WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ОПТИКА И АТОМНАЯ ФИЗИКА ПРАКТИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ к лабораторным работам по курсуобщей физики по специальностям:

биология – 011600 почвоведение 013000 Воронеж – 2005 2 Утверждено научно-методическим советом физического факультета 17 сентября 2004 г., протокол № 7 Составители: С.Д. Миловидова А.С. Сидоркин З.А. Либерман О.В. Рогазинская Практическое пособие подготовлено на кафедре экспериментальной физики физического факультета Воронежского государственного университета.

Рекомендуется для студентов 2 курса биолого-почвенного факультета.

Работа выполнена при поддержке гранта VZ-010 Американского фонда гражданских исследований и развития (CRDF) и по программе «Фундаментальные исследования и высшее образование» 3 СОДЕРЖАНИЕ 1. Определение постоянной в законе Стефана-Больцмана при помощи оптического пирометра……………………………………………………...4 2. Изучение внешнего фотоэффекта ………………………………………. 12 3. Изучение явления вращения плоскости колебаний плоскополяризованного света ……………………………………………19 4. Определение показателей преломления жидкостей.

с помощью рефрактометра ……………………………………………….26 5.Уравнение волны. Интерференция волн Определение длины световой волны с помощью колец Ньютона ……………………………………....33 6. Определение длины световой волны припомощи дифракционной решетки …………………………………………………………………....42 7. Изучение работы монохроматора и его градуировка…………………....49 8. Изучение спектра испускания атома водорода и определение некоторых внутриатомных констант ………..…………..……………… 55 9. Приложение. Изучение нониусов………………………………………....60 4 РАБОТА 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ В ЗАКОНЕ СТЕФАНА-БОЛЬЦМАНА ПРИ ПОМОЩИ ОПТИЧЕСКОГО ПИРОМЕТРА.

Приборы и принадлежности: оптический пирометр, установка для накала спирали лампы и питания пирометра.

Краткая теория.

Излучение нагретых тел так же, как свет, радиоволны и т.д., относится к электромагнитным явлениям. Всякое излучение телом электромагнитных волн сопровождается потерей им энергии и происходит либо за счет внутренней энергии, либо за счет получения энергии извне.

Оно зависит от температуры тела, т.к. является следствием хаотического теплового движения молекул и атомов среды.

Излучение, причиной которого является возбуждение атомов и молекул их тепловым движением, называется тепловым или температурным излучением.

Разные тела в зависимости от температуры и химического состава испускают лучи различных длин волн и различной интенсивности. Для количественной оценки процессов теплового излучения вводятся две основные характеристики:

1- полная, или интегральная, лучеиспускательная способность тела R (Т) - энергия, испускаемая с единицы площади поверхности тела за одну секунду по всем длинам волн при данной температуре 2- спектральная лучеиспускательная способность (спектральная плотность излучения) rT - энергия, излучаемая телом при данной температуре в единичном интервале длин волн от до + d:

dR r T = (1) d Всякое тело часть падающей на него энергии поглощает, а часть отражает. Отношение лучистой энергии, поглощенной телом ко всей падающей на него энергии, называется коэффициентом поглощения.

Тело, полностью поглощающее всю падающую на него энергию, называется абсолютно черным, и коэффициент поглощения для него =1.

Для абсолютно зеркальной поверхности, отражающей всю падающую на нее энергию, =0. На практике для разных тел 0< < 1. В природе не существует тел, являющихся абсолютно черными. Они могут только приближаться по своим свойствам к абсолютно черным лишь в ограниченном интервале длин волн.

Опыты показывают, что тела, обладающие большим коэффициентом поглощения, соответственно обладают и большей лучеиспускательной способностью. Поэтому излучательная способность абсолютно черного тела максимальна по сравнению с другими телами.

Кирхгофом был сформулирован закон, устанавливающий указанное выше положение: отношение лучеиспускательной способности к коэффициенту поглощения не зависит от рода тел и является для всех тел одной и той же функций от длины волны и температуры:

rr r T T T = (2) ==....... = (,Tf ) T T 21 T n Так как для абсолютно черного тела. =1, то отношение лучеиспускательной способности к коэффициенту поглощения для данной длины волны и данной температуры для всех тел есть величина постоянная, равная лучеиспускательной способности абсолютно черного тела u для той же длины волны и температуры, т.е.

ur TT == u T (3) T Из этой формулы следует, что r T = u T (4) T т.е. лучеиспускательная способность любого тела равна лучеиспускательной способности абсолютно черного тела для той же длины волны и температуры, умноженной на коэффициент поглощения.

Для практических целей из закона Кирхгофа можно сделать следующие заключения:

1. Тела, обладающие темной и шероховатой поверхностью, имеют коэффициент поглощения, близкий к единице. Такие тела обладают и соответственно большей полной лучеиспускательной способностью, которую иногда называют энергетической светимостью.

2. Всякое тело преимущественно поглощает те лучи, которые оно само испускает.

На рис.1 изображено распределение спектральной плотности излучения uT абсолютно черного тела по длинам волн для различных температур. Заштрихованная uT T3>T2>Tнакрест полоска имеет площадь uTd и предcтавляет собой энергию dR(Т), излучаемую в данном Tинтервале длин волн d при температуре Т1. Полная лучеиспускательная способность Tтела R будет равна:

T= uR d, T где интеграл распространен на весь бесконечный интервал Рис.всевозможных длин волн и изображается для температуры Т1 на рис. 1 всей заштрихованной площадью под кривой u T. С ростом температуры увеличивается интенсивность теплового движения частиц тела и возрастает энергия, излучаемая телом как на данной длине волны, так и во всем интервале длин волн. Поэтому при Т3 > T2 > T1 поднимается вся спектральная кривая u T теплового излучения, как показано на рис.1.

Однако объяснить рассмотренную зависимость спектральной плотности излучения от длины волны долгое время не удавалось.

Полученные в рамках классической физики закон Вина хорошо совпадал с экспериментом в коротковолновой области, а закон Релея-Джинса, наоборот, давал хорошее совпадение в длинноволновой части спектра.

Формула для спектральной плотности равновесного излучения, хорошо согласующаяся с опытом при всех длинах волн, была получена Планком в 1900 году. Оказалось, что для теоретического вывода этой формулы необходима гипотеза, коренным образом противоречащая представлениям классической физики. Планк предположил, что энергия колебаний атомов или молекул может принимать не любые, а только вполне определенные дискретные значения (Е = h), отделенные друг от друга конечными интервалами. Это означает, что энергия не непрерывна, а квантуется, т.е. существует лишь в строго определенных дискретных порциях. Наименьшая порция энергии Е = h называется квантом энергии.

Формула Планка может быть записана иличерез частоту или через длину волны ( = c/ ):

2 h hc2 u u = (6) = ( ),T T 5 hc c2 h kT kT e -1 e - Все известные ранее законы теплового излучения могут быть получены из формулы Планка.

Закон Стефана - Больцмана определяет полную энергию излучения.

Для получения полной энергии надо проинтегрировать выражение (6) по всем длинам волн:

2 k = d = T uR T, или (7) R = Т 15 hc Полная энергия, излучаемая абсолютно черным телом за одну секунду, пропорциональна четвертой степени температуры.

Константа в формуле (7) называется постоянной Стефана – 4 Больцмана и измеряется в Дж/(м2с К ) или в Вт/(м2 К ) Очевидно, что суммарная энергия излучения по всем длинам волн, испускаемая площадкой S абсолютно черного тела, равна:

R = Т4 S Из формулы Планка можно сделать вывод о распределении энергии излучения абсолютно черного тела по длинам волн.

Максимум спектральной плотности излучения можно определить, если продифференцировать выражение (6) и приравнять к нулю:

dr T =, что приводит к двум законам Вина:

d b = max (8) и u T = c1T5 (9), T где b и c1 - численные постоянные.

Иными словами, длина волны, на которую приходится максимум интенсивности излучения, обратно пропорциональна температуре (8) и, следовательно, максимум излучения с увеличением температуры смещается в сторону коротких длин волн (1-й закон Вина).

Максимальная интенсивность излучения (9)пропорциональна пятой степени температуры (2-й закон Вина).

Графически законы Стефана-Больцмана и Вина представлены на рис.1, из которого следует, что количество излучаемой телом энергии зависит от температуры.

Если известна длина волны max, соответствующая максимуму интенсивности излучения тела, то, используя 1-й закон Вина можно определить температуру тела. Определенная таким образом температура называется его цветовой температурой.

Используя закон Стефана-Больцмана, можно определить энергетическую или радиационную температуру тела. Измерение этой температуры основано на излучении интегральной интенсивности излучения, т.е. полной энергий излучения R.

Из закона Стефана-Больцмана следует, что количество тепловой энергии, передаваемое единицей поверхности абсолютно черного тела, находящегося при температуре Т1, в окружающую среду имеющую температуру Т2 (если среду можно рассматривать как абсолютно чёрное тело), равно:

RR (T )-= R(T21 ) = (T14 - T24) (10) Излучение всех остальных тел подчиняется такой же закономерности.

Метод определения температуры раскалённых тел по спектру излучения на основе использования законов теплового излучения называется оптической пирометрией. Соответствующие приборы называются оптическими пирометрами.

Экспериментальная часть.

Описание установки и оптического пирометра Целью данной работы является определение постоянной в законе Стефана-Больцмана. Исследуемым телом, которое считается абсолютно черным, является вольфрамовая спираль лампы, нагреваемая электрическим током. Электрическая схема установки показана на рис.2.

Напряжение от сети через латр (лабораторный автотрансформатор) и А V латр Рис.понижающий трансформатор подается на спираль лампы. С помощью латра можно менять ток и напряжение на спирали лампы, которые измеряются включенными в цепь амперметром и вольтметром.

Мощность, затрачиваемая на поддержание единицы площади спирали в накаленном состоянии, будет равна IU W =, (11) 2S где I - сила тока в цепи лампы, U - падение напряжения на cпирали лампы, S - площадь спирали (2S, т.к. спираль излучает в обе стороны).

4 UI = S (2 T - T ), 1 Приравнивая эту мощность количеству энергии, теряемой спиралью за I секунду, в соответствии с законом Стефана-Больцмана (9) получим формулу (12):

, (12) UI = 4 (2 TS - T ) 1 в которой Т1 – температура спирали, Т2 –температура окружающей среды.

Для измерения температуры спирали лампы служит оптический пирометр с "исчезающей нитью", измеряющий яркостную температуру тела. Определение температуры сводится к сравнению яркости излучения исследуемого тела (в нашем случае спираль лампы - 1, рис.4) с яркостью излучения нити накала пирометра, предварительно проградуированного по излучению абсолютно чёрного тела.

Яркостная температура будет истинной, если исследуемое тело - абсолютно чёрное, и будет меньше истинной, еслиисследуемое тело не ~ Спираль лампы является абсолютно чёрным, так как излучение не абсолютно чёрных тел всегда ниже излучения абсолютно чёрных. Схема пирометра изображена на рис.3.

L1 Lf Г fРис. Чувствительным элементом оптического пирометра является нить накала, подключённая через реостат к источнику тока, и гальванометруГ, который проградуирован в градусах Цельсия. Нить накала (1) находится внутри корпуса пирометра (рис.4b) и находится в фокусе объектива L1. Окуляр Lслужит для увеличения полученного изображения и устанавливается по глазу наблюдателя. Он позволяет совместить нить пирометра и изображение исследуемого предмета в одной плоскости. При пользовании пирометром сравнение яркости происходит в ограниченной области спектра. Для получения монохроматического луча в трубе окуляра помещён светофильтр f2, пропускающий красную ( = 6500 ) часть спектра, испускаемого источником и нитью лампы. Введение светофильтра обязательно, ибо оно позволяет проводить исследование в узкой части спектра, где изменение интенсивности излучения с температурой происходит более резко, чем в пределах всего спектра, а это повышает точность измерения.

Кроме красного светофильтра, в пирометре имеется ещё ослабляющий светофильтр, позволяющий расширить пределы измерения температуры. Ослабляющий светофильтр f1 расположен между объективом пирометра и его нитью накала. Без ослабляющего светофильтра пирометр измеряет температуру в интервале 700 14000С (нижняя шкала), с ослабляющим светофильтром – в интервале 1200 20000С (верхняя шкала).

Внешний вид установки для определения постоянной в законе Стефана-Больцмана приведён на рис.4.

Слева показан -блок питания установки (а), справа – оптический пирометр (b). На блоке питания установлено исследуемое тело - лампа накаливания - 1, температура спирали которой измеряется пирометром. На передней панели блока питания находится ручка регулятора напряжения (латра) - 2, вольтметр, амперметр и тумблер 3 включения электрической цепи установки. Источник питания электрической цепи пирометра установлен в корпусе блока питания и соединен с пирометром.

На корпусе пирометра находятся А V а Рис.b устройства, необходимые для работы с ними: поворотный диск 4 на окуляре пирометра для введения красного светофильтра; маховичок 5 для введения ослабляющего светофильтра; кольцо реостата 6 для регулировки величины накала нити пирометра; гальванометр 7, две шкалы которого проградуированы в градусах Цельсия.

Выполнение работы 1. Регулятор латра 2 на блоке питания установить на ноль (рис.4).

Установить нулевую отметку на поворотном кольце реостата 6 пирометра против такой же отметки на крышке корпуса гальванометра 7, вращая кольцо против часовой стрелки. Поворотным диском 4 и маховичком вывести красный и ослабляющий светофильтры.

2. Расположив пирометр на расстоянии примерно 0,5 м от лампы 1, направить объектив пирометра на спираль этой лампы. Передвижением тубуса окуляра и объектива добиться резкого изображения спирали лампы так, чтобы на него накладывалось изображение нити пирометра (желательно верхней части).

3. Подключить блок питания к сети и включить тумблер 3.

Поворачивая ручку латра 2 по часовой стрелки, установить ток накала спирали лампы, равный примерно 2,5 3 А, и записать соответствующие показания амперметра А и вольтметра V.

4. Ввести красный светофильтр и, измеряя, яркость нити лампочки пирометра поворотом кольца реостата добиться исчезновения нити на фоне изображения спирали лампы. Приэтом регулируют яркость накала нити пирометра так, чтобы она оказалась ни темнее, ни светлее фона, создаваемого раскалённой спиралью лампы 1. В момент совпадения яркостей по нижней шкале гальванометра отсчитывают значение яркостной температуры Тисследуемой спирали лампы. Температура Т2 окружающей среды определяется по термометру Измерение яркостной температуры Т.

проводят не менее трёх рази берут среднее значение.

5. Подставляя численные значения I, U, T1, T2, S в формулу (12) вычисляют постоянную в законе Стефана—Больцмана. Площадь одной стороны спирали лампы накаливания S=50 мм2.

6. Увеличивая силу тока в цепи лампы, а тем самым и её яркостную температуру, рассчитывают постоянную Стефана—Больцмана для других температур иберут её среднее значение.

Если показания гальванометра не укладываются на нижней шкале, то включают ослабляющий светофильтр и переходят к измерению по верхней шкале.

Контрольные вопросы 1. Перечислить основные характеристики и основные законы теплового излучения.

2. Что такое абсолютно черное тело 3. Объяснить физический смысл формулы Планка для абсолютно черного тела.

4. Какой физический смысл постоянной Стефана—Больцмана 5. Расскажите устройство оптического пирометра.

6. В чем преимущество оптического метода измерения температуры 7. Какие методы измерения температуры вы знаете 8. Как, используя распределение Планка, получить закон СтефанаБольцмана 9. Как, используя распределение Планка, получить закон смещения Вина РАБОТА № ИЗУЧЕНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА Приборы и принадлежности: монохроматор УМ—2,вакуумный фотоэлемент, микроамперметр, источник света, источник постоянного напряжения.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.