Определение мощности источника тока. Гудилов_Физ_практ_Ч_2_2008(1). Физический практикум
 Скачать 1.62 Mb.
|
|
(избирательно). Это означает, что поглощение велико (большие значения показателя поглощения ) лишь в окрестности резонансных частот, то есть частот, близких к частотам собственных колебаний электронов в атомах и атомов в молекулах. Вне областей резонансного поглощения заметного ослабления излучения нет. Наличие собственных частот обусловливает возникновение окраски тел в результате селективного поглощения света вблизи резонансных частот 0 i Если частота 0 i находится в ультрафиолетовой области, то в видимом диапазоне спектра нет селективного поглощения света, и вещество является почти бесцветным и прозрачным. Например, у стекла 0 i лежит в ультрафиолетовой области сравнительно близко к границе видимого спектра. Благодаря этому оно прозрачно и сильно поглощает ультрафиолетовые лучи. Когда собственные частоты 0 i попадают в видимый диапазон спектра, соответствующие участки видимого диапазона спектра поглощаются и вещество оказывается окрашенным. Так, окраска фиолетовых чернил в сосуде возникает в результате того, что при прохождении белого света через их толщину поглощается желтоватая часть спектра. Резонансные частоты определяются массами и силами взаимодействия между частицами, из которых состоит вещество (электронами, атомами, молекулами). Поэтому очевидно, что спектр поглощения является источником информации о физико-химической структуре вещества (его агрегатном состоянии, составе и строении). Например, одноатомные разреженные газы или пары металлов при невысоком давлении, представляющие собой совокупность атомов, расположенных на значительном расстоянии друг от друга, имеют линейчатый спектр. Это означает, что показатель поглощения почти для всех длин волн очень мал (близок к нулю) и лишь в очень узких спектральных областях, шириной в несколько сотых или тысячных нанометра, имеет резкие максимумы. По мере усложнения химического состава и физической структуры вещества число резонансных частот увеличивается, вследствие этого меняется вид спектра. Например, разреженный молекулярный газ имеет полосатый спектр поглощения. Твердые тела и жидкости имеют сплошной спектр с широкими полосами поглощения. Качественно это можно объяснить тем, что энергия, переданная одной частице, быстро передается всему коллективу частиц из-за сильного взаимодействия между ними. Проводники, обладающие высокой концентрацией свободных электронов, сильно поглощают свет почти во всех частях спектра, поэтому они непрозрачны. Это поглощение связано с тем, что вынужденные колебания большой амплитуды свободные электроны могут совершать при любой частоте. Поглощение света проводником будет тем сильнее, чем выше концентрация свободных электронов, то есть чем выше его проводимость. В лабораторной практике измеряют две характеристики поглощения света: коэффициент пропускания и оптическую плотность вещества D: 0 10 D I I , (20.27) откуда 1 lg D kCl (20.28) Из формул (20.24), (20.27), (20.28) следует, что показатель поглощения может быть вычислен по измеренным и D с помощью выражений 0 1 1 1 ln ln I x I x ,(20.29) или 2,3 D x . (20.30) В данной работе и D измеряют с помощью визуально фотоэлектрического фотометра для двух окрашенных стекол в зависимости от длины волны проходящего света. По формулам (20.29) и (20.30) вычисляют и строят кривые зависимостей 20.3. Описание лабораторной установки Для измерения коэффициентов пропускания и оптической плотности твердых и жидких прозрачных (нерассеивающих) тел предназначен визуально-фотоэлектрический фотометр ФМ-58. В основу устройства прибора положен принцип уравнивания двух световых потоков путем изменения интенсивности одного из них с помощью диафрагмы с переменным отверстием. Оптическая схема прибора представлена на рис. 20.3. Рис. 20.3. Оптическая схема лабораторной установки Свет от лампы 1 попадает на два плоских зеркала 2, отражается от них и, пройдя конденсоры 3 с матовыми рассеивателями 4, выходит двумя параллельными пучками лучей. Пучки проходят через измерительные диафрагмы 5, объективы 6 и ромбические призмы 7. Далее,при визуальном способе измерения, пучки лучей проходят через один из фильтров 9, бипризму 10, окуляр 11 и попадают в глаз наблюдателя. Если измерения проводят фотоэлектрическим способом, то после призмы 7 на пути световых пучков ставится призма 8, которая отклоняет пучки лучей в сторону зеркал 12. Отразившись от них, свет попадает на фотоэлементы 13. Бипризма 10 и призма 8 преобразуют пучки лучей так, что световой пучок от правого зеркала 2 попадает в левую часть поля или левый фотоэлемент 13, а от левого – в правую часть соответственно. В корпусе 14 фотоэлектрической головки (рис. 20.4) расположены оптические детали (объективы, призмы), фотоэлементы и механизмы диафрагм. Барабаны 15, с помощью которых можно регулировать степень раскрытия измерительных диафрагм, вынесены по обеим сторонам корпуса. Для введения или выведения призмы 8 (рис. 20.3) служит рукоятка 16 (рис. 20.4). Светофильтры 9 (рис. 20.3) расположены на револьверном диске. Выбор нужного фильтра осуществляется поворотом диска с помощью рукоятки 17 (рис. 20.4). Фотоэлектрическое равновесие регистрируется нуль- гальванометром 18, который включается тумблером 19. Рис. 20.4. Внешний вид лабораторной установки 20.4. Методика проведения эксперимента Если на пути одного из одинаковых пучков лучей в фотометре поместить исследуемое окрашенное стекло, то вследствие поглощения света образцом на один из фотоэлементов 13 (рис. 20.3) будет падать меньший световой поток. Сила фототока этого фотоэлемента уменьшится, нарушится фотоэлектрическое равновесие, и стрелка гальванометра отклонится от нуля. Нарушенное равновесие можно восстановить, если вращением барабана 15 в другом пучке лучей изменить соответствующим образом площадь отверстия диафрагмы 5. Шкалы измерительных барабанов 15, изменяющих площадь диафрагм, проградуированы по двум величинам: по коэффициенту пропускания (черная шкала) и по оптической плотности (красная шкала). Показания снимаются с того барабана 15, которым восстанавливалось фотоэлектрическое равновесие. При визуальном способе фотометрических измерений в поле зрения окуляра 11 в случае равенства световых потоков в каналах видны два полукруга одинаковой освещенности. При введении в один из каналов окрашенного стекла противоположный полукруг будет иметь меньшую освещенность. Одинаковой освещенности добиваются вращением барабана 15 в канале, где нет образца, и по его шкалам снимают отсчеты. Измерения проводятся для двух образцов с использованием шести разных светофильтров. Вычисляются показатели поглощения образцов для всех длин волн света, строятся графики их зависимостей. 20.5. Порядок выполнения работы При фотоэлектрической регистрации 1. Включите тумблеры 20 и 21 (рис. 20.4) и дайте прибору прогреться в течение 15 минут. 2. Установите рукояткой 17 светофильтр 1. Поставьте переключатель 16 в горизонтальное положение («выключено» – фотоэлементы закрыты). Включите гальванометр тумблером 19 и рукояткой 23 установите стрелку гальванометра на нуль (темновые токи фотоэлементов при этом будут выровнены). Не путайте рукоятку 23 (находится на задней стороне прибора) с рукояткой чувствительности 24. Потенциометр чувствительности должен находиться в среднем положении и при необходимости регулируется лаборантом или преподавателем. 3. Установите барабаны 15 на деления 100 по черной шкале. Наблюдая через окуляр 11 освещенные полукруги, добейтесь с помощью осторожных небольших поворотов зеркала 25 равенства освещенностей полукругов (то есть равенства световых потоков в двух каналах). Рекомендуется визуально отрегулировать освещенность отверстий предметного столика. Положите на столик фотометра белый лист бумаги и осторожным поворотом зеркала 25 получите два одинаковых и равномерно освещенных круга на бумаге. 4. Установите рукоятку 16 в вертикальное положение («включено» – фотоэлементы открыты). Если стрелка гальванометра сместилась с нуля, то приведите ее на нуль поворотом одного из барабанов 15, другой барабан должен оставаться на делении 100 (это положение будет отвечать равенству фототоков фотоэлементов при пустых каналах). 5. Установите исследуемый образец на предметный столик 22 в тот канал, в котором барабан 15 поворачивали для выравнивания световых потоков. Отклонившуюся от нуля стрелку гальванометра приведите на нуль барабаном 15 другого канала (где было деление 100) и снимите отсчет коэффициента пропускания (в процентах) по черной шкале и оптической плотности D по красной шкале этого барабана. 6. Измерения по п. 4 и 5 проведите со светофильтрами от 1 до 6, переключая их поворотом рукоятки 17 до соответствующего фиксированного положения (эффективные длины волн светофильтров указаны на лабораторном столе). 7. Измерения по п. 4–6 повторите и получите и D 8. Аналогичные измерения (п. 4–7) проведите для второго исследуемого образца. 9. Результаты измерений, эффективные длины волн светофильтров и толщины исследуемых образцов запишите в табл. 20.1. При визуальных фотометрических измерениях 20.5.1. Проведите операции по п. 1–3 так же, как при фотоэлектрической регистрации. 20.5.2. Поместите на предметный столик 22 исследуемый образец так, чтобы полностью перекрыть левое отверстие. При этом в поле зрения окуляра будут видны два полукруга различной освещенности. 20.5.3. Вращением правого барабана 15 добейтесь одинаковой освещенности полукругов. 20.5.4. По шкале правого барабана снимите отсчеты коэффициента пропускания в процентах (черная шкала) и оптической плотности D (красная шкала). 20.5.5. Уберите образец со стола и верните барабан 15 на деление 100 по черной шкале. 20.5.6. Установите образец в правый канал и вращением левого барабана добейтесь одинаковой освещенности полукругов в поле зрения окуляра. Снимите по шкалам левого барабана отсчеты и D 20.5.7. Вводя поочередно все светофильтры, проведите таким же образом измерения, как для светофильтра 1. 20.5.8. Проведите аналогичные измерения со вторым образцом. 20.5.9. Результаты измерений, эффективные длины волн светофильтров и толщины исследуемых образцов запишите в табл. 20.1. 20.6. Обработка результатов измерений 20.6.1. Для исследуемых образцов вычислите средние значения и D для каждой эффективной длины волны 20.6.2. По средним значениям D по формуле (20.30) вычислите для каждой длины волны. 20.6.3. По результатам измерений постройте графики зависимостей ( ) и для каждого из исследуемых образцов. Сравните полученные спектры поглощения двух образцов и сделайте вывод о характере их поглощения. Таблица 20.1 Результаты измерений коэффициента пропускания, оптической плотности и вычисления показателя поглощения Обра- зец Тол- щина Эффективная длина волны Коэффициент пропускания, % Оптическая плотность Показатель поглощения Х, м фильтр , нм D D D , м -1 1 1 … 6 2 1 … 6 20.7. Контрольные вопросы 1. Что называется коэффициентом преломления? 2. Какое явление называется дисперсией света? В каком случае дисперсия называется нормальной, а в каком – аномальной? 3. Какое явление называется поглощением света? 4. Объясните дисперсию и поглощение света с точки зрения классической электронной теории. Получите зависимость показателя преломления от частоты. 5. Запишите уравнение плоской монохроматической волны, распространяющейся в среде, не поглощающей энергию, и в среде, поглощающей энергию. Объясните различие. 6. Почему кривые поглощения и пропускания имеют резонансный характер? 7. Сформулируйте закон Бугера. В чем физический смысл показателя поглощения? 8. Какова связь между коэффициентом пропускания и оптической плотностью вещества? 9. Какую роль в окраске прозрачных тел играют явления пропускания и поглощения света? 10. Каково устройство и принцип действия фотометра? Рекомендуемая литература 58. Савельев, И. В. Курс общей физики. В 3 т.: учеб. пособие для вузов / И. В. Савельев. – М.: Наука, 1982. – Т. 2. – § 142, 144, 145. 59. Детлаф, А. А. Курс физики: учеб. пособие для вузов / А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. – М.: Высш. шк., 1989. – § 33.1–33.5. 60. Ландсберг, Г. С. Оптика: учеб. пособие для вузов/ Г. С. Ландсберг. – М.: Просвещение, 1977. – § 154–57. 61. Сивухин, Д. В. Оптика: учеб. пособие / Д. В. Сивухин. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1985. – § 84. 21. Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 220 ИЗУЧЕНИЕ ПОГЛОЩЕНИЯ СВЕТА В ЖИДКОСТЯХ С ПОМОЩЬЮ ФОТОЭЛЕКТРОКОЛОРИМЕТРА 21.1. Цель работы Изучение законов поглощения света и определение концентрации разбавленного окрашенного раствора с помощью фотоэлектроколориметра. 21.2. Теоретические сведения Основные теоретические сведения о дисперсии и поглощении света, необходимые для понимания данной работы, подробно изложены в теоретической части к лабораторной работе № 219 "Изучение поглощения света в окрашенных стеклах", в отличие от которой, в данной работе исследуется раствор поглощающего вещества в жидкости (воде). Рассмотрим, как сам растворитель поглощает свет. Вода состоит из полярных молекул, а для веществ с полярными молекулами, в основном для жидкостей, существует другой, не электронный, механизм дисперсии. Теория этого процесса была разработана Дебаем. Полярные молекулы обладают постоянным дипольным моментом, который, как правило, значительно превышает индуцированный внешним электрическим полем. В отсутствие поля, из-за теплового движения эти дипольные моменты направлены хаотически. Наложенное внешнее электрическое поле стремится ориентировать дипольные моменты молекул вдоль поля, причем эта ориентация постоянно нарушается из-за теплового движения. В результате в среде возникает электрическая поляризация. Если электрическое поле меняется с некоторой частотой , то с той же частотой будет меняться эта ориентационная поляризация. Амплитуды вынужденных вращений полярных молекул зависят от частоты приложенного поля. С этим связана дисперсия вращательной части диэлектрической проницаемости и показателя преломления n . В полях низких частот молекулы успевают установиться по полю, поэтому величина практически не зависит от частоты и совпадает со значением, измеренным в статическом поле. Так, для воды =81, 9 n При очень высоких частотах (в оптическом диапазоне) дипольные молекулы не успевают заметно поворачиваться, поэтому нет вращательной части диэлектрической проницаемости и показателя преломления n, вещество ведет себя как обычный диэлектрик с электронным типом поляризации. Очевидно, что значение диэлектрической проницаемости здесь мало, так для воды =1,75 и n=1,33. Следовательно, должна существовать область частот, в которой диэлектрическая проницаемость и показатель преломления сильно уменьшаются при увеличении частоты. Но тогда это область аномальной дисперсии, в которой имеется высокое поглощение электромагнитных волн. Для большинства жидкостей с полярными молекулами (и воды) эта область лежит в сантиметровом диапазоне длин волн. При дальнейшем увеличении частоты дисперсия становится нормальной, за исключением узкой области частот, в инфракрасном диапазоне, соответствующей частотам собственных колебаний ионов. Во всем световом диапазоне дисперсия остается нормальной, а поглощения света практически нет, так как имеются колебания только связанных оптических электронов, резонансные частоты которых лежат в ультрафиолетовой области. В ультрафиолетовой области, соответственно, также наблюдаются аномальная дисперсия и сильное поглощение электромагнитного излучения. Когда свет поглощается молекулами вещества, растворенного в практически не поглощающем растворителе, поглощение будет тем больше, чем больше поглощающих молекул свет встретит на своем пути. Поэтому для разбавленных растворов, в которых взаимодействие молекул растворенного вещества мало, показатель поглощения оказывается пропорциональным числу поглощающих молекул на единицу длины пути световой волны, то есть пропорционален концентрации растворенного вещества (закон Бера): =kC, (21.1) где k – коэффициент концентрации растворенного вещества, не зависящий от концентрации молекул поглощающего вещества. Закон Бугера – Ламберта – Бера, записанный через основание десятичного логарифма, с учетом концентрации вещества имеет вид: 0 10 kCl I I . (21.2) В лабораторной практике измеряют две характеристики поглощения света: коэффициент пропускания и оптическую плотность вещества D, которые связаны соотношением D I I 10 0 , (21.3) откуда 1 lg D kCl , (21.4) где С – концентрация растворенного вещества. Из соотношения (21.4) видно, что оптическая плотность вещества D для разбавленных растворов так же, как и коэффициент поглощения , пропорциональна концентрации С. На основе закона Бугера – Ламберта – Бера разработан ряд фотометрических методов по определению концентрации вещества в окрашенном растворе (концентрационная колориметрия). В этих методах непосредственно измеряют световые потоки, проходящие через раствор, коэффициент пропускания или оптическую плотность.В данной работе измеряется оптическая плотность нескольких разбавленных окрашенных растворов с известной концентрацией С, строится график зависимости оптической плотности от концентрации. По полученному графику определяется концентрация раствора с неизвестным содержанием вещества. |