1. Собрать схему с сопротивлением r (рис.1). Переключатели пределов шкалы вольтметра и амперметра установить на максимальные значения.

2. Включить схему в электрическую сеть переменного тока. При этом нужно следить, чтобы стрелки приборов не вышли за пределы шкалы. Если стрелка приборов отклоняется слабо, меньше половины шкалы, переключить прибор на меньший предел измерений.

3. Отсчитать показания по шкале вольтметра и амперметра n_v и n_a(количество делений) и вычислить значения напряжения и тока:

U = U_пр.*n_v/n_ш и I = I_пр.*n_a/n_ш

где U_пр.= 30V, I_пр.= 10A, 20A, 40A - предельные значения шкалы приборов, n_ш – полное число делений шкалы.

4. Определить значение R по измеренным значениям напряжения U и силы тока I. Данные занести в таблицу.

5. Включить в цепь вместо сопротивления конденсатор (рис.4) и выполнить измерения в том же порядке. Рассчитать сопротивление емкости Z_c и определить емкость конденсатора С. Данные занести в таблицу.

6. Собрать схему с катушкой индуктивности L (рис.7). Омическое сопротивление (активное сопротивление) катушки равно R_L=13 Ом.

7. Измерить напряжение и силу тока в цепи и произвести расчет полного сопротивления Z, индуктивного сопротивления Z_L и индуктивности L. Данные занести в таблицу.

8. Собрать схему с активным сопротивлением R, индуктивностью L и емкостью С ( рис.10). Включить ее в цепь и по показаниям приборов определить полное сопротивление цепи. Данные занести в таблицу.

9. Рассчитать полное сопротивление цепи по формуле (11). Значения R, L, C взять из предыдущих упражнений.

10. Сопоставить измеренное (Z_изм.) и вычисленное (Z_выч.) полное сопротивление.

Контрольные вопросы.

1. Какой физический смысл омического и реактивного сопротивлений в цепи переменного тока?

2. Какие физические величины измеряют амперметр и вольтметр в цепи переменного тока?

3. От чего зависят сопротивления катушки индуктивности и конденсатора в цепи переменного тока?

4. Написать закон Ома для переменного тока.

5. Начертить схемы включения приборов при измерении сопротивления, емкости и индуктивности.

Литература.

1. И.В.Савельев, Курс общей физики, т.2, М., 1982, п.64,92.

2. Р.И.Грабовский, Курс физики, М., 1970, п.107,108.

3. Т.И.Трофимова, Курс физики, М., 1985, стр. 219-224.

Лабораторная работа № 12. Поглощение света в жидких и твердых веществах.

Цель: определить оптический коэффициент пропускания и оптическую плотность жидких веществ, найти концентрацию неизвестного раствора.

Оборудование и принадлежности: фотометр КФК-3, растворы медного купороса различной концентрации.

Теория.

Свет, проходя через вещество, поглощается. Поглощение света связано с преобразованием в веществе энергии электромагнитного излучения в другие виды энергии. С точки зрения электронной теории, взаимодействие света и вещества сводится к взаимодействию электромагнитного поля световой волны с атомами и молекулами вещества. Электроны, входящие в состав атомов, могут колебаться под действием переменного электрического поля световой волны. Часть энергии световой волны затрачивается на возбуждение колебаний электронов. Частично энергия колебаний электронов вновь переходит в энергию светового излучения, а также переходит в другие формы энергии, например, в энергию теплового излучения.

Поглощение светового излучения можно в общих чертах описать с энергетической точки зрения, не входя в детали механизма взаимодействия световых волн с атомами и молекулами поглощающего вещества.

Формальное описание поглощения света веществом было дано Бугером, который установил связь между интенсивностью света, прошедшего через конечный слой поглощающего вещества, и интенсивностью падающего на него света

I_lλ = I_0λe^{-K l} (1)

где I_0λ – интенсивность светового излучения с длиной волны λ, падающего на поглощающий слой; I_lλ - интенсивность светового излучения, прошедшего поглощающий слой вещества толщиной l; К_λ – коэффициент поглощения, зависящий от λ, т.е. К_λ = f(λ).

Если поглотителем является вещество в растворе, то поглощение света тем больше, чем больше молекул растворенного вещества свет встречает на своем пути. Поэтому коэффициент поглощения зависит от концентрации С. В случае слабых растворов, когда взаимодействием молекул растворенного вещества можно пренебречь, коэффициент поглощения пропорционален С:

К_λ = _λС (2)

где _λ – коэффициент пропорциональности, который также зависит от λ. Учитывая (2), можно закон Бугера (1) переписать в виде:

I_λ = I_0λe^{- Cl} (3)

_λ – показатель поглощения света на единицу концентрации вещества. Если концентрация растворенного вещества выражается в моль/литр, то _λ называют молярным коэффициентом поглощения.

Соотношение (3) носит название закона Бугера-Ламберта-Бера. Отношение величины светового потока, вышедшего из слоя I_lλ , к во­шедшему I_0λ носит название коэффициента оптического (или свето-) пропускания слоя Т:

Т = I_lλ /I_0λ = e^{- Cl} (4)

или в процентах

Т = I_lλ /I_0λ 100%. (5)

Поглощение слоя равно отношению

Логарифм обратной величины 1/Т называетсяоптической плотностью

слоя D

D = lg 1/T = lg I_0λ /I_lλ = 0,43_λСl (6)

т.е. оптическая плотность характеризует поглоще­ние света средой. Соотношение (6) может быть использовано как для определения концен- трации растворов, так и для характеристики спек­тров поглощения веществ.

Зависимость оптической плотности от длины волны D = f(λ) является спектральной характеристикой поглощения данного вещества, а кривая, выражающая эту зависимость, называется спектром поглощения. Спектры поглощения, как и спектры испускания, бывают линейчатые, полосатые и сплошные. Cогласно модели атома Бора кванты света испускаются и поглощаются при переходе системы (атома) из одного энергетического состояния в другое. Если при этом в оптических переходах меняется только электронная энергия системы, как это имеет место в атомах, то в спектре линия поглощения будет резкой.

Однако для сложных молекул, энергия которых слагается из электронной Е_эл , колебательной Е_кол и вращательной Е_вр энергии (Е =Е_эл + Е_кол + Е_вр ) при поглощении света изменяется не только электронная энергия, но обязательно колебательная и вращательная. Причем поскольку ∆Е_эл>>∆E_кол>>∆Е_вр, то в результате этого набор линий, соответствующих электронному переходу, в спектре поглощения растворов выглядит как полоса поглощения.

ОПИСАНИЕ ПРИБОРА.

Фотометр фотоэлектрический КФК-3 предназначен для измерения коэффициентов пропускания и оптической плотности прозрачных жидкостных растворов и прозрачных твердых образцов, а также для измерения скорости изменения оптической плотности вещества и определения концентрации вещества в растворах после предварительной градуировки фотометра.

Спектральный диапазон работы фотометра от 315 до 990 нм. В качестве диспергирующего элемента в фотометре применена дифракционная решетка. Спектральный интервал, выделяемый монохроматором фотометра не более 7 нм.

Фотометр (рис.1) выполнен в виде одного блока. На металлическом основании 3 закреплены узлы фотометра, которые закрываются кожухом 1. Кюветное отделение закрывается съемной крышкой 5. Ручка 2 служит для поворота дифракционной решетки через синусный механизм и установки требуемой длины волны в нанометрах. Ввод в световой пучок одной или другой кюветы осуществляется переводом рукоятки 4 до упора влево или вправо. При установке рукоятки до упора влево в световой пучок вводится кювета с растворителем, при установке рукоятки до упора вправо в световой пучок вводится кювета с исследуемым раствором.

При открытой крышке кюветного отделения шторка перекрывает световой пучок. В фотометр входят фотометрический блок, блок питания и микропроцессорная система.

Результаты измерений коэффициента пропускания, оптической плотности, концентрации и скорости изменения оптической плотности, а также длины волны, на которой проводится измерение, высвечиваются на цифровом табло фотометра.

Рис.1. Внешний вид фотометра КФК-3.

Микропроцессорная система обеспечивает выполнение семи задач:

НУЛЬ- измерение и учет сигнала при неосвещаемом фотоприемнике;

Г – градуировка фотометра;

Е – измерение оптической плотности (D);

П – измерение оптического коэффициента пропускания (Т);

С – измерение концентрации;

А – измерение скорости изменения оптической плотности;

F – ввод коэффициента факторизации.

СХЕМА ОПТИЧЕСКАЯ ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ.

Нить лампы 1 (рис.2) изображается конденсатором 2 в плоскости диафрагмы Д₁ (0,8 ·4,0), заполняя светом щель диафрагмы. Далее, диафрагма Д₁ изображается вогнутой дифракционной решеткой 4 и вогнутым зеркалом 5 в плоскости такой же щелевой диафрагмы Д₂ (0,8 ·4,0). Дифракционная решетка и зеркало 5 создают в плоскости диафрагмы Д₂ растянутую картину спектра. Поворачивая дифракционную решетку вокруг оси параллельной штрихам решетки, выделяют щелью диафрагмы Д₂ излучение любой длины волны от 315 до 990 нм. Объектив 7, 8 создает в кюветном отделении слабо сходящийся пучок света и формирует увеличенное изображение щели Д₂ перед линзой 10. Линза 10 сводит пучок света на фотоприемнике 11

Рис.2. Принципиальная оптическая схема фотометра КФК-3.

в виде равномерно освещенного светового кружка. Для уменьшения влияния рассеянного света в ультрафиолетовой части спектра, за диафрагмой Д₁ установлен светофильтр 3. В кюветное отделение (между объективом 7, 8 и линзой 10) устанавливаются прямоугольные кюветы 9.

ПОДГОТОВКА ФОТОМЕТРА К РАБОТЕ.

1. Включить тумблер СЕТЬ.

2. Нажать клавишу ПУСК – на цифровом табло появится симол «Г», соответствующее ему значение и значение длины волны.

3. Выдержать фотометр во включенном состоянии 15 мин при открытой крышке и произвести измерение и учет нулевого отсчета (смещение нуля усилителя). Измерение и учет нулевого отсчета n₀ произвести нажатием клавиши НУЛЬ. При измерении нулевого отсчета крышка кюветного отделения должна быть открыта. Значение n₀ должно быть не менее 0,005 и не более 0,200.

ПОРЯДОК РАБОТЫ.

1. Установить в кюветное отделение кювету с контрольным раствором в дальнее гнездо кюветодержателя, а кювету с исследуемым раствором – в ближнее гнездо. Сначала в световой пучок поместить кювету с контрольным раствором (рукоятка 4 (рис.1) – влево до упора).

2. Установить ручкой 2 (рис.1) длину волны, на которой проводятся измерения раствора. Длина волны высветится на верхнем цифровом табло.

3. Провести градуировку фотометра. Для этого закрыть крышку кюветного отделения, нажать клавишу «Г». На нижнем цифровом табло слева от мигающей запятой высветится символ «Г». Нажать клавишу «П», затем «Е». На табло должны высветится соответственно символы «П» или «Е» слева от запятой, а справа – соответственно «100,00,2» или «0,0000,002», означающие, что начальный отсчет коэффициента пропускания (100,0%) или оптической плотности (0,000) установился правильно. Если отсчеты установились с большим отклонением, нажать повторно на клавиши «Г», «П» или «Е» через 3-5 секунд.

4. Открыть крышку кюветного отделения и нажать клавишу НУЛЬ, закрыть крышку, нажать снова клавиши «П» и «Е».

5. Затем рукоятку 4 (рис. 1) установить вправо до упора, чтобы ввести в световой пучок кювету с исследуемым раствором. Отсчет на световом табло справа от мигающей запятой соответствует коэффициенту пропускания или оптической плотности исследуемого раствора.

6. Для построения спектральной кривой коэффициента пропускания или оптической плотности провести измерения по данной методике при различных длинах волн от 400 нм до 800 нм.

7. Построить спектральную кривую светопропускания и оптической плотности исследуемого раствора, откладывая по горизонтальной оси длины волн в нанометрах, а по вертикальной оси – значения коэффициента светопропускания или оптическую плотность. Определить по графику длину волны, при которой эти величины имеют экстремальное значение.

8. Установить на фотометре соответствующую длину волны. При этой длине волны провести измерения коэффициента светопропускания и оптическую плотность для растворов вещества с известными концентрациями и потом неизвестной концентрации.

9. Построить градуировочные графики, откладывая по горизонтальной оси значения концентрации С, а по вертикальной – соответствующие им значения оптической плотности D и светопропускания Т.

10. С помощью графика определить неизвестные концентрации растворов вещества.

11. Данные эксперимента занести в таблицу.

Таблица 1.

Конц. растворов, С%	2%	4%	6%	8%	Х1	Х2
Т
D
Неизвестные значения концентрации