154. Обновлённая виртуальная лаборатория по физике «Определение постоянной Планка» - http://efizika.ru/html5/154/index.html

Цель работы: определение постоянной Планка на основе измерения напряжения включения полупроводникового лазера и длины волны излучаемого им света.

Приборы и принадлежности: платформа с лазером и схемой питания, линейка с магнитами, дифракционная решетка, метр демонстрационный, цифровой вольтметр демонстрационный.

154. Updated virtual physics Laboratory «Determination of the Planck constant» - http://efizika.ru/html5/154/index.html

The purpose of the work is to determine the Planck constant based on measuring the switching voltage of a semiconductor laser and the wavelength of the light emitted by it.

Instruments and accessories: a platform with a laser and a power supply circuit, a ruler with magnets, a diffraction grating, a demonstration meter, a digital voltmeter demonstration.

Методика выполнения эксперимента «Определение постоянной Планка по напряжению включения лазера»

Цель эксперимента

Определить значение постоянной Планка h с использованием зависимости между напряжением включения лазера и длиной волны излучаемого света.

Оборудование

1. Виртуальная лаборатория (программное обеспечение для моделирования).

2. Лазерный диод (или другой источник лазерного излучения).

3. Источник питания с регулируемым напряжением.

4. Вольтметр для измерения напряжения.

5. Призмы или решётки для спектроскопии (если необходимо).

6. Компьютер с установленным программным обеспечением для обработки данных.

Теоретическая основа

Энергия фотона связана с его длиной волны и постоянной Планка следующим образом:

 E = h ⋅ f = (h ⋅ c)/λ

где E — энергия фотона, f — частота, c — скорость света, λ — длина волны.

При включении лазера наблюдается пороговое напряжение, при котором начинается излучение. Это напряжение связано с минимальной энергией, необходимой для возбуждения атомов в лазере.

Методика выполнения

1. Подготовка оборудования:

   • Запустите виртуальную лабораторию и выберите эксперимент по определению постоянной Планка.

   • Убедитесь, что все компоненты правильно подключены и функционируют.

2. Настройка лазера:

   • Выберите лазерный диод и установите его в экспериментальной установке.

   • Подключите источник питания к лазеру и настройте его на минимальное значение напряжения.

3. Измерение напряжения включения:

   • Постепенно увеличивайте напряжение на источнике питания.

   • Записывайте значение напряжения, при котором лазер начинает излучать свет (напряжение включения V_(включ) ).

   • Повторите измерение несколько раз для получения более точных данных.

4. Определение длины волны:

   • Если возможно, используйте призму или решётку для определения длины волны λ излучаемого света.

   • Запишите полученное значение длины волны.

5. Расчёт энергии фотонов:

   • Рассчитайте энергию фотонов, используя формулу:

      E = e ⋅ V_(включ)

   где e — заряд электрона ( 1.602 × 10⁻¹⁹ Кл ).

6. Расчёт постоянной Планка:

   • Используйте уравнение связи энергии и длины волны:

      E = (h ⋅ c)/λ

   • Подставьте найденные значения энергии и длины волны в уравнение и выразите постоянную Планка:

      h = (E ⋅ λ)/c = ((e ⋅ V_(включ)) ⋅ λ)/c 

7. Анализ результатов:

   • Сравните полученное значение постоянной Планка с табличным значением ( 6.626 × 10⁻³⁴ Дж ⋅ с ).

   • Обсудите возможные источники ошибок и погрешности в эксперименте.

8. Заключение:

   • Напишите выводы о проведённом эксперименте, о значении постоянной Планка и её роли в физике.

Примечания

• Убедитесь, что вы понимаете все используемые формулы и их физический смысл.

• Обратите внимание на точность измерений и возможные источники погрешностей.

Эта методика может быть адаптирована в зависимости от возможностей виртуальной лаборатории и уровня подготовки студентов.

«Определение постоянной Планка по напряжению включения лазера»

Цель работы:

Определить постоянную Планка, исследуя зависимость напряжения включения лазера от длины волны излучения.

Оборудование:

1. Виртуальная установка с полупроводниковым лазером.

2. Блок питания с регулируемым напряжением.

3. Вольтметр для измерения порогового напряжения включения лазера.

4. Спектрометр или набор светофильтров для определения длины волны излучения.

5. Фотодиод или датчик интенсивности света для фиксации момента включения лазера.

Теоретическая часть:

Полупроводниковый лазер начинает излучать свет при достижении определённого порогового напряжения. Энергия фотонов лазерного излучения связана с шириной запрещённой зоны полупроводника:

Энергия фотона = Электронный заряд × Напряжение включения

Частота излучения связана с напряжением включения соотношением:

Частота = (Электронный заряд × Напряжение включения) / Постоянная Планка

Измеряя напряжение включения для лазеров с разной длиной волны, можно построить график и определить постоянную Планка.

Порядок выполнения работы:

1. Подготовка установки:

   • Включите виртуальную установку с полупроводниковым лазером.

   • Подключите вольтметр к блоку питания и фотодиод для фиксации излучения.

   • Убедитесь, что можно изменять длину волны лазера (например, выбирая разные виртуальные лазерные диоды).

2. Измерение порогового напряжения включения:

   • Выберите лазер с известной длиной волны (например, 650 нм).

   • Плавно увеличивайте напряжение питания, пока лазер не начнёт излучать (фотодиод зафиксирует резкий рост сигнала).

   • Запишите пороговое напряжение включения �порогUпорог​.

   • Повторите для 4–5 разных длин волн (например, 532 нм, 405 нм, 780 нм и др.).

3. Обработка данных:

   • Для каждой длины волны рассчитайте частоту излучения:

     �=��,ν=λc​,

     где �=3⋅108c=3⋅108 м/с — скорость света, $\lambda$ — длина волны.

   • Постройте график зависимости �порогUпорог​ от $\nu$.

   • Проведите линейную аппроксимацию. Угловой коэффициент наклона равен ℎ�eh​.

   • Рассчитайте постоянную Планка:

     $$h=\text{угловой коэффициент}\times e,$$

     где �=1,6⋅10−19e=1,6⋅10−19 Кл — заряд электрона.

4. Сравнение с табличным значением:

   • Сравните полученное значение $h$ с известным (6,63⋅10−346,63⋅10−34 Дж·с).

   • Оцените погрешность измерений.

Контрольные вопросы:

1. Почему лазер начинает излучать только при определённом напряжении?

2. Как длина волны лазера связана с напряжением включения?

3. Почему график �порог(�)Uпорог​(ν) линейный?

4. Какие факторы могут влиять на точность измерений?

Вывод:

На основании измерений порогового напряжения для разных длин волн определена постоянная Планка. Полученное значение сравнивается с теоретическим, анализируются возможные погрешности.

Примечание: В виртуальной лаборатории можно изменять параметры лазера (длину волны, напряжение) с помощью ползунков или числового ввода. Для расчётов используйте табличные значения скорости света и заряда электрона.**