Файл: Лабораторная работа 4 Эффект Франка и Герца Научный руководитель к ф. м н, доцент А. Н. Сергеев.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.12.2023
Просмотров: 27
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
по пилообразному закону (развёртка) с частотой 15-20 Гц. Потенциал анода относительно сетки устанавливается отрицательным с помощью источника задерживающего напряжения 3. Значение этого напряжения регулируется в пределах от 0 до б В ручкой со шкалой на панели модуля. Для измерения анодного тока измеряют падение напряжения на резисторе R, включённом последовательно с анодом. Отметим, что измеряемые параметры, как правило, выводятся на измерительные приборы не непосредственно, а после их обработки электронной схемой. Однако наиболее важное для конечного результата ускоряющее напряжение Uуск выводится на гнездо панели модуля напрямую.
В модуле размещены две лампы, наполненные различными газами. Для их поочерёдного исследования аноды и сетки ламп соединены параллельно и подключены к измерительной системе, а нити накала включены последовательно, при этом одна из них закорочена, и соответствующая лампа не работает. Выбор лампы производится тумблером "Л1/Л2" на передней панели блока. Наполнение ламп указано в разделе "Состав изделия". Номер лампы и наполнение указаны также в надписи на цоколе лампы.
Вид на переднюю панель модуля "Опыт Франка и Герца" приведён на рисунке 3. Исследуемые лампы видны в окне 8. Стрелочный измерительный прибор (поз. 3) измеряет анодный ток IA, предел шкалы прибора - 100 мкА. Ручка "UЗАД" (поз.4) устанавливает значение задерживающего напряжения в соответствии с надписями на шкале, расположенной вокруг ручки. На гнездо "UУСК" (поз.13) выведено ускоряющее напряжение. Значения UЗАД и UУСК измеряются мультиметром
на соответственно обозначенных гнёздах относительно общего провода схемы, выведенного на два гнезда ".." (поз.11).
На гнездо "Y" (поз.10) выведено напряжение, пропорциональное анодному току IA (коэффициент пропорциональности 0,1 В/мкА, максимальное напряжение 10 В соответствует току 100 мкА).
На гнездо "X" (поз.12) выведено напряжение, пропорциональное ускоряющему напряжению UУСК (коэффициент пропорциональности 0,1, максимальному напряжению 10 В соответствует ускоряющее напряжение 100 В).
Контроль тока накала осуществляется измерением напряжения на резисторе RH= 1,00 Ом между гнёздами "IH" и "UУСК". Значение измеренного напряжения в вольтах равно значению тока в амперах.
Тумблер "ИМП/НЕПР" управляет режимом измерения анодного тока. В положении "НЕПР" ток накала лампы постоянен, а измерение анодного тока производится непрерывно. Вследствие падения напряжения на нити накала (в нашей установке это 4-6 В) для электронов, вылетевших из разных точек нити накала (она же - катод), ускоряющие напряжения будут различными, что приведёт к "размазыванию" изучаемой в опыте вольтамперной характеристики - зависимости тока анода от ускоряющего напряжения катод - сетка. Это нежелательное явление устраняется с помощью импульсного режима измерений. В положении "ИПМ" ток накала периодически отключается на короткое время (25 мкс), в течение этого времени производится измерение анодного тока, затем ток накала восстанавливается.
Рисунок 7 - Панель модуля "Опыт Франка и Герца''.
Ход работы :
Рисунок 7 - Вольтамперная характеристика.
(4)
Значения первых потенциалов Ф1 возбуждения инертных газов:
Гелий – 21,6 В Аргон – 11,5 В
Неон – 16,6 В Ксенон – 8,3 В
Криптон – 9,9 В
Таблица 1 - Таблица значений.
Значения рассчитывались по следующим формулам:
(5)
(5’)
(6)
(6’)
(2,8 – коэффициент Стьюдента для 5 измерений)
К U1 Ближе всего потенциал Гелия(Uтаб =21,6 В):
К U2 Ближе всего потенциал Неона(Uтаб =16,6 В):
Вывод:
В ходе лабораторной работы нами были обнаружены дискретные уровни энергии атомов ,а также получено значение потенциалов для ламп:
U1 ± ∆U=22,26 ± 1,04В
U2 ± ∆U=19,40 ± 1,43 В.
Сравнивая полученные экспериментальные данные с теоретическими, и учитывая доверительные интервалы, мы не можем определить, какие инертные газы находятся в лампах. Вероятней всего, это связано с маленькой точностью шкалы делений осциллографа.
Исходя из экспериментальных данных, можно предположить, что в первой лампе находится Гелий (относительная погрешность δ2=3,06%), а во второй находится Неон (относительная погрешность δ2=16,87%).
Литература
В модуле размещены две лампы, наполненные различными газами. Для их поочерёдного исследования аноды и сетки ламп соединены параллельно и подключены к измерительной системе, а нити накала включены последовательно, при этом одна из них закорочена, и соответствующая лампа не работает. Выбор лампы производится тумблером "Л1/Л2" на передней панели блока. Наполнение ламп указано в разделе "Состав изделия". Номер лампы и наполнение указаны также в надписи на цоколе лампы.
Вид на переднюю панель модуля "Опыт Франка и Герца" приведён на рисунке 3. Исследуемые лампы видны в окне 8. Стрелочный измерительный прибор (поз. 3) измеряет анодный ток IA, предел шкалы прибора - 100 мкА. Ручка "UЗАД" (поз.4) устанавливает значение задерживающего напряжения в соответствии с надписями на шкале, расположенной вокруг ручки. На гнездо "UУСК" (поз.13) выведено ускоряющее напряжение. Значения UЗАД и UУСК измеряются мультиметром
на соответственно обозначенных гнёздах относительно общего провода схемы, выведенного на два гнезда ".." (поз.11).
На гнездо "Y" (поз.10) выведено напряжение, пропорциональное анодному току IA (коэффициент пропорциональности 0,1 В/мкА, максимальное напряжение 10 В соответствует току 100 мкА).
На гнездо "X" (поз.12) выведено напряжение, пропорциональное ускоряющему напряжению UУСК (коэффициент пропорциональности 0,1, максимальному напряжению 10 В соответствует ускоряющее напряжение 100 В).
Контроль тока накала осуществляется измерением напряжения на резисторе RH= 1,00 Ом между гнёздами "IH" и "UУСК". Значение измеренного напряжения в вольтах равно значению тока в амперах.
Тумблер "ИМП/НЕПР" управляет режимом измерения анодного тока. В положении "НЕПР" ток накала лампы постоянен, а измерение анодного тока производится непрерывно. Вследствие падения напряжения на нити накала (в нашей установке это 4-6 В) для электронов, вылетевших из разных точек нити накала (она же - катод), ускоряющие напряжения будут различными, что приведёт к "размазыванию" изучаемой в опыте вольтамперной характеристики - зависимости тока анода от ускоряющего напряжения катод - сетка. Это нежелательное явление устраняется с помощью импульсного режима измерений. В положении "ИПМ" ток накала периодически отключается на короткое время (25 мкс), в течение этого времени производится измерение анодного тока, затем ток накала восстанавливается.
Рисунок 7 - Панель модуля "Опыт Франка и Герца''.
Ход работы :
-
Произвели подключение прибора к сети. Сигналы "X" и "Y" поданы на соответствующие входы осциллографа (коэффициент отклонения 1 В/дел.). Если осциллограф не имеет входа "X", представление о виде характеристики даст осциллограмма сигнала "Y". Ручку регулировки тока накала повёрнута против часовой стрелки до упора. Тумблер режима измерений поставлен в положение "_^V.". Мультиметром контролируется ток накала. -
Включён прибор тумблером "СЕТЬ". На экране осциллографа появилась горизонтальная линия - вольтамперная характеристика в отсутствие анодного тока. Плавно увеличивая ток накала до 1,0 - 1,3 А, произведено наблюдение появления свечения нити накала лампы и вместе с этим - появление анодного тока на характеристике. Подбирая ток накала и задерживающее напряжение, получена характеристику типа приведённой на рисунке 7. Рекомендуемое значение первого максимума анодного тока IMAX 1 составляет 30-50 мкА (3-5 В на выходе "Y"), первого минимума - 0-20 мкА.
Рисунок 7 - Вольтамперная характеристика.
-
Первый ("резонансный") потенциал возбуждения атомов газа, заполняющего лампу, определяется в установке как разность ускоряющих напряжений U1 и U2, соответствующих первому и второму спаду анодного тока. Потенциал наиболее быстрого спадания тока определяется по среднему току, значение которого находится посередине между токами максимума и минимума:
(4) -
Значения U1 и U2 оцениваются по шкале осциллографа. Напряжение 1 В на выходе "X" соответствует 10 В ускоряющего напряжения. Плавно изменяя ускоряющее напряжение ручкой “UУСК“, проследили изменения анодного тока, зафиксировали его максимумы и минимумы, установили среднее значение тока и определили соответствующие значения ускоряющего напряжения, данные записали в таблицу 1.
Значения первых потенциалов Ф1 возбуждения инертных газов:
Гелий – 21,6 В Аргон – 11,5 В
Неон – 16,6 В Ксенон – 8,3 В
Криптон – 9,9 В
Таблица 1 - Таблица значений.
| Лампа 1 | Лампа 2 | U1, В | U2, В | Uср1, В | Uср2, В | dU1, В | dU2, В |
| 1 | 1 | 23 | 21 | 22,26 | 19,40 | 1,04 | 1,43 |
| 2 | 2 | 21 | 20 | ||||
| 3 | 3 | 22,3 | 19 | ||||
| 4 | 4 | 22 | 19 | ||||
| 5 | 5 | 23 | 18 |
Значения рассчитывались по следующим формулам:
(5)
(5’)
(6) (6’)(2,8 – коэффициент Стьюдента для 5 измерений)
К U1 Ближе всего потенциал Гелия(Uтаб =21,6 В):
К U2 Ближе всего потенциал Неона(Uтаб =16,6 В):
Вывод:
В ходе лабораторной работы нами были обнаружены дискретные уровни энергии атомов ,а также получено значение потенциалов для ламп:
U1 ± ∆U=22,26 ± 1,04В
U2 ± ∆U=19,40 ± 1,43 В.
Сравнивая полученные экспериментальные данные с теоретическими, и учитывая доверительные интервалы, мы не можем определить, какие инертные газы находятся в лампах. Вероятней всего, это связано с маленькой точностью шкалы делений осциллографа.
Исходя из экспериментальных данных, можно предположить, что в первой лампе находится Гелий (относительная погрешность δ2=3,06%), а во второй находится Неон (относительная погрешность δ2=16,87%).
Литература
-
Детлаф, А. А. Курс физики : учеб. пособие / А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. – М. : Академия, 2008. – 718 с. -
Савельев, И. В. Курс общей физики : в 5 т. / И. В. Савельев. – СПб. : Лань, 2011. – Т. 5. – 352 с. Шпольский Э. В., Атомная физика т.1, т.2