Добавить материал и получить бесплатное свидетельство о публикации в СМИ
Эл. №ФС77-60625 от 20.01.2015
Свидетельство о публикации

Автоматическая выдача свидетельства о публикации в официальном СМИ сразу после добавления материала на сайт - Бесплатно

Добавить свой материал

За каждый опубликованный материал Вы получите бесплатное свидетельство о публикации от проекта «Инфоурок»

(Свидетельство о регистрации СМИ: Эл №ФС77-60625 от 20.01.2015)

Инфоурок / Физика / Другие методич. материалы / Методичка к лабораторным работам часть3
ВНИМАНИЮ ВСЕХ УЧИТЕЛЕЙ: согласно Федеральному закону № 313-ФЗ все педагоги должны пройти обучение навыкам оказания первой помощи.

Дистанционный курс "Оказание первой помощи детям и взрослым" от проекта "Инфоурок" даёт Вам возможность привести свои знания в соответствие с требованиями закона и получить удостоверение о повышении квалификации установленного образца (180 часов). Начало обучения новой группы: 28 июня.

Подать заявку на курс
  • Физика

Методичка к лабораторным работам часть3

Выберите документ из архива для просмотра:

Выбранный для просмотра документ методичка для виртуальных работ оригинал-4-2003.doc

библиотека
материалов

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ДЕПАРТАМЕНТ НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ И ОБРАЗОВАНИЯ

ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ







Оптика


Методические указания к выполнению

лабораторных работ на интерактивной доске

Часть 5


hello_html_33c5c493.png




пhello_html_m5cf74569.gif. Персиановский 2012 г.


Е.Г. Баленко

Т. Ю. Тарусова











Оптика

Методические указания к выполнению

лабораторных работ на интерактивной доске

Часть 5


















п. Персиановский 2012 г.


УДК 63(06):531/534

ББК 22.2

Б-20


Составители: кандидат с/х наук, доцент Баленко Е. Г.

ст. преподаватель Тарусова Т. Ю.


Баленко, Е. Г.

Оптика. Часть 5: Методические указания к выполнению лабораторных работ на интерактивной доске для студентов сельскохозяйственного ВУЗа. /Е. Г. Баленко, Т. Ю. Тарусова //пос. Персиановский: ДонГАУ.- 2012.- 48 с.

Методические разработки содержат описание и методику проведения лабораторных работ на интерактивной доске по основным разделам физики.


Таблиц - 10

Рис. (схем) – 20


Рецензенты: Заведующий кафедрой «МО и ППП», доктор технических наук, профессор Коханенко В. Н; кандидат технических наук, доцент кафедры «Высшая математика и физика» Мокриевич А. Г.



Утверждено методической комиссией факультета БТЭТ (протокол № 5 от «22» мая 2012 г.)

Рекомендовано к изданию методическим советом ДонГАУ (протокол № 8 от «14» сентября 2012 г.)




© Баленко Е. Г., Тарусова Т. Ю.

©Донской государственный аграрный университет, 2012 г.



Введение

Данные методические разработки предназначены для студентов всех специальностей, изучающих курс «Физика».

Они соответствуют требованиям типовых программ и государственным стандартам вышеуказанного курса и отражают многолетний опыт преподавания дисциплины для студентов первого и второго курсов в Дон ГАУ в течение IIII семестров.

Методические разработки охватывают основные разделы курса физики и знакомят студентов с сущностью физических явлений и методами измерения физических величин.



















Работа 5.1


ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА. ОПЫТ ЮНГА


Цель работы:    1) наблюдение интерференционной картины от двух параллельных щелей в монохроматическом свете;

2) определение длины волны лазерного излучения.


Сhello_html_23b2492e.png
hello_html_125cd14c.pngхема экспериментальной установки



1, 2, 3 – штативы, 4,5 – регулировочные винты,

Л – газовый лазер, БП – блок питания лазера,

П – пластинка со щелями, Э – экран


Описание установки и методики измерений


Источником монохроматического излучения в данной работе является газовый лазер Л, закрепленный горизонтально в штативе 1; включение лазера осуществляется тумблером на панели блока питания БП. В штативе 2 размещена непрозрачная зачерненная пластинка П, на которую нанесены несколько пар горизонтальных щелей, расположенных на малом расстоянии d друг от друга (фронтальное изображение пластинки со щелями дано на схеме установки справа). Ослабив регулировочный винт 4, можно перемещать пластинку П по вертикали, направляя лазерный луч на различные пары щелей. Интерференционная картина наблюдается на экране Э, закрепленном в штативе 3 и удаленном на расстояние D от пластинки со щелями (на схеме плоскости пластинки П и экрана Э перпендикулярны плоскости чертежа).

Газовый лазер испускает узкий пучок монохроматического (красного) цвета. Как известно, свет представляет собой электромагнитную волну; в случае узкого пучка фронт этой волны можно считать плоским. Уравнение плоской волны имеет вид

hello_html_m19969a40.gif(1)

где E(r,t) – проекция светового вектора (напряженности электрического поля) на плоскость его колебаний в точке, находящейся на расстоянии r от источника света в момент времени t ; Em – амплитуда колебаний; – циклическая частота; – длина волны излучения.

Из выражения (1) следует, что значение Е определяется фазой колебаний

hello_html_142bf0d.gif(2)

Попадая на пластинку П, луч лазера проходит через две узкие и близко расположенные друг к другу щели S1 и S2  (рис. 1). Каждую из этих щелей можно рассматривать как источ-ник света, причем благодаря одинаковой частоте и постоянной во времени разности фаз эти источники когерентны. Расхо-дящиеся от них световые пучки перекрываются, и на экране Э можно наблюдать результат их наложения, т.е. картину интерференции.





hello_html_m60a7de20.png
















В произвольную точку М экрана приходят две волны и возбуждают колебания

hello_html_2160ef6c.gif

разность фаз которых, согласно (2), равна

hello_html_425adf18.gif(3)

где  = (r1 r2) – разность хода лучей от источников до точки М. Амплитуда результирующего колебания в точке М определяется выражением

hello_html_501e3326.gif

а интенсивность света в данной точке

hello_html_6a7d50bc.gif(4)

где I0 – интенсивность от каждого из источников в отдельности.

Таким образом, результат интерференции зависит от величины cos . При cos  = -1 интенсивность I = 0; совокупность таких точек на экране образует ряд темных полос. При cos  = 1 интенсивность максимальна: = I max = 4I0 – такие точки образуют светлые полосы.

Как известно, cos = 1 при  = 2k и cos  = -1 при  = (2k + 1) , где  Z. С учетом выражения (3) получим условия наблюдения максимумов

 k (5)

и минимумов

 = (2+ 1)hello_html_m29bec424.gif (6)

Найдем положение соответствующих точек, т.е. координаты светлых и темных полос на экране. Направим ось Oy вертикально в плоскости экрана Э; начало координат совместим с центром наблюдаемой картины (см. рис. 1). Воспользуемся теоремой Пифагора:

hello_html_49cc8e25.gif

Вычитая почленно первое уравнение из второго, получим


r12  r12 = 2yd

или

(r2 + r1)( r2 - r1) = 2yd (7)

(здесь и в дальнейшем индекс «М» у координаты исследуемой точки опущен).

Расстояние между щелями d составляет менее 1 мм, а расстояние от щелей до экрана D – несколько десятков сантиметров. Поэтому можно с достаточной степенью точности положить величину (r2 + r1)  2D. Учитывая также, что ( r2 - r1) = , преобразуем (7) к виду

hello_html_19166086.gif(8)

Координаты светлых полос найдем, подставляя (8) в условие максимума (5):

hello_html_m572576dc.gif

Ширина интерференционной полосы y (расстояние между соседними максимумами или минимумами) может быть определена как

hello_html_7ac1542f.gifhello_html_4e6a1778.png

Полученное соотношение позволяет по известным расстояниям d, D и y найти длину волны излучения:

hello_html_6230b9b8.gif(9)

Примерный вид интерференционной картины от двух щелей показан на рис. 2. Для практического определения ширины интерференционной полосы необходимо измерить рас-стояние L, на котором укладывается целое число N светлых полос. Ширина полосы находится из очевидного соотношения

hello_html_18dea459.gif(10)

(чем больше N, тем точнее будет определена величина y; в приведенном на рис. 2 примере N = 7).

Таблица №1: таблица исходных данных

Номер установки


1


2


3


4


5


6

Номер щели

1,3,5

1

2

3

4

5

6

2,4,6

7

8

9

10

11

12

1,4,7

13

14

15

16

17

18

1,3,6

19

20

21

22

23

24

Порядок измерений и обработки результатов


hello_html_7738080e.png

  1. В блоке «Лазер» нажмите кнопку «Сеть», между платинами появится ярко красное пятно.

  2. В блоке «Пластинка со щелями» стрелками «вверх/вниз» установите пластинку с номером, рекомендованным исходными данными. На экране появится интерференционная картина в виде хорошо различимых красных и темных полос.

  3. В блоке «Экран» стрелками «влево/вправо» добейтесь четкости картинки.

  4. Запишите в таблицу значения D и d.

  5. Отсчитайте возможно большее число красных полос N, занесите в таблицу.

  6. В блоке «Линейка» нажмите кнопку «Приложить» и стрелками «влево/вправо» и «вверх/вниз» измерьте расстояние LN (см. рис. 2) и результат занесите в таблицу.

  7. Повторите опыт с еще двумя рекомендуемыми парами щелей.

  8. Для каждого из опытов рассчитайте по формуле (10) ширину интерференционной полосы y, а затем – длину волны излучения по формуле (9). Результаты расчетов запишите в таблицу, переведя значение из мм в нм.


Таблица №2: таблица результатов измерений и вычислений


Номер опыта

d,

мм

D,

мм

N

L,

мм

y,

мм

 ,

нм

1







2







3








Оценка погрешности вычислений

Определите среднее значение

hello_html_43830d6d.gif


Вычислите среднеквадратичную ошибку среднего арифметического:

hello_html_m5e8351c5.gif

где hello_html_1ed71afd.gif- число измерений, hello_html_62b1ad71.gif- число степеней свободы.

Абсолютную ошибку измерения hello_html_3020220e.gif определите как произведение среднеквадратического отклонения hello_html_m968266a.gifна коэффициент Стьюдента hello_html_m5b07b31b.gif, который при надежности hello_html_m14046c4e.gif, равен 4,3:

hello_html_2d068083.gif


Окончательный результат запишите в таком виде:

hello_html_3bf1f310.gif


Относительную погрешность вычислите по формуле:

hello_html_m564ae370.gif



Контрольные вопросы


  1. Дайте определение интерференции световых волн.

  2. Дайте определение когерентных источников света и расскажите о методах их получения.

  3. Физический смысл понятия оптической разности хода лучей.

  4. Сформулируйте условия наблюдения минимумов и максимумов при интерференции.

  5. Опишите опыт Юнга.

  6. Расчет интерференционной картины от двух источников.

  7. Расскажите о практическом применении явления интерференции.



Работа 5.2

ИЗУЧЕНИЕ ДИФРАКЦИИ СВЕТА НА ОДИНОЧНОЙ ЩЕЛИ

И ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКЕ


Цель работы:    1) наблюдение картины дифракции Фраунгофера от одиночной щели и дифракционной решетки в монохро-матическом свете;

2) экспериментальное определение шири-ны щели и периода дифракционной решетки






Схема экспериментальной установки

1hello_html_m7e2fbabd.pnghello_html_54f37dcc.png
, 2, 3
– штативы, 4, 5 – регулировочные винты, Л – газовый лазер, БП – блок питания лазера, Щ – пластинка со щелью,

ДР – дифракционная решетка, Э – экран


Описание установки и методики измерений


Установка для изучения дифракции света аналогична той, которая используется для наблюдения интерференционной картины в работе 5.1. Различие между ними заключается в том, что вместо пластинки П с горизонтальными щелями используется пластинка Щ с одной вертикальной щелью (упражнение 1) и дифракционная решетка ДР (упражнение 2). Их увеличенное схематическое изображение дано на схеме установки справа.

Рассмотрим прохождение через щель шириной b нормально падающей на нее плоской световой волны (на рис. 3 показан «вид сверху»). Согласно принципу Гюйгенса-Френеля каждая точка фронта волны (следовательно, каждая точка плоскости щели) является источником вторичных волн, распространяющихся во всех направлениях и заходящих в область геометрической тени. Так как эти вторичные волны когерентны, при наложении друг на друга они дают на экране Э картину интерференции. Сложность анализа этой картины заключается в необходимости учета бесконечного множества источников когерентных волн.

hello_html_m550bd63a.png

Рис. 3


Выясним результат наложения лучей в произвольной точке экрана М, расположенной на расстоянии xM от центра картины (ось Ох направлена горизонтально в плоскости экрана). Если ширина щели b и расстояние xM малы по сравнению с расстоянием D от щели до экрана (<< D и xM << D), то попадающие в точку М лучи практически параллельны друг другу и составляют с первоначальным направлением распространения некоторый малый угол  . Результат интерференции вторичных волн зависит от величины этого угла, и интенсивность света в точке М определяется выражением

hello_html_6b59c7f.gif(1)

где

hello_html_m65f0b1a3.gif(2)

I 0 – интенсивность света, идущего от всей щели в направлении первичного пучка; – длина волны света.

Из (2) следует, что (0) = 0; учитывая первый замечательный предел

hello_html_22ebba2b.gif

получим, что при  = 0 (в центре картины) имеет место максимум освещенности: Iщ(0) = I 0 .

Функция (1) обращается в нуль при условии () =    m, где m  N. Подставляя в это условие выражение (2), получим уравнение, позволяющее определить углы, при которых наблюдаются минимумы освещенности (темные полосы):

hello_html_m5cb7bdaa.gif(3)

Условие (3) можно также получить, воспользовавшись методом зон Френеля. Разобьем фронт волны (плоскость щели) на участки, разность хода от которых до точки М равна половине длины волны; так как соответствующая разность фаз равна   , волны от двух таких соседних зон при наложении гасят друг друга. Таким образом, если для данной точки открыто четное число зон Френеля, то в ней наблюдается минимум интенсивности. Число зон можно найти, разделив разность хода крайних лучей (см. рис. 3) на половину длины волны. Учитывая, что hello_html_m5b9f9eb8.gif и положив количество зон равным четному числу 2m, придем к условию (3).

Между определяемыми этим условием минимумами наблюдаются слабо выраженные максимумы. На рис. 4 показан график зависимости интенсивности от синуса угла дифракции и соответствующая ему дифракционная картина на экране.

Рhello_html_4825615b.pngис.4

Как видно из рис. 3, координата х точки М на экране (индекс «М» при х здесь и в дальнейшем опустим) связана с углом простым соотношением = Dtg . Поскольку угол мал, имеем

hello_html_m6bbc10e1.gif(4)

Подставляя данное соотношение в условие (3), найдем координаты точек x, в которых имеет место m-й по счету, начиная от центра, минимум освещенности. Ограничившись положительной полуосью (> 0), получим:

hello_html_1a9d3bac.gif(5)

Координату m-го минимума можно найти экспериментально путем обработки дифракционной картины (рис. 4). Для этого необходимо отметить по обе стороны от центрального максимума минимумы одного и того же порядка m (в примере на рисунке m = 3) и измерить расстояние между ними L; расстояние от центра картины до m-го минимума находится из очевидного соотношения

hello_html_m398afc2f.gif. (6)

Если известна длина волны лазерного излучения и расстояние от щели до экрана D, то с помощью выражения (5) можно определить ширину щели b:

hello_html_24f5eb44.gif. (7)

Дифракционная решетка (ДР) представляет собой пластинку с множеством параллельных узких щелей одинаковой ширины b, находящихся на расстоянии d друг от друга (рис. 5). Расстояние между центрами соседних щелей d называется постоянной (или периодом) дифракционной решетки.

При прохождении через решетку нормально падающей на нее плоской световой волны (см. рис. 5) происходят следующие явления: 1) интерференция вторичных волн, создаваемых точками в плоскости каждой из щелей (это явление подробно рассмотрено выше); 2) интерференция световых пучков от различных щелей.


hello_html_33fe35e6.png

Рис. 5

В результате наложения этих явлений на экране наблюдается дифракционная картина, имеющая довольно сложный характер. Так же, как и при дифракции от одиночной щели, интенсивность света в точке М экрана зависит от угла дифракции  ; в случае решетки она определяется выражением

hello_html_501c744d.gif(8)

где

hello_html_m727ddd1d.gif(9)

N – общее число щелей (штрихов) решетки, накрываемых падающей световой волной; Iщ( ) – функция, определяемая выражениями (1)-(2).

Благодаря множителю Iщ() выражение (8) обращается в нуль при углах дифракции, определяемых условием (3); применительно к решетке оно является условием наблюдения главных минимумов.

Найдем значение I () при () =   k, где k  Z . Раскрыв неопределенность в фигурных скобках выражения (8), вычислим предел:

hello_html_m663210ea.gif

Интенсивность света при этом будет равна N 2Iщ . Условие () =   k с учетом выражения (9) имеет вид

hello_html_m3235370d.gif(10)

и определяет углы, под которыми наблюдаются главные максимумы освещенности. Число k называется порядком главного максимума. В частности, при k = 0 и, следовательно,  = 0 (в центре картины) имеет место наиболее яркий центральный максимум интенсивностью Imax = N 2I0 . Все остальные главные максимумы имеют меньшую интенсивность, зависящую от множителя Iщ().

Дробь в фигурных скобках выражения (8) обращается в нуль при hello_html_m26df45ab.gif где l – целое число, не равное kN. Поэтому в промежутках между соседними главными максимумами наблюдается по ( 1) вторичных минимумов, чередующихся со слабо выраженными вторичными максимумами. При большом числе щелей N интенсивность самого яркого вторичного максимума составляет менее 5% интенсивности ближайшего главного максимума. В условиях данной лабораторной работы вторичные максимумы практически неразличимы и образуют бледную светлую полосу, на фоне которой в виде ярких пятен наблюдаются главные максимумы.

На рис. 6 показан график зависимости интенсивности I от sin и соответствующая ему дифракционная картина на экране.

Рhello_html_674de907.png
ис. 6


Так же, как и при дифракции на одиночной щели, в данном случае координата х на экране и угол дифракции связаны соотношением (4), с учетом которого условие (10) позволяет определить координату k-го главного максимума:

hello_html_37a511b8.gif(11)

Экспериментально значение хk можно найти путем обработки дифракционной картины. Для этого слева и справа от центрального максимума нужно отметить положения главных максимумов одного и того же k-го порядка (в примере на рис. 6 k = 4) и измерить расстояние между ними L, после чего определить координату xk как

hello_html_m6be3645c.gif(12)

Зная x, а также расстояние от решетки до экрана D и длину волны света  , из выражения (11) можно найти период дифракционной решетки:

hello_html_m58c657ef.gif(13)

Таблица №1: таблица исходных данных


Номер установки

1

2

3

4

5

6

Номер варианта

6

5

4

3

2

1


Порядок измерений и обработки результатов

Упражнение № 1: Определение ширины щели


hello_html_m57e18c92.png

  1. В блоке «Лазер» нажмите кнопку «Сеть», на экране появится ярко красное пятно.

  2. В блоке «Пластинка со щелью» нажмите кнопку «Установить», на экране появится дифракционная картина.

  3. С помощью блока «Экран» стрелками «влево/вправо» установите экран так, чтобы на нем наблюдалась четкая дифракционная картина.

  4. Запишите значение D в таблицу, выразив его в мм.

  5. Отсчитайте слева и справа от центра картины одинаковое число m минимумов; измерьте линейкой расстояние между ними L (см. рис. 4), нажав в блоке «Линейка» кнопку «Приложить» и управляя стрелками «влево/вправо» и «вверх/вниз». Значения m и Lмм) занесите в таблицу.

  6. Изменяя расстояние D между щелью и экраном, повторите опыт еще два раза.

  7. Для каждого опыта с помощью соотношения (6) найдите координату m-го минимума x. По формуле (7) рассчитайте ширину щели b; последнюю выразите в мкм. Значения x и b занесите в таблицу.

  8. В блоках «Пластинка со щелью» и «Линейка» нажмите кнопку «Убрать».


Таблица №2: таблица результатов измерений и вычислений


Номер опыта

D,

мм

m

L,

мм

х,

мм

b,

мкм

1






2






3







Оценка погрешности измерений

Определите среднее значение

hello_html_m4ee0b1c0.gif

Вычислите среднеквадратичную ошибку среднего арифметического:

hello_html_4a68dad7.gif

где hello_html_1ed71afd.gif- число измерений, hello_html_62b1ad71.gif- число степеней свободы.

Абсолютную ошибку измерения hello_html_m4a0816f0.gif определите как произведение среднеквадратического отклонения hello_html_6ec85d95.gifна коэффициент Стьюдента hello_html_m5b07b31b.gif, который при надежности hello_html_m14046c4e.gif, равен 4,3:

hello_html_20d7b247.gif

Окончательный результат запишите в таком виде:

hello_html_319d27fd.gif

Относительную погрешность вычислите по формуле:

hello_html_m8c22ed6.gif

Упражнение №2: Определение периода дифракционной решетки


hello_html_73be3073.png

  1. В блоке «Дифракционная решетка» нажмите кнопку «Установить», на экране появится дифракционная картина.

  2. С помощью блока «Экран» стрелками «влево/вправо» установите экран так, чтобы на нем наблюдалась четкая дифракционная картина.

  3. Запишите значение D в таблицу, выразив его в мм.

  4. Отсчитайте от центра картины (среднего из трех наиболее ярких максимумов) влево и вправо по одинаковому количеству k главных максимумов (не считая центрального!); измерьте расстояние между ними Lk  ( см. рис. 6), нажав в блоке «Линейка» кнопку «Приложить» и управляя стрелками «влево/вправо» и «вверх/вниз».. Значения k и L занесите в таблицу.

  5. Изменяя расстояние D между щелью и экраном, повторите опыт еще два раза.

Для каждого опыта по формулам (12) и (13) рассчитайте координату k-го максимума xk и период дифракционной решетки d. Результаты расчетов занесите в табл. 2.


Таблица №2: таблица результатов измерений и вычислений


Номер опыта

D,

мм

k

L,

мм

x,

мм

d,

мм

1






2






3







Оценка погрешности измерений

Определите среднее значение

hello_html_44dd4601.gif


Вычислите среднеквадратичную ошибку среднего арифметического:

hello_html_m7089cb3b.gif

где hello_html_1ed71afd.gif- число измерений, hello_html_62b1ad71.gif- число степеней свободы.

Абсолютную ошибку измерения hello_html_m2f181152.gif определите как произведение среднеквадратического отклонения hello_html_m7e588fa2.gifна коэффициент Стьюдента hello_html_m5b07b31b.gif, который при надежности hello_html_m14046c4e.gif, равен 4,3:

hello_html_m40c2318b.gif


Окончательный результат запишите в таком виде:

hello_html_1cc37e34.gif


Относительную погрешность вычислите по формуле:

hello_html_m24808d5.gif


Контрольные вопросы


  1. Дайте определение дифракции света.

  2. Сформулируйте принцип Гюйгенса-Френеля.

  3. Объясните прямолинейно распространение света на основе метода зон Френеля.

  4. Применение зон Френеля для анализа дифракционной картины.

  5. Дайте понятие дифракции Фраунгофера на одиночной щели. Условие наблюдения минимумов.

  6. Дайте определение дифракционной решетки, периода решетки.

  7. Сформулируйте условия наблюдения главных максимумов и минимумов.

  8. Дифракционная решетка как спектральный прибор. Угловая дисперсия и разрешающая способность решетки.



Работа 5.3

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

С ПОМОЩЬЮ ЯРКОСТНОГО ПИРОМЕТРА


Цель работы:    1) ознакомление с принципом действия яркостного пирометра и практическое измерение яркостной температуры нагретого тела;

2) применение закона Кирхгофа и формулы Планка для определения истинной температуры тела;

3) экспериментальная проверка справед-ливости закона Стефана-Больцмана.



Схема экспериментальной установки

hello_html_m58a6d2ce.png

Л – исследуемая лампа, П – пирометр, Б – батарея питания,

1 – нить накала лампы Л, 2 – защитный кожух, 3 – окно,

4 – объектив, 5 – окуляр, 6 – кольцо потенциометра,

7 – шкала, 8 – ввод/вывод нейтрального светофильтра.




Описание установки и методики измерений


hello_html_23ffd10e.pngОбъектом исследования в данной работе является раскаленная нить 1 лампы Л. Лампа помещена в защитный кожух 2, в котором имеется прямоугольное окно 3. Проходя через это окно, излучаемый лампой свет попадает на объектив 4 яркостного пирометра П – специального прибора для бесконтактного (осуществляемого на расстоянии) измерения высоких температур.

Схема питания лампы Л от выпрямителя В изображена на рис. 7. Подаваемое на лампу напряжение регулируется с помощью потенциометра Р1 (практически это осуществляется вращением ручки на щите блока питания, в состав которого входит выпрямитель В) и измеряется вольтметром V1 ; для измерения силы тока, протекающего по нити накала 1, служит амперметр А.

Оhello_html_m78eb6dbc.pngсновной частью пирометра П является вмонтированная внутри прибора пирометрическая эталонная лампа Э. Эталонная лампа питается от внешней аккумуляторной батареи Б по схеме, изображенной на рис. 8. Цепь замыкается тумблером К, расположенным у основания пирометра. Потенциометр Р2 служит для регулирования подаваемого на лампу Э напряжения; на практике это осуществляется вращением кольца 6 на корпусе прибора. Температура нити накала эталонной лампы однозначно связана с подаваемым на нее напряжением; поэтому шкала 7 измеряющего его вольтметра V2 проградуирована в градусах Цельсия.

hello_html_6e2e2fb7.png


Пhello_html_m2f90daf8.png
опадающий на объектив 4 свет от исследуемой лампы Л проходит через систему линз оптической трубы пирометра (рис. 9), позволяющую наблюдать в окуляр 5 совмещенные в одной плоскости изображения нитей накала исследуемой (Л) и эталонной (Э) ламп. Расположенный в оптической трубе красный светофильтр КФ пропускает в окуляр практически монохроматический свет с длиной волны  = 660 нм; поэтому изображения нитей имеют красную окраску.

Рис. 10

Изменяя напряжение, подаваемое на эталонную лампу, можно добиться одинаковой яркости обеих нитей. Рис. 10 показывает наблюдаемую в окуляр картину в случаях, когда яркость нити Э меньше (а), больше (б) и равна (в) яркости нити Л. В последнем случае эталонная нить становится незаметной на фоне исследуемой (поэтому приборы такого типа называют пирометрами с исчезающей нитью).

При высокой температуре лампы Л предусмотрено введение нейтрального светофильтра НФ с помощью рычажка 8 на корпусе пирометра. Нейтральный светофильтр уменьшает яркость изображения нити Л и позволяет уравнять яркости наблюдаемых в окуляр нитей при меньшем напряжении на лампе Э. При введенном светофильтре НФ показания пирометра снимаются с его нижней шкалы, а при выведенном (низкие температуры) – с верхней.

В отсутствие красного светофильтра КФ яркость изображения нити прямо пропорциональна ее излучательности (энергетической светимости) R, т.е. энергии, излучаемой за единицу времени с единицы площади поверхности тела (нити) во всем диапазоне длин волн. Через светофильтр КФ проходит лишь часть этой энергии R , соответствующая интервалу длин волн от до  +  . Для достаточно узкого интервала   можно положить

hello_html_m5a06bae4.gif(1)

где hello_html_759843d3.gif – спектральная плотность излучательности (испускательная способность) тела; Т – его абсолютная температура.

Проблема градуировки пирометра заключается в том, что различные тела имеют разные значения спектральной плотности излучательности при одних и тех же длине волны и температуре. Открытые экспериментально и обоснованные теоретически законы описывают тепловое излучение абсолютно черного тела (АЧТ). Поэтому проградуированная соответствующим образом шкала пирометра показывает не истинную температуру Т нити эталонной лампы Э, а так называемую яркостную температуру Тя , т.е. температуру АЧТ, имеющего такую же яркость. При выравнивании яркостей нитей Л и Э значения R  у них становятся одинаковыми. Учитывая (1), можем записать

hello_html_m6e5be153.gif(2)

где hello_html_440880ee.gif – спектральная плотность излучательности абсолютно черного тела при температуре Тя .

Как следует из закона Кирхгофа, спектральные плотности излучательности реального тела r(,Т) и АЧТ r0(,Т) связаны соотношением

hello_html_18c9749f.gif(3)

где (,Т) – коэффициент поглощения (степень черноты) тела. У многих тел, в частности, у вольфрама, из которого изготовлена нить лампы Л, коэффициент поглощения не очень сильно зависит от температуры (см. справочные данные в приложении). Поэтому можно с достаточной степенью точности использовать для заданной длины волны осредненное в данном температурном диапазоне значение  . Тогда последнее соотношение примет вид

hello_html_m18d633b3.gif(4)

Приравнивая друг другу правые части выражений (2) и (4), получим:

hello_html_7f26e7b1.gif(5)

Зависимость спектральной плотности излучательности АЧТ от длины волны и температуры (универсальная функция Кирхгофа) r0(,T) описывается формулой Планка

hello_html_78b010dc.gif

где h – постоянная Планка; с – скорость света в вакууме; k – постоянная Больцмана. При сравнительно низких температурах (< 6000 К) единицей в квадратных скобках можно пренебречь, и формула Планка примет вид

hello_html_6b2d23da.gif

Подставляя последнее выражение в (5), получим:

hello_html_44fc96a0.gif

или, после логарифмирования:

hello_html_84040f8.gif(6)

Уравнение (6) связывает истинную температуру Т излучающего тела с его яркостной температурой Тя . Решая его относительно Т, находим:

hello_html_632dc5e2.gif, (7)

где

hello_html_m5e1798f4.gif. (8)

Как известно, тепловое излучение тел имеет место при любой отличной от абсолютного нуля температуре. Поэтому отключенная от источника питания нить лампы Л излучает энергетический поток

hello_html_m4ab30382.gif(9)

где S – площадь поверхности нити; R(T0) – ее излучательность при комнатной температуре Т. После подключения лампы к сети питания ее нить разогревается за счет джоулева тепла до температуры Т и излучает энергетический поток

hello_html_m6ed15341.gif(10)

превышающий 0 на величину потребляемой лампой мощности:

hello_html_m2b4b5d68.gif(11)

где кпд питающей цепи, учитывающий различные энергопотери. Мощность Р легко рассчитать как

hello_html_m1d9c7425.gif, (12)

где U – питающее напряжение; I – сила тока в цепи.

С учетом (9) и (10) уравнение (11) можно переписать в виде

hello_html_mb8af74.gif(13)

Излучательность R(T) определяется из интегрального соотношения

hello_html_6bc48a5c.gif

или, с учетом (3):

hello_html_m416d4f60.gif

Считая нить лампы Л серым телом, т.е. пренебрегая зависимостью ее коэффициента поглощения от длины волны и заменив функцию (,Т) ее осредненным во всем диапазоне длин волн значением Т , получим:

hello_html_646f08ff.gif

где R0(T) – излучательность абсолютно черного тела. Согласно закону Стефана-Больцмана зависимость R0(T) имеет вид

hello_html_4eda4fec.gif

где – постоянная Стефана-Больцмана.

С учетом принятых допущений выражение (13) примет вид

hello_html_m6148ca82.gif(14)

Значения коэффициента поглощения hello_html_m67e8a55.gif (при температуре Т0) и Т (при температуре Т) составляют десятые доли единицы, т.е. являются величинами одного порядка, в то время как абсолютная температура раскаленной нити в четыре-пять раз превышает комнатную температуру Т0. Таким образом, Т04 << Т 4 и вычитаемым в левой части уравнения (14) можно пренебречь. Перепишем это уравнение в виде

hello_html_10105c28.gif(15)

где hello_html_m6f0fc539.gif.

Логарифмируя уравнение (15) и выражая из него величину lnT, получим

hello_html_1218e35.gif(16)

где С2 = 0,25 lnС1 .

Из соотношения (16) следует, что график зависимости lnT от lnP должен иметь характер, близкий к линейному с угловым коэффициентом, примерно равным 0,25.


Таблица №1: таблица исходных данных


Номер установки

1

2

3

4

5

6

Номер варианта

6

5

4

3

2

1


hello_html_70db5405.png



Порядок измерений и обработки результатов

  1. В блоке «Потенциометр: яркость лампы Л» стрелкой «вверх» увеличивайте подаваемое на эталонную лампу Э напряжение до тех пор, пока в окуляр не будет видна нить этой лампы, имеющая форму дуги.

  2. В блоке «Светофильтры» введите красный светофильтр.

  3. С помощью блока «Потенциометры: яркость лампы Л» стрелкой «вверх» установите рекомендованное значение напряжения U.

  4. Снимите показания амперметра А и выразив в амперах занесите значение силы тока в таблицу.

  5. В блоке «Потенциометры: яркость лампы Э» стрелкой «вверх» вращая кольцо потенциометра Р2, получите вторую дугу и добейтесь их одинаковой яркости (см. рис. 10).

  6. По верхней шкале пирометра определите яркостную температуру нити и занесите ее значения (в С) в таблицу.

  7. Не глядя в окуляр, в блоке «Потенциометры: яркость лампы Э» стрелкой «вниз» сбейте настройку пирометра.

  8. Повторите данный опыт с этим же значением напряжения еще дважды. Рассчитайте и занесите в таблицу среднее из трех значений температуры t. Переведите это значение из С в кельвины и заполните следующий столбец таблицы (Тя).

  9. Выполните опыт для каждого из рекомендованных значений напряжения. Если при дальнейшем выполнении работы показания пирометра будут близки к концу его верхней шкалы, на экране появится сообщение «Для продолжения работы необходимо ввести нейтральный светофильтр; использовать НИЖНЮЮ часть шкалы пирометра». Тогда в блоке «Светофильтры» установите «нейтральный», при этом не убирая красного и в блоке «Потенциометры: яркость лампы Э» добейтесь для заданного значения напряжения U стрелкой «вниз» одинаковой яркости на обоих дугах. Далее считывайте значение яркостной температуры с нижней шкалы пирометра.

  10. Используя справочные данные о коэффициенте поглощения вольфрама, оцените его среднее в исследованном температурном диапазоне значение при длине волны  = 660 нм. Выразив величину в метрах, по формуле (8) вычислите константу СК –1).

  11. Для каждого опыта рассчитайте по формуле (7) истинную температуру Т нити накала лампы Л, а также величину lnТ. Занесите полученные значения в таблицу.

  12. Нанесите экспериментальные точки на график зависимости lnT от lnP; проведите по ним сглаживающую прямую. Оцените (с учетом масштаба!) угловой коэффициент этой прямой. Сделайте вывод о применимости закона Стефана-Больцмана для данного объекта исследования.


Таблица №2: таблица результатов измерений и вычислений

Номер опыта

U,

B

I,

A

P,

Вт

lnP

t,

C

Тя ,

К

Т,

К

lnT


1





t1 =




t2 =

t3 =

t =


2





t1 =




t2 =

t3 =

t =


3





t1 =




t2 =

t3 =

t =


4





t1 =




t2 =

t3 =

t =


5





t1 =




t2 =

t3 =

t =


6





t1 =




t2 =

t3 =

t =



Контрольные вопросы


  1. Тепловое излучение и его характеристики: энергетический (световой) поток; излучательность (энергетическая светимость); спектральная плотность излучательности (испускательная способность).

  2. Запишите связь между характеристиками теплового излучения.

  3. Поясните физический смысл коэффициентов пропускания, отражения и поглощения. Серые тела. Абсолютно черное тело (АЧТ).

  4. Сформулируйте закон Кирхгофа. Универсальная функция Кирхгофа и ее физический смысл.

  5. Сформулируйте законы излучения АЧТ: закон Стефана-Больцмана; законы Вина.

  6. Гипотеза Планка о квантовом характере излучения. Формула Планка.

  7. Пирометры и их назначение. Яркостный пирометр. Яркостная температура тела и ее связь с истинной температурой.





Работа 5.4

ФОТОЭФФЕКТ


Цель работы:    1) снятие вольт-амперной характеристики (ВАХ) вакуумного фотоэлемента;

2) определение работы выхода электронов и красной границы фотоэффекта.


Схема экспериментальной установки

Фhello_html_e13817c.png
Э
– вакуумный фотоэлемент: k – катод, а – анод,

Л – источник света, СФ – светофильтр, ИП – источник питания,

П – переключатель, А – микроамперметр, V – вольтметр.


Описание установки и методики измерений


Для исследования явления внешнего фотоэффекта в данной установке используется вакуумный фотоэлемент ФЭ. Фотоэлемент представляет собой откачанный стеклянный баллон, одна половина которого покрыта тонким слоем светочувствительного вещества k, служащего катодом. В центре баллона располагается анод а, выполненный

в виде кольца или шарика. Корпус фотоэлемента снабжен специальным карманом, в который помещается светофильтр СФ. Расходящийся пучок в света от источника (лампы Л, помещенной в специальный кожух с отверстием и закрепленной на штативе) проходит через светофильтр, благодаря которому на катод падает практически монохроматическое излучение длиной волны  . Значение определяется цветом выбранного светофильтра. Величину светового потока , падающего на катод, можно регулировать, изменяя расстояние L между источником света и фотоэлементом.

Источник питания ИП предназначен для подачи постоянного напряжения U между катодом и анодом; величина U может быть измерена вольтметром V. При замыкании переключателя П в положение 1 на катод подается отрицательный потенциал, а на анод – положительный. В этом случае выбитые светом электроны (фотоэлектроны) устремляются к аноду, и по цепи течет ток (фототок) I, для измерения которого служит микроамперметр А. Зависимость фототока I от напряжения U называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) фотоэлемента. Проанализируем вид этой зависимости исходя из теории явления фотоэффекта.

Согласно современным квантовым представлениям, монохроматическую электромагнитную (световую) волну можно рассматривать как поток особых частиц – фотонов, энергия каждого из которых  ф зависит от частоты (или от длины волны ) излучения:

hello_html_9877a11.gif(1)

где h – постоянная Планка; с – скорость света в вакууме.

Внутри металла, из которого изготовлен катод k фотоэлемента, имеется большое количество свободных электронов. При падении света на катод определенная часть фотонов взаимодействует с этими электронами, отдавая им свою энергию. Получив дополнительную энергию  ф , электрон может совершить работу выхода Ав и покинуть катод. Величина работы выхода постоянна для данного металла, поэтому фотоэффект (выбивание электрона) возможен только при выполнении условия  ф > Aв . С учетом (1) это условие принимает вид

hello_html_m2391959f.gif

и позволяет найти максимальную длину волны кр , при которой еще возможен фотоэффект:

hello_html_403ce8c1.gif(2)

(значение кр  называют красной границей фотоэффекта).

Итак, при выполнении сформулированного выше условия электрон может покинуть металл. Разница между энергией фотона и энергией, затраченной на выход, сохраняется в виде кинетической энергии W. Максимальной кинетической энергией обладают те электроны, взаимодействие которых с фотонами произошло непосредственно у поверхности металла. Превращение энергии при фотоэффекте описывается известным уравнением Эйнштейна

hello_html_27eb09b4.gif(3)

hello_html_78af7fba.png

Рис.11

Множество покинувших катод электронов движутся во всевозможных направлениях, и некоторые из них попадают на анод. Поэтому даже при отсутствии напряжения между катодом и анодом (U = 0) в цепи течет малый по величине фототок I 0  (на рис. 11 показан примерный вид вольт-амперной характеристики – ВАХ фотоэлемента).

Уменьшить фототок I 0  можно путем подачи обратного напряжения («–» на анод, « + » на катод), что осуществляется замыканием переключателя П в положение 2 (см. схему установки). Фототок будет полностью прекращен, если приложенное таким образом электрическое поле будет тормозить («загонять» обратно в катод) самые быстрые электроны. Соответствующее значение задерживающего (запирающего) напряжения Uз можно найти из условия, что работа сил электрического поля при этом полностью затрачивается на «погашение» максимальной кинетической энергии электронов:

hello_html_5e090dec.gif(4)

где e – элементарный электрический заряд.

С учетом (4) и (1) уравнение (3) принимает вид

hello_html_2067b453.gif

откуда можно найти работу выхода электронов из металла Ав по известным значениям длины волны излучения и задерживающего напряжения Uз :


hello_html_161b1398.gif. (5)


Длина волны излучения , как уже отмечалось, определяется цветом используемого светофильтра СФ. Для измерения задерживающего напряжения Uз необходимо замкнуть переключатель П в положение 2 и увеличивать подаваемое обратное напряжение до тех пор, пока показания микроамперметра А не обратятся в нуль; соответствующее показание вольтметра V и будет представлять собой величину Uз.

Продолжим анализ характера зависимости I(U). Подача напряжения в прямом направлении (« + » на анод, « – » на катод) путем установки переключателя П в положение 1 заставляет фотоэлектроны двигаться к аноду. Увеличение напряжения вовлекает в этот процесс все больше выбитых электронов, вследствие чего ток I возрастает (см. рис. 11). При некотором значении = Uн все фотоэлектроны попадают на анод, и дальнейшее повышение напряжения не приводит к увеличению фототока (наступает насыщение ВАХ). Величина фототока насыщения Iн прямо пропорциональна общему числу выбитых электронов, а следовательно, количеству падающих на катод фотонов. Количество фотонов, в свою очередь, определяется величиной светового потока . Таким образом, квантовая теория объясняет один из экспериментально открытых А.Г.Столетовым законов фотоэффекта: фототок насыщения прямо пропорционален освещенности катода. Для проверки справедливости этого закона в данной работе предусмотрено снятие ВАХ при двух значениях светового потока и    (уменьшение освещенности катода осуществляется путем увеличения расстояния L между источником света и фотоэлементом).


Таблица №1: таблица исходных данных


Номер установки

1

2

3

4

5

6

Номер варианта

6

5

4

3

2

1

hello_html_73e0d43c.png

Порядок измерений и обработки результатов


Упражнение №1: Снятие ВАХ фотоэлемента


  1. В блоке «Перемещение лампы Л» стрелками «влево/вправо» установите расстояние L, согласно исходным данным. Значение L запишите в левую часть таблицы.

  2. В блоке «Светофильтры» установите светофильтр, рекомендованный исходными данными.

  3. В блоке «Переключатель П» установите положение 1.

  4. Увеличивая согласно рекомендациям подаваемое на фотоэлемент напряжение, заносите показания вольтметра (U) и микроамперметра (I ) в таблицу до тех пор, пока не будет достигнуто насыщение (при дальнейшем повышении напряжения фототок практически не будет изменяться).

  5. С помощью блока «Потенциометр Р» и стрелкой «вниз» установите источник питания на нуль.

  6. Измените в соответствии с рекомендациями расстояние L и запишите его значение в правую часть таблицы.

  7. По результатам проделанных измерений постройте на одном графике обе вольт-амперные характеристики. Сделайте соответствующие выводы.


Таблица №2: таблица результатов измерений и вычислений


L = см

L = см

U, В

I, мкА

U, В

I, мкА

0


0


2


2


4


4


6


6


8


8


10


10


15


15


20


20


25


25


30


30


40


40


50


50


60


60


70


70


80


80



Упражнение № 2. Определение работы выхода электронов


  1. В блоке «Перемещение дампы Л» стрелками «влево/вправо» установите рекомендованное исходными данными расстояние L.

  2. В блоке «потенциометр Р» и стрелкой «вниз» установите источник питания на нуль.

  3. В блоке «Светофильтры» установите первый (синий 1).

  4. В блоке «Переключатель П» установите положение 2.

  5. Увеличивайте подаваемое на фотоэлемент напряжение до тех пор, пока показания микроамперметра не обратятся в нуль. Занесите в таблицу значение задерживающего напряжения Uз . Уменьшите показания вольтметра до нуля.

  6. Повторите опыт, меняя светофильтры в порядке их перечисления в таблице.

  7. Используя справочные материалы и выражая длину волны в метрах, по формуле (5) рассчитайте для каждого опыта работу выхода электрона Ав. Переведите полученное значение из джоулей в электрон-вольты и занесите его в таблицу.

  8. Используя среднее значение hello_html_m37e94abc.gif, по формуле (2) найдите длину волны красной границы фотоэффекта кр .


Таблица №3: таблица результатов измерений и вычислений


Номер опыта

Светофильтр

,

мкм

Uз ,

В

Ав ,

эВ

1

Синий 1

0,43



2

Синий 2

0,46



3

Зеленый

0,50



4

Желтый

0,51



5

Оранжевый

0,52



6

Красный

0,57




Контрольные вопросы


  1. Сформулируйте понятие внешнего фотоэффекта и его основные закономерности.

  2. Сформулируйте условие наблюдения фотоэффекта (красная граница).

  3. Квантовая теория фотоэффекта. Фотоны.

  4. Запишите уравнение Эйнштейна и поясните его физический смысл. Работа выхода.

  5. Вольт-амперные характеристики фотоэлемента и их объяснение с позиций квантовой теории.

































Литература


Основная:

  1. Грабовский Р.И. Курс физики: Учебное пособие для с.-х. институтов – 6-е изд., перераб. и доп. – М: Высшая школа, 2002 - 607с.

  2. Трофимова Т.И. Курс физики: Учебное пособие для технических вузов - 2-е издан. М: Высшая школа, 2001. – 478с.


Дополнительная:

  1. Грибов Л.А., Прокофьева Н.И. Основы физики: Учебник для с.-х. и биологических спец. вузов. – М: Высшая школа, 1992 – 430с.

  2. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика: Учебное пособие для медицинских, сельскохозяйственных и биологических специальностей. – М: Высшая школа, 1992 – 616с.

  3. Хитун В.А., Скляревич В.В. Практикум по физике для медицинских вузов. Изд.2-е, доп. Учебное пособие для институтов, М: Высшая школа, 1972 – 360с.


Программное обеспечение:

  1. Виртуальная лаборатория физики 2.0 (Тверской государственный технический университет (ТГТУ), Тверь, 2006 год)








Содержание


Введение 4

Работа 5.1 «Интерференция света. Опыт Юнга» 5

Работа 5.2 «Изучение дифракции света на одиночной

щели и дифракционной решетке» 12

Работа 5.3 «Изучение законов теплового излучения с

помощью яркостного пирометра» 26

Работа 5.4 «Фотоэффект» 37

Литература 46















Елена Георгиевна Баленко

Татьяна Юрьевна Тарусова







Оптика. Часть 5: Методические указания к выполнению лабораторных работ на интерактивной доске для студентов сельскохозяйственного ВУЗа. – пос. Персиановский, ДонГАУ, 2012 – 48 с.







Учебно - методическое издание



Под редакцией Е.Г. Баленко



Компьютерная верстка: Тарусова Т. Ю.




Донской государственный аграрный университет

346493, пос. Персиановский, Октябрьский район, Ростовская обл.

50



Подайте заявку сейчас на любой интересующий Вас курс переподготовки, чтобы получить диплом со скидкой 50% уже осенью 2017 года.


Выберите специальность, которую Вы хотите получить:

Обучение проходит дистанционно на сайте проекта "Инфоурок".
По итогам обучения слушателям выдаются печатные дипломы установленного образца.

ПЕРЕЙТИ В КАТАЛОГ КУРСОВ

Автор
Дата добавления 12.01.2016
Раздел Физика
Подраздел Другие методич. материалы
Просмотров194
Номер материала ДВ-328815
Получить свидетельство о публикации
Похожие материалы

Включите уведомления прямо сейчас и мы сразу сообщим Вам о важных новостях. Не волнуйтесь, мы будем отправлять только самое главное.
Специальное предложение
Вверх