5.Описание экспериментальной установки.

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

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

Рис.3.

3 1

1

4 8 визир

2

5 9

Рис. 4

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

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

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

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

Разъем 5 для измерения токов до10 А.

Показания прибора снимаются с цифрового дисплея 2.

6. Порядок выполнения работы.

Задача 1. Экспериментальное подтверждение формулы Планка.

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

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

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

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

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

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

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

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

после чего закрепите приемник винтом.

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

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

R = R_эт^. U_лн/U₁.

Результаты измерений занесите в таблицу 1. Рассчитайте R₀.

Таблица 1.

U1,мВ
Uлн,мВ
R, Ом

R₀ = R/n = ^…. Ом при Т₀ = ^…. К.

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

Рис.6

Таблица 2

Uлн,мВ
U1,мВ

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

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

Т = В + R ( Т₀ – В)/R₀, где В = 50 К.

Фототок равен: I_ф=К(U_ф - U_темн ).

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

Таблица 3.

№	U1 В	Uлн, В	R, Ом	T, К	1/T, 103 м-1К-1	Uф, мВ	Uтёмн, мВ	К, мкА/В	Iф, мА	ln Iф,
1
2
3
4
5
6
7
8

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

q = .

13.Рассчитать

h/к = q/с = ^…

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

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

16.Представить окончательный результат в виде:

h/к = ( h/к  (h/к) ) = ^…  ^… К^.с.

Задача 2. Закон Стефана- Больцмана.

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

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

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

Т = В + R( T₀ – B )/ R₀, где В = 50 К.

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

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

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

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

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

Таблица 4.

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

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

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

tg  = …

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

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

 а  = …