random books / коллектив авторов - Оптика и квантовая физика _ лаб. практикум по физике

было повернуть по часовой стрелке. Все рисунки, помещенные на одной странице, должны иметь однотипное расположение.

Рисунки могут иметь пояснительные данные (подрисуночный текст). Наиболее часто в качестве подрисуночного текста выступает экспликация использованных в иллюстрации условных графических, числовых и буквенных обозначений. Поясняющие данные располагают под иллюстрацией так, чтобы номер рисунка и название располагались ниже поясняющих данных.

Диаграммой считается графическое изображение любой зависимости между физическими или иными величинами

В прямоугольной системе координат независимую переменную следует откладывать на горизонтальной оси (оси абсцисс). Положительные значения величин откладывают на осях, как правило, вправо и вверх от точки начала отсчета.

Значения переменных величин откладывают на осях координат в линейном или нелинейном (например, логарифмическом) масштабах изображений. Масштаб для каждого направления координат может быть разным. В качестве шкалы используют координатную ось или линию координатной сетки, которая ограничивает поле диаграммы.

Рядом с делениями сетки или делительными штрихами, соответствующими началу и концу шкалы, должны быть указаны значения величин. Нуль следует указывать один раз у точки пересечения шкал, если он является началом отсчета шкал. Частоту нанесения числовых значений и промежуточных делений шкал следует выбирать с учетом удобства пользования диаграммой.

Числа у шкал следует размещать вне поля диаграммы и рас­ полагать горизонтально, при необходимости допускается наносить их у шкал внутри поля диаграммы. Многозначные числа выражают как кратные 10-и (где п - целое число) для выбранного диапазона шкалы. Например, число 12000 выражают в виде 1,2x104. Значение 1,2 наносят на шкалу, а множитель х104 помещают у края шкалы перед единицей физической величины.

Оси координат, оси шкал, ограничивающие поле диаграммы, следует выполнять сплошными основными линиями. Линии координатной сетки и делительные штрихи - сплошной тонкой линией. Допускается выполнять линии сетки, соответствующие кратным графическим интервалам, сплошной линией удвоенной толщины.

20

На диаграмме одной функциональной зависимости ее изображение следует выполнять сплошной линией удвоенной толщины. Допускается изображать функциональную зависимость сплошной линией меньшей толщины (толстой или тонкой) в случае необходимости обеспечения точности отсчета.

При изображении на одной диаграмме нескольких зависимостей допускается изображать их линиями различных типов, например, сплошной и штриховой.

Характерные точки линий функциональной зависимости (т. е. обозначенные числами, буквами, символами и т.п.) допускается изображать кружком.

Точки диаграммы, полученные измерением или расчетом, обозначают графически кружком, крестиком и т.п., разъясняют в подрисуночном тексте, размещаемом между диаграммой и номером содержащего ее рисунка. Допускается также давать разъяснения в свободном поле диаграммы.

Пересечение надписей и линий не допускается. При недостатке места следует прерывать линию.

Переменные величины следует указывать одним из следующих способов: буквенным символом; словесным наименованием; словесным наименованием и буквенным символом; математическим выражением функциональной зависимости.

Вдиаграмме без шкал обозначения величин следует размещать вблизи стрелки, которой заканчивается ось.

Вдиаграмме со шкалами обозначения величин следует размещать

усередины шкалы с ее внешней стороны, а при объединении символа с обозначением единицы измерения - в виде их дроби в конце шкалы, после последнего числа.

Если на общей диаграмме изображаются две или более функциональные зависимости, у линий, изображающих зависимости, допускается проставлять наименования или (и) символы соответс­ твующих величин или порядковые номера. Символы и номера должны быть расшифрованы в подрисуночном тексте.

Единицы физических величин следует наносить одним из следующих способов:

а) в конце шкалы, между последним и предпоследним числами шкалы. При недостатке места допускается не наносить предпоследнее число;

21

б) вместе с наименованием переменной величины после запятой; в) в конце шкалы после последнего числа вместе с обозначением

переменной величины в виде дроби, в числителе которой наносят обозначение переменной величины, а в знаменателе - обозначение ее единицы.

Диаграммы для информационного (чисто качественного) оформления функциональных зависимостей допускается выполнять без шкал значений величин. При этом оси координат следует заканчивать стрелками, указывающими направление возрастания значений физической величины. При этом не следует указывать также единицы измерения физических величин, поскольку при отсутствии шкал физических величин никакое числовое значение физической величины не может быть отсчитано с оси координат.

Втех случаях, когда студенты используют для оформления диаграмм компьютер с тем или иным математическим пакетом (например, MATHCAD; MATLAB; MAPLE V; AXUM; CTATISTICA; MATHEMATICA и т.п.), допускается в качестве иллюстраций вклеивать распечатки диаграмм, выполненные в стандарте данного пакета и отличающиеся стилем оформления от изложенного в данном разделе.

Входе выполнения лабораторной работы в отчете по ней появляются разнообразные ошибки и неточности, требующие внесения изменений в отчет. Внесение изменений приводит к ухудшению качества оформления отчета. В случае, если вносимые изменения многочисленны и небрежны преподаватель может не допустить такой отчет к защите, не засчитать выполнение лабораторной работы, либо не допустить студента к опросу и лишить допуска к выполнению экспериментальной части лабораторной работы. Для того чтобы внесение изменений не вызывало существенного ухудшения качества отчета, эти изменения следует осуществлять одним из следующих способов:

-путем удаления листов отчета, содержащих ошибочные сведения, и добавления в него листов с уточненными данными;

-путем замазывания элементов, содержащих ' ошибочные сведения, специальными замазками белого цвета (например, типа "штрих") и добавлением уточненных данных в свободном поле отчета, в непосредственной близости к исправляемым материалом;

-путем обведения элементов, содержащих ошибочные сведения, сплошной тонкой линией, перечеркиванием их крест-накрест двумя сплошными тонкими линиями и добавлением уточненных данных в

22

свободном поле отчета, в непосредственной близости к исправляемым материалам;

-вклеиванием иллюстраций взамен ошибочных;

-стиранием карандашных линий чертежными резинками и внесением изменений непосредственно по исправляемому месту.

Не допускаются:

-внесение более двух исправлений на страницу (лист) отчета;

-подчистка (подрезание) листа острыми предметами, за исключением случаев оформления отчета на листах ватмана;

-стирание элементов, выполненных чернилами, пастой шариковых ручек, тушью, красками;

-внесение уточняющих данных на полях отчета;

-внесение уточняющих данных на расстоянии ближе, чем в 2 мм от остального текста;

-запись уточняющего текста с поворотом строк по отношению к основному тексту;

-запись уточняющего текста способом, отличающимся от записи исправляемого текста (например, написание чернилами текста, уточняющего исправляемый текст, написанный шариковой ручкой или чернилами другого цвета);

-запись уточняющего текста с высотой символов менее 2 мм. Внесение уточнений не должно нарушать последовательности

изложения и восприятия материалов отчета.

1.3Контрольные мероприятия

Кконтрольным мероприятиям относятся собеседование перед началом выполнения лабораторной работы и защита отчета по работе

вконце ее.

Собеседование проводится в начале аудиторного занятия для проверки качества домашней подготовки студентов к выполнению лабораторной работы, включая глубину теоретических знаний по теме работы, а также владение методикой экспериментальной проверки положений теории.

Как правило, собеседование проводится в форме опроса. В теоретическом плане опрос предполагает владение ответами на контрольные вопросы. В прикладном плане опрос ориентируется на знание цели работы, лабораторного оборудования, метода измерений и последовательности выполнения работы. При этом, однако, вопросы, рассматриваемые на собеседовании, не сводятся напрямую к

23

контрольным вопросам, а проверка владения методикой выполнения работы - к изложению студентами последовательности выполнения работы.

Результат собеседования в виде допуска к выполнению экспериментальной части отчета выставляется преподавателем в специальную графу титульного листа отчета.

Выполненная лабораторная работа подлежит защите. При своевременном и грамотном составлении отчета, получении допуска, выполнении экспериментов и обработке опытных данных защита отчета сводится к проверке согласия полученных выводов с теорией. Результат защиты также выставляется преподавателем в специальную графу титульного листа отчета.

Вслучае, если студент не успевает защитить отчет по лабораторной работе непосредственно на плановом занятии, защита откладывается на более поздние сроки. При этом по окончании планового занятия студент в обязательном порядке должен представить преподавателю результаты выполнения лабораторной работы. Минимальный объем, при котором работа может считаться выполненной, соответствует выполнению экспериментальной части в полном объеме, включая наличие результатов всех измерений в виде, позволяющем производить дальнейшую обработку этих результатов.

Результат выполнения работы выставляется преподавателем в специальную графу титульного листа отчета. В случае, если результат выполнения является неудовлетворительным, студент обязан выяснить у преподавателя конкретные сроки ликвидации задолженности. Ликвидация задолженности осуществляется в свободное от других занятий время, назначаемое преподавателем.

Вслучае, если студент в конце планового занятия не получил отметку о зачете по лабораторной работе и не представил преподавателю результаты выполнения работы, лабораторная работа считается невыполненной.

2 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3-24 ОПЫТЫ ФРАНКА-ГЕРЦА

2.1 Цель работы

Целью работы является измерение первого потенциала возбуж­ дения инертного газа криптона (Кг), а также подтверждение квантуемости энергии атома.

24

При выполнении работы студенты знакомятся с устройством трехэлектродных электронных ламп, схемой включения их в электрическую цепь, с понятием о потенциале возбуждения и его связи с энергией атома. Кроме того, студентами приобретается опыт непосредственных измерений первого потенциала возбуждения инертного газа с помощью электронного осциллографа С1-112А.

2.2 Оборудование

Установка для определения резонансного потенциала методом Франка и Герца ФПК-02 (в дальнейшем - установка) со встроенной газонаполненными криптоновой трехэлектродной электронной лампой (в дальнейшем - электронной лампой), а также электронным осциллографом С1-112А (в дальнейшем - осциллографом).

2.3 Подготовка к работе

В ходе домашней подготовки к выполнению лабораторной работы студенты знакомятся с теоретической частью (п. 2.4) настоящих методических указаний, описанием принципов действия лабо­ раторного оборудования (п. 2.5), а также последовательностью (п.п. 2.6.4.21 - 2.6.4.27) оценки погрешностей и формы представления количественных и качественных результатов экспериментальной части. Кроме того, ими подготавливается бланк отчета по лабораторной работе, содержащий титульный лист (приложение А), цель работы (п. 2.1), краткое описание экспериментального обору­ дования (п. 2.2) и письменные ответы на контрольные вопросы (п. 2.7) при использовании перечисленных разделов настоящих методических указаний и рекомендуемой литературы (п. 2.8).

2.4 Теоретическая часть

2.4.1 Потенциал возбуждения Ядерная модель атома Бора в сочетании с классической механикой и электродинамикой оказалась не способной объяснить ни устойчивость атома, ни характер атомных спектров. Выход из создавшегося тупика был найден в 1913 г. датским физиком Нильсом Бором ценой введения предположений, противоречащих классическим представлениям. Допущения, сделанные Бором, содержатся в двух высказанных им постулатах.

25

А) Из бесконечного множества электронных орбит, возможных с точки зрения классической механики, в действительности реализуются только некоторые дискретные орбиты, удовлетворяющие определенным квантовым условиям. Электрон, находящийся на одной из этих орбит, несмотря на то, что он движется с ускорением, не излучает электромагнитных волн (света).

Б) Излучение испускается или поглощается в виде светового кванта энергии Йю при переходе электрона из одного стационарного (устойчивого) состояния в другое. Величина энергии Ер светового кванта равна разности энергий тех стационарных состояний Еп и Ет, между которыми совершается квантовый скачок электрона:

где h - нормированная на 2% постоянная Планка; со - циклическая частота излучения.

В том случае, если атому сообщается энергия (2.1), извне он на некоторое время переходит в возбужденное состояние. Возбуждение может передаваться атомам ударным путем за счет неупругих соударений с потоком электронов, разогнанных электрическим потенциалом ^v, до энергии, не меньшей, чем Ер:

где е - заряд электрона. Если переход атома в возбужденное состояние с энергией Еп осуществляется из основного состояния с энергией Ет=Е\, то соответствующие потенциалы <р2ь срзь <р4ь •••

называются первыми потенциалами возбуждения.

В ходе лабораторной работы непосредственному измерению подлежит один первый потенциал возбуждения ц>2\-

2.4.2 Опыты Франка - Герца. Существование дискретных энергетических уровней атома подтверждено опытами, осущес­ твленными в 1913 г. Франком (J. Franck) и Герцем (G. Hertz). Опыт сыграл важную роль в экспериментальном подтверждении квантовой теории атома Нильса Бора.

Схема их установки приведена на рис. 2.1. В трубке, заполненной парами ртути под небольшим давлением (около 1 мм. рт. ст.), имелись четыре электрода: катод К, две сетки С\ и С2, и анод А.

26

Электроны, вылетавшие из катода К вследствие термоэлек­ тронной эмиссии, возникавшей при разогреве катода К током от специального источника I, ускорялись разностью потенциалов С/уск> приложенной между катодом К и первой сеткой С\. При этом электроны приобретали энергию Ер, равную eUycK. Потенциалы первой сеткой С( и второй сетки С2 поддерживались одинаковыми, вследствие чего в межсеточном пространстве электроны двигались по инерции с постоянной скоростью v, удовлетворяющей равенству потенциальной энергии электрона в ускоряющем поле и кинетической энергии ускорившегося электрона:

где т е - масса электрона.

Между второй сеткой С2 и анодом А создавалось слабое электрическое поле (разность потенциалов порядка 0,5 В), тормозившее движение электронов к аноду А.

По результатам экспериментов исследовалась зависимость силы тока /А в цепи анода, измерявшегося гальванометром Г, от напряжения U между катодом К и первой сеткой С2. Полученные результаты изображены в виде графика на рисунке 2.2. Сила тока /А вначале монотонно возрастала, достигая максимума /1(fUl при ускоряющем напряжении С/Уск» равном £Л=4,9 В, после чего с дальнейшим увеличением С/ускрезко падала, достигая минимума/,„яЬ а затем вновь начинала возрастать до второго максимума 1лшх2 с последующим падением до минимума 1М„2 при значении UyCK, равном ^2=9,8 В, т.е. удвоенном значении Uy. Следующий максимум тока /А наблюдался при утроенном значении напряжения Uu т.е.при 14,7 В и т.д..

Рисунок 2.1 - Электрическая схема установки Франка-Герца с четырехэлектродной лампой

27

L -

,£д.»'.,-М —........

* « s /

J,lf!.„{

Рисунок 2.2 - Зависимость анодного тока /А от ускоряющего напряжения UycK в опытах Франка-Герца

Подобный ход вольт-амперной характеристики объясняется тем, что вследствие дискретности энергетических уровней Еп и Ет атомы могут воспринимать энергию только порциями вида (2.1), т.е.:

пространстве лампы (рис.2.1) при различных показаниях V\\ U2; (Уз вольтметра В

28

где Ей Е2\ Е3; ... - энергия 1-го, 2-го, 3-го и т.д. стационарных состояний.

До тех пор пока энергия электрона Ер меньше AEt, соударения между электроном и атомом ртути носят упругий характер, причем поскольку масса электрона гпе во много раз меньше массы атома ртути, энергия электрона при столкновениях практически не изменяется. Часть электронов попадает на вторую сетку С2, остальные же, проскочив через сетку С2, достигают анода А, создавая ток /А в цепи гальванометра Г. Чем больше скорость, с которой электроны достигают сетки (чем больше UycK), тем больше будет доля электронов, проскочивших через сетку С2, и тем, следовательно, больше будет сила анодного тока 1А.

Когда энергия, накапливаемая электроном в промежутке катод - первая сетка С\, достигает значения Д£ь соударения перестают быть упругими,— электроны при ударах об атомы передают им энергию A£i и продолжают затем двигаться с меньшей скоростью. Поэтому число электронов, достигающих анода А, уменьшается. Например, при С/уск=5,3 В электрон сообщает атому энергию 4,9 эВ (поскольку, как показано выше, <р21=4,9 В - первый потенциал возбуждения атома ртути) и продолжает двигаться с энергией 0,4 эВ. Если даже такой электрон окажется между второй сеткой С2 и анодом А, то он не сможет преодолеть задерживающее напряжение 0,5 В и будет возвращен им обратно на вторую сетку С2.

Атомы, получившие при соударении с электронами энергию &Eh переходят в возбужденное состояние, из которого они спустя время порядка 10" с возвращаются в основное состояние, излучая согласно (2.1) фотон с частотой:

При напряжении иУСк, превышающем значение (72=9,8 В, т.е. значение второго из первых потенциалов cp3i возбуждения ртути, электрон на пути катод - анод может дважды претерпеть неупругое соударение с атомами ртути, теряя при этом энергию 9,8 эВ, вследствие чего сила тока /А снова начнет уменьшаться. При еще большем напряжении возможны трехкратные неупругие соударения электронов с атомами, что приводит к возникновению максимума при £/УСК=14,7 5, и.т.д.

29