- •Часть VI. Магнитное поле 3
- •Часть VIII. Волновая оптика 23
- •Часть IX. Квантовая оптика 108
- •Часть X. Квантовая механика и ядерная физика 132
- •Часть VI. Магнитное поле
- •Теоретическое введение
- •Порядок выполнения работы
- •Часть VIII. Волновая оптика
- •Контрольные вопросы
- •Фотометр Пульфриха
- •I.Снятие кривой поглощения
- •II. Определение неизвестной концентрации раствора
- •I. Градуировка шкалы монохроматора
- •Теоретическое введение Преломляющие свойства призмы
- •Формулы для расчета показателя преломления материала призмы.
- •Угловая дисперсия спектральной призмы.
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Теоретическое введение
- •Закон Малюса
- •Вращение плоскости колебаний
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Часть IX. Квантовая оптика
- •Фотоэффект
- •Законы внешнего фотоэффекта
- •Применение фотоэффекта
- •II. Снятие спектральной характеристики фотоэлемента цг-4.
- •Часть X. Квантовая механика и ядерная физика
- •Теоретическое введение
- •Порядок выполнения работы
- •Виды измерений. Классификация погрешностей
- •Вычисление случайных погрешностей по результатам серии измерений физической величины
- •Определение приборной погрешности и общей погрешности в случае прямого измерения
- •Расчет погрешностей для случая косвенных измерений
- •6. Последовательность операций при обработке результатов косвенных измерений
- •Приближенные числа. Запись окончательного результата
- •Графики и таблицы
- •Рекомендации по оформлению журнала лабораторных работ
- •Рекомендации по оформлению отчета к лабораторной работе
- •1. Единицы измерения системы си.
- •2. Единицы измерения механических величин.
- •3.Единицы измерения тепловых величин.
- •4.Единицы измерения электрических и магнитных величин.
- •5. Единицы измерения фотометрических величин.
- •6. Некоторые единицы измерения в атомной и ядерной физике.
- •7. Универсальные физические постоянные.
5. Единицы измерения фотометрических величин.
Фотометрия-раздел оптики, занимающийся вопросами измерения интенсивности света и его источников. В фотометрии используются следующие величины: энергетические (определяющие энергетические параметры источника оптического излучения) и световые (определяющие
воздействие света на приемники оптического излучения).
Для измерения световых величин в качестве основной единицы используется
единица силы света - кандела (кд) и производные от нее - люмен (лм) и люкс (лк).
Один люмен есть величина, равная световому потоку, испускаемому точечным источником света силой света в одну канделу внутри телесного угла
в один стерадиан: 1 лм = 1 кд∙ ср.
Один люкс есть величина, равная освещенности поверхности, на один квадратный метр которой падает световой поток в один люмен : 1 лк = 1 лм/м2.
Таблица5.1. Единицы измерения основных фотометрических величин в системе СИ.
Энергетическая величина |
Единицы измерения |
|
Световая величина |
Единицы измерения |
Поток излучения Излучательность Сила излучения Лучистость Облученность |
вт вт/м2 вт/ср вт/ср•м2 вт/м2 . |
Световой поток Светимость Яркость Освещенность |
лм лм/м2 кд/м2 лк . |
6. Некоторые единицы измерения в атомной и ядерной физике.
Атомная единица массы ( а.е.м.) – 1/16 массы атома изотопа кислорода О16 :
1 а.е.м. = 1,6597∙ 10-27 кг.
Унифицированная атомная единица массы ( у.а.е.м. ) – 1/12 массы атома
изотопа углерода 6С12 : 1 у.а.е.м. = 1,6603 ∙ 10-27 кг.
Барн – единица измерения эффективного сечения ядерных реакций :
1 барн =10-24 см2.
7. Универсальные физические постоянные.
Ниже приведены значения констант, рекомендованные Генеральной ассамблеей Международного союза чистой и прикладной физики в Варшаве в сентябре 1963 года.
Давление атмосферное нормальное:
ро =1 атм = 1,01325∙105 н /м2.
Заряд элементарный:
е = ( 1,60210 ± 0,00007 ) ∙ 10-19 к.
Заряд удельный электрона:
е / mе = ( 1,758796 ± 0,000019 ) ∙ 1011 к/кг.
Комптоновская длина волны протона:
λр = ( 1,32140 ± 0,00004 ) ∙ 10-15 м.
λр / 2π =( 2,10307 ± 0,00006 ) ∙ 10-16 м.
Комптоновская длина волны электрона:
λе = ( 2,42621 ± 0,00006 ) ∙ 10-12 м.
λе / 2π = ( 3,86144 ± 0,000019 ) ∙ 10-13 м.
Магнетон Бора:
µБ = ( 9,2732 ± 0,0006 ) ∙ 10-24 дж/тл.
Магнетон ядерный:
µяд = ( 5,0505 ± 0,0004 ) ∙ 10-27 дж/тл.
Масса покоя нейтрона:
mn =( 1,67482 ± 0,00008 ) ∙ 10-27 кг = ( 1,0086654 ± 0,0000013 ) у.а.е.м.
Масса покоя протона:
mp = ( 1,67252 ± 0,00008 ) ∙ 10-27 кг = ( 1,00727663 ± 0,0000024) у.а.е.м.
Масса покоя электрона:
me = ( 9,1091 ± 0,0004 ) ∙ 10-31 кг = ( 5,48597 ± 0,00009 ) у.а.е.м.
Момент магнитный протона:
µр = ( 1,41049 ± 0,00013 ) ∙ 10-26 дж/тл.
µр / µяд = (2,79276 ± 0,00007).
Момент магнитный аномальный электрона:
µе / µБ – 1 = ( 1,159615 ± 0,000015 ) ∙ 10-3.
Объем одного киломоля идеального газа при нормальных условиях:
V0 = ( 22,4136 ± 0,0030) м3.
Постоянная Больцмана:
k = ( 1,38054 ± 0,00018 ) ∙ 10-23 Дж/ 0К
Постоянная Вина:
b = ( 2,8978 ± 0,0004 ) ∙ 10-3 м ∙ 0К
Постоянная газовая:
R = ( 8,3143 ± 0,0012 ) ∙ 103 Дж/(0К∙кмоль)
Постоянная гравитационная:
= ( 6,670 ± 0,015 ) ∙ 10-11 м3/(кг∙с2)
Постоянная зеемановского расщепления:
µБ/(hc) = ( 46,6858 ± 0,0004 ) 1/(м∙Тл)
Постоянная Планка:
h = ( 6,6256 ± 0,0005 ) ∙ 10-34 Дж∙с
Постоянная радиационная первая:
с1 = 2πhc2 = ( 3,7405 ± 0,0003 ) ∙ 10-16 Вт∙м2
Постоянная радиационная вторая:
с2 = hc/k =( 1,43879 ± 0,00019 ) ∙ 10-2 м∙0К
Постоянная Ридберга:
R/ = ( 1,0973731 ± 0,0000003 ) ∙ 107 1/м
Постоянная Стафана-Больцмана:
= ( 5,6697 ± 0,0029 ) ∙ 10-8 Вт/(м2∙0К4)
Постоянная тонкой структуры:
= ( 7,29720 ± 0,00010 ) ∙ 10-3
Постоянная магнитная:
0 = 4π∙10-7 Гн/м
Постоянная электрическая:
0 = 107/(4πс2) Ф/м
Радиус первой боровской орбиты:
а0 = ( 5,29167 ± 0,00007 ) ∙ 10-11 м
Радиус электрона классический:
re = ( 2,81777 ± 0,00011 ) ∙ 10-15 м
Скорость света в вакууме:
с = ( 2,997925 ± 0,000003 ) ∙ 108 м/с
Ускорение свободного падения стандартное:
g = 9,80665 м/с2
Число Авагадро:
NA = ( 6,02252 ± 0,00028 ) ∙ 1023 1/кмоль
Число Фарадея:
F = ( 9,64870 ± 0,00016 ) ∙ 107 к/(кг∙экв)
Энергия покоя нейтрона:
mnc2 = ( 939,550 ± 0,015 ) Мэв
Энергия покоя протона:
mpc2 = ( 938,256 ± 0,015 ) Мэв
Энергия покоя электрона:
mec2 = ( 0,511006 ± 0,000005 ) Мэв
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ
ОБ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРАХ
При выполнении работ в лабораторном практикуме необходимо иметь четкие представления о принципах действия используемых приборов, их достоинствах и недостатках, а также уметь правильно выбрать предел измерения, рассчитать цену деления прибора, приборную погрешность.
Измерительные приборы - устройства или технические приспособления, служащие для сравнения измеряемой величины с мерой (единицей измерения). Для измерения электрических величин установлены меры электрической емкости, индуктивности, ЭДС (нормальные элементы), напряженности магнитного поля, частоты колебаний, электрического сопротивления.
Измерительные приборы классифицируются по различным признакам: по положенным в основу измерения методам и физическим явлениям, по конструктивным особенностям, по эксплуатационным характеристикам, по роду измеряемой величины и т.д. Напомним, что по принципу действия все электроизмерительные приборы делятся на следующие основные типы: магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, индукционные, электростатические, тепловые. Кроме указанных существуют и другие системы приборов, которые в лабораторном практикуме применяются сравнительно редко.
Наиболее распространенными являются приборы магнитоэлектрической, электромагнитной и электродинамической систем.
В приборах магнитоэлектрической системы используется действие магнитного поля (постоянного магнита) на подвижную рамку с током. Приборы этой системы имеют равномерные шкалы, обладают высокой чувствительностью и точностью, но пригодны только для постоянного тока. Недостатком приборов этой системы, является низкая механическая и электрическая прочность.
Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на втягивании ферромагнитного сердечника в магнитное поле тока, протекающего по обмотке неподвижной катушки. К достоинствам приборов этой системы можно отнести простоту конструкции, большую механическую прочность, выносливость к перегрузкам, пригодность как для постоянного, так и для переменного тока; к недостаткам - неравномерность шкалы, зависимость от внешних магнитных полей, низкую чувствительность.
В приборах электродинамической системы используется взаимодействие магнитных полей токов, протекающих по обмоткам неподвижной и подвижной катушек. Приборы электродинамической системы обладают высокой точностью и применяются для измерения тока, напряжения и мощности как постоянного, так и переменного токов. Недостатки этих приборов те же, что и у приборов электромагнитной системы.
Условные обозначения системы электроизмерительных
приборов.
-
Система прибора
Условные
обозначения
Магнитоэлектрическая
Электромагнитная
Электродинамическая
Наиболее важные технические характеристики приборов, в том числе и измерительная система, обычно приводятся на шкалах в условных обозначениях.
Очень важной характеристикой любого прибора является его точность. По степени точности приборы делятся на классы. ГОСТ 8.401-81 устанавливает следующие классы точности для приборов:
0,05 0,1 0,2 0,5 1,0 1,5 2,5 4,0
Число, обозначающее класс точности, равно предельному допустимому значению основной погрешности прибора, выраженного в % от диапазона измеряемой величины. Другими словами, если абсолютная погрешность прибора , а предельное значение измеряемой величины ПРЕД, то класс точности имеет смысл относительной ошибки прибора:
(1)
выраженной в процентах.
Абсолютная погрешность прибора (предельная допустимая ошибка) равна, следовательно,
= ПРЕД 0.01П (2)
Например, для вольтметра класса точности 0,2, рассчитанного на измерение напряжений не выше 300 В, абсолютная погрешность составляет
U = 300 0,01 0,2 = 0,6 В
Если класс точности понижается, а предел измерений остается прежним, то абсолютная погрешность возрастает.
Так, изменив класс точности вольтметра с 0,2 на 0,5, получаем
U = 300 0,01 0,5 = 1,5 В
Принято считать абсолютную погрешность прибора одинаковой для всей шкалы. Из этого условия следует, что относительная погрешность измерения, вычисленная по формуле:
(3)
зависит от измеряемой величины .
С возрастанием относительная погрешность уменьшается, достигая при = пред минимального значения = п. Например, если , то = 2 п , а если , то = 10п. Из примеров видно, что относительная погрешность измерения в первой половине шкалы значительно хуже, чем во второй. Отсюда вытекает практическое правило: прибор желательно использовать так, чтобы все измерения проходили во второй половине шкалы. С этой целью пользуются многопредельными (многошкальными) приборами.
Если измеряемая величина значительно ниже, чем пред, прибор необходимо переключить на меньший предел измерения, увеличив тем самым отклонение стрелки и точность измерения. Из (3) и (2) имеем:
Так, продолжая предыдущий пример, измерение напряжения U = 30В следует проводить, переключив вольтметр с предела 300В на самый чувствительный предел, охватывающий измеряемое напряжение, например, на предел 75В. При классе точности 0,5 получаем снижение относительной погрешности измерения с 1= 0,5% =5% до 2 = 0,5% =1,25%.
Переключение на новый предел измерения означает одновременно и изменение цены деления шкалы прибора ( пред число дел. ). Если рассмотренный выше вольтметр имеет 150 делений, то цена деления при переключении с предела 300 В на предел 75 В изменяется с 2 В на 0,5 В, т.е. во столько же раз, во сколько изменяется предел.
Условные обозначения технических характеристик приборов.
-
Условные обозначения
Техническая
характеристика
60
2.5 или
~
~
50 Гц
Класс точности прибора
Прибор пригоден;
только для постоянного тока
только для переменного тока
как для постоянного, так и для переменного тока
Частота 50 Гц
Вертикальная установка прибора
Горизонтальная установка
прибора
Наклонная установка прибора под углом 60
Изоляция прибора испытана напряжением 2кВ
Предостерегающий знак высокого напряжения
1 Если n мало (n < 30), то вместо распределения Гаусса пользуются распределением Стьюдента (псевдоним английского математика и химика Госсета), в котором плотность распределения вероятностей рассматривается как функция параметра tn, зависящего от числа измерений и доверительной вероятности. Распределение Стьюдента зависит от n и при n→∞ переходит в распределение Гаусса.