Квантовая новая
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к лабораторным занятиям по дисциплине «Физика»
раздел «КВАНТОВАЯ ФИЗИКА»
для студентов специальностей:
010502 – «Прикладная информатика»; 090105 – «Комплексное обеспечениеинформационной безопасности автоматизированных систем»;
130201 – «Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых»; 130304 – «Геология нефти и газа»; 130501 – «Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ»;
130503 – «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений»; 130504 – «Бурение нефтяных и газовых скважин»; 140200 – «Электроэнергетика»; 140205 – «Электроэнергетические системы и сети»; 140211 – «Электроснабжение»;
151001 – «Технология машиностроения»;
190600 –«Автомобили и автомобильноехозяйство»; 190701 – «Организация перевозок и управления на транспорте»; 190702–«Организацияи безопасностьдвижения»; 200503 – «Стандартизация и сертификация»; 210100 – «Электроника и микроэлектроника»;
230102 – «Автоматизированные системы обработки информации и управления»; 230205 – «Информационные системы и технологии»; 230401 – «Прикладная математика»;
210104 – «Микроэлектроника и твердотельная микроэлектроника»;
210106 – «Промышленная электроника»;
240901 – «Биотехнология»;
240902 – «Пищевая биотехнология»; 240306 – «Химическая технология монокристаллов, материалов и изделий электронной техники»;
240403 – «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов»; 260202 – «Технология хлеба, кондитерских и макаронных изделий»; 260301 – «Технология мяса и мясных продуктов»; 260303 – «Технология молока и молочных продуктов»;
260501 – «Технология продуктов общественного питания»;
260504 – «Технология консервов и пищеконцентратов»;
260601 – «Машины и аппараты пищевых производств»;
270102 – «Промышленное и гражданское строительство»;
270105 – «Городское строительствои хозяйство»;
270109 – «Теплогазоснабжение и вентиляция»;
270115 – «Экспертиза и управление недвижимостью»;
280103 –«Защита вчрезвычайныхситуациях»;
Ставрополь
2009
Методические указания составлены для выполнения лабораторных ра-
бот по разделу «Квантовая физика» курса общей физики. В них изложены основные теоретические вопросы по этому разделу, порядок выполнения ра-
бот, контрольные вопросы и список необходимой литературы. Методические указания могут быть использованы для самостоятельной работы над разде-
лом «Квантовая физика» и как руководство при выполнении лабораторных работ.
Составители: |
М. А. Арютюнян, |
|
М. А. Голубин, |
|
В. Г. Зубрилов |
Рецензент |
Д. П. Валюхов |
3
Выполнение лабораторного практикума по разделу «Квантовая физи-
ка» позволяет не только экспериментально наблюдать фундаментальные оп-
тические явления, но и, анализируя полученные результаты углубить теоре-
тические знания по этому разделу. Несмотря на то, что используемые в прак-
тике приборы и экспериментальные установки легко доступны и просты в обращении, они позволяют получать достаточно достоверные результаты измерений для дальнейшей обработки и анализа.
При выполнении лабораторной работы необходимо, прежде всего, оз-
накомиться с поставленной задачей («Цель и содержание лабораторной ра-
боты»). Изучить теоретические основы предстоящих исследований можно в разделе «Теоретическое обоснование». Раздел Аппаратура и материалы зна-
комит обучающегося с назначением и принципом работы основного обору-
дования. Методика наблюдений и измерений изложена в разделе «Методика и порядок выполнения работы». Работа завершается обработкой полученных результатов, заполнением таблиц и построением графиков раздел «Содержа-
ние отчета и его форма». Каждая работа сопровождается списком рекомен-
дуемой литературы и перечнем вопросов для ее защиты.
Выполнение представленных лабораторных работ позволяет на прак-
тике ознакомиться с проявлением многообразия квантовых явлений и воз-
можностью использования их в науке и технике, поэтому данные методиче-
ские указания рекомендуется использовать при обучении студентов всех ин-
женерных специальностей университета. Отчет по лабораторной работе оформляется в соответствии с формой, приведенной в приложении 1.
При работе в лаборатории необходимо неукоснительно выполнять УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ
Без разрешения преподавателя установку в сеть включать запреща-
ется.
Перед началом работы с установкой необходимо убедиться, что ус-
тановка заземлена.
Запрещается оставлять работающую установку без контроля.
4
Лабораторная работа № 6.1 ИЗУЧЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ АБСОЛЮТНО ЧЕРНОГО ТЕЛА
Цель и содержание лабораторной работы.
Закон Стефана–Больцмана является одним из основных законов, описывающих излучение абсолютно черного тела. Цель работы заключается в проверке правильности этого закона.
Содержание работы заключается в том, как эта цель может быть достигнута. Для этого студенту предлагается: 1) экспериментально исследовать зависимость интенсивности излучения абсолютно черного тела от температуры, 2) вычислить по экспериментальным данным постоянную Стефана– Больцмана и 3) сравнить эти экспериментальные данные с теми, что следуют из закона Стефана-Больцмана.
Теоретическое обоснование
2.1. Терминология, определения
Все нагретые тела излучают тепло. Это, так называемое, тепловое излучение.
Исследования показали, что энергия, испускаемая нагретыми телами, так же как и светящимися телами, это энергия электромагнитного излучения.
Спектральный анализ показал, что достаточно зачерненные нагретые тела дают спектры, зависящие только от температуры и не зависящие от химического состава или механических свойств этих тел. Тела, обладающие таким свойством, называются абсолютно черными телами.
Немного иначе это определение абсолютно черного тела можно переформулировать так: тела, интенсивность излучения которых зависит только от температуры, называются абсолютно черными телами.
Интенсивность излучения – это энергия, излучаемая единицей поверхности тела в единицу времени.
Интенсивность излучения =Интенсивность излучения = |
Энергия |
, т.е. |
|
площадь время
|
|
5 |
|
|
|
I |
W |
|
Дж |
||
|
|
|
м2 с |
||
|
|
|
|||
|
S t |
|
Наряду с понятием интенсивность излучения, имея в виду то же самое,
часто пользуются выражениями: энергетическая светимость, интегральная испускательная способность.
Важной характеристикой тел, определяющей их отношение к внешне-
му излучению, падающему на них, является их поглощательная способность
Iпогл ,
Iпад
где – коэффициент поглощения, Iпад – интенсивность падающего на тело
внешнего электромагнитного излучения; Iпогл – интенсивность поглощен-
ной части этого излучения.
Для абсолютно черных тел (а.ч.т.) коэффициент поглощения равен
единице |
|
1. |
(1) |
Это является еще одним определением а.ч.т., которое можно перефор-
мулировать так: тела, которые поглощают все электромагнитное излучение,
падающее на них, называются абсолютно черными телами.
Исторически было так, что тела, с которыми имели дело исследователи и для которых условие (1) выполнялось или почти выполнялось, были дейст-
вительно телами черного цвета. Но потом оказалось, что условие (1) выпол-
няется и для такого совершенно не черного тела как Солнце. Тем не менее прилагательное «черное» сохраняется, имея номинальный смысл, обозначая тела, для которых выполняется условие (1).
2.2. Лабораторная модель а.ч.т. Закон Стефана–Больцмана
В качестве лабораторной модели абсолютно черного тела часто поль-
зуются печью, схематически изображенной на рис. 1.
Печь нагревается электрическим током 1. Внутри ее покрывают углем или платиновой чернью 2. Термометром 3 измеряют или платиновой чернью
2. температуру внутри печи, которая изолируется от окружающей среды
|
|
|
6 |
|
|
|
|
3 |
|
4 |
изолятором |
4. |
Термическое |
излучение |
|
|
распространяется из небольшого или пла- |
||||||
|
|
|
|||||
|
|
|
тиновой чернью 2 излучение распростра- |
||||
2 |
1 |
|
5 |
|
|
|
|
|
няется из небольшого или платиновой |
||||||
|
|
|
|||||
|
|
|
чернью 2. Термометром 3 измеряют тем- |
||||
|
|
|
пературу внутри печи, которая изолирует- |
||||
Рисунок 1 – Модель а.ч.т |
ся от окружающей среды изолятором 4. |
||||||
Термическое излучение распространяется из небольшого отверстия 5 в стен- |
|||||||
ке печи. Внутреннюю полость этого устройства можно считать а.ч.т., т. к. |
|||||||
внешнее излучение, попавшее через отверстие 5 внутрь печи, после много- |
|||||||
кратного взаимодействия с поверхностью 2, приобретает свойства собствен- |
|||||||
ного излучения печи. Внешнее излучение становится полностью поглощен- |
|||||||
ным, коэффициент поглощения α становится равным единице, а печь – абсо- |
|||||||
лютно черным телом, интенсивность излучения которого зависит только от |
|||||||
температуры. |
|
|
|
|
|
|
|
Во второй половине XIX века Стефан и Больцман эмпирически устано- |
|||||||
вили эту зависимость в следующем виде: |
|
|
|
||||
|
|
Вт |
I T 4, |
|
|
(2) |
|
где = 5,67·10-8 |
– постоянная Стефана–Больцмана, Т – темпера- |
||||||
м 2 грд 4 |
|||||||
тура по шкале Кельвина. |
|
|
|
|
|||
Выражение (2) называется законом Стефана–Больцмана. |
|
||||||
Функциональная зависимость I f T для не абсолютно черного тела |
|||||||
выражается похожим эмпирическим законом – законом Кирхгофа: |
|
I T4, |
(3) |
где α – коэффициент поглощения тела. |
|
Т. к. 1 , |
(4) |
7
то из (2) и (3) следует, что при одной и той же температуре интенсивность излучения а.ч.т. больше интенсивности излучения не абсолютно черного те-
ла; и при 1 закон Кирхгофа переходит в закон Стефана–Больцмана.
Из соотношения (2) следует, что цель лабораторной работы будет дос-
тигнута, если:
1) будет экспериментально найдена и изучена зависимость интенсив-
ности излучения I от температуры Т в четвертой степени (из теории следует,
что эта зависимость для а.ч.т. линейная);
2) по экспериментальным данным I и Т будет вычислено численное значение постоянной Стефана–Больцмана σ и произведено сравнение с таб-
личным значением.
Аппаратура и материалы Установка состоит из трех частей (рис. 2): А – электропечи, служащей
абсолютно черным телом; В – приемника излучения а. ч. т.; С – блока инди-
кации.
1 |
5 |
6 |
8 |
7 |
9 |
A |
3 |
4 |
C |
|
B |
2 |
|||
|
|
|
|
Рисунок 2 – Установка для исследования теплового излучения
Электропечь состоит из тех же элементов, что и модель а. ч. т., изобра-
женная на рис. 1. Нагрев в печи производится током, пропускаемым через спираль, напряжение на которой можно менять с помощью регулятора на-
пряжения 1 на крышке блока А.
8
Датчиком температуры внутри печи является термопара, соединенная с блоком индикации С. Один спай термопары находится внутри печи в тепло-
вом равновесии с тепловым излучением, другой – вне печи в тепловом рав-
новесии с внешней средой, температуру которой можно принять равной ком-
натной температуре. ТермоЭДС, возникающая из-за разности температур внутри и вне печи, передается в блок индикации, где снова переводится в разность температур Т. Ее можно видеть на цифровом индикаторе 2.
Электропечь снабжена вентилятором для охлаждения корпуса печи.
Кнопка 3 служит для включения – выключения вентилятора. Кнопка 4 слу-
жит для включения – выключения электропечи.
Термическое излучение а.ч.т. происходит через небольшое отверстие 5
электропечи.
Приемник излучения а.ч.т. (В) состоит из коробочки 6 с термостолби-
ком, установленном на штативе 7. Термостолбик представляет собой систему последовательно соединенных термопар.
Одна половина спаев термостолбика сведена к центру коробочки 6,
другая разведена по периферии коробочки, где температура всегда равна комнатной температуре.
Излучение а.ч.т. из отверстия 5 через втулку 8, попав на центральные спаи термостолбика, поглощается им. Температура этих спаев повышается,
возникает разность температур между центральными и периферическими спаями термостолбика, что, в свою очередь, приводит к возникновению тер-
моЭ.Д.С., которая регистрируется цифровым индикатором 9 блока индика-
ции С. Обозначим соответствующее напряжение через Uтс.
Очевидно, Uтс пропорционально интенсивности падающего на термо-
столбик излучения
I ~UТС или I a UТС . |
(6) |
Для данной установки принять коэффициент пропорциональности a равным 2,2·104 А/м2.
9
Таким образом, по показаниям индикатора 2 (рис.2), пользуясь равен-
ством (6), можно найти интенсивность излучения I а.ч.т., а по показаниям индикатора 9 (рис.2) – температуру Т а.ч.т. Имея эти данные, можно иссле-
довать зависимость I = f(T) интенсивности излучения а.ч.т. от температуры и проверить закон Стефана-Больцмана.
Указания по технике безопасности
1.Перед началом работы с установкой необходимо убедиться, что она заземлена.
2.В установке имеется опасное для жизни напряжение. Поэтому при эксплуатации необходимо строго соблюдать следующие меры пре-
досторожности:
а) перед включением в сеть убедитесь в исправности сетевых шну-
ров;
б) замену любого элемента производите только при отключенном от сети соединительном шнуре;
3. При работе установки происходит нагрев печи до температуры
800º С. Поэтому при необходимости ремонта вскрытие печи категориче-
ски запрещается до ее полного охлаждения.
4.Категорически запрещается нагрев печи свыше 850º С.
5.Не допускается перекрытие вентиляционных отверстий, нахо-
дящихся на крышке корпуса измерительного устройства и объекта ис-
следования.
Методика и порядок выполнения работы
1.Установите термостолбик 6 у отверстия печи 5 так, чтобы оси втулки 8
термостолбика и отверстия электропечи совпадали. Введите втулку 8 в от-
верстие печи 5.
2.Включите кнопку “СЕТЬ” на задней панели блока индикации С. При этом на нем должны высветиться цифровые индикаторы напряжения Uтс на
10
термостолбике и температура Т электропечи. Дайте блоку прогреться 3-5
мин.
3.Включите печь кнопкой 4 “СЕТЬ”. При этом ручка 1 на верхней крышке печи должна находиться в положении “MIN”. Для исключения перегрева корпуса печи включите с помощью выключателя 3 “ВЕНТ.” вентилятор охлаждения.
4.Постепенно нагревая печь (скорость нагрева регулируйте с помощью руч-
ки 1 на верхней крышке печи), снимите с интервалом ~50ºС зависимость напряжения Uтс термостолбика от температуры Т электропечи. Можно ограничиться 8-10 точками. Отсчеты следует производить, когда напря-
жение Uтс термостолбика и температура Т печи будут меняться медлен-
но. Поэтому, если нагрев слишком быстрый, перед отсчетом следует уменьшить скорость нагрева с помощью соответствующей ручки.
5.После завершения этой работы поверните ручку “НАГРЕВ” печи в поло-
жение “MIN”, выключите кнопкой 4 “СЕТЬ” нагрев печи. Вентилятор при этом должен работать для охлаждения печи.
6.Перед уходом из лаборатории выключите вентилятор кнопкой 3 “ВЕНТ.” и
кнопкой «СЕТЬ» на задней панели блока индикации С отключите его от сети.
1. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА И ЕГО ФОРМА Основу содержания отчета составляют данные по измерениям и их эле-
ментарным преобразованиям, которые сводятся в таблицу. Форма отчета представлена в приложении 1 (стр. 30).
Таблица 1
№№ |
Uтс |
I |
Т |
Ткомн |
Т |
Т4 |
σэксп |
<σэксп> |
σгр |
п.п. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|