Лабораторные работы по физике за 2 курс - файл n1.doc

Лабораторные работы по физике за 2 курс
скачать (6857.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc6858kb.20.11.2012 14:39скачать

n1.doc




МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

(КАЗАНСКИЙ ФИЛИАЛ МИИТ)
Лабораторные работы

по физике

Работу выполнила:

студентка 2 курса

шифр 10-КЗЭЛ-11427

Бабушкина С.А.

Проверил: Матухин Е.Л.
КАЗАНЬ 2012
Казань 2007




Содержание




Лабораторная работа № 1 3

Тема: Изучение собственных колебаний пружинного маятника 3

Лабораторная работа № 2 11

Тема: Радиоактивность. Исследования мощности эквивалентной дозы гамма-излучения с помощью счетчика Гейгера-Мюллера. 11

Лабораторная работа № 3 18

Тема: Дифракция света. Дифракционная решетка. 18

Лабораторная работа № 4 24

Тема: Иследование явления фотоэффекта. 24

Лабораторная работа № 5 34

Тема: Исследование явления комптоновского рассеяния. 34

Лабораторная работа № 6 39

Тема: Определение коэффициента динамической вязкости жидкости по методу стокса 39

Лабораторная работа № 1

Тема: Изучение собственных колебаний пружинного маятника


  1. Цель работы: Определение коэффициента упругости пружины, проверка формулы периода колебания пружинного маятника.

  2. Приборы и принадлежности: пружина с держателем грузов, набор грузов, зеркальная шкала на штативе.

  3. Теоретическая часть:

Колебаниями называются процессы (движения или изменения состояния), в той или иной степени повторяющиеся во времени (рис. 1.1)



Рис. 1.1 Примеры колебательных движения
В зависимости от физической природы колебательного процесса и механизма его возбуждения различают: колебания механические, электромагнитные, электромеханические.

Система, совершающая колебания, называют колебательной.

Свободными (собственными) колебаниями называются колебания, которые происходят в отсутствии переменных внешних воздействий на колебательную систему и возникают вследствие какого-либо начального отклонения этой системы от состояния устойчивого равновесия.

Вынужденными колебаниями называют колебания, возникающие в какой-либо системе под влиянием временного внешнего воздействия.

Колебания называются периодическими, если значения всех физических величин, характеризующих колебательную систему и изменяющихся при ее колебаниях, повторяются через равные промежутки времени. Наименьший промежуток времени Т, удовлетворяющий этому условию, называется периодом.

Частотой периодических колебаний называется величина, равная числу колебаний, совершаемых за единицу времени:

?=1/Т

Циклической (круговой) частотой периодических колебаний называется величина, равная числу полных колебаний, совершаемых за 2? единиц времени:

?=2??=2?/Т

При периодических колебаниях зависимость колеблющейся величины от времени t удовлетворяет условию:

s(t+T)=s(t)

Периодические колебания величины s(t)называются гармоническими, если

s(t)=А sin(?t+?0),

где ?=2??=2?/Т – циклическая (круговая) частота гармонических колебаний;

А= sмакс=const – максимальное значение колеблющейся величины, называемое амплитудой колебаний, постоянная величина.

Линейный гармонический осциллятор – материальная точка массы m, совершающая колебания под действием упругой силы:

Fупр=-kx

Примером такой системы может служить пружинный маятник – груз массы m, подвешенный на абсолютно упругой пружине с коэффициентом упругости k.

Пружинный маятник совершает гармонические колебания по закону:

x=Asin(?t+?0)

с циклической частотой:



и периодом:



  1. Практическая часть:

В работе используются вертикальный пружинный маятник (рис 1.2)



Рис. 1.2

Пружина имеет начальную длину L0. После того как на держателе пружины закрепят груз массой m, она удлинится на величину:

?L=L-L0.

По закону Гука в пружине возникает сила упругости:

F=k?L,

которая и уравновешивает силу тяжести груза:

mg=k?L.
определяют коэффициент жесткости пружины:

k=mg/?L.

Если слегка оттянуть пружину вниз и отпустить, то система будет совершать колебания в вертикальной плоскости с периодом Т.
Определим коэффициент жесткости пружины.

Порядок выполнения работы.

  1. Укрепим держатель грузов на пружине и определим по шкале начальное положение держателя L0.

  2. Поместим на держателе груз массой m1 и отметим по шкале положение держателя L1.

m1=0, кг L2=0,18, м,

Данные занесем в таблицу 1.1

Таблица 1.1

Коэффициент жесткости пружины

Начальное положение держателя грузов L0=0,18, м



m, кг

Li, м

?Li, м

ki, Н/м

k, Н/м

1

0

0,18

0

0

21,35

2

0,19

0,25

0,07

26,6

3

0,15

0,24

0,06

24,5

4

0,07

0,2

0,02

34,3




  1. Добавим на держатель груз массой m2 и запишем в таблицу новое значение положение держателя L2.

m2=0,19, кг L2=0,25, м,

  1. Нагружаем систему постепенно еще двумя грузами, каждый раз фиксируя удлинение пружины.

m3=0,15, кг L2=0,24, м,

m4=0,07, кг L2=0,2, м,

Обработаем результаты измерений

  1. Рассчитаем удлинение пружины в каждом из опытов

?L=Li-L0

Данные занесем в таблицу 1.1

?L1=L1-L0=0,18-0,18=0, м

?L2=L2-L0=0,25-0,18=0,07, м

?L3=L3-L0=0,24-0,18=0,06, м

?L4=L4-L0=0,2-0,18=0,02, м

  1. определим коэффициент жесткости

ki=mg/?L, где g=9,8 м/с

Данные занесем в таблицу 1.1

k1=mg/?L=0∙9,8/0=0, Н/м

k2=mg/?L=0,19∙9,8/0,07=26,6, Н/м

k3=mg/?L=0,15∙9,8/0,06=24,5, Н/м

k4=mg/?L=0,07∙9,8/0,02=34,3, Н/м

  1. Вычислим среднеарифметическое значение коэффициента жесткости пружины по формуле:

k=( k1+ k2+ k3+ k4)/4

Данные занесем в таблицу 1.1

k=( k1+ k2+ k3+ k4)/4=(0+26,6+24,5+34,3)/4=21,35, Н/м
Проверим формулы периода колебаний пружинного маятника

Порядок выполнения работы

  1. Закрепим на держателе пружины груз массой m1, приводя его в колебательное движение, слегка оттянув груз вниз.

m1=0,25, кг

  1. Определим с помощью секундомера время 5 полных колебаний маятника, данные занесем в таблицу 1.2.

t=3,69, с
Таблица 1.2



m, кг

t, с

Tiоп, с

TiT, с

?, рад/с

?,%

1

0,25

3,69

0,738

0,609

8,51

0,18

2

0,24

3,55

0,71

0,634

8,85

0,11

3

0,2

2,56

0,512

0,480

12,27

0,06




  1. Далее добавляя грузы массами m2, m3, проведем измерения, аналогичные п.2

m2=0,24, кг; t=3,55, с

m3=0,2, кг; t=2,56, с

Обработаем результаты измерений

  1. Вычислим в каждом опыте период и циклическую частоту колебаний пружинного маятника, согласно формулам:

Ti=/n ?=2?/Ti

где n – количество колебаний

T1=<t>/n=3,69/5=0,738, с; ?1=2?/T1=8,51, рад/с

T2=<t>/n=3,55/5=0,71, с; ?2=2?/T2=8,85, рад/с

T3=<t>/n=2,56/5=0,512, с; ?3=2?/T3=12,27, рад/с

Т=( T1 +T2 +T3)/3=0,653, с.

Данные занесем в таблицу 1.2

  1. Используя значение коэффициентов жесткости пружины, рассчитаем теоретические значения периодов колебания маятника:









Данные занесем в таблицу 1.2

  1. Рассчитаем расхождение экспериментальных и теоретических значений периода

?=((TiT-Ti)/ TiT)∙100%

?1=((TiT-Ti)/ TiT)∙100%=((0,738-0,609)/ 0,738)∙100%=0,18%

?2=((TiT-Ti)/ TiT)∙100%=((0,71-0,634)/ 0,71)∙100%=0,11%

?3=((TiT-Ti)/ TiT)∙100%=((0,512-0,480)/ 0,512)∙100%=0,06%

Данные занесем в таблицу 1.2

  1. Выводы:

  1. Периодические колебания величины s(t)называются гармоническими, если

s(t)=А sin(?t+?0).

  1. Пружинный маятник, это груз массы m, подвешенный на пружине с коэффициентом упругости k, совершает гармонические колебания по закону:

x=Asin(?t+?0)

с циклической частотой:



и периодом:




  1. Экспериментально определен коэффициент жидкости k=21,35, Н/м; период колебания Т=0,653, с.



  1. Список использованной литературы:

  1. Физика Часть 2 Руководство к выполнению лабораторных работ для студентов 2 курса инженерно-технических специальностей. Под редакцией Т.Ф. Климовой. (4/1/16 РГОТУПС, М.08);

  2. Трофимова Т.И. «Краткий курс физики» Москва – 2006 г.

Лабораторная работа № 2

Тема: Радиоактивность. Исследования мощности эквивалентной дозы гамма-излучения с помощью счетчика Гейгера-Мюллера.





  1. Цель работы: Ознакомление с явлением радиоактивности, с методами регистрации излучений и экспериментальное определение мощности эквивалентной дозы гамма-излучения.




  1. Приборы и принадлежности: дозиметр-радиометр ДРБП-03.

Блок-схема прибора показана на рисунке 2.1 и включает в себя следующие блоки:

- центральный процессор (ЦП);

- контроллер индикатор (КИ);

- контролер клавиатуры (КК);

- Контроллер разъема (КР);

- специализированный жидкокристаллический индикатор (ЖКИ);

- 3незасимых источника высоковольтного питания (ИП1, ИП2, ИП3);

- блок клавиатуры (К);

- репрограмируемое запоминающее устройство (РПЗУ);

- два встроенных детектора СБМ-32 (С1);

- встроенный детектор СИ-34ГМ (С2);

- блок обработки сигнала (Б);

- разъем 2РМ-7 (Р);

- элемент питания 9В.

Схема работает следующим образом. В результате воздействия ионизирующего излучения на выходе детекторов появляются импульсы, которые поступают в блок обработки сигнала и далее на центральный процессор и преобразуется в звуковую сигнализацию и цифровую информацию и значениях мощности эквивалентной дозы ионизирующего фотонного излучения (далее МЭД), эквивалентной дозы ионизирующего фотонного излучения (далее ЭД), плотность потока ?-, ?-частиц, удельной активности. Цифровая информация поступает на ЖКИ.

Времена измерения по каждому каналу, коэффициент пересчета дозы хранятся в энергонезависимом РПЗУ и могут быть изменены только при переключении внутреннего переключателя.

блок-схема: альтернативный процесс 3блок-схема: альтернативный процесс 4блок-схема: альтернативный процесс 5

прямая со стрелкой 26прямая со стрелкой 27прямая со стрелкой 29


блок-схема: альтернативный процесс 6блок-схема: альтернативный процесс 7блок-схема: альтернативный процесс 8


прямая со стрелкой 21прямая со стрелкой 31прямая со стрелкой 32


блок-схема: альтернативный процесс 9блок-схема: альтернативный процесс 10блок-схема: альтернативный процесс 11прямая соединительная линия 30прямая соединительная линия 33прямая со стрелкой 34прямая соединительная линия 35


прямая со стрелкой 22прямая со стрелкой 24прямая соединительная линия 36


прямая со стрелкой 23прямая соединительная линия 37прямая со стрелкой 38прямая со стрелкой 41прямая соединительная линия 42прямая соединительная линия 45прямая соединительная линия 46


блок-схема: альтернативный процесс 12блок-схема: альтернативный процесс 17прямая соединительная линия 39прямая соединительная линия 40


блок-схема: альтернативный процесс 15прямая со стрелкой 20


прямая со стрелкой 49


блок-схема: альтернативный процесс 13блок-схема: альтернативный процесс 18прямая соединительная линия 44прямая соединительная линия 47прямая со стрелкой 48


блок-схема: альтернативный процесс 16прямая со стрелкой 19прямая соединительная линия 43
Рис. 2.1 Блок схема измерительного блока (пульта) дозиметра-радиометра «ДРБП-03»


  1. Теоретическая часть:

Практически все методы наблюдения и регистрации радиоактивных излучений (?, ?, ?) и частиц основаны на их способности производить ионизацию и возбуждение атомов среды.

Сцинтилляционный счетчик.

Детектор ядерных частиц, основными элементами которого являются сцинтиллятор (кристаллофосфор) и фотоэлектронный умножитель, позволяющий преобразовывать слабые световые вспышки в электрические импульсы, регистрируемые электронной аппаратурой.

Импульсная ионизационная камера.

Это детектор частиц, действие которого основано на способности заряженных частиц вызывать ионизацию газа. Ионизационная камера представляет собой заполненный газом электрический конденсатор, к электродам которого подается постоянное напряжение. Регистрируемая частица, попадая в пространство между электродами, ионизирует газ.

Газоразрядный счетчик.

Обычно выполняется в виде наполненного газом металлического цилиндра (катод) с тонкой проволокой (анод), натянутой по его оси. В них основную роль играет вторичная ионизация, обусловленная столкновениями первичных ионов с атомами и молекулами газа и стенок. Есть два типа газоразрядных счетчиков: пропорциональные (в них газовый разряд несамостоятельный, т.е. гаснет при прекращении действия внешнего ионизатора) и счетчик Гейгера-Мюллера (в них разряд самостоятельный, т.е. поддерживается после прекращения действия внешнего ионизатора).

Счетчик Гейгера-Мюллера

По конструкции и принципу действия существенно не отличается от пропорционального счетчика, но работает в области вольт-амперной характеристики, соответствующей самостоятельному разряду, когда выходной импульс не зависит от первичной ионизации. Счетчик Гейгера-Мюллера регистрирует частицу без измерения ее энергии.

Полупроводниковый счетчик.

Детектор частиц, основным элементом которого является полупроводниковый диод.

Камера Вильсона.

Выполняется обычно в виде стеклянного цилиндра с плотно прилегающим поршнем. Цилиндр наполняется нейтральным газом (обычно гелием или аргоном), насыщенным парами воды и спирта. При резком, т.е. адиабатном, расширении газа пар становится перенасыщенным и на траекториях частиц, пролетевших через камеру, образуются треки из тумана. Образовавшиеся треки для воспроизводства их пространственного расположения фотографируются стереоскопически.

Диффузионная камера.

Это разновидность камеры Вильсона. В ней рабочим веществом также является пересыщенный пар, но состояние пересыщения создается диффузией паров спирта от нагретой крышкой ко дну, охлаждаемому твердой углекислотой. Вблизи дна возникает слой пересыщенного пара толщиной примерно 5 см, в котором проходящие заряженные частицы создают треки.

Пузырьковая камера.

В ней рабочим веществом является перегретая (находящаяся под давлением) прозрачная жидкость (жидкие водород, пропан, ксенон). Запускается камера, так же как и камера Вильсона, резким сбросом давления, переходящим жидкость в неустойчивое перегретое состояние. Пролетающая в это время через камеру заряженная частица вызывает резкое вскипание жидкости, и траектория частицы оказывается обозначенной цепочкой пузырьков пара – образуется трек.

Ядерные фотоэмульсии.

Простейший трековый детектор заряженных частиц. Прохождение заряженной частицы в эмульсии вызывает ионизацию, приводящую к образованию центров скрытого изображения.


  1. Практическая часть:

Произведем измерения мощности эквивалентной дозы гамма-излучения. Данные занесем в таблицу 2.1.

Таблица 2.1



Рi, мкЗв/ч









?

1

0,09

0,074

-0,016

0,0002560

0,0087200


0,083522


2

0,08

-0,006

0,0000360

3

0,02

0,054

0,0029160

4

0,04

0,034

0,0011560

5

0,14

-0,066

0,0043560


Произведем расчеты остальной части таблицы

Порядок выполнения работы.

Найдем 

=?Рi / n, где n – количество измерений

P=(0,09+0,08+0,02+0,04+0,14)/5=0,074

Данные занесем в таблицу 2.1

Рассчитаем по формуле  для каждого нашего значения:

  1. 1=0,074-0,09=-0,016

  2. 2=0,074-0,08=-0,006

  3. 3=0,074-0,02=0,054

  4. 4=0,074-0,04=0,034

  5. 5=0,074-0,14=-0,066

Данные занесем в таблицу 2.1

Рассчитаем по формуле для каждого нашего значения:

  1. (1)2=(-0,016)2=0,0002560

  2. (2)2=(-0,006)2=0,0000360

  3. (3)2=(0,054)2=0,0029160

  4. (4)2=(0,034)2=0,0011560

  5. (5)2=(-0,066)2=0,0043560

Данные занесем в таблицу 2.1

Найдем 

=0,0002560+0,0000360+0,0029160+0,0011560+0,0043560 =0,0087200

Данные занесем в таблицу 2.1

Для нахождения ? воспользуемся формулой:





Данные занесем в таблицу 2.1

  1. Выводы:

  1. Для измерения радиоактивного излучения используются следующие приборы:

- Сцинтилляционный счетчик.

- Импульсная ионизационная камера.

- Газоразрядный счетчик: (пропорциональный счетчик, счетчик Гейгера-Мюллера)

- Полупроводниковый счетчик.

- Камера Вильсона.

- Диффузионная камера.

- Пузырьковая камера.

- Ядерные фотоэмульсии.

  1. Используя счетчик Гейгера-Мюллера определим мощность эквивалентной дозы гамма-излучения:

Р=(±?), мкЗв/ч

Р=(±?)=( 0,074±0,083522)=-0,00952, мкЗв/ч

  1. Список использованной литературы:

  1. Трофимова Т.И. «Краткий курс физики» Москва – 2006 г.

  2. Трофимова Т.И. «Физика в таблицах и формулах» Москва – 2002 г.

  3. Дозиметр-радиометр «ДРБП-03». Паспорт.

Лабораторная работа № 3

Тема: Дифракция света. Дифракционная решетка.


  1. Цель работы: Ознакомление с явлением дифракции света и определение параметров дифракционной картины.

  2. Приборы и принадлежности: Программное обеспечение ПВЭМ «Открытая физика», линейки, дифракционные решетки, световая установка.

  3. Теоретическая часть:

Дифракция света (рис. 3.1.). Частый случай дифракции волн. Явление, наблюдаемое при распространении света в среде вблизи непрозрачных тел, сквозь малые отверстия и связанное с отклонениями от законов геометрической оптики. Дифракция приводит, например, к огибанию световыми волнами препятствий и проникновения света в область геометрической тени.



Рис. 3.1. Дифракция света

Простейшая дифракционная решетка (рис. 3.2.)представляет собой систему узких параллельных цепей, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга.



Рис. 3.2. Дифракционная решетка

Если на решетку нормально падает монохроматический пучок света, то после решетки свет распространяется по нескольким направлениям. Если за решеткой поставить собирающую линзы, то в ее фокальной плоскости будут наблюдаться дифракционные максимумы различных порядков. Эти максимумы называются главными. Пучки света, образующие главные максимумы, распространяются после решетки в направлениях, определяемые формулой решетки:

dsin?m=m?

Здесь d - период решетки, ? - длина световой волны, m - целое число, называемое порядком дифракционного максимум.

Расстояние от максимума нулевого порядка (m=0) до максимума m-го порядка в фокальной плоскости линзы с фокусным расстоянием F при малых углах дифракции определяется формулой:

ym=m∙?/d∙F

Так как положение максимумов (кроме нулевого!) зависит от длины волны то решетка способна разлагать излучение в спектр, то она является спектральным прибором.

С помощью дифракционной решетки можно производить очень точные измерения длины волны. Если период решетки известен, то определение длины волн сводится к измерению угла ?m, соответствующего направлению на выбранный максимум m-го порядка.

Если свет состоит из двух монохроматических волн с длинами волн ?1 и ?2 , то решетка в каждом спектральном порядке (кроме m=0) может отделить одну волну от другой.

Положение главных максимумов зависит от длины волны ?. Поэтому при пропускании через решетку белого света все максимумы, кроме центрального (т = 0), разложатся в спектр, фиолетовая часть которого будет обращена к центру дифракционной картины, а красная - наружу. Это свойство дифракционной решетки используется для исследования спектрального состава света, т.е. дифракционная решетка может быть использована как спектральный прибор.

Обозначим расстояние между серединой нулевого максимума и максимумами 1,2, ... m- го порядков, соответственно, х1х2 ... хт а расстояние между плоскостью дифракционной решетки и экраном -L. Тогда синус угла дифракции



Используя последнее соотношение, из условия главных максимумов можно определить ? любой линии спектра.




  1. Практическая часть:

Определим период решетки, зная длину волны.

Определим длину волны, зная период решетки.

Порядок выполнения работы:



Рис. 3.3

MN= a

NC= b

d = a+b

d -постоянная (период) дифракционной решетки

? - направление хода лучей

CF = d sin ? = k ?

? – длина волны

l – расстояние от решетки до экрана

x – расстояние от середины белого цвета до изучаемого

  

  1. Таблицы наблюдений:

Таблица № 1

k

x

l

sin ?

?

d

1 Красный

0.076 м

0.153 м

0.496

623.2

1.256*10-12


Таблица № 2

k

x

l

sin ?

d

?

1 Красный

0.05 м

0.153 м

0.496

1.256*10-12

623.2

3 Желтый

0.061 м

0.133 м

0.457

3.256*10-12

495.97

5 Голубой

0.067 м

0.186 м

0.360

8.013*10-12

576.96




  1. Вычисления:

№1

для красного:







№2

для желтого:







№3

для голубого:









  1. Выводы:

  1. Дифракция света – явление, наблюдаемое при распространении света в среде вблизи непрозрачных тел, сквозь малые отверстия и связанное с отклонениями от законов геометрической оптики.

  2. Принцип Гюгенса – Фронели. Согласно данному принципу, световая волна, возбуждаемая каким – либо источником S, может быть представлена как результат суперпозиции когерентных вторичных волн, «излучаемых» фиктивными источниками.

  3. Определен период дифракционной решетки, зная длину волны монохроматического света. Определена длина волны заданного света, зная период дифракционной решетки. Значения практически равны, у красного ??=0.5 м, у желтого ??=0.03 м, у голубого ??=0.02 м.




  1. Список использованной литературы:

  1. Трофимова Т.И. «Краткий курс физики» Москва – 2006 г.

  2. Трофимова Т.И. «Физика в таблицах и формулах» Москва – 2002 г.

  3. Программное обеспечение ПВЭМ «Открытая физика», справочный материал.

Лабораторная работа № 4

Тема: Иследование явления фотоэффекта.


  1. Цель работы: Ознакомление с явлением фотоэффекта и определение основных его параметров.

  2. Приборы и принадлежности: Программное обеспечение ПВЭМ «Открытая физика».

  3. Теоретическая часть:

Фотоэффектом (рис. 4.1) называют вырывание электронов из вещества под действием света. Фотоэффект был открыт Г. Герцем (1887 г.). Теория фотоэффекта была развита А. Эйнштейном (1905 г.) на основе квантовых представлений. Классическая волновая теория света оказалась неспособной объяснить закономерности этого явления.



Рис. 4.1 Фотоэффект

Согласно квантовым представлениям свет излучается и поглощается отдельными порциями (квантами), энергия E которых пропорциональна частоте ?

 E = h?

где h = 6,63·10–34 Дж·с – постоянная Планка.

Чтобы вырвать электрон из вещества, нужно сообщить ему энергию, превышающую работу выхода A. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона определяется согласно Эйнштейну уравнением



Это уравнение объясняет основные закономерности фотоэффекта:

Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от падающего светового потока.

Если между фотокатодом и анодом вакуумного фотоэлемента создать электрическое поле, тормозящее движение электронов к аноду, то при некотором значении задерживающего напряжения Uз анодный ток прекращается. Величина Uз определяется соотношением



Количество электронов, вырываемых с поверхности металла в секунду, прямо пропорционально мощности светового потока P.

Если частота света меньше некоторой определенной для данного вещества минимальной частоты ?min, то фотоэффект не происходит («красная граница фотоэффекта»)



У щелочных металлов красная граница лежит в диапазоне видимого света.

Модель является компьютерным экспериментом по исследованию закономерностей внешнего фотоэффекта. Можно изменять значение напряжения U между анодом и катодом фотоэлемента и его знак, длину волны ? в диапазоне видимого света и мощность светового потока P.

В эксперименте можно определить красную границу фотоэффекта и найти работу выхода материала фотокатода. Можно измерить запирающий потенциал Uз для различных длин волн и определить постоянную Планка h.

  1. Практическая часть:

Определим работы выхода, постоянной Планка и "красной границы" фотоэффекта:

  1. По результатам измерений заполним таблицу 4.1, в которую занесем задерживающее напряжениесоответствующее длине волны света падающего на фотокатод, и частоту света, расчитанную по формуле

, где с - скорость света.











Таблица 4.1

U3, B

20

40

60

80

100

?, м

0,7594

0,6563

0,5896

0,5378

0,5184

v, 1/с

4·1014

4,57·1014

5,05·1014

5,58·1014

5,79·1014




  1. Используя программное обеспечение ПВЭМ «Открытая физика» построим графики.




  1. Из полученного графика определим "красную границу" фотоэффекта.




  1. Определим работу выхода в джоулях:

,

где е - заряд электрона: е = 1,6 10 - 19 Кл .



  1. Найдем постоянную Планка





  1. Выводы:

1. Явление внешнего фотоэффекта состоит в испускании (эмиссии) электронов с поверхности тела под действием света; для этого явления экспериментально установленные зависимости объединяются квантовой теорией света. Кроме внешнего фотоэффекта существует внутренний фотоэффект, наблюдаемый в диэлектриках и полупроводниках. При этом светом внутри диэлектрика или полупроводника осуществляются переходы электронов из связанных состояний в свободные, без вылета электрона наружу.

2. Установлено три основных закона внешнего фотоэффекта, справедливые для любого материала фотоэмиттера:

1) количество электронов, испускаемых в единицу времени (сила фототока в режиме насыщения), пропорционально интенсивности света (закон Столетова);

2) для каждого вещества при определенном состоянии его поверхности существует ""красная граница" внешнего фотоэффекта , где такая частота света, меньше которой ( ) фотоэлектронная эмиссия не наблюдается;

3) Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно растет с частотой света и не зависит от его интенсивности (закон Эйнштейна).

3. На данной лабораторной работе определили работу выхода, постоянную Планка и "красную границу" фотоэффекта.

4. В настоящее время на основе внешнего и внутреннего фотоэффекта строится бесчисленное множество приемников излучения, преобразующих световой сигнал в электрический и объединенных общим названием -фотоэлементы. Они находят весьма широкое применение в технике и научных исследованиях. Самые разные объективные и оптические измерения немыслимы в наше время без применения того или иного типа фотоэлементов. Современная фотометрия, спектрометрия и спектрофотометрия в широчайшей области спектра, спектральный анализ вещества, объективное измерение весьма слабых световых потоков, наблюдаемых, например, при изучении спектров комбинационного рассеяния света, в астрофизике, биологии, и т.д. трудно представить себе без применения фотоэлементов; регистрация инфракрасных спектров часто осуществляется специальными фотоэлементами для длинноволновой области спектра. Необычайно широко используется фотоэлементы в технике: контроль и управления производственными процессами, разнообразные системы связи от передачи изображения и телевидения до оптической на лазерах и космической техники представляют собой далеко не полный перечень областей применения

  1. Список использованной литературы:

  1. Трофимова Т.И. «Краткий курс физики» Москва – 2006 г.

  2. Трофимова Т.И. «Физика в таблицах и формулах» Москва – 2002 г.

  3. Программное обеспечение ПВЭМ «Открытая физика», справочный материал.

Лабораторная работа № 5

Тема: Исследование явления комптоновского рассеяния.


  1. Цель работы: Ознакомление с явлением комптоновского рассеяния и определения основных его параметров.

  2. Приборы и принадлежности: Программное обеспечение ПВЭМ «Открытая физика».

  3. Теоретическая часть:



Рис. 5.1. Комптоновское рассеяние

Явление Комптона (рис. 5.1.)состоит в изменении длины волны рентгеновских лучей, происходящих при их рассеянии на электронах, входящих в состав легких атомов. Это явление было открыто в 1923 г. Комптоновское рассеяние объясняется на основе представления о фотонах, имеющих энергию h? и импульс h?/с, где h=6,63∙10-34Дж∙с – постоянная планка, ? – частота фотона. Процесс рассеяния сводится к столкновению фотонов с электронами, которые можно приближенно считать свободными.

Расчет, выполненный на основе законов сохранения энергии и импульса, приводит к следующему соотношению:

??=?ʹ-?=h/mc∙(1-cos?)=K(1-cos?),

где ? – длина волны падающего излучения, ?ʹ - длина волны рассеянного излучения, m – масса электрона, с – скорость света, ? – угол рассеяния.

Величина

К= h/mc=0,002426 нм

называется постоянной Комптона.

В спектре рассеянного излучения наряду со смещенной спектральной линией с длиной волны ?ʹ наблюдается и несмещенная спектральная линия с длиной волны ?. Наличие несмещенной линии объясняется тем, что часть фотонов рассеивается на электронах, сильно связанных с атомами.

Соотношение интенсивностей смещенной и несмещенной линий зависит от рода материала.

Явление Комптона является ярким подтверждением квантовой теории.

группа 28
Рис.5.2


  1. Практическая часть:

Внимательно рассмотрим рисунок 5.3.


Рис.5.3
Измерения.

  1. Нажмем мышью кнопку «Старт» вверху экрана.

  2. Подведем маркер мыши к движку регулятора длины волны падающего ЭМИ и установим первое значение длины волны из таблицы 5.2.

  3. Подведем маркер мыши к движку регулятора угла приема рассеянного ЭМИ и установим первое значение 600 из таблицы 5.1.

  4. По картине измеренных значений определим длину волны ’ рассеянного ЭМИ и запишем в первую строку таблицы 5.1.

  5. Изменяя угол наблюдения с шагом 100 , а записываем измеренные значения ’ в соответствующие строки таблицы 5.1.

  6. Заполнив все строки таблицы 5.1, изменим значение длины волны падающего ЭМИ в соответствии со следующим значением из таблицы 5.2. Повторим измерения длины волны рассеянного ЭМИ, заполняя сначала таблицу 5.3, а затем и таблицу 5.4 (аналогичные таблице 5.1).

ТАБЛИЦА 5. 1.

Результаты измерений Длина волны  = 3 пм=0,0300 нм

Номер измер.

 град

ʹ, пм

ре, кг∙м/с

??

1 - cos

1

60

0,0312

0,217∙10-22

0,0012

1,952413

2

70

0,0316

0,247∙10-22

0,0016

0,366681

3

80

0,0320

0,275∙10-22

0,002

1,110387

4

90

0,0324

0,301∙10-22

0,0024

1,448074

5

100

0,0328

0,324∙10-22

0,0028

0,137681


ТАБЛИЦА 5.2

Длина волны

Длина волны падающего ЭМИ (пм)

3

5

7


Таблицы 5.3 и 5.4 аналогичны таблице 5.1

ТАБЛИЦА5.3.

Результаты измерений Длина волны  = 5 пм = 0,0500нм

Номер измер.

 град

ʹ, пм

ре, кг∙м/с

??

1 - cos

1

60

0,0512

0,131∙10-22

0,0012

1,952413

2

70

0,0516

0,150∙10-22

0,0016

0,366681

3

80

0,0520

0,167∙10-22

0,002

1,110387

4

90

0,0524

0,183∙10-22

0,0024

1,448074

5

100

0,0528

0,198∙10-22

0,0028

0,137681


ТАБЛИЦА 5.3.

Результаты измерений Длина волны  = 7 пм = 0,0700

Номер измер.

 град

ʹ, пм

ре, кг∙м/с

??

1 - cos

1

60

0,0712

0,094∙10-22

0,0012

1,952413

2

70

0,0716

0,107∙10-22

0,0016

0,366681

3

80

0,0720

0,120∙10-22

0,002

1,110387

4

90

0,0724

0,132∙10-22

0,0024

1,448074

5

100

0,0728

0,142∙10-22

0,0028

0,137681


Обработка результатов и оформление отчета:

  1. Вычислим и запишите в таблицы 1,3 и 4 величины 1 - cos.

  2. Найдем ?? по формуле ??=?ʹ-?, данные запишем в таблицу.

  1. Выводы:

  1. Явление комптоновского рассеяния состоит в изменении длины волны рентгеновских лучей, происходящих при их рассеянии на электронах, входящих в состав легких атомов.

  2. Основное уравнение

??=?ʹ-?=h/mc∙(1-cos?)=K(1-cos?),

  1. Экспериментально определены параметры комптоновского рассеивания.

  1. Список использованной литературы:

  1. Трофимова Т.И. «Краткий курс физики» Москва – 2006 г.

  2. Трофимова Т.И. «Физика в таблицах и формулах» Москва – 2002 г.

  3. Программное обеспечение ПВЭМ «Открытая физика», справочный материал.

Лабораторная работа № 6

Тема: Определение коэффициента динамической вязкости жидкости по методу стокса


Цель работы:

1) Ознакомиться с явлением внутреннего трения в жидкости;

2) Определение коэффициента внутреннего трения жидкости.

Приборы и принадлежности: прозрачный цилиндрический сосуд с исследуемой жидкостью, металлические шарики, микрометр, линейка, секундомер.

Теоретическая часть:

Внутренне трение - свойство веществ, характеризующее сопротивление их течению под действием внешних сил.

Внутреннее трение (вязкость) газов (то же относится к жидкостям) – это свойство, благодаря которому выравниваются скорости движения различных слоев газа (жидкости).

При ламинарном (слоистом) течении газы и жидкости как бы разделены на слои, которые скользят относительно друг друга. Вязкость приводит к тому, что любой слой, движущийся относительно соседнего, испытывает действие силы – силы внутреннего трения.

Сила это есть сила трения между слоями газа (жидкости) движущимися с различными скоростями, отсюда и название внутренне трение.


Рис. 6.1 Механизм возникновения внутреннего трения в газах

Сила трения между слоями газов и жидкостей, движущимися с разными скоростями, зависит от площади соприкосновения слоев S и быстроты, с которой меняется скорость при переходе от одного слоя к другому в направлении, перпендикулярно скорости  движения слоев.



где  – градиент скорости вдоль оси Х, характеризующий быстроту измерения скорости вдоль этой оси.

Знак минус, означает, что импульс переносится в направлении уменьшения скорости.

Коэффициент ? называется коэффициентом внутреннего трения жидкости или коэффициентом динамический вязкости.

Коэффициент динамической вязкости численно равен силе внутреннего трения, которая возникает между слоями единичной площади при градиенте скорости равном единице.



Единица измерения коэффициента динамической вязкости в СИ [?]=Па·с

Коэффициент динамической вязкости жидкости и газов зависит от их природы, температуры и давления.

Если шар движется в жидкости простирающейся безгранично по всем направлениям, не оставляя за собой завихрений (малая скорость движения), то сила сопротивления равна:

Fтр=6??rv,

где ? - коэффициентом динамический вязкости жидкости;

r – радиус шара;

v – скорость его движения.

Отметим, что одна треть силы возникает вследствие разности давления, две трети – вследствие силы трения.



Рис. 6.2 Установка для определения вязкости жидкости

Коэффициент внутреннего трения жидкости определяется с помощью формулы Стокса Fтр=6??rv путем измерения скорости падения шарика в этой жидкости.

Если шарик падает вдоль оси цилиндрического сосуда диаметра D, то учет наличия стенок приводит к следующему выражению для коэффициента динамической вязкости:



Практическая часть:

Рассмотрим движение тела, имеющего форму шара в вязкой жидкости.

Метод определения коэффициента внутреннего трения, используемый в данной работе, основан на наблюдении падения шарика малого диаметра D в вязкой жидкости.

Экспериментальная установка состоит из длинного прозрачного цилиндрического сосуда, заполненного исследуемой жидкостью.

На цилиндр нанесены две горизонтальные метки, расположенные друг от друга на расстоянии l.

Металлические шарики разного диаметра опускают в жидкость (рис. 6.2).

Дано:

  1. температура жидкости t = 24°C

  2. расстояние между метками l=0,25 м

  3. плотность свинцового шарика ?ш=11,3·103кг/м3

  4. плотность жидкости ?ж=1,26·103кг/м3

  5. g=9,81м/с2

  6. диаметр шарика d1=0,005м, d2=0,0045м, d3=0,006м, d4=0,003м, d5=0,004м

  7. время падения шарика t1=1,29c, t2=1,31c, t3=1,28c, t4=1,32c, t5=1,3c

  8. диаметр цилиндра D=0,036м

Вычисли коэффициент внутреннего трения жидкости ? для каждого опыта по формуле:












Вычислим среднее арифметическое значение коэффициента динамической вязкости:



где n – число опытов



Полученные результаты занесем в таблицу 6.1

Таблица 6.1



d, м

t, с

?i, Па·с

, Па·с

1

0,005

1,29

0,53

0,46

2

0,0045

1,31

0,45

3

0,006

1,28

0,72

4

0,003

1,32

0,22

5

0,004

1,3

0,36


Выводы и заключение:

Мы ознакомились и получили практические навыки определения коэффициента внутреннего трения на примере свинцового шара в вязкой жидкости находящейся в длинном прозрачном цилиндрическом сосуде. Коэффициент внутреннего трения жидкости определяли с помощью формулы Стокса Fтр=6??rv путем измерения скорости падения шарика в этой жидкости. А так как шарик падает вдоль оси цилиндрического сосуда диаметра D, то учет наличия стенок приводит к следующему выражению для коэффициента динамической вязкости:



Тонкий слой жидкости прилипает к поверхности тела и движется с ним как единое целое, увлекая ближайшие смежные слои. По мере удаления от поверхности шара скорость слов уменьшается, и на расстоянии равном примерно диаметра шарика жидкость оказывается практически невозмущенной движением тела.

Список литературы:

  1. Методические указания 4/1/15 «Физика» Москва – 2008 г.

  2. Трофимова Т.И. «Краткий курс физики» Москва – 2006 г.

  3. Трофимова Т.И. «Физика в таблицах и формулах» Москва – 2002 г.


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации