МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ, молодЕЖИ И спортА

УКРАИНЫ

УКРАИНСКАЯ ИНЖЕНЕРНО-ПЕДАГОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

Кафедра физики, теоретической и общей электротехники

Физика

«КВАНТОВАЯ ОПТИКА. АТОМНАЯ ФИЗИКА. ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА»

Методические указания к лабораторным работам А1 – А5

Для иностранных студентов дневной и заочной форм обучения всех специальностей

Утверждено

Научно-методическим советом

Украинской инженерно-

педагогической академии

протокол № 2 от 11.10.11

Харьков 2011

УДК 531:534 (076.5)

«ФИЗИКА: «КВАНТОВАЯ ОПТИКА. АТОМНАЯ ФИЗИКА. ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА», методические указания к лабораторным роботам А1 – А5 для иностранных студентов дневной и заочной форм обучения всех специальностей /Сост. Д.В. Руденко, Е.В. Шуринова, И.В. Компанеец – Х.: УИПА, 2011. - 28 с.

В методических указаниях рассмотрены вопросы раздела «Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела» второй части курса общей физики. Материал методических указаний соответствует типовым программам по физике для иностранных студентов инженерных и инженерно-педагогических специальностей.

Рецензент: к.физ.-мат. н., доц. Хохлов В.И.

© Руденко Д. В., 2011 © Шуринова Е. В., 2011 © Компанеец И.В., 2011 © УИПА, 2011

Содержание

Лабораторная работа А-1.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННЫХ В ЗАКОНАХ

СТЕФАНА-БОЛЬЦМАНА И ВИНА С ПОМОЩЬЮ

ОПТИЧЕСКОГО ПИРОМЕТРА………………………..................................4

Лабораторная работа А-2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА…….……………………........8

Лабораторная работа А-3

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СЕЛЕНОВОГО

ВЫПРЯМИТЕЛЯ………………...…………………………………….........12

Лабораторная работа А-4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ШИРИНЫ ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЫ ПОЛУПРО-ВОДНИКА С ПОМОЩЬЮ МОСТИКОВОЙ СХЕМЫ…………...............16

Лабораторная работа А-5

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ТЕРМОСОПРОТИВЛЕНИЙ……………...............23

Лабораторная работа А-1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННЫХ В ЗАКОНАХ СТЕФАНА-БОЛЬЦМАНА И ВИНА С ПОМОЩЬЮ ОПТИЧЕСКОГО

ПИРОМЕТРА

1.1. Цель работы

Изучение работы оптического пирометра с исчезающей нитью и измерение с его помощью температуры нагретого тела. Определение постоянной Стефана-Больцмана и постоянной в законе смещения Вина.

1.2. Общие положения

Тепловое излучение – это электромагнитное излучение тел, обусловленное их нагреванием. Тепловое излучение осуществляется за счет хаотического теплового движения составляющих тело частиц.

Температура раскаленных тел обычно определяется методами, основанными на законах излучения абсолютно черного тела. Абсолютно черным телом называется тело, поглощающее всю падающую на него энергию.

Приборы, измеряющие температуру тела по его излучению, носят название оптических пирометров. В пирометре с исчезающей нитью помещен эталон яркости, для которого заранее с помощью сравнения с искусственным черным телом установлена зависимость яркости от температуры. Яркость тела, температура которого измеряется, сравнивается с яркостью эталона в монохроматическом свете длины волны λ, равной 6,5 · 10^-7 м. Таким эталоном в оптическом пирометре служит нить специальной электрической лампы накаливания, называемой пирометрической. Оптическая система пирометра позволяет рассматривать нить на фоне изображения светящегося тела. Регулируя ток накала в нити пирометрической лампы, можно довести ее яркость до яркости светящегося тела – нить становится не видна на его фоне. Можно считать, что при равенстве их монохроматических яркостей равны и температуры. Однако это утверждение справедливо только в том случае, когда тело, температура которого измеряется, излучает как абсолютно черное. Если же оно излучает иначе, то его температура, определенная по равенству монохроматических яркостей, отличается от истинной температуры. Для нечерных тел найденная таким способом температура будет называться яркостной. Такая температура всегда ниже термодинамической температуры тела; это объясняется тем, что любое реальное тело излучает меньше, чем абсолютно черное тело при одной и той же температуре. Следовательно, реальное тело, обладающее в данный момент одинаковой монохроматической яркостью с некоторым черным телом, имеет термодинамическую температуру выше температуры черного тела, т. е. выше той яркостной температуры, которая определяется с помощью нити пирометра, прокалиброванной по излучению абсолютно черного тела.

От яркостной температуры можно перейти к истинной температуре расчетным путем, если известно отношение яркостей данного тела и абсолютно черного тела для выбранной длины волны излучения и определенного интервала температур. Это отношение называется коэффициентом монохроматической излучательной способности . Величина имеет свое определенное значение для каждого материала.

Связь между яркостной и термодинамической температурами устанавливается соотношением

,

(1.1)

откуда определяется истинная термодинамическая температура тела

,

(1.2)

где С₁ – комбинация универсальных постоянных Планка, Больцмана и скорости света:

,

– длина световой волны (в нашем случае м); – яркостная температура тела, непосредственно измеренная пирометром с исчезающей нитью; – термодинамическая температура тела.

Закон Стефана-Больцмана для излучения абсолютно черного тела имеет вид

,

где – энергетическая светимость или излучательность; – постоянная Стефана-Больцмана; – абсолютная температура.

Закон смещения Вина можно записать так:

,

где – длина волны; – постоянная Вина.

Если излучение абсолютно черного тела, нагретого до температуры , происходит в среде, имеющей абсолютную температуру , то закон Стефана-Больцмана примет вид

.

(1.3)

Энергетическая светимость реального физического тела всегда меньше энергетической светимости абсолютно черного тела. Поэтому для нечерного тела закон Стефана-Больцмана:

,

(1.4)

где коэффициент черноты зависит от природы тела, состояния его поверхности и температуры, а закон смещения Вина для реального тела можно записать, как

.

(1.5)

Таким образом, измерив энергетическую светимость , температуры и , и зная , , , можно рассчитать численное значение постоянной в законе Стефана-Больцмана по формуле (1.4) и значение постоянной в законе Вина по выражению (1.5).