<<< ВСЕ МАТЕРИАЛЫ
11 класс. Виртуальный эксперимент
"Исследование фотоэффекта: II закон Столетова. Запирающее напряжения"
Для дистантного обучения. © 2019. Смирнов Н.В.

Перед тем, как приступить к виртуальным экспериментам полезно, не торопясь, ознакомитьмя с интерактивной презенитацией по этой теме (см. ЗДЕСЬ).
                             
                   
                                               
                                                       
Материал катода
Длина волны света, нм 1000 760 600 570 540 490 460 380 240
Батарея
Напряжение,В
Мощность лампы, мВт

Исследование фотоэффекта: II закон Столетова. Феномен запирающего напряжения. Причём тут энергия фотоэлектронов? Как она зависит (не зависит) от интенсивности и частоты падающего света?
После исследования поведения своей установки при положительных наряжениях, Столетов стал исследовать протекание фототока при отрицательных. Так был открыт феномен запирания - прекращения тока в схеме при подаче некоторого отрицательного потенциала на анод. Было замечено, что от потенциала катода сам фотоэффект не зависит, но при определённом отрицательном напряжении вылетевшие электроны тормозятся этим полем и возвращаются обратно на катод. Ток в этом случае, понятно, прекращается. От чего же зависит это запирающее напряжение? Точнее от чего зависит энергия останавливаемых этим напряжением электронов?
Таким образом во второй серии опытов Александр Григорьевич искал связь между энергией выбиваемых из металла электронов и частотой падающей световой волны, а также влиянием на эту энергию интенсивности света. Многим тогда казалось очевидным, что чем ярче свет, чем больше амплитуда падающей световой волны, тем больше должна быть энергия выбитых ею электронов.
Повторив (виртуально) опыты Столетова, вы сильно удивитесь полученным результатом.
В этих экспенрисентах яркость света изменить легко, меняя мощность лампы, частоту цвета легко задавать через цвет лучей (воспользовавшись светофильтром нужного цвета). С помощью отрицательного напряжения в установке он затормаживал электроны до полной остановки, и, как только прекращался ток, он записывал показания вольтметра. Так как Uзапир·e = mv2/2, то он получил превосходный способ знать максимальную кинетическую энергию электронов по измерению запирающего напряжения. Мы проделаем эти опыты!
Электронная модель установки Столетова. На рисунке слева вы видите стеклянную колбу, из которой откачан воздух для свободного движения электронов в колбе. В неё впаяны два электрода: левый назовём анодом (к нему будут лететь электроны), а правый - катодом (он будет излучать электроны под действием света). Металл катода виртуальной установки можно менять с помощью опции "Материал катода".
Цветной шарик с двумя лучиками символически обозначает источник света, цвет которого можно менять (включая инфракрасное излучение - крайняя метка слева, а также ультрафиолетовое - крайняя метка справа), кликая по цветным меткам.
Можно перемещать движок реостата, задавая напряжение на аноде с помощью опции "Напряжение" от 0 до 5 вольт. Можно также менять источник тока полюсами с помощью опции "Батарея". Таким образом можно подавать на анод не только положительное напряжение для разгона электронов, но и отрицательное для их торможения вплоть до запирающего напряжения Uзапир.
Миллиамперметр и вольтметр позволяют судить о силе тока и напряжении в этой установке.
С помощью опции "Мощность лампы" можно регулировать световой поток, падающий на катод.
Задание: Используя виртуальную установку для опытов Столетова, пронаблюдать, что будет, если частоту света увеличить (изменив длину волны или "цвет"), то как себя поведёт при неизменном световом потоке (неизменной мощности лампы) запирающее напряжение Uзапир, а, следовательно, и кинетическая энергия фотоэлектронов.
Этот закон мы увидим на графике Uзапир(ν) или mv2/2(ν). Для получения графика выберем в качестве катода, например, калий; мощность лампы оставим 1 мВт; батарею поменяем полюсами (опция "-") для торможения электронов. Напряжение, при которм выбитые светом электроны возвращаются к катоду (Uзапир), позволит судить о кинетической энергии электронов: Uзапир·e = mv2/2,
Эксперимент: меняя цвет падающего света, будем подбирать отрицательное напряжение на аноде, начиная с 0 так, чтобы достичь запирания схемы (прекращения тока). Сначала можно менять напряжение через 1 вольт (не забывая каждый раз нажать кнопку "Принять изменения"), однако приближаясь к значению тока, равному 0, следует менять напряжение более медленно вплоть до 0.1 В. Значение длины волны и запирающего напряжения занесём в тавлицу. Длину волны удобно начинать задавать с ультрафиолета, двигаясь в сторону всё большей длины волны.
Получаемые вами результаты следует округлять по правилам приближённых вычислений с погрешностью не более 10%.
Уменьшите мощность лампы наполовину. Повторите те же измерения. Заметьте, как изменились показания приборов.
По полученным данным постройте график Uзапир(ν) и ответьте на контрольные вопросы; нажмите кнопку "Отвечаю". Справа от поля оценки появится примерный вид графика Uзапир(ν), чтобы вы могли сравнить его со своим. С появившимся гоафиком можно "поиграть", выбирая разные материалы для катода и нажимая кнопку "Принять изменения".

№ опыта 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Мощность лампы, Р (мВт) 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 0.5 0.5 0.5 0.5
Длина волны света, λ (нм) 240 380 460 490 540 240 380 460 490
Частота света, ν (·1012 Гц)                  
Запирающее напряжение, Uзапир (В)                  

1. Как зависит от интенсивности падающего света (при неизменной длине волны) энергия фотоэлектронов?
1. Чем больше интенсивность падающего света, тем больше энергия фотоэлектронов.
2. Чем больше интенсивность падающего света, тем меньше энергия фотоэлектронов.
3. Энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света.
Ответ №:
2. Как зависит от интенсивности падающего света (при неизменной длине волны) число фотоэлектронов?
1. Чем больше интенсивность падающего света, тем больше число фотоэлектронов.
2. Чем больше интенсивность падающего света, тем меньше число фотоэлектронов.
3. Число фотоэлектронов не зависит от частоты падающего света.
Ответ №:
3. Как зависит от частоты падающего света энергия фотоэлектронов?
1. Прямо. Чем больше частота падающего света, тем больше энергия выбитых электронов.
2. Линейно. Начиная с частоты "красной границы" фотоэффекта, чем больше частота падющего света, тем больше энергия выбитых им электронов.
3. Обратно. Чем больше частота падающего света, тем меньше энергия выбитых им электронов.
4. Не зависит никак.
Ответ №:
4. Как зависит от энергии каждого фотона падающего света энергия фотоэлектронов?
1. Прямо. Чем больше частота падающего света, тем больше энергия выбитых электронов.
2. Линейно. Начиная с частоты "красной границы" фотоэффекта, чем больше частота падющего света, тем больше энергия выбитых им электронов.
3. Обратно. Чем больше частота падающего света, тем меньше энергия выбитых им электронов.
4. Не зависит никак.
Ответ №:
5. Определите значение красной границы λкр фотоэффекта для калия.
Ответ: нм
6. Скорость фотоэлектронов, выбиваемых светом с поверхности металла, при увеличении частоты света увеличилась в 2 раза. Как изменился задерживающий потенциал?
Ответ: в раз(а)
7. Почему прекращается ток в установке при уменьшении частоты падающего света ниже "красной границы"?
1. Фотон с энергией меньшей, чем "красная граница", не способен выбить электрон из металла, и тока в установке нет.
2. Фотоны выбивают электроны из металла, но они не долетают до анода, и тока в установке нет.
3. При отрицательном напряжении на аноде электроны не летят к аноду, и тока в установке нет.
Ответ №:
8. Почему прекращается ток в установке при подаче отрицательного запирающего напряжения на анод?
1. Фотон с энергией меньшей, чем "красная границы", не способен выбить электрон из металла, и тока в установке нет.
2. Фотоны выбивают электроны из металла, но их кинетической энергии не достаточно, чтобы преодолеть запирающее напряжение, и тока в установке нет.
3. При отрицательном напряжении на аноде электроны не летят к аноду, и тока в установке нет.
Ответ №:
9. Чем больше интенсивность падающего света, тем больше амплитуда светововй волны, тем больше энергии она может передать выбитым ею электронам. Почему опыт Столетова это не подтверждает (по Столетову энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности света)?
1. Сказывается недостаточная точность результатов опыта Столетова.
2. Чем больше интенсивность падающего на вещество света, тем большая часть его рассеивается, а электронам достаётся лишь часть энергии падающей волны.
3. Волновые представления для света применимы для случая распространения света, а для взаимодействия света с веществом требуется квантовая теория, приводящая к иным результатам, чем волновая теория света.
Ответ №:


ν/1015 Гц