МЭИ(ТУ) Физика

Лабораторная работа № 29

Изучение свойств лазерного излучения

29.1.1.Что такое спонтанное и вынужденное излучение?

29.1.2.Что такое линейно поляризованный свет?

29.1.3.Сформулировать закон Малюса.

29.1.4.Сформулировать условие главных максимумов при дифракции на решётке.

29.1.5.Каковы свойства лазерного излучения?

29.2.1.Вывести закон Малюса.

29.2.2.Сформулировать принцип действия лазера.

29.2.3.Как устроен гелий-неоновый лазер?

29.2.4.Каковы свойства спонтанного и вынужденного излучения?

29.2.5.Что такое коэффициенты Эйнштейна?

29.3.1.Как экспериментально доказать, что излучение лазера линейно поляризовано?

29.3.2.Как найти длину волны излучения лазера?

29.3.3.Как в работе измеряется угол дифракции для главного максимума заданного порядка?

29.3.4.Вывести формулу для расчёта погрешности измерения длины волны лазерного излучения.

29.4.1.На одномерную дифракционную решётку нормально падает монохроматический свет. Экран, на котором наблюдается дифракционная картина, находится на расстоянии L от решётки, плоскость экрана перпендикулярна направлению падающего света. Расстояние между главными максимумами k-го порядка равно xk. Найти длину волны света.

29.4.2.На какой угол нужно повернуть плоскость пропускания поляризатора в экспериментальной установке в первой части данной работы, считая от положения максимального пропускания, для того чтобы уменьшить силу фототока в n раз?

29.4.3.Линейно поляризованный свет интенсивности I0 падает на идеальный поляризатор. Интенсивность света, прошедшего через поляризатор, равна I1. Какова

будет интенсивность прошедшего света, если плоскость пропускания поляризатора повернуть на угол π/2?

29.4.4.Частично поляризованный свет интенсивностью I0 падает на систему из двух идеальных поляризаторов. Интенсивность прошедшего через систему света I1. После поворота плоскости пропускания анализатора на угол π/2 интенсивность прошедшего света стала равна I2. Найти степень поляризации падающего света.

Лабораторная работа № 30

Определение потенциала возбуждения атомов по методу Франка и Герца

30.1.1.Сформулировать постулаты Бора.

30.1.2.Какие соударения электрона с атомом называются упругими, при каких условиях они совершаются?

30.1.3.Какие соударения электрона с атомом называются неупругими, когда они происходят?

30.1.4.Что такое критический потенциал атома и резонансный потенциал атома?

30.2.1.В чем состоит метод задерживающего поля для изучения столкновений электронов с атомами газа?

30.2.2.Что подтверждает опыт Франка и Герца?

30.2.3.Какой вид имеет вольтамперная характеристика трехэлектродной лампы с задерживающим полем?

30.2.4.Какой вид будет иметь вольтамперная характеристика вакуумного диода?

30.3.1.Объяснить полученную вольтамперную характеристику вакуумного триода.

30.3.2.Нарисовать электрическую схему экспериментальной установки данной работы и пояснить назначение всех её частей.

30.3.3.Как по вольтамперной характеристике лампы с задерживающим потенциалом найти резонансный потенциал?

30.3.4.Как находится погрешность резонансного потенциала?

30.4.1.Пользуясь теорией Бора, найти резонансный потенциал для атома водорода.

30.4.2.Найти частоту фотона, который излучается при переходе атома водорода со второго энергетического уровня на наинизший.

КОЛЛОКВИУМ ПО АТОМНОЙ ФИЗИКЕ ( ИЭЭ)

1.Корпускулярно-волновой дуализм свойств света. Корпускулярно-волновой дуализм свойств частиц вещества. Формула де Бройля

2.Соотношение неопределённостей Гейзенберга

3.Квантовомеханическое описание состояние частицы

4.Волновая функция и её вероятностный смысл

5.Временное уравнение Шрёдингера

6.Уравнение Шрёдингера для стационарных состояний

7.Электрон в одномерной потенциальной яме бесконечной глубины

8.Туннельный эффект

9.Квантовомеханическая модель атома водорода. Уравнение Шрёдингера и его решение для основного состояния атома водорода

10.Квантовомеханическая модель атома водорода. Квантование энергии. Основное состояние атома водорода

11.Квантовомеханическая модель атома водорода. Квантование момента импульса

12.Квантовомеханическая модель атома водорода. Квантовые числа

13.Квантовомеханическая модель атома водорода. Спектры излучения водорода

14.Квантовомеханическая модель атома водорода. Схема уровней энергии электрона в атоме водорода. Метастабильное состояние

15.Принцип Паули. Распределение электронов в атоме по состояниям

16.Спонтанное и вынужденное излучение. Лазеры

КОЛЛОКВИУМ ПО АТОМНОЙ ФИЗИКЕ ( ЭТФ)

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ

1.Тепловое излучение. Равновесное тепловое излучение и его характеристики. Спектральная и интегральная излучательная способность. Правило Прево и закон Кирхгофа.

2.Поглощательная и излучательная способность абсолютно чёрного тела и серого тела. Интегральная форма закона Кирхгофа. Степень черноты.

3.Основные законы теплового излучения абсолютно чёрного тела: закон смещения Вина, закон Стефана-Больцмана.

4.Распределение энергии в спектре излучения абсолютно чёрного тела. Квантовая гипотеза Планка. Формула Планка.

5.Получение основных законов излучения абсолютно чёрного тела из формулы Планка. Экспериментальное измерение постоянной Планка.

6.Свойства распределения энергии в спектре излучения абсолютно чёрного тела. Максимальное значение спектральной излучательной способности при заданной температуре.

7.Квантовые свойства света. Внешний фотоэффект. Законы фотоэффекта.

8.Объяснение законов внешнего фотоэффекта с квантовой точки зрения. Уравнение Эйнштейна. Работа выхода электрона из металла.

9.Красная граница фотоэффекта. Определение красной границы из экспериментов по фотоэффекту. Нарушение закона красной границы (многофотонный фотоэффект).

10.Квантовая оптика. Световые кванты – фотоны. Их свойства и характеристики: энергия, масса, импульс.

11.Энергия и импульс фотона. Световое давление.

12.Эффект Комптона. Комптоновское изменение длины волны при рассеянии света.

13.Комптоновское рассеяние света. Электроны отдачи, их энергия.

14.Корпускулярно-волновой дуализм света. Опыты, свидетельствующие в пользу квантовой теории света и волновой природы света.

15.Волновые свойства частиц. Длина волны де Бройля. Вероятностная интерпретация волн де Бройля.

16.Соотношения неопределённостей и их смысл.

ЗАДАЧИ

1.Максимум спектральной излучательной способности Солнца приходится на длину волны 500 нм. Считая поверхность Солнца абсолютно чёрным телом, найти температуру поверхности светила, спектральную и интегральную излучательные способности поверхности Солнца.

2.Как изменилась бы общая мощность излучения Солнца, если бы температура половины его поверхности увеличилась на 100 К, а второй половины поверхности на столько же уменьшилась? Температура поверхности Солнца 5800 К. Радиус Солн-

ца 7·108 м.

3.Какую энергию излучает Солнце за год, если максимум его спектральной излучательной способности приходится на длину волны 500 нм? Радиус Солнца 7·108 м.

4.Мощность излучения поверхности некоторого тела в середине видимого диапазона (длина волны 550 нм ) в полосе длин волн с относительной шириной 0,002 равна 10 Вт/м2. Найти спектральные излучательные способности rν, T и rλ, T для этого тела.

5.Найти равновесную температуру плёночной солнечной батареи, находящейся вблизи земной поверхности, при двух положениях: а) между Солнцем и Землёй; б) в тени Земли. Батарею и поверхность Земли считать серым телом с коэффициентом поглощения 0,70 и 0,72 соответственно. Температура поверхности Солнца 5800 К, средняя температура Земли 290 К. Радиус Земли 7·108 м, расстояние от Земли до Солнца 1,5·1011 м.

6.При какой мощности электрического тока нить вакуумной лампы накаливания длиной 20 см и диаметром 1 мм нагревается до температуры 1800 К? Считать, что нить излучает как абсолютно чёрное тело, потерями на теплопроводность пренебречь.

7.На какую длину волны приходится максимум спектральной излучательной способности кожи чернокожего атлета? Какова мощность излучения единицы площади поверхности тела атлета?

8.Найти установившуюся температуру тонкой зачернённой пластинки, расположенной перпендикулярно солнечным лучам (вне земной атмосферы) на расстоянии

150 млн. км от Солнца. Радиус Солнца 7·108 м, температура его поверхности

5800 К.

9.С какой скоростью должен двигаться электрон, чтобы его кинетическая энергия была равна энергии фотона с длиной волны 520 нм?

10.Найти давление света на стенки электрической 100-ваттной лампочки. Колба лампочки – сфера радиуса 5 см, стенки лампочки пропускают 6% и отражают 4% падающего света. Потерями на теплопроводность пренебречь.

11.Зачернённая поверхность облучается светом с длиной волны 589 нм. Давление света, оказываемое на поверхность, равно 0,1 мкПа. Сколько фотонов падает на единицу площади поверхности за 1 секунду?

12.Плотность потока энергии излучения, падающего на круглое зеркало диаметром 6 см, равна 60 Вт/м2. Какое давление оказывает излучение на зеркало? Какая силой описывается действие электромагнитного поля на зеркало?

13.При облучении натриевого фотокатода светом с частотой 1·1015 Гц задерживающее напряжение оказалось равным 1,2 В. При облучении же фотокатода светом вдвое большей частоты задерживающее напряжение равно 3,5 В. Найти работу выхода натрия, красную границу фотоэффекта и постоянную Планка.

14.Что больше: импульс жёлтого фотона видимого света (длина волны 550 нм) или импульс атома гелия (масса 1·10-26 кг) при комнатной температуре в равновесном газе? При какой длине волны импульс фотона будет равен импульсу атома гелия?

15.До какого максимального потенциала зарядится медный шарик при облучении его электромагнитной волной с длиной 150 нм? Работа выхода меди 4,47 эВ.

16.Рентгеновское излучение с длиной волны 0,62 нм испытывает комптоновское рассеяние. Найти изменение длины волны при рассеянии под прямым углом и «назад». Вычислить энергию электрона отдачи в обоих случаях.

17.Найти диаметр космической частицы сферической формы, если действующая на неё сила светового давления уравновешивается силой притяжения к Солнцу. Частица состоит из железа (плотность 7,8·103 кг/м3). Температура солнечной поверхности

5800 К.

18.В электрической лампе накаливания вольфрамовый волосок диаметром 0,05 мм при работе лампы нагревается до температуры 2700 К. Через сколько времени после

выключения тока температура волоска упадёт до 600 К? Считать, что волосок излучает как серое тело с коэффициентом поглощения 0,3. Другими видами потерь пренебречь. Удельная теплоёмкость вольфрама 1500 Дж/(кг·К). Падающим на волосок излучением пренебречь.

ЛЕКЦИОННЫЕ ДЕМОНСТРАЦИИ

СПИСОК ДЕМОНСТРАЦИЙ

1.Волновая машина

2.Волновая машина со связями

3.Распространение волн на поверхности воды

4.Опыты Герца

5.Интерференция света. Бипризма Френеля

6.Интерференция в тонких плёнках. Кольца Ньютона

7.Интерференция в тонких плёнках. Мыльная плёнка

8.Зонная пластинка

9.Дифракция света. Дифракция на одной щели

10.Дифракция света. Дифракционная решётка

11.Поляризация света. Закон Малюса

12.Двойное лучепреломление

13.Двойное лучепреломление. Интерференция линейно поляризованных волн

14.Круг Ньютона

15.Давление света

16.Внешний фотоэффект на цинке

17.Тепловое излучение. Кубок Лесли

18.Разложение белого света в спектр с помощью призмы. Закон смещения Вина

ОПИСАНИЯ ДЕМОНСТРАЦИЙ

Внешний фотоэффект на цинке

С помощью эбонитовой палочки сообщим цинковой пластине отрицательный заряд. О величине заряда можно судить по отклонению стрелки электроскопа. Осветим пластину ультрафиолетовым светом. Фотоны, попадая на пластину, выбивают электроны. В результате отрицательный заряд пластинки уменьшается, падая до нуля.

Вновь сообщим пластине отрицательный заряд и снова осветим пластину ультрафиолетом, но на пути поставим стекло. Фотоэффект отсутствует, так как стекло поглощает ультрафиолет.

Убираем стекло, и вновь наблюдаем как пластина теряет свой отрицательный за-

ряд.

Интерференция света. Бипризма Френеля

Луч лазера, пройдя через бипризму и преломившись, отклоняется к основаниям призм. В результате образуются два сходящихся пучка света, которые интерферируют в области пересечения пучков и создают на экране интерференционную картину в виде чередующихся светлых и тёмных полос. В центре располагается максимум нулевого порядка. Слева и справа от него симметрично расположены максимумы более высоких порядков.

Распространение волн на поверхности воды

Вданном опыте в качестве генератора, создающего волны, можно использовать вибраторы различной формы.

Возьмём вибратор в форме сплошной длинной пластины. Такой вибратор создает волну, близкую по форме к плоской волне. Плоский фронт нарушается из-за краевых эффектов и конечной длины пластины вибратора.

Вкачестве вибратора можно взять гребёнку. Каждый зубец гребёнки становится источником сферических волн. Интерферируя, эти волны создают плоскую волну.

Эта демонстрация одновременно иллюстрирует один из пунктов принципа Гюй- генса-Френеля, согласно которому огибающая вторичных сферических источников определяет новое положение фронта волны.

Данная установка позволяет наблюдать дифракцию при прохождении волны сквозь щель. При этом мы можем менять ширину щели. Пусть на щель падает плоская волна. Мы видим, что за щелью, расходясь, волна попадает в область геометрической тени. Уменьшим ширину щели – область захождения волны в тень увеличивается.

Если на пути волны поместить экран, то можно наблюдать дифракцию на краю экрана. Волна также заходит в область геометрической тени.

Возьмём в качестве источника возмущения гребёнку, состоящую из двух зубцов. Каждый из них является точечным источником сферических волн. Так как волны создаются одним вибратором, они когерентны. В результате мы можем наблюдать явление