Творческие
лабораторные работы по физике
  
<<< К СОДЕРЖАНИЮ
МЕТОД. ЗАМЕЧАНИЯ
ВЕРСИЯ ДЛЯ ПЕЧАТИВерсия для печати
Л/р № 19. Определение постоянной Планка.

Цель работы: Ознакомиться с одним из методов экспериментальной оценки значения постоянной Планка.

Оборудование: Прибор для измерения длины световой волны с помощью дифракционной решетки, светодиод красного света на подставке, соединительные провода, источник тока, миллиамперметр, вольтметр.

Вводная часть: Работа важна тем, что знакомит вас с экспериментальным методом определения одной из фундаментальных физических констант — постоянной Планка. Эта работа развивает ваш политехнический кругозор, поскольку знакомит вас с физическими основами работы широко внедряемого в настоящее время в различных отраслях техники современного источника света — светодиода.
В основе принципа действия светодиода положено преобразование электроэнергии в излучение, спектр которого может лежать в видимой или инфракрасной области спектра. Светодиодная структура представляет собой электронно-дырочный переход, где материалы так подобраны, что свободные электроны в n-области (эмиттере) имеют меньшую энергию, чем в p-области (базе). Понятно, что эти электроны сами туда не пойдут. При подаче на p - n переход достаточного напряжения в прямой полярности начинается переход электронов из эмиттера в базу, также и дырки начинают переходить из базы в эмиттер. В соответствии с квантовой теорией электрон, перешедший в базовую область, рекомбинируя с дыркой (опускаясь из зоны проводимости с высокой энергией в валентную зону с низкой энергией), испускает квант энергии излучения. При этом энергия возникшего кванта света Еэл = hν равна разности энергий зоны проводимости и валентной энергетических зон (ширине запрещенной энергетической зоны Еg).
Энергию Еэл, которую электрон отдает при рекомбинации, он получает при переходе через p - n переход под действием внешнего напряжения. Значение этой энергии определяется так:
Еэл = еUд, где е - заряда электрона, Uд - напряжение, приложенное к р - n переходу светодиода.

Так как Еэл = hν, то hν = еUд.

Откуда h=eUд/ ν (1).

Из формулы (1) следует, что для определения постоянной Планка достаточно знать заряд электрона е, измерить прямое напряжение Uд, приложенное к светодиоду, излучающему свет, а также измерить частоту излучаемого света ν.

Конструктивное исполнение подставки со светодиодом, которая используется в комплекте, не позволяет напрямую измерить падение напряжение на светодиоде Uд. При определении этой величины учитывают, что последовательно со светодиодом соединен добавочный резистор, ограничивающий прямой ток через него. Значение сопротивления резистора R указано на подставке. Чтобы определить напряжение на светодиоде, измеряют силу тока в его цепи Iд (амперметр при этом включают на 50 мА), вычисляют падение напряжения на добавочном резисторе UR =Iд· R, измеряют напряжение на гнездах источника тока U и вычисляют значение Uд: Uд = U – Iд·R (2).


Ход работы:
1. Соедините светодиод соединительными проводами последовательно с миллиамперметром. Полученную цепь подключить, соблюдая полярность к источнику тока. Измерить силу тока Iд в цепи светодиода.
2. Цепь со светодиодом отключить от источника тока. Вольтметром измерить напряжение U на выходных гнездах источника тока.
3. По формуле (2) вычислить падение напряжение на светодиоде Uд.
4. Определить среднюю частоту излучения светодиода ν. Вместо излучателя (см. рис. слева) поставьте светодиод.
5. Светодиод подключить к источнику тока и настроить установку. Передвиньте дифракционную решетку так, чтобы получить дифракционные максимумы первого порядка в пределах шкалы.
6. По шкале измерить расстояние между наиболее яркими участками спектров ΔХ, в отчет переписать величину расстояния от шкалы до дифракционной решетки L. Значение этой величины указано на поверхности рейки. Частоту излучения светодиода вычислить по формуле

ν = 2cL/dΔX, где c – скорость света в вакууме.

7. Выполнив необходимые измерения по формуле (1) вычислить значение постоянной Планка. Полученное значение сравнить с табличным и определить относительную погрешность измерений ε:

ε = {|hэ – hт|/hт}·100%, где hэ и hо, соответственно, значения постоянной Планка, полученные в ходе эксперимента, и из опыта.

Запишите результат: h = ... Дж/с, ε = ... %. Ответьте на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы:
1. Покажите, что формула ν = 2cL/dΔX выведена из формулы для дифракционной решетки d Sinφ = kλ для первого максимума.
2. Что теоретически нужно предпринять, чтобы светодиод светил не красным цветом, а, скажем, зеленым?
3. Как увеличить яркость светодиода? Из следующих ответов выберите правильный (правильные) и объясните свой выбор: а) увеличить силу тока через диод; б) увеличить напряжение на светодиоде.
4. Почему светодиод загорается лишь при некотором напряжении, характерном для каждого типа светодиодов, а при меньшем не горит?

<<< К СОДЕРЖАНИЮ
© 1975-2013. Н.В. Смирнов
Яндекс цитирования