến anốt Lúc dòng quang điện triệt tiêu hồn tồn cơng điện trường cản có giá trị động ban đầu cực đại electron quang: Wđmax = eUh (2) Uh hiệu điện làm cho dòng quang điện triệt tiêu hồn tồn, gọi hiệu điện hãm Kết hợp phương trình (1) (2) ta có: Thí nghiệm vật lý hf Ath eU h A h f th e e Đồ thị biểu diễn phụ thuộc hiệu điện hãm vào tần số ánh sáng kích thích có dạng hình Uh III THIẾT BỊ VÀ TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM III.1 DỤNG CỤ: Thiết bị nghiên cứu hiệu ứng quang điện xác định số Planck, với thông số: Tế bào quang điện chân không loại Cs-Sb , dòng điện tối khơng lớn 3nA Bộ gồm kính lọc sắc: 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 635nm, 570nm, 540nm, 500nm, 460nm III.2 THIẾT BỊ ĐO: (1).Đồng hồ thị dòng điện hiệu điện (2) Chuyển mạch thay đổi hai kiểu làm việc đồng hồ: Đo dòng điện (Current), Đo hiệu điện (Voltage) (3).Chuyển mạch chọn thang đo dòng điện : Vị trí x1 đo cường độ dòng quang điện có giá trị 10-6A Vị trí x 0.1 đo cường độ dòng quang điện có giá trị 10-7A Vị trí x 0.01 đo cường độ dòng quang điện có giá trị 10-8A Vị trí x0.001 đo cường độ dòng quang điện có giá trị 10-9A Thí nghiệm vật lý (4).Chuyển mạch chọn cường độ sáng đèn vào mạch điện tế bào quang điện chiếu, có vị trí : (7) Cơng-tắc nguồn, có vị trí : bật điện (ON) Vị trí đèn sáng mạnh (STRONG) tắt điện (OFF) Vị trí ngắt điện đèn chiếu sáng (OFF) (8).Đèn báo hiệu Vị trí đèn sáng yếu (WEAK) (9) Hộp kín, bên có tế bào quang điện (5).Núm điều chỉnh hiệu điện chiều (10) Đèn chiếu sáng, có hai chế độ làm việc cung cấp cho mạch điện tế bào quang (sáng mạnh, sáng yếu) trượt dọc theo ray để thay đổi khoảng cách đến tế bào quang điện, thay đổi từ đến 15V điện (6).Chuyển mạch thay đổi chiều điện áp đặt III.3 TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM: Chuẩn bị thí nghiệm: Chuyển mạch (4) bật vị trí WEAK (đèn sáng yếu) Nới lỏng ốc giữ đèn chiếu cho dịch chuyển đèn chiếu nhẹ nhàng đường ray để thay đổi khoảng cách đèn chiếu tế bào quang điện Đặt đèn chiếu 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 sẵn sàng hoạt động Quan sát bóng đèn chiếu thắp sáng (yếu) Tháo nắp che tế bào quang điện thay kính lọc sắc màu đỏ Vẽ đặc tuyến vôn-ampe tế bào quang điện: Lắp kính lọc sắc màu đỏ vào cửa sổ tế bào quang điện Chuyển mạch cường độ sáng (4) đặt vị trí WEAK (sáng yếu) Dịch chuyển đèn chiếu đến vị trí 18cm Gạt chuyển mạch chiều điện áp (6) vị trí + Đặt chuyển mạch thang đo dòng điện (3) vị trí x0,1 Xoay nhẹ núm điều chỉnh điện áp (5) tận trái (ứng với hiệu điện ban đầu 0V) Muốn đo hiệu điện thế, ta gạt chuyển mạch (2) 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 0,5V một, từ 0V đến 10V Đọc ghi giá trị dòng quang điện tương ứng vào bảng Từ kết thu được, vẽ đồ thị biểu diễn phụ thuộc cường độ dòng quang điện vào hiệu điện đặt anốt catốt tế bào quang điện Xác định hiệu bắt đầu dòng quang điện bão hồ 3 Nghiên cứu định luật dòng quang điện bão hồ : Giữ ngun kính lọc sắc đỏ lắp cửa sổ tế bào quang điện Đèn chiếu để vị trí r = 18 cm Điều chỉnh hiệu điện hai cực tế bào quang điện 10V Đọc ghi giá trị dòng quang điện tương ứng vào bảng vị trí r = 18cm Thí nghiệm vật lý Tăng dần khoảng cách đèn chiếu tế bào quang điện 2cm một, từ vị trí r = 18cm đến vị trí r = 40cm Đọc ghi vào bảng giá trị dòng quang điện bào hồ I tương ứng với vị trí r đèn chiếu Từ kết thu được, vẽ đồ thị biểu diễn phụ thuộc cường độ dòng quang điện bão hồ vào nghịch đảo bình phương khoảng cách từ đèn chiếu đến tế bào quang điện : I ~ 1/r2 Ghi chú: Cho biết độ dọi sáng vào tế quang điện đèn chiếu gửi đến tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách từ đèn chiếu đến tế bào quang điện Xác định số Planck : Đặt đèn chiếu vị trí r = 40cm Chuyển mạch thang đo dòng điện (3) đặt vị trí x0,001 Lắp kính lọc sắc màu đỏ (bước sóng = 635nm) vào cửa sổ tế bào quang điện Xoay nhẹ núm điều chỉnh điện áp (5) vị trí tận trái (hiệu điện đặt vào hai cực tế bào quang điện 0V) Bật đèn chiếu vừa đủ sáng (đèn sáng bị cháy) Gạt chuyển mạch (2) vị trí CURRENT để đo dòng quang điện ban đầu Gạt chuyển mạch chiều dòng điện (6) vị trí có dấu - (đảo chiều điện áp đặt hai cực tế bào quang điện để tạo hiệu điện cản) Xoay nhẹ núm điều chỉnh điện áp (5) để tăng dần hiệu cản cường độ dòng quang điện giảm tới giá trị Gạt chuyển mạch (2) vị trí VOLTAGE để đọc giá trị hiệu điện hãm U h ghi vào bảng với giá trị bước sóng tương ứng Lần lượt thay kính lọc sắc đỏ kính lọc sắc vàng ( = 570nm) kính lọc sắc lục ( = 540nm) , lặp lại bước thí nghiệm với kính lọc sắc cho Đọc ghi kết thí nghiệm vào bảng Nhấn cơng-tắc đèn chiếu cơng-tắc nguồn vị trí OFF để ngắt điện cho thiết bị Tháo kính lọc sắc, xếp cẩn thận vào hộp xốp đậy nắp che cửa sổ tế bào quang điện IV CÂU HỎI KIỂM TRA Định nghĩa tượng quang điện Hiện tượng quang điện chứng tỏ chất ánh sáng? Tại sao? Phát biểu ba định luật quang điện dùng thuyết photon Einstein để giải thích ba định luật quang điện Nêu phương pháp nghiên cứu định luật dòng quang điện bão hòa Mối liên hệ cường độ dòng quang điện khoảng cách từ nguồn sáng đến tế bào quang điện nào? Thế hiệu điện hãm? Nêu phương pháp xác định số Planck thí nghiệm Thí nghiệm vật lý BÁO CÁO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Trường Lớp Tổ Họ tên Xác nhận giáo viên I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM II KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Bảng Vẽ đặc tuyến vôn-ampe tế bào quang điện: I ( A) x 0,1 TT U (V ) U (V ) 4,0 0.5 10 4,5 1,0 11 5,0 1.5 12 6,0 2,0 13 7,0 2.5 14 8,0 3,0 15 9,0 3.5 16 10,0 I ( A) x 0,1 Bảng Nghiên cứu định luật dòng quang điện bão hoà I bh : I bh ( A) x 0,1 TT Vị trí r (cm) 18 30 20 32 22 34 24 10 36 26 11 38 Vị trí r (cm) I bh ( A) x 0,1 28 12 40 Bảng Đo hiệu điện hãm xác đinh số Planck: Thí nghiệm vật lý TT Kính Bước sóng Tần số Hiệu điện hãm lọc sắc (nm) f ( Hz ) U h (V ) đỏ 635 vàng 570 vàng lục 540 lục 500 lam 460 Vẽ đồ thị I (U ); I bh ( ) ; U h ( f ) tương ứng với bảng 1, 2, r2 Rút kết luận định luật quang điện nghiệm qua thí nghiệm Từ đồ thị mô tả quan hệ tần số f ánh sáng đơn sắc chiếu vào tế bào quang điện hiệu điện hãm tương ứng, tính số Planck h cơng êlectrơn theo phương trình Einstein: hf = A + eU h , f = c/ A cơng êlectrơn Tính sai số theo cơng thức hLT hTN hLT 100% ... trí OFF để ngắt điện cho thiết bị Tháo kính lọc sắc, xếp cẩn thận vào hộp xốp đậy nắp che cửa sổ tế bào quang điện IV CÂU HỎI KIỂM TRA Định nghĩa tượng quang điện Hiện tượng quang điện chứng tỏ... anốt catốt tế bào quang điện Xác định hiệu bắt đầu dòng quang điện bão hồ 3 Nghiên cứu định luật dòng quang điện bão hồ : Giữ nguyên kính lọc sắc đỏ lắp cửa sổ tế bào quang điện Đèn chiếu... định luật quang điện dùng thuyết photon Einstein để giải thích ba định luật quang điện Nêu phương pháp nghiên cứu định luật dòng quang điện bão hòa Mối liên hệ cường độ dòng quang điện khoảng