close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Постоянная Планка

код для вставкиСкачать
УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ
БАЛАШОВСКОГО МУНИЦИПАЛЬНОГО РАЙОНА
Районный конкурс физического творчества
«МОЯ ФИЗИКА»
Определение постоянной Планка
Номинация: «Физика в повседневной жизни»
Возрастная группа: 10-11 классы
Авторы работы: Палашевский Денис Эдуардович, МОУ гимназия №1, 10 «Б» класс
Руководители: Абальмасов Виталий Владимирович, учитель физики, МОУ гимназия №1
Булгакова Ольга Николаевна, учитель физики, МОУ гимназия №1
Балашов-2015
Введение.
Величайшая революция в физике совпала с началом XX века. Попытки
объяснить наблюдаемые на опытах закономерности распределения энергии в
спектрах теплового излучения (электромагнитного излучения нагретого тела)
оказались несостоятельными (рис.1). Многократно проверенные законы
электромагнетизма Максвелла неожиданно «забастовали», когда их попытались
применить к проблеме излучения веществом коротких электромагнитных волн.
Рис.1
В поисках выхода из этого противоречия между теорией и опытом
немецкий
физик
Макс
Планк
предположил,
что
атомы
испускают
электромагнитную энергию отдельными порциями – квантами. Энергия Е
каждой
порции
прямо
пропорциональна
частоте
ν излучения:
Е=hν.
Коэффициент пропорциональности h получил название постоянной Планка.
Построенная Планком теория теплового излучения превосходно согласовалась
с экспериментом. По известному из опыта распределению энергии по частотам
было определено значение постоянной Планка. Оно оказалось очень малым:
h=6,63*10-34 Дж*с.
Постоянная Планка фигурирует во всех уравнениях и формулах квантовой
механики. Она, в частности, определяет масштабы, начиная с которых вступает
в силу принцип неопределенности Гейзенберга. Грубо говоря, постоянная
Планка указывает нам нижний предел пространственных величин, после
которого нельзя не принимать во внимание квантовые эффекты. Для песчинок,
скажем, неопределенность произведения их линейного размера на скорость
настолько незначительна, что ею можно пренебречь. Иными словами,
постоянная Планка проводит границу между макромиром, где действуют
законы механики Ньютона, и микромиром, где вступают в силу законы
квантовой механики. Будучи получена всего лишь для теоретического описания
единичного физического явления, постоянная Планка вскоре стала одной из
фундаментальных констант теоретической физики, определяемых самой
природой мироздания.
Целью работы является определение постоянной Планка на основе
измерения напряжения включения полупроводникового лазера и длины волны
излучаемого им света.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующий ряд
задач:
--изучить научную литературу по теме «Способы измерения постоянной
Планка»;
--ознакомиться
с
возможностями
использования
набора
демонстрационного «Определение постоянной Планка» лаборатории L-микро;
--выполнить ряд измерений на основе набора по измерению постоянной
Планка с использованием лазера (лаборатория L-микро) и оценить полученные
результаты.
Основная часть.
Теоретические сведения.
Как известно, разрешенные значения энергии электронов в атоме отделены
друг от друга широкими областями запрещенных энергий. При объединении
атомов в твердое тело энергетические состояния электронов изолированных
атомов изменяются. Вместо разрешенных энергетических уровней возникают
энергетические полосы, или зоны разрешенных значений энергии, которые попрежнему остаются отделенными друг от друга областями, соответствующими
запрещенным значениям энергии. В наибольшей степени это касается внешних,
валентных электронов, которые слабее связаны со своими ядрами.
Подобно тому, как в изолированном атоме электроны могут совершать
переходы между энергетическими уровнями, электроны в кристаллах могут
переходить из одной зоны в другую. В примесных полупроводниках, как
электронных, так и дырочных, такой переход осуществляется под воздействием
электрического поля источника тока. Обратный процесс перехода электрона
может сопровождаться излучением кванта света.
Излучение света при переходе электрона из состояния с более высокой
энергией в состояние с меньшей энергией лежит в основе работы светодиодов и
полупроводниковых лазеров.
Для того чтобы электрон мог совершить переход в разрешенное состояние
с более высокой энергией, он должен приобрести в электрическом поле
энергию, равную ширине запрещенной зоны. Энергия, приобретаемая
электроном в электрическом поле, составляет еU. Энергия фотона hν,
излучаемого при обратном переходе электрона в нижнее энергетическое
состояние также приблизительно равна ширине запрещенной зоны. Таким
образом, можно записать, что hν=еU, где h – постоянная Планка, ν– частота
света, излучаемого полупроводниковым переходом, е – заряд электрона, U –
напряжение, приложенное к р-n-переходу.
Таким образом, для определения постоянной Планка необходимо измерить
длину волны излучаемого полупроводниковым прибором света и измерить
напряжение, при котором р-n-переход начинает излучать световые кванты.
В предлагаемом эксперименте длина волны излучения определяется с
помощью дифракционной решетки с известным число штрихов (150 штр./мм.).
Если падающий луч перпендикулярен поверхности решетки (угол падения
равен нулю), то длина волны излучения λ, период решетки d, угол φ и порядок
n дифракции связаны соотношением: dsinφ=nλ.
Экспериментальная часть.
Оборудование: платформа с лазером и схемой питания, дифракционная
решетка, мультиметр DT 838, линейка, измерительная рулетка (рис.2).
Рис.2
Порядок выполнения эксперимента.
1. Электрическая схема экспериментальной установки представлена
на
рис.3. Все элементы этой цепи за исключением вольтметра смонтированы
на платформе. Напряжение на полупроводниковом лазере регулируется с
помощью переменного резистора. Для измерения напряжения будем
использовать мультиметр DT 838, который подключается к имеющимся
на платформе клеммам. Напряжение измеряем с точностью 0,1 В.
Рис.3
2. Собираем
оптическую
схему
экспериментальной
установки,
представленной на рис.3. Включаем лазер и устанавливаем напряжение
питания 3 В. Направляем луч лазера на линейку для измерения угла
дифракции. Совмещаем начало шкалы линейки с точкой пресечения луча
с линейкой.
3. Устанавливаем дифракционную решетку на магнитный держатель,
имеющийся на платформе. Поворачиваем решетку таким образом, чтобы
дифракционные максимумы попали на линейку (рис.4).
Рис.4
4. Определяем угол между нулевым и первым порядком дифракции.
Поскольку углы, под которыми наблюдаются максимумы 1-го и 2-го
порядков, не превышают 50, можно вместо синусов углов использовать их
тангенсы. В соответствии со схемой, приведенной на рис.5, тангенс этого
угла вычисляется по формуле tgφ=a/b, где а – расстояние от нулевого
порядка дифракции до выбранного порядка дифракции (измеряем по
линейке), а b – расстояние от дифракционной решетки до пятна,
создаваемого на линейке лучом лазера в нулевом порядке дифракции
(определяем с помощью измерительной рулетки).
Рис.5
5. Вычисляем длину волны λ и частоту ν излучения лазера (λ= dtgφ, ν=с/λ, с
– скорость света).
6. Убираем дифракционную решетку из оптической схемы и обращаем
внимание на яркость красного пятна вблизи нулевого деления шкалы
линейки и на значение напряжения, которое показывает мультиметр.
Вращая ручку потенциометра, плавно уменьшаем напряжение до тех пор,
пока пятно на экране станет едва заметным. Показание вольтметра в этот
момент можно считать равным пороговому напряжению включения
лазера (рис.6).
Рис.6
7. Определяем значение постоянной Планка на основе соотношения hν=еU
(h=еU/ν).
Результаты измерений и вычислений представлены в таблице:
N
d,
n
a, м
b, м
λ,
ν,
U,
нм
1014Гц
В
0,024 0,0243
662
4,532
0,034
0,346
658
4,559
0,017
0,171
666
4,505
106
3
hср,
∆hср
ε,%
0,03
0,45
10-34Дж*с 10-34Дж*с
м
1
2
h,
6,7
1
6,62
1,87
6,56
6,61
6,64
С учетом погрешностей измерений получаем: h=(6,61±0,03)*10-34 Дж*с.
Вывод: полученное экспериментальное среднее значение постоянной
Планка оказывается несколько меньше истинного (h=6,63*10-34 Дж*с). Это
можно объяснить тем, что на точность определения h влияет погрешности в
определении таких величин, как угла φ, напряжения включения лазера U. Тем
не менее, предложенный способ измерения постоянной Планка позволяет
получить с учетом погрешностей интервал экспериментальных значений
постоянной Планка, в который «попадает» реальное значение этой постоянной.
Заключение.
Мы считаем, что цель исследования достигнута. Задачи исследования
выполнены. Метод измерения постоянной Планка на основе использования
лазера – один из самых простых и доступных из всего многообразия. Причем
экспериментальную установку при желании можно изготовить своими руками
и осуществить соответствующие измерения в домашних условиях.
Список литературы.
1. URL: http://elementy.ru/trefil/21193
Дата обращения: 07.03.2015
2. URL: http://www.vevivi.ru/best/POSTOYANNAYA-PLANKA-
ref227792.html
Дата обращения: 07.03.2015
3. Мякишев Г.Я. Физика: учеб. Для 11 кл. общеобразоват. Учреждений:
базовый и проф. уровни / Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев.-16-е изд. – М.:
Просвещение, 2007. – 381 с., ил.
Автор
abalmasov.v
Документ
Категория
Физика
Просмотров
222
Размер файла
397 Кб
Теги
постоянный, планка
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа