Компьютерные модели. Методические указания к лабораторным работам для студентов дневной и заочной форм обучения всех направлений подготовки, реализуем

Установите новое значение объема V2, взяв его из табл. 35. Повторите измерения.

Таблица 35

Значения объема*

Примечание. * –– не перерисовывать

Таблица 36

Результаты измерений

T (K)

P

(кПА)

Обработка результатов измерений

1.Постройте на одном рисунке график зависимости V(T) при двух разных значениях давления P.

2.Постройте на одном рисунке график зависимости P(V) при двух разных значениях температуры Т.

3.Постройте на одном рисунке график зависимости P(T) при двух разных значениях объема V.

4.Для изобарического процесса найдите максимальную работу, которую совершает газ.

Задание № 4. Адиабатический процесс.

Адиабатическим называется процесс, происходящий без теплообмена с внешней средой (d’Q = 0). Уравнение адиабаты:

PV = const

Число степеней свободы молекулы газа i. Число (количество) степеней свободы есть минимальное количество независимых координат, необходимых для однозначного описания положения молекулы в пространстве, или минимальное количество независимых движений, суперпозиция которых дает любое движение молекулы.

Поступательное движение всегда дает 3 степени свободы.

41

Вращательное движение дает 2 степени свободы для линейной молекулы и 3 степени свободы, если атомы в молекуле не расположены на одной линии.

Внимательно рассмотрите картинку на рисунке, найдите рисунок элемента, в котором реализуется адиабатический процесс, обратите внимание на его теплоизоляцию. Найдите математическую формулировку условия теплоизоляции. Ознакомьтесь с графиками в правой части изображения.

Измерения

Установите начальное значение объема Vнач = 40 дм3 и начальную температуру Т1 газа, близкую к числам из табл. 1. Для этого нажмите кнопку «ВЫБОР», переместите маркер мыши так, чтобы его острие находилось в указанной точке вблизи границы столбика на градуснике, коротко нажмите и, удерживая левую кнопку мыши, двигайте столбик.

Нажмите мышью кнопку «СТАРТ» на экране и наблюдайте перемещение поршня на левой картинке модели и перемещение точки по красной кривой теоретической адиабаты. Попробуйте останавливать процесс нажатием кнопки «СТОП». Последующий запуск процесса осуществляется нажатием кнопки «СТАРТ».

После автоматической остановки процесса запустите его снова, нажав кнопку «СТАРТ», и останавливайте, нажимая кнопку «СТОП», когда крестик на теоретической адиабате (красная кривая) будет находиться вблизи следующих значений объема: 15, 20, 25, 30, 35 и 40 дм3 (6 значений), записывая при остановке значения объема, температуры и давления в табл. 38.

Установите новое значение температуры Т2, взяв его из табл. 37, задавая Vнач = 40 дм3, и повторите измерения, записывая результаты в табл. 39.

Примечание. * –– не перерисовывать

42

Таблица 38

Результаты измерений

Т[К]

V[дм3]

p[кПа]

Таблица 39

Результаты измерений

Т[К]

V[дм3]

p[кПа]

Постройте на одном рисунке графики экспериментальных зависимостей логарифма давления от логарифма объема для обеих адиабат (указав на них начальные температуры).

Для каждой адиабаты определите по графику экспериментальное значение показателя, используя формулу:

Определите число степеней свободы молекулы газа, исследуемого в данной компьютерной модели, используя формулу:

Подберите распространенный газ, структура молекулы которого близка к наблюдаемой.

Запишите ответы, проанализируйте их и графики.

Контрольные вопросы

1.Что такое уравнение состояния?

2.Основное уравнение МКТ идеального газа. Как изменится давление газа, если учесть силы притяжения между молекулами?

3.Основные положения молекулярно-кинетической теории строения вещества.

4.Взаимодействие молекул. Модели реального газа — идеальный газ и газ Ван-дер-Ваальса.

5.Что такое параметры состояния системы?

43

6.Дайте определение равновесного состояния системы. Какой процесс называется обратимым?

7.Что такое цикл?

8.Что такое уравнение состояния?

9.Для какого физического газа можно применить модель «идеальный газ»?

10.Какому уравнению подчиняется состояние идеального газа? Напишите его.

11.Что такое число степеней свободы? Чему оно равно для одноатомной молекулы?

12.Что такое показатель адиабаты?

44

По теореме о кинетической энергии изменение кинетической энергии электрона равно работе задерживающего поля:

Так как на ВАХ задерживающее напряжение Uз откладывается по оси ординат слева от нуля, то при выполнении измерений численные значения задерживающего напряжения берутся со знаком «-».

Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. наибольшая длина волны ( кр), или наименьшая частота ( кр), при которой еще возможен фотоэффект. То есть фотоэффект наблюдается

Красная граница фотоэффекта зависит от свойств вещества. Согласно Эйнштейну, энергия фотона, падающего на металл, идет

на работу выхода электрона из металла и на сообщение электрону кинетической энергии.

Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта имеет следующий вид:

Работой выхода Авых называется минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл. Работа выхода зависит только от химического состава металла и от состояния его поверхности.

Задерживающее напряжение Uз от интенсивности света не зависит, а изменяется с частотой света по линейному закону:

46

Ход работы

Задание № 1. Определение красной границы фотоэффекта. Зацепив мышью движок реостата регулятора интенсивности (мощ-

ности) облучения фотокатода, установите его на максимум: Рmах = 1 мВт. Аналогичным образом установите нулевое напряжение U между анодом и катодом, а также минимальную длину волны электромагнитного излучения (ЭМИ): min = 380 нм. Наблюдайте наличие фототока (движение электронов от катода к аноду) даже при U = 0. Перемещая метку на спектре, увеличиваем длину волны до тех пор, пока электроны не перестанут выбиваться из катода. Зафиксируйте самую большую длину волны, при которой фототок еще присутствует, — красную границу фотоэффекта кр, — и запишите в тетрадь ее значение.

Задание № 2. Определение связи задерживающего напряжения с длиной волны падающего излучения.

Таблица 40

Результаты значений

, нм

1/ , м-1

= с/λ, Гц

Установите значение задерживающего напряжения в соответствии с табл. 40 и в каждом случае определите длину волны, при которой фототок прекращается, т.е. когда все выбитые с катода электроны, приблизившись к аноду, на него не попадают, а сразу же движутся обратно к катоду. Значения занесите в табл. 40.

Задание № 3

Получение вольтамперных характеристик (ВАХ) фототока. Наблюдайте, как изменяется ВАХ, если:

а) не изменяя длину волны падающего света, изменять мощность излучения. Получите и зарисуйте вольтамперные характеристики для следующих значений мощности и длины волны ЭМИ:

47

б) изменяя значение длины волны, оставить мощность излучения постоянной.

Получите и зарисуйте вольтамперные характеристики для следующих значений мощности и длины волны ЭМИ:

мощности и длины волны ЭМИ.

Проанализируйте и объясните поведение вольтамперных характеристик, полученных в п. 3.

Обработка результатов измерений

1. Используя значение длины волны, соответствующей красной границе фотоэффекта, вычислите работу выхода материала фотокатода по формуле:

Сравнив полученную величину со значениями работы выхода для некоторых материалов, приведенными в табл. 41, определите материал, из которого сделан фотокатод (1эВ=1,6 10-19 Дж).

Таблица 41

Значения работы выхода для некоторых материалов

2. Вычислите и занесите в табл. 40 значения обратных длин волн 1/λ.

3.По формуле = с/ вычислите и запишите в табл. 40 значения частоты ЭМИ (с = 3·108 м/с — скорость ЭМИ в вакууме).

4.Постройте график экспериментальной зависимости модуля задерживающего напряжения Uз от частоты света.

5.По графику Uз ( ) определите отношение h/e как тангенс угла наклона прямой:

48

6.С учетом (28) по формуле h = е tg определите постоянную Планка и сравните полученную величину с ее теоретическим значением.

7.По графику Uз ( ) определите частоту, соответствующую красной границе фотоэффекта (точка пересечения прямой с осью частот),

По формуле кр = определите длину волны, соответствующую

красной границе фотоэффекта, и сравните это значение с измеренным ранее.

Контрольные вопросы

1.Внешний фотоэффект. Электрическая схема его наблюдения.

2.Вольтамперная характеристика фототока. Сила фототока насыщения.

3.Задерживающее напряжение.

4.Вольтамперная характеристика фототока при разных падающих потоках энергии монохроматического света и при различных частотах падающего света.

5.Законы Столетова для внешнего фотоэффекта. Красная граница фотоэффекта.

6.Формула Эйнштейна для фотоэффекта. Объяснение опытных за-

кономерностей фотоэффекта на основе квантовых представлений

освете.

7.Понятие о работе выхода электрона из металла. Закон сохранения энергии при фотоэффекте.

8.Как с помощью ВАХ (рис. 1) определить число электронов, выбиваемых светом с поверхности катода за единицу времени?

9.Изобразите графически и объясните зависимость максимальной кинетической энергии фотоэлектронов от частоты падающего света.

10.Изобразите графически и объясните зависимость задерживающего напряжения от частоты падающего света для веществ с различной работой выхода.

49