Қазақстан Республикасының білім және ғылымминистрлігі

С. Торайғыров атындағы Павлодар мемлекеттікуниверситеті

Физика, математика және ақпараттықтехнологиялар факультеті

Жалпы және теориялық физика кафедрасы

ОПТИКА

Зертханалық жұмыстарды орындауға әдістемелік нұсқаулар

6 Бөлім

2

ПавлодарКереку2009

3

УДК 535(07)ББК 22.34я7 О-64

С. Торайғыров атындағы Павлодар мемлекеттікуниверситетінің физика, математика

факультетінің жалпы және теориялық физикакафедрасының отырысында басуға ұсынылды

Рецензентфизика, математика ғылымдарының кандидаты,

доцент Ш. К. Биболов

Құрастырушылар: А. Б. Искакова, Б. Ш.Мурзалинова

О-64 Оптика : зертханалық жұмыстарды орындауғаметодикалық нұсқаулар / құраст. : А. Б. Искакова, Б. Ш.Мурзалинова. – Павлодар : Кереку, 2009. – Б. 6. – 27 б.

Әдістемелік нұсқауда «Физика» пәні бойыншазертханалық жұмыстарды орындауға ұсыныстаркелтіріледі, жұмыстың мақсаттары көрсетілген.

Әдістемелік нұсқау техникалық және технологиямамандықтары мен оларды дайындау бағытыныңтиптік оқу бағдарламасына негізделіп жасалынған.

УДК 535(07)

ББК 22.34я7

© Искакова А.Б., Мурзалинова Б.Ш., 2009

4

© С. Торайғыров атындағы ПМУ, 2009

Материалдардың дұрыс болуына, грамматикалықжәне орфографиялық қателіктерге авторлар менқұрастырушылар жауапты

Кіріспе

Методикалық нұсқауда жалпы физика курсының«Оптика» бөлімі бойынша ЖОО-ң физика-математика,инженерлі-техникалық және жаратылыстану-ғылымдары мамандықтары бойынша оқитынстуденттерге зертханалық сабақтарды дайындауы үшінарналған. Методикалық нұсқау студенттердіфизикалық аспаптармен тереңірек танысуы, соныменқатар нақты өлшеулердің негізгі әдістерін игеруінекөмектеседі. Бұл оқулыққа 4 зертханалық жұмысенгізілген, олардың әрқайсысы қысқаша теориялықкіріспеден, зертханалық қондырғылардыңсхемаларынан, өлшеулерді жүргізу әдістерінен тұрады.Зертханалық жұмыстардың сипаттамасынан кейінқажет әдебиеттер тізімі келтірілген.

Осы оқу құралын пайдалану студенттердің«Физика» пәні бойынша білім деңгейін, сонымен қосаәдістемелік жабдықтау мен зертханалық сабақтардыжақсартуда көп көмегін тигізеді.

5

6

Зертханалық жұмыс № 61 Дифракциялық тордыңкөмегімен жарық толқынының ұзындығын анықтау

Жұмыстың мақсаты: Дифракциялық торда интерференция мендифракцияны зерттеу; жарық толқынының ұзындығын өлшеу.

Қысқаша теория

Жарықтың интерференциясы мен дифракциясы

Жарық – толқындық және корпускалалық қасиеті байқалатынэлектромагниттік толқын.

Жарықтың толқындық қасиеті интерференция және дифракцияқұбылысында байқалады. Интерференция деп когеренттітолқындардың қосылуы аймағында жарық екпінділігінің үлестіруіменжүретін құбылысты айтады. Осындай жағдайда жарықтыңмаксимумдары мен минимумдары байқалады. Жарық екпінділгі дептүсетін жарыққа перпендикуляр жазықтықтың бірлік ауданынан бірлікуақыт ішінде жарық толқыны тасымалдайтын орташа энергияға теңшаманы айтады. Екпінділік түсетін толқынның амплитудасыныңквадратына пропорционал.

Когерентті толқын – бұл тербеліс жиіліктері бірдей, қосылунүктесінде уақытқа байланысты фазалар айырымы немесе қосылунүктесіне дейінгі оптикалық жол айырымы тұрақты болатынтолқындар. Сонымен қатар, жарық толқындарында тербеліс бағытыбірдей болу керек.

Егер оптикалық жол айырымы

2

2

m

(61.1)

ал фазалар айырымы

m2 (61.2)

тең болса, яғни зерттелетін нүктеге тербелістер бір фазадажететін болса, когерентті толқындардың интерференциясы кезіндежарық интенсивтілігінің максимумы байқалады.

Егер 2

)12(

m және )12( m , яғни тербелістер

зерттелетін нүктеге қарам-қарсы фазада жететін болса, екпінділіктің

7

минимумы байқалады. Берілген жағдайда m – бүтін сандар m =0,1,2,3… , – вакуумда және ауадағы толқын ұзындығы.

Дифракция құбылысы толқындық беттің тұтастылығы жойылғанкезде пайда болады және дербес жағдайда жарықтың түзу сызықтытаралуы бұзылатын болса, яғни бөгетті айналып өтуі кезінде көрінеді.

Дифракцияның міндеті бөгеттің өлшемі мен формасынабайланысты экранда жарықтылықтың қалай үлесетіндігін анықтауболып табылады.

Гюйгенс принципіне сәйкес толқын жеткен нүкте екінші реттітолқынның центрі ретінде қабылдауға болады. Френель осы идеяныбылайша толықтырды: екінші ретті толқындар когерентті және қосылукезінде бірін-бірі интерференциялайды.

Параллель сәулелердегі жарық дифракциясы Фраунгофердифракциясы (толқын көзі экраннан үлкен қашықтыққа алыстатылған)деп аталады. Осы жұмыста Фраунгофер дифракциясы қарастырылады.Егер монохроматты жарық түсетін болса, бұл жағдайда дифракциялықбейне қара немесе ақ сақиналар түрінде байқалады.

Дифракциялық тор

Ені а болатын бір-бірінен бірдей b мөлдір емес аралықтарменбөлінген N саңылаудан жүйені қарастырайық (сурет 61.1), осындайжүйе дифракциялық тор деп аталады.

Сурет 61.1Айталық торға жарық перпендикуляр бағытта түсірілген

болсын. Саңылаудың артында дифракция нәтижесінде сәулелер торға

12

К

Ф

(жинағыш линза)Фокальдық жазықтық(дифракциялық тор)

ba

8

түскен сәулелерге қандай да бір бұрыш жасай отырып, таралатынболады. Егер осы сәулелердің жолына жинағыш линзаныорналастыратын болсақ, осы линзаның фокальдық жазықтығында бірнүктеде бірдей бұрышпен ауытқыған сәулелер жинақталады. Бір-біріне сәйкес сәулелердің арасындағы оптикалық жол айырымы

sin)( bа тең болады, мұнда – саңылауға түсетін сәуле менауытқыған сәуле арасындағы бұрыш, немесе d sin , мұнда d =a+b– дифракциялық тордың периоды, осы жол айырымына сәйкес келетінфазалар айырымы

2 (61.3)

Егер болса, онда 2 , демек сәулелер бір фазада жетедіжәне бірін-бірі күшейтеді. Осы жағдай үшін максимумдардың болушарты: d sin m , мұнда m = 0; 2;1 . Осы максимумдар негізгідеп аталады. Максимумдар шартынан m=0 болса, 0 және экранда нөліншіретті максимум алынады. 1m болса, нөлінші реттің екі жағында даекі бірінші ретті максимумдар пайда болады және т.с.с. Дифракциялық торды ақ жарықпен жарықтандырса, ақжарықтың нөлінші ретті жолағы пайда болады, өйткені 0 үшінмаксимум шарты кез келген толқын ұзындықтары үшін орындалады.m 0 ретті әр жолақ спектр болады, сонымен бірге қызыл шетінедифракцияның үлкен бұрышы сәйкес келеді. Максимумдар екпінділігі біртіндеп азая бастайды,дифракциялық спектрдің саны шектеулі және ол мына шарт бойыншаанықталады

d

m

sin 1 (61.4)

Дифракциялық тор жақсы спекрлік аспап болып табылады,спектроскопияда жарық толқын ұзындығын өлшеу үшін кеңіненқолданылады.

Эксперименттік құрылғының сипаттамасы және өлшеулер әдісі

Жұмыста қолданылатын аспап бөлгіштері бар сызғыштан (1),осы сызғыштың соңында дифракциялық тор (2) бекітілген, осы

9

сызғыштың бойымен саңылауы және миллиметрлік шкаласы барэкран (3) еркін қозғала алады (сурет 61.2).

Сурет 61.2

Егер саңылауға (4) жарық көзінен жарық шоғын түсіретінболсақ, оған дифракциялық тор (2) арқылы қарап, осы саңылаудың екіжағынан қозғалмалы экранның (3) шкаласында дифракциялық бейненікөруге болады – минимумдармен бөлінген бірнеше реттімаксимумдар. Егер жарық ақ болса, онда максимумдар ақ жарықспектрі түрінде байқалады. Бұл құбылыс келесі жағдайментүсіндіріледі: көз торында көз бұршағының фокальдық жазықтығындатордан ауытқыған сәулелердің параллель шоқтары жинақталады. Егер( ) ауытқу бұрышы d sin т шартын қанағаттандыратын болса,онда Ф нүктесінде (сурет 61.1) толқын ұзындығына сәйкес келетінсаңылаудың бейнесі алынады. Бақылаушы осы бейнені шкалада көзгетүскен сәулелердің жалғасында көретін болады.

d sin m формуласынан,

m

d

sin (61.5)

шығады.

2

1Жарыққ

4

3

10

Сурет 61.3

Реті аз болатын спектрлер үшін сәулелердің ауытқу бұрышы аз

болады, өйткені l

2

l

1 (сурет 61.3), мұндаl 1 – (1) сызғыш бойымен есептеліп алынған дифракциялық

тордан саңылауы бар экранға дейінгі қашықтық;l 2 – қозғалмалы экранның (3) шкаласы бойымен есептеліп

алынған саңылаудан таңдап алынған спектрге дейінгі қашықтық(сурет 61.3).

Онда sin tg = 1

2

l

l , осыдан

1

2

l

dl немесе

1

2

Nl

l мұнда

dN

1 .

N – берілген дифракциялық тор үшін бірлік ұзындыққа келетінсаңылаулар саны.

Жұмысты орындау тәртібі:1) жұмыс бастамас бұрын жарық көзін орнатады, дифракциялық

тор арқылы саңылауға қарап, саңылаудан ең ұзын көрінетін қызылсәулелерге сәйкес келетін бірінші және екінші ретті ( m 1, m 2)қызыл спектрге дейінгі қашықтықты өлшеу керек. Есепті оң 2l жәнесол 2l спектрлер үшін, яғни m=0 (ақ жарық) орталық максимумныңекі жағынан жасау керек. Алынған мәндердің орташасын есептеукерек

l1

m=2

m=1

m=0

m=12l 2l

l1

m=2

11

2

222

lll

(61.6);

2) саңылаудан дифракциялық торға дейінгі l1 қашықтықтыөлшеңіз;

3) l1 тағы да екі мәні үшін сәйкес келетін 2l мәндерін алу керек,яғни m= 1; и m= 2 үшін;

4) l1 және m әр түрлі мәндеріне сәйкес келетін i мәндерінтөмендегі формуламен есептеу керек

1

2

lm

dli

(61.7)

мұнда N

d1

- дифракциялық тордың тұрақтысы, N – бірлік

ұзындыққа келетін штрихтар саны N=105м-1;5) абсолют және салыстырмалы қателіктерді төмендегі

формулалар бойынша есептеңіз

%100;1

)(

2

nnnt i , (61.8)

мұнда t(n) – n үшін Стьюдент коэффициенті, n – өлшеулер саны;6) Өлшеулер нәтижелері мен есептеулерді кестеге енгізіңіз;

1 кесте – Өлшеулер мен есептеулер кестесі№

1lm ,

2l,,

2l 2l i 2

i

м м м м м м м2 м %1 1

2

2 12

3 12

ор.

7) Өлшеулер нәтижесін сенімділік интервалы түрінде жазыңыз

)( м (61.9)

12

Бақылау сұрақтары

1. Жарық деген не?2. Қандай құбылыс интерференция деп аталады?3. Когерентті толқындардың сипаттамаларын атаңыз.4. Интерференция кезінде максимум мен минимум шартын

көрсетіңіз.5. Қандай оптикалық құбылыс жарық дифракциясы деп

аталады?6. Гюйгенс, Гюйгенс-Френель принципі нені білдіреді?7. Дифракциялық торда жарық дифракциясы қалай өтеді?8. Тордан өткен сәуленің жолын көрсетіңіз?9. Тордан алынған дифракциялық бейнені суреттеп беріңіз.

Максимум мен минимумның пайда болу шартын жазыңыз.10. Дифракциялық спектрде түстердің реті қандай? Неліктен?11. Ақ жарық дифракциясы кезінде орталық минимум неліктен

ақ түске боялған?

Зертханалық жұмыс № 65 Малюс заңын тексеру

Жұмыстың мақсаты: жазық поляризацияланған жарықтыңқасиетін зерттеу; Малюс заңын тексеру.

Теориялық кіріспе

Жарық поляризациясы

Жарық толқыны – бұл электр өрісінің кернеулігі E

мен магнитөрісінің кернеулігі H

өзара перпендикуляр және толқынның таралу

жылдамдығының векторына перпендикуляр тербелетінэлектромагниттік толқын. Сондықтан барлық тұжырымдар жарықвекторы болатын электр өрісінің кернеулігіне E

қатысты жүргізіледі,

өйткені электр өрісі заттың атомдарындағы электрондарына әсер етеді.E

векторының тербелісі болатын жазықтықты поляризацияжазықтығы деп атайды. Жарық көптеген атомдардыңэлектромагниттік сәулеленуінің қосындысы. Ал атомдар болса өздерібір-біріне тәуелсіз жарық толқынын сәулелендіреді, сондықтан

13

денемен сәулеленетін жарық толқыны жарық векторының мүмкінболатын тең ықтималды тербелісімен сипатталады. (сурет 65.1а).

Сурет 65.1

Бұл табиғи жарық. Е

векторы белгілі бір жазықтықтатербелетін жарықты жазық поляризацияланған жарық деп атайды.(сурет 65.1б). Табиғи жарықты жазық поляризацияланған жарыққа белігілі бірбағытқа ие болатын тербелістерді ғана өткізетін және осы жазықтыққаперпендикуляр бағыттағы тербелістерді толығымен тежейтінполяризаторларды қолдана отырып айналдыруға болады. Табиғикристалдардың ішінде поляризатор ретінде турмалин пайдаланылады.Турмалинмен жасалған классикалық тәжірибелерді қарастырайық.

Сурет 65.2

Табиғи жарықты ОО’ оптикалық осіне параллель қиып алынған Т1

турмалин пластинасына перпендикуляр етіп түсірейік. Т1 кристалынсәуленің таралу бағытын айналдыра қозғалтатын болсақ, осытурмалин арқылы өткен жарық екпінділігінің ешқандай өзгерісінбайқамаймыз. Егер сәуленің жолына екінші Т2 турмалин пластинасын

а) б)

О’

ТПоляризацияланған жарық

Табиғи жарық

О

B

А

B

О’

О

Т

2

Т1

А

14

қоятын болсақ және оны сәуленің таралу бағытын айнала қозғалтсақ,осы пластиналар арқылы өткен жарықтың J екпінділігі кристалдардыңоптикалық өстерінің арасындағы бұрышқа байланысты Малюсзаңына сәйкес өзгереді

J =J0 cos2 , (65.1)

J – жарық екпінділігі деп түсетін жарыққа перпендикуляржазықтықтың бірлік ауданынан бірлік уақыт ішінде жарық толқынытасымалдайтын орташа энергияға тең шаманы айтады. Екпінділіктүсетін толқынның амплитудасының квадратына пропорционал.

Құрылғының сипаттамасы және өлшеу әдістері

Эксперименттік құрылғы 65.3 суретте келтірілген.

Сурет 65.3

Осы жұмыста S – қарапайым жарық көзі, Р-поляризаторқолданылады. Осы поляризатор арқылы жарық өткенде екпінділігі J0

болатын жазық поляризацияланған жарыққа айналады.Поляризацияланған жарықтың жолына тағы бір поляроид орналасқан,оны анализатор деп атайды. А анализтор оптикалық өсті айналады,анализатордан шыққан жарықтың J екпінділігі бұрышынабайланысты. Анализатордан шыққан жарық Ф фотоэлементтіңфотокатодына түседі. мА микроамперметрмен өлшенетін Іфототоктың шамасы анализатор арқылы өтетін жарықтыңекпінділігіне пропорционал. Анализатор айналған кезде ол Малюсзаңына сәйкес өзгеру керек

I=I0cos2 (65.2)

PS

A

ФмА

15

Фотоэлемент арқылы алынған максимал фототок I0 =0 бұрышынасәйкес келеді, минимал фототок =900 бұрышта байқалады. Егерфотоэлементке сырттан шашыраған жарық түспейтін болса, минималфототок нөлге тең болады.

Жұмысты орындау тәртібі:1) жарық көзін қосу;2) поляризатор жазықтығын айналдыра отырып, максимал

фототокты алу. Осы кезде 0 ;3) анализатор жазықтығын 00-тан 900-қа дейін әр 10 градус

сайын айналдыра отырып, фототокты өлшеу және оның мәнін кестегеенгізу;

4) анализатор жазықтығын 900-тан 1800-қа дейін әрі қарайайналдыра отырып, әр он градус сайын фототокты өлшеу. Осы кезде900 градуста ток ең төменгі, ал 00 пен 1800 градуста ең жоғары болукерек;

5) кесте бойынша 00-тан 900-қа дейін cos мәнін тауып,оларды квадраттау керек;

6) барлық алынған өлшеулер мен есептеулерді кестеге енгізу;

Өлшеулер мен есептеулер кестесі

2-кесте 1,град

I1

( мкА ) 2, град

I2

( мкА )

221 II

I

090II cos сos2

0102030405060708090

18017016015014013012011010090

7) алынған мәндер бойынша 090II -дің cos2 -тан (

)cos( 2

900 fII ) тәуелділік графигін салу керек, мұнда 090I – 900

бұрышқа сәйкес ток.

16

Бақылау сұрақтары

1. Жарық толқыны деген не?2. Неліктен электр өрісінің кернеулік векторы жарық векторы

болып табылады?3. Жазық поляризацияланған жарықты қалай алуға болады?4. Малюс заңын жазу және түсіндіру. 5. Поляризация қандай толқындардың сипаттамасы?

№ 68 Зертханалық жұмыс. Вакуумды фотоэлементті зерттеу

Жұмыстың мақсаты: Вакуумды фотоэлементтің вольт-амперлік және жарықтық сипаттамаларын алу; Вакуумдыфотоэлементті зерттеу.

Теориялық кіріспе

Электромагнитті сәулелендірудің әсерінен заттарданэлектрондардың ыршып шығуын фотоэлектрлік эффект немесефотоэффект деп атайады. Фотоэффекттің үш түрі бар: сыртқы, ішкіжәне вентильді. Егер электрондар жарық түсірілген дененің бетіненқоршаған ортаға ыршып шықса, фотоэффект сыртқы деп аталадыжәне ол металдарға тән.

Сыртқы фотоэффект үшін Столетовтың келесі заңдарыбелгіленген:

1) фотоэффект инерциалды емес, яғни жарықтандыра бастағанмезетпен фотоэлектрондардың пайда болуының арасында кешігу жоқ;

17

I,

cos 2

090III

2) заттың бетінен бірлік уақытта ыршып шығатын электрондарсаны түскен, жарықтың спектралды құрамы өзгермеген жағдайда,жарықтың интенсивтілігіне тура пропорционал;

3) заттан ыршып шығатын электрондардың жылдамдығы,жұтылатын жарықтың жиілігінің функциясы болып табылады.Жиілік артқан кезде фотоэлектрондардың жылдамдығы, яғни, олардың

бастапқы кинетикалық энергиясы да 2

2m сызықты артады;

4) әр бір зат үшін анықталған қандай да бір минимал кр жиілікбар, егер жарық жиілігі одан төмен болса фотоэффект байқалмайды.Ол жиілік фотоэффекттің қызыл шегі деп аталады.

Эйнштейн кванттық үрдістерде энергияның сақталу заңыныңнегізінде электрондардың жарықтың әсерінен ыршып шығу кезіндегіэнергиясы мен сол жарықтың жиілігінің арасындағы сандықбайланысын анықтаған; яғни Эйнштейн теңдеуі

2

2

mAh ш (68.1)

мұндағы h = 6,6210-34Дж с –Планк тұрақтысы; - түскен жарықтың жиілігі;h - түскен фотонның энергиясы;

m – электрон массасы; - ыршып шығатын электронның жылдамдығы;

шA - электронның металдан шығу жұмысы.Бұл теңдеуді былай түсіну қажет: энергиясы h фотон металға

түскен кезде өзінің энергиясын электронға береді. Ол энергия,біріншіден, электронның металдан шығу жұмысын атқаруға,

екіншіден, электронға кинетикалық энергияны 2

2m беруге

жұмсалады. Егер шAh болса фотоэффект байқалмайды. Заттардыңкөбі үшін фотоэффекттің қызыл шегі спектрдің ультракүлгін бөлігіндежатыр және тек сілтілік металдар үшін ол көрінетін және кейдеинфрақызыл бөлігінде болады.

Фотоэлементтің құрылысы және жұмысы

18

68.1 сурет

Жарық сигналын электрлікке түрлендіретін сәулелендіргішқабылдағыштар, фотоэлементтер деп аталады. Сыртқы фотоэффектвакуумды фотоэлементтердің жұмысының негізінде жатыр. Вакуумдыфотоэлемент (68.1 сурет) шыны баллоннан 1, оның ішкі қабырғасынажағылған және фотокатод болып табылатын фотоэлектрлік сезімталқабаттан 2, сонымен қатар анод болып табылатын электрондарколлекторынан 3 тұрады. Баллонда қысымы 10-7мм сынапбағанасындағы болатын вакуум жасалады. Сурьма-цезилі және оттегі-күмісті фотокатодты фотоэлементтер көп тараған. Егер фотоэлементкекернеу түсірсе, онда фотокатодты жарықтандырудың салдарынантізбекте ток пайда болады.

Сыртқы фотоэффектті фотоэлементтердің негізгі сипаттамалары:

1) сезімталдылық, интегралдық ф

IS

және спектралдық

сипаттама –

ф

IS

( I -фототок өзгеруі, яғни жарық ағынының

ф шамасына өзгеруі; ф - монохроматты ағынның толқынұзындығымен өзгеруі);

2) жарықтық сипаттама –фототоктың жарық ағынынантәуелділігі (фотоэлементте кернеу тұрақты болған жағдайда);

3) вольт-амперлік сипаттама – фототоктың фотоэлементтегікернеуден тәуелділігі (жарық ағыны тұрақты болған жағдайда).

Вакуумды фотоэлементтің артықшылығы, олардыңтұрақтылығы және жарық ағыныны мен фототоктың сызықтықтәуелділігі болып табылады.

Бірақ олардың сезімталдығы жоғары емес (1лм жарық ағынына20-100 мкА). Фотоэлементтерді техникалық қолдану кезінде әлсізбастапқы фототоктарды алдымен фотоэлементтердің өзінде күшейтуқажеттілігі туындайды. Фотоэлемент қысымы төмен (-10-2мм сынап

2

3

1

19

бағанасындағы) қандай да бір инертті газбен толтырылады. Токтыңкүшеюінің себебі катодтан ыршып шыққан фотоэлектрондар электрөрісінен үдеу алып газ молекулаларын иондайтындықтан болады, яғнижаңа электрондар туындайды. Газбен толтырылған фотоэлементтердіңсезімталдығы біршама жоғары, бірақ олардың инерционалдығы дажоғары және вольт-амперлік сипаттамасы сызықты емес, ал ол болсаолардың қолдануын шектейді. Бастапқы фототокты қосымшаэлектродтардан алынған екінші электронды эмиссияның көмегіменкүшейтудің басқа бір әдісі фотоэлектронды көбейткіш деп аталатын–ФЭУ құралдың негізінде жатыр. Ондай электродтар 10-15 шамасында.Бұл жүйелердің күшейткіш коэффициенті 107 - 106 -ке, ал ФЭУинтегралды сезімталдығы мың ампер люменге дейін жетеді. Соныңнәтижесінде шағын жарық ағының тіркеуге болады. Қазір біркаскадтыжәне көпкаскадты фотокөбейткіштер кең қолданылады.

Жұмысты орындау тәртібі:68.2 суретте тәжірибелі сынаққа арналған қондырғының схемасы

келтірілген

Ф – фотоэлемент, S – жарық көзі, V – вольтметр, мкА –микроамперметр, R – потенциометр.

68.2 сурет

Фотоэлемент және жарық көзі оптикалық орындықтаорнатылады.

Вольт-амперлік сипаттаманы алу үшін:1) жарықтандырғышты фотоэлементтен (жарық ағынын) алыс

емес арақашықтыққа орнатыңыз;

20

S Ф

VR

мкА

2) анодтағы кернеуді біртіндеп арттыра отырып (6-10В-танкейін) вольтметрдің және амперметрдің көрсеткіштерін 3-кестегежазыңыз;

3) жарық көзінің орнын біраз ауыстырып 1 және 2 пункттегіөлшеулерді қайталаңыз;

3- кесте I, mAU, В

4) вольт-амперлік сипаттаманы I=f(U) құру.Жарықтық сипаттаманы алу үшін: 1) қанығу аймағындағын сипаттайтын кернеуді I=f(U)

графигінен анықтау;2) қанығу аймағына (IН) сәйкес келетін анодты кернеуді орнату,

мұндағы IН –жарық ағынының екеуі үшін қанығу тогы.Жарықтандырғыш пен фотоэлемент арасындағы арақашықтықтыөзгерте отырып (5-6 рет), фотоэлементтің әйнегінің жарықтануынлюксметрмен өлшеу. Ол арақашықтықтар үшін микроамперметркөрсеткіштерін 4-кестеге жазу;

4- кестеЕ, лкФ, лм

I, мкА

J, мкА/лм

3) әр бір арақашықтық үшін жарық ағынын есептеу

Ф = ЕS (68.2)

мұндағы S –фотоэлемент ауданы, S = 410)1,00,5( м2;4) жарық ағынының барлық мәндері үшін сезімталдықты

есептеу Ф

Ij ;

5) IН= f(Ф) графигін құру.

Ескерту: Люксметр шегін 3 103 Лк-ға орнату.Бақылау сұрақтары

1. Фотоэффект деп қандай құбылыс аталады.2. Фотоэффекттің қандай түрлерін білесіңдер.

21

3. Фотоэффект заңы (Столетов заңы).4. Эйнштейн теңдеуін жаз және түсіндір. 5. Фотоэлементтің құрылысы және жұмысы.6. Берілген жұмыста алынған графиктерді түсіндір.

№ 69 Зертханалық жұмыс. Стефан-Больцман тұрақтысынанықтау

Жұмыстың мақсаты: оптикалық пирометрдің құрылысыменжәне жұмысымен танысу; Стефан-Больцман тұрақтысын тәжірибежүзінде анықтау.

Теориялық кіріспе

Жоғары температураға дейін қыздырылған денелер жарықшығарады. Дененің қыздыру нәтижесінде жарық шығаруын жылулық(температуралық) сәулелену деп атайды. Жылулық сәулелену – бұлзаттың атомдары мен молекулаларының жылулық қозғалысыныңэнергиясының нәтижесінде пайда болатын электромагниттіксәулелену. Ол температурасы Кельвин нөлінен жоғары болатынбарлық денелерге тән. Жоғары температура кезінде қысқа жәнеультракүлгін, ал төмен температура кезінде инфрақызыл толқындарсәулеленеді. Барлық сәулеленулердің арасында тек жылулықсәулелену адиабаталық оқшауланған тұйық жүйеде тепе-теңдік күйдебола алады. Осындай жүйеде көбірек қызған денелер көп сәулеленедіжәне аз жұтады, ал азырақ қызған денелер керісінше аз сәулеленедіжәне көп жұтады. Ал ол болса, денелер мен олардың жылулықсәулеленулері арасындағы энергияны тепе-тең қалыпта үлестіруінеәкеледі.

Жылулық сәулеленудің сандық сипаттамасы ретінде:1) дененің сәулелендіргіштігі – бұл дене беттің бірлік ауданынан

бірлік еннің жиілік интервалындағы сәулеленудің қуаты

d

dWR

cауd

Т

.

,1

(69.1)

мұндағы сауddW 1 - электромагниттік сәулеленудің энергиясы, ол

бірлік уақытта дене бетінің бірлік ауданынан ден d -ге дейінгі

22

жиілік интервалында шығарылады. Сәулеленудің өлшем бірлігі (см

Дж

2

). 2) денелердің оларға түскен сәулелерді жұтуы жұту қабілетімен

сипатталады

d

поглd

Т dW

dWА

1

1

1

.

(69.2)

Ол бірлік уақытта дене бетінің бірлік ауданынан бірлік жиілікинтервалында өтетін, денеге түскен электромагниттік толқындартаситын жуту

ddW 1 жұтылатын ddW 1 энергия бөлігін көрсетеді. Кез келген температурада денеге түскен кез келген жиіліктегі

барлық сәулелерді толықтай жұтатын денені абсолют қара дене депатайды. Яғни, абсолют қара дене үшін 1

1

Т

чА . Абсолют қара дененіңидеалды моделі ретінде кішкентай О саңылауы бар, ішкі бетіқарайтылған тұйық қуысты алуға болады.

69.1 сурет

Жарық сәулесі шағылу нәтижесінде толық жұтылады. Кирхгофсандық байланысты орнатқан

1

1

1

rA

R (69.3)

Бұл сәулеленудің спектралды тығыздығының спектралды жұтуқабілетіне қатынасы дененің табиғатына тәуелді емес және барлықденелер үшін әмбебап функция болып табылады, яғни )( 11

fr

Қазіргі заманға сәйкес теория 1r үшін келесі өрнекті береді

hc

e

hcr

125

2

1 - Планк теңдеуі (69.4)

23

О

мұндағы h = сДж 341062,6 - Планк тұрақтысы; К= КДж /1038,1 23 - Больцман тұрақтысыОсы формуладан абсолют қара дененің сәулелену заңдары қортылыпшығарылған.

Стефан – Больцман заңы

Абсолют қара дененің сәулеленуі R оның абсолюттемпературасының төртінші дәрежесіне пропорционал

4 R (69.5)

мұндағы - Стефан-Больцман тұрақтысы 428106,5

м

Вт

Вин заңы

Абсолют қара дененің сәулеленуінің спектралды тығыздығыныңмаксимумы сәйкес келетін жарық толқынының ұзындығы абсолюттемпературатураға кері пропорционал

T

bmax (69.6)

мұндағы b= Км 3109,2 - Вин тұрақтысы.Сәулелену заңдарының көмегімен температураны өлшеу

әдістері, яғни қыздырылған денелердің абсолют температураларынолармен тікелей байланыс жасамай оптикалық жолмен анықтау,оптикалық пирометрияның негізінде жатыр. Қазіргі уақытта осыәдістер жоғары температураларды (2000К-нен жоғары) анықтаудыңжалғыз жолы болып табылады. Әдістің негізінде сәулеленудің қандайзаңы жатқанына байланысты, үш температура қарастырылады:радиациялық, жарықты, жарықтылық. Осы температуралар шынайытемпературамен белгілі бір қатынаста болады. Сәйкес келетінпирометрлер радиациялық, жарықты және жарықтылықты депаталады.

Стефан-Больцман тұрақтысын Стефан-Больцман заңынананықтауға болады, егер дененің температурасын жәнесәулелендіргіштігін білетін болсақ.

Тәжірибелі сынаққа арналған қондырғының схемасы

24

O - объектив; Л – фотометрлік шам; O1 - окуляр; GB - батарея; R1 –пирометр реостаты; R2 – тізбек реостаты; S1 – сәулелену көзі

69.2 сурет

Сәулелендіргіш дене ретінде арнайы формалы вольфрамдыспираль алынады, ол вакуумды шыны баллонға орналастырылады.Спираль айнымалы токпен қыздырылады және оның шамасыреостатпен R2 реттеледі. Тұтынылатын қуат РЭ амперметр рА жәневольтметр рV көрсеткіштерімен анықталады

РЭ=IU (69.7)

мұндағы I – ток күші, U – кернеу.

Стационар режим кезінде сәулелендіргішпен шашыратылатынқуат Рр, тұтынылатын қуатқа тең болуы шарт. Электрлік қуаттан РЭ

басқа спираль қоршаған денелермен шығарылатын бөлмеліктемператураға Тср ие болатын қуатпен сәулеленуді Рср жұтады

Рср= Т 4ср S (69.8)

мұндағы S - сәулелендіргіш бетінің ауданы. Қуат Рр көбінесе жылулық сәулеленудің нәтижесінде шашырайды:

Рр= Т4 S

мұндағы Т - сәулелендіргіштің температурасы. Онда былай жазуға болады: Рр=Рэ+Рср немесе Т4S=IU+ T 4

ср S,осыдан

S1

РА

PV

O1

GB

O

SA

R1

Л

R2

25

IU= (T4-T4ср)S (69.9)

Спираль қызуының температурасын өлшеу үшін берілгенжұмыста «жоғалып кететін» ОПИИР-17 жібі бар оптикалық пирометрқолданылады, онда зерттелетін дене мен эталонның жарықтылығынфотометрялық салыстыру әдісі пайдаланылады. Пирометрдің 0объектив фокусында (сурет 69.2) жартылай шеңбер түрінде иілген Лжібі бар шам орналасқан. Зерттелетін беттен шығатын сәулеленуобъективке түседі және оның фокальды жазықтығында шамның Лқызу жібімен үйлескен осы беттің бейнесі пайда болады. О окулярдаүлкейтілген бейне көрінеді. Окуляр тубусында жарық фильтрі Форналасқан, ол тек толқын ұзындығы 0,65мкм шамасындағы қызылсәулелерді өткізеді. Л шам жібінің жарықтылығы R1 сақиналыреостатпен реттеледі. Қызу жібінің жарықтылығы менсәулелендіргіштің бейнесі сәйкес келген кезде жіп «жоғалып кетеді»,яғни бейненің фонында көрінбей кетеді. Жіптің «жоғалып кетуі»кезінде электроөлшеуіш құралдың шкаласында есеп жүргізіледі жәнеол абсолют қара дененің сәулеленуі бойынша Цельсии градусындабөліктенген. Құралда екі шкала бар: біреуі 700-14000Синтервалындағы, екіншісі 1200-20000С интервалындағытемпературалар үшін.

Егер жарық көзі абсолют қара денеден ерекшеленсе, ондаанықталған жарықтылық температурасы шынайы температураданерекшеленеді, яғни құрал =0,65мкм үшін абсолют қара дененіңжарықтылығы Тн шынайы температурада зерттелетін дененіңжарықтылығына тең болатын Тя температураның мәнін береді. Тн

шынайы және Тя жарықтылық температураларының байланысынбылай көрсетуге болады

Тн=я

я

АТ

Т

1 (69.10)

мұндағы А = 51081,3 - берілген материалға (Вольфрам) сәйкескелетін тұрақты.

Жұмысты орындау тәртібі:1) сәулелендіргіштің электр тізбегімен және пирометрдің

құрылысымен танысу;2) сақинаны тірекке дейін айналдыра отырып, пирометр

реостатының барлық кедергілерін R1 енгізу;

26

3) сәулелендіргіш тізбегін қосып, сәйкес келетін кернеудіорнату;

4) SA ажыратқыш батырмасын басып, эталонды шамныңтізбегін тұйықтау;

5) монохроматты жарықты алу үшін қызыл жарық фильтрінқолдану;

6) О1 окулярмен эталонды шам жібінің айқын бейнесін алу;7) пирометр О объективін қабылдағышқа бағыттап және

объектив тумблерін қозғалта отырып, оның бейнесінің айқындылығыналу;

8) эталонды шам жібінің қызуын біртіндеп арттыра отырып,сәулелендіргіштің бейне фонында жіптің орта бөлігінің (доғаныңшыңы) «жоғалып кетуіне» қол жеткізу, құралдың шкаласындатемпература санағын жүргізу. Сәулелендіргіш көзінің тізбегінде РАжәне PV құралдарының көрсеткіштерін алу;

9) сәулелендіргіш тізбегінде 3 рет әртүрлі кернеумен тәжірибеніқайталау. Барлық берілгендерді кестеге енгізу;

10) SТT

IU

срн44

(69.11)

формуласы бойынша Стефан-Больцман тұрақтысын анықтаумұнда S=4,3 10-5м2; Тя – пирометр шкаласымен (жарықтылық) өлшенген

температура; Ти – шынайы температура; Тор – қоршаған ортаның температурасы, яғни бөлмелік

температура.

5 кесте – Өлшеулер мен есептеулер кестесі№п/п

Тср,К

Тя,К

Тн,К

I,A

U,B

S,м2

,Вт/м2к

1

21

nn

t

Вт/м2.к4

%

,

123

ор.

27

11) абсолют қателікті төмендегі формула бойынша анықтаңыз

1)(

2

nn

nt i (69.12)

мұндағы n – өлшеулер саны n=3 t(n) – үш рет алынған өлшеу үшін Стьюдент коэффициенті

- Стефан-Больцман тұрақтысының орташа мәні. i - Стефан-Больцман тұрақтысының әрбір есептелген мәні.

12) мәнін сенімділік интервалы 42)(

Км

Вт түрінде

жазыңыз.

Бақылау сұрақтары

1. Қандай сәулеленуді жылулық деп атайды? Ол нені білдіреді?2. Жылулық сәулеленудің сипаттамалары: сәуле шығарғыштық

және жұтқыштық.3. Қандай дене абсолют қара деп аталады? 4. Абсолют қара дененің заңдарын түсіндіру:а) Стефан-Больцман заңы;б) Вин заңы.5. Оптикалық пирометрдің жұмыс принципін түсіндіру.6. Жұмыс формуласын қортып шығару.7. Жарық толқынының қандай қасиеттері берілген жұмыста

дәлелденеді?

28

Әдебиеттер

1 Детлаф А.А, Яворский Б.М. Курс физики : учебное пособиедля втузов / Детлаф А.А, Яворский Б.М. – М. : Высшая школа 1989. –650 с.

2 Евграфова А.Г, Коган В.Л. Руководство к лабораторнымработам по физике. – М., 1970. – 398 с.

3 Иверонова В. И. Физически практикум. – 2-ое изд. – М., 1967.– 323 с.

4 Кортнев А.В и др. Практикум по физике : учебное пособие длявтузов. – М., 1965. – 549 с.

5 Майсова Н.Н Практикум по курсу общей физики : учебноепособие для студентов заоч. втузов и факультетов. – 2-ое изд., перераб.и доп. – М., 1970. – 484 с.

6 Савельев И.В Курс общей физики. – М., 1989. – 368 с. 7 Трофимова Т.И Курс физики : учебное пособие для вузов. –

7-ое изд. – М., 2003. – 588 с.

29

Мазмұны

Кіріспе..............................................................................................

3

1 Зертханалық жұмыс № 61 Дифракциялық тордың көмегіменжарық толқынының ұзындығынанықтау.....................................

4

2 Зертханалық жұмыс № 65 Малюс заңын тексеру........................ 103 Зертханалық жұмыс № 68 Вакуумдық фотоэлементті зерттеу.. 144 Зертханалық жұмыс № 69Стефан-Больцман тұрақтысын

анықтау.............................................................................................

19

Әдебиеттер.......................................................................................

26

30

31