Запрещается оставлять работающую установку без контроля.

Стр 1 из 4Следующая ⇒

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторным занятиям по дисциплине «Физика»

раздел«КВАНТОВАЯ ФИЗИКА»

для студентов специальностей:

010502 – «Прикладная информатика»;

090105 – «Комплексное обеспечение информационной безопасности автоматизированных систем»;

130201 – «Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых»;

130304 – «Геология нефти и газа»;

130501 – «Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ»;

130503 – «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений»;

130504 – «Бурение нефтяных и газовых скважин»;

140200 – «Электроэнергетика»;

140205 – «Электроэнергетические системы и сети»;

140211 – «Электроснабжение»;

151001 – «Технология машиностроения»;

190600 – «Автомобили и автомобильное хозяйство»;

190701 – «Организация перевозок и управления на транспорте»;

190702 – «Организация и безопасность движения»;

200503 – «Стандартизация и сертификация»;

210100 – «Электроника и микроэлектроника»;

230102 – «Автоматизированные системы обработки информации и управления»;

230205 – «Информационные системы и технологии»;

230401 – «Прикладная математика»;

210104 – «Микроэлектроника и твердотельная микроэлектроника»;

210106 – «Промышленная электроника»;

240901 – «Биотехнология»;

240902 – «Пищевая биотехнология»;

240306 – «Химическая технология монокристаллов, материалов и изделий электронной техники»;

240403 – «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов»;

260202 – «Технология хлеба, кондитерских и макаронных изделий»;

260301 – «Технология мяса и мясных продуктов»;

260303 – «Технология молока и молочных продуктов»;

260501 – «Технология продуктов общественного питания»;

260504 – «Технология консервов и пищеконцентратов»;

260601 – «Машины и аппараты пищевых производств»;

270102 – «Промышленное и гражданское строительство»;

270105 – «Городское строительство и хозяйство»;

270109 – «Теплогазоснабжение и вентиляция»;

270115 – «Экспертиза и управление недвижимостью»;

280103 – «Защита в чрезвычайных ситуациях»;

Ставрополь

Методические указания составлены для выполнения лабораторных работ по разделу «Квантовая физика» курса общей физики. В них изложены основные теоретические вопросы по этому разделу, порядок выполнения работ, контрольные вопросы и список необходимой литературы. Методические указания могут быть использованы для самостоятельной работы над разделом «Квантовая физика» и как руководство при выполнении лабораторных работ.

Составители: М. А. Арютюнян,

М. А. Голубин,

В. Г. Зубрилов

Рецензент Д. П. Валюхов

Выполнение лабораторного практикума по разделу «Квантовая физика» позволяет не только экспериментально наблюдать фундаментальные оптические явления, но и, анализируя полученные результаты углубить теоретические знания по этому разделу. Несмотря на то, что используемые в практике приборы и экспериментальные установки легко доступны и просты в обращении, они позволяют получать достаточно достоверные результаты измерений для дальнейшей обработки и анализа.

При выполнении лабораторной работы необходимо, прежде всего, ознакомиться с поставленной задачей («Цель и содержание лабораторной работы»). Изучить теоретические основы предстоящих исследований можно в разделе «Теоретическое обоснование». Раздел Аппаратура и материалы знакомит обучающегося с назначением и принципом работы основного оборудования. Методика наблюдений и измерений изложена в разделе «Методика и порядок выполнения работы». Работа завершается обработкой полученных результатов, заполнением таблиц и построением графиков раздел «Содержание отчета и его форма». Каждая работа сопровождается списком рекомендуемой литературы и перечнем вопросов для ее защиты.

Выполнение представленных лабораторных работ позволяет на практике ознакомиться с проявлением многообразия квантовых явлений и возможностью использования их в науке и технике, поэтому данные методические указания рекомендуется использовать при обучении студентов всех инженерных специальностей университета. Отчет по лабораторной работе оформляется в соответствии с формой, приведенной в приложении 1.

При работе в лаборатории необходимо неукоснительно выполнять

УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

Без разрешения преподавателя установку в сеть включать запрещается.

Перед началом работы с установкой необходимо убедиться, что установка заземлена.

Указания по технике безопасности

Перед началом работы с установкой необходимо убедиться, что она заземлена.

2. В установке имеется опасное для жизни напряжение. Поэтому при эксплуатации необходимо строго соблюдать следующие меры предосторожности:

а) перед включением в сеть убедитесь в исправности сетевых шнуров;

б) замену любого элемента производите только при отключенном от сети соединительном шнуре;

3. При работе установки происходит нагрев печи до температуры 800º С. Поэтому при необходимости ремонта вскрытие печи категорически запрещается до ее полного охлаждения.

4. Категорически запрещается нагрев печи свыше 850º С.

ЛИТЕРАТУРА

[1, глава 35, § 35.1 – 35.3; 2, глава 1, § 1 – 7; 3, глава 26, § 197 – 201].

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №: 6.2

ИЗУЧЕНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

Цель и содержание работы: провести экспериментальные исследования основных закономерностей внешнего фотоэлектрического эффекта, исследовать зависимость фототока от приложенного напряжения и энергии выбитых электронов, от частоты света. По полученным данным вычислить постоянную Планка.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

Под действием света с поверхности некоторых металлов вылетают электроны. Это явление называют внешним фотоэлектрическим эффектом. Сущность фотоэффекта и его законы можно объяснить только на основе квантовых представлений о свете.

Световое излучение (согласно теории Планка) происходит не непрерывно, а отдельными порциями – квантами, энергия которых (ε ) пропорциональна частоте колебаний излучения падающего на металл света (ν ) и равна ε = h ν , (где h – постоянная Планка).

Энергия такого кванта, упавшего на поверхность вещества, в результате столкновения с электронами поглощается, что может привести к выходу электронов из металла. Минимальная часть энергии, необходимой для выхода электрона, называется работой выхода (А_вых) из металла, остальная энергия идет на сообщение выбитому электрону максимальной кинетической энергии .

Сумма этих энергий:

(1)

представляет собой закон сохранения энергии при фотоэлектрических процессах и называется основным уравнением фотоэффекта Эйнштейна.

Из уравнения (1) вытекают законы внешнего фотоэффекта:

1) сила фототока насыщения пропорциональна падающему световому потоку,

2) максимальная скорость фотоэлектронов определяется длиной волны падающего на металл света, и не зависит от его интенсивности,

3) для каждого вещества существует длина волны, начиная с которой фотоэффект не наблюдается (красная граница фотоэффекта).

Для экспериментального исследования явления фотоэффекта, используют установку схема, которой приведена на рис 1. Поток монохроматического света, выделенный с помощью светофильтра, направляется на пластинку К (катод), помещенную в сосуде С, из которого удален воздух. В сосуде С, вблизи катода, имеется еще один электрод – анод (А). Между катодом и анодом с помощью источника постоянного тока создается электрическое поле, величина которого контролируется вольтметром V.

Рисунок 1 – Схема экспериментальной установки.

Возникающий в цепи фотоэлектрический ток измеряется микроамперметром μ A. Напряжение между анодом и катодом регулируется потенциометром П. Световые лучи попадают в сосуд через окошко О и освещают фотокатод К. Выбитые из катода электроны, перемещаются к аноду А. Графики зависимости фототока I_А от приложенного напряжения U для двух значений светового потока, приведены на рис. 2.Эта вольтамперная характеристика (ВАХ) имеет участок насыщения I_н, когда все электроны, вылетевшие из катода, достигают анода. Другой особенностью ВАХ является наличие тока при нулевой разности потенциалов между анодом и катодом.

Рисунок 2 – Зависимость фототока от приложенного напряжения.

Рисунок 3 – Зависимость энергии от частоты света.

Для прекращения фототока в цепи необходимо подать на электроды обратное напряжение – задерживающий потенциал U_з. Его значение определяется кинетической энергией выбитых из катода электронов

, (2)

где m и e – масса и заряд электрона; v - скорость электрона.

Из уравнений (1) и (2) получим

. (3)

Из уравнения (3) следует, что величина задерживающего потенциала линейно зависит от частоты света ν (рис.3), поэтому постоянную Планка можно определить по углу наклона этой зависимости:

. (4)

Рисунок 4 – Блок осветителя. 1 – осветитель, 2 – переключатель светофильтров, 3 – блок фотоэлементов, 4 – блок питания, 5 – установка нуля «точно», 6 – установка нуля «грубо».

АППАРАТУРА И МАТЕРИАЛЫ

Экспериментальная установка (рис. 4) состоит из двух основных блоков. Блок излучателя, который содержит: источник света (1), набор интерференционных светофильтров (2), фотоэлемент (3), усилитель фототока и источник питания (4) на боковой панели последнего находятся ручки установки нуля (5 – ″ грубо″, 6 – ″ точно″ ). Второй блок (рис. 5), предназначен для управления установкой и индикации полученных измерений. На передней панели последнего размещены кнопка “прям-обр“ для выбора режима измерения прямой и обратной ветви ВАХ фотоэлемента, цифровой индикатор значений напряжения (В) и фототока (мкА) фотоэлемента. Интервал регулирования напряжений от 0 до 10 В в прямом режиме и от 0 до 1 В – обратном осуществляется кнопками ″ +″, ″  ″, ″ сброс″. Блоки соединены между собой кабелем. На задней панели измерительного блока расположен выключатель. Устройство измерительное с помощью сетевого шнура подключается к сети.

УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

Без разрешения преподавателя установку в сеть включать запрещается.

ЛИТЕРАТУРА

[1, глава 36, § 36.1 – 36.3; 2, глава 2, § 9; 3, глава 26, § 202 – 204].

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6.3

ИЗУЧЕНИЕ СПЕКТРА АТОМА ВОДОРОДА

ЦЕЛЬ И СОДЕРЖАНИЕ: изучить спектр атома водорода; определить длины волн наблюдаемых линий; вычислить, по полученным данным, постоянную Ридберга и радиус орбиты электрона.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

Спектры излучения разряженных газов, находящихся в возбужденном состоянии, состоят из отдельных линий и поэтому называются линейчатыми. Линии в таких спектрах расположены неравномерно и образуют группы называемые сериями. Первой была обнаружена серия линий атомарного водорода в видимой области. В последствии оказалось, что серии линий существуют в ультрафиолетовой и инфракрасной частях спектра. Расположение линий в сериях может быть представлено обобщенной формулой Бальмера - Ридберга:

, (1)

где n – частота излучения, c – скорость света, l – длина волны, R – постоянная Ридберга, n и m – целые числа (для видимой области спектра n = 2, m = 3, 4, 5, …).

Происхождение атомных спектров было впервые объяснено Н. Бором, частично использовавшим положения квантовой теории излучения. В своей работе он постулировал, что электроны в атомах движутся вокруг ядер по круговым орбитам, среди которых разрешенными являются только определенные. Электрон на такой орбите обладает определенным значением энергии (Е₁_,Е₂_, Е₃,...) и движется по ней, не излучая и не поглощая энергии. Подобные орбиты называются стационарными орбитами или состояниями.

Излучение света происходит в тот момент, когда электрон переходит из одного стационарного состояния c большим значением энергии Е_m в другое с меньшей энергией Е_n. При каждом переходе электрона, энергия атома меняется дискретно (квантуется) и излучается один световой фотон, энергия которого

, (2)

где h – постоянная Планка, Е_n и Е_m – энергия электрона соответственно в нижнем и верхнем стационарном состоянии (рис. 1).

Наряду с квантованием энергии, в боровской теории постулируется квантование момента импульса L электрона массой m_е, движущегося по орбите радиуса r со скоростью v:

. (3)

Постулаты Бора дают возможность вычислить радиусы и скорости движения электрона в атоме для любой стационарной орбиты. Для этого необходимо воспользоваться условием устойчивого движения электрона по орбите (равенство сил, действующих на электрон):

, (4)

где Z – число электронов в атоме (в случае атома водорода Z = 1), е – заряд электрона, e_о – электрическая постоянная.

Решая совместно (3) и (4), получим:

, (5)

. (6)

Энергия атома складывается из кинетической энергии электрона Е^k (ядро атома считаем покоящимся) и потенциальной энергии Е^p взаимодействия электрона с ядром:

, (7)

. (8)

Полная энергия атома Е равна сумме E^k и E^p с учетом (5):

. (9)

В соответствии с теорией Бора величины n, r, и Е также являются квантованными. В зависимости от главного квантового числа n = 2, 3, 4, ... они принимают ряд дискретных значений.

Из уравнений (1), (2) и (9) нетрудно получить частоту излучения, которая соответствует переходу электрона с более удаленной m-орбиты на более близкую к ядру n-орбиту, атома:

. (10)

Так как длина волны l, частота n и скорость света с связаны между собой формулой , то

. (11)

Равенство (11) хорошо описывает сериальные закономерности атома водорода.

Сравнивая последнее выражение с формулой (1), получим значение постоянной Ридберга, через атомные константы:

, (12)

Или

(13)

Изложенная выше элементарная теория была подвергнута дальнейшему развитию, но присущие ей, наряду с достоинствами серьезные недостатки привели к созданию квантовой теории излучения. Согласно этой теории постулируется двойственность характера элементарных частиц (в том числе и электронов), а все величины, характеризующие состояния атома, получены при решении уравнения Шредингера.

АППАРАТУРА И МАТЕРИАЛЫ

Установка состоит из блока излучателя 1 с водородной лампой ТВС-15 и источником ее питания и монохроматора 2.

В данной работе исследуется излучение водорода, находящегося в возбужденном состоянии. Водород помещен в Н-образную стеклянную трубку с двумя электродами. К электродам приложено высокое напряжение от источника, ионизирующее газ в трубке, заставляя его светиться (трубка и источник питания расположены в одном блоке – 1)(рис. 2). Это излучение направляется в монохроматор – 2. Монохроматор предназначен для выделения и исследования монохроматического излучения в спектральном диапазоне от 200 нм до 800 нм. Дифракционная решетка монохроматора разлагает падающее на нее излучение в спектр.

Линии спектра можно наблюдать глазом через окуляр – 3. В поле зрения окуляра находится узкая щель. Решетка монохроматора может поворачиваться с помощью рукоятки 4, вращение которой позволяет по очереди подводить к щели цветные линии спектра и отсчитывать их положение по шкале, нанесенной на поверхность барабана (его видно через окошко 5). Цена деления барабана 2 нм. На боковой стенке осветителя находится выключатель Сеть с индикатором ее включения.

Рисунок 2 – Установка для исследования спектра атома водорода

ЛИТЕРАТУРА

[1, глава 38, § 36.1 – 36.4; 2, глава 2, § 9; 3, глава 26, § 202 – 204].

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6.4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛОВ ВОЗБУЖДЕНИЯ АТОМОВ ГАЗА

ЦЕЛЬ И СОДЕРЖАНИЕ: изучение процесса возбуждения атомов газа электронами и его закономерностей, измерение потенциала возбуждения инертного газа в опыте Франка и Герца.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

Планетарная модель атома Резерфорда, получившая окончательное завершение к началу 20 века, основывается на представлениях об атоме как о планетарной динамической системе. Полагая, что электроны обращаются около ядра по окружностям (как это допускалось и для планет), можно определить, что устойчивость атома достигается равенством сил, действующих внутри него

, (1)

где m – масса, v – скорость, e – заряд электрона, r – радиус его орбиты, Z – количество электронов в атоме.

Однако эта модель атома оказалась в противоречии с законами классической электродинамики. Согласно этим законам, всякий движущийся заряд должен излучать электромагнитные волны. При равномерном движении заряда по окружности частота излучаемых электромагнитных волн равна частоте вращения. Электроны атома, вращающегося вокруг ядра, должны непрерывно излучать электромагнитные волны, теряя при этом свою энергию. Вследствие потери энергии электроны должны приближаться к ядру и упасть на ядро, а частоты вращения их по орбите и излучения должны непрерывно изменяться. Спектр излучения такого атома должен быть сплошным. В действительности же излучение атомов имеет линейчатый спектр, а сам атом является устойчивой системой.

Выход из этого затруднительного положения был предложен Н. Бором, который ввел квантовые идеи в ядерную модель атома и разработал теорию последнего, полностью подтвержденную экспериментально.

Согласно теории Бора (сформулированной в виде постулатов), атом может длительно находиться только в определенных стационарных квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определенное значение энергии: Е₁, Е₂, Е₃, …(постулат стационарных состояний), изменяющееся только при переходе электрона в атоме с орбиты на орбиту. Когда электрон находится на одной из возможных орбит, энергия атома остается постоянной.

Поэтому атом может поглощать и излучать лишь определенные порции энергии hν = |Е₂–Е₁| (правило частот) равные разности энергий двух стационарных состояний (уровней энергии). В частности, атому нельзя передать энергию меньше или больше той, которая необходима для перевода его из стационарного состояния в возбужденное.

Наиболее удобным методом, позволяющим сообщить атомам регулируемое количество энергии, является метод бомбардировки атомов электронами, ускоренными в электрическом поле.

АППАРАТУРА И МАТЕРИАЛЫ

Схема установки опыта Франка и Герца приведена на рисунке 1.

В баллоне Б, заполненном разреженным газом, имеется катод К, сетка С и анод А. Между катодом и сеткой приложена разность потенциалов U_К-С, ускоряющая электроны вылетающие из катода (энергия этих электронов равна еU₁, где е – заряд электрона). При малых значениях ускоряющей разности потенциалов U_К-С будут наблюдаться неупругие столкновения электронов с атомами, и ни какой передачи энергии между электронами и атомами происходить не будет.

Рисунок 1 – Схема установки

Между сеткой и анодом приложена разность потенциалов U_С-А которая в дальнейшем поддерживается неизменной. При этом положительный потенциал подается на сетку, а отрицательный на анод (поэтому это напряжение фактически является запирающим). Значение U_С-А выбирают таким, чтобы электроны, попавшие в эту область пространства, почти полностью потеряли свою энергию и, вследствие неупругих столкновений, не попадали на анод. В опыте измеряют зависимость анодного тока I_А от приложенного напряжения между катодом и сеткой и (U_к_-А) с помощью микроамперметра – mА (вольтамперную характеристику).

Рисунок 2 – Зависимость анодного тока от ускоряющего напряжения

При наличии разреженного газа электроны сталкиваются с атомами газа. Пока энергия электронов мала, столкновения их с атомами носят упругий характер, и они не теряют энергию. При увеличении энергии электронов столкновения становятся неупругими. Электроны при этом с большой вероятностью теряют энергию и не доходят до анода. Анодный ток I_А резко уменьшается. При дальнейшем увеличении ускоряющего напряжения U_К-С электроны снова набирают энергию, и анодный ток снова увеличивается. Зависимость анодного тока от ускоряющего напряжения между катодом и сеткой U_К-С- имеет вид (рис 2).

Рисунок 3 – Установка для проведения опыта Франка и Герца. Б – баллон лампы; БУИ – блок управления и индикации

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторным занятиям по дисциплине «Физика»

раздел« Квантовая физика »

для студентов специальностей:

010502 – Прикладная информатика; 090105 – Комплексное обеспечение информационной безопасности автоматизированых систем; 130201 – Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых; 130304 – Геология нефти и газа; 130501 – Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ; 130503 – Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений; 130504 – Бурение нефтяных и газовых скважин; 140200 – Электроэнергетика; 140205 – Электроэнергетические системы и сети; 140211 – Электроснабжение; 151001 – Технология машииностроения; 19060 – Автомобили и автомобильное хозяйство; 190701 – Организация перевозок и управления на транспорте; 190702 – Организация и безопасность движения; 200503 – Стандартизация и сертификация; 210100 – Электроника и микроэлектроника; 230102 – Автоматизированные системы обработки информации и управления; 230205 – Инфррмшионные системы и технологии; 230401 – Прикладная математика; 210104 – Микроэлектроника и твердотельная микроэлектроника; 210106 – Промышленная электроника; 240901 – Биотехнология; 240902 – Пищевая биотехнология; 240306 – Химическая технология монокристаллов, материалов и изделий электронной техники; 240403 – Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов; 260202 – Технология хлеба, кондитерских и макаронных изделий; 260301 – Технология мяса и мясных продуктов; 260303 – Технология молока и молочных продуктов; 260501 – Технология продуктов общественного питания; 260504 – Технология консервов и пищеконцентратов; 260601 - Машины и аппараты пишесых производств; 270102 – Промышленное и гражданское строительство; 270105 – Городское строительство и хозяйство; 270109 - Теплогазоснабжение и вентиляция; 270115 – Экспертиза и управление недвижимостью; 280103 – Защита в чрезвычайных ситуациях; 280201 – Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Составители: М. А. Арутюнян,

М. А. Голубин,

В. Г. Зубрилов

Редактор: Колашникова Е. Н.

Подписано к печати 12.03.08 Формат 60´ 84 1/16

Усл. п. л. 2, 5 Уч.-изд. л. 2, 1 Тираж 100

ГОУВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет»

355028 г. Ставрополь, пр. Кулакова, 2

Издательство Северо-Кавказского государственного технического университета

Отпечатано в типографии СевКав ГТУ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторным занятиям по дисциплине «Физика»

раздел«КВАНТОВАЯ ФИЗИКА»

для студентов специальностей:

010502 – «Прикладная информатика»;

090105 – «Комплексное обеспечение информационной безопасности автоматизированных систем»;

130201 – «Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых»;

130304 – «Геология нефти и газа»;

130501 – «Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ»;

130503 – «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений»;

130504 – «Бурение нефтяных и газовых скважин»;

140200 – «Электроэнергетика»;

140205 – «Электроэнергетические системы и сети»;

140211 – «Электроснабжение»;

151001 – «Технология машиностроения»;

190600 – «Автомобили и автомобильное хозяйство»;

190701 – «Организация перевозок и управления на транспорте»;

190702 – «Организация и безопасность движения»;

200503 – «Стандартизация и сертификация»;

210100 – «Электроника и микроэлектроника»;

230102 – «Автоматизированные системы обработки информации и управления»;

230205 – «Информационные системы и технологии»;

230401 – «Прикладная математика»;

210104 – «Микроэлектроника и твердотельная микроэлектроника»;

210106 – «Промышленная электроника»;

240901 – «Биотехнология»;

240902 – «Пищевая биотехнология»;

240306 – «Химическая технология монокристаллов, материалов и изделий электронной техники»;

240403 – «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов»;

260202 – «Технология хлеба, кондитерских и макаронных изделий»;

260301 – «Технология мяса и мясных продуктов»;

260303 – «Технология молока и молочных продуктов»;

260501 – «Технология продуктов общественного питания»;

260504 – «Технология консервов и пищеконцентратов»;

260601 – «Машины и аппараты пищевых производств»;

270102 – «Промышленное и гражданское строительство»;

270105 – «Городское строительство и хозяйство»;

270109 – «Теплогазоснабжение и вентиляция»;

270115 – «Экспертиза и управление недвижимостью»;

280103 – «Защита в чрезвычайных ситуациях»;

Ставрополь

Составители: М. А. Арютюнян,

М. А. Голубин,

В. Г. Зубрилов

Рецензент Д. П. Валюхов

При работе в лаборатории необходимо неукоснительно выполнять

УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

Без разрешения преподавателя установку в сеть включать запрещается.

Перед началом работы с установкой необходимо убедиться, что установка заземлена.

Запрещается оставлять работающую установку без контроля.

Лабораторная работа № 6.1

ИЗУЧЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ АБСОЛЮТНО ЧЕРНОГО ТЕЛА

Цель и содержание лабораторной работы.

Закон Стефана–Больцмана является одним из основных законов, описывающих излучение абсолютно черного тела. Цель работы заключается в проверке правильности этого закона.

Содержание работы заключается в том, как эта цель может быть достигнута. Для этого студенту предлагается: 1) экспериментально исследовать зависимость интенсивности излучения абсолютно черного тела от температуры, 2) вычислить по экспериментальным данным постоянную Стефана–Больцмана и 3) сравнить эти экспериментальные данные с теми, что следуют из закона Стефана-Больцмана.

Теоретическое обоснование

2.1. Терминология, определения

Все нагретые тела излучают тепло. Это, так называемое, тепловое излучение.

Исследования показали, что энергия, испускаемая нагретыми телами, так же как и светящимися телами, это энергия электромагнитного излучения.

Спектральный анализ показал, что достаточно зачерненные нагретые тела дают спектры, зависящие только от температуры и не зависящие от химического состава или механических свойств этих тел. Тела, обладающие таким свойством, называются абсолютно черными телами.

Немного иначе это определение абсолютно черного тела можно переформулировать так: тела, интенсивность излучения которых зависит только от температуры, называются абсолютно черными телами.

Интенсивность излучения – это энергия, излучаемая единицей поверхности тела в единицу времени.

Интенсивность излучения =Интенсивность излучения = , т.е.

Наряду с понятием интенсивность излучения, имея в виду то же самое, часто пользуются выражениями: энергетическая светимость, интегральная испускательная способность.

Важной характеристикой тел, определяющей их отношение к внешнему излучению, падающему на них, является их поглощательная способность

где – коэффициент поглощения, – интенсивность падающего на тело внешнего электромагнитного излучения; – интенсивность поглощенной части этого излучения.

Для абсолютно черных тел (а.ч.т.) коэффициент поглощения равен единице

. (1)

Это является еще одним определением а.ч.т., которое можно переформулировать так: тела, которые поглощают все электромагнитное излучение, падающее на них, называются абсолютно черными телами.

Исторически было так, что тела, с которыми имели дело исследователи и для которых условие (1) выполнялось или почти выполнялось, были действительно телами черного цвета. Но потом оказалось, что условие (1) выполняется и для такого совершенно не черного тела как Солнце. Тем не менее прилагательное «черное» сохраняется, имея номинальный смысл, обозначая тела, для которых выполняется условие (1).

2.2. Лабораторная модель а.ч.т. Закон Стефана–Больцмана

В качестве лабораторной модели абсолютно черного тела часто пользуются печью, схематически изображенной на рис. 1.

Печь нагревается электрическим током 1. Внутри ее покрывают углем или платиновой чернью 2. Термометром 3 измеряют или платиновой чернью 2. температуру внутри печи, которая изолируется от окружающей среды изо лятором 4. Термическое излучение распространяется из небольшого или платиновой чернью 2 излучение распространяется из небольшого или платиновой чернью 2. Термометром 3 измеряют температуру внутри печи, которая изолируется от окружающей среды изолятором 4. Термическое излучение распространяется из небольшого отверстия 5 в стенке печи. Внутреннюю полость этого устройства можно считать а.ч.т., т. к. внешнее излучение, попавшее через отверстие 5 внутрь печи, после многократного взаимодействия с поверхностью 2, приобретает свойства собственного излучения печи. Внешнее излучение становится полностью поглощенным, коэффициент поглощения α становится равным единице, а печь – абсолютно черным телом, интенсивность излучения которого зависит только от температуры.

Во второй половине XIX века Стефан и Больцман эмпирически установили эту зависимость в следующем виде:

, (2)

где = 5, 67· 10^-8– постоянная Стефана–Больцмана, Т – температура по шкале Кельвина.

Выражение (2) называется законом Стефана–Больцмана.

Функциональная зависимость для не абсолютно черного тела выражается похожим эмпирическим законом – законом Кирхгофа:

, (3)

где α – коэффициент поглощения тела.

12 3 4 Следующая ⇒