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

102
Набор значений энергии называется энергетическим спектром системы (рис. 2). Состояние системы с минимально возможным значением энергии называется нормальным или основным, все остальные состояния – возбужденными. Скачкообразный переход квантовой системы из одного состояния в другое называется квантовым переходом. При переходе с более высокого уровня энергии
W
k
на более низкий W
i
система излучает фотон, при обратном переходе поглощает его. По закону сохранения энергии

h
W
W
i
k


,
(2) где

h
- энергия фотона.
Выражение (2) называется условием частот Бора.
Формула
Бальмера для частоты спектральной линии, испускаемой при переходе атома водорода из состояния с главным квантовым числом
k
n 
1
в состояние с главным квантовым числом
i
n 
2
:








2 2
1 1
k
i
сR

(3)
Все спектральные линии в спектре атома водорода могут быть объединены в серии. Серия – это группа спектральных линий, возникающих при переходах атома с разных верхних уровней энергии на один и тот же энергетический уровень. Каждой серии спектра атома водорода соответствует определенное значение главного квантового числа
i
n 
. Серия Лаймана (

i
1,

k
2, 3, 4…) лежит в ультрафиолетовой области спектра. В видимой области спектра расположена серия Бальмера (

i
2). Линии этой серии обозначаются символами

H
(красная

k
3),

H
(зелено-голубая

k
4),

H
(синяя

k
5),

H
(фиолетовая

k
6).
В каждой серии различают головную (

 i
k
1) и граничную
(

k
) линии.
В данной лабораторной работе предлагается определить постоянную Ридберга. Так как на предложенной установке измеряется длина волны каждой спектральной линии серии Бальмера (

i
2), то выразим частоту через длину волны:


c

и, используя формулу (3), получим расчетную формулу для постоянной Ридберга:

103








2 2
1 1
1
k
i
R

(4)
II. ПОРЯДОК РАБОТЫ
1. Подключить газоразрядную трубку к источнику питания.
2. Вращая барабан, отыскать спектральные линии серии Бальмера атома водорода. В поле зрения зрительной трубы наряду с линиями атомного спектра наблюдается спектр молекулярного водорода. Атомному спектру принадлежат наиболее яркие линии: красная, зеленая, синяя и слабая фиолетовая.
3. С помощью барабана совместить указатель окуляра 1 с центром каждой линии серии Бальмера, записав в таблицу цвет линии и отсчет по барабану.
4. Пользуясь градуировочным графиком, расположенном на рабочем месте, определить длины волн и записать их в таблицу.
5. Рассчитать для каждой спектральной линии значение постоянной
Ридберга по формуле (4). Найти среднее арифметическое значение постоянной Ридберга:
4



i
R
R
6. Сравнить полученное значение с табличным значением постоянной Ридберга.
7. Сделать выводы по лабораторной работе.
III. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Что называется оптическим спектром?
2. Каково важнейшее свойство квантовой системы?
3. Записать формулу, по которой рассчитываются возможные значения энергии. Пояснить входящие в нее величины, их размерность.
4. Какое состояние квантовой системы называется основным, возбужденным?
5. Дать определение квантового перехода.
6. Записать условие частот Бора и пояснить входящие в него величины, их размерность.

104 7. Записать формулу Бальмера и пояснить входящие в нее величины, их размерность.
8. Записать формулу связи частоты с длиной волны излучения.
9. Как образуются спектральные серии?
10. Как образуется серия Лаймана? В какой области спектра атома водорода расположена серия Лаймана?
11. Как образуется серия Бальмера? В какой области спектра атома водорода расположена серия Лаймана, из каких линий она состоит?
12. Дать определение головной и граничной линиям спектральной серии.
IV. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
1. Титульный лист.
2. Цель работы.
3. Приборы и принадлежности.
4. Схема установки.
5. Расчетные формулы: постоянная Ридберга:

R
6. Результаты измерений: серия Бальмера:

i
Таблица 1
Цвет спектральной линии
Гл. квантовое число k
Показание барабана монохроматора, градус
Длина волны, м
Постоянная Ридберга,
м
-1

 R
8. Табличное значение постоянной Ридберга:

R
9. Выводы.

105
ЛИТЕРАТУРА
1. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. - М.:
Высш. шк., 1990.
2. Савельев И.В. Курс общей физики. В 3-х т. - М.: Наука, 1982, Т.2,3.
3. Кортнев А.В., Рублев Ю.В., Куценко А.Н. Практикум по физике. –
М.: Высш. школа, 1965.
4. Лабораторный практикум по физике: Учеб. пособие для студентов втузов /Ахматов А.С., Андреевский В.М., Кулаков А.И. и др. Под ред. А.С.Ахматова. – М.: Высш. школа, 1980. - 360 с., ил.
5. Физический практикум /Под ред. В.И. Ивероновой. – М.: Высш. школа, 1967.
6. Потемкина С.Н., Сарафанова В.А. Изучение закона сохранения энергии: Метод. указания к лабораторной работе – Тольятти,
ТолПИ, 1998.
7. Курбатов А.Н. Основы термодинамики: Метод. указания к лабораторной работе – Тольятти, ТолПИ, 1979.
8. Курбатов А.Н., Сулейман Г.И. Определение момента инерции твердого тела: Метод. указания к лабораторным работам –
Тольятти, ТолПИ, 1986.
9. Молекулярная физика и термодинамика: Метод. указания к лабораторным работам /Сост. Азовский В.М., Сарафанова В.А.,
Потёмкина С.Н. и др. – Тольятти: ТолПИ, 1991.

106
ПРИЛОЖЕНИЯ
1. Десятичные приставки к названиям единиц
Т - тера (10 12
) д - деци (10
-1
) н - нано (10
-9
)
Г - гига (10 9
) с - санти (10
-2
) п - пико (10
-12
)
М - мега (10 6
) м - милли (10
-3
) ф - фемто (10
-15
) к - кило (10 3
) мк - микро (10
-6
) а - атто (10
-18
)
2. Некоторые внесистемные величины
1 сут = 86400 с
1" = 4,85∙10
-6
рад
1 год = 365,25 сут = 3,16∙10 7
с
1 мм рт.ст. = 133,3 Па
1° = 1,75 10
-2
рад
1эВ = 1,6∙10
-19
Дж
1' = 2,91∙10
-4
рад
3. Основные физические постоянные
Скорость света в вакууме с = 3,00∙10 8
м/с
Ускорение свободного падения g = 9,81 м/с
2
Гравитационная постоянная
G = 6,67∙10
-11
м
3
/(кг∙с
2
)
Постоянная Авогадро
N
A
= 6,02∙10 23
моль
-1
Молярная газовая постоянная
R = 8,31 Дж/(К∙моль)
Постоянная Больцмана k = 1,38∙10
-23
Дж/К
Элементарный заряд е = 1,60∙10
-19
Кл
Масса покоя электрона m
e
= 9,11∙10
-31
кг
Масса покоя протона m
p
= 1,672∙10
-27
кг
Масса покоя нейтрона m
n
= 1,675∙10
-27
кг
Удельный заряд электрона e/m e
= 1,76∙10 11
Кл/кг
Постоянная Стефана – Больцмана
σ = 5,67∙10
-8
Вт/(м
2
∙К
4
)
Постоянная Вина b = 2,90∙10
-3
м К
Постоянная Планка h = 6,63∙10
-34
Дж∙с
Постоянная Ридберга
R = 3,29∙10 15
с
-1
R' = 1,10∙10 7
м
-1
Первый боровский радиус a
0
= 5,28∙10
-11
м
Магнетон Бора
μ
B
= 9,27∙10
-24
Дж/Тл
Электрическая постоянная
ε
0
= 8,85∙10
-12
Ф/м
1/(4πε
0
) = 9∙10 9
м/Ф
Магнитная постоянная
μ
0
= 4∙10
-7
Гн/м
Атомная единица массы
1 а.е.м. = 1,6606∙10
-27
кг
Масса изотопа
H
1 1
m
H
= 1,6736∙10
-27
кг

107
4. Некоторые астрономические величины
Радиус Земли
6,37∙10 6
м
Масса Земли
5,98∙10 24
кг
Радиус Солнца
6,95∙10 8
м
Масса Солнца
1,98∙10 30
кг
Радиус Луны
1,74∙10 6
м
Масса Луны
7,33∙10 22
кг
Расстояние от центра Земли до центра Солнца 1,49∙10 11
м
Расстояние от центра Земли до центра Луны
3,84∙10 8
м

108
СОДЕРЖАНИЕ
1. Предисловие………………………………………………………..…3 2. Лабораторный практикум и порядок его выполнения…………….4 3. Обработка результатов измерений физических величин………….6 4. Лабораторная работа № Э1 «Исследование электростатического поля методом зонда»………………………………………………..11 5. Лабораторная работа № Э2 «Исследование электростатического поля методом аналоговой модели»………………………………..15 6. Лабораторная работа № Э3 «Определение емкости конденсатора по времени его разряда»……………………………………………20 7. Лабораторная работа
№
Э4
«Измерение сопротивления проводников с помощью моста Уитстона»……………………….25 8. Лабораторная работа № Э5 «Определение ЭДС методом компенсации»……………………………………………………….30 9. Лабораторная работа № Э6 «Исследование зависимости полезной мощности и
КПД источника тока от сопротивления нагрузки»…………………………………………………………....35 10. Лабораторная работа № Э7 «Измерение индукции магнитного поля с помощью физического маятника»…………………………39 11. Лабораторная работа № Э8 «Определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли»………………45 12. Лабораторная работа № Э9 «Индукционный метод измерения магнитной индукции»………………………………………………51 13. Лабораторная работа № О1 «Изучение гармонических колебаний математического маятника»………………………………………..56 14. Лабораторная работа № О2 «Изучение гармонических колебаний физического маятника»…………………………………………….60 15. Лабораторная работа № О3 «Изучение затухающих механических колебаний»………………………………………………………….64 16. Лабораторная работа № О4 «Изучение интерференции света с помощью бипризмы Френеля»…………………………………….68 17. Лабораторная работа № О5 «Изучение интерференции света методом Юнга»……………...………………………………………73 18. Лабораторная работа № О6 «Изучение интерференции света методом колец Ньютона»…………………………………………..77 19. Лабораторная работа № О7 «Определение световой волны при помощи дифракционной решетки»………………………………..83 20. Лабораторная работа № О8 «Определение длины волны лазерного излучения при помощи дифракционной решетки»………….…...88

109 21. Лабораторная работа № О9 «Изучение законов теплового излучения»…………………………………………………………..92 22. Лабораторная работа
№
О10
«Изучение внешнего фотоэффекта»……………………………………………………….96 23. Лабораторная работа № О11 «Изучение спектра атома водорода»……………………………………………………………99 24. Литература…………………………………………………………104 25. Приложения………………………………………………………..105

110
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
ПО ФИЗИКЕ
для студентов заочной формы обучения инженерно-технических специальностей
ЧАСТЬ 2
Сарафанова Валентина Александровна
Цыбускина Инна Ивановна
Викарчук Анатолий Алексеевич
Подписано в печать 9.11.04.Формат 60х84/16
Печать оперативная. Уч.п.л. 6,7. Уч.-издл.л. 6,2.
Тираж 500 экз.
Тольяттинский государственный университет
Тольятти, Белорусская, 14.