Тетрадь для лабораторных работ по дисциплине «Физика» (с

Рабочая тетрадь
для выполнения лабораторных работ
1
3
Оглавление
1 Введение……………………………………………………………………….4
2. Лабораторная работа № 1
«Экспериментальная проверка закона Бойля – Мариотта»……………….13
3. Лабораторная работа № 2
«Определение относительной влажности воздуха»………………………..15
4. Лабораторная работа № 3
«Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости»….18
5. Лабораторная работа № 4
«Изучение электрического поля»……………………………………………...21
6. Лабораторная работа № 5
«Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника электрической
энергии»…………………………………………………………………………24
7. Лабораторная работа № 6
«Исследование зависимости мощности, потребляемой лампой накаливания
от напряжения на ее зажимах»………………………………………………..26
8. Лабораторная работа № 7
«Определение электрохимического эквивалента меди»………………………28
9. Лабораторная работа № 8
«Изучение свойств полупроводников»…………………………………………..29
10. Лабораторная работа № 9
«Изучение явления электромагнитной индукции»……………………………..32
11. Лабораторная работа № 10
«Изучение устройства и работы трансформатора»………………………..37
12. Лабораторная работа № 11
«Определение показателя преломления стекла»……………………………..43
13. Лабораторная работа № 12
«Наблюдение интерференции, дифракции и поляризации света»…………..47
14. Лабораторная работа № 13
«Измерение длины световой волны с помощью дифракционной решетки»…51
15. Лабораторная работа № 14
«Изучение явления фотоэффекта»……………………………………………57
16. Лабораторная работа № 15
«Наблюдение сплошного и линейчатого спектров испускания»…………….60
17. Лабораторная работа № 16
«Изучение треков заряженных частиц (по готовым фотографиям)»………62
4
Введение
Как проводить лабораторные работы
Лабораторные работы, как правило, проводят одновременно с изучением теоретического материала.
Студенты готовятся к лабораторным работам самостоятельно, повторяя
соответствующие разделы курса физики. На занятии же они знакомятся с содержанием работы, с оборудованием и выполняют сами работу.
После выполнения работы студент представляет отчет. В отчете
приводят:
1) дату выполнения работы;
2) название работы и ее номер;
3) перечень приборов и оборудования;
4) схему установки (или ее зарисовку);
5) таблицу результатов измерений и вычислений;
6) определение погрешностей измерений;
7) выводы из полученных результатов измерений и наблюдений.
Вычисления желательно проводить с помощью микрокалькуляторов.
Следует иметь в виду, что микрокалькулятор выдает данные с большим числом разрядов, как правило, не соответствующим точности исходных данных.
При проведении лабораторных работ нужно освоить приемы округления и
правила приближенных вычислений.
Измерения, проводимые с помощью тех или иных приборов, никогда не могут быть абсолютно идеальными и точными.
Неточность измерения обусловлена тремя фактами: особенностями подготовки экспериментатора, природой измеряемого объекта, а также несовершенства приборов и самого эксперимента. Первые два фактора приводят к
появлению так называемых случайных, третий – систематических погрешностей.
Случайные погрешности можно свести к минимуму подготовкой экспериментатора (тренировкой, специализацией, опытом), многократным повторением измерения, но устранить их совсем невозможно. Систематические погрешности, вообще говоря, можно полностью исключить исследованием самих приборов и условий опыта.
Если мы определяем значение какой-либо величины а и для этого многократно производим ее измерение (при одинаковых условиях эксперимента,
чтобы исключить систематические погрешности), то в результате получаем
несколько различных значений: а1, а2, а3, …, аn. Среднее арифметическое значение этой величины
<a> = (a1 + a2 + a3 +…+аn)/n,
где n – число измерений.
Заметим, что <a> - число приближенное (неточное), но так как оно получено путем многократных измерений, его обычно считают наиболее близким к истинному значению определяемой физической величины.
5
Разность между средним арифметическим значением измеряемой величины и результатом отдельного измерения называют абсолютной погрешностью данного измерения (Δаn). Абсолютные погрешности для каждого из измерений в нашем случае имеют вид
Δа1 = <a> - а1; Δа2 = <a> - а2; …; Δаn = <a> - аn;
Абсолютная погрешность измеряемой величины (Δ<a>) выражается как
среднее арифметическое абсолютных погрешностей всех измерений:
Δ<a> = (│Δа1│ +│Δа2│ +…+│Δаn│)/n.
Результат измерений теперь можно записать в следующем виде:
а = <a> ± Δ<a>.
Отсюда видно, что истинное значение физической величины лежит в
интервале
<a> + Δ<a> >а> <a> - Δ<a>.
Абсолютная погрешность не дает еще представления о точности измерения. Точность измерения в практике оценивается введением относительной погрешности – числа, показывающего, сколько процентов составляет абсолютная погрешность из измеряемой величины:
δ а =( Δ<a>/а)·100 %.
Измерения физических величин могут быть прямыми и косвенными.
При прямых измерениях числовое значение величины находят непосредственно сравнением с единицей измерения. Например, длину предмета, массу
тела, давление соответственно находят с помощью линейки, взвешивания на
весах, манометра.
При косвенных измерениях значение физической величины определяется вычислениями обычно по известным формулам.
При обработке результатов их нельзя грубо округлять.
Это значит, нельзя завышать или занижать результат, а так же идти по
линии повышения мнимой точности с помощью написания многочисленных
цифр за счет десятых, сотых, тысячных и более мелких долей вычисляемых
величин.
Точность прямого измерения значения любой величины не может
превышать цены деления прибора, которым проводилось это измерение.
При косвенных измерениях всегда необходимо иметь меру, определяемую правилами действия над приближенными числами.
Иногда следует такая запись: Q = 1,30 Дж. Это означает, что в числе
имеются три значащие цифры и отбрасывать нуль нельзя. Имеются случаи,
когда после значения физической величины указывается слово «точно».
Например, 273,16 К (точно). Это значит, что получить число точнее нельзя
никакими способами.
Если имеются очень громоздкие числа, то для удобства целесообразно
ставить в них запятую после первой цифры слева и умножать это число на 10
в нужной степени. Такая запись удобна, потому что сразу видно количество
значащих цифр и при действиях с приближенными числами легко определить
6
порядок полученной величины для сравнения ее, например, с табличным значением.
Электроизмерительные приборы
Для измерения различных характеристик электромагнитного поля используют электроизмерительные приборы. Например, силу электрического
тока измеряют амперметром, напряжение (разность потенциалов) – вольтметром, электрическое сопротивление – омметром, мощность тока – ваттметром
и т.д.
В отличие от длины, непосредственно, визуально измеряемой наблюдателем, характеристики электромагнитного поля не воспринимаются органами
чувств и поэтому должны быть преобразованы.
Электроизмерительные приборы – средства измерений характеристик
электромагнитного поля, вырабатывающие сигнал в форме, доступной для
восприятия наблюдателя.
По типу вырабатываемого сигнала электроизмерительные приборы
подразделяются на цифровые и аналоговые.
Цифровые приборы вырабатывают сигналы, представляемые в цифровой форме на дисплее.
Аналоговые приборы представляют сигнал, являющийся непрерывной
функцией измеряемой физической величины. Например, в амперметре угол
отклонения стрелки на шкале прибора пропорционален силе тока.
В аналоговых приборах, наиболее часто используемых в лаборатории
физики, энергия электрического или магнитного поля преобразуется в механическую энергию перемещения подвижной части прибора.
По способу преобразования энергии и по конструктивным особенностям аналоговые приборы подразделяют на следующие системы (см. табл.1).
Таблица 1
№
1
Система прибора
Электростатическая
2
Электродинамическая
3
Электромагнитная
4
Магнитоэлектрическая
Условное обозначение системы
7
∩
Условное обозначение системы измерительного прибора схематически
показывает принцип преобразования энергии электромагнитного поля в механическую энергию перемещения подвижной части прибора.
Принцип действия прибора электростатической системы основан на
электростатическом взаимодействии электродов, между которыми существует разность потенциалов (напряжение).
В приборе электродинамической системы магнитное поле, создаваемое
током в неподвижной катушке, действует на ток, протекающий в подвижной
катушке. Взаимодействие токов приводит к повороту подвижной катушки.
В приборе электромагнитной системы измеряемый ток протекает по неподвижной катушке. Воздействие магнитного поля катушки на ферромагнитный сердечник приводит к его повороту, угол которого зависит от силы измеряемого тока.
Цена деления, чувствительность электроизмерительного прибора
Точность измерения характеризуется ценой деления шкалы прибора.
Предположим, что шкала прибора, например амперметра, насчитывает N =
100 делений, а предел измерения силы электрического тока Imax=10 А соответствует максимальному отклонению стрелки прибора. Тогда отклонению
стрелки на 1 деление соответствует сила тока
10 А  0,1 А .
дел
100 дел
Таким образом определяется цена деления прибора:
С
 m ax
N
Чем меньше эта величина, которая может быть измерена прибором, т.е.
чем меньше цена деления шкалы, тем выше точность измерения прибора.
Чувствительность прибора – величина, обратная его цене деления. Она
характеризует число делений, на которое отклоняется стрелка прибора (амперметра) при измерении силы тока в 1 А:
N
S
I m ax
Чем больше чувствительность, тем выше точность измерения прибора.
В рассмотренном выше примере
100 дел
дел
S
 10
10 А
А .
8
Класс точности, погрешность измерения электроизмерительного прибора
Погрешность измерения электроизмерительного прибора складывается
из погрешности отсчета и инструментальной погрешности. Например, погрешность измерения силы тока амперметром ΔI равна сумме погрешности
отсчета ΔIот и инструментальной погрешности ΔIи:
ΔI = ΔIот + ΔIи.
Предельное значение погрешности отсчета принимают равным ¼ цены
деления шкалы:
 от 
С
.
4
Инструментальная погрешность определяется классом точности электроизмерительного прибора.
Класс точности электроизмерительного прибора – относительная инструментальная погрешность, соответствующая пределу измерения Imax шкалы, выраженная в процентах:
k
и
 100 %
 m ax
Например, класс точности 1,5 означает относительную погрешность
1,5%. Как следует из этой формулы, инструментальная погрешность определяется классом точности электроизмерительного прибора:
и   max 
k
.
100
Пример расчета погрешности электроизмерительного прибора
Предположим, что амперметр измеряет силу тока от 0 до 2 А. Шкала
имеет 40 делений, класс точности прибора 4%.
Тогда цена деления амперметра:
С
Ι m ax
2 A
А

 0,05
.
N
40 дел
дел
Предельное значение погрешности отсчета
от 
0,05
 0,0125А.
4
Инструментальная погрешность:
и  2 
4
 0,08 А.
100
Абсолютная погрешность измерения силы тока ΔI:
ΔΙ  ΔΙ от  ΔΙ и  (0,0125  0,08) А  0,0925 А  0,1 А .
9
1
Лабораторная работа
ИЗУЧЕНИЕ
ЗАКОНА БОЙЛЯ - МАРИОТТА
Цель работы: с помощью эксперимента доказать верность равенства
P1V1 = P2V2
Оборудование, средства измерения: стеклянная трубка, запаянная с одного конца, цилиндрический сосуд с водой, линейка с миллиметровым
делением.
Теоретическое обоснование
Закон Бойля – Мариотта устанавливает соотношение между давлением
и объемом данной массы газа при постоянной температуре.
PV = const, при T = const.
Для двух произвольных состояний можно записать
P1V1 = P2V2 при T = const.
Экспериментальная проверка закона осуществляется следующим образом: измеряется объем воздуха, заключенный в стеклянной трубке, находящейся под давлением, равным атмосферному Р1 = Ратм. Затем трубка своим
открытым концом погружается в цилиндрический сосуд, заполненный жидкостью. Давление на воздух трубки возрастает и становится равным:
Р2 = Ратм + Ржидк,
а объем соответственно уменьшается. Объем воздуха в трубке измеряется в
относительных линейных единицах и равен высоте столба воздуха в трубке.
Произведение объема на давление в первом состоянии должно быть приблизительно равно произведению давления на объем во втором состоянии.
Ратм·V1 = (Pатм + Ржидк)·V2.
Расчет давления необходимо производить в паскалях – Па, объем – в
мм.
Давление жидкости рассчитывается по формуле Ржидк = ρ·h·g, где
ρ– плотность жидкости = 1000 кг/м3,
g – ускорение свободного падения,
h – высота столба жидкости над нижним уровнем воздуха в трубке.
Порядок выполнения работы
1. Измерьте объем стеклянной трубки V1 и результат занесите в таблицу.
2. Опустите трубку открытым концом в цилиндрический сосуд с водой
и пронаблюдайте за тем, что произойдет.
3. Измерьте высоту столба жидкости над нижним уровнем воздуха в
трубке h (рис.1) и полученное значение занесите в таблицу.
4. Рассчитайте давление жидкости:
Ржидк =
10
5. Рассчитайте давление Р2 на воздух трубки:
Р2 =
6. Измерьте объем стеклянной трубки V2 (рис.1) или измерьте объем
жидкости до нижнего уровня воздуха в трубке и тогда объем V2 можно рассчитать как разность объема V1 и объема жидкости до нижнего уровня воздуха в трубке.
7. Рассчитайте произведение давления на объем в первом и во втором
случаях:
P1V1 =
P2V2 =
8. Данные измерений и вычислений занесите в таблицу.
Таблица.
Р1 ,
мм.рт.ст.
Р1, Па
V1, м3
V2
h, м
Ржидк, Па
Р2, Па
h
V1
V2, м3
Р1V1
P2V2
h
Рис.1
Вывод:
Контрольные вопросы
1. При каком условии справедлив закон Бойля – Мариотта?
2. Объясните закон для изотермического процесса, пользуясь молекулярно-кинетической теорией.
3. Производит ли газ давление в состоянии невесомости?
11
4. Можно ли с помощью прибора для данной работы проверить зависимости между параметрами газа для изохорного и изобарного процессов? Как
это осуществить?
5. Определите массу 20 л воздуха, находящегося при температуре 273 К
под давлением 30 атм.
12
2
Лабораторная работа
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА
Цель работы: изучить методику работы с приборами; определить влажность воздуха, используя различные способы.
Оборудование, средства измерения: психрометр бытовой, гигрометр
металлический, гигрометр волосной, спирт в склянке с пробкой, термометр лабораторный от 0 до 100 ºС, воронка простая с коротким стеблем,
таблица психрометрическая, таблица зависимости давления насыщенного
водяного пара от температуры.
Теоретическое обоснование
Воздух, которым дышат человек, животные и растения, представляет
собой смесь различных газов. Значительную важность для жизнедеятельности
живых организмов и для многих технологических процессов производства
представляет содержание в воздухе водяных паров. Для оценки содержания
паров воды в воздухе вводят величины абсолютной и относительной влажности воздуха.
Абсолютную влажность воздуха измеряют плотностью водяного пара
ρа, находящегося в воздухе или его давлением Ра.
Относительную влажность измеряют числом, показывающим, сколько
процентов составляет абсолютная влажность от плотности водяного пара,
нужного для насыщения воздуха при имеющейся у него температуре:

ρа
 100%
ρн
или

ρа
 100%
ρн
Существует несколько методов измерения относительной влажности
воздуха. В данной работе ее измеряют с помощью психрометра, конденсационного и волосного гигрометров.
I. Психрометром – по разности температур термометров, резервуар у
одного из которых окружен полоской ткани, опущенной в воду (правый), а у
другого остается сухим (левый), и специальной таблице.
II.Конденсационным гигрометром – путем нахождения точки росы, т.е.
температуры, при которой водяной пар, содержащийся в воздухе, становится
насыщенным, и с помощью таблицы зависимости давления насыщенного водяного пара от температуры. Температуру в камере гигрометра понижают,
продувая воздух через спирт и вызывая тем самым его интенсивное испарение.
Чтобы легче было заметить появление росы на поверхности охлаждаемой камеры, ее окружают металлическим кольцом с теплоизолирующей прокладкой. Наблюдение за появлением налета росы проводят путем сравнения
поверхности охлажденной камеры с блестящей поверхностью кольца, которая
во время опыта остается без изменений.
13
III.Волосным гигрометром непосредственно измеряют относительную
влажность воздуха в процентах.
Проверку и установку волосного гигрометра производят на основании
определения относительной влажности воздуха с помощью психрометра.
Порядок выполнения работы
Измерение относительной влажности воздуха с помощью психрометра.
1. Ознакомьтесь с устройством психрометра.
2. Определите показания его термометров и полученные значения занесите в таблицу.
3. Вычислите разность температур сухого и влажного термометров:
ΔТ = Тсух – Твлаж =
4. По психрометрической таблице определите относительную влажность воздуха и заполните таблицу1.
Таблица 1.
Тсух, ºС
Твлаж, ºС
ΔТ = Тсух – Твлаж
φ, %
Измерение относительной влажности воздуха с помощью конденсационного гигрометра
1. Ознакомьтесь с устройством гигрометра.
2. Протрите мягкой тканью полированную стенку и кольцо гигрометра
до полного блеска.
3. Налейте в камеру гигрометра (наполовину) спирта, вставьте в нее
термометр и присоедините резиновую грушу.
Предупреждение. Пары спирта огнеопасны, поэтому не допускайте
вблизи прибора открытого пламени.
4. Установите прибор так, чтобы зеркальная поверхность его была расположена под углом 30 – 40 º к направлению луча зрения. Продувайте воздух
через спирт и внимательно следите за полированной поверхностью стенки
камеры, сравнивая ее с поверхностью кольца.
5. В момент появления росы заметьте показания термометра, прекратите продувание воздуха и продолжайте наблюдение, чтобы заметить показание
термометра в момент полного исчезновения росы.
6. Наблюдение повторите несколько раз, стараясь возможно точнее
определить температуру появления и исчезновения росы. По окончании
наблюдений оставшийся в гигрометре спирт слейте в склянку и плотно закройте ее. Результаты опыта запишите в таблицу 2.
Таблица 2.
Температура окружаю- Температура появления Температура исчезновещего воздуха, ºС
росы, ºС
ния росы, ºС
1.
2.
3.
14
4.
5.
7. Примите среднее значение отмеченных температур за достоверную
точку росы и, зная температуру окружающего воздуха, вычислите относительную влажность, воспользовавшись таблицей зависимости давления
насыщенного водяного пара от температуры.
Дополнительное задание
Измерение относительной влажности воздуха волосным гигрометром
1. Ознакомьтесь с устройством и принципом действия волосного гигрометра. Сравните его показание с результатами предыдущих опытов.
2. Подышите на волос гигрометра и понаблюдайте за поведением
стрелки.
Вывод:
Контрольные вопросы
1. Когда разность показаний термометров психрометра больше: когда
воздух в комнате более сухой или более влажный?
2. Почему в гигрометре для охлаждения применяется спирт?
3. Зачем через гигрометр продувают воздух?
4. Почему после жаркого дня роса бывает более обильна?
5. Почему перед дождем ласточки летают низко?
3
Лабораторная работа
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО
НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ (ВОДЫ).
Цель работы: освоить методику определения коэффициента поверхностного натяжения, произвести измерения и вычислить КПН воды.
Оборудование, средства измерения: рычажные весы, набор разновесов,
линейка, кювета с водой, проволочка, песок, нить, штатив.
Теоретическое обоснование
Молекулы жидкости, находящиеся в поверхностном ее слое, испытывают со стороны молекул, находящихся внутри жидкости, более значитель15
ные воздействия, чем со стороны молекул газа. Вследствие этого молекулы
поверхностного слоя жидкости находятся как бы в напряженном состоянии –
поверхностного натяжения – образуя на поверхности пленку.
Сила Fн, обусловленная взаимодействием молекул жидкости, вызывающая сокращение площади ее свободной поверхности и направленная по касательной к этой поверхности, называется силой поверхностного натяжения.
Коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины границы свободной поверхности жидкости.
σ
Fн
.
l
Свободная поверхность жидкости в состоянии равновесия стремится к
минимуму, жидкость как бы стягивается упругой поверхностной пленкой,
стремящейся к уменьшению своей площади.
F
L
x
Рис.1
При образовании тонкой пленки шириной l (рис.1) вдоль границы поверхности жидкости действует сила поверхностного натяжения F, равная
F = 2σl,
где σ – поверхностное натяжение; множитель 2 стоит по той причине, что
пленка имеет две поверхности.
Отсюда
σ
F
.
2l
Для измерения поверхностного натяжения проволочную петлю полностью погружают в жидкость, а затем медленно вытягивают из жидкости. При
этом на петле образуется пленка. Когда сила тяжести подсыпаемого песка
станет по модулю равна силе поверхностного натяжения, пленка разрывается.
16
Порядок выполнения работы
1. К одной из чашек рычажных весов на тонкой нити подвешивается
медная проволока, на противоположную чашку насыпайте песок до тех пор,
пока весы не придут в равновесие.
2. Под проволочкой расположите кювету с водой таким образом, чтобы
проволочка располагалась на высоте 1 – 1,5 см над поверхностью воды.
3. Взявшись за нить осторожно, плавным движением, приводим проволочку в соприкосновение с поверхностью воды, добиваясь ее приклеивания к
поверхности жидкости.
Весы выйдут из равновесия. Как вы думаете, почему?
4. Теперь осторожно подсыпайте песок на противоположную чашку до
тех пор, пока вес подсыпаемого песка станет равным силе поверхностного
натяжения. В этом случае:
Рпеска = Fн = mпеска·g.
5. Массу песка определите взвешиванием. Для этого на ту чашку весов,
к которой подвешена проволочка, кладем разновесы до тех пор, пока весы не
придут в равновесие.
Длина границы свободной поверхности жидкости будет равноудвоенной длине проволочки, так как проволочка соприкасается с жидкостью с обеих сторон l = 2lпров.
Тогда расчетная формула примет вид
mg
Fн m песка  g
σ
.

2l
l
2 l пров
6. Опыт проделайте три раза, вычисляя каждый раз значение поверхностного натяжения.
7. Найдите среднее значение поверхностного натяжения:
σ
σ1  σ 2  σ 3
.
3
σ=
8. Вычислите абсолютные погрешности измерений:
Δσ1 =‫ ׀‬σ1- -σ ‫׀‬
Δσ2 =‫ ׀‬σ2- -σ ‫׀‬
Δσ3 =‫ ׀‬σ3- -σ ‫׀‬
Δσ1 =
; Δσ2 =
; Δσ3 =
9. Найдите среднее значение абсолютной погрешности:
Δσ1  Δσ 2  Δσ 3
Δσ 
3
σ
;
17
Δ-σ =
и результат запишите в виде:
σ = -σ ± Δ-σ.
10. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу.
№
п/п
1.
2.
3.
L, мм
m, кг
Таблица.
Δσ
σ
-
σ
Δ-σ
Вывод:
Контрольные вопросы
1. Почему поверхностное натяжение зависит от вида жидкости?
2. Почему и как зависит поверхностное натяжение от температуры?
3. В двух одинаковых пробирках находится одинаковое количество капель воды. В одной пробирке вода чистая, в другой с прибавкой мыла. Одинаковы ли объемы отмеренных капель? Ответ обоснуйте.
4. Изменится ли результат вычисления, если диаметр канала трубки будет меньше?
5. Изменится ли результат вычисления поверхностного натяжения, если
опыт проводить в другом месте Земли?
4
Лабораторная работа
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
Цель работы: исследовать электрическое поле конденсатора, разряд
конденсатора и измерить его электроемкость.
Оборудование, средства измерения: электролитический конденсатор на
10 – 30 В, емкостью 2000 мкФ; ампервольтомметр АВО – 63 или микроамперметр на 100 мкА, М-24; вольтметр магнитоэлектрической системы
на 6 В; источник электропитания; резистор на 50 – 100 кОм; секундомер
или часы с секундной стрелкой; ключ замыкания тока; провода соединительные.
18
Теоретическое обоснование
Определение электрического поля как особой формы материи получает
свое обоснование в том, что у электрического поля имеется энергия. Энергия,
как и масса является необходимым свойством вещества и полей – двух форм
материи, изучаемых физикой.
Согласно теории близкодействия энергия любых заряженных тел сосредоточена в электрическом поле этих тел. Поэтому говорят об энергии электрического поля, причем считается, что энергия источников поля - заряженных тел – распределена по всему пространству, где имеется электрическое
поле. Например в плоском конденсаторе энергия сосредоточена в пространстве между его обкладками.
Способ определения емкости конденсатора в данной работе основан на
измерении заряда, отданного конденсатором при разряде. Чтобы определить
заряд, необходимо знать зависимость силы тока при разряде от времени. В
данной работе исследуется эта зависимость, и по полученным данным строится график (рис.1). Площадь, ограниченная графиком и осями координат,
численно равна заряду, отданному конденсатором.
Чтобы вычислить заряд, сначала определяют, какому заряду соответствует на графике площадь квадрата со стороной в 1 см (или 0,5 см), и подсчитывают число таких квадратов на всей площади, ограниченной графиком.
Определив таким приемом заряд и измерив вольтметром разность потенциалов на обкладках конденсатора в начале разряда, определяют емкость по
формуле:
q
С
U
.
Порядок выполнения работы
1. Соберите цепь по схеме, показанной на рис.2. При замкнутом ключе
конденсатор заряжается до разности потенциалов источника напряжения (заряд происходит почти мгновенно, так как сопротивление соединительных
проводов очень мало). Микроамперметр показывает ток, проходящий через
резистор.
I, мкА
4В
V
t, с
mA
Рис.1
Рис.2
2. Разомкните ключ и одновременно включите секундомер. В этом случае источник напряжения отсоединяется от цепи, а ток продолжает идти за
19
счет разряда конденсатора. Через каждые 10 с замечайте силу тока и записывайте ее в таблицу 1.
3. Когда конденсатор полностью разрядится, повторите опыт и снова
через каждые 10 с записывайте в таблицу показания микроамперметра. Вычислите средние значения сил тока:
Iср =
4. По данным таблицы постройте график зависимости силы тока при
разряде конденсатора от времени. По оси абсцисс отложите время в секундах,
а по оси ординат – силу тока в амперах. (Выберите соответствующий масштаб.)
Таблица 1
Время t, с
0
Сила
тока
разряда
I, 10-5А
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
5. Определите, какому заряду в кулонах соответствует на графике площадь в 1 см2. Для этого умножьте время в секундах, соответствующее 1 см по
оси абсцисс, на силу тока в амперах, соответствующую 1 см по оси ординат:
q=
6. Подсчитайте площадь в квадратных сантиметрах, ограниченную графиком и осями координат. Определите заряд, соответствующий всей этой
площади.
7. Зная напряжение и заряд, определите емкость конденсатора, выразив
ее в фарадах и микрофарадах. Сравните эту емкость с емкостью, указанной на
конденсаторе:
С=
8. Данные измерений и вычислений занесите в таблицу 1.
Дополнительное задание
Имея конденсаторы известной емкости (эталоны), можно на опыте убедиться, что емкость конденсатора С прямо пропорциональна числу делений,
на которое отбрасывается стрелка гальванометра:
С = кn.
Отсюда легко определить коэффициент пропорциональности:
κ
С
n
1. Составьте электрическую цепь по схеме, изображенной на рис.3,
включив в нее источник постоянного тока, конденсатор известной емкости,
гальванометр и однополюсный переключатель.
2. Зарядите конденсатор. Для этого соедините его на короткое время с
источником тока. Затем, сосредоточив внимание на стрелке прибора, быстро
переключите конденсатор на гальванометр и заметьте по шкале максимальное
отклонение (отброс) стрелки, отсчитывая на глаз десятые доли деления. Опыт
повторите несколько раз, чтобы точнее заметить показание стрелки, и вычислите коэффициент пропорциональности к.
20
4. Выполните опыт с конденсатором другой емкости и по полученным
данным вычислите среднее значение к. Результаты измерений и вычислений
занесите в таблицу 2.
5. В электрическую цепь включите конденсатор неизвестной емкости Сх
и определите, на сколько делений nx отклоняется стрелка измерительного
прибора в этом случае. Зная коэффициент пропорциональности к вычислите
Сх.
Сх = кnх.
Сх =
Таблица 2
№ п/п
Емкость конденсатора
С, мкФ
Число делений
по шкале гальванометра, n
Коэффициент пропорциональности
κ
1
2
С
n
Среднее значение коэффициента
Кср
Вывод:
Контрольные вопросы
1. Что такое конденсатор?
2. Что понимают под электрическим полем?
3. Почему при включении электролитического конденсатора в цепь
необходимо учитывать его полярность?
4. Как будет влиять на время заряда и разряда конденсатора изменение
напряжения источника, изменение сопротивления резистора?
5
Лабораторная работа
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭДС И ВНУТРЕННЕГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
ИСТОЧНИКА ТОКА
Цель работы: совершенствовать навыки сборки электроцепей; определить ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока.
Оборудование, средства измерения: источник тока, реостат, амперметр,
вольтметр, ключ, соединительные провода.
Теоретическое обоснование
Каждый источник тока характеризуется работой действующих в нем
сторонних сил по перемещению единицы положительного заряда, т.е. определенной ЭДС.
Из формулы закона Ома для замкнутой цепи вытекает:
21
Е = I(R+r).
Если R>>r, то внутренним сопротивлением источника можно пренебречь, и
тогда
Е = IR.
Но из закона Ома для участка цепи известно, что IR – напряжение на
участке цепи, следовательно, измерив вольтметром ЭДС источника, измеряют
и напряжение на концах внешней цепи. Чем больше сопротивление внешней
цепи по сравнению с внутренним сопротивлением источника тока, тем точнее
можно измерить ЭДС. Результаты будут самые точные, если сопротивление
внешней цепи будет бесконечно велико, т.е. если цепь будет разорвана. Следовательно, ЭДС равна напряжению между полюсами источника тока при
разомкнутой цепи. Этот вывод и используется при выполнении данной работы.
Порядок выполнения работы
1. Ознакомьтесь с измерительными приборами и определите цену деления шкалы амперметра и вольтметра.
2. Составьте электрическую цепь по схеме, изображенной на рис.1.
3. После проверки схемы преподавателем замкните цепь и, пользуясь
реостатом, установите в цепи силу тока, соответствующую нескольким делениям шкалы амперметра.
4. Снимите показания амперметра и вольтметра. Цепь разомкните.
I=
;U=
;
5. Вновь замкните цепь и, изменяя сопротивление цепи при помощи
реостата, получите новые показания амперметра и вольтметра. Цепь разомкните.
I=
;U=
;
6. Вычислите ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока, пользуясь соотношением Е = IR+Ir = U+Ir, где R – внешнее, r – внутреннее сопротивление источника.
7. Опыт повторите три раза, вычислите Е и r для каждого случая:
Е1 =
; r1 =
;
Е2 =
; r2 =
;
Е3 =
; r3 =
;
8. Определите среднее значение ЭДС и внутреннего сопротивления источника электрического тока.
Еср =
rср =
9. Измерьте напряжение на зажимах источника тока при разомкнутой
внешней цепи.
U=
10. Сравните показание вольтметра с ЭДС, вычисленной по результатам
измерений.
11. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу.
r
22
A
V
R
Рис.1
Таблица
№
п/п
I, A
U, B
E, B
Eср, B
r, Ом
rср, Ом
Относительная
погрешность
δ
r  rср
rср
 100%
1
2
3
δ=
Вывод:
Контрольные вопросы
1. Что такое электродвижущая сила?
2. Какие условия необходимы для существования тока в цепи?
3. Будет ли зависеть результат измерения вольтметром напряжения на
зажимах источника при разомкнутой внешней цепи от внутреннего сопротивления вольтметра?
4. Во сколько раз уменьшится сила тока в цепи, если проводник сопротивлением R заменить проводником сопротивлением 3R? ЭДС источника
равна Е, а его внутреннее сопротивление r = R.
6
Лабораторная работа
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ МОЩНОСТИ,
ПОТРЕБЛЯЕМОЙ ЛАМПОЙ НАКАЛИВАНИЯ ОТ
НАПРЯЖЕНИЯ НА ЕЕ ЗАЖИМАХ
Цель работы: совершенствовать навыки сборки электроцепей; исследовать зависимость мощности от напряжения, построить график этой зависимости.
23
Оборудование, средства измерения: амперметр, вольтметр, омметр,
реостат, источник тока, лампа, ключ, соединительные провода.
Теоретическое обоснование
Мощность тока равна отношению работы тока за время Δt к этому интервалу времени. На большинстве приборов указана потребляемая ими мощность.
Порядок выполнения работы
1. Определите цену деления шкалы измерительных приборов.
2. Омметром измерьте сопротивление нити лампы при комнатной температуре.
3. Составьте электрическую цепь по схеме, изображенной на рис.1, соблюдая полярность приборов.
4. После проверки схемы преподавателем цепь замкните.
5. С помощью реостата установите наименьшее значение напряжения.
Снимите показания измерительных приборов.
А
V
36 B
Рис.1
6. Постепенно выводя реостат, снимите 8 – 10 раз показания амперметра и вольтметра.
7. Для каждого значения напряжения определите мощность Р = IU, потребляемую лампой; сопротивление нити накалаRT = U/R и температуру ее
накала Т = (RT-R0)/(R0α).
Р1 =
; Р2 =
; Р3 =
;
Р4 =
; Р5 =
; Р6 =
;
Р7 =
; Р8 =
; Р9 =
;
RT1 =
; RT2 =
; RT3 =
;
RT4 =
; RT5 =
; RT6 =
;
RT7 =
; RT8 =
; RT9 =
;
T1 =
; T2 =
; T3 =
;
T4 =
; T5 =
; T6 =
;
T7 =
; T8 =
; T9 =
;
Учитывая небольшую погрешность, сопротивление лампы при комнатной температуре примите за R0. Температурный коэффициент сопротивления
вольфрама равен: α = 0,0050 К-1
8. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу.
Таблица
№
п/п
Напряжение на
лампе
Сила тока
I, A
Мощность, Сопротивление
потребляемая
лампы
Температура
накала
24
U, B
лампой,
Р, Вт
R, Oм
Т, К
1
2
3
4
5
6
7
8
9
9. Постройте график зависимости мощности, потребляемой лампой, от
напряжения на ее зажимах. По оси ординат отложите мощность в ваттах, по
оси абсцисс – напряжение в вольтах.
10. Сделайте вывод о характере зависимости потребляемой мощности
от напряжения.
Вывод:
Контрольные вопросы
1. Каков физический смысл напряжения на участке электрической цепи?
2. Какие способы определения мощности тока вам известны?
3. При каком условии можно получить максимальную мощность от источника, если ЭДС источника и его внутреннее сопротивление постоянны?
4. Лампы, 200-ваттная и 60-ваттная, рассчитаны на одно напряжение.
Сопротивление какой лампы больше и во сколько раз?
25
7
Лабораторная работа
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО
ЭКВИВАЛЕНТТА МЕДИ
Цель работы: освоить методику определения электрохимического эквивалента меди.
Оборудование, средства измерения: весы с гирями, часы, электрическая
плитка, источник тока, реостат, ключ, электроды медные, раствор медного купороса, соединительные провода.
Теоретическое обоснование
Распад молекул на ионы под действием растворителя называют электролитической диссоциацией. Число, показывающее, какую часть всех молекул растворенного вещества составляют молекулы, распавшиеся на ионы,
называется степенью диссоциации.
Жидкий проводник, в котором подвижными носителями зарядов являются только ионы, называют электролитом.
Прохождение электрического тока через электролиты, сопровождающееся химическими превращениями вещества и выделением его на электродах,
называется электролизом.
Ток в электролите подчиняется закону Ома, то есть изменяется прямо
пропорционально напряжению. При нагревании электролитов уменьшается
их вязкость и в них возрастает подвижность ионов. Кроме того, при нагревании электролита возрастает степень диссоциации молекул растворенного вещества, то есть увеличивается количество носителей тока в электролите. Это
означает, что сопротивление электролитов при нагревании уменьшается.
Порядок выполнения работы
1. Тщательно взвесьте электрод, который будет служить катодом.
m1 =
кг.
2. Соберите цепь по схеме, изображенной на рис.1, соединив последовательно батарею, источник тока, амперметр, реостат, сосуд, в который погружены электроды, ключ.
3. Замкните ключ, заметив время начала опыта.
4. Поддерживая с помощью реостата постоянную силу тока, произведите в течении 20 мин. электролиз раствора.
5. Выключите ток, выньте и обмойте электрод водой, затем обсушите
над электроплиткой. Снова тщательно взвесьте катодную пластинку.
m2 =
кг.
6. Используя закон Фарадея для электролиза, определите электрохимический эквивалент меди.
m

It
К=
кг/Кл.
7. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу.
26
№
п/п
m, кг
I, A
Таблица
К, кг/Кл
Δt, c
А
Рис.1
Контрольные вопросы
1. Почему молекулы соли, кислоты и щелочи в воде распадаются на ионы?
2. Почему с повышением температуры сопротивление электролита
уменьшается?
3. Будет ли происходить электролитическая диссоциация в условиях
космического полета?
4. При каких условиях концентрация электролита в процессе электролиза остается постоянной? Меняется?
5. Как следует поступить, если по ошибке при выполнении опыта взвешенная пластинка была соединена с положительным полюсом источника тока?
8
Лабораторная работа
ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Цель работы: совершествовать навыки сборки электроцепей, построить
вольт-амперную характеристику диода, определить коэффициент усиления транзистора.
Оборудование, средства измерения: источник электрической энергии,
миллиамперметр, микроамперметр на 100 – 200 мА, диод Д2, транзистор
ПI3, резисторы (постоянное сопротивление) 1 и 5 кОм, потенциометр 1,2
Мом, провода соединительные, ключ, вольтметр на 4 В, доска монтажная, миллиметровая бумага.
27
Теоретическое обоснование
Полупроводники характеризуются отличной от проводников проводимостью: собственной, дырочной (р-типа) и электронной (n-типа). Если в монокристалл полупроводника, (например, германия) обладающего проводимостью n-типа, впаять каплю полупроводника (например, индия) с проводимостью р-типа, то в области, примыкающей к месту контакта полупроводников,
образуется запирающий слой (р-n-переход), который хорошо проводит ток в
одном направлении (прямом от р к n) и практически не проводит ток в другом
направлении (обратном). Это свойство используется в полупроводниковой
технике.
Порядок выполнения работы
I Проверка односторонней проводимости диода
1. Соберите цепь по схеме, изображенной на рис.1.
2. Включите диод в прямом (пропускном) направлении: отметка «+»
должна быть обращена к плюсу источника ЭДС. Замкните цепь и отметьте
показания миллиамперметра. Цепь разомкните.
I=
3. Включите диод в обратном (запорном) направлении. Цепь замкните и
убедитесь в отсутствии тока в цепи. Цепь разомкните.
4. По результатам наблюдений сделайте соответствующее заключение.
V
mA
mA
Рис.1
Рис.2
II Снятие вольт-амперной характеристики диода
1. Соберите цепь по схеме, изображенной на рис.2. Диод включите в
пропускном направлении.
2. Замкните цепь. Подберите положение движка делителя напряжения
так, чтобы вольтметр показал самое малое напряжение. Снимите показания
измерительных приборов.
3. Перемещайте постепенно движок делителя и снимите не менее семи
значений напряжений и силы тока. Цепь разомкните.
4. Результаты измерений запишите в таблицу 1.
Таблица 1
№ п/п Ток, проходящий через диод, А
Напряжение на диоде, В
28
1
2
3
4
5
6
7
5. По результатам измерений постройте график зависимости силы тока
от напряжения, откладывая по оси ординат силу тока в миллиамперах, а по
оси абсцисс – напряжение в вольтах.
Проверка односторонней проводимости триода
1. Соберите цепь по схеме, изображенной на рис.3. Вывод от базы должен быть обращен к минусу источника тока.
2. Клемму В ключа соедините с эмиттером Э триода и на короткое время замкните цепь, отметьте показание миллиамперметра.
3. Клемму В ключа соедините с коллектором К триода и на короткое время заА В
мкните цепь, отметьте показание миллиамК
Э
перметра.
1кОм
4. Проверьте работу триода в обратном
направлении. Для этого вывод базы соединиБ
те с зажимом «+» источника электрической
энергии, а клемму А ключа – с зажимом «-»
mA
(рис.4).
5. Повторите пункты 2 и 3.
Рис.3
6. По результатам наблюдений сделайте вывод.
А В
К
Э
1кОм
Б
mA
Рис.4
Вывод:
Контрольные вопросы
1. В чем различие проводимости проводников и полупроводников?
2. Как объяснить уменьшение удельного сопротивления полупроводника при уменьшении температуры?
3. Что является в схеме триода входной цепью, а что выходной?
29
4. Как следует включить в цепь транзистор, чтобы он действовал и как
диод в прямом направлении?
5. Что показывает вольт-амперная характеристика диода?
9
Лабораторная работа
ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ
Цель работы: доказать экспериментально правило Ленца, определяющее
направление тока при электромагнитной индукции.
Оборудование, средства измерения: дугообразный магнит, катушкамоток, миллиамперметр, полосовой магнит.
Теоретическое обоснование
Согласно закону электромагнитной индукции, ЭДС электромагнитной
индукции в замкнутом контуре численно равна и противоположна по знаку
скорости изменения магнитного потока Ф через поверхность, ограниченную
этим контуром.
Еi = -Ф’.
Для определения знака ЭДС индукции (и соответственно направления
индукционного тока) в контуре это направление сравнивается с выбранным
направлением обхода контура.
Направление индукционного тока (так же как и величина ЭДС индукции) считается положительным, если оно совпадает с выбранным направлением обхода контура, и считается отрицательным, если оно противоположно
выбранному направлению обхода контура. Воспользуемся законом электромагнитной индукции для определения направления индукционного тока в
круговом проволочном витке площадью S0. Предположим, что в начальный
момент времени t1 = 0 индукция магнитного поля В1 в области витка равна
нулю (рис.1,а). В следующий момент времени t2 = τ виток перемещается в область магнитного поля, индукция которого В2 направлена перпендикулярно
плоскости витка к нам (рис.1, б).
t1 = 0
t2 = τ
В1 = 0
30
S0
а)
б)
Рис.1
За направление обхода контура выберем направление по часовой стрелке. По правилу буравчика вектор площади контура S0 будет направлен от нас
перпендикулярно площади контура.
Магнитный поток Ф1, пронизывающий контур в начальном положении
витка, равен нулю (В1 = 0):
Ф1 = 0.
Магнитный поток в конечном положении витка
Ф2 = В2·S0 соs 180º = -B2S0.
Изменение магнитного потока в единицу времени
' 
 2  1

2 S0
 0.


Значит, ЭДС индукции, согласно закона электромагнитной индукции,
будет положительной:
 S
 i  2 0  0.

Это означает, что индукционный ток в контуре будет направлен по часовой стрелке. Соответственно, согласно правилу буравчика для контурных
токов, собственная индукция Вi на оси такого витка будет направлена против
индукции внешнего магнитного поля (рис. 1, б).
Согласно правилу Ленца, индукционный ток в контуре имеет такое
направление, что созданный им магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром, препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот ток.
Индукционный ток наблюдается и при усилении внешнего магнитного
поля в плоскости витка без его перемещения. Например, при вдвигании полосового магнита в виток возрастает внешнее магнитное поле В и магнитный
поток, его пронизывающий. Это приведет к возникновению индукционного
тока Ii такого направления, что Вi↑↓B.
Дугообразный магнит вдвигают северным полюсом в катушку-моток,
присоединенную к миллиамперметру. Направление и величину индукционного тока в катушке определяют по знаку и величине отклонения стрелки миллиамперметра.
Результаты данного эксперимента фиксируют в таблице 1. Здесь IA –
показания миллиамперметра, которые считаются положительными при отклонении стрелки вправо.
Таблица 1.
31
Направление обхода контура
S0
В1
В2
(В2>B1)
+
Ф1
Ф2
ΔФ = Ф2-Ф1
Еi
(знак)
Ii
(напр.)
IA
-B1S0
-B2S0
-(B2 –B1)S0<0
+
+
+15
мА
Порядок выполнения работы
1. Катушку-моток 2 подключите к зажимам миллиамперметра.
2. Северный полюс дугообразного магнита внесите в катушку вдоль ее
оси. В последующих опытах полюса магнита перемещайте с одной и той же
стороны катушки, положение которой не изменяется.
Проверьте соответствие результатов опыта с таблицей 1.
3. Удалите из катушки северный полюс дугообразного магнита. Результаты опыта представьте в таблице 2.
Направление обхода контура
Таблица 2.
S0
В1
В2
(В2>B1)
Ф1
Ф2
ΔФ = Ф2-Ф1
Еi
(знак)
Ii
(напр.)
IA
4. Внесите в катушку южный полюс дугообразного магнита. Результаты
опыта представьте в таблице 3.
Таблица 3.
32
Направление обхода контура
S0
В1
В2
(В2>B1)
Ф1
Ф2
ΔФ = Ф2-Ф1
Еi
(знак)
Ii
(напр.)
IA
5. Удалите из катушки южный полюс дугообразного магнита. Результаты опыта представьте в таблице 4.
Направление обхода контура
Таблица 4.
S0
В1
В2
(В2>B1)
Ф1
Ф2
ΔФ = Ф2-Ф1
Еi
(знак)
Ii
(напр.)
IA
Вывод:
Дополнительное задание. Качественно проверить зависимость
ЭДС индукции от модуля вектора магнитной индукции и скорости движения
проводника.
1. Внесите в катушку вдоль ее оси два магнита – полосовой и дугообразный 4, сложенные вместе одноименными полюсами. Запишите величину и
знак индукционного тока.
IA1 =
2. Повторите предыдущий опыт, вдвигая магниты в катушку с большей
скоростью. Запишите величину и знак индукционного тока.
33
IA2 =
Вывод:
10
Лабораторная работа
ИЗУЧЕНИЕ УСТРОЙСТВА И РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРА
Цель работы: отработать навыки сборки электрических цепей, работы
с электроизмерительными приборами; научиться определять коэффициент
трансформации.
Оборудование, средства измерения: трансформаторы на вертикальных панелях с одинаковым и разным количеством обмоток (по 1 шт.), источник электрической энергии на 4 В (выпрямитель В – 24 М), вольтметры переменного тока до 4 (2 шт.) и 120 В, амперметры переменного тока до 2 и 6 А,
ключ, соединительные провода.
Теоретическое обоснование
В радиотехнике, электротехнике, электронике широко используют
трансформатор. Внешний вид и схема одного из них (простейшего) показана
на рис. 1
Основные элементы любого трансформатора: сердечник (магнитопровод); набирается из отдельных тонких изолированных друг от друга листов
магнитомягкой стали, две обмотки с разным числом витков: с небольшим количеством витков n1 толстой проволоки и с большим количеством витков n2
тонкой проволоки.
Переменный ток обмотки, соединенной с источником электрической
энергии (первичная обмотка), создает в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток, который в каждом витке обмоток возбуждает ЭДС индукции е.
34
Рис.1
Поэтому ЭДС индукции в первичной обмотке Е1 = n1e, во вторичной
обмотке Е2 = n2e, а Ε 1  n 2 .
Ε2
n1
Если цепь вторичной обмотки разомкнута, в первичной обмотке течет
слабый ток I0 – ток холостого хода, не превышающий 5 % номинального. Падение напряжения ΔU = I0 R в первичной обмотке с сопротивлением R очень
мало и приложенное к этой обмотке напряжение U1 лишь немного больше
Е1:U1 ≈ E1
Напряжение на концах вторичной обмотки U2 = E2. Следовательно для
холостого хода трансформатора U2/U1 = n2/n1. Отношение n2/n1 = k - коэффициент трансформации. При к > 1 трансформатор повышает напряжение; при к
< 1 – понижает напряжение. При замыкании цепи вторичной обмотки переменный ток этой обмотки I2 согласно закону Ленца, создает в сердечнике
магнитный поток противоположного магнитному потоку первичной обмотки
направления. Магнитный поток в сердечнике ослабляется. Это приводит к
ослаблению Е1 в первичной обмотке и возрастанию тока в ней до I1. Ток возрастает пока магнитный поток в сердечнике трансформатора не станет прежним.
Обмотки пронизываются с почти одинаковым магнитным потоком Ф (Ф
= In ) поэтому I1 n1 = I2n2, a I2/I1 = n1/n2
Порядок выполнения работы
1. Составьте электрическую цепь по схеме, изображенной на рис. 2.
2. После проверки цепи преподавателем замкните ключ, пронаблюдайте
работу электрической цепи и сделайте вывод.
3. Составьте электрическую цепь по схеме, изображенной на рис.3.
4. После проверки цепи преподавателем замкните ключ, пронаблюдайте
работу электрической цепи.
5. Снимите показания измерительных приборов и занесите их в таблицу.
6. Определите коэффициент трансформации и сделайте вывод.
35
4В
4В
Рис.2
Рис.3
Таблица
№ п/п
Сила тока в обмотках
Первичной
I1, A
Вторичной
I2, A
Напряжение на концах обмоток
Первичной
Вторичной
U1, B
U2, B
Коэффициент
трансформации
к
Дополнительное задание
Передача электрической энергии на расстоянии
Оборудование, средства измерения: трансформаторы на вертикальной
панели (2 шт.), источник переменного напряжения на 4 В (В – 24 М), лампочка на патроне на 3; 5 В, реостат, ключ, соединительные провода.
Порядок выполнения работы
1. Составьте электрическую цепь по схеме, изображенной на рис. 4.
2. Замкните ключ и, изменяя положение движка реостата, получите минимальный накал лампы.
3. Составьте электрическую цепь по схеме, изображенной на рис. 5,
установив в этой цепи реостат с прежним сопротивлением (положение его
скользящего контакта не менять).
4В
Рис.4
Рис.5
36
4. Замкните ключ, пронаблюдайте работу установки. Сравните накал
ламп с накалом предыдущего опыта и сделайте вывод.
Вывод:
Контрольные вопросы
1. Расскажите о назначении, устройстве, принципе действия трансформатора.
2. С какой целью магнитопровод набирается из тонких изолированных
пластин электротехнической стали?
3. Каков КПД современных трансформаторов?
4. С какой целью для передачи электрической энергии используют
трансформатор? Ответ обоснуйте.
5. Кто является изобретателем трансформатора? Кем впервые была решена задача передачи электроэнергии без больших потерь?
11
Лабораторная работа
ИЗМЕРЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СТЕКЛА
Цель работы: измерить показатель преломления стекла с помощью
плоскопараллельной пластинки.
Оборудование, средства измерения: плоскопараллельная пластинка со
скошенными гранями, линейка измерительная, угольник.
Теоретическое обоснование
Метод измерения показателя преломления с помощью плоскопараллельной пластинки основан на том, что луч, прошедший плоскопараллельную
пластинку, выходит из нее параллельно направлению падения.
Согласно закону преломления показатель преломления среды
37
sinα
n
.
(1)
sinβ
Для вычисления sin α и sin β на листе бумаги проводят две параллельные прямые АВ и СD на расстоянии 5 – 10 мм друг от друга и кладут на них
стеклянную пластинку так, чтобы ее параллельные грани были перпендикулярны этим линиям. При таком расположении пластинки параллельные прямые не смещаются (рис.1, а).
Располагают глаз на уровне стола и, следя за прямыми АВ и СD сквозь
стекло, поворачивают пластинку вокруг вертикальной оси против часовой
стрелки (рис.1, б). Поворот осуществляют до тех пор, пока луч QC не будет
казаться продолжением BM и MQ.
Для обработки результатов измерений обводят карандашом контуры
пластинки и снимают ее с бумаги. Через точку М проводят перпендикуляр
О1О2 к параллельным граням пластинки и прямую MF.
О1
А N
M
C Q
P
B
L2
М
A
D
L1 B
Q
C
F
E1
D
E2
O2
а)
б)
Рис.1
Затем на прямых ВМ и МF откладывают равные отрезки МЕ1 = МL1 и
опускают с помощью угольника из точек L1 и Е1 перпендикуляры L1L2 и Е1Е2
на прямую О1О2. Из прямоугольных треугольников L1L2М и Е1Е2М находим
sin α и sin β:
LL
sinα  1 2
ML1
sinβ 
E1E 2
ME 1
Следовательно,
L1 L 2
,
(2)
E1E 2
то есть измерение коэффициента преломления сводится к измерению линейкой длин отрезков L1L2 и Е1Е2.
Отметим, что можно с помощью циркуля построить окружность с центром в точке М и радиусом МЕ, а затем построить треугольники L1L2М и
Е1Е2М.
n
38
Аналогичные построения можно сделать и при повороте плоскопараллельной пластинки по часовой стрелке и найти второе числовое значение показателя преломления стекла. Тогда за окончательный результат берут их
среднее значение.
Порядок выполнения работы
1. Положите плоскопараллельную пластинку на параллельные прямые
АВ и СD.
А
В
С
D
а) Сначала ориентируйте параллельные грани пластинки перпендикулярно АВ и СD. Убедитесь, что параллельные линии при этом не смещаются.
б) Расположите глаз на уровне стола и, следя за линиями АВ и СD
сквозь стекло, поворачивайте пластинку вокруг вертикальной оси против часовой стрелки до тех пор, пока луч QC не будет казаться продолжением ВМ и
МQ.
2. Обведите карандашом контуры пластинки, после чего снимите ее с
бумаги.
3. Через точку М (см.рис.1, б) проведите с помощью угольника перпендикуляр О1О2 к параллельным граням пластинки и прямую МF (продолжение
МQ).
4. С центром в точке М проведите окружность произвольного радиуса,
отметьте на прямых ВМ и МF точки L1 и Е1 (МL1 = ME1).
5. Опустите с помощью угольника перпендикуляры из точек L1 и Е1 на
прямую О1О2.
6. Измерьте линейкой длину отрезка L1L2.
L1L2 = а =
; Δа =
7. Запишите окончательный результат измерения.
а ± Δа =
8. Измерьте линейкой длину отрезка Е1Е2.
Е1Е2 = b =
; Δb =
39
9. Запишите окончательный результат измерения.
b ± Δb =
10. Рассчитайте показатель преломления стекла по формуле (2).
LL
a
n 1 2  
E1E 2 b
11. Найдите абсолютную погрешность измерения показателя преломления стекла.
 Δa Δb 
Δn  n ε  n 

  bΔΔ aΔΔ 
a
b


12. Запишите окончательный результат измерения коэффициента преломления стекла.
n ± Δn =
Дополнительное задание. Измерить показатель преломления
стекла при повороте плоскопараллельной пластинки по часовой стрелке.
А
В
С
D
1. L1L2 =
2. E1E2 =
3.
n
L1 L 2

E1E 2
4. Найдите среднее арифметическое значение показателя преломления
стекла по результатам двух измерений.
n=
Вывод:
40
12
Лабораторная работа
НАБЛЮДЕНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ И ДИФРАКЦИИ СВЕТА
Цель работы: изучить характерные особенности интерференции и дифракции света.
Часть I
Наблюдение интерференции света
Оборудование, средства измерения: спички, спиртовка, комочек ваты
на проволоке в пробирке, смоченной раствором хлорида натрия, проволочное
кольцо с ручкой, стакан с раствором мыла, трубка стеклянная, пластинки
стеклянные – 2 шт., СD – диск.
Теоретическое обоснование
Для наблюдения интерференции при монохроматическом излучении в
пламя спиртовки вносят комочек ваты, смоченной раствором хлорида натрия.
При этом пламя окрашивается в желтый цвет. Опуская проволочное кольцо в
раствор мыла, получают мыльную пленку, располагают ее вертикально и рассматривают на темном фоне при освещении желтым светом спиртовки.
Наблюдают образование темных и желтых горизонтальных полос (рис.2) и
изменение их ширины по мере уменьшения толщины пленки.
В тех местах пленки, где разность хода когерентных лучей равна четному числу полуволн, наблюдаются светлые полосы, а при нечетном числе
полуволн – темные полосы.
При освещении пленки белым светом (от окна или лампы) возникает
окрашивание светлых полос: вверху – в синий цвет, внизу – в красный. С помощью стеклянной трубки на поверхности мыльного раствора выдувают небольшой мыльный пузырь. При освещении его белым светом наблюдают
образование цветных интерференционных колец. По мере уменьшения
толщины пленки кольца, расширяясь, перемещаются вниз.
Интерференция наблюдается и при рассмотрении контактной поверхности двух сжатых друг с другом стеклянных пластинок.
41
Из-за неидеальности формы соприкасающихся поверхностей между
пластинками образуются тончайшие воздушные пустоты, дающие яркие радужные кольцеобразные или замкнутые неправильной формы полосы.
При изменении силы, сжимающей пластинки, расположение и форма
полос изменяются как в отраженном, так и в проходящем свете.
Особенно наглядно явление интерференции отраженных световых лучей наблюдается при рассмотрении поверхности СD – диска.
Часть II
Наблюдение дифракции света
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
На капроновой ткани можно наблюдать дифракционную картину. В капроновой ткани имеется два выделенных
взаимно перпендикулярных направления. Поворачивая
ткань вокруг оси, смотрят сквозь ткань на нить горящей
лампы, добиваясь четкой дифракционной картины в виде
двух скрещенных под прямым углом дифракционных полос
(дифракционный крест). В центре креста виден дифракционный максимум белого цвета, а в каждой полосе – по нескольку цветов.
Рис.4
42
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?
43
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.
44
Вывод:
13
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),
sinα m 
mλ
.
d
(3)
45
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 х m. 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
1  0,4
sinα1 
 0,04,aα1  2,29.
10
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:
λ
х md
.
mF
(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
хm
F

,
Χ m L l
Где l – расстояние от глаза до дифракционной решетки. Считая l<<L,
получаем
x
F  m  L.
(5)
Χm
Подставляя F в формулу (4), получаем расчетную формулу для вычисления длины волны света с помощью дифракционной решетки:
Χ d
λ m .
(6)
mL
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.
46
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
Χ / 1ф  Χ // 1ф
Χ1ф 
2
и длину волны фиолетового света по формуле (6):
λф 
Χ1ф  d
L
.
(7)
Аналогично измеряют длину волны красного света:
Χ1к  d
.
L
λк 
(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:
Χ 2ф
Χ / 2 ф  Χ // 2 ф

2
и длину волны фиолетового света по формуле (6):
λф 
Χ 2ф  d
.
2L
Аналогично измеряют длину волны красного света:
(9)
Χ2к  d
(10)
.
2L
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
λк 
47
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.
Χ1ф 
Χ / 1ф  Χ // 1ф
=
2
6. Вычислите длину волны фиолетового света по формуле (6).
Χ 1ф  d
λ 1ф 

L
7. Повторите измерения и расчет модуля отклонения и длины волны
красного света.
Χ / 1 k  Χ // 1 k
/
//

Х 1k =
; X 1k =
; Χ1к 
;
2
λ1к 
Χ1 к  d

L
8. Повторите измерения и расчет модуля отклонения и длины волны
фиолетового света для максимумов второго порядка.
Х'2ф =
;Х
//
2ф =
;
Χ 2ф
Χ / 2 ф  Χ // 2 ф
=

2
9. Найдите длину волны фиолетового света по формуле (9).
Χ 2ф  d
λ 2ф 

2L
10. Проделайте измерения и расчет модуля отклонения и длины волны
красного света для максимумов второго порядка.
Х 2к =
/
;Х
//
2к
; Χ2к 
=
λ 2к 
Χ / 2 к  Χ // 2 к

2
;
Χ2к  d

2L
11. Получите окончательный результат измерения длины волны красного света как среднее арифметическое значений λ1к, λ2к.
λк =
48
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 =
;
Χ 1ф  d
λ 1ф 
4. Х/1к =
L
; Х//1к =
λ1к 
5. Х/2ф =
; Х//2ф =
6. Х/2к =
8. λ 
к
Χ 2ф  d
2L
; Х//2к =
λ 2к 
λ 1ф  λ 2 ф
2
λ1к  λ 2 к
2
; Х1к =
;
; Х2ф =
;
Χ1 к  d

L
λ 2ф 
7. λ ф 


; Х2к =
;
Χ2к  d

2L


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?
49
4. В каких точках экрана получается световой минимум?
14
Лабораторная работа
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,
mv 2
hν  Α вых 
.
(1)
2
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
mv мах
 еU з .
(2)
2
-19
где е = 1,6·10 Кл – заряд электрона.
50
K
A
mA
Рис.1
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).
51
Авых =
8. Выразите работу выхода в электрон-вольтах.
Авых =
9. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу 1.
Таблица 1.
Номер
опыта
Частота из- Сила фо- Напряжение, Максимальная
Работа
лучения
тотока
подаваемое
энергия фото- выхода
ν, Гц
Iф, А
на фотоэле- электронов
Авых, Дж
мент U, B
Ек, 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.
52
5. Какое уравнение дает теоретическое обоснование законам фотоэффекта? Запишите его. На основании какого закона это уравнение записывается?
15
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
53
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.
54
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?
16
Лабораторная работа
ИЗУЧЕНИЕ ТРЕКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
(ПО ГОТОВЫМ ФОТОГРАФИЯМ)
55
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
mv 2
ma n  FЛ, или
 qvB,
R
где В – индукция внешнего магнитного поля.
Тогда
q
v

.
m BR 1
Для протона аналогично
е
v

.
m p BR 2
(1)
56
(2)
Отношение удельных зарядов обратно пропорционально отношению
радиусов треков:
q/m R 2

.
e/m p R 1
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
О
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.
4
2
Не  147 N AZ X  11 p .
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.
57
4. Измерьте радиус R2 трека протона на фотографии.
5. Сравните удельные заряды неизвестной частицы и протона.
q/m R 2


e/m p R 1
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?
58
4. Назовите формулу кинетической энергии частиц, сформулируйте закон сохранения энергии.
59