プレチャレンジ at 宇都宮高校 日本物理学会 ＮＰＯ 物理オリンピック日本委 員会 Japan Physics Olympiad J PhO 2014 年 3 月 15 日 プランク定数を測る （ 2005 年第２チャレンジ実験コンテスト 課題）

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1 プレチャレンジ at 宇都宮高校 日本物理学会 ＮＰＯ 物理オリンピック日本委 員会 Japan Physics Olympiad J PhO 2014 年 3 月 15 日 プランク定数を測る （ 2005 年第２チャレンジ実験コンテスト 課題）

2 ２００５年 第２チャレンジ（全国大会） 実験コンテスト

3 Max Planck in recognition of the services he rendered to the advancement of Physics by his discovery of energy quanta エネルギー量子の発見に対して Berlin University 独 b. 1858 d. 1947 The Nobel Prize in Physics 1918 プランク ノーベル財団 HP から 溶鉱炉の中の真っ赤に溶 けた鉄から放射される 熱（輻射）エネルギーは、 飛び飛びの値しかとらな い： エネルギー E=n ・ hν n: 整数 ν: 光の振動数 h: プランク定数 6.62 ６ ×10 - 34 J ・ s hν ：エネルギー量子 ⇒量子物理学の始まり 高温：白っぽい光 やや低温：赤みがかった光 ⇒温度によって 光の波長・振動数が違う

4 Albert Einstein for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect 理論物理学への功績、特に光電効果の法則の発見に対して Max-Planck-Institut 独 b. 1879 d. 1955 The Nobel Prize in Physics 1921 アインシュタイン ノーベル財団 HP から 振動数 ν の光は、エネルギー E=hν を 持つ『粒子』である。 ν: 光の振動数 h: プランク定数 hν ：光量子（ photon フォトン） ⇒光は波動性と粒子性を合わせ持つ。 光電効果：光を電流・電圧に変える ⇒デジタルカメラなど画 像機器

5 ２．回折格子による光の波長 λ の測定 ν＝ ーν＝ ー c λ → 光の振動数 発光ダイオード（ LED ）の光（赤、緑、青、 紫）で、光の粒子性と波動性を測定 縦軸に E 、横軸に ν のグラフ、 その傾きがプランク定数 h ２つの実験 １．発光開始電圧 V 測定 光のエネルギー E=eV= hν

6 (1 kΩ) 0 ～ 1 kΩ 可変抵抗器 抵抗 100 Ω 6 V 電池 発光ダイ オード LED V 電圧計 電池 Box 6 V つながっている ブレッド ボード LED 可変抵抗器 発光ダイオード（ Light Emitting Diode, LED ）を点灯するための電気回路 ブレッドボード ・電源端子は横に ・回路接続端子は縦に つながっている LED 長い足を＋側に、 短い足をー側に つなぐ。

7 LED 発光のメカニズム 発光開始電圧 V E=eV E=hνE=hν E=eV 電池が与えるエネルギー =hν 光のエネルギー Band Gap

8 発光開始 電圧 （ V ） エネルギー E=eV (J) 回折角 θ （度） 波長 λ （ m ） 振動数 ν （ Hz ） 赤色 LED 緑色 LED 青色 LED 紫色 LED 電気素量 クーロン ：光速度 ：振動数：波長 データ・シート 回折格子の間隔

9 光（電磁波）の波長 λ 1 μm 1 nm 1 pm 1 mm 1 m 800 nm 400 nm 可視光 波長 テレビ 携帯電話 FM ラジオ 電子レンジ こたつ ヒーター 日焼け レントゲン撮影 放射性物質から 10 12 10 15 10 9 10 18 10 21 振動数 (Hz) λ λ λ λ λ （光速度）＝（振動数）・ （波長）

10 ヤングの二重スリットの実験 ― 波動説の勝利 ― １８０５年 トーマス・ヤング Movie 水面波の干渉 © JST 理科ネットワーク ２次 １次 ０次 １次 ２次

11 を 満たす θ の方向に n 次回折光が出る。 （ n=1,2,3,… ） 回折格子による干渉・回折

12 を 満たす θ の方向に １次回折光が出 る 回折格子による干渉・回折の条件

13 ０次 1次1次 1次1次 θ LED 回折格子 LED を 満たす θ を測定 ⇒ を求 める。