2020-06-08
1961
Оборудование, средства измерения: штангенциркуль, лампа с прямой нитью накала, рамка картонная с вырезом, в котором натянута проволока диаметром 0,1 – 0,3 мм, капроновая ткань черного цвета.
Теоретическое обоснование
Дифракция света проявляется в нарушении прямолинейности распространения световых лучей, огибании светом препятствий, в проникновении света в область геометрической тени. Пространственное распределение интенсивности света за неоднородностью среды характеризует дифракционную картину.
В качестве неоднородности среды в работе используют щель, между губками штангенциркуля. Сквозь эту щель смотрят на вертикально расположенную нить горящей лампы. При этом по обе стороны от нити, параллельно ей, видны радужные полосы. При уменьшении ширины щели полосы раздвигаются, становятся шире и образуют ясно различимые спектры. Этот эффект наблюдается особенно хорошо при плавном повороте штангенциркуля вокруг вертикальной оси.
Другую дифракционную картину наблюдают на тонкой нити. Рамку с нитью располагают на фоне горящей лампы параллельно нити накала. Удаляя и приближая рамку к глазу, получают дифракционную картину, когда светлые и темные полосы располагаются по сторонам нити, а в середине, в области ее геометрической тени, наблюдается светлая полоса
|
|
|
o
 | | ||||||||||||||||||
 | | |
| ||||||||||||||||
 | | | | ||||||||||||||||
| |
Рис.4
Порядок выполнения работы
Часть I
1. Зажгите спиртовку.
2. Внесите в пламя комочек ваты, смоченной раствором хлорида натрия.
3. Опустите проволочное кольцо в раствор мыла для получения мыльной пленки.
4. Зарисуйте интерференционную картину, полученную на пленке при освещении желтым светом спиртовки.
5. Объясните порядок чередования цветов на интерференционной картине при освещении пленки белым светом.
6. Выдуйте с помощью стеклянной трубки небольшой мыльный пузырь на поверхности мыльного раствора. Объясните причину перемещения интерференционных колец вниз.
7. Опишите интерференционную картину, наблюдаемую от двух сжатых стеклянных пластинок.
|
|
|
8. Как изменяется наблюдаемая картина при увеличении силы, сжимающей пластинки вместе?
9. Опишите интерференционную картину при освещении СD – диска.
Часть II
1. Зарисуйте две дифракционные картины, наблюдаемые при рассмотрении нити горящей лампы через щель штангенциркуля (при ширине щели 0,05 и 0,8 мм).
а = 0,05 мм а = 0,8 мм
2. Опишите изменение характера интерференционной картины при плавном повороте штангенциркуля вокруг вертикальной оси (а = 0,8 мм).
3. Рамку с нитью расположите на фоне горящей лампы параллельно нити накала. Перемещая рамку относительно глаза, добейтесь того, чтобы в середине, в области геометрической тени нити, наблюдалась светлая полоса. Зарисуйте дифракционную картину, наблюдаемую за тонкой нитью.
4. Посмотрите сквозь черную капроновую ткань на нить горящей лампы. Поворачивая ткань вокруг оси, добейтесь четкой дифракционной картины в виде двух скрещенных под прямым углом дифракционных полос. Зарисуйте наблюдаемый дифракционный крест, опишите его.
Вывод:
|
Лабораторная работа
ИЗМЕРЕНИЕ ДЛИНЫ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ С ПОМОЩЬЮ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ
Цель работы: измерить длину световой волны с помощью дифракционной решетки.
Оборудование, средства измерения: проекционный аппарат, прибор для измерения длины световой волны.
Теоретическое обоснование
Дифракционную решетку используют для разложения света в спектр и измерения длины световой волны.
При падении на дифракционную решетку ДР с периодом d монохроматической плоской волны длиной λ (рис.1) максимумы интенсивности света во всем пространстве слева от решетки будут наблюдаться под углом αm к главной оптической оси при условии
d sin αm = m λ, где m = 0, ±1, ±2,… (1)
Если расположить экран Э в фокальной плоскости линзы Л с фокусом F, можно наблюдать максимумы интенсивности света в точках с координатой
Xm = F · tg αm. (2)
Целое число m определяет порядок максимума. При m = 0, αm = 0 на оси симметрии решетки возникает центральный максимум для любых длин волн.
Как следует из формулы (1),
. (3)
Чем больше m, тем больше угол отклонения αm при одной и той же длине волны λ. Это означает, согласно формуле (2), что тем больше и хm. Чем выше порядок максимума, тем дальше он находится от оси симметрии. Поэтому вдоль оси х, перпендикулярной прорезям дифракционной решетки, будут наблюдаться максимумы интенсивности различных порядков.
Спектр излучения источника света может содержать излучение различных длин волн (например фиолетовое с длиной волны λ1 и красное с длиной волны λ2 > λ1). Как видно из формулы (3), чем больше λ, тем больше αm. Следовательно, для соответствующего порядка m спектра максимум интенсивности красного света будет находиться дальше от оси симметрии, чем максимум интенсивности фиолетового.
Для фиолетового света λ = 0,4 мкм. Следовательно из формулы (3) при d = 10 мкм
При этом tg α1 = 0,04003, т.е. при таких малых углах sin αm =tg αm.
Разделив почленно равенства (1) и (2), получаем формулу для определения длины световой волны с помощью дифракционной решетки:
(4)
|
|
|
В данной работе наблюдения проводятся непосредственно глазом (рис.2). При этом наблюдателю кажется, что излучение, попадающее в точку F'm, может испускаться в одной из точек отрезка ОР. Наиболее предпочтительной точкой локализации мнимого источника является точка Р (с координатой Хm), находящаяся на зачерненной (для большего контраста) поверхности шкалы, так как расстояние от решетки до шкалы L известно. Из подобия ΔSO1F'm и ΔOO1P следует, что
Где l – расстояние от глаза до дифракционной решетки. Считая l<<L, получаем
(5)
Подставляя F в формулу (4), получаем расчетную формулу для вычисления длины волны света с помощью дифракционной решетки:
(6)
Принципиальная схема экспериментальной установки представлена на рисунке 3. Излучение от источника света 1, проходя через прицельную прорезь 2 шкалы 3, попадает на дифракционную решетку 4, установленную в держателе 5, который прикреплен к концу линейки 6. Шкала может перемещаться вдоль линейки, закрепленной в муфте 7 штатива 8, позволяющей фиксировать различные расстояния L от дифракционной решетки до шкалы.
Если смотреть сквозь решетку и прицельную прорезь на источник света, то в верхней части шкалы (на черном фоне) можно наблюдать по обе стороны от прорези максимумы интенсивности излучения первого и второго порядков различного цвета (рис.4). Фиксируют расстояние L. Проводят измерения максимумов первого порядка. Измеряют модули отклонения Х'1ф, Х''1ф от центра прорези максимумов первого порядка фиолетового света. Находят среднее арифметическое модуля отклонения
и длину волны фиолетового света по формуле (6):
(7)
|
|
|
Аналогично измеряют длину волны красного света:
(8)
Проводят измерения максимумов интенсивности света второго порядка. Измеряют модули отклонения Х/2ф, Х//2ф от центра прорези максимумов второго порядка фиолетового света.
Находят среднее арифметическое модуля отклонения:
и длину волны фиолетового света по формуле (6):
(9)
Аналогично измеряют длину волны красного света:
(10)
Для уточнения окончательных результатов берут средние арифметические значения длин волн фиолетового света, полученные из формул (7), (9), и красного света – из формул (8) и (10).
Порядок выполнения работы
1. Соберите экспериментальную установку (см. рис. 3).
2. Поместите дифракционную решетку в держатель. Запишите период решетки.
d =
3. Направляя прибор на проекционный аппарат и наблюдая его излучение через дифракционную решетку и прорезь шкалы, добейтесь того, чтобы по обе стороны от прорези были видны максимумы интенсивности излучения первого и второго порядка фиолетового и красного света.
Если максимумы второго порядка оказываются вне шкалы, уменьшите расстояние L от решетки до шкалы. Запишите его значение по шкале линейки 6, когда возникнет требуемая картина.
L =
4. Измерьте модули отклонения от центра прорези максимумов первого порядка фиолетового света (слева и справа от прорези).
Х'1ф =
Х''1ф =
5. Найдите среднее арифметическое модуля отклонения.
=
6. Вычислите длину волны фиолетового света по формуле (6).
7. Повторите измерения и расчет модуля отклонения и длины волны красного света.
Х/1k = ; X//1k = ; ;
8. Повторите измерения и расчет модуля отклонения и длины волны фиолетового света для максимумов второго порядка.
Х'2ф = ; Х//2ф = ; =
9. Найдите длину волны фиолетового света по формуле (9).
10. Проделайте измерения и расчет модуля отклонения и длины волны красного света для максимумов второго порядка.
Х/2к = ; Х//2к = ; ;
11. Получите окончательный результат измерения длины волны красного света как среднее арифметическое значений λ1к, λ2к.
λк =
Дополнительное задание. Повторить измерения длин волн фиолетового и красного света при меньшем расстоянии L1 от дифракционной решетки до шкалы.
1. Установите меньшее расстояние L1 от решетки до шкалы.
L1 =
2. Повторите измерения и расчеты, проделанные ранее в п. 4 – 10.
3. Х/1ф = ; Х//1ф = ; Х1ф = ;
4. Х/1к = ; Х//1к = ; Х1к = ;
5. Х/2ф = ; Х//2ф = ; Х2ф = ;
6. Х/2к = ; Х//2к = ; Х2к = ;
 | |
7.
8.
Вывод:
Контрольные вопросы
1. Почему нулевой максимум дифракционного спектра белого света – белая полоса, а максимум высших порядков – набор цветных полос?
2. Почему максимумы располагаются как слева, так и справа от нулевого максимума?
3. Какой вид имеет интерференционная картина в случае монохроматического света?
4. В каких точках экрана получается световой минимум?
|
ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ
ФОТОЭФФЕКТА
Цель работы: исследовать свойства фотоэлемента, построить его вольтамперную характеристику.
Оборудование, средства измерения: вакуумный фотоэлемент на панели (типа СУВ – 4), потенциометр, миллиамперметр, вольтметр, светофильтр известной частоты пропускаемого света, источник электрической энергиии, электрическая лампа в патроне и с вилкой для включения в осветительную цепь, ключ, соединительные провода, миллиметровая бумага.
Теоретическое обоснование
Доказательством квантовой теории света является внешний фотоэлектрический эффект – явление выбивания электронов из металла световым излучением определенного интервала частот.
Сущность этого явления заключается в следующем. Свет – поток фотонов. Каждый фотон имеет энергию: Е = hν, где h = 6,6·10-34 Дж·с– постоянная Планка; ν – частота излучения.
При падении на вещество фотон поглощается одним из электронов. Часть поглощенной энергии расходуется на работу по вырыванию электрона из металла. Эта работа называется работой выхода электрона Авых. Другая часть поглощенной энергии фотона превращается в кинетическую энергию вырванного из металла электрона mv2/2. Следовательно,
(1)
Приборы, действие которых основано на явлении внешнего фотоэффекта и которые преобразуют световую энергию в энергию электрическую, называются фотоэлементами. Составные части фотоэлементов: стеклянный сферический вакуумный баллон; катод – тонкий слой металла, который покрывает часть внутренней поверхности баллона; анод – небольшой диск или проволочное кольцо, укрепленный в центре баллона. При освещении катода фотоэлемента световым излучением от источника S в цепи (рис.1) появляется ток (фототок). Если между электродами фотоэлемента создать задерживающее электрическое поле и увеличивать напряжение, подаваемое на фотоэлемент, то фототок будет уменьшаться. При некотором задерживающем напряжении Uз фототок будет равен нулю. В этот момент максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов равна работе сил задерживающего электрического поля:
(2)
где е = 1,6·10-19 Кл – заряд электрона.
|
Порядок выполнения работы
1. Составьте электрическую цепь по схеме, изображенной на рис.2, соединив катод фотоэлемента с зажимом «+», анод с «-» источника электрической энергии.
2. Установите светофильтр С перед фотоэлементом и осветите его, включив электрическую лампочку S.
3. Замкните цепь. С помощью потенциометра получите в цепи наименьшее напряжение. Снимите показания измерительных приборов.
K C
*S
V
A
mA
| | | |
Рис.2
4. Плавно изменяйте положение скользящего контакта потенциометра, увеличивая напряжение, подаваемое на фотоэлемент. Снимите 5 - 7 показаний измерительных приборов.
5. Получите напряжение, при котором фототок равен нулю. Запишите показания вольтметра.
U =
6. Вычислите максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов, используя соотношение (2).
Ек =
7. Вычислите работу выхода электрона, используя соотношение (1).
Авых =
8. Выразите работу выхода в электрон-вольтах.
Авых =
9. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу 1.
Таблица 1.
| Номер опыта | Частота излучения ν, Гц | Сила фототока Iф, А | Напряжение, подаваемое на фотоэлемент U, B | Максимальная энергия фотоэлектронов Ек, Дж | Работа выхода Авых, Дж | Работа выхода Авых, эВ |
| 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. |
10. На миллиметровой бумаге постройте график зависимости силы фототока от задерживающего напряжения, откладывая на оси абсцисс отрицательное напряжение, а на оси ординат – силу фототока.
Вывод:
Контрольные вопросы
1. Расскажите об устройстве, принципе действия и назначении фотоэлементов.
2. Сравните полученный результат для Авых с табличным значением и назовите материал катода фотоэлемента, используя таблицу 2.
Таблица 2.
| Вещество | Работа выхода, эВ | Вещество | Работа выхода, эВ |
| Висмут | 4,4 | Цезий | 1,81 |
| Галлий | 3,96 | Стронций | 2,35 |
| Германий | 4,76 | Натрий | 2,35 |
| Молибден | 4,3 | Серебро | 4,3 |
| Цирконий | 3,9 | Калий | 2,22 |
3. Приведите примеры практического использования фотоэлементов.
4. Сформулируйте законы внешнего фотоэффекта.
5. Какое уравнение дает теоретическое обоснование законам фотоэффекта? Запишите его. На основании какого закона это уравнение записывается?
|
Лабораторная работа
НАБЛЮДЕНИЕ СПЛОШНОГО И ЛИНЕЙЧАТОГО
СПЕКТРОВ ИСПУСКАНИЯ
Цель работы: изучить особенности линейчатого спектра газов и сплошного спектра излучения твердых тел.
Оборудование, средства измерения: спектральные трубки с водородом, гелием и неоном, плоскопараллельная пластинка со скошенными гранями, проекционный аппарат.
Теоретическое обоснование
Линейчатый спектр излучения – спектр излучения, состоящий из отдельных узких спектральных линий различного цвета и интенсивности.
Атомы каждого химического элемента имеют неповторимый линейчатый спектр излучения, характерный именно для этого элемента.
В нагретых твердых телах энергии стационарных состояний меняются не скачком, а непрерывно. Значит, частоты излучения фотонов могут быть любыми. Поэтому излучательный спектр нагретых твердых тел является непрерывным или сплошным, когда наблюдаются все цвета видимого света без темных промежутков между ними.
Для наблюдения линейчатых спектров излучения на демонстрационном столе зажигают поочередно спектральные трубки с водородом, гелием и неоном.
Через плоскопараллельную пластинку со скошенными гранями наблюдают вертикальный светящийся канал трубки S (рис.1). При этом видимое изображение спектра S1 сдвинуто в сторону преломляющего угла. Наблюдения проводят два раза: через грани, образующие угол 60º и угол 45º.
S1 S
Рис.1
Спектр каждого газа виден как ряд отдельных узких полос, расположенных на некоторых расстояниях друг от друга и окрашенных в различные цвета.
Сплошной спектр создается излучением от светлой вертикальной полоски на экране, спроецированной на нем проекционным аппаратом.
Наблюдение сплошного спектра проводят так же, как и линейчатого, с помощью плоскопараллельной пластинки два раза: через грани, образующие угол 60º и угол 45º.
Порядок выполнения работы
1. Включите спектральную трубку с водородом.
2. Проведите наблюдение линейчатого спектра водорода с помощью плоскопараллельной пластинки: через грани, образующие угол 60º и угол 45º. Запишите последовательность цветов видимых спектральных линий.
3. Укажите отличие линейчатых спектров в этих двух случаях.
4. Повторите наблюдения линейчатых спектров: а) для гелия, б) для неона, согласно п. 2 и 3.
5. Проведите наблюдение сплошного спектра от светлой вертикальной полоски, спроецированной на экран проекционным аппаратом, через грани, образующие угол 60º и угол 45º. Укажите последовательность чередования цветов в сплошном спектре.
6. Опишите отличие сплошных спектров при их наблюдении через разные грани.
Дополнительное задание. Провести наблюдение сплошного спектра излучения лампы накаливания с помощью плоскопараллельной пластинки. Опишите наблюдаемый спектр.
2. Изменяя напряжение на лампе, опишите изменение спектра излучения лампы в зависимости от температуры нити накала.
Вывод:
Контрольные вопросы
1. Расскажите об устройстве, принципе действия и назначении фотоэлементов.
2. Приведите примеры практического использования фотоэлементов.
3. Сформулируйте законы внешнего фотоэффекта.
4. Какое уравнение дает теоретическое обоснование законам фотоэффекта? На основании какого закона это уравнение записывается?
|
Лабораторная работа
ИЗУЧЕНИЕ ТРЕКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
(ПО ГОТОВЫМ ФОТОГРАФИЯМ)
Цель работы: проанализировать фотографии треков заряженных частиц, движущихся в магнитном поле и участвующих в ядерных реакциях.
Оборудование, средства измерения: фотография трека заряженной частицы в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле, фотография треков частиц при реакции взаимодействия α–частицы с ядром атома азота.
Теоретическое обоснование
Для изучения взаимодействия элементарных частиц, для регистрации ядерных реакций и измерения физических величин, характеризующих состояние частиц, в них участвующих, используют камеру Вильсона.
Эта камера заполнена перенасыщенными парами воды и этилового спирта. Такие пары легко конденсируются в виде маленьких капелек на ионах, образующихся при пролете быстрых частиц. Водяной пар конденсируется преимущественно на отрицательных ионах, пары этилового спирта – на положительных, вдоль всего пути частицы возникает трек – тонкий след из капелек, благодаря чему ее траектория движения становится видимой. Треки частиц фотографируют при дополнительной подсветке паров в камере Вильсона.
Толщина трека зависит от величины заряда частицы.
Чем больше заряд пролетающей частицы, тем больше ионов образуется при ее пролете, а следовательно, тем больше толщина трека частицы.
Часть I
На фотографии (рис.1), сделанной в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле, изображены траектории двух заряженных частиц.
Трек I на фотографии принадлежит протону, трек II – частице, которую надо идентифицировать. Начальные скорости обеих частиц одинаковы и перпендикулярны краю фотографии. Линии индукции внешнего магнитного поля перпендикулярны плоскости фотографии.
Идентификация неизвестной частицы с зарядом q и массой m осуществляется путем сравнения ее удельного заряда q/m с удельным зарядом протона е/m. Под действием силы Лоренца заряженная частица движется по окружности радиусом R1. Согласно второму закону Ньютона
где В – индукция внешнего магнитного поля.
Тогда
(1)
Для протона аналогично
(2)
Отношение удельных зарядов обратно пропорционально отношению радиусов треков:
Для измерения радиуса кривизны трека вычерчивают две хорды и восставляют к ним перпендикуляры из центров хорд (рис.2). Центр окружности лежит на пересечении этих перпендикуляров. Ее радиус измеряют линейкой.
| | |||
 | |||
I
II
Рис.1 Рис.2
Часть II
По фотографии, сделанной в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле, изучают ядерную реакцию взаимодействия α-частицы с атомом азота, впервые осуществленную в 1919 г. Э.Резерфордом.
В результате реакции образуется протон и неизвестная частица. Массовое число А и зарядовое число Z этой частицы можно найти из законов сохранения электрического и барионного заряда.
Порядок выполнения работы
Часть I
1. Определите знак электрического заряда неизвестной частицы на фотографии (см. рис.1).
2. Укажите на фотографии направление вектора магнитной индукции В.
3. Измерьте радиус R1 трека неизвестной частицы на фотографии.
4. Измерьте радиус R2 трека протона на фотографии.
5. Сравните удельные заряды неизвестной частицы и протона.
6. Идентифицируйте заряженную частицу.
Вывод:
Часть II
1. Определите массовое и зарядовое число неизвестной частицы.
2. Определите вид неизвестной частицы, пользуясь периодической системой химических элементов Д.И. Менделеева
4. Запишите окончательное уравнение ядерной реакции.
Вывод:
Контрольные вопросы
1. Что вам известно о протоне, α-частице?
2. Дайте определение атомной единицы массы. Укажите ее соотношение с килограммом.
3. Как узнать, ядро какого атома приобретает большую кинетическую энергию после столкновения?
4. Назовите формулу кинетической энергии частиц, сформулируйте закон сохранения энергии.
