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 313а.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НИТИ КИНОЛАМПЫ С ПОМОЩЬЮ РАДИАЦИОННОГО ПИРОМЕТРА ТИПА «РАПИР»

Цель работы - ознакомиться с законами теплового излучения, изучить принцип работы радиационного пирометра, измерить с его помощью температуру нагретого тела (нити накала кинолампы), определить величину постоянной Стефана - Больцмана.

Принципиальная схема радиационного пирометра приведена на рис.3. Общий вид установки для измерения температуры радиационным пирометром представлен на рис. 8, где 1 - радиационный пирометр; 2 - кинолампа, нить которой служит исследуемым телом; 3 - выпрямитель с регулируемым выходным напряжением для питания кинолампы; 4 - гальванометр, предназначенный для регистрации температуры приемника Пр (рис. 3); 5 - смотровое окно; 6 -регулятор напряжения питания кинолампы.

Рис. 8

 

Порядок выполнения работы

1. Включить выпрямитель 3 в сеть 127 В, предварительно установив регулятор напряжения 6 в крайнее положение против часовой стрелки.

2. Включить гальванометр 4 в сеть 220 В. Убедиться, что световой зайчик на шкале гальванометра находиться на нулевой отметке.

З^ращая регулятор напряжения 6 по часовой стрелке, установить по вольтметру выпрямителя напряжение накала кинолампы равным 8 В.

4. Произвести наводку пирометра. Для этого установить пирометр на расстоянии приблизительно 40 см от кинолампы, а затем, смотря в окуляр, навести его на нить кинолампы. Четкость изображения ре1улируется продольным перемещением объектива. Наводка считается правильной, если изображение нити кинолампы находится в середине смотрового окна 5 и перекрывает концы лепестков приемника. На рис. 9 приведены виды излучателя для следующих случаев: 1 - расстояние от пирометра до излучателя велико; 2 - пирометр наведен правильно; 3 - пирометр наведен криво.

1 2 3

Рис. 9

5. При напряжении накала 8 В произвести отсчет показания гальванометра в делениях N. Из градуировочного графика tрад = f(N), расположенного на лабораторном столе, для снятого показания N, определить радиационную температуру нити кинолампы в градусах Цельсия (tрад, °С), которую затем перевести в градусы Кельвина (Трад, К).

6. Воспользовавшись графиком Т=f(Трад) на лабораторном столе или на рис. 10, определить температуру Т.

7. Полученные значения температур и соответствующие показания вольтметра (V) и амперметра (/) выпрямителя 3, занести в табл. 3. и 6. Повторить аналогичные измерения при напряжении накала 6 и 4 В.

Рис. 10

Таблица 3

№№ п/п

[U, В

ЛI, А

{N, дел

tрад °С

 Tрад

 °С

 T, K

 σi

 Вт/м2*К4

 σcр

 Вт/м2*К4

1

1

"

2

3

8. После измерений установить регулятор напряжения 6 в крайнее положение против часовой стрелки и отключить выпрямитель от сети,

9. По формуле (24) подсчитать величину постоянной Стефана - Больцмана σi для каждого отсчета температуры (S = 8,0*10-5 м2).

10. По окончании вычислений произвести оценку ошибок полученных результатов для постоянной Стефана - Больцмана σi, по схеме, приведенной в предыдущей работе.

11. Сравнить полученное значение постоянной Стефана - Больцмана с табличным σT = 5,7*10-8 Вт/(м2*К4).

Контрольные вопросы к лабораторным работам 313, 313а.

 1. Величины, характеризующие тепловое излучение (энергетическая светимость, испускательная способность, поглощательная способность).

 2. Виды излучений и природа теплового излучения.

 3. Законы теплового излучения: Кирхгофа, Стефана - Больцмана, Вина.

 4. Формула Рэлея - Джинса. «Ультрафиолетовая катастрофа».

 5. Формула Планка.

 6. Пирометрия и ее практическое применение.

 7. Принцип действия основных видов пирометров: яркостного, радиационного, цветового.

 8. Понятие истинной, радиационной, яркостной и цветовой температуры.

 9. Почему с помощью пирометров нельзя измерить истинную температуру нагретого тела?

Лабораторная работа 314

 ИЗУЧЕНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

1. Фотоэффект и его законы

В 1887 г. немецкий физик Генрих Герц во время экспериментов по излучению электромагнитных волн обнаружил интересное явление. Когда он освещал металлический заряженный шар ультрафиолетовыми лучами, заряд шара изменялся. В дальнейшем, было установлено, что металл, облучённый ультрафиолетовым светом, заряжается положительно. При этом оказалось, что фотоэффект безинерционен, т.е. пластина начинает разряжаться сразу после того, как на нее падает свет. В 1888-1890 г. русский ученый Александр Григорьевич Столетов подробно исследовал новое явление и установил его закономерности. В 1899 г. немец Филипп Ленард и англичанин Джозеф Томсон доказали, что падающий на металлическую поверхность свет выбивает из неё отрицательно заряженные частицы. Измерение заряда этих частиц по их отклонению в магнитном поле показало, что они представляют собой электроны. Так было экспериментально доказано, что под действием света металл теряет отрицательно заряженные частицы – электроны.

Явление вырывания электронов из вещества под действием света (электромагнитного излучения) называют внешним фотоэффектом. 

Установка Столетова для наблюдения фотоэффекта изображена на рис.1. Плоский конденсатор, одной из обкладок которого служила медная сетка С, а второй – цинковая пластина D, был включен через гальванометр G в цепь аккумуляторной батареи Б. При освещении отрицательно заряженной пластины D светом от источника S в цепи возникал электрический ток, названный фототоком. Сила фототока была пропорциональна освещенности пластины D. Освещение положительно заряженной обкладки С не приводило к возникновению фототока.

Для более тщательного изучения фотоэффекта пользуются установкой, изображенной на рис.2. В замкнутой колбе находятся два электрода: катод и анод. На катод, покрытый исследуемым металлом, падает свет через окошко закрытое кварцевым стеклом. Из колбы откачан воздух и создан вакуум, который необходим для того, чтобы предотвратить загрязнение поверхности металла, так как оно существенно влияют на эмиссию электронов. Между электродами подается напряжение, которое можно менять. При освещении отрицательно заряженного электрода в цепи возникает ток, который измеряется с помощью амперметра.

Данная установка, называемая вакуумным фотоэлементом, позволяет установить связь между поданным на электроды напряжением и током. Зависимость силы фототока от напряжения называется вольт-амперной характеристикой и имеет вид, изображенный на рис.3.

Оказалось, что сила фототока, во-первых, прямо пропорциональна интенсивности падающего света, а во-вторых, при фиксированной интенсивности облучения она сначала растёт по мере повышения напряжения, но, достигнув определённого значения, уже не увеличивается. Это значение силы тока называется током насыщения.

Объясняется данная зависимость достаточно просто. Под действием света электроны вырываются из металла катода, при этом катод заряжается положительно. Вырванные электроны, притягиваясь к катоду, частично возвращаются в металл, таким образом вблизи катода возникает отpицательно заpяженное облако электронов. Пpи U = 0 большая часть электpонов двигается в пределах облака, но небольшая часть электронов, имеющих большую кинетическую энергию, попадает на анод. Двигаясь по инерции далее, они создают небольшой анодный фототок I0. Если увеличивать анодное напpяжение, то, вследствие, увеличения сил притяжения электрического поля, все большее число электpонов будет попадать каждую секунду из облака на анод и анодный ток будет pасти. Пpи достаточно сильном электрическом поле облако из электpонов полностью исчезнет так как все электpоны, выpываемые каждую секунду, будут двигаться сразу к аноду - наступит насыщение: дальнейшее усиление поля не пpиведет к увеличению тока. Очевидно, ток насыщения опpеделяется тем количеством электpонов, котоpые выpываются светом каждую секунду из металла.

Если между катодом и анодом вакуумного фотоэлемента создать электрическое поле, тормозящее движение электронов к аноду, то при некотором значении задерживающего напряжения Uз анодный ток прекращается. Столетову удалось измерить это напряжение и по его величине рассчитать максимальную кинетическую энергию вырванных светом электронов.

А.Г.Столетов два года исследовал новое явление и установил следующие закономерности внешнего фотоэффекта:

Количество электронов, вырываемых с поверхности металла в секунду, прямо пропорционально интенсивности светового потока Е (количеству энергии падающей со светом за единицу времени на единичную поверхность катода) и не зависит от частоты света.

Для каждого вещества существует определенная для данного вещества минимальная частота n0, при которой еще возможен фотоэффект. Если частота света меньше минимальной частоты, то фотоэффект не происходит (n0 называется «красной границей фотоэффекта», так как для многих металлов n0 лежит в области красного света.).

 Максимальная начальная скорость вырываемых электронов определяется частотой света и не зависит от интенсивности падающего светового потока.

Объяснить природу фотоэффекта с помощью волновой теории света не удалось. С точки зрения классической электродинамики, свет – поток множества электромагнитных волн, они воздействуют электромагнитными силами на электроны внутри металла, сообщая им дополнительную кинетическую энергию, которую электроны могут потратить на преодоление сил притяжения со стороны кристаллической решетки металла. Так как интенсивность электромагнитного излучения пропорциональна амплитуде волны, то увеличение интенсивности света должно вести к значительному увеличению амплитуды волн и, соответственно, к увеличению сил, действующих на электроны. Такое воздействие должно давать электронам ускорение, рост скорости, энергии и приводить к увеличению возможности выхода электронов из металла.

Для света с очень маленькой интенсивностью фотоэффект не должен был бы наблюдаться сразу, так как, чтобы раскачать электрон и накопить энергию, волне нужно было бы затратить время порядка секунды, однако в экспериментах фотоэлектроны появляются немедленно после освещения металла. Это противоречие, т.е. безынерционность фотоэффекта объяснить волновой теорией не удалось.

Кроме этого, энергия вырванного электрона и его скорость должны зависеть по волновой теории только от амплитуды колебаний в волне, а не от его частоты. Поэтому объяснить третий закон фотоэффекта с помощью волновой теории также не удалось. Необъяснимым оставалось также, почему фототок возникал лишь тогда, когда частота падающего света превышала строго определённую для каждого металла величину.

Только в 1905 г. Эйнштейн раскрыл сущность фотоэффекта, за что получил Нобелевскую премию. Он предположил, что электромагнитное излучение не просто испускается порциями - оно и распространяется в пространстве, и поглощается веществом тоже в виде порций - световых квантов (элементарных частиц - фотонов). Энергия фотона e связана с частотой электромагнитного излучения n соотношением, предложенным ранее Планком, e = h n (h-постоянная Планка).

Согласно Эйнштейну, фотон, после его поглощения металлом, pасходует свою энеpгию на пpеодоление потенциального баpьеpа (эта часть энеpгии называется pаботой выхода электpона из металла А), а оставшуюся после этого энергию (если останется) на сообщение электpону вне металла кинетической энеpгии. Отсюда следует, что для возникновения фотоэффекта не важна интенсивность падающего светового пучка, главное, хватает ли отдельному световому кванту энергии, чтобы выбить электрон из вещества. Минимальная энергия необходимая для этого равна работе выхода. Необходимость затрат энергии на выход электронов из металла (работу выхода А)объяснятся также как и в классической теории: на вышедший электрон действует сила притяжения со стороны положительно заряженной области металла, из которой вышел электрон, и сила отталкивания со стороны электронного облака над металлом, созданного, ранее вышедшими, электронами. Если электрон освобождается светом не у самой поверхности, а на глубине, то часть энергии фотона может быть потеряна также вследствие случайных столкновений в веществе. Энергия электрона (и его скорость) будет максимальной, если потери равны нулю.

Работа выхода зависит от химической природы металла и со­стояния его поверхности (загрязнение, следы влаги изменяют ее величину). Из табл. 1 видно, что работа выхода чистых металлов колеблется в пределах не­скольких электрон-вольт.

 Таблица 1.

Металл

 Сs

 Ва

 Zr

 Zn

 Мо

 W

 Ni

Работа выхода, эВ

1,81

2,11

4,12

3,74

4,15

4,50

5,03

Закон сохpанения энергии позволяет написать пpостое соотношение, связывающее скоpость фотоэлектpонов с частотой поглощаемого света:

hv=А+Ek,

где hv - энергия, которую отдаёт фотон электрону вещества, А- работа выхода электрона из вещества, Ek = mv2/2 - кинетическая энергия освобождённого электрона. Это уравнение называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Теория Эйнштейна объясняет все законы Столетова.

Первый закон следует из того, что интенсивность света пропорциональна числу фотонов падающих за единицу времени на единичную поверхность, а каждый фотон вырывает примерно один электрон. Поэтому увеличение числа фотонов вызывает возрастание числа испущенных в единицу времени электронов. При этом в эксперименте с фотоэлементом, сила фототока пропорциональна интенсивности поглощённого света, то есть числу фотонов, способных выбить электроны из вещества.

Также становится ясно, что фотоэффект могут вызывать только фотоны соответствующие свету достаточно высокой частоты. Если hn < A, то энергии фотона не хватит на вырывание электронов и они из поверхности металла не испускаются. Это означает, что фотоэффект будет происходить только при hn > A, т.е. существует некоторая минимальная частота n0 = A/h, при которой начинается это явление (или граничная частота фотоэффекта).

Из формулы Эйнштейна следует также третий закон Столетова, так как видно что, максимальная начальная скорость электронов зависит только от частоты n и материала катода (А). Увеличение интенсивности света вызывает лишь возрастание числа испущенных в единицу времени электронов, но не влияет на их энергию.

Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. Они применяется в фотометрии для измерения силы света, яркости, освещенности, в кино для воспроизведения звука, в фототелеграфах и фототелефонах, в управлении производственными процессами. Фотоэлемент - это откачанный стеклянный баллон, на часть внутренней поверхности которого нане­сен слой щелочного металла. Этот слой служит катодом фотоэлемента. Осталь­ная часть поверхности является окошком для падающего света. Внутри баллона имеется второй электрод - анод  фотоэлемента (рис.4).

Рис.4. Схема устройства фотоэлемента.

 

При освещении катода светом вышедшие из него фотоэлектроны под дейст­вием электрического поля движутся к аноду, создавая фототок. Сила фототока за­висит как от длины волны А падающего света, (такая зависимость называется спектральной характеристикой фотоэлемента), так и от приложенного на­пряжения. Зависимость силы фототока от приложенного к фотоэлементу напря­жения при постоянной длине волны и постоянном световом потоке называется вольтамперной характеристикой фо­тоэлемента. Она во многом сходна с вольтамперной характеристикой обыч­ной двухэлектродной лампы (см. Рис.3).

До сих пор мы рассматривали случай, когда электрон получает энергию только от одного фотона. Такие процессы называются однофотонными. С изобретением лазеров были получены недостижимые ранее мощности световых пучков. Это дало возможность осуществить многофотонный фотоэффект, в ходе которого электрон, вылетающий из металла, получает энергию не от одного, а от N фотонов (N=2, 3, 4, 5, 6). Формула Эйнштейна в случае многофотонного фотоэффекта имеет вид:

Nhv=А+Ek.

Соответственно n0 = A/hN и красная граница фотоэффекта смещается в сторону более коротких частот.

Существует также внутренний фотоэффект – это вызываемые электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу. В результате этого концентрация свободных носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к повышению электропроводности. На основе данного явления конструируются полупроводниковые фотоэлементы. Они используются при автоматическом управлении электрическими цепями (например, в турникетах метро), в цепях переменного тока, в качестве источников тока в часах, микрокалькуляторах, в солнечных батареях на искусственных спутниках Земли, межпланетных и орбитальных автоматических станциях. С явлением фотоэффекта связаны фотохимические процессы, протекающие под действием света в фотографических материалах.

Лабораторная работа № 4-7

ПОЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН И ИЗУЧЕНИЕ

ИХ СВОЙСТВ

Цель работы: получение стоячих электромагнитных волн, определение длины электромагнитной волны и скорости распространения.

Оборудование: ламповый генератор незатухающих электрических колебаний, источник питания, двухпроводная измерительная линия с индуктивной связью, два мостика с индикаторами.

Введение

При прохождении электрического тока через контур, обладающий омическим сопротивлением R, часть энергии тока непрерывно переходит в тепло. Поэтому электрические колебания в контуре сравнительно быстро затухают. Для получения незатухающих электрических колебаний электрическую энергию контура необходимо непрерывно пополнять.

Современные ламповые генераторы позволяют получить электрические колебания как очень низких (с периодом в 10 – 10 с), так и очень высоких частот (с периодом в миллиардные доли секунды).

Электрические волны вдоль проводов. Двухпроводная линия состоит из двух длинных параллельных проводов, натянутых на некотором расстоянии друг от друга. В дальнейшем будем пренебрегать сопротивлением проводов, а также будем считать, что расстояние между проводами значительно меньше, а длина проводов значительно больше длины электромагнитной волны. При этих условиях электромагнитное поле сосредоточено в основном между проводами, поэтому система практически не излучает электромагнитные волны в окружающее пространство, выполняя роль канала для передачи высокочастотной энергии от генератора к приемнику. Поместим вблизи катушки L лампового генератора незатухающих электрических колебаний катушку L3, концы которой присоединим к длинным параллельным проводникам АВ и БГ (рис. 1). При прохождении через контур электрических колебаний в катушке L3 возникает переменная ЭДС индукции и точки А и Б заряжаются периодически то положительно, то отрицательно, причём если точка А заряжается положительно, то точка Б отрицательно и наоборот. В соответствии с колебательным характером изменения ЭДС в катушке L3 величина потенциала в точках А и Б меняется колебательным образом. Области с максимальным значением потенциала не остаются локализованными в точках А и Б, а распространяются с некоторой скоростью С, подобно тому, как механические колебания, возбуждённые на конце струны, распространяются вдоль этой струны.


Если заснять мгновенную картину распределения потенциала на проводниках АВ и БГ, то окажется, что распределение потенциала проводника меняется по тому же гармоническому закону, по которому совершаются электрические колебания в контуре генератора (рис. 2).

Колебания генератора вызывают в проводниках АВ и БГ волнообразное распространение максимумов потенциала. На рис. 2 показаны электрическое и магнитное поля в двухпроводной линии. Силовые линии электрического поля "перекинуты" от положительно заряженных участков одного проводника к отрицательно заряженным участкам другого. Магнитные силовые линии охватывают проводники и расположены перпендикулярно электрическим линиям и скорости распространения волны.

Электромагнитные волны, распространяясь вдоль проводников АВ и БГ, отражаются от их концов подобно тому, как отражается от точки крепления волна, бегущая вдоль струны. Отражённая волна, идущая по направлению к генератору, складываясь с прямой волной, идущей от генератора, даёт стоячую электромагнитную волну.

Если посредством мостика лампочку накаливания Л перемещать вдоль проводников АВ и БГ (рис. 4), то накал лампочки будет меняться от нуля до некоторого максимального значения. Точки, в которых лампочка загорается до максимального накала, соответствуют максимальному значению силы тока и максимальному значению напряженности магнитного поля. Эти точки являются пучностями магнитного поля. Точки, в которых сила тока равна нулю (лампочка не горит), являются узлами тока и электромагнитной волной. Если перемещать вдоль проводников мостик с неоновой лампочкой, реагирующей на электрическое поле, то можно выявить пучности и узлы электрического поля стоячей волны. С пучностями магнитного поля совпадают узлы электрического и, наоборот, с узлами магнитного поля совпадают пучности электрического поля.

Расстояние между двумя соседними пучностями, или узлами магнитного (электрического) поля, равно половине длины волны, распространяющейся вдоль проводников. Если это расстояние обозначить через , то будем иметь

,                                                                (1)

длину волны  можно выразить

,                                                                (2)

где с – скорость распространения волны; Т – период колебаний; n – частота колебаний.

Из формул (1) и (2) получаем

.                                                                (3)

Зная частоту колебаний генератора и измерив длину волны, определим скорость распространения электромагнитных волн.

Порядок выполнения работы

Соединить генератор электрических колебаний с длинными параллельными проводниками и возбудить в них стоячую электромагнитную волну.

Перемещением вдоль проводников мостика, имеющего лампочку накаливания, выявить пучности и узлы магнитного поля стоячей волны. Измерить расстояние между первой и второй, первой и третьей, первой и четвёртой пучностями магнитного поля.

Перемещать вдоль проводников мостик, имеющий неоновую лампочку, и выявить пучности и узлы электрического поля стоячей волны. Убедиться, что пучности электрического поля совпадают с узлами магнитного поля и наоборот. Измерить расстояние между первой и второй, первой и третьей, первой и четвёртой пучностями электрического поля.

Пользуясь формулой (3), вычислить скорость распространения электромагнитных волн и оценить погрешность измерений.

Контрольные вопросы

1. Расскажите о явлениях, наблюдающихся в закрытом колебательном контуре.

2. Каков механизм образования стоячих волн в двухпроводной линии?

Рекомендательный библиографический список

1. Калашников С.Г. Электричество. – М.: Наука, 1977. – 231 с., §231.

2. Савельев И.В. Курс общей физики: В 3 т. Т. 2. – М.: Наука; 1988. §105, 106.

5. ОПТИКА

В разделе «Оптика» студенты осваивают основные понятия, явления и задачи волновой оптики, знакомятся с методами измерения оптических характеристик (длина волны, показатель преломления и т.п.), а также с применением оптических измерений в прикладных целях (определение концентрации раствора сахара). Необходимо отметить, что оптические приборы являются точными и дорогими инструментами и выполнять работы с их помощью следует особенно тщательно и аккуратно.


Изучение цепи переменного тока