Файл: Практикум по физике для студентов заочной формы обучения инженернотехнических специальностей.pdf

88
Окончательный результат:


10.
Выводы.

89
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № О8
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
ПРИ ПОМОЩИ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ
Цель работы: изучить явление дифракции электромагнитного излучения, определить длину волны

лазерного излучения.
Приборы и принадлежности: лазер, дифракционная решетка, экран, измерительная линейка, штангенциркуль.
I. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ
Установка состоит из лазера 1, установленного на одном конце рельса; экрана 3, установленного на другом конце рельса (рис.1).
Лазер является источником монохроматических когерентных световых лучей. Между лазером иэкраном устанавливается дифракционная решетка - 2. Решетка устанавливается таким образом, чтобы плоскость решетки оказалась перпендикулярной падающему на неё световому пучку.
Рис.1. Схема установки: 1 – лазер; 2- дифракционная решетка; 3 – экран.
При прохождении излучения через дифракционную решетку, вследствии явления дифракции, на экране образуется совокупность максимумови минимумов- дифракционный спектр. Исследуя дифракционныйспектр, можноопределить длину волны излучения.
Условие возникновения главных максимумов света определяется из соотношения:


k
d


sin
,
(1) где d - период решетки;

- угол дифракции; k - целое число, порядок максимума (k = 0,1,2,3,…).

90
Из уравнения (1) выразим длину волны:
k
d


sin

. (2)
Для определения длины волны

в формуле (2) необходимо знать

sin
. Т.к. расстояние от экрана до дифракционной решетки значительно больше расстояния между дифракционными максимумами l>>x , то
l
x
tg
2
sin




(рис.1).
Подставляя значения

sin в выражение (2), получим окончательную формулу для нахождения длины волны:
lk
xd
2


(3)
II. ПОРЯДОК РАБОТЫ
1. Расположите приборы так, как показано на рис.1.
2. Включите лазер, предварительно изучив инструкцию о правилах включения лазера.
3. Запишите значение периода дифракционной решетки d (смотри на дифракционной решетке).
Абсолютная погрешность
d

определяется как погрешность константы.
4. Установите экран 3 на таком расстоянии от дифракционной решетки 2, чтобы на нём получилось чёткое изображение дифракционного спектра.
5. Определите при помощи масштабной линейки расстояние l от экрана до дифракционной решетки. Абсолютная погрешность
l

определяется как погрешность прибора.
6. Определите при помощиштангенциркуля расстояние х между серединами главных максимумов

"первого" порядка.
Абсолютная погрешность
x

определяется как погрешность прибора.
7. Повторите измерение х для главных максимумов 2-го и 3-го порядка. Результаты наблюденийвнесите в табл. 1.
8. По результатам наблюдений рассчитайте длину волны

лазерного излучения по формуле (3).
9. Определите среднее значение длины волны
N
i





Рассчитайте ее абсолютную погрешность:

91 2
2 2





 






 






 



l
l
d
d
х
х


и относительную погрешность:





100%. Запишите окончательный результат:
)
(








м.
III. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Что называется дифракцией света?
2. Как формулируется принцип Гюйгенса?
3. Какие положения составляют содержание принципа Гюйгенса-
Френеля?
4. Что называется дифракционной картиной?
5. Как записывается при дифракции света на дифракционной решетке условие главного максимума, главного минимума, добавочного минимума?
6. Какова связь между разностью хода и разностью фаз колебаний двух лучей?
7. Что называется углом дифракции?
8. Что называется дифракционной решеткой?
9. Что называется периодом дифракционной решетки?
10. Нарисуйте дифракционную картину от 4-х щелей/
IV. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
1. Титульный лист.
2. Цель работы.
3. Приборы и принадлежности.
4. Расчётные формулы: длина волны:





5. Период дифракционной решетки: d=

d
6. Результаты наблюдений:

92
Таблица 1
Порядок спектра
k
Расстояние между серединами максимумов
x (м)
Расстояние от экрана до дифракционной решетки l (м)
Длина волны

(м)
1

2

3

7. Определение длины волны лазерного излучения:
<

>=






100%=
Окончательный результат:


8. Выводы.

93
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № О9
ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Цель работы: изучить законы теплового излучения, определить коэффициент теплового излучения.
Приборы и принадлежности: установка для определения коэффициента теплового излучения.
I. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ
Установка состоит из лампы накаливания, амперметра, вольтметра, автотрансформатора (рис.1). Автотрансформатор имеет возможность подавать напряжение U на нить накала лампы в пределах от 0 до 220 В.
Рис.1. Схема установки.
Излучательные свойства источника теплового излучения характеризуют коэффициентом теплового излучения, который равен отношению энергетической светимости теплового излучателя к энергетической светимости черного тела при той же температуре:
0
T
T
R
R


(1)
Воспользуемся определением энергетической светимости.
Энергетической светимостью излучающего тела называется физическая величина, определяемая отношением потока излучения
dФ, исходящего от рассматриваемого малого участка поверхности dS к площади этого участка:
dS
dФ
R
T

(2)
Поток теплового излучения вольфрамовой нити можно найти как произведение напряжения U на лампе на силу тока I, протекающего через неё, учитывая тот факт, что почти вся энергия электрического тока в нити накаливания, разогретой до температуры T, преобразуется в энергию теплового излучения:
Ф=I

U.
(3)
Значение площади спирали нити S приведено на установке.

94
Для определения температуры нити накала Т воспользуемся зависимостью сопротивления проводника R от температуры Т:
T
R
R

0

,
(4) где
273 1


- температурный коэффициент;
0
R
- сопротивление проводника при температуре
0 0
С. Запишем это соотношение для комнатной температуры:
к
T
R
R
К

0

Измеренное омметром сопротивление нити накала
К
R
при комнатной температуре
к
Т
указано на установке. Найдем
0
R
из этого соотношения:
К
К
T
R
R


0
(5)
Из выражения (4) с учетом (5) и закона Ома (
I
U
R 
) получим формулу для температуры:
К
К
R
T
I
U
T 
(6)
Воспользуемся законом Стефана – Больцмана:
4 0
T
R
T


(7)
Подставив в формулу (1) выражение (7), (3), (2), (6) получим рабочую формулу для расчета коэффициента теплового излучения вольфрама:
3 4
5 4
U
ST
I
R
к
к

 
(8)
II. ПОРЯДОК РАБОТЫ
1. Перед началом работы убедитесь, что ручка автотрансформатора находится в крайнем левом положении.
2. Подключите установку к источнику питания 220 В.
3. Установите напряжение на лампе 140 В, наблюдая по вольтметру.
4. Измерьте силу тока в нити лампы накаливания по амперметру.
5. Верните ручку автотрансформатора в исходное крайнее левое положение и отключите установку.
6. Рассчитайте абсолютную погрешность напряжения
U

и абсолютную погрешность силы тока
I

по прибору.

95 7. Запишите указанные на установке постоянные величины.
Определите их абсолютные погрешности как погрешности константы.
8. Найдите по формуле (8) значение коэффициента теплового излучения. Рассчитайте его абсолютную погрешность:
2 2
2 2
2 2
3 4
5 4





 






 






 






 






 






 



U
U
T
T
S
S
I
I
R
R
K
K
K
K




и относительную погрешность:





100%.
Запишите окончательный результат:  = ().
III. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Какое излучение называется тепловым? Особенности теплового излучения.
2. Что называется потоком излучения? В каких единицах он измеряется? Записать формулу и пояснить все входящие в нее величины и их размерность.
3. Что называется коэффициентом теплового излучения? Записать формулу и пояснить все входящие в нее величины и их размерность.
4. Что называется энергетической светимостью тела? Записать формулу и пояснить все входящие в нее величины и их размерность.
5. Сформулировать и записать закон Кирхгофа. Нарисовать график зависимости функции Кирхгофа от длины волны
)
(

f
r 
6. Что называется коэффициентом поглощения? Записать формулу и пояснить все входящие в нее величины и их размерность.
7. Сформулировать и записать закон Вина. Пояснить на графике
)
(

f
r 
8. Какое тело называется абсолютно черным, серым? Привести примеры.
9. Сформулируйте закон Стефана-Больцмана. Пояснить на графике
)
(

f
r 
10. Какие законы постоянного тока используются в работе?
IV. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
1. Титульный лист.

96 2. Цель работы.
3. Приборы и принадлежности.
4. Схема установки.
5. Расчетные формулы: коэффициента теплового излучения:




=
6. Постоянные и заданные в работе величины:
=







S=

S


S
S
K
R
=


K
R


K
K
R
R
K
T
=


K
T


K
K
T
T
6. Измерения:

U

U


U
U
I=

I


I
I
7. Расчет коэффициента теплового излучения вольфрама:











100%=
Окончательный результат:


8. Выводы.

97
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № О10
ИЗУЧЕНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА
Цель работы: снятие вольтамперной и световой характеристик фотоэлемента.
Приборы и принадлежности: монохроматор, источник света, фотоэлемент в кожухе, источник питания, микроамперметр, вольтметр.
I. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ
Лабораторная установка состоит из монохроматора 8, источника света 1, фотоэлемента 10, источника питания 14, микроамперметра 11 и вольтметра 12 (рис.1).
Рис.1. Оптическая и электрическая схемы установки: 1 – источник; 2 – линза; 3 – щель; 4 – маховик; 5 – объектив; 6 – коллиматор; 7 – призма; 8 – монохроматор; 9 - зрительная труба; 10 – фотоэлемент; 11- микроамперметр; 12 – вольтметр; 13 – потенциометр; 14 - источник питания.
Основными частями монохроматора - прибора для выделения из спектра излучения узких спектральных участков, являются коллиматор 6, дисперсная призма 7 и зрительная труба 9.
Свет от источника 1 с помощью линзы 2 собирается на входной щели 3. Ширина щели регулируется маховиком 4. Объектив 5 создает

98 пучок света, разлагаемый призмой 7 в спектр. Вращая барабан 15, можно направить на фотоэлемент 10 нужный участок спектра.
Сила фототока регистрируется микроамперметром
11, напряжение на фотоэлементе изменяется потенциометром 13, а измеряется вольтметром 12.
II. ПОРЯДОК РАБОТЫ
1. Установить барабан 14 монохроматора на отметку 2400°. При этом из спектра излучения источника света будет выделен участок, соответствующий заданной части спектра.
2. Установить ширину щели d=4 мм.
3. Измерить силу тока I между анодом и катодом фотоэлемента при различных значениях напряжения U между электродами не менее 8 раз. Данные внести в табл. 1.
4. Построить вольтамперную характеристику фотоэлемента I = f(U).
5. Определить из вольтамперной характеристики значение напряжения, соответствующее значению силы фототока насыщения.
При этом напряжении снимать световую характеристику фотоэлемента.
6. Световой поток Ф, падающий на фотоэлемент, пропорционален ширине щели d. Поэтому для снятия световой характеристики измерить силу тока I между анодом и катодом при различных значениях ширины щели d не менее 8 раз. Данные внести в таблицу 2.
7. По данным табл. 2 построить световую характеристику фотоэлемента I=f(d).
III. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Что называется внешним фотоэффектом?
2. Cформулировать первый, второй и третий законы фотоэффекта/
3. Что называется вольтамперной характеристикой? Нарисовать
ВАХ.
4. Что называется световой характеристикой?
5. Что называется работой выхода? От чего зависит эта величина?
6. Записать уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта/
Пояснить входящие в него величины, записать их размерность.
7. В чем заключается суть квантовой теории света?
8. Что называется задерживающим или запирающим напряжением?

99 9. Что называется «красной границей» фотоэффекта? Записать формулу пороговой частоты.
10. Что называется током насыщения? Показать на графике I=f(U) эту величину.
IV. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
1. Титульный лист.
2. Цель работы.
3. Приборы и принадлежности.
4. Оптическая и электрическая схемы установки.
5. Вольтамперная характеристика фотоэлемента.
Положение барабана монохроматора 2400°.
Ширина щели d=4 мм.
Таблица 1
№ 1
2 3
4 5
6 7
8
U, B
I, мкA
График: I=f(U).
6. Световая характеристика фотоэлемента:
U
нас
=
Таблица 2
№ 1
2 3
4 5
6 7
8
d, мм
I, мкА
График: I = f(d).
7. Выводы.

100
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № О11
ИЗУЧЕНИЕ СПЕКТРА АТОМА ВОДОРОДА
Цель работы: изучение оптического спектра атома водорода, определение постоянной Ридберга.
Приборы и принадлежности: монохроматор, спектральная водородная трубка, блок питания, градуировочный график монохроматора.
I. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ
Работа выполняется с помощью монохроматора, схема которого приведена на рис. 1. Монохроматор – оптический прибор для выделения узких участков спектра оптического излучения.
Основными частями монохроматора являются коллиматор 6, дисперсная призма 4 и зрительная труба 2. Свет от источника 10 фокусируется конденсором 9 на входную щель 8, ширина которой регулируется винтом 7.
Рис. 1. Схема установки: 1 –окуляр; 2 – зрительная труба; 3 – объектив зрительной трубы; 4 – дисперсная призма; 5 – объектив коллиматора; 6 – коллиматор; 7 – винт 8 – щель; 9 - конденсор;
10 –источник питания.
Входная щель находится в фокусе объектива 5 коллиматора, поэтому из него выходит параллельный пучок света. Дисперсионная призма пространственно разделяет лучи разных длин волн, направляя их на объектив 3 зрительной трубы под разными углами. В фокальной

101 плоскости объектива образуется спектр – совокупность длин волн, испускаемых источником. Нужный участок спектра совмещают с указателем окуляра 1 поворотом дисперсионной призмы с помощью барабана 13. На барабане нанесены деления через каждые 50.
Возбуждение атомов водорода в источнике 10 происходит за счет электрического газового разряда, т.е. прохождения электрического тока через газ.
В данной работе изучается спектр атома водорода. Оптический спектр – распределение по частотам или длинам волн интенсивности оптического излучения тела. Спектры атомов газов, находящихся при низком давлении, являются линейчатыми, т.е. состоят из отдельных спектральных линий.
Важнейшее свойство квантовой системы, состоящей из связанных частиц (например, атома, состоящего из ядра и электронов, связанных между собой электрическими силами), заключается в том, что внутренняя энергия квантуется, т.е. она может принимать лишь определенные дискретные значения W
1
, W
2
, W
3
, … Возможные значения энергии называются энергетическими уровнями и определяются по формуле:
2
n
hcR
W


,
(1) где
h
- постоянная Планка, с - скорость света в вакууме,
R
- постоянная Ридберга,
n
- главное квантовое число, которое может принимать значения
n
=1, 2, 3, …
Рис. 2 Упрощенная схема энергетических уровней и квантовых переходов