МЭИ(ТУ) Физика

4.Замкнуть цепь источника света нажатием кнопки "СЕТЬ" на панели регулятора напряжения. Вращением ручки на панели прибора отрегулировать яркость источника. Перемещая по скамье линзу, добиться параллельности хода лучей в световом пучке. Отсутствие расходимости светового пучка можно проконтролировать визуально по размерам светового пятна на листке бумаги, помещая плоскость листка перпендикулярно оптической оси установки на различных расстояниях справа от линзы.

5.Включить в измерительную цепь фотоэлемент нажатием кнопки "СЕТЬ" на панели микроамперметра. Масштаб шкалы микроамперметра установить нажатием клавиши на передней панели. В процессе измерения следить за тем, чтобы стрелка прибора не выходила за пределы его шкалы.

6.Вращая поляризатор, добиться максимальной величины интенсивности света, прошедшего через оба поляроида. Этому соответствует максимальная величина фототока imax, измеряемого амперметром.

7.Установить шкалу микроамперметра так, чтобы при максимальном фототоке imax стрелка микроамперметра находилась в пределах последней четверти шкалы. Если необходимо, еще раз изменить яркость источника света и переместить фотоэлемент вдоль оптической скамьи.

Поворачивать анализатор в пределах от 0° до 180° и через каждые 15° отмечать показания фототока i. Заполнить табл. 1.

8.Выключив осветитель, отметить показания фотоэлемента iф, соответствующие освещенности в аудитории (фоновый фототок).

2. Обработка результатов измерений

1.Построить графики зависимости I(α) в полярной системе координат, считая, что

интенсивность света I пропорциональна фототоку (i – iф), а также график зависимости I/I0 от cos2α. Здесь I0 ~ (i – iф)max.

2.Найти степень поляризации света по формуле

3.Установить на оптической скамье в качестве поляризатора стопу Столетова. Вращая кольцо анализатора, найти Imax и Imin. Рассчитать степень поляризации света для стопы Столетова. Сравнить ее значение с аналогичной величиной, полученной в пункте 2 для поляроида.

Лабораторная работа № 14Б

ИССЛЕДОВАНИЕ ОТРАЖЕНИЯ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА ОТ ЧЕРНОГО ЗЕРКАЛА

1. Порядок выполнения работы

1.На оптической скамье установить осветитель, поляроид и черное зеркало.

2.Провести юстировку приборов так, чтобы центры выходного окна осветителя, поляроида и тубуса фотоэлемента располагались на одной высоте. Плоскость выходного окна осветителя и поляроида должны быть перпендикулярны оптической скамье.

3.Подключить фотоэлемент к микроамперметру и измерить фототек iф, соответствующий освещенности аудитории (фоновый фототок).

4.Включить источник света. Перемещая по скамье линзу Л, добиться параллельности хода лучей в световом пучке. Отсутствие расходимости светового пучка можно проконтролировать визуально по размеру светового пятна на листе бумаги, помещая плоскость листа перпендикулярно лучу на различных расстояниях справа от линзы.

5.Освободив зажимной винт 11 (рис. 7) на стойке рейтера со столиком и черным зеркалом, повернуть стол так, чтобы метка на центральной части столика указывала направление падающего луча. Установив таким образом столик, зафиксировать его положение зажимным винтом 11 на стойке рейтера. При совмещении нуля на внутреннем лимбе с меткой на столике падение луча на зеркало будет нормальным.

6.Установить зеркало так, чтобы падающий на него луч света составлял угол φ ≈ 60° с нормалью к его поверхности. При этом деление внутреннего лимба, соответствующее 60°, должно находиться против метки на столике. Повернуть кронштейн с фотоэлементом и установить его так, чтобы указатель на кронштейне фотоэлемента находился против деления внешнего лимба, соответствующего углу 60° по другую сторону от 0° (угол отражения равен углу падения).

7.Вращая поляроид вокруг горизонтальной оси и следя за стрелкой микроамперметра, добиться минимального значения фототока. Минимум фототока указывает на то, что направление колебаний вектора E в падающем луче лежит в плоскости падения.

8.Проделать п. 6 для углов падения φ в интервале от 5° до 80° через каждые 5°, измеряя фототок. Данные занести в табл. 2.

9.Поворотом вокруг вертикальной оси установить зеркало так, чтобы луч скользил вдоль зеркала, при этом угол падения луча будет φ ≈ 90°. Поворачивайть кронштейн с фотоэлементом так, чтобы скользящий вдоль зеркала луч попадал на фотоэлемент. Запишите показание фотоэлемента i0, пропорциональное интенсивности света I0, выходящего из поляроида. Эта величина не должна зависеть от угла поворота поляроида.

2. Обработка результатов измерений

1.Вычитая из всех показаний фотоэлемента фоновый фототок iф, найти коэффициент отражения света по формуле

2.Построить график зависимости ρ|| от φ в декартовой системе координат. По графику найти угол Брюстера, а по формуле n = tg φБp найти показатель преломления стекла, из которого сделано черное зеркало.

3.Повернув кольцо поляроида вокруг горизонтальной оси на 90°, провести аналогич-

дающего света (см. пп. 6 и 8). Данные занести в таблицу, аналогичную табл. 2.

4.Построить график зависимости ρ от φ в декартовой системе координат.

Лабораторная работа 14В

ИССЛЕДОВАНИЕ ОТРАЖЕНИЯ И ПРОПУСКАНИЯ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА СТОПОЙ СТОЛЕТОВА

1. Порядок выполнения работы

1.На оптической скамье установить осветитель, поляроид, стопу Столетова.

2.Отъюстировать оптические приборы так, чтобы оси выходного окна осветителя, поляроида и тубуса фотоэлемента располагались на одной высоте. Плоскость выходного окна осветителя и поляроида должны быть перпендикулярны оптической скамье.

3.Подключить фотоэлемент к микроамперметру и измерить фототок iф, соответствующий освещенности аудитории (фоновый фототок).

4.Включить в сеть источник света нажатием кнопки "СЕТЬ" на панели прибора. Проделать п. 4 работы № 14А.

5.Освободив зажимной винт 11 (рис. 7) на стойке рейтера со столиком и стопой Столетова, повернуть столик так, чтобы метка на его центральной части указывала направление падающего луча. Установив таким образом столик, зафиксировать его положение зажимным винтом 11 на стойке рейтера. При совмещении метки "0" на внутреннем лимбе с меткой на столике падение луча на стопу Столетова будет нормальным.

6.Установить стопу Столетова так, чтобы падающий на нее луч света составлял угол

φ≈ 60° с нормалью к ее поверхности. При этом деление внутреннего лимба, соответствующее 60°, должно находиться против метки на столике. Повернуть кронштейн с фотоэлементом и установить его так, чтобы указатель на кронштейне фотоэлемента находился против деления внешнего лимба, соответствующего углу

φ= 60° по другую сторону от 0° (угол отражения равен углу падения).

7.Вращая поляроид вокруг горизонтальной оси и следя за стрелкой микроамперметра, добиться минимального значения фототока. Минимум фототока указывает на то, что плоскость колебаний вектора Е в падающем луче совпадает с плоскостью падения. Записать значение угла α0, стоящее против вертикальной стрелки на его оправе.

8.Проделать п. 6 для углов падения в интервале от 0° до 80° через каждые 5°, измеряя фототок i||. Данные занести в табл. 3.

9.Повернуть поляроид так, чтобы вертикальная метка на его оправе указывала на деление лимба, равное α0 + 90°.

Проделать п. 6 для углов падения луча в интервале от 5° до 80° через каждые 5°,

измеряя фототок i . Данные занести в табл. 3.

10.Поворотом вокруг вертикальной оси установить стопу так, чтобы луч света скользил вдоль ее плоскости. Кронштейн с фотоэлементом развернуть так, чтобы скользящий луч попадал на фотоэлемент. Записать показания микроамперметра i0, пропорциональные интенсивности I0 света, выходящего из поляроида. Эта величина не должна зависеть от угла поворота поляроида.

11.Для измерения интенсивности света, прошедшего через стопу Столетова, развернуть фотоэлемент навстречу падающему лучу (указатель фотоэлемента на делении 180° по внешнему лимбу). Затем повернуть поляроид так, чтобы вертикальная метка на его оправе указывала значение угла α0 . В интервале углов падения луча φ = 10°, 20°, ... 80° через каждые 10° снять зависимость фототока i|| от φ, соответствующего прошедшей через стопу Столетова E|| компоненте падающего света. В процессе измерения положение фотоэлемента не следует изменять, так как луч, прошедший через плоскопараллельную пластинку, не меняет своего направления, а лишь слегка смещается. Данные занести в табл. 4.

12. Повернуть поляризатор на 90° (α = α0 + 90°) и в интервале углов падения

φ = 10°, 20°, ..., 80° через каждые 10° снять зависимость фототока i от φ. Данные занести в табл. 4.

2. Обработка результатов измерений

80°

1.Вычитая из всех показаний фотоэлемента фототок iф, соответствующий освещенности аудитории, найти коэффициенты отражения и пропускания для каждой из компонент вектора Е падающего света. Коэффициенты пропускания τ|| и τ рассчитывать по формулам

2.Построить графики зависимостей ρ||(φ), ρ (φ), τ||(φ), τ (φ) в декартовой системе ко-

ординат. По графику зависимости ρ||(φ) найти угол Брюстера и по формуле n = tg φБp найти показатель преломления стекла, из которого выполнена стопа Столетова.

Лабораторная работа № 16

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ СПИРАЛИ ЛАМПЫ

НАКАЛИВАНИЯ С ПОМОЩЬЮ ОПТИЧЕСКОГО

ПИРОМЕТРА И УСТАНОВЛЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ

ИНТЕГРАЛЬНОГО ЛУЧЕИСПУСКАНИЯ ВОЛЬФРАМА

ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

Цель работы: измерение температуры спирали лампы накаливания с помощью оптического пирометра; изучение методов оптической пирометрии и законов теплового излучения.

1. Введение

Пусть имеется чёрное тело, нагретое до некоторой температуры T, и пусть на его фоне расположена нить накала специальной пирометрической лампы. Если рассматривать нить и тело через светофильтр, выделяющий из спектра обоих тел излучение определённой длины волны, то, регулируя ток накала в нити лампы, можно добиться того, что нить перестанет быть видимой на фоне нагретого чёрного тела. Это произойдёт тогда, когда яркости чёрного тела и нити для используемой длины волны сравняются. Выполнив эти операции для ряда значений температур чёрного тела, мы проградуируем в шкале температур яркости нити в зависимости от тока накала. После этого можно применять нить пирометрической лампы в качестве термометра.

Действительно, поместив проградуированную нить на фоне любого нагретого тела, температуру которого надо измерить, и, изменяя ток накала, можно добиться исчезновения нити на фоне нагретого тела. Тем самым мы находим по установившемуся току накала температуру чёрного тела. Если бы тело, температуру которого мы определяем, излучало как чёрное тело, то искомая температура тем самым была бы найдена. Если же оно излучает иначе, чем чёрное тело, то найденная таким образом температура нуждается в поправке.

В самом деле, при таком измерении мы узнаём не истинную (термодинамическую) температуру данного тела, а ту температуру абсолютно чёрного тела, при которой интенсивность излучения, пропускаемого светофильтром, равнялась бы интенсивности

излучения исследуемого тела в той же области спектра. Эту температуру называют яр-

костной.

Очевидно, что яркостная температура нечёрного тела ниже истинной термодинамической, а также и различна для различных участков спектра, т. е. излучательная способность любого тела меньше излучательной способности чёрного тела. Следовательно, при одинаковой яркости температура абсолютно чёрного тела ниже температуры нечёрного тела. Различие между яркостной и истинной термодинамической температу-

рой может быть значительным. Например, для вольфрама вблизи 1000°С термодинамическая температура выше яркостной на 47°С, а при 3000°С – уже на 327°С. Для измерения истинной температуры по яркостной достаточно знать отношение Eλ, T/ελ, T (коэффициент излучательной способности) в той области спектра, которая пропускается используемым светофильтром. Для вольфрама при λ = 660 нм Eλ, T/ελ, T = 0,4. Связь между яркостной и термодинамической температурами находим по графику (таблице).

2. Описание установки и метода измерений

Измерения температуры тела осуществляются при помощи оптического пирометра (рис. 1) путём сравнения яркости тела с яркостью нити, проградуированной по чёрному телу. Объектив пирометра 1 проектирует изображение исследуемого тела на плоскость расположения нити накала пирометрической лампы (рис. 2). Нить накала лампы и изображения исследуемого объекта рассматриваются наблюдателем через окуляр 4. В этом окуляре находится красный (λ = 660 нм) светофильтр. Светофильтр всегда необходим при измерениях, и он выводится и вводится в поле зрения окуляра вращением рифлёного кольца 3 на окуляре пирометра. В пирометре имеется ещё красноватый светофильтр для уменьшения яркости излучения исследуемых тел в тех случаях, когда их температура превышает 1400°С. Применяя светофильтр, можно измерять температуру тела до 3000°С. Шкала миллиамперметра 5, включённого в цепь накала лампы, проградуирована непосредственно в градусах Цельсия. Этот миллиамперметр, встроенный в пирометр, имеет две шкалы для диапазонов температур от 1200°С до 2000°С и от

1800°С до 3200°С. Нить накала подключена к аккумулятору. Ток нити регулируется реостатом, вмонтированным в пирометр. Изменение сопротивления реостата в процессе измерений температуры осуществляется вращением кольца 2.

Объектом наблюдения в нашем случае служит вольфрамовая спираль лампы накаливания. Температура спирали этой лампы измеряется при различных значениях проходящего через неё тока и, следовательно, при различных значениях подводимой к ней мощности. В цепь накала лампы включён амперметр и вольтметр. С помощью этих приборов можно измерять электрическую мощность, выделяющуюся в спирали исследуемой лампы. Изменение тока накала в лампе производится посредством ручки потенциометра на блоке питания. Электрическая схема дана на рис. 3.

При высокой температуре подводимая к спирали исследуемой лампы мощность W почти полностью расходуется на излучение, т. е. W = ETS, где ET – интегральная излучательная способность нечёрного тела (спирали), S – площадь поверхности этого тела, T – температура тела. Тогда выполняется соотношение

ET S = SBT n ≈W , W = IV

(W – мощность лампы, I – сила тока в ней, V – напряжение лампы). Логарифмируя предыдущее выражение, имеем

3. Порядок выполнения работы

1.Включить блок питания лампы накаливания.

2.С помощью ручки потенциометра блока питания отрегулировать накал спирали лампы до красного каления.

3.Навести пирометр на объект наблюдения – спираль лампы.

4.Сфокусировать изображение нити пирометрической лампы перемещением окуляра пирометра.

5.Добиться резкой видимости спирали исследуемой лампы накаливания путём продольного перемещения объектива пирометра. При действиях, указанных в пп. 5-6, монохроматический светофильтр в окуляре удобно выключить.

6.Проверить, накладывается ли вершина пирометрической нити на спираль лампы накаливания, хорошая ли видимость объекта и нити одновременно.

7.Ввести в пирометр монохроматический светофильтр.

8.Пользуясь ручкой потенциометра, установить в цепи накала исследуемой лампы значения силы тока, рекомендованные в таблице, помещённой на установке. Одновременно с этим измерить напряжение на спирали лампы. Отсчёт значений силы тока и напряжения производить через одну-две минуты после перемещения рукоятки потенциометра, когда режим в цепи лампы полностью установится.

9.Для каждого установленного значения силы тока измерить пирометром температуру спирали лампы. Для этого отрегулировать накал нити пирометрической лампы до тех пор, пока изображение её вершины не исчезнет на фоне спирали (рис. 4). Иметь ввиду, что нить лампы пирометра обладает тепловой инерцией и регулировка её накала должна быть медленной. Каждое измерение температуры необходимо производить не менее трёх раз, изменяя накал нити пирометра и вновь отыскивая условие исчезновения нити.

Таблица

4. Обработка результатов измерений

1.По результатам измеренных значений яркостной температуры нити пирометра найти истинные (термодинамические) температуры с помощью графика, представленного на установке.