Порядок выполнения виртуальной работы
Лабораторная работа № 1
Определение расстояний до галактик по «красному смещению»
В настоящее время по данным астрономических наблюдений установлено, что Вселенная в больших масштабах однородна, т.е. все ее области размером от 300 млн. световых лет и больше выглядят одинаково. В меньших масштабах во Вселенной есть районы, где обнаруживаются скопления галактик и, наоборот, пустоты, где их мало.
Галактикой называется система звезд имеющих общее происхождение и связанных силами притяжения. Галактика, в которой находится наше Солнце – Млечный путь
Расстояния до небесных тел в астрономии определяются по-разному в зависимости от того близко или далеко от нашей планеты эти объекты находятся. В космическом пространстве принято использовать следующие единицы для измерения расстояний:
1 а.е.(астрономическая единица) = (149597870 
2) км;
1 пк (парсек) = 206265 а.е. = 3,086· 
м;
1 с.г. (световой год) = 0,307 пк = 9,5· 
м. Световой год – путь, который свет проходит за год.
В настоящей работе предлагается метод определения расстояний до далеких галактик по «красному смещению», т.е. по увеличению длин волн в спектре наблюдаемого удаленного источника излучения по сравнению с соответствующими длинами волн линий в эталонных спектрах.
|
|
|
Под источником света понимают излучение далеких галактик (наиболее ярких звезд или газопылевых туманностей в них). Под «красным смещением» - сдвиг спектральных линий в спектрах химических элементов, из которых состоят эти объекты, в длинноволновую (красную) сторону, по сравнению с длинами волн в спектрах эталонных элементов на Земле. «Красное смещение» обусловлено эффектом Доплера.
Эффект Доплера состоит в том, что излучение, посланное источником, удаляющимся от неподвижного приемника, будет приниматься им как более длинноволновое, по сравнению с излучением от такого же неподвижного источника. Если же источник приближается к приемнику, то длина волны регистрируемого сигнала, наоборот, будет уменьшаться.
В 1924 г советский физик Александр Фридман предсказал, что Вселенная расширяется. Имеющиеся в настоящее время данные показывают, что эволюция Вселенной началась с момента Большого Взрыва. Около 15 млрд. лет назад Вселенная представляла собой точку (ее называют точкой сингулярности), к которой из-за сильнейшей гравитации в ней, очень высокой температуры и плотности неприменимы известные законы физики. В соответствии с принятой сейчас моделью Вселенная начала раздуваться из точки сингулярности с нарастающим ускорением.
|
|
|
В 1926 г. были получены экспериментальные доказательства расширения Вселенной. Американский астроном Э.Хаббл, при исследовании с помощью телескопа спектров далеких галактик, открыл красное смещение спектральных линий. Это означало, что галактики удаляются друг от друга, причем со скоростью, возрастающей с расстоянием. Хаббл построил линейную зависимость между расстоянием и скоростью, связанную с эффектом Доплера (закон Хаббла):
(1), где
r – расстояние между галактиками;
v – скорость удаления галактик;
Н – постоянная Хаббла. Значение Н зависит от времени, прошедшего с начала расширения Вселенной до настоящего момента, и меняется в интервале от 50 до 100 км/с·Мпк. В астрофизике, как правило, используют Н= 75 км/с·Мпк. Точность определения постоянной Хаббла составляет
0,5 км/с·Мпк;
с – скорость света в вакууме;
Z – красное смещение длины волны, т.н. космологический фактор.
|
|
|
(2), где
– длина волны принятого приемником излучения;
– длина волны излучения, испущенного объектом.
Таким образом, измеряя величину смещения линий, например, ионизированного водорода (Н+) в видимой части спектра, можно для наблюдаемой с Земли галактики, определить по формуле (2) ее красное смещение Z и, пользуясь законом Хаббла (1), вычислить расстояние до нее или скорость ее удаления:
и 
(3)
Порядок выполнения работы
1. Вызвать программу «Определение расстояний до галактик» на рабочем столе компьютера. На экране монитора появится область Вселенной с девятью разными галактиками, наблюдаемыми с поверхности Земли. В верхней части экрана появляется спектр видимого света и маркер длины волны ионизированного водорода H+.
2. Установите курсор на галактике, указанной преподавателем и щелкните клавишей.
3. Запишите в таблицу измерений длину волны и λ излучаемую этой галактикой при ее удалении.
4. Определите величину красного смещения для галактики по формуле (2) и затем рассчитайте либо ее скорость перемещения v, либо расстояние до нее r по формулам (3). Задание получите у преподавателя.
|
|
|
5. По формулам (4) и (5) рассчитайте погрешности определения v и r :
(4)
(5),
Приняв 
и 
6. Запишите окончательный результат лабораторной работы в виде:
r = (r расч ± Δr) Мпк
v = (vрасч ± Δv) м/с
галактика: Таблица измерений
| λ | Z | v | r | Δv | Δr |
Контрольные вопросы
1. Чем занимается наука космология?
2. Что называется космологическим красным смещением?
3. В чем состоит эффект Доплера?
4. Сформулируйте закон Хаббла.
5. Какие опытные факты являются в настоящее время свидетельством расширения Вселенной?
Лабораторная работа № 2
Определение постоянной радиоактивного распада нестабильных изотопов
Цель работы:
Определение постоянной радиоактивного распада по измеренному периоду полураспада и количество не распавшихся атомов.
Краткая теория
Атомы некоторых элементов способны самопроизвольно (сами по себе) распадаться, превращаясь при этом в атомы другого элемента. Такую способность называют естественной радиоактивностью.
Закон по которому уменьшается количество не распавшихся атомов элемента называют законом радиоактивного распада и его математическое выражение имеет вид:
(1)
где N – число не распавшихся атомов в момент времени t
No – число атомов в начальный момент времени t = 0
λ – постоянная радиоактивного распада.
При распаде ядра происходит два вида радиоактивного процесса:
1) а – распад, связанный с излучением а – частиц: двукратно
ионизированных атомов гелия, положительно заряженных.
2) β – распад, связанный с излучением электронов отрицательно
заряженных, возникающих в момент распада.
Эти процессы сопровождаются γ – излучением, представляющим электромагнитные волны с очень малой длиной волны. Время, в течении которого распадается половина атомов, называется периодом полураспада Т. Он связан с постоянной радиоактивного распада:
(2)
Порядок выполнения работы.
Щелкните клавишей мышки на значке Определение постоянной радиоактивного распада на рабочем столе компьютера. На экране монитора появится атомное ядро, претерпевающее естественный радиоактивный распад. Он сопровождается вылетом b - частиц (электронов), альфа частиц (двукратно ионизированных атомов гелия) и электромагнитного
g - излучения. После того как частицы удалятся за пределы экрана, появляется график зависимости 
от t.
Это прямая линия, начинающаяся в начале координат. Обратите внимание на то, что при t = 0 число не распавшихся атомов N = N0 , а через некоторое время число не распавшихся атомов уменьшается в 2 раза. Этот момент отмечен на графике пунктирными линиями и соответствует времени периоду полураспада Т.
1. Определите цену деления шкалы времени для Вашего нестабильного изотопа. Компьютер формирует значение времени случайным образом, и они практически никогда не повторяются.
2. Определите период полураспада Т изотопа по графику в единицах шкалы времени и запишите его значение в таблицу измерений.
3. По формуле (2) рассчитайте постоянную радиоактивного распада l и запишите её в таблицу измерений.
4. Получите задание у преподавателя: в какой момент времени Вам надо определить количество не распавшихся атомов изотопа.
5. По формуле (1) рассчитайте значение количество не распавшихся атомов N, считая, что в начальный момент времени был один моль вещества и число атомов в нем N0 = 6.02*1023 моль-1.
6. Результатом работы должны быть два ответа: постоянной радиоактивного распада и число не распавшихся атомов в момент времени t = (данное преподавателем.)
Таблица измерений
| Т | l | t задание | N |
λ =
N =
В этой работе погрешности не рассчитываются.
По своим данным попробуйте определить какой элемент придумал компьютер, сравнивая Ваш расчёт с таблицей.
Примеры периодов полураспада
| Торий-234 | 24,1 суток | |
| Протактиний-234 | 1,17 минут | |
| Уран-234 | 245000 лет | |
| Торий-230 | 8000 лет | |
| Радий-226 | 1600 лет | |
| Радон-222 | 3,823 суток | |
| Полоний-218 | 3,05 минут | |
| Свинец-214 | 26,8 минут | |
| Висмут-214 | 19,7 минут | |
| Полоний-214 | 0,000164 секунды | |
| Свинец-210 | 22,3 лет | |
| Висмут-210 | 5,01 суток | |
| Полоний-210 | 138,4 суток |
Контрольные вопросы:
1. В чём заключается явление естественной радиоактивности?
2. Напишите закон радиоактивного распада.
3. Какие радиоактивные процессы происходят при распаде ядра?
4. Дайте определение периода полураспада.
Лабораторная работа № 3
Определение энергии фотонов в видимой части спектра
Всем материальным объектам присуща двойственность, называемая корпускулярно- волновым дуализмом, т.е. их поведение, в зависимости от ситуации может описываться как свойствами частиц, так и волн. Первоначально считалось, что корпускулярно-волновым дуализмом обладает только свет, но впоследствии было доказано, что двойственность присуща и электронам, протонам и другим элементарным частицам материи в форме вещества. Эти свойства микрообъектов изучаются квантовой электродинамикой.
Согласно классической теории, свет – это электромагнитные волны, т.е. совместно распространяющиеся в пространстве и во времени колебания электрического и магнитного полей. При этом векторы напряженности этих полей 
и 
колеблются во взаимно перпендикулярных плоскостях (рис.1).
Скорость «с» распространения электромагнитных волн в вакууме составляет 
м/с.
Путь, который волна проходит за время равное периоду колебаний векторов (Т), называется длиной волны (λ) :
λ = с·Т (1)
Величина ν = 1/Т, называется частотой колебания векторов и 
. Если Т измеряется в секундах, то единица измерения частоты - герц (Гц). Из формулы (1) следует, что
ν = с/λ (2).
Электромагнитные волны в принципе могут иметь любую частоту (или длину волны) от 0 до бесконечности. Распределение электромагнитных волн по частотам или по длинам волн называется спектром электромагнитных волн. В таблице 1 представлены основные диапазоны электромагнитных волн. Следует отметить, что границы диапазонов излучения не являются резкими и приведены условно.
Спектр электромагнитных волн
Таблица 1
| Длины волн в метрах | Название диапазона |
 - 
| Радиоволны |
 
| ИК - излучение |
 
| Видимый свет |
 
| УФ – излучение, мягкое рентгеновское излучение |
- 
| Рентген, γ - излучение |
- 
| γ - излучение |
Существует целый ряд явлений, которые могут быть объяснены только волновой природой электромагнитного излучения. К ним относятся, например, интерференция и дифракция, дисперсия. С помощью волновой теории объясняются законы отражения и преломления света.
С другой, корпускулярной, точки зрения свет рассматривают как поток частиц фотонов – квантов электромагнитного излучения, которые обладают энергией, массой и импульсом (количеством движения).
Фотон – особая частица с массой покоя равной нулю. Это означает, что его нельзя остановить, он существует только в движении, а движется фотон со скоростью, равной скорости света «с». Энергия одного фотона равна:
ε = hν (3),
где h = 6,62· 
Дж ·с - постоянная Планка,
ν - частота света.
Корпускулярной природой света объясняется, например, внешний фотоэлектрический эффект. Явление фотоэффекта состоит в том, что свет, падая на поверхность металла, выбивает из него электроны. А.Эйнштейн создал теорию фотоэффекта, предположив, что фотон, попадая на поверхность металла, полностью передает свою энергию электрону. Именно благодаря этой энергии электрон и вылетает из металла. Кроме того, с помощью фотонной теории объясняются законы взаимодействия света с веществом: поглощение и рассеяние света электронами; люминесценция; излучение и поглощение света атомами.
Таким образом, свет обладает двойственностью свойств – квантовые и волновые свойства взаимно дополняют друг друга и характеризуют взаимосвязь закономерностей распространения света и его взаимодействия с веществом.
С практической точки зрения белым светом принято называть видимый диапазон электромагнитных волн: (400-720)· м = (400-720) нм.
Спектральные интервалы излучений и диапазоны энергий фотонов в электрон-вольтах (эВ) приведены в таблице 2.
Таблица 2
| Цвет | Диапазон длин волн в нм | Диапазон энергий фотонов в эВ |
| Красный | 625-470 | 1,68-1,98 |
| Оранжевый | 590-625 | 1,98-2,10 |
| Желтый | 565-590 | 2,10-2,19 |
| Зеленый | 500-565 | 2,19-2,48 |
| Голубой | 485-500 | 2,48-2,56 |
| Синий | 440-485 | 2,56-2,82 |
| Фиолетовый | 380-440 | 2,82-3,26 |
Целью настоящей работы является расчет энергии фотона по измеренной длине волны.
На экране компьютера представлен непрерывный (сплошной) спектр испускания от некоторого источника излучения. Человеческий глаз воспринимает в качестве определенного цвета фактически целый интервал длин волн сплошного спектра. Участок цвета в настоящей работе указывается преподавателем. Задача студента состоит в том, чтобы рассчитать среднюю энергию фотона «заданного цвета» и погрешность к этой величине.
Порядок выполнения работы
1. Щелкните мышкой на значке «Определение энергии фотона» на рабочем столе компьютера. На экране появится спектр видимого света со шкалой и металлический брусок.
2. Определите цену деления шкалы спектра.
3. По заданию преподавателя наведите курсор на данный Вам цвет спектра и щелкните клавишей мышки.
4. Запишите в таблицу длину волны фотона.
5. Определите 4 раза длину волны фотона для данного Вам цвета вблизи первого измерения, записывая результаты в таблицу измерений.
6. Рассчитайте по формуле (3) энергию фотона для каждого измерения.
7. Вычислите доверительную погрешность по алгоритму прямых многократных измерений (считая значения энергии фотона невоспроизводимыми косвенными измерениями).
8. Окончательно запишите результаты расчетов в виде:
ε = ( ε ± Δε ) Дж
9. Перевести энергию фотонов в эВ и сопоставить с теоретическими
значениями, приведенными в таблице 2.
| № | λ, м | ε, Дж | Δε, Дж | (Δε)², Дж² |
| 1 2 3 4 |
цвет…. Таблица измерений
Контрольные вопросы
1. В чем заключается смысл термина «корпускулярно-волновой дуализм»?
2. Что такое электромагнитные волны?
3. Какие явления подтверждают волновую природу света?
4. Какие явления свидетельствуют о корпускулярной природе света?
5. Что такое фотоны?
Лабораторная работа № 4
Внешний фотоэффект. Определение работы выхода электронов из металла
В научных представлениях о природе света на протяжении многих веков соперничали две концепции: континуальная (концепция непрерывности) и корпускулярная (концепция дискретности).
В первой половине 20-го века было доказано, что свет (электромагнитное излучение) обладает двойственностью, а именно, в одних случаях он ведет себя как волна, а в других как частица (корпускула). Эта двойственность называется корпускулярно-волновым дуализмом.
Электромагнитные волны - это совместно распространяющиеся в пространстве колебания электрического и магнитного полей. Английским ученым Дж. Максвеллом было доказано, что свет представляет собой совокупность электромагнитных волн, скорость движения которых в вакууме составляет 
м/с. Волновые свойства света проявляются в таких явлениях как интерференция и дифракция.
Согласно корпускулярной модели свет распространяется в виде потока частиц – фотонов. Фотон – особая частица. Поскольку скорость ее движения в пространстве равна скорости света «с», в соответствии с теорией относительности, масса покоя фотона равна нулю. Энергия одного фотона (кванта) определяется соотношением:
ε = h ν = 
(1), где
Дж·с – постоянная Планка;
ν – частота света;
λ – длина волны света.
Корпускулярной природой света объясняются многие явления, которые невозможно было понять с волновой точки зрения. К таким явлениям относится внешний фотоэлектрический эффект, открытый в 1887 г. Г. Герцем.
Внешний фотоэффект состоит в том, что свет, падая на поверхность металла, выбивает из него электроны.
Из опытов было установлено, что способностью осуществлять фотоэффект обладают не все фотоны или кванты света. Например, под действием красного света фотоэффект не происходит, а вот синий свет и ультрафиолет выбивают электроны из металла. Это объясняется тем, что у квантов красного (более длинноволнового и, соответственно, с меньшей частотой) излучения энергия, определяемая по формуле (1), меньше, чем у синего (коротковолнового).
Теорию фотоэффекта создал А.Эйнштейн. Он предположил, что падающий на металл фотон передает свою энергию электрону. Электрон расходует полученную энергию на то, чтобы оторваться от поверхности металла и приобрести скорость, т.е. кинетическую энергию.
Энергия, которая требуется для вырывания электрона с поверхности металла, называется работой выхода (А).
Работа выхода электронов из металла является характеристикой данного металла. Ее принято определять в электрон-вольтах ( 
Дж). Например, для меди А=4,3 эВ, для цезия – 1,8 эВ и т.д.
Уравнение, которым описывается фотоэффект, называется уравнением Эйнштейна:
Существует понятие «красной границы» фотоэффекта – это наибольшая длина волны 
или наименьшая частота 
падающего на металл света, при которой фотоэффект еще возможен.
Если энергия кванта такова, что она равна в точности работе выхода, то электрон вылетит с поверхности металла и, не приобретя кинетической энергии, упадет обратно. Это позволяет определить работу выхода электрона из металла:
или 
(2)
Следует отметить, что явление фотоэффекта можно наблюдать не только на металлах. В настоящее время внешним фотоэффектом называют испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Таким веществом могут быть как твердые тела, так и жидкости. Вообще фотоэффект – один из основных способов взаимодействия излучения с веществом.
Фотоэффект нашел широкое применение в технике. На его основе сконструированы фотоэлементы, которые используются в самых современных автоматических системах и устройствах. Например, в турникетах метрополитена, блокировочных устройствах и т.п.
Цель работы: определение работы выхода электронов из металла.
Работа выполняется на компьютере. При каждой загрузке программы компьютер назначает работу выхода случайным образом.
Порядок выполнения работы
1. Запустите программу, щелкнув мышкой на значке «Определение энергии фотона» на рабочем столе компьютера. Определите цену деления шкалы видимого спектра.
2. Выберите любой цвет участка спектра и щелкните клавишей мышки. Запишите в черновике длину волны. Теперь внимательно смотрите, как взаимодействует выбранный Вами фотон и металл. Если фотон при достижении металла не выбивает электрон, то его энергия меньше работы выхода.
3. Уменьшайте постепенно длину волны, повторяя пункт 2 до тех пор, пока фотон не выбьет электрон, который Вы увидите на поверхности металла. Запишите эту длину волны 
.
4. Теперь убедитесь в том, что фотон длиной волны больше, чем 
, не выбивает электрон. Если это так, то значит, вы нашли красную границу, т.е. максимальную длину волны для данного металла, которая вызывает фотоэффект. Погрешность определения длины волны равна цене деления шкалы.
5. По формуле (2) определите работу выхода А электронов из данного металла.
6. По формуле 
рассчитайте погрешность 
к определенной работе выхода электронов.
7. Переведите результат измерений и его погрешность из Джоулей в электрон-вольты.
8. Окончательно запишите результаты расчетов в виде:
А = ( А ± ΔА ) эВ.
Контрольные вопросы
1. В чем основная суть понятия «корпускулярно-волновой дуализм»?
2. В каких явлениях проявляются волновые свойства света?
3. Что такое внешний фотоэффект?
4. Почему фотоэффект наблюдается не для всех диапазонов электромагнитного излучения?
5. Что означает понятие «красная граница» фотоэффекта?
6. Почему работа выхода является характеристикой определенного металла? Что это такое?
Лабораторная работа №5
Определение длины волны света при помощи дифракционной решетки
Для объяснения многообразия световых явлений в физике используются волновая (электромагнитная) и корпускулярная (фотонная) теории света.
Согласно волновой теории, световое излучение представляет собой электромагнитные волны, особенностями их распространения объясняются законы отражения, преломления; явления интерференции, дифракции и дисперсия света.
Работы Гюйгенса, Юнга, Фраунгофера дали представления и доказательства электромагнитной волновой природе света в реализации совокупности процессов дифракции и интерференции.
Если в одной точке пространства произошло наложение двух волн, в результате чего наблюдается усиление или ослабление результирующих колебаний, то такое явление называется интерференцией, при условии, что волны имеют одинаковую длину λ или частоту ν и постоянную разность фаз. Такие волны называются когерентными. Когерентные световые пучки получают от одного источника, а постоянную разность фаз обеспечивают созданием условий постоянства оптической разности хода δ, которая определяется оптической разностью путей, прошедших волнами до точки сложения. Если разность хода волн равна четному числу λ/2 (полуволн): δ = 0; 2λ/2; 4λ/2…..,
то происходит усиление света – (максимум интерференции); в случае, если разность хода равна нечетному числу полуволн: δ = λ/2; 3λ/2; 5λ/2…, то волны гасят друг друга – происходит ослабление или гашение света (минимум интерференции).
Юнг, открывший явление интерференции, поставил классический опыт по дифракции, доказавший физическое родство этих явлений (рис.1).
рис.1
На непрозрачной поверхности он сделал два точечных отверстия В и С на малом расстоянии друг от друга. Эти отверстия освещались узким световым пучком, прошедшим в свою очередь через малое отверстие А. Возникшая в соответствие с принципом Гюйгенса сферическая волна от отверстия А возбуждала в отверстиях В и С когерентные колебания вторичных волн. Из отверстий В и С выходили два световых конуса, которые частично перекрывались и в результате их наложения (интерференции) на экране появлялись чередующиеся светлые и темные полосы – максимумы и минимумы интерференции.
|
|
Если на пути световой волны в среде встречаются непрозрачные объекты с резкими границами и размерами сопоставимыми с длиной волны падающего света, то происходит огибание волной препятствий и проникновение света в область геометрической тени (рис.2).
рис.2
|
|
Огибание световой волной границ непрозрачных тел (очень малых размеров) с последующим интерференционным распределением элементарных волн в каждой точке пространства называется дифракцией.
Наблюдение дифракции осуществляется обычно по следующей схеме. На пути световой волны, распространяющейся от некоторого источника, помещается непрозрачная преграда, закрывающая часть волновой поверхности световой волны. За преградой располагается экран, на котором при определенных условиях возникает дифракционная картина. Между преградой и экраном устанавливают линзу, в фокальной плоскости которой находится экран (рис.3).
рис.3
На отверстие АВ падает плоская монохроматическая волна (λ=const). Каждую точку фронта волны в сечении АВ по принципу Гюйгенса можно рассматривать как самостоятельный источник элементарной сферической волны, огибающие которой заходят в область геометрической тени. Та часть световой волны, которая проходит через отверстие в прямом направлении, соберется линзой на экране в одной точке О. Другие части волны, идущие в направлениях АС или АД, соберутся линзой в других точках О1; О2… фокальной плоскости экрана. В этих точках и происходит сложение колебаний (интерференция) когерентных волн. Лучи, собранные в точке О, колеблются в одной фазе, взаимно усиливают друг друга, создавая максимум освещенности (разность их фаз равна нулю). Лучи, собранные в других точках экрана, - дифрагированные под углом φ, тоже когерентны, так как имеют постоянную разность фаз δ, определяемую постоянной разностью хода между границами отверстий (рис.4). δ=b·sinφ.
Если разность хода лучей в точке их сложения равна четному числу полуволн, то на экране получаются светлые точки (линии) или темные, если δ равно нечетному числу полуволн.
Наиболее четкая дифракционная картина, представляющая собой систему максимумов и минимумов, глубоко заходящих в область геометрической тени, наблюдается в том случае, когда источник монохроматического света и плоскость наблюдения значительно удалены от препятствия, вызвавшего дифракцию.
Фраунгоферу удалось многократно увеличить яркость дифракционной картины, использую вместо одной щели систему параллельных щелей равной ширины, лежащих в одной плоскости и разделенных равными по ширине непрозрачными промежутками. Такая система называется дифракционной решеткой.
| рис.4 |
Если на дифракционную решетку, у которой период или постоянная решетки
d = a + b , где a и b, соответственно ширина прозрачных и непрозрачных промежутков, падает плоская монохроматическая волна длиной λ, то вторичные источники в щелях создают световые волны с разностью хода δ, определяемой отрезком АС (рис.4).
Если на этом отрезке укладывается четное число полуволн, то волны от всех щелей, складываясь, будут усиливать друг друга и наблюдаться на экране под углом дифракции φ, определяемым условием
dsinj=±ml , (1)
где d – постоянная дифракционной решетки, т.е. сумма ширины щели и ширины непрозрачного участка решетки; j - угол, под которым наблюдается данный дифракционный максимум; m – порядок дифракционного максимума; l - длина световой волны; знаки ± - соответствуют положениям дифракционного максимума - справа и слева от центрального максимума нулевого порядка.
Из этого уравнения следует связь угла дифракции и длины волны падающего света. В случае, если решетка освещается белым светом (видимый диапазон), то происходит разложение светового потока в спектр – чем больше длина волны, тем больше угол дифракции j. Поэтому на экране фиолетовое крыло спектра обращено к центру дифракционной картины.
С помощью дифракционной решетки с известными значениями d, измеряя углы дифракции j, можно найти длину волны l. При облучении решетки белым светом, рассчитанные значения длин волн различных цветов видимого диапазона должны соответствовать следующим участкам:
Красный – (620-760) нм; Синий – (430-470) нм;
Оранжевый – (590-620) нм; Фиолетовый – (380-430) нм.
Желтый – (560-590) нм;
Зеленый – (500-560) нм;
Голубой – (470-500) нм;
Порядок выполнения виртуальной работы
Цель работы: Определить длину волны света, цвет которого задан преподавателем, и рассчитать погрешность на длину волны.
Щелкните мышкой на значке «Определение длины волны света» на рабочем столе компьютера. На экране монитора появится дифракционная картина при нормальном падении белого света на дифракционную решётку. После прохождения решётки, свет, преломляясь в линзе, образует дифракционный спектр первого, второго и третьего порядков симметрично относительно главной оптической оси линзы. В данном случае мы имеем дело с проявлением волновых свойств фотонов. Преподаватель назначает каждому студенту цвет, длину волны которого надо определить.
1. Наведите курсор на заданный Вам цвет в первом порядке справа и щелкните клавишей. В правой части экрана появится значение угла дифракции. Запишите значение угла φ1 в таблицу измерений.
2. Определите угол дифракции φ2 для ЭТОГО ЖЕ цвета в первом порядка слева относительно оптической оси и запишите его в таблицу измерений.
3. Проведите измерения углов дифракции во втором и третьем порядках справа и слева для заданного Вам цвета, записывая значения углов в таблицу измерений.
4. Вычислите среднее значение φср для каждого порядка.
5. По формуле (1) рассчитайте длину волны света для первого второго и третьего порядков.
6. Считая полученные значения λ как прямые измерения, вычислить доверительную абсолютную погрешность D λ по алгоритму прямых многократных измерений.
7. Окончательно записать результат в виде:
λ = (λср ± D λ) нм
Постоянная дифракционной решетки указана на экране монитора.
цвет …. Таблица измерений
| поря- док | справа φ1 | Слева φ2 | φср | λ | D λ | D λ2 |
| 1 | ||||||
| 2 | ||||||
| 3 |
λср =
Контрольные ВОПРОСЫ:
1. Что такое интерференция света?
2. Какие волны называются когерентными?
3. Условия максимума и минимума интерференции.
4. Что такое дифракция света? При каких условиях может происходить это явление?
5. Почему дифракционная решетка может использоваться в спектральных приборах?
6. Почему для наблюдения дифракции необходимо, чтобы длина волны излучения была соизмерима с постоянной решетки?
Лабораторная работа № 6
Определение удельного сопротивления металлов
Цель работы:
Определить удельное сопротивление металла.
Краткая теория
Многочисленными опытами было установлено, что сопротивление проводника прямо пропорционально длине проводника и обратно пропорционально площади его поперечного сечения:
(1),
где l – длина проводника, S – площадь поперечного сечения.
Коэффициент пропорциональности в этой формуле ρ называется удельным сопротивлением. Оно для каждого проводника разное и зависит только от структуры и его химического состава. Из формулы (1) можно найти удельное сопротивление материала:
(2)
Сопротивление проводника R можно определить измеряя ток через проводник и падение напряжения на нём, воспользовавшись законом Ома для участка цепи:
(3)
Порядок выполнения работы:
1. Вызвать программу «Определение удельного сопротивления металлов». На экране монитора появляется схема, состоящая из источника постоянного тока с э.д.с., которую показывает вольтметр при разомкнутой цепи, амперметр и проводники из различных металлов.
2. Получите задание у преподавателя – с каким проводником Вы будете работать. Чтобы включить проводник в схему нужно навести курсор на него и щёлкнуть клавишей. Проводник установится в схему и амперметр покажет ток, а вольтметр, падение напряжения на сопротивлении.
3. Записать показания тока и падения напряжения в таблицу измерений.
4. Убрать проводник из схемы, наведя курсор мыши на него.
5. Опять поместить ЭТОТ ЖЕ проводник в схему. Падение напряжения и ток изменятся, так как компьютер случайным образом назначает э.д.с., а геометрические размеры проводника не изменяются.
6. Опять записать показания тока и падения напряжения в таблицу измерений.
7. Провести 4 измерения по пунктам 4 – 6.
8. По формуле (3) определить значения сопротивления проводника и записать их в таблицу.
9. Рассчитать абсолютную доверительную погрешность ΔR по алгоритму прямых многократных измерений по формуле:
10. Окончательно записать результат:
R = ( Rср ± ΔR) Ом.
металл: Таблица измерений
| N п/п | I A | U В | R Ом | ΔRi | ΔR2 |
| 1 | |||||
| 2 | |||||
| 3 | |||||
| 4 |
R СР =
Контрольные вопросы:
1. Как сопротивление проводника связанно с его геометрическими
размерами?
2. От чего зависит удельное сопротивление проводника?
3. Сформулируйте и напишите закон Ома для участка цепи.
Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 223; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!