Волков А.Ф., Лумпиева Т.П. Лабораторный практикум по физике

Подождите немного. Документ загружается.

Квантовая оптика Описания лабораторных работ

Описание экспериментальной установки

Основным элементом установки является универсальный монохроматор

МУМ-1, предназначенный для разложения падающего излучения в спектр и

выделения монохроматического излучения. Установка состоит из трех блоков

(рис. 1): А − блок питания; В − источник излучения; С − монохроматор.

Обозначения, принятые на схеме: 1 – тумблер «вкл. – выкл.», 2 – тумблер

«накал – недокал», 3 – лампа накаливания, 4 – коллиматор, 5 – держатель для

кювет, 6 – зеркало, 7 – ручка управления, 8 – отсчетная шкала, 9 – отражатель-

ная дифракционная решетка, 10 – окуляр. Принцип работы установки заключа-

ется в следующем.

Свет от лампы нака-

ливания идет через конден-

сор, затем через входную

щель монохроматора и по-

падает на дифракционную

решетку, расположенную в

блоке С. Решетка разлагает

его в спектр и направляет в

выходную цель монохрома-

тора, через которую спектр

можно наблюдать визуально. Между источником излучения и монохроматором

расположен держатель, в который вставляют кювету с исследуемым раствором.

Рисунок 1

Подготовка к работе

(ответы представить в письменном виде)

Какова цель работы?

Какой прибор Вы будете использовать при выполнении работы?

Какие физические величины Вы будете измерять непосредственно?

Какую физическую величину необходимо рассчитать по результатам изме-

рений? Запишите соответствующую формулу. Поясните смысл обозначе-

ний.

Выполнение работы

1. Подключить блок питания к сети. Включить тумблер сеть, при этом долж-

на загореться сигнальная лампочка, расположенная над этим тумблером.

Тумблер «накал – недокал» установить в положение «накал».

Вращая рукоятку, расположенную на торцовой стенке монохроматора, и

связанную с механическим счетчиком, через выходную щель монохрома-

тора пронаблюдать сплошной спектр излучения.

С помощью счетчика определить длины волн границ различных областей

(имеющих одинаковую окраску) спектра.

Вставить в держатель кювету с раствором медного купороса (CuSO

Вращая рукоятку счетчика и двигаясь со стороны более длинных волн

261

Описания лабораторных работ Квантовая оптика

(красного участка спектра), пронаблюдать спектры поглощения раствора

(темные полосы в спектре излучения).

Определить максимальную длину волны поглощения.

Исследовать спектр поглощения водного раствора бихромата калия

) и определить максимальную длину волны поглощения.

Рассчитать тепловой эффект реакции разложения K

по формуле (4).

Защита работы

(ответы представить в письменном виде)

Что называется спектром излучения? На какие виды делятся спектры излу-

чения?

Что называется спектром поглощения? На какие виды делятся спектры по-

глощения?

Запишите формулу, по которой рассчитывается энергия фотона. Поясните

смысл обозначений.

При каком условии молекула под действием света распадается?

262

Квантовая оптика Описания лабораторных работ

ПРОТОКОЛ

измерений к лабораторной работе №87

Выполнил(а)__________ Группа______________

Область

спектра

Длина волны

начала

области

, нм

Длина волны

конца

области

, нм

Исследуемый

раствор

Максимальная

длина волны

поглощения

, нм

красная

оранжевая

желтая

зелёная

CuSO

голубая

синяя

фиолетовая

Дата__________ Подпись преподавателя____________

263

Описания лабораторных работ Квантовая оптика

Лабораторная работа №88

ЗНАКОМСТВО С РАБОТОЙ ОПТИЧЕСКОГО ПИРОМЕТРА.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ СТЕФАНА − БОЛЬЦМАНА

Цель работы – ознакомиться с принципом действия оптического пиро-

метра, определить постоянную Стефана

– Больцмана.

Приборы и принадлежности: оптический пирометр, лампа накаливания,

автотрансформатор, ваттметр.

Общие положения

Электромагнитное излучение, испускаемое веществом и возникающее за

счет его внутренней энергии, называется тепловым. Оно зависит от температу-

ры и оптических свойств вещества.

Энергия, излучаемая телом во всем диапазоне длин волн в единицу вре-

мени, называется энергетическим потоком:

=Φ

. (1)

Энергия, излучаемая телом с единицы поверхности за единицу времени

во всем диапазоне длин волн, называется излучательностью (энергетической

светимостью):

StS

== (2)

Тела частично поглощают падающую на них лучистую энергию. Отноше-

ние потока излучения

Φd

в интервале длин волн от λ до λ+dλ, поглощаемого

поверхностью тела, к потоку излучения

dФ

, падающего на эту поверхность в

том же спектральном интервале, называется коэффициентом монохроматиче-

ского поглощения или поглощательной способностью тела:

=α

(3)

Коэффициент монохроматического поглощения α зависит от темпера-

туры и длины волны, а также от природы тела. Тело, для которого коэффициент

монохроматического поглощения равен единице

α =1, называется абсолютно

черным телом. Абсолютно черное тело полностью поглощает все падающее на

его поверхность излучение независимо от направления и спектрального соста-

ва, ничего не отражая и ничего не пропуская.

λ,T

Реальные тела не являются абсолютно черными телами. Тело, коэффици-

ент монохроматического поглощения которого при данной температуре меньше

единицы и не зависит от длины волны и направления его распространения, на-

зывается серым телом.

264

Квантовая оптика Описания лабораторных работ

Излучательность (энергетическая светимость) R абсолютно черного тела

определяется законом Стефана – Больцмана, согласно которому излучатель-

ность абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной

температуры тела:

TR σ=

, (4)

где σ – постоянная Стефана – Больцмана. Для серого тела

TR ασ=

(5)

где α – средний коэффициент поглощения в измеряемом интервале температур.

Будем считать, что мощность, потребляемая лампой накаливания, полно-

стью идет на излучение. Заменив в соотношении (5) излучательность по фор-

муле (2) и учтя, что Ф =Р, получим:

ασ= , (6)

где S – площадь излучающей поверхности.

Следовательно,

=σ

. (7)

На основе законов теплового излучения созданы приборы для измерения

высоких температур, работающие без контакта с раскаленными телами. Сово-

купность методов измерения температур, основанных на законах теплового из-

лучения, называется оптической пирометрией.

Описание экспериментальной установки

Температура накала нити

электрической лампочки опре-

деляется с помощью яркостно-

го пирометра, схема которого

дана на рис. 1. Действие ярко-

стных пирометров основано на

сравнении яркости свечения

тела, температура которого

измеряется, и нити Пр эталон-

ной лампы, помещенной в зри-

тельной трубе оптического пирометра. Нить пирометра имеет форму дуги. На-

блюдение ведется в красном свете через светофильтр Сф (λ=660 нм). Регулируя

ток, текущий через эталонную лампу, добиваются уравнивания яркостей нитей.

При этом нить эталонной лампы становится невидимой на фоне изображения

нити лампы, температура которой измеряется (рис.2), поэтому такой пирометр

называется пирометром с «исчезающей нитью». Пирометр градуируется по аб-

Сф

Пр

Ок

Об

Рисунок 1

265

Описания лабораторных работ Квантовая оптика

солютно черному телу – при изменении тока накала по шкале считывается

температура черного тела, при ко-

торой нить «исчезает». Так как

излучательность реального тела

при той же температуре меньше,

чем излучательность черного те-

ла, то для достижения равенства

их яркостей реальное тело должно

быть нагрето сильнее. Яркостная

температура оказывается завы-

шенной.

Рисунок 2

Температуру нити эталонной лампы показывает гальванометр G, отгра-

дуированный по температурной шкале в градусах Цельсия (рис. 3). Предел из-

мерения вводится поворотом головки ослабляющего светофильтра. При изме-

рении температуры до 1400°С ослабляющий светофильтр не вводится – показа-

ния снимаются по верхней шкале. Положение стрелки на рис. 3 соответствует

отсчету 1250°С. При

измерении температур

от 1400°С до 2000°С

вводится ослабляющий

светофильтр – показа-

ния снимаются по

нижней шкале. Ослаб-

ляющий светофильтр

введен, если белая ука-

зательная точка (ин-

декс) на головке светофильтра совпадает с индексом 20 на корпусе прибора. В

этом случае положение стрелки соответствует отсчету 1740°С.

100 C

Рисунок 3

Мощность лампы измеряется ваттметром.

Подготовка к работе

(ответы представить в письменном виде)

Какова цель работы?

Какие величины Вы будете измерять непосредственно?

Каким прибором измеряется температура накала нити? Как температуру,

выраженную в градусах Цельсия, перевести в кельвины?

Запишите формулу, по которой рассчитывается постоянная Стефана –

Больцмана. Поясните смысл обозначений.

Выполнение работы

1. Записать значения коэффициента поглощения α и площади поверхности S,

указанные на установке.

Включить лампу накаливания. Поворотом рукоятки автотрансформатора ус-

тановить указанную преподавателем мощность накала лампы. Записать зна-

чение мощности.

266

Квантовая оптика Описания лабораторных работ

3. Поставить нулевую отметку на подвижном кольце реостата пирометра про-

тив такой же отметки на крышке корпуса.

Примечание: Кольцо необходимо

поворачивать без усилия, так как можно вывести пирометр из строя.

Включить пирометр. Поворотом обоймы (в накатанном конце тубуса окуля-

ра) ввести в поле зрения красный светофильтр.

В зависимости от предполагаемого значения измеряемой температуры, вы-

брать предел измерения поворотом головки ослабляющего светофильтра.

Направить трубу пирометра на тело накаливания. Взявшись рукой за нака-

танный конец тубуса объектива, медленно перемещать его до тех пор, пока

не будет видно изображение святящегося тела. Совместить изображение ни-

ти пирометра и тела накаливания. Вращая тубус окуляра, добиться желаемой

резкости.

Поворотом кольца реостата изменить яркость нити пирометра так, чтобы

средний участок (вершина дуги) нити исчез на фоне изображения тела, тем-

пература которого измеряется. Отсчитать температуру по положению стрел-

ки на шкале пирометра.

Повторить измерение температуры нити лампы накаливания при данном

значении мощности еще раз (изменением накала нити пирометра и возвра-

щением к исчезновению нити) и найти среднее значение температуры.

Повторить измерения температуры нити при трех различных значениях

мощности по ваттметру согласно п. 6, 7. При необходимости изменить пре-

дел измерения температуры.

10.

Выключить ток накала нити пирометра поворотом кольца реостата по стрел-

ке на кольце до упора.

Оформление отчета

1. Расчеты

1. Рассчитать постоянную Стефана – Больцмана по формуле (7) для каждого

значения мощности по среднему значению температуры.

Рассчитать абсолютную погрешность как для прямых измерений.

Найти относительную погрешность измерений. Окончательный результат

представить в стандартном виде:

ср

2. Защита работы

(ответы представить в письменном виде)

Какое излучение называется тепловым? Какими величинами характеризуют

тепловое излучение? Запишите соответствующие формулы.

Какие тела называются абсолютно черными?

Сформулируйте закон Стефана – Больцмана. Запишите формулу.

Каково устройство и назначение оптического пирометра?

Полученное значение постоянной Стефана-Больцмана сравните с таблич-

ным. Сделайте вывод.

267

Описания лабораторных работ Квантовая оптика

ПРОТОКОЛ

измерений к лабораторной работе № 88

Выполнил(а)_____________________ Группа__________________

Коэффициент поглощения α = ________________________

Площадь излучающей поверхности нити

S = ________________________

№

п/п

Вт

°С

ср

°С

ср

σ,

Вт/(м

)

среднее

Дата________ Подпись преподавателя___________________

268

Квантовая оптика Описания лабораторных работ

Лабораторная работа №89

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ СТЕПЕНИ АБСОЛЮТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ

В ЗАКОНЕ СТЕФАНА − БОЛЬЦМАНА

Цель работы – изучить законы теплового излучения, определить показа-

тель степени абсолютной температуры в законе Стефана − Больцмана.

Приборы и принадлежности: электрическая лампочка, термостолбик, ам-

перметр, вольтметр, гальванометр, регулятор напряжения.

Общие положения

Электромагнитное излучение, испускаемое веществом и возникающее за

счет его внутренней энергии, называется тепловым. Оно зависит от температу-

ры и оптических свойств вещества.

Энергия, излучаемая телом во всем диапазоне длин волн в единицу вре-

мени, называется энергетическим потоком:

=Φ

. (1)

Энергия, излучаемая телом с единицы поверхности за единицу времени

во всем диапазоне длин волн, называется излучательностью (энергетической

светимостью):

StS

== (2)

Тела частично поглощают падающую на них лучистую энергию. Отноше-

ние потока излучения

Φd

в интервале длин волн от λ до λ+dλ, поглощаемого

поверхностью тела, к потоку излучения

dФ

, падающего на эту поверхность в

том же спектральном интервале, называется коэффициентом монохроматиче-

ского поглощения или поглощательной способностью тела:

=α

(3)

Коэффициент монохроматического поглощения α зависит от темпера-

туры и длины волны, а также от природы тела. Тело, для которого коэффициент

монохроматического поглощения равен единице

α =1, называется абсолютно

черным телом. Абсолютно черное тело полностью поглощает все падающее на

его поверхность излучение независимо от направления и спектрального соста-

ва, ничего не отражая и ничего не пропуская.

λ,T

Реальные тела не являются абсолютно черными телами. Тело, коэффици-

ент монохроматического поглощения которого при данной температуре меньше

единицы и не зависит от длины волны и направления его распространения, на-

зывается серым телом.

269

Описания лабораторных работ Квантовая оптика

Излучательность (энергетическая светимость) R абсолютно черного тела

определяется законом Стефана-Больцмана, согласно которому излучательность

абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной тем-

пературы тела:

TR σ=

, (4)

где σ =5,67⋅10

−8

Вт/(м

⋅К

) − постоянная Стефана-Больцмана.

Для серого тела

R ασ=

(5)

где α – средний коэффициент поглощения в измеряемом интервале температур.

Описание экспериментальной установки

Для измерения высоких температур широко применяются оптические ме-

тоды, основанные на использовании законов теплового излучения. В данной

работе для изучения зависимости излучательности от температуры использует-

ся лампа накаливания. Приёмником энергии, излучаемой лампой, является тер-

мостолбик (см. рис. 1). Термостолбик представляет собой совокупность термо-

пар ТП, соединённых последовательно. Их спаи через один подвергаются на-

греванию от излучателя, остальные остаются при комнатной температуре. По-

даваемое на лампу Н напряжение измеряется вольтметром; сила тока, текущего

через нее

− амперметром. Сила тока в цепи термостолбика регистрируется

гальванометром G.

P 1

P 2

P 3

Т П

Рисунок 1

Используя закон Ома, можно по измеренным значениям силы тока и на-

пряжения определить значение сопротивления нити лампы в горячем состоянии

R =

(6)

где U − напряжение; I − сила тока.

270