- •Лабораторные работы по курсу общей физики
- •Предисловие
- •Лабораторная работа № 1 Тепловое излучение
- •Теоретическая часть
- •Экспериментальная часть
- •Выполнение работы
- •Литература
- •Лабораторная работа № 2 Определение теплоемкости металлов
- •Теоретическая часть
- •Экспериментальная часть
- •Выполнение работы
- •Экспериментальная часть
- •Выполнение работы
- •Литература
- •Лабораторная работа № 4 Эффект Холла в полупроводниках
- •Теоретическая часть
- •Экспериментальная часть
- •Выполнение работы
- •Литература
- •Лабораторная работа № 5 Термоэлектрические явления
- •Теоретическая часть
- •Экспериментальная часть
- •Выполнение работы
- •Литература
- •Лабораторная работа №6 Изучение температурной зависимости сопротивления металлов и полупроводников
- •Теоретическая часть
- •Экспериментальная часть
- •Выполнение работы
- •Литература
- •Лабораторная работа №7 Опыт Франка - Герца
- •Теоретическая часть
- •Экспериментальная часть
- •Выполнение работы
- •Литература
- •Содержание
- •Лабораторная работа № 7. Опыт Франка – Герца…………………………………………44
Выполнение работы
Изменение яркости свечения лампы накаливания осуществляется регулировкой напряжения питания с помощью ручки регулировки на стенде (рис.1). Напряжение нити и ток через нее измеряется вольтметром и амперметром. Это позволяет подсчитать подводимую мощность .
Рис 1. Передняя панель установки
Яркость свечения нити пирометра регулируется вращением кольца-движка потенциометра, расположенного под окуляром прибора. Сила тока измеряется амперметром пирометра, шкала которого проградуирована в градусах Цельсия. Имеется два диапазона изменения температуры: 700 -1400 °C и 1200 - 2000 °С. Для перехода на второй диапазон на пути света от лампы накаливания ставится светофильтр (нажатием и поворотом кнопки, расположенной за шкалой амперметра). С помощью двух выдвижных тубусов (со стороны окуляра и объектива пирометра) обеспечивается фокусировка изображения нитей.
При достаточно высокой температуре практически вся подводимая мощность рассеивается через излучение и пропорциональна энергетической светимости R ~ Tn спирали. Поэтому
Р = ВТn,
где В – константа.
Отсюда следует, что
lnP = nlnT + lnB.
Это уравнение прямой в логарифмических координатах.
По результатам измерений постройте график зависимости lnP от и найдите величину n как угловой коэффициент этого графика. Оцените погрешность полученной величины.
Литература
1. Савельев И.В. Курс общей физики. - М.: Астрель, АСТ. 2003 – кн.5, Гл. 1
2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. - М.: ФИЗМАТЛИТ МФТИ 2002 - Гл. X.
Лабораторная работа № 2 Определение теплоемкости металлов
Цель работы: экспериментальное определение теплоемкости металла, сравнение с законом Дюлонга и Пти.
Теоретическая часть
Теплоемкостью тела называется величина, равная количеству тепла, которое нужно сообщить телу, чтобы повысить его температуру на один градус:
.
Удельной теплоемкостью вещества называется теплоемкость единицы массы вещества:
Молярной теплоемкостью вещества называется теплоемкость массы вещества, равной молярной массе этого вещества:
, (1)
где m/ количество молей вещества.
Величина теплоемкости зависит от условий нагревания. Процесс нагревания вещества при постоянном объеме характеризуется "теплоемкостью при постоянном объеме" сv , а при постоянном давлении – "теплоемкостью при постоянном давлении" ср. Для этих теплоемкостей всегда справедливо соотношение сp > cv – это доказывается с помощью термодинамических законов. Например, для идеального одноатомного газа молярные теплоемкости cv = , а ср = .
Для твердых тел различие между этими теплоемкостями пренебрежимо мало, так как объем твердых тел при нагревании меняется мало ( при изменении температуры на 1 К). Поэтому говорят просто о теплоемкости твердого тела.
Из теории теплоемкости твердых тел, разработанной Эйнштейном и Дебаем, вытекают следующие важные положения, касающиеся поведения теплоемкости при низких и высоких температурах:
а) при стремлении абсолютной температуры к нулю теплоемкость тела также стремится к нулю
,
б) при температурах, существенно превышающих значение так называемой характеристической температуры Дебая ТД, молярная теплоемкость химически простых тел в кристаллическом состоянии есть величина постоянная, и равная
с = 3R,
где R = 8,31 Дж/(мольК) – универсальная газовая постоянная.
Последнее утверждение составляет содержание закона Дюлонга и Пти, установленного опытным путем и подтверждаемого классической статистической физикой. Действительно, из закона равномерного распределения энергии по степеням свободы следует, что на каждую степень свободы приходится энергии kT/2 ( постоянная Больцмана). В кристаллическом состоянии атомы совершают малые колебания вблизи положения равновесия. На каждую колебательную степень свободы приходится энергия kT, равная сумме средних значений кинетической и потенциальной энергий. Число колебательных степеней свободы из кристалла, содержащего N атомов, равно 3N. Поэтому средняя энергия теплового движения в кристалле равна . Соответствующая молярная теплоемкость равна
,
здесь NА = 6,021023 моль1 – постоянная Авогадро.
Теплоемкость кристаллов оказывается не зависящей от температуры и от конкретных свойств кристаллов.
Характеристические температуры Дебая некоторых кристаллов приведены в таблице 1.
Таблица 1
Кристалл |
Pb |
J |
Na |
Ag |
NaCl |
Cu |
Al |
Fe |
Cr |
Be |
C (алмаз) |
ТД, К |
88 |
106 |
172 |
215 |
281 |
315 |
398 |
453 |
485 |
1000 |
1860 |
Из приведенной таблицы характеристических температур следует, что для кристаллов от свинца (Pb) и до поваренной соли (NaCl) комнатная температура (~ 300К) и более высокие температуры являются сравнительно большими. Поэтому для подобных кристаллов отклонения от закона Дюлонга и Пти в этой области температур не велики. Но, например, для бериллия и алмаза поведение теплоемкости при умеренных температурах совершенно отличается от закона Дюлонга и Пти. На рис.1 показана температурная зависимость теплоемкости кристалла меди.
Рис.1 Температурная зависимость теплоемкости меди