<<< ВСЕ МАТЕРИАЛЫ
11 класс. Виртуальный эксперимент
"Исследование фотоэффекта: I закон Столетова. Ток насыщения"
Для дистантного обучения. © 2019. Смирнов Н.В.

                             
                   
                                               
                                                       
Материал катода
Длина волны света, нм 1000 760 600 570 540 490 460 380 240
Батарея
Напряжение,В
Мощность лампы, мВт
Исследование фотоэффекта: I закон Столетова. Феномен тока насыщения. Как величина тока насыщения зависит (не зависит) от напряжения, частоты и интенсивности падающего света,
С помощью установки, которая описана ниже, Столетов А.Г. после открытия Г.Герцем в 1887 г. явления фотоэффекта (явления выбивания электронов из металла под действием падающего на него света) уже на следующий год занялся изучением этого явления. Он постарался установить все законы, все зависимости величин друг от друга в этом явлении. Так были открыты три закона фотоэффекта, которые нимало озадачили физиков того времени.
Сначала он исследовал поведение установки при положительных напряжениях. Так был открыт феномен насыщения - при достаточном напряжении ток в схеме перестаёт расти, достигая своего максимума (насыщения). По величине этого тока он смог судить о количестве выбитых электронов при фотоэффекте.
В первой серии опытов Александр Григорьевич искал количество фотоэлектронов и обнаружил связь между количеством выбиваемых из металла электронов и величиной интенсивности падающего света.
Яркость света (световой поток) изменить легко, меняя мощность лампы P. С помощью положительного напряжения в установке Александр Григорьевич разгонял электроны так, чтобы все электроны попадали на анод. Как только ток в установке переставал расти, достигая максимума (иначе, насыщения), он считал, что все выбитые светом электроны достигают анода, и ни один из них не может улететь в другую сторону вследствие теплового движения. Таким образом вместо количества выбитых электронов можно пользоваться величиной тока насыщения. Значит надо искать зависимость iнас(P).
Мы проделаем эти замечательные 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.
Перемещая движок реостата, можно задавать 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 мощность лампы увеличить, то как себя поведёт при неизменной длине световой волны (одинаковом цвете) ток насыщения, а, следовательно, и количество фотоэлектронов.
Этот закон мы увидим на графике iнас(P). Для получения графика выберем в качестве катода, например, калий; мощность лампы будем менять от 1 мВт до 0.25 мВт. Напряжение будем увеличивать от 0 до 5 вольт, пока не достигнем максимального тока - тока насыщения. Свет возьмём зелёного цвета. Построив график iнас(P), получим нашу зависимость.
Эксперимент: меняя положительное напряжение на аноде, будем следить за величиной тока. Когда он достигнет насыщения, мощность лампы и величину тока насыщения занесём в таблицу.
Несколько уменьшим мощность лампы, и снова начнём увеличивать напряжение от 0 вольт до достижения тока насыщения (не забывая каждый раз нажать кнопку "Принять изменения"). Значение мощности лампы и тока насыщения снова занесём в тавлицу. Получаемые вами результаты следует округлять по правилам приближённых вычислений с погрешностью не более 10%.
По полученным данным постройте график iнас(P) и ответьте на контрольные вопросы, нажмите кнопку "Отвечаю". Внизу справа появится примерный график iнас(P), с которым вы можете сравнить свой.

№ опыта 1 2 3 4
Мощность лампы, Р (мВт) 1.00 0.75 0.50 0.25
Ток насыщения, iнас (А)        

1. Как зависит от интенсивности падающего света (при неизменной длине волны) число фотоэлектронов?
1. Прямо, чем больше интенсивность падающего света, тем больше число фотоэлектронов.
2. Обратно, чем больше интенсивность падающего света, тем меньше число фотоэлектронов.
3. Энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света.
4. Линейно, начиная с некоторого значения, чем больше интенсивность падающего света, тем больше число фотоэлектронов.
5. Квадратично, ток насыщения растёт пропорционально квадрату интенсивности света.
Ответ №:
2. По какой причине именно так зависит от интенсивности падающего света число фотоэлектронов при неизменной длине волны?
1. Каждый фотон выбивает один электрон. Чем больше интенсивность света, тем больше фотонов, тем больше фотоэлектронов.
2. Чем больше интенсивность падающего света, тем больше амплитуда и энергия световой волны, тем большее число фотоэлектронов будет выбито из металла.
3. Число фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света.
Ответ №:
3. Почему при малых значениях напряжения ток в установке получается меньше максимального?
1. Фотоэлектроны испытывают сопротивление со стороны вакуума.
2. Фотоэлектроны участвуют не только в направленном движении под действием электрического поля, но и в тепловом (хаотическом) движении, поэтому все без исключения электроны достигают анода только при больших напряжениях.
3. Часть фотоэлектронов успевает покидать баллон сквозь его стенки при небольших напряжениях.
Ответ №:
4. Почему при некотором напряжении ток в установке, достигая максимума (насыщения) больше не растёт при дальнейшем увеличении напряжения?
1. Энергия фотоэлектронов не бесконечна, она имеет предел.
2. С увеличением напряжения фотоэффект ослабевает, падает число фотоэлектронов.
3. С увеличением напряжения всё большее число фотоэлектронов участвует в направленном движении под действием электрического поля, пока ток не достигает насыщения.
Ответ №:


P, мВт