(2 semestr)

1
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К ЛАБОРАТОРНЫМ ЗАНЯТИЯМ
ПО ФИЗИКЕ
ВЕСЕННИЙ (2-ой) СЕМЕСТР
2
ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
Тема: Электромагнетизм.
Лабораторная работа №1 «Определение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли»
Лабораторная работа №2 «Исследование однофазного трансформатора»
Тема: Оптика.
Лабораторная работа №3 «Определение оптической силы линз»
Лабораторная работа №4 «Определение концентраций растворов методом рефрактометрии»
Лабораторная работа №5 «Изучение спектров излучения и поглощения»
Тема: Квантово-оптические явления, строение атома, элементы ядерной
физики.
Лабораторная работа №6 «Изучение фотоэлектронных приборов»
3
Лабораторная работа №1
«Определение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли»
Цель работы: Изучить особенности магнитного поля Земли и его распределения. Определить горизонтальную составляющую магнитного поля Земли с использованием тангенс - гальванометра.
Магнитное поле обусловлено движущимися электрическими зарядами и изменяющимися во времени электрическими полями. Магнитное поле влияет на вещество благодаря наличию в атомах движущихся электрических зарядов. Особенно сильно проявляется действие магнитного поля на ферромагнитные вещества (ферромагнетики). Например, некоторые устройства (часы, хронометры), механизмы которых содержат ферромагнитные детали, могут изменять режим работы вследствие их намагничивания. Магнитное поле оказывает также существенное влияние на ряд сложных измерительных и исследовательских устройств, таких, как
электрометры или электронные микроскопы, поэтому для их работы требуется тщательное магнитное экранирование.
Земля представляет собой магнит, северный магнитный полюс которого расположен вблизи южного географического, а
южный магнитный полюс - вблизи северного географического. Линия, соединяющая магнитные полюсы, наклонена относительно
географической оси на 11,5 и смещена относительно центра Земли на 1140 км в сторону Тихого океана. Напряженность магнитного
поля на магнитном полюсе составляет 19,5 А/м, а на магнитном экваторе – 10,5 А/м.
Общими чертами магнитного поля материков являются: крупноблоковая структура аномального магнитного поля с размерами участков различного характера поля от нескольких сотен километров и более; наличие максимума в спектре аномального поля
от 400 до 4000 км; наличие областей с отчетливой анизотропией поля. Значения аномалий магнитного поля континентов вблизи
поверхности колеблются в пределах от нескольких десятых долей А/м до нескольких А/м и более вблизи выходов фундаментов
платформ на поверхность.
Средние значения элементов геомагнитного поля изменяются со временем. Установлено, что полный магнитный момент
Земли уменьшается в течение года на 7 10-4. Все периодические вариации магнитного поля Земли имеют источник вне Земли. Выделяют солнечно-суточные вариации, вызванные суточным движением Земли вокруг Солнца, лунно-суточные, годовые, циклические с периодом 11 лет, связанные с изменением солнечной активности и др. Магнитные бури – резкие, неправильной формы колебания магнитного поля Земли - начинаются одновременно на всем магнитном земном шаре и имеют тенденцию к повторению через
27 суток. Поле изменяется по значению и направлению на несколько процентов за время от нескольких часов до нескольких суток.
Магнитные бури вызываются взаимодействием корпускулярного излучения Солнца с постоянным магнитным полем Земли.
Вектор напряженности магнитного поля направлен по вертикали к поверхности Земли у магнитных полюсов и горизонтально к поверхности Земли на экваторе. В других точках Земли вектор напряженности магнитного поля составляет некоторый угол
с горизонтальной плоскостью. Этот угол называется углом наклонения, а угол между географическим и магнитным меридианами углом склонения. Величина проекции вектора напряженности магнитного поля на горизонтальную плоскость называется горизонтальной составляющей магнитного поля Земли и принимается за направление магнитного меридиана. Вертикальная плоскость, проходящая через это направление, называется плоскостью магнитного меридиана.
Проекции вектора напряженности магнитного поля Земли на оси прямоугольной системы координат образуют составляющие геомагнитного поля: вертикальную (Z), северную (X) и восточную (Y). Горизонтальную составляющую напряженности магнитного поля определяют из соотношения:
X2
НЗ
Y2 .
(1)
Величину горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли можно определить с помощью тангенс гальванометра. Тангенс-гальванометр (рис. 1 а) представляет собой круговой проводник 1, плоскость которого вертикальна. В центре кругового проводника на вертикальной оси помещена магнитная стрелка 2, которая может поворачиваться в горизонтальной
плоскости. Величину угла отклонения стрелки отсчитывают по шкале 3.
а)
Прибор устанавливают таким образом,
чтобы плоскость витка находилась в плоскости
б)
Н
магнитного меридиана. Для этого путем поворота
1
2
3
НТ
устанавливают прибор таким образом, чтобы северный полюс магнитной стрелки был совмещен с
нулем шкалы. При отсутствии тока в витках кругового проводника магнитная стрелка располагается
также в плоскости магнитного меридиана. При наличии тока в круговом проводнике создается магнитное поле (НТ), перпендикулярное полю Земли
НЗ
(НЗ), и стрелка, устанавливаясь вдоль результирующего магнитного поля (Н), повернется на некоРис. 1. Схема тангенс - гальванометра (а) и параллелограмм векторов
напряженностей магнитного поля (б).
торый угол ( ) (рис. 1 б).
Поскольку направления горизонтальной составляющей магнитного поля Земли (НЗ) и магнитного поля (НТ) в центре кругового проводника с током взаимно перпендикулярны, то зная направление результирующего вектора напряженности и составляющую
вектора напряженности магнитного поля (НТ) в центре кругового тока, из параллелограмма векторов (рис. 1 б) определяют (НЗ). Из
рисунка видно, что
НЗ
Н Т ctg ,
(2)
4
Величину НТ рассчитывают по формуле напряженности магнитного поля, создаваемого в центре кругового проводника с
током:
I n
,
2 R
НТ
(3)
где I – сила тока в круговом проводнике; n – число витков кругового проводника; R – радиус витка проводника.
Из равенств (2) и (3) можно получить:
НЗ
I n
ctg ,
2 R
А
(4)
Схема измерительной установки для определения горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли с использованием тангенс
- гальванометра приведена на рисунке 2. С помощью потенциометра (R) изменяют значение силы тока через круговой проводник тангенс – гальванометра
(Гtg). Значение силы тока определяют по показаниям амперметра (А). С помощью переключателя (П) изменяют направление тока в круговом проводнике,
следовательно, изменяют направление магнитного поля (НТ) на противоположное. В результате магнитная стрелка может отклоняться влево или вправо
относительно исходного положения.
П
+
R
Г tg
Рис. 2. Электрическая схема измерительной
установки.
Порядок выполнения работы.
1. Собрать электрическую схему, показанную на рисунке 2. Установить плоскость катушки тангенс - гальванометра в плоскости магнитного меридиана Земли. При этом указатель стрелки совместится с нулевым делением шкалы.
2. Установить с помощью потенциометра некоторую величину силы тока в круговом проводнике. При установившемся положении стрелки тангенс - гальванометра отсчитывают по круговой шкале угол ее отклонения ( 1) от первоначального положения.
3. Не изменяя силу тока, изменить переключателем (П) его направление и измерить величину отклонения стрелки ( 2). Затем рассчитать среднее значение угла отклонения стрелки:
1
2
2
,
(5)
4. Опыт повторить три раза при различных значениях силы тока. Результаты измерений занести в таблицу 1.
Таблица 1. Результаты измерения горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли.
№ п/п
R, м
n
I, А
НЗ, А/м
ctg
НЗ, А/м
1
2
1
2
3
,%
5. Рассчитать три значения горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли (Н З), а также абсолютную ( НЗ) и относительную ( ) погрешности измерений.
6. Оформить выводы к работе.
Лабораторная работа №2 «Исследование однофазного трансформатора»
Цель работы: Изучить устройство и принцип работы трансформаторов. Определить основные параметры однофазного
трансформатора по результатам опытов холостого хода и исследования внешней характеристики.
Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования одного переменного сигнала в другой или одного напряжения в другое той же частоты. Трансформаторы применяют при передаче и распределении электрической энергии, в промышленных установках, радио, автоматике и т.д.
В зависимости от мощности, напряжения и т.д., могут применяться различные конструкции трансформаторов, однако протекающие в них процессы одинаковы. Простейший трансформатор имеет две обмотки, расположенные на замкнутом магнитопроводе (сердечнике) из ферромагнитного материала.
Если одну из обмоток присоединить к источнику переменного напряжения, то протекающий по ней переменный ток создаст переменное магнитное поле, вызывающее в сердечнике магнитный поток, который будет замыкаться в основном по сердечнику.
Этот магнитный поток по закону электромагнитной индукции наведет ЭДС во вторичной обмотке. Если она замкнута, то по ней
потечет ток той же частоты. Таким образом, энергия переменного тока первичной обмотки преобразуется (трансформируется) в
энергию переменного тока вторичной обмотки.
Для уменьшения потерь «в стали», которые появляются по причине возникновения индукционных токов и гистерезиса намагничивания, в качестве сердечников применяют магнитомягкие материалы, обладающие высокой магнитной проницаемостью,
малым гистерезисом и малой коэрцитивной силой. Для уменьшения вихревых индукционных токов в сердечнике, его выполняют из
тонких пластин, изолированных между собой.
В работе трансформатора есть два предельных режима (холостой ход и короткое замыкание) по которым можно определить
к.п.д. и коэффициент мощности (cos ).
5
Холостой ход возникает тогда, когда к первичной обмотке подведено напряжение (U1), а вторичная - разомкнута. В режиме
короткого замыкания вторичная обмотка замкнута и выходное напряжение равно нулю.
Располагая данными, полученными в этих режимах, можно определить основные параметры, которые характеризуют эксплуатационные свойства трансформатора. Из опыта холостого хода можно определить коэффициент трансформации (n), мощность
потерь в стали (сердечнике) (Рст) и ток холостого хода (I0). Значение (n) определяют по соотношению:
n
1
,
(1)
2
где
2 - число витков первичной и вторичной обмоток соответственно.
Если пренебречь падением напряжения ввиду малого сопротивления обмоток и т.д., то коэффициент трансформации можно
условно определить по формуле:
1
и
n
U2
U1
,
(2)
где U1 и U2 – напряжение на первичной и вторичной обмотках соответственно.
Если включить ваттметр в первичную обмотку, он учтет потери «в стали» и активные потери в обмотке (Робм) или «потери в
меди» (поскольку ее сопротивление не равно нулю). Однако поскольку при холостом ходе потери в меди очень малы, то ими можно
пренебречь и считать, что мощность холостого хода определяется потерями в сердечнике (стали), состоящими из потерь на вихревые
токи и на гистерезис.
Внешняя характеристика трансформатора представляет собой зависимость вторичного напряжения (U2) при постоянном
первичном напряжении, частоте и коэффициенте мощности нагрузки. Напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора с
ростом нагрузки уменьшается за счет возрастания падения напряжения в сопротивлении самой обмотки.
Коэффициент мощности трансформатора (cos ) определяется по формуле:
cos
1
P1
P1
S1
U 1 I1
,
(3)
где Р1 – подводимая активная мощность; S1 – подводимая полная мощность.
К.п.д. трансформатора ( ) определяется отношением активной мощности нагрузки (Р2) и активной мощности, подведенной
к первичной обмотке (Р1). Разница между мощностями возникает в результате потерь в сердечнике и обмотках (Р ст + Робм) = Рс, тогда
Р2
Р1
Р2
Р2
Рс
.
(4)
Потери в стали при постоянном напряжении можно считать постоянными и равными, поскольку магнитный поток при этом
не изменяется. Потери в меди изменяются пропорционально квадрату тока, поэтому их можно определить из соотношения:
Р обм
где k
I2
I 2Н
k 2 P1К ,
(5)
– коэффициент загрузки трансформатора; Р1К – активная мощность из опыта короткого замыкания.
Активная мощность нагрузки (Р2) определяется по формуле:
Р2= U2∙I2∙cos
Схема лабораторной установки приведена на рисунке 1.
А1
2.
(6)
W
А2
Л1
ЛАТР
ТР
Л2
V1
V2
Л3
Рис. 1. Электрическая схема измерительной установки.
Питание установки задается лабораторным автотрансформатрором (ЛАТР). В цепи первичной обмотки включены амперметр (А1), вольтметр (V1) и ваттметр (W), измеряющие параметры первичной обмотки трансформатора. В цепь вторичной обмотки
включены вольтметр (V2), амперметр (А2) и три лампы накаливания с различной потребляемой мощностью (Л1 – Л3), которые позволяют методом комбинаций включений прикладывать различную нагрузку на трансформатор.
6
Порядок выполнения работы.
1. Провести опыт холостого хода. Для этого установить автотрансформатором (ЛАТР) некоторое значение номинального
напряжения в первичной обмотке (примерно 200 В). При этом вторичная обмотка разомкнута, т.е. нагрузка отключена. Рассчитать
по формулам (3) и (2) соответственно (cos ) и (n). Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 1.
Таблица 1. Результаты измерения характеристик трансформатора по опыту холостого хода.
№ опыта
Измерено
U1
I1
P1
U2
Вычислено
n
cos
2. Измерить внешнюю характеристику трансформатора, изменяя силу тока (I2) внешней нагрузкой (путем комбинаций из
пяти вариантов включения ламп с различной потребляемой мощностью). Необходимо учесть что лампы – это активная нагрузка,
следовательно cos 2 = 1, поэтому рассчитать (Р2), (cos 1) и ( ) по формулам (6), (3) и (4) соответственно. Результаты измерений и
вычислений занести в таблицу. 2.
Таблица 2. Результаты измерения характеристик трансформатора по внешней нагрузке.
№ опыта
Измерено
U1, В
I1, А
Р1, Вт
U2, В
I2, А
Р2
Вычислено
cos
1
1.
2.
3.
4.
5.
3. По данным построить внешнюю характеристику трансформатора: U2 = f(I2), а также графики
4. Оформить выводы к работе.
= f(I2) и cos
1
= f (I2).
Лабораторная работа №3 «Определение оптической силы линз»
Цель работы: Изучить принципы получения изображений с помощью тонких линз. Определить оптическую силу собирающей и рассеивающей линз.
Линзы являются составной частью ряда оптических приборов, широко применяемых в товароведении. К числу таких приборов относятся биологические, металлографические, измерительные и другие микроскопы, лупы, окуляры различных оптических
приборов и технических приспособлений.
Оптической линзой называют прозрачное однородное тело, ограниченное поверхностями, из которых хотя бы одна имеет
кривизну, отличную от нуля. Обычно поверхности, ограничивающие линзу, являются сферическими.
Оптической силой линзы называют величину, обратную главному фокусному расстоянию:
1
F
D
1
R1
n 1
1
,
R2
(1)
где D - оптическая сила (дптр); F - главное фокусное расстояние (м); n - показатель преломления вещества линзы; R1 и R2 - радиусы
кривизны ограничивающих линзу поверхностей.
Основная формула тонкой собирающей линзы имеет вид
D
1
F
1
d
1
,
f
(2)
где f - расстояние от изображения до линзы; d - расстояние от предмета до линзы; F - главное фокусное расстояние собирающей линзы.
На рисунке 1 показан ход лучей в собирающей линзе для случаев, когда (d > F1).
А
А
А1
F1
F1
В
В1
В
В1
F2
А1
f1
d
f2
f1
f
Рис. 1. Ход лучей в собирающей линзе.
d2
Рис. 2. Ход лучей в рассеивающей линзе.
7
При достаточном расстоянии между предметом и изображением, перемещая линзу можно получать изображения предмета
на экране: увеличенное или уменьшенное. Для обоих случаев применяют формулу (2) и определяют (D1) линзы. Ход лучей в рассеивающей линзе показан на рисунке 2.
Фокусное расстояние и оптическая сила рассеивающей линзы отрицательны, и поэтому нельзя с помощью такой линзы получить действительное изображение. Однако если подобрать к рассеивающей линзе такую собирающую, что система этих линз даст
действительное изображение, то оптическая сила системы линз будет равна сумме оптических сил линз, входящих в такую систему.
Оптическая сила системы из тонких линз, сложенных вплотную, будет определяться формулой
1
F
1
F1
1
,
F2
(3)
где 1/F - оптическая сила системы линз; 1/F1 - оптическая сила собирающей линзы; 1/F2 - оптическая сила рассеивающей линзы.
Оптическая сила системы линз определяется таким же путем, как и собирающей линзы. Определив экспериментально величины расстояний между предметом, системой линз и изображением, определяют оптическую силу системы линз по формуле (2).
Зная оптическую силу системы линз (D), из нее вычитают оптическую силу собирающей линзы (D1) и получают оптическую силу
рассеивающей линзы (D2).
Схема измерительной установки приведена на рисунке 3. Установка состоит из оптической скамьи 1, источника изображения 2 с лампочкой, собирающей линзы в оправе 3 и экрана для проецирования изображения 4.
1
2
d
3
4
f
Рис. 3. Схема измерительной установки.
Изменяя расстояния между источником и линзой и линзой и экраном добиваются получения четкого изображения на экране и по шкале оптической скамьи отсчитывают расстояния (d) и (f).
Порядок выполнения работы.
1. Провести измерение оптической силы собирающей линзы. Для этого изменяя расстояние между источником, линзой и
экраном получают четкое либо уменьшенное, либо увеличенное изображение. Опыт повторяют не менее трех раз. Результаты занести в таблицу 1.
№ п/п
1
2
3
Таблица 1. Результаты измерения оптической силы собирающей линзы.
d, м
f, м
D1, дптр
D1, дптр
,%
2. Рассчитать три значения оптической силы собирающей линзы (D1), а также абсолютную ( D1) и относительную ( ) погрешности измерений.
3. Провести измерение оптической силы рассеивающей линзы. Для этого используя систему из рассеивающей и собирающей линз, изменяя расстояние между источником, линзой и экраном, получают четкое уменьшенное, либо увеличенное изображение
на экране. Опыт повторить не менее трех раз. Результаты измерений занести в таблицу 2
№ п/п
1
2
3
Таблица 2. Результаты измерения оптической силы рассеивающей линзы.
d, м
f, м
D2, дптр
D2, дптр
,%
4. Рассчитать три значения оптической силы рассеивающей линзы (D2). При расчетах оптической силы рассеивающей линзы использовать среднее значение оптической силы собирающей линзы, полученное в предыдущем опыте. Рассчитать абсолютную
( D2) и относительную ( ) погрешности измерений.
5. Оформить выводы к работе.
Лабораторная работа №4 «Определение концентраций растворов методом рефрактометрии»
Цель работы: Изучить метод рефрактометрии. Определить концентрации растворов по результатам рефрактометрических измерений.
Явление преломления света при переходе через границу раздела двух оптически разнородных прозрачных сред называется
рефракцией. Метод исследования, основанный на определении показателя преломления, получил название рефрактометрии. Он на-
8
шел широкое применение при исследовании ряда продовольственных и непродовольственных товаров. Этот метод используют для
количественного определения содержания в растворах жиров, спиртов, сахаров, солей, а также для определения качества стекла,
пластмасс и др.
При переходе луча света через границу оптически разнородных сред происходит его преломление по закону:
sin
sin
n2
n1
n,
(1)
где - угол падения; - угол преломления; n1 - абсолютный показатель преломления первой среды; n2 - абсолютный показатель преломления второй среды; n - относительный показатель преломления второй среды по отношению к первой.
Если n2 >> n1 то при
/2,
0, где 0 - предельный угол преломления. Тогда формула (1) примет вид
sin 90
sin 0
n2
n1
n,
(2)
В том случае, когда первая среда является испытуемой жидкостью и ее показатель преломления (n1) меньше показателя
преломления второй среды (n2) (обычно используют стеклянные призмы) для предельного угла ( 0) из соотношения (2) вытекает
следующее равенство:
n1
n 2 sin
0.
(3)
Используя соотношение (3), можно определить показатель преломления исследуемой жидкости (n1). Так как определить
предельный угол преломления ( 0) внутри призмы затруднительно, то в рефрактометрах измеряют угол выхода предельного луча из
В
второй грани призмы.
На рисунке 1 показан ход лучей в призмах рефрактометра. Здесь угол ( ) является
R
углом падения луча на границу раздела испытуемая жидкость - стекло, ( 0) - предельный
S
угол преломления. Поле зрения в приборе разделяется предельным лучом на освещенную и
А
затемненную зоны. Грань (АВ) верхней осветительной призмы - матовая и служит для освещения рассеянным светом жидкости, расположенной тонким слоем в узком зазоре толщиной
Рис. 1. Ход лучей в призмах
рефрактометра.
0,1 мм между диагональными поверхностями призм.
Свет, рассеянный матовой гранью верхней призмы, проходит плоскопараллельный слой исследуемой жидкости и падает на
диагональную грань нижней призмы под различными углами. Луч, угол падения которого ( ) равен 90°, называется скользящим, а
так как показатель преломления призмы больше, чем показатель преломления
5
1
7
9
исследуемой жидкости, то скользящий луч (RS), преломляясь на границе жидкость - стекло, пойдет в нижней призме под предельным углом преломления.
Преломление этого луча в точке (S) подчинено закону, выраженному соотношением (3). Если ось зрительной трубы прибора совпадает с направлением 4 1 2
луча (RS), то одна половина поля зрения в окуляре будет освещена, а другая 6
затемнена.
8
Общий вид лабораторного рефрактометра Аббе модели УРЛ показан
УРЛ
МОДЕЛЬ-1
на рисунке 2. Основными частями прибора являются две стеклянные призмы 1,
между которыми расположен слой исследуемой жидкости 2. Нижняя призма
закреплена неподвижно, а верхняя - откидная. Призмы помещены в металлические оправы 3, куда с помощью резиновых трубок можно подавать воду
3
нужной температуры для термостатирования (показатель преломления зависит
от температуры). Свет направляется через верхнее окошко 4, сделанное в оправе верхней призмы, с помощью источника 5.
сеть
Свет от источника (лампы) направляется в осветительную призму,
проходит тонкий слой исследуемой жидкости и измерительную призму, затем
через защитное стекло и компенсатор попадает в объектив, проходит через
призму полного внутреннего отражения, и через окуляр попадает в глаз наРис. 2. Общий вид рефрактометра УРЛ.
блюдателя.
Показания рефрактометра снимают с помощью визира, наблюдаемого через окуляр 6 и окно 7, который имеет вид перекрестья горизонтальной и вертикальной линий. Движение окуляра вдоль окошка осуществляют с помощью рукоятки 8.
Для устранения цветной окраски в поле зрения окуляра служит компенсатор 9. С помощью
навинчивающейся головки окуляра 6 можно регулировать в соответствии со зрением четкость изображения цифр и делений на шкале прибора. Отсчет показаний производят по шкале, когда перекрестье
визира совпадает с границей светлого и темного полей (рисунок 3).
Значение коэффициента преломления (n) исследуемой жидкости отсчитывают по части верхней шкалы, расположенной на освещенном поле с точностью до 0,0002.
Поскольку между показателем преломления и процентным содержанием вещества в растворе
не всегда существует прямая зависимость, для определения концентрации вещества в растворе испольРис. 3. Определение
зуют градуировочные кривые, выражающие зависимость показателя преломления от концентрации
показателя
преломления.
раствора (n = f(C)). Для каждого вещества строят свою кривую.
n
{
9
Порядок выполнения работы.
1. Включить прибор в сеть и направить свет от источника в окно верхней призмы прибора.
2. Перед началом измерений проверить установку нуль-пункта прибора. Для этого нанести несколько капель дистиллированной воды на поверхность нижней измерительной призмы и настроить окуляр на резкость по шкале и визиру. Переместить окуляр
по шкале до тех пор, пока перекрестье визирных линий не совместится с границей светотени. При правильной установке прибора на
нуль-пункт граница светотени при 20°С должна быть совмещена с делением 1,3330 шкалы показателей преломления.
3. Откинуть верхнюю призму, вытереть соприкасающиеся плоскости обеих призм досуха фильтровальной бумагой. Нанести на поверхность измерительной призмы несколько капель исследуемого раствора и плавно опустить верхнюю призму.
4. Вращением окуляра и головки дисперсионного компенсатора ввести в поле зрения прибора границу светотени и установить ее на резкость. Затем переместить окуляр до совмещения перекрестия визирных линий с границей светотени и измерить значение показателя преломления.
5. Приготовить не менее пяти градуировочных растворов исследуемого вещества (например, сахара в воде) в требуемом
диапазоне концентраций. Определить показатели преломления градуировочных растворов в порядке возрастания концентрации.
Между каждым измерением поверхность призм необходимо промывать дистиллированной водой и осушать фильтровальной бумагой. Результаты измерений занести в таблицу 1.
Таблица 1. Результаты измерения показателя преломления градуировочных растворов.
№ п/п
С, масс. %
1
2
3
4
5
n
7. По данным таблицы построить градуировочный график в координатах n = f(C) (по оси ординат отложить показатель преломления, по оси абсцисс - концентрацию раствора).
8. Произвести измерения показателей преломления растворов с неизвестной концентрацией. По градуировочному графику
определить их концентрации.
9. Оформить выводы к работе.
Лабораторная работа №5 «Изучение спектров излучения и поглощения»
Цель работы: Изучить метод спектрального анализа. Определить длины волн в спектрах излучения и поглощения по результатам спектрального анализа.
Спектральным анализом называется метод определения химического состава вещества по его спектру излучения или поглощения. К спектрам излучения относятся сплошные, полосатые и линейчатые.
Сплошной спектр, излучаемый раскаленными твердыми или жидкими телами, представляет собой цветную полосу с непрерывным переходом одного спектрального цвета в другой. Линейчатый спектр дают светящиеся пары и газы. Он состоит из определенного сочетания цветных линий, характерных для каждого химического элемента. Полосатый или молекулярный спектр излучается возбужденными молекулами и имеет вид системы широких полос.
Спектры поглощения возникают при прохождении белого света сквозь различные вещества, которые поглощают из белого
света отдельные участки сплошного спектра. Таким образом, на фоне сплошного спектра видны темные полосы или линии, характеризующие это вещество.
Белый свет, проходя через некоторые среды, претерпевает избирательное поглощение. Поэтому такие среды в проходящем
белом свете представляются окрашенными. Их цвет определяется совокупностью длин волн лучей, прошедших через такую среду.
Спектр белых лучей, частично поглощенных цветной средой, называется спектром поглощения. Обычно в спектре поглощения получается одна или несколько темных полос, по положению которых можно судить о том, лучи каких длин волн поглощает данное
вещество. Например, в спектрах поглощения некоторых растворов появляются довольно резко выраженные характерные полосы
поглощения, по положению которых можно определить химический состав растворенного вещества.
Спектральный анализ применяется для качественного и количественного анализа состава химических веществ. Им широко
пользуются в физике, химии, металлургии, биологии, товароведении, медицине, а также в пищевой и металлообрабатывающей промышленности. Для получения спектра свет пропускают через
Пр
спектроскоп, основной частью которого является призма (рисунок
1). Свет, проходя сквозь призму, вследствие явления дисперсии
разлагается на спектральные составляющие.
Свет от источника проходит через щель (S), находящуюся в фокусе линзы (L1). Полученный в линзе параллельный пучок
лучей падает на призму (Пр) и вследствие дисперсии разлагается
на спектр (ряд цветных лучей). Вышедшие из призмы цветные
лучи в зрительной трубе с помощью линзы (L2) собираются в ее
фокальной плоскости в виде действительного изображения спек-
К
К
Ф
К
Ф
S
К
Ф
Ф
Рис. 1. Схема спектроскопа.
10
тра малого размера, который затем увеличивается окулярной линзой (L3), дающей мнимое увеличенное изображение спектра источника света.
Для определения длин волн спектральных линий какого-либо источника излучения, используют шкалу спектроскопа. Шкала спектроскопа позволяет определить только относительное положение спектральных линий и расстояние между ними, но не длину
волн соответствующих линий. Поэтому, прежде чем приступить к изучению спектров, спектроскоп градуируют по длинам волн известных спектральных линий. Для градуировки, например, можно использовать спектры светящихся газов, которые хорошо изучены. В таблице 1 приведены длины волн спектральных линий гелия. Пользуясь этими данными, можно построить градуировочную
кривую спектроскопа.
Таблица 1. Спектральные линии излучения гелия.
№ п/п
Цвет линии
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Длина волны линии , нм
728
706
587
502
471
447
412
Темно-красный
Светло-красный
Желтый
Зеленый
Голубой
Синий
Фиолетовый
Градуировку спектроскопа осуществляют следующим образом. Трубку со светящимся газом устанавливают перед щелью
спектроскопа. Перемещая окуляр спектроскопа, настраивают резкость прибора таким образом, чтобы линии спектра были четко
выражены. Поворачивая барабан микрометрического винта спектроскопа, устанавливают указатель шкалы поочередно на все линии
спектра и отсчитывают показания по шкале спектроскопа для каждой линии. Результаты измерений заносят в таблицу 2.
По экспериментальным данным строят градуировочный график в координатах = f(x) (по оси ординат откладывают длины
волн , по оси абсцисс - показания шкалы спектроскопа х).
Порядок выполнения работы.
1. Включить лампу, наполненную гелием в сеть и совместить ее со входной щелью спектроскопа.
2. Произвести градуировку спектроскопа по линиям излучения гелия. Показания спектроскопа для линий соответствующего цвета занести в таблицу 2.
3. По результатам измерений построить график в координатах «длина волны линии – показания спектроскопа».
Таблица 2. Градуировка спектроскопа.
№ п/п
Цвет линии
Показания спектроскопа, отн. ед.
Длина волны линии , нм
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Темно-красный
Светло-красный
Желтый
Зеленый
Голубой
Синий
Фиолетовый
728
706
587
502
471
447
412
4. Разместить перед щелью спектроскопа образец светящегося вещества. Произвести отсчет показаний спектроскопа по барабану микрометрического винта для наблюдаемых линий излучения вещества. С помощью градуировочного графика определить
длины волн в спектре излучения вещества. Результаты измерений занести в таблицу 3.
Таблица 3. Результаты определения длин волн в спектре излучения вещества.
Состав вещества
Цвет линии
Показания спектроскопа, отн. ед.
Длина волны , нм
5. Определить полосы поглощения в спектрах поглощения раствора. Разместить кювету, заполненную окрашенным раствором (перманганат калия, бихромат калия и др.), между щелью спектроскопа и источником белого света. Для каждого раствора будет
наблюдаться свой спектр поглощения, представляющий собой систему темных полос на фоне сплошного спектра.
6. Произвести отсчет показаний спектроскопа для начала и конца каждой из полос. С помощью градуировочного графика
определить интервалы длин волн в спектре поглощения раствора вещества. Результаты измерений занести в таблицу 4.
Таблица 4. Результаты определения длин волн полос поглощения вещества.
Показания спектроскопа для полос
Название
Цвет
поглощения вещества, отн. ед.
вещества
вещества
начало
конец
7. Оформить выводы к работе
Интервал длин волн (
- 2), нм
1
11
Лабораторная работа №6 «Изучение фотоэлектронных приборов»
Цель работы: Изучить основные типы фотоэлектронных приборов. Измерить вольтамперные характеристики, установить зависимости фототока от светового потока для фотоэлектронных приборов различных типов.
Явление фотоэффекта лежит в основе действия всех фотоэлектронных приборов. Наиболее широкое распространение в
науке и технике (схемы управления и сигнализации, кино и телевидение, фотография и т.д.) имеют три основных типа фотоэлементов:
- фотоэлементы с внешним фотоэффектом, в которых под действием света из фотокатода эмитируются электроны во внешнюю среду - в вакуум или сильно разреженный газ;
- фоторезисторы или фотоэлементы с внутренним фотоэффектом, в которых под действием света увеличивается число свободных
носителей заряда;
- фотоэлементы с запирающим слоем, в которых действие света создает разность потенциалов на границе металла и полупроводника
или в области р-n перехода в полупроводнике. Это вентильные фотоэлементы или фотоэлементы с гальваническим эффектом.
Фотоэлементы с внешним фотоэффектом подразделяются на вакуумные и газонаполненные. Принцип действия их в основном один и тот же, но рабочие характеристики существенно различаются.
Внешний фотоэффект, то есть эмиссия электронов веществом под действием света, был экспериментально изучен
А.Г. Столетовым и теоретически обоснован А. Эйнштейном, исходя из квантовых представлений о природе электромагнитного излучения. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта дает количественную связь между энергией кванта, падающего на вещество, работой выхода и кинетической энергией электронов, вырванных из вещества
m v2
,
(1)
2
- частота падающего света, m - масса электрона, v - скорость фотоэлектронов; А – работа выхода элекh
A
где h - постоянная Планка;
трона.
Из этого уравнения вытекают все законы внешнего фотоэффекта. Для того, чтобы электроны могли покинуть вещество под
действием света, необходимо выполнение условия h 0 А, то есть для каждого вещества, имеющего свою работу выхода, существует предельная частота света, способная вызвать фотоэффект. Эта частота называется красной границей фотоэффекта. Для щелочных
металлов эта граница лежит в области видимого света, для большинства других металлов она находится в ультрафиолетовой области
спектра. Число фотоэлектронов строго пропорционально числу падающих квантов света, следовательно, фотоэлектронная эмиссия
пропорциональна световому потоку.
Фотоэлементы с внешним фотоэффектом обычно представляют собой отвакуумированный или наполненный разреженным
-2
( 10 мм.рт.ст.) инертным газом стеклянный баллон. Фотокатодом служит светочувствительный слой, нанесенный на внутреннюю
сторону баллона. Анодом является металлический электрод, например, в виде кольца, расположенный в центре баллона. Для того,
чтобы через фотоэлемент протекал ток, между анодом и катодом прикладывают постоянное напряжение.
Вольтамперная характеристика вакуумного фотоэлемента напоминает вольтамперную характеристику лампового диода:
ток сначала возрастает с увеличением напряжения, затем при некотором напряжении устанавливается ток насыщения, который при
дальнейшем повышении напряжения практически не изменяется. Этот ток зависит от величины фотоэмиссии, а, следовательно,
только от освещенности фотоэлемента. Такая зависимость (световая характеристика вакуумного фотоэлемента) линейна.
Чувствительность вакуумного фотоэлемента определяется отношением изменения его фототока к изменению светового потока. Она относительно мала ( 20 – 80 мкА/лм). Увеличение чувствительности может быть получено посредством газового усиления, т.е. путем введения в стеклянный баллон инертного газа. При работе такого фотоэлемента электроны, эмитированные из катода,
ионизируют газ, благодаря чему увеличивается поток электронов от катода к аноду, а также возникает поток положительных ионов в
обратном направлении. Чувствительность газонаполненных фотоэлементов достигает 100-400 мкА/лм. Однако из-за газового наполнения световая характеристика этих фотоэлементов не линейна.
Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом - фоторезиоторы (фотосопротивления) обычно изготавливаются в виде изолирующих подложек, на которые наносят тонкий слой металла, поверх которого - слой полупроводника. Под действием света в полупроводнике происходит перераспределение электронов по энергетическим уровням. Если энергия кванта превышает ширину запрещенных состояний, то электрон, поглотивший квант, переходит в зону проводимости.
В собственных полупроводниках появляется пара носителей заряда - электрон и дырка. В примесных полупроводниках при
поглощении квантов света электроны могут переходить из валентной зоны на примесные уровни или с примесных уровней в зону
проводимости. Количество образующихся носителей заряда пропорционально падающему световому потоку. Фототок, проходящий
через фоторезистор, возрастает с увеличением напряжения между электродами, поэтому принято различать интегральную чувствительность фоторезистора, определяемую при максимально допустимом рабочем напряжении и измеряемую в мкА/лм, и чувствительность, соответствующую единице напряжения, намеряемую в мкА/(лм-В). Интегральная чувствительность фоторезисторов относительно высока 50 1200 мА/лм, что позволяет использовать их в схемах без усилителей. Фотосопротивления могут работать
как на постоянном, так и на переменном токе.
Фотоэлементы с запирающим слоем сходны по своему устройству с полупроводниковыми выпрямителями: на стальной
электрод наносится полупроводник, на который наносится тонкая полупрозрачная пленка из инертного материала (часто золото).
Световой поток, падающий на полупроводник, вызывает образование пар носителей заряда - дырок и свободных электронов. Неосновные для данной области носители (электроны в р-области и дырки в n-области) проходят через р-n переход. В результате в робласти накапливается избыточный положительный заряд, а в n-области - избыточный отрицательный заряд. Это приводит к возникновению разности потенциалов между областями, которая называется фотоэлектродвижущей силой. Если р и n-области подключить к внешней нагрузке, то в ней будет протекать ток. При не очень больших освещенностях сила тока пропорциональна падающему световому потоку. Такой фотоэлемент осуществляет непосредственное преобразование световой энергии в электрическую.
12
Фотоэлементы используются в солнечных батареях для получения электрической энергии на искусственных спутниках
Земли, космических станциях и др. Фотоэлементы с запирающим слоем могут работать в режиме фотопреобразователя - изменять
силу тока, создаваемого в цепи внешним источником энергии.
Порядок выполнения работы.
1. Работа выполняется на специальном стенде. Для стабильности измерений фотоэлементы должны быть освещены в течение 5-7 минут до начала измерений.
Вакуумный
2. Изучить зависимость фототока от анодного напряжения и интенсивСЦВ
ности светового потока для вакуумного фотоэлемента СЦВ-3. Схема включения
вакуумного и газонаполненного фотоэлементов представлена на рисунке 1. УсR Газонаполненный
тановить тумблеры стенда в положения «вакуумный» и световой поток (F1).
ЦГ
Остальные тумблеры выключены. Изменять анодное напряжение от 0 до 150 В,
через каждые 10 В записывать показания силы фототока по миллиамперметру. mA
Установить больший световой поток (F2), и вновь измерить вольтамперную характеристику фотоэлемента. Результаты занести в таблицу 1.
3. Изучить зависимости фототока газонаполненного фотоэлемента ЦТРис. 1. Схема включения вакуумного
и газонаполненного фотоэлементов.
3 от анодного напряжения и интенсивности светового потока. Тумблеры стенда
установить в положения «газонаполненный», световой поток (F1). Изменять анодное напряжение от 0 до 150 В, через каждые 10 В
записывать показания силы фототока по миллиамперметру. Установить световой поток (F2), и повторить все измерения. Результаты
занести в таблицу 1.
4. Изучить вольтамперные характеристики фоторезистра ФСК-Г1, схема
включения которого приведена на рисунке 2. Установить тумблер в положение
«вкл», тумблер светового потока в положение (F1). Изменять напряжение от 0 до
ФСК
50 В и через каждые 5 В измерять силу фототока по миллиамперметру. Установить
mA
световой поток (F2) и повторить все измерения. Результаты занести в таблицу 1.
V
V
Рис. 2. Схема включения фоторезистора.
Таблица 1. Результаты измерений вольтамперных характеристик фотоприборов.
Вакуумный фотоэлемент
Газонаполненный фотоэлемент
№ п/п
F1
F2
F1
F2
U, В
I, мкА
U, В
I, мкА
U, В
I, мкА
U, В
I, мкА
Фоторезистор
F1
U, В
F2
I, мА
U, В
I, мА
5. Результаты измерений для каждого фотоэлектронного прибора представить в виде вольтамперных характеристик в координатах I = f (U) для двух значений световых потоков.
6. Оформить выводы к работе.