Лабораторный практикум по физике

Исследуемым телом в нашем случае является вольфрамовая нить лампы накаливания. Температура нити измеряется пирометром при различных значениях подводимой к лампе накаливания электрической мощности. Раскаленная нить лампы накаливания рассматривается через оптическую систему пирометра. Одновременно в поле зрения видна пирометрическая нить накала. Наводка на резкость осуществляется настройкой вначале окуляра, затем объектива. С помощью тумблера включается источник питания, при этом пирометрическая нить накала нагревается. Температуру нити можно изменять вращением барабана, температура при этом считывается с соответствующей шкалы пирометра. Электрическая цепь исследуемого источника излучения состоит из источника питания, вольтметра и амперметра, позволяющих измерять мощность, выделяющуюся в нити накала. При достаточно высокой температуре нити можно предположить, что вся мощность P , подводимая к лампе накаливания, теряется в виде электромагнитного излучения, испускаемого раскаленной нитью. Тогда с учетом уравнения (6) имеем

где S – площадь полной поверхности нити, I – сила тока; V – напряжение. Используя выражение (9) и измеряя мощность P и температуру T , можно определить постоянную Стефана-Больцмана σ .

Работа выполняется в следующей последовательности.

Включите источник питания лампы накаливания. Установите с помощью лабораторного автотрансформатора средний режим накала лампы. Настройте оптическую схему пирометра. Оптическая схема пирометра считается настроенной, если в окуляр 5 видны резкие изображения нити накала лампы и пирометрической нити. При этом центральный участок пирометрической нити должен быть установлен на фоне нити накала лампы.

3.Включите источник питания пирометрической нити. Пирометрическая нить должна светиться.

4.Измерьте 8-10 раз яркостную температуру нити лампы накаливания, начиная с малых значений мощности во всем диапазоне температур, измеряемых пирометром. Для этого, установив и измерив мощность лампы накаливания, вращением барабана пирометра добейтесь исчезновения центральной части пирометрической нити на фоне нити накала лампы. Эту операцию следует выполнять медленно, чтобы исключить влияние инерционности нагрева нити.

5.Результаты измерений тока I, напряжения V и температуры T

141

внесите в таблицу 2.

Истинную температуру нити накала мощно вычислить с помощью соотношения (8). Согласно соотношению (9) мощность лампы накаливания зависит от температуры нити по степенному закону

Для экспериментальной проверки гипотезы (10) удобно построить зависимость ln P от ln T . Согласно (10)

Если формула (10) верна, зависимость ln P от ln T как видно из (11), должна быть линейной. Постройте эту зависимость по вашим экспериментальным результатам и проверьте, линейна ли она. Заметим, что такой способ проверки гипотез является весьма распространенным. Из графика определите значение n в формуле (11).

Используя соотношение (9), определите из ваших экспериментальных результатов постоянную Стефана–Больцмана σ. Вычислите ошибку измерений.

3.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Для какой цели в пирометр встраивается красный светофильтр?

2.Вычислите λmax в данной работе.

3.Объясните метод определения температуры с помощью пирометра

сизчезающей нитью.

4.Почему радиационная температура нечерных тел меньше истин-

ной?

Библиографический список

142

1.Калитиевский Н.И. Волновая оптика. – М., 1978. – 384 с.

2.Оптика и атомная физика /Под ред. Р.И.Солоухина. – Н.: Наука. 1976. – 454 с.

Лабораторная работа № 25 ИЗУЧЕНИЕ СПЕКТРА АТОМА ВОДОРОДА

Цель работы: Наблюдение спектра излучения атома водорода, определение постоянной Ридберга и постоянной Планка.

Оборудование: Водородная лампа, неоновая и ртутная лампы, призменный спектрограф УМ-2, линза, поворотное зеркало.

1. КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Под спектром излучения понимают распределение энергии излучаемых телами волн по длинам волн или частотам. К примеру, лампа накаливания испускает электромагнитные волны на всех частотах, что означает, что она излучает непрерывный спектр. Атомы газа испускают линейчатые спектры, состоящие из групп отдельных спектральных линий, называемых спектральными сериями. Положение линий в атомных спектрах может быть объяснено только на основе квантовых представлений. Согласно квантовой теории, энергия электронов в атоме может принимать не произвольные, а только конкретные, строго определенные значения. Состояния с различными значениями энергии называются уровнями. Спектральные линии возникают при переходе электронов с одного уровня на другой, более низкий. Энергия кванта, излучаемого при таком переходе, равна разности энергий этих двух уровней

в среде; λmn длина волны излучения; Em, En энергии уровней m и n, соответственно (Em > En). Таким образом, совокупность линий, имеющих общий нижний уровень, составляет спектральную линию. Наиболее простую картину образуют уровни атома водорода. Квантовая

143

из опыта с помощью формулы (5), если измерены длины волн λm .

2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

фокальной плоскости линзы 11 образуется система изображений входной щели 3 в разных цветах. Это изображение можно наблюдать визуально через окуляр 6. Одновременно в поле зрения окуляра виден неподвижный указатель 7. Положение изображений входной щели (спектральных линий) относительно указателя 7 можно изменять, поворачивая диспергирующую призму 5 с помощью барабана 10.

Передвинув поворотное зеркало 9 в положение, показанное штриховой линией, можно осветить входную щель монохроматора спектральной лампой 8. Эта операция используется при градуировке прибора.

Работа выполняется в следующей последовательности:

1. Получив разрешение преподавателя и в соответствии с инструкциями, приведенными на рабочем месте, включите установку. С помощью линзы 2 сфокусируйте излучение водородной лампы 1 на входную щель 3. Вращая барабан 10, выведите в поле зрения спектральные линии. Вращением регулировочного кольца окуляра 6 настройте оптическую систему монохроматора. Посмотрите, как меняется картина при изменении ширины входной щели.

При правильной настройке в поле зрения окуляра 6 видны яркие узкие спектральные линии вместе с резким изображением указателя 7.

145

2.Проведите наблюдение спектра атомов водорода, выводя поочередно в поле зрения все видимые спектральные линии. К спектру атомарного водорода примешивается спектр молекулярного водорода, поэтому регистрировать нужно наиболее яркие линии. Последняя видимая линия (фиолетового цвета) наблюдается с большим трудом. Чтобы ее увидеть, нужно увеличить ширину входной щели и вращать барабан 10 около предполагаемого положения линии. Глаз чувствительнее к движущимся изображениям.

3.Устанавливая спектральные линии атомарного водорода против указателя 7, зафиксируйте положения барабана 10 для каждой линии. Данные занесите в таблицу 1.

Таблица 1

4. Чтобы с помощью монохроматора не только наблюдать, но и измерять длины волн, прибор нужно предварительно отградуировать. Это значит, используя спектр с известными длинами волн, найти зависимость положения Θ барабана 10 от длины волны λ. Ниже приведены длины волн наиболее ярких линий неона (таблица 2) и ртути (таблица 3).

146

147

Используя эти данные, отградуируйте монохроматор. Экспериментальные данные занесите в таблицу 4 и одновременно на график в осях λ и Θ .

Точки, не укладывающиеся на плавную кривую, нужно отбросить. Это ошибочные результаты, скорее всего из-за неверной идентификации линии. Эти данные нужно снять заново. Особенно тщательно нужно снимать градуировочную кривую при тех положениях барабана 10, при которых наблюдались спектральные линии атомарного водорода.

5.По градуировочной кривой определите длины волн спектральных

линий атомарного водорода. Определив λm, занесите полученные результаты в таблицу 1.

6.Если результаты хотя бы качественно подтверждают изложенную выше теорию, то, согласно формуле (5), должно выполняться соотноше-

где b и a - постоянные. Нанесите Ваши экспериментальные данные на график в осях 1/λ, см и 1/m2. Уравнение (7)– уравнение прямой линии (ср. y = b + ax).

7. Для количественного совпадения результатов экспериментов и формулы (5) необходимо, чтобы константы b и a выражении (7) были равны

148

Найдите эти постоянные из графика.

8. Используя соотношение (6) и значение a, определенное экспериментально, вычислите постоянную Планка

При выполнении работы соблюдайте следующие требования техники безопасности.

1.На водородную лампу подается напряжение свыше 1500 В, поэтому обязательно получите разрешение преподавателя на включение установки.

2.Перед включением тщательно проверьте наличие заземления и исправность подводящих проводов высоковольтного источника.

3.При работе со спектральными лампами не допускается их включение без защитного кожуха.

4.После окончания работы на электроустановке ее необходимо обесточить.

5.Запрещается оставлять установку под напряжением без присмотра.

3.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.В какой области лежат "невидимые"линии серии Бальмера?

2.Почему для количественного совпадения теории и эксперимента требуется условие (8)?

3.Что такое серия Лаймана, Бальмера, Пашена? Для ответа на этот вопрос нарисуйте схему уровней и покажите соответствующие переходы.

Библиографический список

1. Оптика и атомная физика/ Под ред. Р.И.Солоухина. – Новосибирск: Наука, 1976. – 454 с.

149