2496(физика-лабы)

окисления вольфрамовой нити первые модели ламп накаливания имели откачанный до высокой степени разрежения стеклянный баллон. В последних моделях для уменьшения скорости испарения металла нити обычно в баллоны добавляется небольшое количество инертных газов.

Согласно закону Джоуля – Ленца при протекании электрического тока мощность выделения тепла q равна:

где I и U – величины тока и напряжения на нити сопротивлением r.

Эта тепловая мощность должна рассеиваться, иначе температура нити накаливания

где t – время, с – теплоемкость нити, T0 и Т(t) – температуры нити в начальный момент и в момент времени t. Температура Т(t) при включении лампы в электрическую цепь действительно начинает увеличиваться, но при увеличении температуры увеличиваются скорости теплоотдачи в окружающую среду, причем доля энергетических потерь за счет излучения растет согласно закону Стефана – Больцмана пропорционально Т4. При увеличении температуры от комнатной ( 300К) до рабочей температуры ( 2500К) интенсивность излучения возрастет в (2500/300)4 8,34 4745,8 раз, а интенсивность

где α – температурный коэффициент сопротивления, А и В – постоянные. Тогда выразив сопротивление как

r = U / I = A + B T,

можем построить график зависимости корня четвертой степени от электрической мощности

1

4 U I = (σ) 4 T = C1 T ,

от величины электрического сопротивления r = U / I = A + B T. При выполнении вышеупомянутых приближений график будет представлять прямую линию, наклон которой будет зависеть от величины постоянной Стефана – Больцмана. Если же построим график мощности в логарифмических координатах, т. е. если вычислить

график также должен представлять прямую линию с углом наклона равным 4о.

31

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Рис. 1

нити лампы.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1)Подключить приборы согласно схеме на рис. 1.

2)Ручку регулятора напряжения (ЛАТР) поставить в крайнее левое положение.

3)Постепенно увеличивая напряжение, поступающее на лампу, снять около 30 показаний тока. Результаты записать в таблицу.

Напряжение U, В

Ток I, мА

Мощность U I, Вт

Сопротивление r=U/I, Ом

Отношение (U I)max/ U I

Логарифм ln|(U I)max/ U I|

Корень 4 U I

ВНИМАНИЕ! Напряжение не должно превышать номинальное для ламп ≈220 вольт!

4) Построить два графика зависимостей: f (r) = ln|(U·I)max/ U·I| и f (r) = 4 U I . По графику оценить величину показателя степени в законе Стефана – Больцмана.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1)Каковы основные характеристики теплового излучения?

2)Почему нить накаливания может быть принята за абсолютно черное тело?

3)Каково различие в тепловом балансе нити накаливания в вакууме и в атмосфере инертного газа?

4)Как связаны температура нити и его электрическое сопротивление?

32

5)Какова доля лучистой энергии, приходящаяся на видимый диапазон?

6)Сформулируйте закон Стефана – Больцмана

7)Объясните физический смысл σ в законе Стефана – Больцмана.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 52

Проверка закона Малюса

Цель работы: изучение свойств поляризованного света.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Согласно классической теории, свет представляет собой поперечную электромагнитную волну. В такой волне векторы напряженности электрического поля Е и напряженности магнитногоr поля H колеблются во взаимно перпендикулярных плоскостях (рис. 1). Векторы Е и H жестко связаны между собой, поэтому достаточно рассматривать только один из этих векторов. При изучении оптических явлений обычно рассматривают вектор Е, который называется

световым вектором.

Световая волна, испускаемая источником света, слагается из множества волн, испускаемых отдельными атомами независимо друг от друга. Плоскости колебаний векторов Еr для каждой волны,

испущенной разными атомами, ориентированы случайным образом. Поэтому в световом луче, который испускают солнце, лампы накаливания и другие источники света, колебания вектора Еr представлены с равной вероятностью. Такой свет называется естественным.

Если колебания светового вектора во всех элементарных волнах как-либо упорядочены, то свет называется поляризованным. Например, если колебания вектора Е происходят только в одной плоскости, то свет называется плоскополяризованным. Если большая часть векторов Е совершают колебания в одной плоскости, то свет называется частично (в большей или меньшей степени) поляризованным.

Плоскость, в которой происходят колебания вектора H , называется плоскостью поляризации. Колебания вектора Е происходят в плоскости колебаний.

Плоскополяризованный свет можно получить из естественного с помощью приборов, которые называются поляризаторами. Процесс получения поляризованного света из естественного называется поляризацией света. Поляризация света наблюдается при отражении и преломлении естественного света на границе диэлектрика, а также при его прохождении через анизотропные среды (вещества, свойства которых зависят от

33

направления). Взаимное расположение молекул и структура их таковы, что показатель преломления таких веществ зависит от направления распространения света.

где с – скорость распространения света в вакууме. Другой луч, который называется необыкновенным – е, в зависимости от направления распространяется с различными скоростями

В рассматриваемом случае обыкновенный луч проходит, не преломляясь (т. к. падает на поверхность по нормали). Необыкновенный луч внутри кристалла отклоняется, а на выходе идет параллельно обыкновенному, но смещается относительно последнего тем сильнее, чем больше толщина пластинки. Оба луча являются плоскополяризованными во взаимно перпендикулярных плоскостях. На рис. 2 точками обозначена плоскость колебаний вектора Еr (перпендикулярная плоскости рисунка) в обыкновенном луче, а стрелкой (колебания происходят в плоскости рисунка) – в необыкновенном.

В некоторых кристаллах существует одно направление, в котором двойного лучепреломления не происходит. Прямая, проведенная в таком направлении, называется оптической осью кристалла, а сам кристалл называется одноосным. Плоскость в одноосном кристалле, проходящая через оптическую ось и падающий луч, называется главным сечением или главной плоскостью кристалла для этого луча. К числу одноосных кристаллов относятся исландский шпат, турмалин, герапатит и др.

На основе рассмотренного явления созданы приборы, пропускающие световые волны, в которых вектор электрической напряженности Е колеблется в строго определенных направлениях. Эти приборы называются поляризаторами. Такие же устройства используются для определения характера и степени поляризации света. В этом случае они называются анализаторами.

В данной работе для получения и исследования плоскополяризованного света применяются поляризаторы, изготовленные из мелких, одинаково ориентированных кристаллов герапатита (сернокислого йодхинина), нанесенных на прозрачную пленку.

34

Такой поляризатор называется поляроидом. Кристаллы герапатита почти полностью поглощают обыкновенный луч и пропускают необыкновенный (это явление называется дихроизмом). Поэтому естественный свет, прошедший через поляризатор, становится поляризованным.

I0 – интенсивность поляризованного света, падающего на анализатор.

Это и есть закон Малюса. Он читается так: интенсивность света, прошедшего через анализатор, пропорциональна квадрату косинуса угла ϕ между главными сечениями анализатора и поляризатора. Если ϕ = 0°, то I = I0, т. к. cos 0° = 1 , то есть максимальная интенсивность света, проходящего через анализатор, наблюдается при совпадении главных направлений поляризатора и анализатора. При ϕ = π/2 свет через анализатор не проходит.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Два поляроида, источник света, фотоэлемент, гальванометр.

Схема установки представлена на рис. 4. Она состоит из источника естественного света S, двух поляроидов П и А и фотоэлемента Ф. К выходу фотоэлемента подключен гальванометр. Пройдя через первый поляроид П, который называется поляризатором, свет становится плоскополяризованным. Интенсивность света, проходящего через второй поляроид А (анализатор) зависит от угла ϕ между главными сечениями поляризатора и анализатора. Для изменения этого угла анализатор вращается вокруг оси, перпендикулярной его плоскости. Для отсчета угла ϕ на держателе анализатора укреплена круговая шкала.

35

Рис. 4

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1)Подключить к электрической сети источник света.

2)Меняя угол между главными направлениями поляризатора и анализатора на 150 , записать показания гальванометра Результаты измерений занести в таблицу. Измерения производить до 3600.

3)Построить графики зависимостей показаний гальванометра от угла поворота

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1)Какой свет называется естественным, а какой поляризованным?

2)Какая волна называется плоскополяризованной?

3)Какие плоскости называются плоскостью колебаний и плоскостью поляризации?

4)Каково назначение поляризатора и анализатора?

5)Какая среда называется анизотропной?

6)Какие лучи называются необыкновенными, а какие – обыкновенными?

7)Что называется главной плоскостью кристалла?

8)Какова математическая запись закона Малюса?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Савельев И.В. Курс общей физики. В 4 томах. М.: КноРус, 2009. 1856 с.

2.Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. М.: Высшая школа, 1989.

3.Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высшая школа, 2000.

4.Детлаф А.А., Яворский Б.М. Справочник по общей физике. М.: Наука, 1994.

36