ЛАБОРАТОРНИЙ ПРАКТИКУМ З ОПТИКИ 7 страница

Залежність сил струмів (анодного, катодного, емітерного) від величини анодної напруги при , ,

	, под	, под	, под	, под	, под	, под	, под	, под	, под

 

Порядок отримання залежностей сили струмів у фотопомножувачі від напруги на емітері.

 

Освітлювальна лампа при виконанні вимірювань повинна знаходитись як і в попередньому випадку на відстані від фотопомножувача, тобто штанга з лампочкою розжарювання повинна бути всунута у світлозахисну трубку на глибину, яка відповідає 20-тій поділці шкали.

1. Виставте анодну напругу . Змінюючи значення напруги на емітері від до з кроком отримайте експериментальні дані, які потрібні для побудови залежностей , , .

Повторіть вимірювання , , при , . Результати вимірювань занесіть у таблицю №3. За даними таблиці №3 побудуйте залежності , , при трьох вказаних значеннях анодної напруги.

2. Визначте максимальне значення коефіцієнта підсилення для кожного з досліджених випадків.

Таблиця №3

Залежність сил струмів (катодного, анодного, емітерного) фотопомножувача від величини анодної напруги при U_а = 180 В, 210 В, 240 В

 

	, под	, под	, под	, под	, под	, под	, под	, под	, под

 

Питання для самоконтролю

1. Яку будову має фотоелектронний помножувач?

2. Який принцип дії фотоелектронного помножувача?

3. Наведіть приклади практичного застосування фотоелектронних помножувачів.

4. Що називають фотоефектом? Які є види фотоефекту?

5. Сформулюйте закони зовнішнього фотоефекту.

6. Запишіть рівняння Ейнштейна для фотоефекту і поясніть фізичний зміст величин, які входять до нього.

7. Що називають червоною межею фотоефекту?

Література: [2-22, 35-37, 40]

Лабораторна робота №25

 

ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТІВ ПРОПУСКАННЯ І ПОГЛИНАННЯ СВІТЛА, ОПТИЧНИХ ГУСТИН І КОНЦЕНТРАЦІЇ РОЗЧИНІВ МІДНОГО КУПОРОСУ У ВОДІ З ВИКОРИСТАННЯМ ФОТОКОЛОРИМЕТРА КФК-2

 

Мета лабораторної роботи: Вивчити принципи вимірювання поглинання світла за допомогою концентраційного фотоелектричного колориметра КФК-2. Визначити коефіцієнти проходження і поглинання, а також оптичні густини розчинів. Визначити концентрацію розчину.

 

Основні теоретичні відомості

 

Світло, проходячи через будь-яке середовище, повністю або частково поглинається. Поглинання (абсорбція) світла пов’язане з перетворенням у речовині енергії електричного випромінювання у інші види енергії. З точки зору електронної теорії взаємодія світла і речовини зводиться до взаємодії електромагнітного поля світлової хвилі з атомами і молекулами речовини. Енергія електромагнітної хвилі, яка затрачується на збудження коливань, частково повертається у вигляді випромінювання вторинних хвиль, які випромінюються зарядженими частинками, що рухаються, а частково переходить у інші форми енергії, наприклад у енергію руху атомів, тобто у внутрішню енергію речовини. Інтенсивність світла при проходженні через речовину зменшується – здійснюється поглинання (абсорбція) світла.

Поглинання світла у загальних рисах можна описати з енергетичної точки зору, не заглиблюючись у деталі механізму взаємодії світлових хвиль з атомами та молекулами речовини, яка поглинає світло.

 

 

Рис.1.

 

Нехай на однорідну речовину товщиною d (рис.1) падає пучок паралельних монохроматичних променів інтенсивністю . Експериментально встановлено, що при проходженні світла крізь поглинаючий шар речовини інтенсивність світла I послаблюється пропорційно товщині шару. Тому при проходженні світлом товщини шару dx зміна інтенсивності

, (1)

де – коефіцієнт пропорційності (лінійний коефіцієнт поглинання світла), який залежить від виду поглинаючої речовини та від довжини хвилі. Знак мінус вказує на те, що із збільшенням товщини шару поглинаючого середовища інтенсивність світла, що проходить через нього, зменшується. Після відокремлення змінних у рівнянні дістанемо:

. (2)

Інтегруючи рівняння (2), одержимо:

. (3)

Після інтегрування маємо:

, (4)

тобто:

. (5)

Отримане співвідношення називається законом Бугера-Ламберта. Фізичний зміст коефіцієнта поглинання α _λ можна визначити з такої умови. Зменшення інтенсивності світла в е раз () здійснюється при товщині поглинаючого шару .

Встановлено, що у випадку проходження світла через розчин поглинаючої речовини у прозорому розчиннику коефіцієнт поглинання α _λ прямо пропорційний молекулярній концентрації С₀ розчиненої речовини, тобто

, (6)

де α ₀ – коефіцієнт пропорційності, який залежить від природи розчиненої речовини і не залежить від її концентрації у розчині. З врахуванням співвідношення (6) закону Бугера-Ламберта, який виконується для газів і розчинів малих концентрацій, можна надати такий вигляд

. (7)

При експериментальному дослідженні поглинання світла речовиною зазвичай вимірюють коефіцієнти пропускання τ і оптичну густину D. За визначенням

, (8)

. (9)

Оскільки і , то , а лінійний коефіцієнт поглинання α _λ

. (10)

Якщо крізь речовину пропустити світло із суцільним спектром, то аналізуючи випромінювання, яке пройшло крізь неї, можна за зміною інтенсивності визначити спектр поглинання речовини, яка досліджується, тобто отримати залежність лінійного коефіцієнта поглинання від довжини хвилі, яка проходить крізь шар поглинаючої речовини.

Використовуючи закон Бугера-Ламберта можна визначити концентрацію розчину за методом порівняння коефіцієнта пропускання розчину невідомої концентрації С_x і коефіцієнта пропускання розчину відомої концентрації С.

 

Опис колориметра КФК-2 та методики вимірювань

 

 

Рис.2.

 

Для вимірювання коефіцієнтів пропускання та визначення концентрації розчинів використовують прилади, які називають колориметрами. Колориметр фотоелектричний концентраційний КФК-2, який використовується у даній лабораторній роботі (рис.2) – це прилад, призначений для вимірювання коефіцієнтів пропускання та оптичних густин рідких розчинів і твердих тіл у окремих спектральних ділянках діапазону довжин хвиль . Спектральні ділянки виділяються світлофільтрами, які вмонтовані у диск і вводяться в світловий потік поворотом ручки 7. Максимуми пропускання світлофільтрів припадає на такі довжини хвиль: – 1-й світлофільтр, – 2-й, – 3-й, – 4-й, – 5-й, – 6-й, – 7-й, – 8-й, – 9-й, – 10-й, – 11-й світлофільтр.

Кювети з досліджуваною речовиною, розчинником або контрольним розчином поміщують у кюветне відділення 5. Заміна кювет здійснюється поворотом ручки 6. Приймачами випромінювання є: фотоелемент Ф-26 в інтервалі і фотодіод ФД-7К у інтервалі . Перемикання фотоприймачів і зміна їхньої чутливості здійснюється за допомогою ручки 4. У якості реєструючого приладу використовують мікроамперметр 1, шкала якого має 100 поділок, які відповідають значенням (у відсотках) коефіцієнта пропускання τ. Встановлення стрілки мікроамперметра на 100 поділок здійснюється ручками: 4 «Чувствительность», 3 «Установка 100 грубо» і 2 «Точно».

Коефіцієнт пропускання τ за допомогою колориметра КФК-2 вимірюють таким чином. Спочатку на шляху світла розташовують кювету з розчинником або контрольним розчином. Відлік коефіцієнта пропускання колориметра у цьому випадку встановлюють рівним поділкам, тобто повний світловий потік умовно приймають за 100%. Потім на те ж саме місце поміщують аналогічну кювету з досліджуваним розчином. Відлік n₂ за шкалою коефіцієнта пропускання буде відповідати потоку . Значить, коефіцієнт пропускання , виражений у відсотках, буде дорівнювати відліку тобто .

Оптична густина

. (11)

Хід виконання роботи

 

1. Увімкніть колориметр у електричну мережу за 15 хвилин до початку вимірювань (кюветне відділення 5 під час прогрівання приладу повинно бути відкритим!)

2. Введіть поворотом ручки 7 необхідний світлофільтр (наприклад другий).

3. Встановіть мінімальну чутливість колориметра. Для цього ручку «Чувствительность» встановіть у положення «1», а ручку «Установка 100 грубо» встановіть у крайнє ліве положення.

4. Налийте в одну з кювет (наприклад довжиною ) 12% розчин мідного купоросу у воді, а у другу кювету з такою ж довжиною – розчинник (дистильовану воду). Рідини слід наливати не вище мітки на боковій стінці кювети. Наявність забруднень або крапель розчину на робочих (торцевих) поверхнях кювети приводить до одержання невірних результатів.

5. Встановіть обидві кювети, накривши їх кришками, у кюветоутримувач і помістіть його у відділення 5. Кюветоутримувач встановлюють у кюветне відділення на столик так, щоб дві маленькі пружинки знаходились на передній стороні.

6. Поворотом ручки 7 помістіть кювету з розчинником у світловий пучок.

7. Закрийте кришку кюветного відділення (при піднятій кришці спеціальна шторка перед фотоприймачем перекриває світловий пучок).

8. Ручками «Чувствительность», «Установка 100 грубо» і «Точно» встановіть відлік 100 за шкалою колориметра.

9. Поворотом ручки 7 кювету з розчинником замінити на кювету з розчином, який досліджується.

10. Зробіть відлік і D за шкалою колориметра.

11. Виміряйте коефіцієнти пропускання τ та оптичну густину D розчинів мідного купоросу CuSO₄ інших відомих концентрацій (8 мас.%, 10 мас.%) і невідомої () концентрації у воді, поступово використовуючи наступні світлофільтри (третій, четвертий і так далі). Одержані результати занесіть у Таблицю №1.

12. За даними таблиці №1 побудуйте графіки залежностей і для всіх використаних світлофільтрів. Визначте оптимальну довжину світлової хвилі, де чутливість приладу є максимальною для чотирьох досліджуваних розчинів.

13. Для побудуйте градуювальний графік КФК-2 - залежність коефіцієнта пропускання від концентрації розчинів для трьох розчинів, концентрації яких відомі. За цим графіком визначте невідому концентрацію розчину .

14. За формулою (10) визначте коефіцієнти поглинання для всіх розчинів при усіх використаних світлофільтрах. Побудуйте залежності , тобто спектри поглинання розчину мідного купоросу CuSO₄ у воді.

Таблиця №1

l, нм	C = 8%	C = 10%	C = 12%	Cx, %
	t, %	D	t, %	D	t, %	D	t, %	D

 

Питання для самоконтролю

1. Чим пояснюється послаблення світла при його проходженні крізь речовину?

2. У чому полягає відмінність поглинання світла від розсіювання світла?

3. Поясніть на прикладі прилада КФК-2 принцип вимірювання поглинання світла за фотоколометричним методом.

4. Яку інформацію можна отримати із спектра поглинання?

5. Поясніть принцип дії абсорбційного світлофільтра.

6. Який фізичний зміст коефіцієнта поглинання?

 

Література: [3-22, 23, 24, 30]

ЛІТЕРАТУРА

 

1. Сборник описаний лабораторных работ по физике. Оптика.- Харьков. ХГУ.- 1971.- 182с.

2. Методические указания к выполнению лабораторных работ по физике. Оптика, часть 1. Для студентов II курса физического и радиофизического факультетов / Сост. В.М. Андронов, Н.А. Носуленко.- Харьков. ХГУ.- 1991.- 64с.

3. Трофимова Т.И. Курс физики.- М.: Высш. шк.- 1999.- 541с.

4. Яворський Б.М., Детлаф А.А. Курс фізики.- К.: Вища шк.- Т.3.- 1973.- 500с.

5. Матвеев А.И. Оптика.- М.: Высш. шк.- 1985.- 351с.

6. Лансберг Г.А. Оптика.- М.: Наука.- 1976.- 926с.

7. Бутиков Е.И. Оптика.- М.: Высш. шк.- 1986.- 512с.

8. Королев Ф.А. Курс физики. Оптика. Атомная и ядерная физика.- М.: Просвещение.- 1974.- 608с.

9. Кучерук І.М., Дущенко В.П. Загальна фізика. Оптика. Квантова фізика.- К.: Вища шк.- 1991.- 463с.

10. Трофимова Т.И. Физика в таблицах и формулах.- М.: Дрофа.- 2004.- 432с.

11. Савельев И.В. Курс общей физики. Кн. 4. Волны. Оптика.- М.: Наука. Физматлит.- 1998.- 256с.

12. Савельев И.В. Курс общей физики. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика.- М.: Наука.- 1988.- 496с.

13. Сивухин Д.В. Оптика.-М.: Наука.- 1985.- 752с.

14. Гершензон Н.Н., Малов Н.Н., Эткин В.С. Курс общей физики. Оптика и атомная физика.- М.: Просвещение.- 1981.- 240с.

15. Фриш С.Э., Тиморева А.В. Курс общей физики. Т.3- М.: Наука.- 1961.- 608с.

16. Горбань І.С. Оптика.- К.: Вища шк.- 1979.- 223с.

17. Дичберн Р. Физическая оптика.- М.: Наука.- 1965.- 524с.

18. Калитиевский Н.И. Волновая оптика.- М.: Высш. шк.- 1978.- 384с.

19. Трофимова Т.И. Оптика и атомная физика: законы, проблемы, задачи: Учеб. пособие для втузов.- М.: Высш. шк.- 1999.- 288с.

20. Годжаев Н.М. Оптика.- М.: Высш. шк.- 1977.- 432с.

21. Курс фізики. Підручник. /І.С. Лопатинський, І.Р Зачек І.М. Кравчук та інші.-Львів: Афіша.- 2003.- 376с.

22. Бушок Г.Ф., Венгер Є.Ф. Курс фізики: В 3 кн. - Кн.3. Оптика. Фізика атома та атомного ядра.- К.: Вища шк.- 2003.- 311с.

23. Евграфова Н.Н., Коган В.Л. Руководство к лабораторным работам по физике.- М.: Высш. шк.- 1970.- 383с.

24. Майсова Н.Н. Практикум по курсу общей физики.- М.: Высш. шк.- 1970.- 448с.

25. Фізика для інженерних спеціальностей. Кредитно-модульна система: Навч. посібник.- Ч.2 / В.В. Куліш, А.М. Самойлов, О.Я. Кузнєцова, В.М. Кулішенко.- К.: Книжкове видавництво НАУ.- 2005.- 380с.

26. Физический практикум: Для физ. спец. вузов / А.М. Саржевский, В.П. Бобрович, Г.Н. Борздов и др.; под ред. Г.С. Кембровского.- Мн.: Издательство «Университетское».- 1986.- 352с.

27. Курс физики: Практикум / И.Л. Бабич, Ю.И. Гриценко, А.В. Мартынюк и др. / Под ред. Д.А. Городецкого.- К.: Вища шк.- 1992.- 399с.

28. Лабораторные занятия по физике: Учебное пособие / Гольдин Л.Л., Игошин Ф.Ф., Козел С.М. и др. / Под ред. Гольдина Л.Л.- М.: Наука.- 1983.- 704с.

29. Физический практикум / Под ред. Дущенко В.П.- К.: Вища шк.- 1984.- Т.2.- 256с.

30. Лабораторный практикум по физике / Б.Ф. Алексеев, К.А. Барсуков, И.А. Войцеховская и др. / Под ред. К.А. Барсукова и Ю.И. Уханова.- М.: Высш. шк.- 1988.- 351с.

31. Уродов В.И., Стрижнев В.С. Практикум по физике.- Изд-во «Вышэйшая школа». Минск.- 1973.- 381с.

32. Кортнев А.В., Рублев Ю.В., Куценко А.Н. Практикум по физике.- М.: Высш. шк.- 1963.- 515с.

33. Винниченко В.Є. Фізичний практикум.- К.: Радянська шк.- 1954.- 400с.

34. Чепуренко В.Г. Руководство к лабораторным работам по физике.- Изд-во Киевского университета.- 1968.- 310с.

35. Соколова Н.А., Меламид А.Е. Фотоэлектрические приборы.- М.: Высш. шк.- 1974.- 350с.

36. Иванов Е.Д., Носуленко Н.А. Методические указания к выполнению лабораторной работы по оптике «Изучение фотоэлементов с внутренним усилением фототока при помощи вторичной эмиссии электронов» (фотоэлектронные умножители) - Изд-во Харьковского университета.- 1982.-11с.

37. Физический энциклопедический словарь / Гл. ред. А.М. Прохоров.- М.: Сов. энциклопедия.- 1983.- 928с.

38. Физический практикум. Электричество и оптика. / Под ред. В.И. Ивероновой.- М.: Наука.-1968.- 815с.

39. Носуленко Н.А. Методические указания для самостоятельной работы студентов при подготовке к выполнению и сдаче лабораторной работы по оптике «Изучение дифракции Френеля на круглом отверстии».- Изд-во Харьковского университета.- 1988.-9с.

40. Пойда В.П., Хижковий В.П. Методичні інструкції щодо виконання віртуальних лабораторних робіт з оптики. - Харків: ХНУ імені В.Н. Каразіна.- 2006.- 68с.

 

 

 

Навчальне видання

 

Укладачі:

Пойда Володимир Павлович,