Описание экспериментальной установки.

 

Принципиальная схема установки и основные узлы приведены на рис.3. (вид сверху). В нижнем правом углу расположен блок источников света 1. Свет от лампы накаливания поступает на зеркало, установленное на поворотной стойке 2 а затем на вход монохроматора 9. Рукояткой 3 зеркало поворачивают вокруг вертикальной оси, а винтом 4 - вокруг горизонтальной оси, добиваясь совмещения изображения источника с входной щелью монохроматора 9. В монохроматоре свет направляется на сферическую дифракционную решетку 5, поворот которой осуществляется ручкой 6. Длина волны света, отраженного от решетки в направлении выхода, отсчитывается по шкале 7 отсчетного устройства, расположенного на передней стенке монохроматора. Шкала 5 имеет три барабана, показывающих значение длины волны в нанометрах (рис.4). Отсчёт производится при помощи горизонтальной визирной линии. Цена деления правого барабана 0,2 нм.

Монохроматор имеет два выхода: задний выход 10 для установки фотоприемников и боковой выход 12 для визуального наблюдения через окуляр 11. Выбор выхода монохроматора осуществляется с помощью подвижного зеркала, перемещаемого штоком 8. Если шток вдвинут до упора, излучение поступает на боковой выход, если шток выдвинут до упора, излучение поступает на фотоприемник.

Рис.3.

 

3 1

4 8 визир

 

5 9

 

Рис. 4

 

На передней стенке установки размещена панель измерительной системы, обеспечивающей питание источников света; задание и измерение токов и напряжений источников света; создание и измерение нужных напряжений на фотоприемнике; измерение токов фотоприемника. Все измерения производятся двумя цифровыми мультиметрами, общий вид которых показан на рис. 5.

Переключатель 1 используется для выбора функций и пределов измерений, а также для выключения мультиметра (положение «OFF»).

Разъем 3 «общий»- для черного (отрицательного) провода-щупа.

Разъем 4 «сигнальный»- для красного (положительного) провода-щупа для измерений всех напряжений и токов, кроме 10 А.

Разъем 5 для измерения токов до10 А.

Показания прибора снимаются с цифрового дисплея 2.

6. Порядок выполнения работы.

 

Задача 1. Экспериментальное подтверждение формулы Планка.

 

 

1.Установите фотоприемник с маркировкой «ФД» (фотодиод) на задний выход 10 монохроматора (рис.3). Корпус приемника надевается на выступающую из монохроматора короткую трубу.

2.Подключите приёмник к выходу усилителя (гнездо «ФП» на передней панели установки).

3.Для измерения фототока подключите один из мультиметров к выходу усилителя (гнёзда «I_ФП»).

Напряжение на фотоприёмнике установите равным нулю с помощью двух ручек U_ФП : грубой (верхней) и плавной (нижней). Включите мультиметр, поставив предел 2000 мВ

4.Включите источник излучения – лампу накаливания ЛН (тумблер ЛН). Сфокусируйте излучение при помощи рукоятки 3 и винта 4 на входной щели монохроматора.

5.Направьте поток излучения на задний выход монохроматора (шток подвижного зеркала 8 монохроматора должен быть выдвинут до упора).

Убедитесь при помощи механизма поворота дифракционной решётки 4 в регистрации фототока в широком диапазоне длин волн, в том числе и в инфракрасной области 750 – 850 нм.

Поворачивая фотоприёмник на трубе – креплении, получите максимальное значение сигнала,

после чего закрепите приемник винтом.

6.Выключите лампу накаливания. Дайте ей остыть в течение 5 мин.

7.Измерьте сопротивление лампы при комнатной температуре. Для этого подключите один мультиметр к гнездам U_лн для измерения напряжения на лампе накаливания. (предел измерения на мультиметре 200 мВ). Второй мультиметр подключается к гнездам I для измерения напряжения U₁ на эталонном сопротивлении R_эт=1,00 Ом, включенном последовательно с лампой (предел 200 мВ). Напряжение на лампе поставьте на минимум ручкой «Рег. тока». Включите лампу. Меняя напряжение на лампе в пределах до 50 мВ, измерьте U₁ для 6 различных значений U_лн. Сопротивление лампы рассчитывается по формуле:

 

R = R_эт^. U_лн/U₁.

 

Результаты измерений занесите в таблицу 1. Рассчитайте R₀.

 

 

Таблица 1.

U1,мВ
Uлн,мВ
R, Ом

 

 

R₀ = SR/n = ^…. Ом при Т₀ = ^…. К.

 

8.Вращением механизма 6, поворачивающего дифракционную решетку монохроматора 5, выбрать излучение определённой длины волны, отсчитываемой по шкале отсчётного устройства 7 (шкала монохроматора представлена на рис.4). Изменяя напряжение на лампе U_лн при помощи ручки «Рег. тока» в пределах от 4В до 16В, измерить U₁ для 6 различных значений U_лн. Результаты занести в таблицу 2. По результатам измерений построить график зависимости U_лн (U₁) (см рис 6.)

 

 

Рис.6

 

 

Таблица 2

 

Uлн,мВ
U1,мВ

 

 

9.Оставьте один мультиметр подключенным гнездам U_лн для измерения напряжения на лампе накаливания. (предел измерения на мультиметре 20 В). Второй мультиметр подключается к гнездам I_фп (предел измерения 2000мВ) для измерения напряжения на фотоприемнике U_ф и U_темн. Переключатель «мкА/В» на передней панели измерительной системы поставьте в положение: К= 0,1. Изменяя напряжение на лампе U_лн в пределах от 4 до 16 В, измерьте U_ф (шток 8 выдвинут, свет падает на фотоприемник) и U_темн (шток 8 задвинут до упора). Полученные данные занесите в таблицу 3.

 

10.Оставшиеся незаполненными столбцы таблицы 3 заполним следующим образом. Напряжение U₁ находится по графику U₁(U_лн.), сопротивление R при рабочей температуре равно R = R_эт^. U_лн/U₁. Расчет температуры производится по формуле:

Т = В + R (Т₀ – В)/R₀, где В = 50 К.

Фототок равен: I_ф=К(U_ф - U_темн).

11. Построить график зависимости Т=f(U_лн).

 

 

Таблица 3.

№	U1 В	Uлн, В	R, Ом	T, К	1/lT, 103 м-1К-1	Uф, мВ	Uтёмн, мВ	К, мкА/В	Iф, мА	ln Iф,

 

12.Построить график зависимости ln I_ф = f(1/lТ^.10³). Её можно описать функцией y=a-qx, где y= ln I_ф, x=1/lТ^.10³. Коэффициент q можно найти по формуле:

 

q = .

 

13.Рассчитать

h/к = q/с = ^…

 

14. Полученное значение h/к сравнить с табличным значением.

15.Найти D(h/к) =(h/к)_экс – (h/к)_табл.

16.Представить окончательный результат в виде:

h/к = (<h/к> ± D(h/к)) = ^… ± ^… К^.с.

Задача 2. Закон Стефана- Больцмана.

 

1.Подсоединить к мультиметрам гнёзда U_лн и I. На гнёзда I выведено напряжение с датчика тока, которым является резистор сопротивлением 1,00 Ом, включенный последовательно с лампой, а на гнезда U_лн - напряжение на лампе накаливания. Длину волны установите 600 нм рукояткой 6.

2.Меняя напряжение на лампе накаливания при помощи ручки «Рег. тока» в пределах от 4 до16 В, измерить напряжение с датчика тока. Чтобы получить значение силы тока I, нужно показания вольтметра в мВ перевести в В (вольты) и разделить на сопротивление резистора, равное 1,00 Ом. Полученные данные занести в таблицу 4.

3. Сопротивление R рассчитать, используя закон Ома: R = U_лн/I, сопротивление R₀ взять из предыдущего эксперимента. Температура определяется по формуле:

Т = В + R(T₀ – B)/ R₀, где В = 50 К.

 

4.Рассчитать мощность излучения абсолютно черного тела Р⁰. Энергетическая светимость чёрного тела связана с мощностью излучения следующим соотношением: .

При температуре Т, значительно превышающей температуру окружающих тел, мощность Р⁰ теряется телом при излучении.

Согласно закону Стефана – Больцмана: , где s = 5,67^.10^-8 Вт/(м^2.К⁴).

Тогда Р⁰ = s Т^4.S, где S – «видимая» площадь проекции нити лампы накаливания на плоскость, перпендикулярную направлению наблюдения (S = 4,4^.10^-6м²). Значения Р⁰ занести в таблицу 4.

5. Рассчитать мощность излучения нити накаливания Р, в качестве которой принимается мощность электрического нагрева (Р=I^.U).

 

Таблица 4.

Uлн, В	I, А	P, Вт	ln P	R, Ом	T, К	ln T	P0, Вт

 

6.По результатам измерений построить график зависимости ln P = f(ln T). Её можно описать функцией y=c+bx, где y= ln P, x= ln T.

На полученной прямой выбрать две далеко отстоящие точки и, используя их координаты, рассчитать коэффициент b по формуле:

 

tg a = …

7.Сравнить полученное значение с теоретическим: (b)_T = 4.

8.Используя полученные значения Р и Р⁰, рассчитать среднее значение коэффициента теплового излучения лампы накаливания по формуле:

< а > = …

 

Контрольные вопросы

 

1. Какое излучение называется тепловым?

2. Какая величина является спектральной характеристикой теплового излучения?

3. Какое тело называется абсолютно чёрным?

4. Как связаны между собой испускательная и поглощательная способности

непрозрачного тела?

5. Что называется энергетической светимостью?

6. Какие экспериментальные законы теплового излучения черного тела вы знаете?

7. Какие гипотезы использовал М.Планк при выводе своей формулы?