BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN QUANG XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ PLANCK

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN QUANG HKI 2022 2023 BÀI 9 XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ PLANCK Hiện diện Điểm 1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Xác định hằng số Planck bằng hiện tượng quang điện ngoài của tế bào quang điện từ hiệu đi.

BÀI 9: XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ PLANCK

1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

Xác định hằng số Planck bằng hiện tượng quang điện ngoài của tế bào quang điện từ hiệu điện thế hãm ứng với các bước sóng khác nhau của ánh sáng kích thích

2 BỐ TRÍ, DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM

2.1 Bố trí thí nghiệm

Các dụng cụ trong thí nghiệm được bố trí như hình 2, trong đó volt kế mắc song song với nguồn điện dùng để đo điện áp giữa 2 đầu tế bào quang điện và Micro Ampe kế mắc nối tiếp với

tế bào quang điện dùng để đo cường độ dòng electron quang điện

Hình 1 Sơ đồ mạch điện.

Hình 2 Bố trí thí nghiệm.

Hình ảnh

1

Tế bào quang điện chân

không loại Cs – Sb,

dòng điện tối đa không

lớn hơn 3nA

Dụng cụ chính để khảo sát hiện tượng quang điện Khi chiếu ánh sáng thích hợp các electron bật ra tạo dòng quang điện

trong bài thí nghiệm)

3 Thấu kính hội tụ tiêu cự

f = +100mm

Hội tụ chùm ánh sáng đơn sắc giúp tăng cường độ ánh sáng chiếu đến tế bào quang điện

(Không sử dụng trong bài thí nghiệm)

5 Đèn thủy ngân 12V/

35W

Thay bằng đèn dây tóc Dùng để cấp nguồn ánh sáng thực hiện thí nghiệm hiện tượng quang điện (Không sử dụng trong bài thí nghiệm)

6 Kính lọc sắc

Thay đổi các ánh sáng đơn sắc có bước sóng khác nhau, tần số khác nhau Ánh sáng đi qua kính lọc sắc chuyển thành ánh sáng đơn sắc có bước sóng xác định

7 Nguồn điều chỉnh điện

áp một chiều

Cấp và điều chỉnh hiệu điện thế một chiều

8 Micro Ampere kế Đo cường độ dòng điện (cường độ dòng

electron quang điện)

9 Công tắc đảo chiều điện

áp

Dùng để đảo chiều điện áp từ điện áp thuận sang điện áp nghịch và ngược lại

để tìm ra hiệu điện thế hãm

khe hẹp, thấu kính, nguồn sáng, …

12 Đồng hồ đa năng Đo hiệu điện thế một chiều

3 CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

3.1 Các bước tiến hành thí nghiệm

Bước 1: Cung cấp nguồn điện cho đèn hơi thủy ngân (Trong bài này ta sẽ thay thế bằng đèn dây

tóc), cho ánh sáng đi qua kính lọc màu đã chọn và chiếu vào tế bào quang điện

Bước 2: Điều chỉnh khoảng cách của thấu kính hội tụ sao cho ánh sáng đi qua hội tụ tại tế bào

quang điện

Bước 3: Mắc mạch điện như hình vẽ:

Bật nguồn, điều chỉnh điện áp một chiều và Micro ampe kế Vặn nút điều chỉnh tăng hiệu điện thế, quan sát vào ampe kế thấy dòng điện tăng đến giá trị xác định nào đó và không tăng

nữa Đây là giá trị dòng điện bão hòa I bh , ghi nhận giá trị I bh , U bh

Bước 4: Gạc chốt đổi hai cực điện thế của nguồn với tế bào quang điện Vặn nút để giảm dần

đến khi Micro ampe kế chỉ số 0 Số hiển thị trên màn hình đồng hồ vạn năng lúc này chính là giá

trị hiệu điện thế hãm U h

Bước 5: Thực hiệu nhiều lần đo (khoảng 10 lần) với mỗi bước sóng ứng với kính lọc màu đã

chọn: màu chàm  460 1 nm  , màu lục  520 1 nm 

3.2 Chứng minh sai số

3.2.1 Chứng minh sai số của 

Ta có:

c







Lấy ln 2 vế:

ln lnc ln

Lấy vi phân toàn phần 2 vế:

c





Từ đó ta suy ra biểu thức tính sai số tương đối là:

c





3.2.2 Chứng minh sai số của h

Ta có hằng số Planck trong bài thí nghiệm được xác định bởi biểu thức sau:

1 2

h h

h e







Lấy ln 2 vế:

 1 2  1 2

lnh lne ln U h U h  ln  

Lấy vi phân toàn phần 2 vế:

 1 2  

1 2

1 2

h h

 

 

Từ đó ta suy ra biểu thức tính sai số tương đối là:

1 2

1 2

h h



4 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

Trung

h

U

 

4

8

12

1

3

1 1 1

0, 000094 0, 0001 1,94.10 0,00019V 0,51431 0,00019 V

3.10

625,174.10 Hz 460.10

2, 2.10 0, 22%

3.10 2, 2.10 625,174.10 1,375.

460

h h h dc

c

c c

























12 12

1 1 1

10 Hz 625,174 1,375 10 Hz

Kính lọc màu lục  2 520 1 nm 

2

h

Trung bình

h

 

8

12

2

3

2 2 2

2

0,00008 0,0001 0,00018V 0,32358 0,00018 V

3.10

576,923.10 Hz 520.10

1,9.10 0,19%

3.10 1,9.10 576,923.10 1,096.10 H

0

z 52

c

c c





















  2 2 576,923 1,096 10 Hz   12

 Hằng số Planck:

 

12

1 2

1 2

3

2 1

0,51431 0,32358

625,174 576,923 10

1,602 0,51431 0,32358 625,174 576,923

h

h h

h

h h

h e











5%

Vậy h6,325 0,041 10 J.s  34

 Kết quả hằng số Planck đo được, đối chiếu với giá trị lý thuyết

 Kết quả hằng số Planck đo được: h6,325 0,041 10 J.s  34

 Giá trị lí thuyết của hằng số Planck: h lt 6,625.10 J.s34



 Đối chiếu với giá trị lý thuyết, tính độ sai lệch tỉ đối:

34 34 34

4,5%

6,625.10

lt lt

h h h







5 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

* Nhận xét:

- Giá trị đo hằng số Planck thực nghiệm phù hợp với giá trị lí thuyết với độ lệch tỉ đối nhỏ (4,5%)

Vì sai số 4,5% nên giá trị thu được từ thí nghiệm có giá trị chấp nhận được và các thao tác đo có thể xem là tiến hành đúng và bộ thí nghiệm có độ chính xác cao

- Hằng số Planck được xác định bằng cách khớp hàm đồ thị dạng tuyến tính có giá trị gần bằng với giá trị hằng số Planck được tính từ công thức:

1 2 1 2

1 2

1 2

h e









* Nguyên nhân sai số:

- Một số nguyên nhân gây ra sai số là do việc xác định giá trị hiệu điện thế hãm chưa đúng do micro ampe kế không ổn định ở mức 0µA của người thực hiện thí nghiệm

- Giá trị bước sóng của kính lọc sắc có giá trị không chính xác tuyệt đối do quá trình chế tạo của nhà sản xuất, cường độ ánh sáng chiếu đến tế bào quang điện yếu,

* Cách khắc phục:

Để khắc phục nguyên nhân gây sai số, người thực hiện thí nghiệm cần phải:

+ Điều chỉnh vị trí kính lọc sắc đặt sát tế bào quang điện để tránh ánh sáng từ bên ngoài chiếu vào tế bào quang điện gây nhiễu giá trị đo được

+ Đặt các quang cụ đồng trục để ánh sáng từ nguồn có thể được chiếu vào tế bào quang điện + Điều chỉnh từ từ nút tinh chỉnh trên nguồn điện để cường độ dòng điện qua micro ampe kế vừa vặn đạt tới giá trị 0µA

6 TRẢ LỜI CÂU HỎI

Nhiệm vụ học tập 1: Sinh viên quan sát các dụng cụ thí nghiệm kết hợp đọc tài liệu thí nghiệm

giới thiệu về thí nghiệm để hoàn thành những yêu cầu sau:

1 Nêu tên và trình bày rõ vai trò các bộ phận đánh số từ 1 đến 7 trong Hình 9.2

2 Tiến hành lắp đặt các dụng cụ lên giá quang học

3 Giải thích vì sao cần bố trí dụng cụ như Hình 9.2

1 Nêu tên và trình bày rõ vai trò các bộ phận đánh số từ 1 đến 7 trong Hình 9.2

ST

Công dụng

1 Nguồn điều chỉnh điện áp

một chiều

Điều chỉnh điện áp giữa catode và anode để xác định được hiệu điện thế hãm

2 Tế bào quang điện Tạo ra các electron quang điện khi có ánh sáng thích hợp

chiếu vào

3 Thấu kính hội tụ tiêu cự f

= +100mm

Hội tụ chùm sáng đơn sắc chiếu đến để cường độ chùm sáng đến tế bào quang điện lớn hơn

4 Khe hẹp Thực tế không dùng trong thí nghiệm

5 Kính lọc sắc Cho ánh sáng có bước sóng phù hợp đi qua

6 Lăng kính Thực tế không dùng trong thí nghiệm

7 Đèn hơi thủy ngân

12V/35W

Đóng vai trò là nguồn sáng

2 Tiến hành lắp đặt các dụng cụ lên giá quang học

3 Giải thích vì sao cần bố trí dụng cụ như Hình 9.2

Ta cần phải bố trí dụng cụ như hình để đảm bảo các dụng cụ đồng trục với nhau, giúp ánh sáng đi từ nguồn sáng qua thấu kính hội tụ sẽ được truyền thẳng và được tập trung để gia tăng cường độ ánh sáng vào tế bào quang điện Qua đó ánh sáng tới được tế bào quang điện (Tế bào quang điện chân không loại Cs -Sb) và tạo ra dòng quang điện

Nhiệm vụ học tập 2: Sinh viên sau khi lắp đặt các dụng cụ thí nghiệm trên giá, hoàn thành

những yêu cầu sau:

1 Lựa chọn 3 kính lọc màu bất kì, ghi nhận giá trị bước sóng của kính

2 Trình bày ngắn gọn các bước tiến hành thí nghiệm

3 Tiến hành thí nghiệm đo hiệu điện thế hãm với 3 kính lọc màu bất kì và kẻ bảng số liệu các

giá trị cần đo đạc, tính giá trị trung bình và sai số phép đo Lưu ý: sinh viên lấy số liệu ít nhất 10 lần cho mỗi lần đo

4 Lập bảng số liệu tính hằng số Planck dựa vào công thức 9.5

5 Trình bày kết quả hằng số Planck đo được, đối chiếu với giá trị lý thuyết Nhận xét kết quả thí

nghiệm

1 Lựa chọn 3 kính lọc màu bất kì, ghi nhận giá trị bước sóng của kính

Vì trong phòng thí nghiệm chỉ có sẵn 2 loại kính màu chàm và màu lục nên ta có bước sóng của các kính lọc sắc này như sau:

- Kính lọc màu chàm:  1 460 1 nm 

- Kính lọc màu lục:  1 520 1 nm 

2 Trình bày ngắn gọn các bước tiến hành thí nghiệm

(Phần 3)

3 Tiến hành thí nghiệm đo hiệu điện thế hãm với 3 kính lọc màu bất kì và kẻ bảng số liệu các giá trị cần đo đạc, tính giá trị trung bình và sai số phép đo Lưu ý: sinh viên lấy số liệu ít nhất

10 lần cho mỗi lần đo

(Phần 4)

4 Lập bảng số liệu tính hằng số Planck dựa vào công thức 9.5

(Phần 4)

5 Trình bày kết quả hằng số Planck đo được, đối chiếu với giá trị lý thuyết Nhận xét kết quả thí nghiệm

(Phần 5)

Nhiệm vụ học tập 3: Sinh viên hoàn thành những yêu cầu sau:

1 Lập bảng số liệu hiệu điện thế hãm theo tần số của kính lọc màu

2 Vẽ đồ thị phụ thuộc của hiệu điện thế hãm theo tần số ứng với tần số của 2 kính lọc màu Gợi ý:

Vẽ bằng Excel

3 Xác định hằng số Planck sau khi khớp hàm với đồ thị

4 Nhận xét kết quả hằng số Planck trong hoạt động học tập 3 này với giá trị hằng số Planck trong

hoạt động học tập 2

1 Lập bảng số liệu hiệu điện thế hãm theo tần số của kính lọc màu

Tần số của kính lọc màu

(Hz)

Hiệu điện thế hãm

(V) Màu chàm

14

2 Vẽ đồ thị phụ thuộc của hiệu điện thế hãm theo tần số ứng với tần số của 2 kính lọc màu a) Đồ thị phụ thuộc của hiệu điện thế hãm theo tần số ứng với tần số của 2 kính lọc màu.

Ta có hàm tuyến tính : y = a + bx

th h

A





Đồ thị hàm tuyến tính y = a + bx đi qua 2 điểm:

14

1 1

1

2

6,52.10 ;0,51431

5, 77.10 ;0,32

;

x y y x









Thế vào hàm tuyến tính: 15

1,63 4,185.10

a





 





Vậy đồ thị có phương trình là y1, 63 4,185.10 15x

b) Vẽ đồ thị bằng Excel

3 Hằng số Planck sau khi khớp hàm với đồ thị.

Từ đồ thị, ta xác định hằng số Planck bằng cách khớp hàm dạng tuyến tính, trong đó:

h

e

Độ lệch tỉ đối của h tính được từ đồ thị so với giá trị lí thuyết:

34 34

34

1, 2%

6, 625 10

lt lt

h h h







4 Nhận xét kết quả hằng số Planck trong hoạt động học tập 3 này với giá trị hằng số Planck trong hoạt động học tập 2.

Hằng số Planck được xác định bằng cách khớp hàm đồ thị dạng tuyến tính có giá trị

34

6,704.10 J.s

h  gần bằng với giá trị hằng số Planck h6,325.10 J.s34 được tính từ công thức

1 2 1 2

1 2

1 2

h e









Thử thách: Sinh viên có thể đề xuất phương pháp khác để xác định hằng số Planck?

1 Dụng cụ, bố trí thí nghiệm:

Các dụng cụ gồm có:

- Điện trở 1 R 100

- Biến trở 2 R  0 500

- Các loại đèn LED phát ra ánh sáng màu lam, lục, đỏ và trắng, mỗi loại có đường kính khoảng 6mm rất thông dụng trên thị trường

- Hai đồng hồ vạn năng

- Một cục pin

- Các dây nối

- Nguồn điện (ở đây ta sử dụng đèn Flash điện thoại)

Sơ đồ và cách bố trí thí nghiệm :

2 Các bước tiến hành thí nghiệm:

Bước 1: Bật đèn Flash điện thoại, cho ánh sáng đi qua từng đèn LED bằng cách đóng khóa K ở các

bóng đèn cần đo

Bước 2: Mắc mạch điện như hình vẽ Bật nguồn, nối dây vào nguồn điện một chiều (pin) và nối

dây vào các máy đo đồng hồ đa năng Điều chỉnh dây dẫn để thay đổi điện trở trên biến trở R2 để thay đổi giá trị hiệu điện thế, quan sát vào ampe kế thấy dòng điện tăng đến giá trị xác định nào đó

và không tăng nữa Đây là giá trị dòng điện bão hòa Ibh, ghi nhận giá trị Ibh, Ubh

Bước 3: Tiếp tục thay đổi giá trị điện trở của biến trở R2 đến khi số chỉ trên ampe kế chỉ số 0 Số hiển thị trên màn hình đồng hồ vạn năng lúc này chính là giá trị hiệu điện thế hãm Uh

Bước 4: Thực hiệu nhiều lần đo (khoảng 10 lần) với mỗi bước sóng ứng với từng đèn LED lam,

lục, đỏ, trắng

Bước 5: Xác định giá trị hằng số Planck bằng đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của hiệu điện thế hãm

theo tần số ứng với tần số của mỗi đèn LED Với đồ thị là hàm tuyến tính y = ax + b Qua đó ta

xác định hằng số Planck bằng cách khớp hàm tuyến tính Trong đó:

h

A



3 Thu thập số liệu và so sánh với giá trị thực, sau đó đưa ra nhận xét:

LED phát sáng màu…

1

2

3

h h  h

7 TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tổ Vật lý Đại cương (HKI 2019 – 2020) Tài liệu Thí nghiệm Điện – Quang Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh

Tổ Vật lý Đại cương (2020) Thí nghiệm Vật lý Đại cương 2 Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh

Tổ Vật lý Đại cương (2020) Tài liệu bổ trợ - Học phần thực hành Vật lý Đại cương Khoa Vật

lý, Trường Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh

Nguyễn Trần Trác (chủ biên) (2005) Giáo trình Quang học NXB ĐH Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh, tr.144-207