Учебное пособие по экспериментальной физике составлено в соответствие с программой по общему курсу физики и по физическому практикуму для студентов очного и заочного обучения инженерно-технических специальностей нефтегазовых университетов.
Скачать 2.09 Mb.
|
Список литературы1. Трофимова Т.И. Курс физики. 2. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Курс физики. 3. Физический практикум под ред. В.И. Ивероновой. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5-6 ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ВОЗДУХА ОТ ДАВЛЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОГО РЕФРАКТОМЕТРА Цель работы – определение показателя преломления воздуха и изучение его зависимости от давления с помощью интерференционного рефрактометра ИТР-1
Опыт и элементарная теория показывают, что показатель преломления газов зависит от плотности газа при прочих неизменных условиях. Эта зависимость при невысоких давлениях Р может быть представлена соотношением (см. [1]) n 1 = const . (1) При постоянной температуре Р и (1) можно переписать так: n 1 = const Р. (2) В данной работе требуется экспериментально проверить зависимость (2) и определить показатель преломления n воздуха. Идею метода можно пояснить с помощью упрощенной схемы интерференционного рефрактометра (рис. 1а, вид сверху, разрез по горизонтали). На плоскую непрозрачную диафрагму Д, имеющую две длинные (25 мм), вертикально расположенные щели, падает пучок параллельных световых лучей. В верхней части пространства за диафрагмой помещена двухкамерная кювета (Кв) с прозрачными торцевыми стенками, обе камеры которой заполняются исследуемым газом или прозрачной жидкостью. Свет от верхней части щелей проходит через обе камеры, образуя верхнюю интерференционную картину в виде системы (подвижных) параллельных полос. Нижние пучки света, проходя под кюветой, образуют нижнюю (неподвижную) систему интерференционных полос. Обе системы интерференционных полос наблюдаются в фокальной плоскости ФП линзы F2. Если показатели преломления газа в обеих камерах одинаковы, то верхняя и нижняя интерференционные картины (рис.1б) совпадают и симметричны относительно оси 0-0. При незначительной разности в показателях преломления газов в кюветах, например за счёт изменения давления в одной из камер, возникает дополнительная разность хода, и верхняя система полос будет сдвинута относительно нижней на несколько полос (рис.1в). Этот сдвиг полос и используется для измерения показателя преломления n. Более подробная оптическая схема интерферометра приведена на рис. 2: в горизонтальном (вид сверху, рис. 2а) и вертикальном (вид сбоку, рис. 2б) разрезах. Свет от лампочки накаливания с помощью конденсора направляется на входную щель прибора S шириной 3-5 мкм. Эта щель находится в фокальной плоскости объектива F1, составляющего вместе со щелью коллиматор прибора (то есть оптическое устройство для получения пучков параллельных лучей). Непосредственно за объективом F1 расположена диафрагма со щелями А1 и А2. Когерентные параллельные лучи собираются в фокальной плоскости линзы F2 и дифракционная картина наблюдается через сильный окуляр 0 цилиндрическую линзу диаметром 2-3 мм, дающую примерно стократное увеличение. Ось цилиндра этой линзы параллельна щелям А1 и А2. Две плоскопараллельные наклонные пластинки П1 и П2 образуют компенсатор прибора, они пересекают верхние, проходящие через камеры кюветы (К) световые лучи. Наклон одной из пластинок может меняться по отношению к проходящему сквозь неё пучку. Следовательно, этим самым меняется и оптическая разность хода лучей, прошедших через камеры. В частности, оптическую разность хода можно сделать равной нулю, если она предварительно создана неполной идентичностью изготовления камер кюветы. Таким образом, с помощью компенсатора можно верхнюю дифракционную картину привести к полному совпадению с нижней. Оптическая разность хода лучей, прошедших через обе камеры кюветы, будет равна , (3) где n0 показатель преломления воздуха в одной из камер при температуре и давлении окружавшего воздуха Т0 и Р0 соответственно; n показатель преломления в другой камере при давлении Р и той же температуре Т = Т0, длина камер. Если n = n0, то = 0. В этом случае с помощью компенсатора добиваются совпадения полос, отвечающего условию = 0. Соответствующий отсчет по микровинту компенсатора даёт значение нуля прибора N0 (в мм). Если n > n0, то совмещение полос достигается при другом значении показания прибора N, возникает разность отсчетов между N и N0. Между и разностью отсчётов (N N0) существует связь, для нахождения которой требуется калибровочный график. При малых значениях (N N0) можно считать, что = (N – N0), = const, и . (4) Значение численно равно оптической разности хода на единицу изменения показания прибора, - цена деления прибора. Из (3) и (4) следует . (5) При нормальных условиях (Тн = 2730К, Рн = 760 мм рт. ст.) значение n для воздуха nн = 1,000292. Привлекая уравнение Менделеева–Клапейрона и соотношение (1), преобразуем выражение (5). Из (1) следует (6) . Из уравнения Менделеева–Клапейрона , или с учетом того, что , получаем , или . (7) Подставив (7) в (6), получим , или , откуда (8) Подставив (8) в (5) получим . (9) Значение Р0 и Т0 определяются по барометру и термометру.
Внешний вид установки представлен на рис. 3. Она состоит из рефрактометра 1 ИТР-1, сильфона 2, который с помощью резинового шланга присоединен к манометру 3. В приборе используется свет от обычной лампочки накаливания (немонохроматический). Поэтому полоса, отвечающая главному максимуму нулевого порядка, не окрашена и светлее других полос, в то время как остальные полосы окрашены. По перемещению этой неокрашенной светлой полосы можно однозначно судить о сдвиге всей интерференционной картины в случае изменения показателя преломления среды в одной из камер кюветы. Задание 1. Определение цены деления прибора, . 1. Включить рефрактометр в сеть и наблюдать в окуляр 4 обе интерференционные картины. Совместить верхнюю и нижнюю интерференционные картины между собой. 2. Открыть кран 5 для установления в камерах атмосферного давления. 3. Вращением головки микровинта 6 компенсатора совместить верхнюю и нижнюю интерференционные картины. Приложив к окуляру 4 светофильтр, который пропускает свет с длиной волны ( указана на табличке прибора), установить более точное совпадение картин. 4. По шкале 6 и головке компенсатора произвести отсчёт нуля прибора N0. Измерения повторить 5 раз. Результаты занести в табл. 1. Найти среднее значение . 5. Вращением головки микровинта сместить верхнюю картину на k = 5 полосам, используя при этом светофильтр. Произвести отсчет Nк. Вернуться в исходное положение и повторить измерения 5 раз. Результаты занести в табл. 1. Найти среднее . 6. Для нахождения учтём, что смещение интерференционной картины на k полос связано с изменением оптической разности хода , отсюда . По этой формуле по средним значениям и вычислить значение , результат занести в табл. 1. Таблица 1 = = N0, ммNк, мм (при k=5) - , мм12345 = = Задание 2. Определение показателя преломления воздуха. 1. Закрыть кран 5 и увеличить давление в одной из камер кюветы на Р = 0,05 атм. При этом верхняя интерференционная картина сместится относительно нижней. С помощью компенсатора совместить обе картины и сделать отсчёт N по шкале. 2. Изменяя давление через каждые 0,05 атм, провести измерения, как в пункте 1. Результаты записать в табл. 2. 3. Используя формулу (9), рассчитать показатель преломления n. Найти среднее значение nср. 4. Построить график зависимости (n 1) 104 от избыточного давления Р (в мм.рт.ст.). Убедиться в его линейности. Таблица 2 Т0 = Р0 = l=Р, атмР, мм.рт.стN, ммN N0, ммn-1n 10,0520,1030,1540,20.….…5. По окончании измерений осторожно открыть кран 5 и вернуть микровинт в исходное положение. Контрольные вопросы
Список литературы 1. Трофимова Т.И. Курс физики. 2. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Курс физики. 3. Физический практикум под ред. В.И. Ивероновой. Часть 2 КВАНТОВАЯ ФИЗИКА ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6-1 ИЗУЧЕНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА Цель работы – изучение внешнего фотоэффекта, снятие вольт-амперной и световой характеристик вакуумного фотоэлемента. Краткое теоретическое введение Постановка задачи Внешним фотоэффектом называется явление испускания электронов (фотоэлектронов) веществом под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект был открыт в 1887 г. Г.Герцем. В 1888-1889 гг. Столетов А.Г. изучил закономерности фотоэффекта. Внешний фотоэффект наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а также в газах – на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация). Фотоэлектроны при движении во внешнем электрическом поле создают фототок. Приборы, действие которых основано на явлении внешнего фотоэффекта, называются фотоэлементами. Простейший тип фотоэлемента – вакуумный. Он представляет собой откачанный стеклянный или кварцевый баллон, часть которого покрыта изнутри светочувствительным слоем, выполняющим роль фотокатода (К), рис.1. Анод (А) обычно выполняется в виде кольца или спирали. Между анодом и катодом с помощью батареи (Б) создается электрическое поле, которое направляет вылетающие из катода электроны к аноду, что и вызывает появление фототока в цепи. Фотоэлементы находят широкое применение в современной технике: телевидение, звуковое кино, схемы управления и сигнализации, фотометрические приборы (люксметры и др.). Основные характеристики вакуумного фотоэлемента – вольт-амперная, световая и спектральная. Вольт-амперная характеристика фотоэлемента – это зависимость фототока от напряжения между анодом и фотокатодом при неизменных длине волны света ( ) и освещенности ( ) фотокатода. Вид вольт-амперных характеристик для двух различных освещенностей фотокатода ( ) представлен на рис. 2. При нулевом напряжении на клеммах фотоэлемента, , в цепи имеется ток ( , ). Это свидетельствует о том, что некоторые электроны, выбитые из катода излучением, достигают анода и в отсутствие электрического поля. При увеличении напряжения фототок возрастает, так как все больше фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривых указывает на то, что электроны вылетают из катода с различными скоростями, поскольку свет вырывает электроны не только с поверхности, но и из слоя, лежащего на некоторой глубине. В последнем случае электроны теряют часть своей энергии при достижении поверхности анода. При некотором напряжении увеличение тока прекращается, он достигает постоянного значения, называемого током насыщения ( , ). В состоянии насыщения устанавливается равновесие между числом электронов, вырываемых под действием света в единицу времени из фотокатода, и числом электронов, достигающих в единицу времени анода. Чтобы увеличить фототок насыщения, необходимо увеличить освещенность фотокатода (кривая на рис.2). Для того чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее электрическое поле (обратного направления) . При фототок равен нулю. Величину называют задерживающим напряжением. В этих условиях электроны, вылетающие из катода, не могут преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Работа задерживающего поля, , равна максимальной начальной кинетической энергии электрона : . (1) Из уравнения (1) по величине задерживающего напряжения можно определить максимальную начальную кинетическую энергию электронов, а значит, и начальную скорость электронов. Изучение вольт-амперных характеристик, снятых при различных длинах волн падающего на фотокатод излучения и при различных освещенностях катода, позволило сформулировать основные законы фотоэффекта: 1 закон (закон Столетова). При неизменном спектральном составе излучения ( ) сила фототока насыщения прямо пропорциональна энергетической освещенности E катода (интенсивности излучения). 2 закон. Максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно растет с увеличением частоты излучения и не зависит от освещенности катода: . 3 закон. Для каждого фотокатода существует минимальная частота света (или максимальная длина волны ), при которой еще возможен фотоэффект – красная граница фотоэффекта. Явление фотоэффекта и его закономерности были объяснены с помощью квантовой теории света в 1905 г. А. Эйнштейном. Согласно А. Эйнштейну свет частотой не только испускается (как это предполагал Планк), но также распространяется в пространстве и поглощается веществом отдельными порциями (квантами, фотонами) энергии, , электромагнитного поля ( - постоянная Планка). При однофотонном фотоэффекте каждый фотон поглощается только одним электроном. Поэтому число фотоэлектронов, вылетающих за единицу времени с единицы площади катода, прямо пропорционально числу фотонов , падающих за то же время на эту же поверхность. То есть освещенность определяется числом фотонов . Следовательно, сила фототока насыщения будет тоже прямо пропорциональна освещенности , что находится в соответствии с первым законом фотоэффекта, . В результате поглощения фотона электрон приобретает энергию . Для выхода из катода электрон должен совершить работу – работу выхода, , против электрических сил, удерживающих его в веществе. Если , то электрон вырывается из вещества. Оставшаяся же часть энергии идет на сообщение электрону кинетической энергии . По закону сохранения энергии . (2) С учетом (1) получим . (3) Уравнение (2) называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Из него видно, что начальная максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона зависит не от освещенности, а от частоты света и работы выхода, что объясняет второй закон фотоэффекта. Из этого же уравнения вытекает и третий закон фотоэффекта – минимальная энергия фотона , при которой начинается внешний фотоэффект, должна быть равна работе выхода электрона. Отсюда красная граница фотоэффекта ( , ) может быть определена из условия . (4) . (5) Таким образом, красная граница фотоэффекта зависит от работы выхода электрона, т.е. от природы вещества, а также от состояния его поверхности. Формула (5) позволяет при известной определить работу выхода электрона: . (6) Световая характеристика фотоэлемента – это зависимость фототока от падающего на катод светового потока, или освещенности , при постоянном напряжении и постоянной длине волны падающего излучения (при постоянном спектральном составе излучения), . Для вакуумных фотоэлементов наблюдается строгая пропорциональность между фототоком насыщения и освещенностью в полном соответствии с первым законом фотоэффекта. Спектральная характеристика фотоэлемента – это зависимость его чувствительности от длины световой волны при постоянном напряжении на фотоэлементе и постоянной освещенности. Чтобы повысить чувствительность фотоэлементов, их наполняют инертным газом (Ar, Ne) при давлении в несколько паскалей. Такие приборы называют газонаполненными фотоэлементами. В этом случае вылетевшие из фотокатода электроны ускоряются электрическим полем и ионизируют молекулы инертного газа, наполняющего фотоэлемент. Полученные в результате ионизации новые электроны, ускоренные электрическим полем, в свою очередь, ионизируют другие молекулы. В результате к аноду устремляется все возрастающая лавина электронов, отчего сильно увеличивается чувствительность фотоэлемента. Оптимальный режим работы фотоэлемента определяется видом вольт-амперной характеристики, которая дает зависимость фототока от напряжения при постоянном значении светового потока. У вакуумных фотоэлементов рабочий режим выбирается в области насыщения. У газонаполненных фотоэлементов зависимость фототока от освещенности нелинейная. В данной работе используется газонаполненный фотоэлемент. Снимаются его вольт-амперные характеристики и исследуются световые характеристики. Практическая часть
В качестве фотоэлементов обычно используют сурмяно-цезиевый вакуумный (ЦВ) или кислородно-цезиевый газонаполненный (ЦГ). Схема экспериментальной установки и электрическая схема приведены на рис. 3 и 4 соответственно. Фотоэлемент ФЭ помещен в непрозрачный экран Э с целью защиты от посторонних источников света. На оптической скамье (ОС) нанесены метки для измерения расстояния от лампочки накаливания (ЛН) до фотоэлемента (ФЭ). С помощью фотодиода ФД можно измерять освещенность (см. ниже). Назначение других элементов схемы достаточно очевидно. 2. Порядок выполнения работы и обработка результатов измерения Задание 1. Снятие вольт-амперной характеристики. Вольтамперная характеристика ФЭ представляет собой зависимость тока от напряжения на электродах ФЭ при фиксированном световом потоке (фиксированном расстоянии лампочки накаливания от фотоэлемента и напряжении накала ). Для снятия вольт-амперной характеристики необходимо: 1. Подключить установку к источнику постоянного тока (ИТ). Включить в сеть лампочку накаливания. 2. Установить лампочку накаливания от ФЭ на расстоянии (указано на установке). 3. Изменяя напряжение с помощью потенциометра R через каждые 10 В, снять показания микроамперметра (мкА) и результаты занести в табл. 1. 4. Установить другое расстояние между лампочкой накаливания и ФЭ. Снять вторую вольт-амперную характеристику. Данные занести в табл. 1. 5. Построить графики зависимости от для и на одном рисунке. Таблица 0 Вольт-амперные характеристики ФЭ № измеренийНапряжение ФЭ , ВПервое положение лампочки накаливания =Второе положение лампочки накаливания =Ток ФЭ , мкАТок ФЭ , мкА10210320…Задание 2. Снятие световой характеристики. Согласно закону Столетова сила тока пропорциональна световому потоку , который можно выразить через освещенность и площадь фотокатода: . Так как величина освещенности непосредственно в работе не определяется, то можно исследовать зависимость силы фототока от относительной величины светового потока. Для этой цели в схему (рис. 3, 4) введен фотодиод ФД. Тогда , (7) где , - некоторые начальные значения светового потока и освещенности. Значение может быть определено с помощью тока , протекающего в цепи фотодиода при освещении его светом, , где - значение светового потока, падающего на фотодиод. Ток измеряется микроамперметром (рис. 4) . Таким образом, , (8) где - начальное значение тока. Если отодвигать источник света от фотодиода, то его сопротивление будет увеличиваться, а сила тока – уменьшаться. Поэтому, измеряя зависимость силы тока от расстояния , определим зависимость фототока от интенсивности электромагнитного излучения (интенсивность обратно пропорциональна квадрату расстояния ). Для снятия световой характеристики необходимо: 1. Задать на ФЭ напряжение (указано на установке) по вольтметру V. 2. Установить лампу накаливания на расстоянии от ФЭ (указано на установке). 3. Измерить значение фототока . 4. Фотодиод ФД на установке размещен ближе к источнику света, чем ФЭ, на расстоянии (см. рис.3). Поэтому для того чтобы найти значение , нужно отодвинуть лампочку накаливания от ФД на расстояние от исходного значения . Нажатием кнопки К подключить микроамперметр к ФД и снять показания . 5. Вернуть лампочку накаливания в исходное положение . 6. Повторить измерения, увеличивая каждый раз расстояние между лампочкой и ФЭ на 1 см. Данные занести в табл. 2 . 7. Построить график зависимости силы фототока от относительной величины светового потока – световую характеристику . Таблица 0 Световая характеристика ФЭ № измеренийРасстояние между источником света и ФЭФототок , мкАТок на фотодиоде , мкА 123… Сделать выводы по лабораторной работе. |
Похожие:
 | Учебное пособие по английскому языку для студентов заочного обучения экономических специальностей |  | Учебное пособие предназначено для студентов заочного отделения, обучающихся по направлению подготовки 43. 03. 03 Гостиничное дело.... |
| Методические указания предназначены для самостоятельного изучения предмета, выполнения контрольной работы и подготовки к экзамену... | | Методическое пособие для выполнения контрольной работы по курсу «Психология и педагогика» составлено старшим преподавателем Л. В.... |
| Учебно-методическое пособие предназначено для студентов очной и заочной форм обучения для всех специальностей, предусматривающих... | | Учебное пособие предназначено для подготовки студентов экономико-управленческих специальностей по программе группового проектного... |
| Ч 15. English Grammar (Term I): Учебное пособие по грамматике английского языка для студентов всех специальностей очной и очно-заочной... | | Учебное пособие предназначено для студентов специальности 270105 Городское строительство и хозяйство, может быть использовано для... |
| Методические рекомендации предназначены для студентов и выпускников всех специальностей очного и заочного обучения, могут использоваться... | | Методические рекомендации предназначены для студентов и выпускников всех специальностей очного и заочного обучения, могут использоваться... |