Закон Ампера Земной магнетизм Проверка второго закона Ньютона Изучить затухающие колебания Интерференция света Естественный и поляризованный свет Оптическая пирометрия Внешний фотоэффект Изучение цепи переменного тока

Курс лекций и лабораторных по физике

Выполнение работы 314

Цель работы - изучить явление внешнего фотоэффекта, его законы, определить красную границу фотоэффекта и работу выхода электрона с поверхности металла.

Описание установки

Главным узлом оптической части установки является монохроматор УМ-2 (рис.5). Он служит для получения монохроматического света нужной длины волны.

 4 1 2


Рис.5. Схема монохроматора

На входную щель 1 прибора через конденсор 2 подается свет от лампы 3. Щель 1 находится в фокусе объектива коллиматора 4, поэтому после него свет параллельным пучком попадает на блок диспергирующих призм 5. Проходя через блок призм, пучок света разлагается в спектр. Лучи определенной длины волны выходят из блока призм параллельным пучком в определенном направлении. Один из этих пучков попадает на объектив выходной щели 6, а через него - на щель 7 и фотоэлемент 8. Поворотом блока призм в направлениях, указанных стрелкой, можно получить на выходе прибора свет нужной длины волны. Чем уже щели, тем монохроматичнее свет на выходе монохроматора, но тем меньше его интенсивность.


 Рис.6. Электрическая схема установки.

Электрическая схема установки (рис.6) состоит из блока питания 1 лампы 2 монохроматора; блока питания 3 фотоэлемента, напряжение на выходе которого контролируется вольтметром V; гальванометра G с шунтом 4 для измерения силы фототока и фотоэлемента 5 с цезиевым катодом.

 Общий вид установки представлен на рис. 7

Порядок выполнения работы

 Чтобы определить красную границу фотоэффекта, нужно найти такую длину волны λ0 света на выходе монохроматора 1, при которой

 

 Рис.7. Общий вид установки

 гальванометр перестанет регистрировать фототок. Для этого необходимо:

1. Открыть доступ света в монохроматор. Для этого рукоятку затвора 2 входной щели 3 поставить в положение «откр».

2. Придвинуть фотоэлемент 4 вплотную к выходной щели 5 монохроматора.

3. Установить барабан длин волн 6, вращающий диспергирующие призмы, на деление «2350» напротив черной точки скользящего по барабану указателя.

 4. Включить блок питания 7 лампы монохроматора в сеть 220 В.

5. Убедиться, что на входную щель монохроматора попадает максимальное количество света.


6. Включить гальванометр 8 и блок питания 9 фотоэлемента в сеть 220 В и 127 В, соответственно.

7. Рукояткой 10 на блоке питания 9 установить на фотоэлементе напряжение около 100 В по вольтметру 11. При этом должно наблюдаться отклонение зайчика гальванометра.

8. Вращая маховик барабана б длин волн, найти такое его положение, при котором отсчет по гальванометру будет максимальным.

9. Закрыв доступ света в монохроматор рукояткой затвора 2, установить нуль по шкале гальванометра ручкой 12.

10. Открыв затвор, медленно вращать барабан 6 в сторону увеличения дл­ины волны света, проходящего через монохроматор, до тех пор, пока зайчик гальванометра не установится на нулевой отметке. После этого произвести отсчет по шкале барабана против черной точки скользящего указателя.

11. Отодвинув фотоэлемент 4 от выходной щели монохроматора, визуально убедиться в наличии излучения на данной длине волны.

12. Отсчет по шкале барабана повторить три раза, следуя указаниям в пунк­тах 8-10, и вычислить его среднее значение. Затем по градуировочному графику на лабораторном столе найти красную границу фотоэффекта λ0 в ангстремах (А). Результаты занести в табл. 4.

 Таблица 2

Nп/п

Отсчет по барабану

Средний отсчет

λ0 ,А

13. По формуле (3) определить работу выхода электрона из металла. При расчете помнить, что h = 6,62 •10"34 Дж -с, с= 3 •108 м/с, 1А = 10-10 м

Пользуясь соотношением 1 эВ = 1,6∙10-19Дж, перевести полученный резуль­тат в эВ. Оценить погрешность найденной работы выхода А относительно табличного значения АT для цезиевого катода, используя данные табл. 1:


 ε =(А-АТ)/ АТ ∙ 100 % 


Контрольные вопросы

1. Основные законы внешнего фотоэффекта.

2. Работа выхода и красная граница фотоэффекта.

3. Формула Эйнштейна.

4. Устройство монохроматора.

5. Устройство и принцип действия фотоэлемента.

 Библиографический список

1. И.В- Савельев, Курс физики. Т.З. М.: Наука, 1989.- 304с.

2. Т.И. Трофимова. Курс физики. М.: Высш. шк., 1990.- 478с.

3. И.В. Савельев, Курс общей физики, Т,2, М,:Наука, 1988, - 496с.

4. Физический практикум. Электричество и оптика / Под ред. В. И. Ивсроновой.М.: Наука, 1968. -816с.

5. Е.И. Бутиков. Оптика. М.: Наука, 1986- - 246с.


Лабораторная работа 308(2)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ САХАРНОГО РАСТВОРА

 УНИВЕРСАЛЬНЫМ САХАРИМЕТРОМ СУ-2

Цель работы – изучить метод измерения концентрации раствора сахара по углу поворота плоскости поляризации света.

 Формула (7) из раздела 4 лежит в основе весьма точного метода определения концентрации растворов оптически активных веществ, например, сахара. Этот метод широко используется в пищевой промышленности, в частности, в сахароварении и виноделии.

Приборы, предназначенные для определения угла поворота плоскости поляризации, называются поляриметрами. Поляриметры, используемые для определения концентрации сахара в растворе, называются сахариметрами.

Принцип действия поляриметра можно объяснить с помощью рис. 17.

Два скрещенных поляризатора П и А не пропускают света. Если между ними поместить трубку с раствором сахара, то плоскость поляризации луча, вышедшего из поляризатора П, после прохождения через раствор, повернется на некоторый угол j. В результате интенсивность света на выходе анализатора А будет отлична от нуля. Поворачивая анализатор на угол j в направлении, обратном повороту плоскости поляризации, можно вновь добиться нулевой интенсивности света на выходе анализатора. Тогда измерив угол поворота анализатора j, и зная удельное вращение [а], по формуле (7) можно определить, в принципе, концентрацию c раствора.

В сахариметре СУ-2 поворот плоскости поляризации луча оптически активным раствором компенсируют не анализатором, а с помощью специального кварцевого компенсатора, расположенного перед анализатором.

Основными частями сахариметра СУ-2 (рис. 18) являются узел измерительной головки 1 и осветительный узел 2, соединенные между собой траверсой 3, на которой укреплена камера 4 для поляриметрических трубок 5. С лицевой стороны измерительной головки прибора имеются лупа в оправе 6 для отсчета показаний по шкале и зрительная труба 7 поля зрения. С тыльной стороны измерительной головки находится узел нониуса 8. Рукоятка 9 кремальерной (винтовой) передачи служит для перемещения подвижного кварцевого клина и связанной с ним шкалы. Осветительный узел имеет передвигающуюся рамку, в которой находится стеклянный светофильтр, матовое стекло и патрон с лампочкой. Лампочка подключается через понижающий трансформатор 10 в сеть переменного тока 220 В.


Оптическая схема сахариметра СУ-2 приведена на рис. 19. Свет от осветительной лампы 1 проходит через матовое стекло 3 предназначенное для рассеивания света. Вместо матового стекла может быть введен светофильтр 2. Далее световой поток проходит через конденсорную линзу 4 и попадает на поляризатор 5. За поляризатором 5 установлена бикварцевая пластинка 6, формирующая поле зрения прибора. Далее располагается поляриметрическая трубка 7 с исследуемым раствором. Затем следует блок кварцевых клиньев 8, образующих кварцевый компенсатор. Поворот плоскости поляризации контролируется анализатором 9. Зрительная труба 10 сфокусирована на выходную грань поляризатора 5. При помощи зрительной трубы можно рассмотреть линию раздела поля зрения прибора, создаваемого бикварцем 6.

Свет от осветительной лампы 1 используется также для освещения шкалы 11 и нониуса 12. Для отсчета показаний шкалы используется лупа 13.

Подвижный кварцевый клин 8 служит для компенсации поворота плоскости поляризации луча оптически активным раствором. Перемещение клина осуществляется вращением рукоятки кремальерной (винтовой) передачи. При этом одновременно вращается шкала 11 с нониусом 12, фиксирующая перемещение кварцевого клина. Шкала градуирована в угловых градусах, определяющих поворот плоскости поляризации исследуемым раствором.

Бикварц 6 состоит из двух пластинок право- и левовращающего кварца, вырезанных перпендикулярно оптической оси и склеенных между собой по линии раздела поля зрения. Плоскость поляризации света, вышедшего из поляризатора, поворачивается одной частью бикварца влево, другой частью - вправо на такой же угол. Если поляризатор и анализатор параллельны (или скрещены), а компенсатор 8 установлен на нуль, то в отсутствие оптически активного вещества обе половины поля зрения будут освещены (затемнены) одинаково. Если в камеру прибора поместить оптически активный раствор, то плоскости поляризации обоих лучей повернутся в одну сторону на одинаковый угол j. Симметрия расположения плоскостей поляризации по отношению к анализатору нарушится, и обе половины поля зрения будут освещены по-разному. Для восстановления симметрии обе плоскости поляризации поворачивают с помощью компенсатора в обратную сторону на такой же угол j, вводя кварцевый клин 8,. Поворот плоскости поляризации на угол j компенсатором фиксируется по восстановлению одинаковой освещенности обеих половин поля зрения. Значение угла отсчитывается по шкале 11.


Отсчет показаний прибора. Перед началом работы прибор необходимо установить на нуль. Вращая рукоятку кремальерной (винтовой) передачи добиваются полной однородности освещения обеих половин поля зрения (рис. 20б). Нулевые деления шкалы и нониуса при этом должны совпадать (рис. 21).

При помещении поляриметрической трубки с исследуемым раствором однородность освещенности половин поля зрения нарушается (рис. 20а). Повторив те же операции, добиваются однородности поля зрения и производят отсчет показаний прибора.


Отсчет следует производить с точностью до 0,1 доли градуса по двум шкалам. Целые значения отсчитываются по нижней основной шкале, одно деление шкалы соответствует 1 градусу. Отсчет в градусах равен количеству полных делений на основной шкале, отсекаемых нулевой отметкой нониуса. Десятые доли градуса отсчитываются по верхней шкале нониуса. Для этого определяют, какое деление нониуса, одно из десяти, совпадает с каким-либо делением основной шкалы. Это деление нониуса и определяет число десятых долей градуса. Причем, если нуль нониуса находится правее нуля основной шкалы - отсчет имеет знак “+”, если левее, то знак “-”. На рис. 22 показано наложение шкалы и нониуса, соответствующее отсчету +11,3°.

Порядок выполнения работы:

Включить сахариметр через понижающий трансформатор 10 в сеть с напряжением 220 В.

Перемещением муфты зрительной трубы 7 установить окуляр на резкое изображение линии раздела поля зрения.

Вращением рукоятки 9 добиться однородного затемнения обеих половин поля зрения.

Перемещая лупу 6 добиться четкого изображения шкалы. Нулевые деления шкалы и нониуса при этом могут не совпадать, как приведено на рис. . В этом случае необходимо снять нулевой отсчет a0.

Поместить в камеру сахариметра трубку с 2% раствором сахара. Однородность освещения половин поля зрения при этом нарушится. Вращением рукоятки 9 вновь добиться однородного освещения обеих половин поля зрения. Снять показание прибора a, которое будет соответствовать углу поворота плоскости поляризации данным раствором.

Определить угол поворота плоскости поляризации остальными растворами. Результаты измерений занести в табл. 3.

Таблица 3

Концентрация раствора с, %

0

2

4

8

х

Показания прибора a

По данным таблицы построить градуировочный график зависимости угла поворота плоскости поляризации a от концентрации с раствора и определить по нему концентрацию x раствора неизвестной концентрации.

Контрольные вопросы

1.Что называется естественным и поляризованным светом?

2.Способы получения поляризованного света.

Оптически активные вещества.

От чего зависит угол поворота плоскости поляризации света оптически активными веществами?

Поляриметры и их применение. Принцип действия универсального сахариметра.

В чем заключается метод определения концентрации раствора сахара, используемый в данной работе?

2. Замкнем точки 1 и 3, тогда 1=3 и формула (1) будет  иметь вид:

 IR0= I(R+r)=  или I=.

 Это закон Ома для замкнутой цепи с источником тока.

3. Если внешняя цепь разомкнута (т.е. I=0), то 1=2 и 2 -3=.

Таким образом, разность потенциалов на концах разомкнутого источника тока равна ЭДС.

 Говоря о напряжении, необходимо рассматривать два случая :

1.Напряжение на участке цепи равно разности потенциалов на концах этого участка лишь тогда, когда в нем нет источника тока, т.е.

 U12=1-2=IR 

Иногда величину называют U12 падением напряжения (т.к. 12).

В общем случае, если участок цепи содержит ЭДС, то напряжение на этом  участке выражается формулой :

 U13= 1-3  .

Полезно иметь в виду, что U13 =  U31.

Дополнение. Разность потенциалов, ЭДС, напряжение – физический смысл этих понятий:

 Для участка цепи, изображенного на рис.1 очевидно, что при перемещении заряда между точками 1-3 работа совершается не только кулоновскими силами, но и сторонними силами, поэтому полная работа равна:

 Апол= Акул+Астор. 

 

 Разделим обе части равенства на величину перемещаемого положительного заряда q, получим:

  

 По определению разность потенциалов равна отношению работы, которую совершают кулоновские силы при перемещении заряда, к величине этого заряда:

 12=12=  

 Электродвижущей силой ЭДС () на данном участке называется физическая величина, равная отношению работы, совершаемой сторонними силами при перемещении положительного  заряда q, к величине этого заряда:

 

Напряжением на участке цепи 1-3 называют физическую величину, равную отношению суммарной работы, совершаемой при перемещении положительного заряда q, к величине этого заряда:

 U13=

Таким образом, 

 U13= 13+

 

Описание установки, измерения и обработка результатов измерений

Кулоновские и сторонние силы

Применение универсального фотометра ФМ-56 для получения спектральных характеристик поглощения  твердого прозрачного образца

Все электроизмерительные приборы классифицируются по следующим основным признакам

 Работа выхода электрона из металла. Электроны проводимости в металле находятся в беспорядочном тепловом движении. Наиболее быстро движущиеся электроны, обладающие достаточно большой кинетической энергией, могут вырваться из металла в окружающее пространство.


Курс лекций и лабораторных по физике