Перевід показників заломлення в концентрацію цукру

Дайте відповіді на запитання:

1. Що таке показник заломлення речовини?

2. Для яких розчинів можна застосовувати метод, що вивчається?

3. Що може внести значні похибки при застосуванні даного методу?

Лабораторна робота № 40.

Дослідження світла за допомогою дифракційної гратки.

Прилади та приладдя: дифракційна гратка, гоніометр з колімаційною та зоровою трубою, джерело світла.

Мета роботи: засвоїти метод визначення довжини світлових хвиль.

Коротка теорія та методика вимірювань

Дифракцією світла називається відхилення світлових хвиль від прямолінійного поширення, не викликане відбиванням або заломленням променів світла. Дифракція світла присутня завжди там і тоді, коли відбувається обмеження світлового фронту хвилі. Проте спостерігати її найлегше при проходженні світла через малі отвори або біля малих непрозорих перепон. Для одержання дифракційних спектрів виготовляють так звані дифракційні решітки (гратки), що являють собою сукупність паралельних, близько розмішених одна до одної щілин або відбиваючих смужок. Існує кілька способів виготовлення дифракційних граток. В одному з них скляну пластинку покривають тонким непрозорим шаром м’якого металу (Al, Ag) і надтонким кістяним різцем за допомогою ділильної машини продряпують в шарі вузькі шпарини (до 50 –1200 на 1 мм довжини). В іншому способі подряпини наносять на поверхню прозорої тонкої плівки, а проміжки між подряпинами служать щілинами. Існують відбивальні гратки у вигляді металевих дзеркал з нанесеними на них штрихами.

Розрахунок дифракційної картини робиться згідно з принципом Гюйгенса, доповненого Френелем принципом Юнга інтерференції світлових променів – так званим принципом Гюйгенса-Френеля. Згідно з принципом Гюйгенса, кожну точку хвильового фронту можна розглядати як точкове джерело вторинних сферичних хвиль. Визначаючи результат інтерференції хвиль від усіх точок фронту, вдається пояснити всі закономірності дифракції світла.

При падінні паралельного пучка променів (рис.1) на дифракційну гратку плоский фронт світлової хвилі АВ проходить через всі щілини в одній фазі. В деяку точку екрана під кутом φ йдуть два промені 1 і 2 і інтерферують.

Рис. 1

Між сусідніми щілинами в напрямку під кутом φ виникає різниця ходу променів

Δ = b sinφ, (1)

де b = a + a^/ – називається сталою гратки і визначається числом щілин на 1 м довжини

b = 1/ n. (2)

Промені від сусідніх щілин (отже,і від усіх щілин) дають максимум інерференції при різниці ходу у ціле число довжин хвиль -

Δ = k λ, k = 0, 1, 2, …. (3)

Умову мінімуму інтерференції одержуємо при різниці ходу у напівціле число довжин хвиль -

Δ = (k + 1 / 2) λ. (4)

При падінні на гратку монохроматичного (однокольорового) світла на екрані виникають однокольорові смуги. Біле світло утворює на екрані різнокольорові смуги (див. рис 1, праворуч), тому що умови максимуму для різних довжин хвиль задовольняються при різних кутах φ: на екрані біле світло розкладається на спектр першого (k=1), другого (k=2), третього і т.д. порядків. Цією властивістю дифракційних граток користуються при спектральних дослідженнях.

Дифракційні спектри одержують не гірші за дисперсійні, а прилади з добрими дифракційними гратками мають переваги перед призматичними.

В данній роботі дифракційна гратка застосовується для визначення довжин хвиль червоного, зеленого і фіолетового променів при використанні співвідношення (1) для максимуму (3). Для визначення довжини хвилі використовуються чітко видимі спектри першого та другого порядків. При цьому вимірюються кути φ і за (1), при відомому b обчислюється довжина хвилі λ. При вимірюванні світло від джерела пропускається через коліматор – обладнання для одержання вузького пучка паралельних променів. Пучок променів падає на дифракційну гратку і зазнає дифракції. Повертаючи зорову трубу праворуч –ліворуч, відшукують напрямок, по якому досліджуванні промені утворюють інтерференційні максимуми. Для точного відліку кутів застосовується градусна шкала з ноніусом, що дає можливість вимірювати кути з точністю до кутової мінути.

Порядок виконання роботи:

1. Перевірте установки щілин коліматорної труби проти лампи (джерело світла). Включіть світло і, повертаючи зорову трубу лімбом гоніометра, впевніться в наявності спектрів першого, другого і третього порядків.

2. Виконайте вимірювання для червоних променів. Для цього лімбом гоніометра встановіть нитку зорової труби на максимум червоного світла в правому спектрі першого порядку і зніміть відлік кута φ^/ за лімбом і ноніусом. Знайдіть кут φ^// відповідаючий максимуму червоного світла в лівому спектрі першого порядку. Усереднене значення кута φ знайдіть за різницею відліків: φ = (φ^/ - φ^//)/ 2.

3. За формулами (1) і (3) при k=1 і b = 1^.10 ^-5 м (сто щілин на 1 мм) визначіть довжину хвилі червоного світла.

4. Повторіть дії пунктів 2 і 3 для червоного світла спектрів другого порядку, приймаючи k = 2.

5.Виконайте дії пунктів 2, 3, 4 для зеленого і фіолетового світла.

6. Дані вимірювань і розрахунків подайте в таблиці. У звіті подайте також повний розрахунок величин.

Дайте відповіді назапитання:

1. Що називається дифракційною граткою?

2. Для чого застосовується дифракційна гратка?

3. Чому дифракційна гратка дає дисперсію світла?

Лабораторна робота № 41.

Вивчення спектрів пропускання за допомогою універсального фотометра

Прилади та приладдя: кювети з досліджуваними рідинами, універсальний фотометр ФМ.

Мета роботи: засвоїти метод реєстрації спектрів пропускання.

Коротка теорія та методика вимірювань

Світловий потік, що падає на тіло, частково відбивається, частково поглинається і частково пропускається. Відбивання характеризується коефіцієнтом відбивання r, що дорівнює відношенню відбитого Ф_r світлового потоку до падаючого

r = Ф_r / Ф. (1)

Поглинання характеризується коефіцієнтом поглинання k, що дорівнює відношенню світлового потоку Ф_k, який поглинається тілом, до падаючого

k = Ф_k / Ф. (2)

Пропускання світла тілами характеризується коефіцієнтом пропускання t, що дорівнює відношенню світлового потоку Ф_t, пропущеного тілом, до падаючого Ф

t = Ф_t / Ф. (3)

Часто замість коефіцієнта пропускання вводять оптичну густину

D = - lg t. (4)

Так, оптична густина D = 1 відповідає 10% пропускання світла, а при D =2 пропускається 1% світла.

За законом збереження енергії

Ф = Ф_r + Ф_k + Ф_t. (5)

Кожний із вказаних коефіцієнтів залежить від довжини хвилі падаючого світла. В залежності від фізичної природи речовина поглинає світло однієї довжини хвилі сильніше, іншої – слабіше. Так, наприклад, зелене скло сильно поглинає випромінення зі всіма довжинами хвиль, що відповідають видимій області спектра, за винятком зелених променів, довжина хвилі яких близько 550 нм. Зелений лист рослини пропускає і розсіює зелені промені і сильно поглинає промені в червоний і синій областях спектра.

Якщо на будь-який зразок спрямувати світловий потік від джерела світла неперервного спектра, то внаслідок неоднакового поглинання зразком різних довжин хвиль, спектр пропущеного світла зміниться. За характером спектрів пропускання роблять якісний і кількісний аналізи різних речовин. В даній роботі визначається зміна коефіцієнта пропускання (або оптичної густини) водних розчинів різних фарбників в залежності від довжини хвилі падаючого світла. Вимірювання коефіцієнта пропускання проводиться за допомогою універсального фотометра ФМ (рис.1).

В основу будови приладу покладено принцип зрівняння двох світлових потоків шляхом зміни одного з них за допомогою діафрагми змінного перерізу. Два паралельних світлових пучки від освітлювача, відбившись від дзеркала, попадають в прилад через дві діафрагми, ступінь відкритості яких регулюється поворотом двох барабанів. Потім світлові пучки об’єднуються за допомогою об’єктива та ромбічних призм, попадають на біпризму, яка зводить обидва пучки до осі окуляра. Із біпризми промені проходять через фільтр, попадають в окуляр і в око спостерігача.

Рис.1

Порядок виконання роботи:

1. Кінці шнура від освітлювача ввімкніть в гнізда трансформатора “0” і “8”, що відповідає вихідній напрузі 8 В. При цьому важіль на трансформаторі “більше – менше “ має стояти в середньому положенні.

УВАГА! НЕ ВМИКАЙТЕ НА БІЛЬШУ НАПРУГУ ЛАМПОЧКУ, РАЗРАХОВАНУ НА НАПРУГУ 8 В!

2. Увімкніть вилку трансформатора в мережу з напругу 220В. Увімкніть лампу освітлювача тумблером, що розміщений на трансформаторі.

3. Встановіть обидва барабани (по чорній шкалі) на поділку 100 і перевірте, чи однаково освітлені обидві половини поля зору в окулярі.

4. Встановіть кювету з розчинником на предметний столик під правою діафрагмою, а кювету з досліджуваним розчином під лівою діафрагмою, - обидві половини поля будуть освітлені неоднаково.

5. Для одержання спектральної характеристики досліджуваних речовин диском із світлофільтрами включають в хід променів світлофільтр № 1, обертають правий барабан доти, доки не зрівняються освітленості обох половин поля зору. Вимірюють коефіцієнт пропускання по чорній шкалі правого барабану. Кожне вимірювання з тим же світлофільтром роблять тричі і середнє значення заносять до таблиці.

6. Вимірювання за пунктом 5 проведіть зі світлофільтрами № 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11.

7. Отримайте значення коефіцієнтів пропускання t для восьми довжин хвиль, відповідних ефективним довжинам хвиль λ світлофільтрів 1 - 11. Одержані результати занесіть до таблиці.

8. Знаючи коефіцієнт пропускання t для різних світлофільтрів і відповідну їм довжину хвилі (див. табл), побудуйте графік залежності коефіцієнта пропускання t від довжини хвилі λ. По осі абсцис відкладайте λ, а по осі ординат – значення t.

Дайте відповіді на запитання:

1. Який принцип покладено в основу методу вимірювань?

2. Чи можна на графіком t = f(λ) для будь-якої речовини визначити її колір?

3. Чи можна за кольором розчину побудувати графік залежності t = f(λ)?

Лабораторна робота № 42.

Дослідження плоскоопуклої лінзи за допомогою кілець Ньютона.

Прилади та приладдя: вимірювальна установка з джерелом світла і червоним світлофільтром, системою лінза – пластинка та відліковим мікроскопом.

Мета роботи: засвоїти метод дослідження лінз із застосуванням явища інтерференції світла.

Коротка теорія та методика вимірювань

В роботі використовується інтерференція світлових хвиль у вигляді так званих кілець Ньютона. Необхідною умовою спостереження стійкої інтерференційної картини є когерентність пучків світлових хвиль. Такі пучки можуть випромінювати когерентні джерела світла – джерела, що випромінюють хвилі однакової довжини і з різницею фаз, котра не змінюється з плином часу. В сучасних умовах когерентне випромінення одержують з допомогою оптичних квантових генераторів – лазерів. Всі інші (природні) джерела світла дають некогерентне випромінення. З метою спостерігання інтерференції світла від таких джерел удаються до штучних прийомів – замість когерентних джерел світла застосовують когерентні промені, одержані від одного джерела світла. Якщо такі пучки приходять в одну точку різними шляхами з різницею ходу у ціле число k довжин хвилі λ, то амплітуди коливань при складанні таких хвиль дадуть результуюче коливання зі збільшеною амплітудою. В зв’язку з цим рівність

Δ = kλ, (1)

де Δ - різниця ходу, є умовою спостерігання максимуму інтерференційної картини. При різниці ходу

Δ = (2k + 1)^.λ/2 (2)

хвилі зустрічаються в протилежних фазах і при рівних амплітудах взаємно гасяться. Тому рівність (2) є умовою мінімуму інтерференції. Оптичної різниці ходу досягають різними способами, в тому числі і пропусканням світла через прозорі пластини змінної товщини.

Розглянемо інтерференцію світла в системі лінза – пластинка при нормальному падінні світлових променів на пластинку (рис.1). Для лінзи з великим порівняно з розмірами світлового пучка радіусом кривизни R можна знехтувати відхиленням променів від перпендикулярного напрямку і тим самим спростити розрахунок інтерференційної картини.

Рис.1 Рис.2

Промені 1 і 2, відбиті відповідно від поверхні линзи і від поверхні пластинки. Промінь1відбивається від границі розділу скло-повітря і проходить до ока спостерігача деякий шлях 1₁. Промінь 2 до відбивання проходить додатковий шлях, що дорівнює товщині повітряного проміжку. При відбиванні від оптичного більш густого середовища (скла) промінь 2 зазнає втрати півхвилі λ/2 і потім ще раз проходить шлях t до зустрічі з променем 1. Оптичний шлях променя 2 до ока спостерігача l₂ = l₁ + 2t + λ/2. Отже, в системі лінза - пластинка кожний падаючий промінь утворює два когерентні промені з оптичною різницею ходу

Δ = l₂ – l₁ = t + λ / 2. (3)

Величина t змінюється з віддаленням від точки контакту, тому на різних відстанях r від неї можне задовольнятись або умова максимуму інтерференції (1), або умова (2) мінімуму інтерференції. Спостерігач бачить у відбитому світлі картину інтерференції у вигляді концентричних кілець. При падінні на систему монохроматичного світла спостерігаються світлі кольця, розділені темними проміжками. При падінні білого світла кільця стають різнокольоровими, тому що для різних довжин хвиль умова максимуму інтерференції (1) задовольняється на різних відстанях від точки контакту.

Грунтуючись на умовах (2) та (3), обчислимо радіуси кілець, застосовуючи теорему про перпендикуляр, опущений з довільної точки кола на його діаметр. Оскільки довжина перпендикуляра є середнє геометричне між відрізками, на які ділиться діаметр, то маємо:

r² = (2R - t) t. (4)

В дослідах з кільцями Ньютона 2R>>t, тому, нехтуючи величиною t порівняно з 2R, одержуємо

r² = 2Rt. (5)

Із (5) визначаємо товщину зазору

t = r²/2R. (6)

Для темних кілець з номерами k і m з умов (2), (3) і (6) одержуємо

(2k + 1) λ / 2 = r_k ² / 2R + λ /2,

(2m +1) λ / 2 = r_m² / 2R + λ /2.

Із останніх співвідношень одержуємо формулу для обчислення радіуса кривизни лінзи за даними вимірювань радіусів темних кілець Ньютона

R = (r_k² – r_m²) / ((k – m) λ). (7)

За відомим радіусом кривизни R лінзи і показником заломлення скла n можна тепер обчислити оптичну силу лінзи D за співвідношенням

D = (n - 1) (1 / R₁ – 1 / R₂) (8)

Для задіяної в роботі плоско-опуклої лінзи R₁ = R, 1/ R₂ = 0, і з (8) одержуємо

D = (n - 1) / R. (9)

Головна фокусна відстань лінзи знаходиться як величина, обернена до оптичної сили: F =1/D. Якщо фокусна відстань лінзи вимірюється в метрах, то оптична сила буде виражена в діоптріях.

В даній роботі для вимірювань застосовується червоне монохроматичне світло з довжиною хвилі λ = 600 нм. Пучок світла від лампи розжарення Л (рис.2) проходить через світлофільтр Ф, падає на скляну пластину С, частково відбивається, падає на систему лінза-пластинка, зазнавши розщеплення на когерентні промені, повертається на пластинку С і, частково проникаючи в неї, потрапляє в мікроскоп. В об’єктиві відлікового мікроскопа вмонтована шкала для вимірювань. Ціна поділки шкали залежить від положення тубуса мікроскопа і підбирається згідно з табл.1.

Таблиця 1

Порядок виконання роботи:

1.Ознайомтесь з установкою. увімкніть в мережу джерело світла. Підіймаючи і опускаючи тубус мікроскопа, добийтеся чіткого зображення кілець. Повертаючи тубус навколо осі, встановіть шкалу мікроскопа вздовж діаметра кілець.

2. За допомогою окулярної шкали виміряйте діаметр другого, третього, четвертого та п’ятого кілець з точністю до 0,5 поділки шкали. Визначте діаметр кілець d, а потім і радіуси їх.

3. Обчисліть за (7) радіус кривизни лінзи R в метрах, комбінуючи попарно радіуси кілець. Знайдіть середнє значення R_ср і оцініть похибки вимірювань.

4. За (9) обчисліть оптичну силу лінзи D (n = 1,62), а потім головну фокусну відстань лінзи F. Результати вимірювань і розрахунків подайте в табл. 2.

Таблиця 2

Дайте відповіді на запитання:

1. Які джерела світла називаються когерентними?

2. Що означає різке викривлення кілець Ньютона?

3. Чому в роботі використовуються темні кільця, а не світлі?

Лабораторна робота № 43.

Дослідження лазерного випромінювання за допомогою дифракційної гратки.

Прилади і приладдя: оптичний квантовий генератор (лазер), дифракційна гратка, шкала з фоторезистором, що переміщується, мікроамперметром з сухим елементом.

Мета роботи: засвоїти принцип дії лазерів і визначення довжини хвилі лазера за допомогою дифракційної гратки.

Коротка теорія і методика вимірювань

В основі роботи квантових генераторів лежить явище індукованого випромінення, суть якого полягає ось у чому. Нехай електрон в атомі знаходиться у двох станах 1 і 2 (рис. 1), що характеризується енергіями W₁ і W₂.

1 W₁ W₁

Рис.1 Рис.2

Щоб перевести електрон з рівня 1 на більш високий енергетичний рівень 2, йому треба надати енергії ε = h υ, де h - стала Планка, що дорівнює h = 6,62^.10^-34 Дж^.c; υ- частота випромінювання, що поглинається. Енергія фoтона, що поглинається, має бути не менша за різницю W₂ – W₁.

Із стану 2 в стан 1 електрон може повернутися двома способами. Перший – самодовільний - спонтанний перехід з випроміненням фотона з енергією ε, що дорівнює поглинутій енергії.

Оскільки різні атоми випромінюють незалежно один від одного, то спонтанне випромінення є некогерентним.

Другий спосіб повернення електрона в стан W₁ - індукований перехід під дією випромінювання з енргією фотонів ε, рівною різниці енргій W₂–W₁. Супроводжуюче індуковані переходи випромінювання має ту ж частоту, спрямованість поширення, поляризацію і фазу, що і вимушуюче випромінювання. Однаковість фаз вимушуючого і індукованого випромінювань зумовлює когерентність індукованого випромінювання.

Звичайно під дією випромінювання з енергією ε відбуваються одночасно як переходи електронів у збуджений стан, так і індуковані переходи в стан нормальний. В системах, що знаходяться в стані термодинамічної рівноваги, найбільше число електронів знаходиться в стані 1, тому під дією зовнішнього випромінювання переважно йдуть процеси поглинання випромінювання з переходом в стан 2. Якщо ж створити таку систему, в якій число електронів у збудженому стані більше, ніж в основному стані (на нижньому рівні), то випромінювання з енергією ε викличе переважно індуковане випромінювання. Схема цього процесу подана на рис.2.

Системи, у яких число електронів у збудженому стані більше, ніж в основному, називають системами з інверсною заселеністю рівнів. Такі системи використовуються на практиці для створення квантових генераторів. Квантовий генератор, що випромінює в діапазоні довжин хвиль видимого світла, носить назву лазера. Цей термін утворений початковими буквами слів англійської фрази, що означає “ підсилення світла за допомогою індукованого випромінювання”. В нинішній час випускаються різні марки лазерів, інверсна заселеність в яких робиться оптичною накачкою, в результаті пропускання електроструму або за допомогою газового розряду.

В даній роботі вивчається гелій-неоновий лазер, в якому інверсна заселеність створюється газовим розрядом. Робоча речовина в даному типові лазерів – гелій-неонова суміш газів під тиском близько 1 мм. рт. ст. – міститься у кварцевій трубці, на кінцях якої розміщені два дзеркала: одне – з високою відбиваючою здатністю, друге – напівпрозоре. Газовий розряд в трубці підтримується високочастотним генератором. Напівпрозоре дзеркало поглинає до кількох відсотків падаючого на нього світла, а решта випромінювання відбиває у випромінююче середовище. В результаті кожний фотон, перш ніж вийти через напівпрозоре дзеркало, багаторазово пронизує активну речовину лазера, викликаючи індуковане випромінювання багатьох збуджених атомів. Цим досягається велика густина випромінювання. Багаторазово можуть відбитися від дзеркала тільки ті промені, що падають на дзеркало під малими кутами, тому випромінювання зосереджено в межах вузького тілесного кута. Цим визначається можливість одержання в лазерах променів великої яскравості і малої розбіжності.

Характерні особливості лазерного випромінювання:

1. Спрямованість випромінювання. Світловий потік зосереджений в межах малого тілесного кута з отвором не більше ніж 30^// (у прожекторів цей кут в сотні разів більший).

2. Когерентність. Інші джерела когерентного світла невідомі.

3. Поляризованість. Повністю поляризовані малоінтенсивні промені від інших джерел можна одержати тільки за допомогою додаткових приладів.

4. Монохроматичність. Інші джерела дають випромінювання в широкому інтервалі довжин хвиль.

Визначення довжини хвилі випромінювання лазера в даній лабораторній роботі проводиться за допомогою установки, схема якої подана на рис.3. Світло від лазера падає на дифракційну гратку ДР, при цьому на екрані Е спостерігається дифракційна картина. Умова спостерігання максимумів освітленості на екрані визначається рівнянням:

b sinφ = kλ, (1)

де λ - довжина хвилі випромінювання лазера; k = 0, 1, 2 …..- порядок дифракційного максимуму; b - стала дифракційної гратки, яка дорівнює відстані між сусідніми щілинами; φ - дифракційний кут, що знаходиться між первинним пучком і напрямком на максимум k -го порядку. Згідно з рис.3 кут φ може бути визначений за співвідношенням

sin φ = 1 / . (2)

Визначення довжини хвилі випромінювання лазера в даній роботі проводиться за допомогою установки, схема якої приведена на рис. 3.

Відстань L від дифракційної гратки до екрана змінюється перемішенням екрана вздовж підставки і визначається масштабною лінійкою. Відстань l визначається по шкалі на екрані. Оскільки дифракційні максимуми на екрані розмиті, то візуальне визначення положення максимуму до деякої міри утруднене. В зв’язку з цим реєстрація освітленості на екрані доповнюється фотоелектричною приставкою. Фотоелектрична приставка складаєтьсся із фоторезистора, закріпленого на повзунку, який переміщується вздовж екрану. Виводи від фоторезистора підводяться до мідних шин, з’єднаних з мікроамперметром, всередені якого вмонтовано сухий елемент. Положення максимуму визначається положенням щілини фотоелемента, що відповідає найбільшому струмові.

Порядок виконання роботи:

1. Підімкніть виводи контактів, розміщених на екрані, до мікроамперметра і зафіксуйте величину темнового струму.

2. З дозволу викладача увімкніть лазер в мережу і вивчіть дифракційну картину.

3. Установіть екран на вказаній викладачем відстані L від дифракційної гратки перпендикулярно до напрямку первинного пучка лазера.

4. Переміщуючи фоторезистор вздовж екрана, знайдіть положення трьох максимумів l₁^/, l₂^/, l₃^/ праворуч від нульового максимуму та l₁^//, l₂^//, l₃^// ліворуч від нульового максимуму, відповідаючих максимумам фотоструму.

5. Знайдіть положення максимумів як середнє між вимірами праворуч і ліворуч: l₁ = (l₁^/ + l₁^//) / 2, l₂ = (l₂^/ + l₂^//) / 2 і т.д.

6. Користуючись формулою (2), за даними l₁, l₂, l₃ визначіть величину sin φ.

7. Визначіть довжину хвилі лазера за (1). За трьома одержаними λ значеннями визначіть λср. і оцініть похибки вимірювань.

Дані вимірювань і розрахунків подайте в таблиці:

Дайте відповіді на запитання:

1. Що становить принципову основу дії лазера?

2. Які речовини можуть бути робочими в лазерах?

3. Де можна використати характерні властивості лазерів?

4. Чим визначаються похибки вимірювань в умовах методу, що вивчається?

Лабораторна робота № 44.

Дослідження температури нитки розжарення за допомогою оптичного пірометра.

Прилади та приладдя: пірометр з джерелом живлення на 6В, амперметром 0,5А, вольтметр на 150В, реостат на 3200Ом, досліджувана лампа розжарення в корпусі освітлювача.

Мета роботи: засвоїти застосування оптичного пірометра.

Коротка теорія та методика вимірювань

Методи оптичної пірометрії використовуються для вимірювань високих температур від 800˚С і вище. При вимірюваннях вони не потребують беспосереднього контакту з вимірюваним середовищем і дозволяють вимірювати температтури розжарених тіл на великих відстанях від них. В основу оптичної пірометрії покладено закони теплового випромінювання.

Тепловим називають електромагнітне випромінювання тіл, нагрітих вище 0 К, що здійснюється за рахунок енергії теплового руху атомів. Для різних тіл спектральний склад випромінювання різний і змінюється зі зміною температури тіл, але у всіх тіл з підвищенням температури збільшується частка випромінювання, що припадає на короткі довжини хвиль. При низьких температурах випромінюється в основному інфрачервоні промені. Розжарені тіла, поряд з інфрачервоними, випромінюють видимі і ультрафіолетові промені. Для характеристики теплового випромінювання користуються поняттям повної променевипромінювальної та спектральної променевипромінюювальної здатності r (λ).

Повною променевипромінювальною здатністю Re, або енергетичною світимістю тіл, називають фізичну величину, що чисельно дорівнює потужності випромінювання з одиниці площі поверхні тіла. Розподіл енергії за довжиною хвиль визначається спектральною променевипромінювальною здатністю, що дорівнює потужності, яка випромінюється з одиниці площі поверхні тіла в одиничному інтервалі довжин хвиль.

r_λ = ΔR_λ / Δλ. (1)

Тут ΔR_λ – потужність випромінювання з одиниці площі поверхні в інтервалі довжин хвиль від λ до λ + Δλ.

Одночасно з випромінюванням тіло поглинає випромінювання, що падає на нього. Для характеристики поглинальної здатності тіл користуються спектральною променепоглинальною здатністю а_λ). Спектральною променепоглинальною здатністю тіл називають відношення променевої енергії ΔW^/_λ поглинутої тілом в інтервалі довжин хвиль від λ до λ + Δλ, до падаючої на нього енергії ΔW_λ в тому ж діапазоні довжин хвиль:

а_λ = ΔW^/_λ /ΔW_λ. (2)

В нерівноважному стані температура тіла може підвищуватись або знижуватись в залежності від того, переважає поглинання чи випромінювання енергії тілом. В стані рівноваги енергія, що поглинається, дорівнює тій, що випромінюється, і температура тіла залишається сталою. Для тіл в стані термодинамічної рівноваги справедливий закон Кірхгофа: відношення променевипромінювальної здатності тіла до його променепоглинальної здатності не залежить від природи тіла, є універсальною функцією довжини хвилі випромінювання та температури і являє собою променевипромінювальну здатність абсолютно чорного тіла (АЧ Т) при тій же температурі.

r_λ / a_λ = f (λ, T). (3)

Абсолютно чорним тілом називається таке тіло, променепоглинальна здатність якого дорівнює одиниці в усьому діапазоні довжин хвиль. Моделлю АЧТ може бути зачорнена порожнина циліндра з обох торців, в одному з яких є малий отвір. Для АЧТ експериментально встановлені такі закони.

1. Закон Стефана-Больцмана: енергетична світимість АЧТ пропорційна червертій степені абсолютної температури тіла

R_e = σT⁴, (4)

де σ = 5,67^.10 ^-8 Вт/(м² К⁴) – стала закону Стефана-Больцмана.

2. Закон Віна: довжина хвилі, на яку припадає максимум променевипромінювальної здатності АЧТ, обернено пропорційна абсолютній температурі тіла:

λ_max = C / T, (5)

де С = 2,90 ^.10 ^-3 м К - стала закону Віна.

Закон випромінювання АЧТ достатньо точно виконується для газової оболонки Сонця, для отворів в печах, для пористих зачорнених поверхонь інших тіл.

Загальний вигляд універсальної функції f (λ, T) теоретично обгрунтував М. Планк в 1900 р. Вигляд цієї функції такий:

f (λ, T) = , (6)

де А і В - сталі коефіцієнти.

Як видно з наведених формул (4) і (5), за виміряними R_e та λ_max можна робити висновки про температуру АЧТ. На цьому основані методи оптичної пірометрії, а саме в одному з методів використовується закон Віна, в якому за знайденою λ_max визначають температуру тіла

T = С / λ_max. (7)

В даній лабораторній роботі вивчається метод визначення температури за допомогою оптичного пірометра зі зникаючою ниткою (рис. 1) В цьому методі порівнюють яскравість досліджуваного тіла з яскравістю нитки еталонної лампи пірометра. При однаковій яскравості досліджуваного тіла і нитки еталонної лампи пірометра температура тіла вважається однаковою з температури нитки, якщо досліджуване тіло можна вважати АЧТ. В пірометрі різке зображення еталонної нитки розжарення одержують через переміщення окуляра. Різке зображення досліджуваного тіла одержують переміщенням об’єктива і самого пірометра. Зображення еталонної нитки має бути суміщене з зображенням досліджуваного тіла. Для виділення інтервалу довжин хвиль близько λ=660 нм застосовують червоний світлофільтр, що вводиться в поле зору окуляра. При вимірюваннях, поступово повертаючи кільце реостата пірометра, змінюють опір в колі розжарення еталонної нитки і підбирають такий електрострум, щоб яскравість еталонної нитки співпадала з яскравістю досліджуваного тіла.

Стрілка гальванометра на пірометрі показує при цьому температуру еталонної нитки (шкала пірометра має градуювання за температурою АЧТ).

Для реальних тіл при вимірюваннях вводиться поправка, яка враховує їх відміну від АЧТ. При однаковій яскравості в області довжин хвиль істинна температура Т і визначена за шкалою пірометра Т^/, пов’язані співвідношенням

1/Т - 1/Т^/ = ln a_λ / b, (8)

де a_λ - спектральна поглинальна здатність досліджуваного тіла; b= В/λ В- з формули Планка).

Для тіл, випромінювання яких близьке до випромінювання АЧТ, lna_λ близький до 0, тому для них Т = Т^/.

Порядок виконання роботи:

1. Зберіть схему згідно з рис.2 і за допомогою реостата доведіть розжарення нитки досліджуваної лампи до мінімального свічення.

2. Сумістіть поділку 0 поворотного кільця реостата і корпуса пірометра і під’єднайте до джерела струму, суворо дотримуючись полярності.

3. Спостерігаючи в окуляр, доможіться слабкого розжарення еталонної нитки поворотом кільця пірометра за годинниковою стрілкою.

4. Переміщуючи окуляр, одержить чітке зображення еталонної нитки. Наведіть пірометр на нитку досліджуваної лампи і переміщенням об’єктиву доможіться її різкого зображення.

5. Введіть в поле зору червоний світлофільтр.

6. Поворотом кільця реостата добийтеся однакової яскравості еталонної і досліджуваної ниток в місці їх перетину. Запишіть показання пірометра Т^/. На чільному боці пірометр має три шкали для вимірювань температур від 800˚С до 5000˚С. В даній роботі використовується перша шкала. При використанні інших шкал в поле зору вводяться димчасті світлофільтри.

Рис. 1

Рис.2

7. Запишіть показання амперметра I і вольтметра U в колі досліджуваної лампи.

8. Змінюючи з допомогою реостата R (рис. 1) розжарення лампи Л і кожен раз виконуючи дії пунктів 6 –7, зробіть вимірювання температури для п’яти значень потужності, споживаної лампою Л, починаючи з мінімальної і закінчуючи тією, котра не виходить за межі температур 1000-1100˚С.

9. Вимкніть струм в пірометрі і вимкніть лампу Л.

10. За формулою (8) визначіть істинну температуру, приймаючи для вольфрамої нитки а _λ = 0,8 і b = 95600 (ln а _λ = - 0,22).

11. Обчисліть потужність, споживану лампою Л, за співвідношенням P=I^.U. Дані вимірювань та розрахунків подайте в таблиці:

12. Побудуйте графік залежності температури нитки лампи розжарення від споживаної потужності.

Дайте відповіді на запитання:

1. Які тіла можна вважати абсолютно чорними?

2. Які методи вимірювання температури Вам відомі?

3. При яких температурах методи оптичної пірометрії є єдино можливими методами вимірювання температури?

Лабораторна робота №45.

Вивчення вольт-амперної характеристики вакуумного фотоелемента.

Прилади та приладдя: фотоелемент, мікроамперметр, вольтметр на 300В, джерело постійної напруги на 300 В, джерело світла, оптичний ослін.

Мета роботи: ознайомитись з властивостями вакуумного фотоелемента.

Коротка теорія та методика вимірювань

В основу роботи вакуумних фотоелементів покладено явище фотоелектричного ефекту (фотоефекту).

Під фотоефектом мають на увазі явище виривання електронів різними видами випромінювань. Якщо електрони, відірвані світлом від атомів, залишаються в межах тіла, то фотоефект називається внутрішнім, якщо ж електрони виходять за межі тіла, то – зовнішнім.

Явище зовнішнього фотоефекту вперше виявлено Герцем, а потім детально досліджене Столєтовим та іншими вченими. В закономірностях фотоефекту чітко виявляються квантові властивості світла. Теорія зовнішнього фотоефекту розроблена Ейнштейном, який припустив, що світло не тільки випромінюється квантами, як це встановив М. Планк, але й поглинається також квантами. Ейнштейн ввів поняття про частку - фотон, енергія якого пов’язана з частотою світла співвідношенням

ε = h υ, (1)

де h - стала Планка; υ - частота випромінювання.

При дії на речовину світла з довжиною хвилі λ>200нм поглинання світла відбувається в поверхневому шарі речовини. Виявляється справедливим співвідношення Ейнштейна:

h υ = A + mv² /2, (2)

де А - робота виходу електрона з поверхневого шару речовини; mv²/2 - кінетична енергія вирваного електрона.

На основі теорії Ейнштейна успішно пояснються закономірності зовнішнього фотоефекту, а саме той факт, що фотоефект спостерігається не при довільних частотах. Якщо зменшувати частоту падаючого випромінювання, то, згідно з (2), зменшується кінетична енергія вилітаючих електронів, а при деякій частоті υ_k кінетична енергія електронів дорівнює нулю. При ще менших частотах фотоефект не виникає. Ця мінімальна частота, при якій ще спостерігається фотоефект, має назву червоної межі фотоефекту. При частотах, що перевершують граничну частоту, число вирваних фотоелектронів пропорційне падаючому світловому потокові.

В даній роботі досліджується вакуумний сурм’яно–цезієвий фотоелемент з центральним анодом. Цей фотоелемент являє собою скляний балон, на одну половину внутрішньої поверхні якого нанесені один на одний тонкі шари сурьми і цезію шляхом конденсації пари цих металів у вакуумі. Утворене при цьому з’єднання грає роль катода, який має малу роботу виходу для електронів. Червона границя фотоефекту знаходиться у видимій області спектру, тому фотоефект спостерігається при освітленні видимими променями.

Електрони, що вириваються світлом з освітленого катоду, захоплюються на анод електричним полем. Фотострум, що йде в колі фотоелемента і увімкненій батареї, вимірюється мікроамперметром.

В роботі вивчається одна із основних характеристик фотоелементу - залежність сили фотоструму I від прикладеної до фотоелементу напруги U. За даними вимірювань будується графік залежності I = f(U) - вольт-амперна характеристика фотоелемента.

Порядок виконання роботи:

1. Ознайомтеся з приладами і установкою, зберіть електричне коло за схемою (рис.1,2), застосовуючи джерелом струму випрямляч на 220 В.

2. Установіть джерело світла на відстані 35см від фотоелементу. Установіть найменшу напругу на потенціометрі R, включіть джерело світла в мережу, відкрийте ковпачок фотоелементу і запишіть значення струмів, підвищуючи потенціометром напругу від 0 через 5-10В до максимальної, допустимої діапазоном струмів, вимірюваних мікроамперметром.

Рис.1

3. Виконайте вимірювання за пунктом 2 для відстаней 25 та 15см між лампою та фотоелементом.

Рис.2

4. Результати вимірювань занесіть до таблиці. В одній координатній системі I=f(U) побудуйте на міліметровому папері три вольт-амперні характеристики фотоелемента.

Дайте відповіді на запитання:

1. Які характерні особливості вольт-амперної характеристики вакуумного фотоелемента?

2. Які причини виникнення струму насичення?

3. Як залежить сила струму насичення від величини падаючого на фотоелемент світлового потоку?

Лабораторна робота № 46.

Визначення чутливості напіпровідникового фотоелементу.

Прилади та приладдя: установка з селеновим фотоелементом, мікроамперметр, джерело світла, трансформатор.

Мета роботи: вивчення принципу роботи напівпровідникових фотоелементів і визначення їх чутливості.

Коротка теорія та методика вимірювань

Напівпровідниковий фотоелемент можна схематично представити таким, що складається з приведених до контакту напівпровідників р – і n - типів і двох електродів (рис.1). Електрони (чорні крапки) із n- напівпровідника і дірки (кружки) із р-напівпровідника дифундують через контактний шар і закріпляються на атомах домішки (+ і -) до тих пір, доки виникаюча і зростаюча різниця потенціалів не перешкодить їх подальшому переходові. В результаті цього контактний шар у n - напівпровідника заряджається позитивно, а у р-напіпровідникові - негативно. На грані цих напівпровідників (у р–n-переході) утворюється так званий подвійний електричний шар товщиною 1 (рис.1,а), що створює поле напруженістю Е, спрямоване від n-напівпровідника до р-напівпровідника.

Товщина шару має порядок 10 ^-5см, контактна різниця потенціалів у шарі порядку 0,1 – 0,5В. Таку різницю потенціалів (потенціальний бар’єр) можуть подолати тільки електрони, що мають велику кінетичну енергію, відповідну кільком тисячам градусів. При нормальній температурі шар 1 є непроникним (має надвеликий опір) для переходу електронів у напрямку від n до р, а дірок - від р до n. В зв’язку з цим пограничний шар називають запираючим, а фотоелементи, дія котрих основана на його використанні, носять назву фотоелементів з запираючим шаром. Важливою характерною особливістю електричного поля в області контакту є те, що воно виштовхує в область контакту електрони в n -напівпровідник, а дірки - в р-напівпровідник.

При опроміненні приконтактного шару світлом, енергія фотонів якого достатня для відриву електрона від атому, в напівпровідникові утворюються вільні електрони і дірки. Явище відриву електронів від атомів внаслідок поглинання ними світла називається фотоефектом. Якщо процес завершується виходом електронів за межі речовини, фотоефект називається зовнішнім, якщо ж електрони залишаються всередені речовини - внутрішнім.

Рис. 1

На рис.1,б показано утворення електронів і дірок при освітленні n- напівпровідника. Фотони зображені стрілками. В даному випадку при освітленні напівпровідника внутрішній фотоефект призводить до виникнення вільних електронів і дірок незалежно від того, який напівпровідник освітлюється. Електрони і дірки, що вивільнилися в результаті дифузії, досягають області контакту. Електричне поле виштовхує електрони назад в n -напівпровідник, а дірки перекидаються в р-напівпровідник. В результаті в n - напівпровіднику концентруються електрони, і він заряджається негативно, а на р-напівпровідникові концентруються дірки, і він заряджається позитивно. Між шарами напівпровідників утворюється різниця потенціалів, яка є ЕРС фотоелементу. При замиканні електродів фотоелемента на зовнішнє коло у ньому піде електричний струм (фотострум), величина якого пропорційна кількості дірок, що утворюються в одиницю часу і дифундують через контактний шар. Фотострум приблизно пропорційний падаючому на фотоелемент світловому потокові.

Напівпровідникові фотоелементи є безпосередніми перетворювачами світлової енергії в електричну. Для одержання великих ЕРС і струмів ці фотоелементи збирають у батареї на загальному каркасі, з’єднуючи їх в групи послідовно та паралельно. Батареї, зібрані з напівпровідникових фотоелементів та призначені для використання випромінювання Сонця, дістали назву сонячних. Сонячні батареї мають широке застосування.

В даній роботі вивчається селеновий фотоелемент. Він складається (рис.2) із сталевої пластинки 1, що є одним з електродів, покритої тонким шаром селену 2 з дірковою провідністю. Зверху селену шляхом розпиленння нанесений тонкий напівпрозорий шар срібла 3, що слугує другим електродом. В процесі напилення атоми срібла проникають в прилягаючий шар селену і надають йому електронної провідності; між верхнім та нижнім шарами селену утворюється запираючий шар. Фотоелемент міститься в пластмасовому відкритому зверху корпусі 4, на якому закріплені затискачі, з’єднані з електродами.

Важливою характеристикою фотоелемента є його чутливість. Чутливістю фотоелемента називають відношення величини струму - і, що дає фотоелемент, до величини падаючого на нього світлового потоку Ф

γ = i / Ф. (1)

Чутливість звичайно виражають в мікроамперах на люмен. Світловий потік визначають як добуток освітленості на площу світлочутливого шару фотоелемента: Ф = ES. Освітленість поверхні фотоелемента пропорційна силі світла I, обернено пропорційна квадрату відстані r від джерела світла до фотоелемента і залежить від кута падіння променів α на освітлювану поверхню

E = I cosα / r². (2)

При нормальному падіння променів на фотоелемент косинус дорівнює 1, і чутливість фотоелемента може бути подана як

γ = i / Ф = i r² / IS.

Рис. 2 Рис. 3

Якщо D - діаметр діафрагми, відкриваючої світлочутливий шар на поверхні фотоелемента, то S=πD²/ 4, і чутливість фотоелемента подається співвідношенням

γ = . (3)

Порядок виконання роботи:

1. Зберіть схему згідно з рис. 3. Відведіть лампу розжарення на велику відстань r від фотоелемента.

2. Увімкніть лампу і, поступово наближаючи її до фотоелемента, добивайтеся відхилення стрілки мікроамперметра на 2-3 поділки.

3. Наближаючи лампу через кожні 3 – 5 см, записуйте відстані і відповідні фотоструми.

4. Для кожної відстані обчисліть чутливість фотоелемента за формулою (3). Результати вимірювань і розрахунків подайте в таблиці. Oцініть похибки вимірювань:

Дайте відповіді на запитання:

1. Чому із зменшенням відстані від фотоелемента до джерела світла сила фотоструму збільшується?

2. Який принцип роботи напівпровідникового фотоелемента?

3. Як залежить чутливість фотоелемента від відстані до джерела світла?

Лабораторна робота № 47.

Дослідження розчинів оптично активних речовин поляризованим світлом.

Прилади та приладдя: поляриметр, набір циліндричних кювет з розчинами цукру різних концентрацій.

Мета роботи: засвоїти метод визначення концентрацій водних розчинів цукру за кутом повороту площини поляризації світлового променя.

Коротка теорія та методика вимірювань

Рис. 1

Рис. 2

Світло являє собою сукупність електромагнітних хвиль. Електромагнітна хвиля, як процес поширення в просторі зв'язаних між собою змінного електричного і магнітного полів, носить поперечний характер, тобто напруженості електричного Е та магнітного Н полів в хвилі направлені перпендикулярно до швидкості її поширення v. Крім того вектори Е і Н взаємно перпендикулярні і їх зміна в хвильовому процесі відбувається синфазно (Рис.1). Хімічна та біологічна дія світла в основному пов'язана з електричною складовою поля електромагнітної хвилі. Тому вектор напруженості електричного поля Е називають світловим вектором.

Природне світло випромінюється сукупністю багатьох окремих атомів джерела світла. Цей процес відбувається неузгоджено, як кажуть, некогерентно, тому коливання світлових векторів окремих хвиль для будь-якого променя світла здійснюються в різних, довільно орієнтованих площинах. Таким чином, для природного світла характерний рівномірний розподіл напрямків векторів Е відносно осі променя. Якщо один із напрямків такого розподілу стає переважаючим, то говорять про частково поляризований світловий промінь. Зокрема, коли коливання вектора відбувається тільки в одній площині, то такий промінь називають плоскополяризованим. На рис. 2. схематично зображені б/ - природний промінь світла: в/ - частково і а,г/ - плоскополяризований світлові промені (напрям поширення променя v пер­пендикулярний до площини рисунка, (вектори на рисунку відповідають амплітудним значенням).

Існують різні способи одержання плоскополяризованого світла, але основними є способи, засновані на подвійному заломленні променів, коли в деяких кристалах з’являються два заломлених промені, котрі обидва є плоскополяризовані.

Існують кристали, в яких один з поляризованих променів повністю поглинається, і на виході з кристалу одержують повністю плоскополяризоване світло. Якщо на шляху поширення поляризованого світла поставити подібний кристал, то в залежності від орієнтації кристалу щодо площини поляризації променя, із кристалу може вийти промінь, але може і поглинутися в кристалі. Обладнання, що створює поляризоване світло, називають поляризатором, а те, з допомогою якого можна провести аналіз поляризованого світла, - аналізатором. Якщо після аналізатора при довільних його орієнтаціях по відношенню до падаючого променя виходить світло незмінної інтенсивності, то таке світло або природнє, або поляризоване за колом. В даній роботі поляриметр (цукрометр) складається з поляризатора і аналізатора. Поляризатором П на рис.3 є плівка поляроїду, вставлена у віконце разом зі світлофільтром. Аналізатор А складається із двох поляроїдів з різними площинами пропускання. Світло від одного з поляроїдів потрапляє на одну частину світлового поля, а від другого – на іншу. Інколи цими частинами поля зору є дві половинки кругового поля зору, іноді ж ці дві частини поля зору являють картину, подану на рисунку 3,а. Така конструкція аналізатора забезпечує найбільш точну установку аналізатора, внаслідок чого підвищується точність вимірювань, тому що око найбільше розрізняє контраст освітленостей двох сусідніх ділянок.

Метод вимірювань грунтується на використанні явища повороту площини поляризації. Ряд речовин (кварц, розчини цукру і деяких білків) має властивість повертати площину поляризації світла, що пройшло крізь них. Кут повороту площини поляризації пропорційний товщині шару речовини 1 і концентрації розчину с:

Δψ = α c l. (1)

Величина α називається питомим обертанням або сталою обертання, вона залежить від довжини хвилі світла і характерна для кожної речовини. При малих концентраціях розчинів с залежністю α від с можна знехтувати, що полегшує виміри.

В даній роботі вимірювання проводять так. Дивляться в окуляр поляриметра і повертають аналізатор доти, поки щезне різниця освітленостей різних ділянок світлового поля. При отриманні рівномірної освітленості поля зору треба зафіксувати положення аналізатора по градусній шкалі. Тепер в світловий промінь можна помістити кювету з досліджуваним розчином. Поле зору при наявності кювети з розчином стає неоднорідним, і для досягнення його рівномірної освітленості доводиться повернути аналізатор на кут Δψ, що дорівнює куту повороту площини поляризації променя в розчині. Різниця кутів відліку положень аналізатора з кюветою і без неї визначає кут повороту площини поляризації. Якщо відомо питоме обертання Δψ для досліджуваної речовини, то при відомому куті повороту аналізатора і довжини кювети 1 за формулою (1) можна визначити концентрацію розчину с.

Речовини, що повертають площину поляризації, називають оптично активними. В залежності від напрямку повороту за годинниковою стрілкою чи проти неї - їх поділяють на право– (+) і лівообертаючі (-).

В довідниках для найбільш розповсюджених оптично активних речовин наводяться значення питомого обертання α для жовтого світла натрію при t =20˚С.

Порядок виконання роботи:

1. Увімкніть освітлювач поляриметра в мережу.

Рис.3

2. Закрийте кришку труби поляриметра. Спостерігаючи в окуляр маховика аналізатора знайдіть положення, що відповідає рівномірній освітленості поля зору.

3. Користуючись окуляром шкали, зробіть початковий відлік ψ₁ на лімбі градусної шкали.

4. Відкрийте кришку труби поляриметра, помістіть еталонну кювету з відомою концентрацією розчину c₁ і довжиною l₁, закрийте кришку і обертанням маховика аналізатора знову добийтеся рівномірної освітленості поля зору. Зніміть відлік на градусній шкалі ψ₂. За різницею показань визначить Δψ = ψ₁ – ψ₂ - кут повороту площини поляризації.

5. За формулою (1) визначте питоме обертання α для малої концетрації водного розчину цукру, користуючись значенням c₁, l₁ і Δψ.

6. Помістіть в поляриметр одну з кювет з розчином невідомої концентрації, повторіть дії пунктів 2 – 5 і визначте за (1) концентрацію розчину, користуючись знайденним значенням α.

7. Визначте концентрацію розчину в інших кюветах запропонованих викладачем. Результати вимірювань та розрахунків подайте в таблиці:

Дайте відповіді на запитання:

1. Яка різниця між природним та плоскополяризованим світлом?

2. Якою оптично активною речовиною є цукор - праворуч чи ліворуч обертаючою?

3. Чи можна виконати вимірювання, змінивши місцями поляризатор і аналізатор?

Date: 2015-05-17; view: 932; Нарушение авторских прав