Качественное исследование видимой части спектра Элементы земного магнетизма Законы сохранения в механике Интерференция света Естественный и поляризованный свет Оптическая пирометрия Полярные и неполярные диэлектрики

Физика лабораторные работы

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 310

СНЯТИЕ СПЕКТРАЛЬНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОГЛОЩЕНИЯ РАСТВОРА

С ПОМОЩЬЮ КАЛОРИМЕТРА ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОНЦЕНТРАЦИОННГО

КФК – 2

 Метод анализа, основанный на сравнении интенсивности окрасок исследуемого и стандартного растворов, называется калориметрическим. В основе его лежит закон Бугера-Ламберта-Беера:

I = I0 · 10-εcd,

где I – интенсивность светового потока, прошедшего через раствор; I0 – интенсивность падающего светового потока; d – толщина слоя раствора, см; c – концентрация раствора, г моль/ л; ε – молярный коэффициент погашения.

УСТРОЙСТВО И РАБОТА КАЛОРИМЕТРА

Принцип действия

Принцип измерения пропускания состоит в том, что на фотоприемник направляются поочередно световые потоки: полный I0 и прошедший через исследуемую среду I и определяется отношение этих потоков. Отношение потоков есть пропускание исследуемого раствора :

,

На калориметре это отношение определяется следующим образом. Вначале в световой пучок помещают кювету с растворителем или контрольным раствором. Изменением чувствительности калориметра добиваются, чтобы отсчет по шкале пропускания калориметра n1 был равен 100 дел. Таким образом, полный световой поток I0 условно принимается равным 100%. Затем в световой пучок помещают кювету с исследуемым раствором. Полученный отсчет n2 по шкале пропускания калориметра будет соответствовать I. Следовательно, пропускание исследуемого раствора  в процентах будет равно n2, то есть:

Т( %) = n 2.

Оптическая плотность D определяется по формуле:

.


СХЕМА ОПТИЧЕСКАЯ ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ (рис. 1)

Нить лампы 1 конденсором 2 изображается в плоскости диафрагмы 3 . Это изображение объективом 4,5 переносится в плоскость, отстоящую от объектива на расстоянии. Кювета 10 с исследуемым раствором вводится в световой пучок между защитными стеклами 9, 11. Для выделения узких участков спектра излучения лампы в калориметре предусмотрены цветные светофильтры 8.

Теплозащитный светофильтр 6 введен в световой пучок при работе в видимой области спектра (400 – 490 нм). Для ослабления светового потока при работе в спектральном диапазоне 400 - 540 нм установлены нейтральные светофильтры 7.

Фотоприемники работают в разных областях спектра: фотоэлемент Ф-2617 в области спектра 315 – 540 нм, фотодиод ФД-7К12 в области спектра 590 – 980 нм.

Пластина 15 делит световой поток на два: 10% светового потока направляется на фотодиод ФД-7К и 90% - на фотоэлемент Ф-26.

Для уравнивания фототоков, снимаемых с фотоприемника ФД-7К при работе с различными цветными светофильтрами, перед ним установлен светофильтр 14 из цветного стекла СЗС-16.

Для более равномерной освещенности фотоприемников введены матовые стекла 13 и 16.

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ

Внешний вид калориметра представлен на рис 2.

Шкала микроамперметра 1 проградуирована в величинах пропускания Т и оптической плотности Д. Светофильтры в световой пучок вводятся с помощью ручки 2. Переключение кювет в световом пучке производится поворотом ручки 3 до упора. При открытой крышке 4 кюветного отделения шторка закрывает окно перед фотоприемником.

Переключение фотоприемников ФД-7К и Ф-26 к входу усилителя постоянного тока осуществляется с помощью переключателя 5, имеющего шесть различных положений. В первых трех положениях, обозначенных "3","2","1" черным цветом, работает фотоприемник Ф-26. При этом обеспечивается изменение чувствительности электрической схемы в отношениях примерно 1:1, 1:3, 1:9. Во вторых трех положениях переключателя 5, обозначенных цифрами "1","2","3" красным цветом, фотоприемник Ф-26 отключается и подключается фотодиод ФД-7К. При переходе от "1" к "2" и "3" (красный цвет) чувствительность электрической схемы изменяется 1:9, 1:3, 1:1.

Ручки 6 и 7 (соответственно грубо и точно) служат для установки пропускания на 100%.

При измерении со светофильтрами 315, 364, 400, 490, 540 нм, отмеченными на лицевой панели (ручка 2) черным цветом, ручку "Чувствительность" устанавливают в одно из положений "1","2","3", отмеченных на лицевой панели также черным цветом.

При измерении со светофильтрами 590, 670, 750, 870, 980 нм, отмеченными красным цветом (ручка 2), ручку "Чувствительность" устанавливают в одном из положений, отмеченных красным цветом.

При открытой крышке кюветного отделения в кюветодержатель 1 (рис. 3) устанавливают кювету с растворителем или контрольным раствором, а в кюветодержатель 2 – кювету с исследуемым раствором.

Упражнение 1. Снятие спектральной характеристики поглощения раствора

Включить калориметр в сеть 220 В. Прогреть в течение 1*5 минут. Во время прогрева кюветное отделение должно быть открыто.

Установить минимальную чувствительнось калориметра. Для этого ручку "Чувствительность" установить в положение "1", ручку "Установка 100" "Грубо" – в крайнее левое положение.

Введите светофильтр 315 нм.

В кюветодержатель 1 поместить кювету с растворителем.

В кюветодержатель 2 – кювету с исследуемым раствором.

Ручку 3 (рис. 2) установите в положение "1".

Закройте крышку кюветного отделения.

Ручками "Чувствительность" и "Установка 100" "Грубо" и "Точно" установите отсчет 100 по верхней шкале микроамперметра.

Ручку 3 установите в положение "2". Тем самым кювета с растворителем заменяется на кювету с исследуемым раствором.

Снимите отсчет по шкале калориметра соответствующий коэффициенту пропускания исследуемого раствора в процентах и по шкале Д в единицах оптической плотности.

Измерение повторите еще 2 раза. Все значения, а также среднее арифметическое для трех запишите в таблицу 1.

Включите следующий светофильтр и, выждав 1 минуту, повторите пункты 6 – 11. Помните, что при работе со светофильтрами, отмеченными красным цветом, ручка "Чувствительность" также устанавливается в одно из положений, отмеченных красным, и наоборот.

По полученным данным постройте спектральную характеристику поглощения раствора в форме двух зависимостей:

D = f (λ), T = f (λ ).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Коэффициенты поглощения, пропускания и отражение света.

Закон Бугера – Ламберта.

Окраска тел в проходящем и отраженном свете.

Закон Беера, его физическое содержание.

Объединенный закон Бугера – Ламберта – Беера.

Спектральная характеристика вещества.

Понятие калориметрического метода анализа, основной закон этого метода критерий применимости.

Оптическая схема и принцип действия фотокалориметра.

Оптическая плотность. Зависимость оптической плотности раствора от концентрации.

Методическое описание для работ N 313(1), 313(а)

КВАНТОВАЯ ПРИРОДА СВЕТА

1. Тепловое излучение тел

Электромагнитное излучение, испускаемое атомами тела за счет внутренней (тепловой) энергии излучающего тела и зависящее только от температуры и оптических свойств данного тела, называется тепловым. Оно происходит вследствие теплового движения частиц тела и его характеристики: интенсивность и спектральный состав - зависят от температуры тела. Тепловое электро-магнитное излучение происходит на всех частотах, но с разной интенсивностью.

Этот вид излучения происходит при всех температурах и представляет для физиков особый интерес, так как это единственное излучение, которое может находиться в состоянии термодинамического равновесия с нагретыми телами, то есть распределение энергии между телом и полем излучения остается неизменным для любой частоты излучения.

Нагретые тела обмениваются энергией только путем испускания и поглощения лучистой энергии. В состоянии равновесия процессы испускания и поглощения энергии каждым телом в среднем компенсируют друг друга, и в пространстве между телами характеристики излучения достигают определенных значений, зависящих только от установившейся температуры тел. Это излучение, находящееся в термодинамическом равновесии с телами, имеющими одинаковую температуру, называется равновесным или черным излучением. Величина энергии равновесного излучения и его спектральный состав зависят только от температуры. Если в адиабатно замкнутую полость с зеркально отражающими стенками поместить несколько тел, нагретых до различной температуры, то, как показывает опыт, такая система с течением времени приходит в состояние теплового равновесия, при котором все тела приобретают одинаковую температуру. Если через малое отверстие заглянуть внутрь полости, в которой установилось термодинамическое равновесие между излучением и нагретыми телами, то глаз не различит очертаний тел и зафиксирует лишь однородное свечение всей полости в целом.

Для установления равновесия в полости необходимо, чтобы каждое тело испускало ровно столько лучистой энергии, сколько оно и поглощает. Это одна из важнейших закономерностей теплового излучения, экспериментально установленная Прево в 1809 г.

Законы теплового излучения.

Для понимания законов рассмотрим используемые величины, характеризующие тепловое лучение.

Энергетическая светимость тела Rэ - это величина электромагнитной энергии, испускаемой по всем направлениям единицей поверхности тела в едини­цу времени. Энергетическая светимость является функцией температуры.

Излучение состоит из волн различных частот. Обозначим поток энергии, испускаемой единицей площади поверхности тела в интервале частот от v до v+dv через dRvT. Если интервал dv мал, то

 (1)

 

Величина rvT является спектральной характеристикой испускания. Она представ­ляет собой энергетическую светимость, отнесенную к единичному интервалу час­тот вблизи данной частоты v, и называется испускательной способностью тела. Связь между энергетической светимостью и испускательной способностью тела выражается соотношением

 (2)

Все тела в той или иной степени поглощают энергию падающих на них электромагнитных волн. Спектральной характеристикой поглощения является поглощательная способность тела аvT. Она показывает, какая доля падающего на поверхность тела потока световой энергии, содержащей электромагнитные волны с частотой от v до v+dv поглощается телом. Тело, полностью поглощающее па­дающее на него излучение всех частот, называется абсолютно черным. Для него аvT=1. Для всех остальных тел аvT<1. Близкими к абсолютно черным телам мож­но считать, например, сажу, платиновую чернь.

На основе опытных данных И. Стефан и Л. Больцман установили, что энергетическая светимость абсолютно черного тела Rэ возрастает пропорцио­нально четвертой степени абсолютной температуры тела

  (3)

где σ =5,7*10-8 Вт/(м2*К4) - постоянная Стефана-Больцмана.

Связь между испускательной и поглощательной способностями любого тела описывается законом Кирхгофа

 (4)

где индексы 1,2,... n, характеризуют разные тела. Из формулы (4) следует, что от­ношение испускательной и поглощательной способностей не зависит от природы тела. Оно является для всех тел одной и той же функцией f(v,T), зависящей от частоты v (или длины волны А, т.к. v=c/ λ) и температуры Т. Нетрудно видеть, что физическим смыслом универсальной функции Кирхгофа f(v,T) является не что иное, как испускательная способность абсолютно черного тела.

Экспериментально установленный вид функции Кирхгофа представлен на рисунках 1, 1а при разных температурах. Из рисунка, в частности, видно, что повышение температуры приводит к смещению длины волны λm, на которую приходится максимум испускательной спо­собности абсолютно черного тела, в коротковолновую область. Закон смещения В. Вина гласит, что λm меняется обратно пропорциональ­но температуре:


 λm = b/T (5)

где b – постоянная Вина, b = 2,9*10-3 м*К

Вином установлен и второй закон, согласно которому максимальная вели­чина испускательной способности абсолютно черного тела rm возрастает прямо пропорционально пятой степени температуры

rm=cT5 (6)

где с = 1,301*10-11 Дж/(м2*К5)

Попытки получить вид универсальной функции Кирхгофа f(v,T) в рамках термодинамического подхода не увенчались успехом. Д. Рэлей и Д. Джинс, вос­пользовавшись классическим законом Больцмана о равномерном распределении энергии по степеням свободы, получили формулу для функции Кирхгофа

 (7)

где (ε) = kT - средняя энергия осциллятора, совершающего колебания с собст­венной частотой v (k - постоянная Больцмана, k=1,38 10-23 Дж/К).

Опыт показал, что формула Рэлея-Джинса (7) удовлетворительно согласует­ся с экспериментальными данными только при больших длинах волн (или при малых частотах) и больших температурах (рис.2). Кроме того, согласно формуле Рэлея-Джинса энергетическая светимость Rэ абсолютно черного тела в ультра­фиолетовой области длин волн бесконечно велика, что вообще лишено физического смысла. Этот результат получил название «улыпрафиолетовой катастрофы». Расхождение формулы Рэлея-Джинса с опытными данными привело к выводу о существовании таких закономерностей теплового излучения, которые не совместимы с оновными положениями классической статистической физики и электродинамики.

 

 Лишь в 1900 г. Планку удалось найти вид функции Кирхгофа f(v,T), в точ­ности соответствующей экспериментальным данным во всем интервале частот. Для этого ему пришлось отказаться от установившегося положения классической физики, согласно которому энергия любой системы может изменяться непрерыв­но, т.е. может принимать сколь угодно близкие значения. Планком была выдвину­та квантовая гипотеза, согласно которой атомные осцилляторы излучают энер­гию не непрерывно, а определенными порциями - квантами, причем энергия кванта ε пропорциональна частоте излучения

 ε = hν, (8)

где h - универсальная постоянная, названная постоянной Планка, h=6,625-10-34 Дж*с. Планк показал, что при данном условии средняя энергия (ε) осциллятора равна

 (9)

а функция Кирхгофа (или иначе, функция спектральной плотности энергетиче­ской светимости черного тела) имеет вид [1,2]

 (10)

Можно показать, что с учетом соотношения v=c/λ и формулы (10) функция f(v,T) будет иметь вид [1,2]

 (11)

Формулы (10) и (11) называют формулами Планка. Из них, как следствие, могут быть получены законы Стефана-Больцмана, Вина и формула Рэлея-Джинса, а также могут быть вычислены постоянные Стефана-Больцмана σ и Вина b [1,2].

Блестящее согласие формулы Планка с экспериментальными данными доказывает правильность сделанного им предположения о дискретности из­лучения энергии атомными осцилляторами и справедливости формулы (8).

Используя формулу Планка (10) и закон Кирхгофа (4), можно определить испускательную способность любого реального тела:

 (12)

Для всех природных тел аvT < 1, следовательно rvT < f(v,Т). Вид функции rvT, как правило, отличается от f(v,Т). Исключение составляют так называемые серые тела, для которых величина аvT в широком диапазоне частот остается постоянной. Распределение энергии в спектре серого тела такое же, как у абсолютно черного, но величина энергии излучения меньше.

Порядок выполнения работы

1.             Собрать электрическую цепь экспериментальной установки по схеме рис. 2.

2.             Присоединить электрическую цепь к выходным клеммам разделительного трансформатора ТР. После проверки схемы преподавателем разделительный трансформатор включают в сеть , .

3. Меняя положение движка реостата, наблюдать изменение силы тока  и напряжения , а затем измерить ряд значений силы тока и соответствующие им значения напряжения. Результаты эксперимента внести в таблицу измерений  и .

 Ввести в катушку индуктивности ферромагнитный сердечник. Измерить ряд значений силы тока  и соответствующие им значения напряжения . Результаты измерений занести в таблицу.

 Выключить трансформатор. Отсоединить электрическую схему от трансформатора и подключить её к клеммам источника постоянного тока. Заменить вольтметр на другой с малым пределом измерения .

 Включить источник постоянного тока. Измерить ряд значений силы тока  и напряжений . Результаты измерений занести в таблицу.

 Используя закон Ома, вычислить полное Z и активное  сопротивления катушки.

 Вычислить индуктивность катушки с сердечником и без сердечника. Оценить погрешность измерений.

Контрольные вопросы

1. В чём состоит явление самоиндукции? Как вычисляется ЭДС самоиндукции?

2. Как вычисляется индуктивность длинного соленоида?

3. Что такое полное сопротивление проводящего контура и от каких параметров оно зависит?

Список рекомендуемой литературы

Савельев И.В. Курс общей физики: В. 3 т. Т. 2. – М.: Наука, 1988. §64, 92.

Калашников С.Г. Электричество. – М.: Наука, 1977. § 93. – 220 с.


Изучение цепи переменного тока