3B SCIENTIFIC 1000537 [U10700-230] Planck’s Constant Apparatus Manuel du propriétaire

3B SCIENTIFIC® PHYSICS
Appareil pour la constante de Planck (115 V, 50/60 Hz)
Appareil pour la constante de Planck (230 V, 50/60 Hz)
1000536 / U10700-115
1000537 / U10700-230
Instructions d’utilisation
10/15 ALF
1
2
3
4
DEL avec câble de connexion
Nanoampèremètre
Voltmètre
Ecran de protection de la cellule
photoélectrique
5 Tube analyseur de la cellule
photoélectrique
6 Douille creuse pour alimentation
enfichable
7 Alimentation en courant avec
douille de jonction pour DEL
8 Bouton de réglage (approximatif)
de la différence de potentiel
inverse
9 Bouton de réglage (fin) de la
différence de potentiel inverse
10 Réglage de l’intensité
11 Boîtier creux
1. Remarques
2. Volume de livraison
La cellule photoélectrique de l’appareil pour la
constante de Planck est très sensible. Une forte
exposition à la lumière entraîne son usure
prématurée et l’endommage définitivement.
Après une irradiation excessive, elle nécessite
dans le meilleur des cas une longue période
pour se restabiliser.

L’écran de protection de la cellule
photoélectrique ne doit en aucun cas être retiré.

A la fin de l’expérience, poussez le boîtier creux
au-dessus du tube analyseur de la cellule
photoélectrique.

Protégez l’appareil des vibrations et ne
l’exposez ni à des températures extrêmes,
ni à une humidité élevée ou à un
ensoleillement direct.
1
1
Appareil de base avec cellule photoélectrique, voltmètre, nanoampèremètre et
alimentation en courant pour les DEL
1
Boîtier creux comme cache pour le tube
analyseur de la cellule photoélectrique
5
DEL (472 nm, 505 nm, 525 nm, 588 nm,
611 nm) dans un boîtier avec câble de
connexion
1
Alimentation enfichable 12 V CA
1
Mode d’emploi
expliqua que la lumière est composée de
particules appelés photons. L'énergie E, de ces
photons (quanta de lumière) devait être
directement proportionnelle à leur fréquence f et
leur nombre d'impulsions p indirectement
proportionnel aux longueurs d'ondes :
3. Description
L’appareil pour la constante de Planck permet
de déterminer la constante de Planck h et le
travail de sortie des électrons W de la cathode
en césium de la cellule photoélectrique selon la
méthode de la différence de potentiel inverse.
E  hf  p  h / 
La constante de proportionnalité h est désignée
comme la Constante de Planck. Cela signifie
que l'énergie sous forme de rayonnement
électromagnétique ne peut être émise qu'en
petits paquets, appelés quanta. Cette valeur
minimale dépend de la fréquence. La Constante
de Planck est une constante naturelle
fondamentale dont la valeur exacte est h =
6,62606896*10-34 Js.
Dans cette expérience, la lumière de la diode
électroluminescente
connectée,
rencontre
l'anode cylindrique sur la cathode. Si un électron
rencontre un photon, le photon lui transmet
toute son énergie, ( E  h  f ) par effet
photoélectrique. Une partie de cette énergie
servira à repousser les électrons de la surface
métallique (travail de sortie W). Le reste de
l'énergie est mis à disposition des électrons
sous forme d'énergie cinétique :
Ekin  h  f  W
Le travail de sortie des électrons s’agit d’une
grandeur dépendant du matériau et de la
température et pour le césium, elle est égale à
2,14 eV pour 0 K et environ 2 eV à température
ambiante.
Selon la différence de potentiel inverse
appliquée entre la cathode et l’anode, un flux
d’électrons circule de la cathode vers l’anode,
mesuré à l’aide du nanoampèremètre.
Correspond à la différence de potentiel inverse
de la tension limite U0 avec
e U0  Ekin  h  f  W et e  1,6021 1019 C
donc ce courant atteint la valeur 0 nA.
Dans un diagramme f e U0 , les tensions limites
U0 mesurées pour différentes fréquences f se
trouvent sur une droite de gradient h et d’une
section de coordonnée y W. En fonction du
matériau de la cathode, l'axe des ordonnées y
de la droite correspondante, est différent. La
montée de la droite dépend du matériau de la
cathode.
Il comprend une cellule photoélectrique à vide,
un voltmètre pour la mesure de la différence de
potentiel inverse, un nanoampèremètre pour la
mesure du courant photoélectrique et une
source de tension pour les DEL. En tant que
sources lumineuses de fréquence différente,
cinq diodes électroluminescentes (DEL) de
longueur d’onde connue sont disponibles.
L’intensité de la lumière émise peut varier
chaque fois entre 0 et 100 %. La cellule
photoélectrique se compose d’une cathode
vaporisée de césium et d’une anode cylindrique.
Si l’appareil est sous tension, une tension est
présente entre ces électrodes : elle peut être
réglée à l’aide de deux boutons.
L’alimentation en courant de l’appareil s’effectue
à partir d’une alimentation enfichable fournie.
L’appareil pour la constante de Planck dont la
référence est 1000536 / U10700-115, est conçu
pour une tension du secteur de 115 V (±10 %),
l’appareil dont la référence est 1000537 /
U10700-230 pour une tension du secteur de
230 V (±10 %)
4. Caractéristiques techniques
Cellule photoélectrique :
Type 1P39, Césium (Cs)
Voltmètre :
3½ digit., LCD
Précision :
0,5 % (typique)
Nanoampèremètre :
3½ digit., LCD
Précision :
1 % (typique)
DEL :
472 nm, 505 nm, 525 nm,
588 nm, 611 nm
Dimensions :
280 x 150 x 130 mm³
Poids :
env. 1,3 kg
5. Bases théoriques
L'effet photoélectrique fut une des dernières
énigmes de la fin du 19ème siècle et du début
du 20ème siècle, époque à laquelle on pensait
avoir quasiment fait le tour de la question en
physique. La théorie classique ne permettait pas
d'expliquer ce phénomène. En 1905, Einstein
parvint à faire une description théorique
incroyablement simple de cet effet, à l'aide de la
théorie quantique introduite par Max Planck. Il
6. Manipulation
6.1 Mesure des tensions limites avec une
intensité lumineuse de 75 %.

2
Raccordez l’alimentation enfichable pour
l’alimentation en courant.

Réglez l’intensité lumineuse sur 75 %.

Insérez la fiche de la première source
lumineuse dans la douille de jonction pour
les DEL.

Appuyez sur les tiges de verrouillage du
boîtier creux au niveau du tube analyseur de
la cellule photoélectrique et tirez-le vers le
bas.


correspondant. Il suffit ensuite de lire la droite
de gradient h et l'axe des ordonnées y W sur le
graphique et de calculer la différence par
rapport à la valeur de la littérature, en saisissant
ces valeurs dans la colonne correspondante du
second tableau.
6.3 Preuve de l’indépendance de la tension
limite par rapport à l’intensité lumineuse.
Poussez entièrement le boîtier des DEL sur le
tube analyseur de la cellule photoélectrique
jusqu’à ce que les tiges de verrouillage
s’enclenchent.
Placez le bouton de réglage fin pour la
différence de potentiel inverse en position
médiane.
Précision : Il est recommandé, lors de la
première mesure, d'attendre quelques minutes
avant de commencer le réglage de la tension
limite.


Optimisez le réglage avec le bouton de
réglage fin. Pour cela, tournez le bouton de
réglage fin de façon à ce que l'affichage
varie entre 0 et -0.
Notez la différence de potentiel inverse
réglée de cette manière en tant que tension
limite U0.

Recommencez la mesure avec les quatre
DEL restantes.

Une fois l'expérience terminée, repoussez la
housse de protection sur le tube analyseur à
DEL.
A partir des longueurs d’onde  appliquées,
c
f 
calculez les fréquences
avec

m
c  3  108
de la lumière.
s

A partir des tensions limites U0, calculez les
énergies e U0 avec e  1,602  1019 C.

Reportez les valeurs obtenues dans un
diagramme énergie/fréquence.

Tracez une droite passant par les valeurs et
déterminez la constante de Planck h à partir
du gradient et du travail de sortie W de la
section de coordonnée y.

Réglez l’intensité maximale et déterminez la
tension limite U0.

Réduisez progressivement l’intensité à zéro
et déterminez chaque fois la tension limite
U0.

Utilisez uniquement un produit de rinçage
doux courant dans le commerce mais aucun
produit à récurer caustique.

Veillez impérativement à ce qu’aucun liquide
ne pénètre à l’intérieur de l’appareil.

Débranchez l’alimentation enfichable pour
mettre l’appareil hors tension.

Nettoyez l’appareil avec un chiffon léger (!),
humide et non pelucheux.
8. Traitement des déchets
6.2 Détermination de la constante de Planck h.

Choisissez une DEL.
7. Nettoyage
Tournez le bouton de réglage approximatif
jusqu'à ce que le courant photoélectrique
dans le nanoampèremètre soit sur environ
0.


Précision : Le plus simple est d'effectuer
l'évaluation concernant, en particulier, la droite
de compensation, à l'aide du programme Excel
fourni, car il suffit de saisir les valeurs mesurées
pour la tension limite, dans le tableau
3

L'emballage doit être déposé aux centres de
recyclage locaux.

Si l'appareil doit être jeté, ne pas le jeter
dans les ordures ménagères. Il est important
de respecter les consignes locales relatives
au traitement des déchets électriques.
U0 e
eV
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
480
500
520
540
560
580
600
620
640
f
THz
Fig.1 Energie limite U0  e en fonction de la fréquence f
U0 e
eV
0,80
0,75
0,70
0,65
0,60
0
20
40
60
80
100
I
%
Fig. 2 Tension limite U0 en fonction de l’intensité lumineuse I pour une longueur d’onde de 472 nm
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