fizica laborator

UNIVERSITATEA TEHNICA DE CONSTRUCTII BUCURESTI

Facultatea de Utilaj Tehnologic

Lucrare de laborator la fizica

Tema: Determinarea sarcinii specifice a

electronului

A efectuat: Ionut Dan Florin

2015

Determinarea sarcinii specifice a electronului

Despre lucrare : oportunitate şi scop

Electronii sunt particule fundamentale care intră în componenţa atomilor. Electronii au sarcină electrică negativă şi masă. Evidenţierea electronului ca particular subatomică a fost făcută în 1897 de J.J. Thomson la Laboratorul Cavendish, la Universitatea Cambridge, în timp ce studia tuburile cu rază catodică.

În această lucrare se determină sarcina specific a electronului studiind traiectoria Urmată de un fascicul de electroni în câmpuri electrice şi magnetice perpendiculare între ele.

Tensiunea electrică între două puncte ale unui câmp electric este definite ca lucrul mecanic efectuat de forţa electrică la deplasarea unităţii de sarcină între cele două puncte :

unde U este tensiunea, q sarcina electrică şi L lucrul mecanic. Accelerând din repaus un purtător de sarcină în câmp electric, lucrul mecanic al forţei electrice se regăseşte în energia cinetică a purtătorului de sarcină:

unde v este viteza finală a purtătorului de sarcină, iar m este masa acestuia. Raportul q/m se numeşte sarcină specifică şi se măsoară în C/kg.

Forţa Lorentz este forţa care acţionează asupra unui purtător de sarcină care se deplasează într-un câmp magnetic

unde f este forţa, q sarcina purtătorului, v viteza acestuia, iar B inducţia câmpului magnetic. Direcţia forţei Lorentz este perpendicular pe planul format de vectorii viteză şi inducţie. Dacă viteza de deplasare a purtătorului de sarcină este perpendicular pe direcţia liniilor câmpului magnetic şi pentru că forţa Lorentz este perpendicular pe viteză, rezultă că aceasta are rol de forţă centripetă şi determină mişcarea circular uniform a purtătorului de sarcină:

unde r este raza traiectoriei circulare a purtătorului de sarcină.

Principiul Metodei

Ne propunem să determinăm experimental valoarea sarcinii specifice a electronului. Pentru aceasta avem nevoie de o sursă de electroni liberi, de un câmp electric în care aceştia să fie acceleraţi şi de un câmp magnetic uniform în care electronii să descrie o traiectorie circulară. Măsurând raza traiectoriei circulare, putem, în cele din urmă, calcula sarcina specifică.

Tunul de electroni este un filament incandescent, alimentat la o tensiune alternativăde 6,3 V, care eliberează electroni prin efect termoelectric. Câmpul electric necesar pentru accelerarea fascicolului de electroni ia naştere între catod, grilă şi anod, între care există tensiuni electrice reglabile cu ajutorul unor potenţiometre. Totodată, acest aranjament realizează şi colimarea fascicolului electronic.

Câmpul magnetic, practice uniform, este obţinut cu ajutorul a două bobine Helmholtz, plasate în exteriorul tubului ce conţine un gaz rarefiat şi care cuprinde elementele menţionate anterior.

În interiorul tubului se află o scăriţ ăsubţire, acoperită cu o substanţă fluorescentă, care permite vizualizarea punctului în care electronii o ating, sub forma unui spot luminos. Scăriţa este astfel plasată încât punctele luminoase pot evidenţia traiectorii cu razele de 2, 3, 4, 5 cm.

În întuneric, gazul din tub este luminiscent în punctele prin care trece fascicolul de electroni.

Inducţia câmpului magnetic generat de bobinele Helmholtz poate fi calculate cu relaţia :

Viteza electronilor din fascicul depinde de tensiunea de accelerare

Înlocuind în expresia razei traiectoriei circulare în câmp magnetic, obţinem :

De aici, se poate calcula sarcina specific astfel :

Aparatura

1. Multimetru

2. Tub electronic

3. Bobine Helmholtz

4. Surse de tensiune continua

Modul de lucru

Se fixează tensiunea de accelerare a electronilor la o anumită valoare, de exemplu la 180V. Apoi, se modifică intensitatea curentului electric din bobine, deci câmpul magnetic, până când

fasciculul de electroni intersectează pe rând scăriţa fosforescenta la distantele prestabilite Se notează valorile intensităţii curentului pentru fiecare rază de curbură. Apoi, se variază tensiunea de accelerare la o altă valoare şi se repeat procedeul de mai sus. Se fac 10 măsuratori pentru fiecare rază prestabilită. Se calculează sarcina specifica pentru fiecare măsurătoare cu relaţia :

şi apoi se calculează media aritmetică.

Se trasează graficul şi se evaluează sarcina specifică şi din grafic (graficul ar trebui să fie o linie dreaptă, panta acestei drepte fiind direct proporţională cu sarcina specifică).

Rezultate




Tema: Studiul difracţiei radiaţiei laser pe

reţele de difracţie


2015

Studiul difracţiei radiaţiei laser pe reţele de difracţieDespre lucrare : oportunitate şi scop Obiectivul lucrării este completarea cunoştinţelor acumulate la curs cu privire la procesele de interacţiune dintre radiaţie şi substanţă, laseri şi fenomenul de difracţie a luminii. Scopul experimental este măsurarea constantei reţelei k pentru mai multe reţele de difracţie. În anul 1900, Max Planck făcea o ipotezăr evoluţionară referitoare la cuantificarea energiei oscilatorului armonic. Mai târziu, în 1905, Albert Einstein a preluat această ipoteză şi a extins-o la câmpul electromagnetic, introducând astfel în fizică noţiunea de foton, ca fiind cuanta câmpului electromagnetic. Einstein considera astfel că energia câmpului electromagnetic poate fi absorbită sau emisă numai sub formă de cuante, „porţii” discrete se energie. Într-un articol publicat în anul 1917, Einstein expune teoria interacţiunii dintre radiaţia electromagnetică şi substanţă, evidenţiind trei procese fundamentale : absorbţia de radiaţie, emisia spontană şi emisia stimulată. Considerăm un sistem cuantic oarecare, cu douănivele energetice E1 şi E2. Fie N1 şi N2 populaţiile corespunzătoare, adică numărul de atomi din unitatea de volum, de pe fiecare nivel energetic. În figură sunt reprezentate cele trei procese explicate de Einstein pe baza teoriei cuantice a câmpului electromagnetic.

Conform teoriei lui Bohr, dacă un atom care se află pe o stare staţionară(de exemplu, pe nivelul 1) primeşte energie din exterior, el va face o tranziţie (salt) pe nivelul energetic 2, dacă energia primită din exterior este egală exact cu diferenţa energiilor celor două niveluri E2– E1(a). Dacă nivelul E1este nivelul inferior, E2 este un nivel excitat, pe care atomul poate să rămână un timp foarte scurt, circa 10-8–10-9 s, după care se dezexcită spontan, revenind pe nivelul fundamental după emisia unui foton de energie : (b). Dacă înainte ca atomul de pe nivelul 2 să se dezexcite spontan, el este stimulat din exterior de către un foton de energie să se dezexcite mai repede, atunci, în urma acestui proces indus, atomul va reveni pe nivelul inferior mai repede şi va fi părăsit de doi fotoni coerenţi de energie . În schema de mai sus sunt exprimate matematic probabilităţile proceselor respective. Coeficienţii de proporţionalitate B12, A21 şi B21se numesc coeficienţi Einstein şi descriu procesele de absorbţie de radiaţie, emisie spontană şi, respectiv, de emisie stimulate. Pornind de la teoria elaborate de Einstein s-a născut un nou şi extrem de dinamic domeniu de cercetare teoretică şi aplicativă– fizica laserilor. Laserul (acronimul de la Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation) este un dispozitiv în care se obţine emisia stimulată şi amplificarea radiaţiei.

Obţinerea radiaţiei laser este condiţionată de : realizarea unei inversii de populaţie între anumite nivele energetice, inducerea emisiei stimulate, amplificarea radiaţiei.

Orice tip de laser are trei componente esenţiale : 1. mediu activ (solid, gazos sau lichid), în care se realizează toate procesele menţionate mai sus, 2. sistem de pompaj (optic, prin ciocniri electronice, electric, chimic) care asigură inversia de

populaţie, 3. cavitate rezonantă, adica un sistem de două oglinzi, una perfect reflectătoare, iar cealaltă parţial

reflectătoare. Radiaţia laser este un tip special de radiaţie caracterizată prin :1) Coerenţă Sursele de radiaţie electromagnetică(lumină) sunt constituite din atomi care vibreaa ca nişte mici oscilatori liniari (microantene), având direcţiile de vibraţie orientate absolut haotic şi emiţând radiaţie electromagnetică după toate direcţiile. Atomii emit trenuri de undă cu durată foarte mică, aproximativ 10^(-15)–10^(-16)s. Fazele iniţiale ale acestor trenuri de undă sunt complet aleatoare şi nu există nicio corelaţie între ele. O astfel de radiaţie emisă se numeşte incoerentă. Dac ăse obţine, printr-o metodă oarecare, ca direcţiile de vibraţie ale atomilor şi fazele lor iniţiale să coincidă, atunci radiaţia obţinută ar fi total coerentă şi trenurile de undă ar fi perfect corelate. În realitate, însă, nu există lumină total coerentă, ci numai lumină parţial coerentă, adică lumină pentru care între trenurile de undă există o anumită corelaţie. Prin natura proceselor care se produc în mediul activ, laserul este singura sursă de radiaţie coerentă.2) Directivitate Se referă la divergenţa mic ăa fasciculului laser. De exemplu, dacă am îndrepta fasciculul de la un proiector obişnuit spre Lună, diametrul zonei luminoase descrisă pe suprafaţa ei ar fi de circa 10.000 km; dacă, în aceleaşi condiţii, am trimite pe Lună un fascicul laser, pata luminoasă ar fi de circa 1 km!3) Monocromaticitate Emisia laser este caracterizată de o singură culoare (lungime de undă), în funcţie de natura mediului activ. Se ştie că lărgimea spectrală a unei surse comune de lumină este aproximativ 1000 MHz. Lărgimea spectrală a radiaţiei laser este de maximum 20Hz ! 4) Intensitate mare De exemplu, intensitatea radiaţiei laser de la un laser cu rubin în impulsuri poate fi de 109 ori mai mare decât cea data de o suprafaţă echivalentă a Soarelui. În această lucrare se va studia fenomenul de difracţie pe o reţea plană de difracţie cu radiaţia laser provenită de la un laser He–Ne, cu mediu activ gazos (un amestec de heliu şi neon).

Principiul Metodei O reţea plană de difracţie este un sistem de foarte multe fante paralele, de aceeaşi lărgime şi aflate la distanţe egale. Pe reţea trebuie să cadă n fascicul paralel de raze de lumină monocromatică. În acest sens, fascicolul laser este cea mai bună alegere care se poate face, graţie proprietăţilor fasciculului laser (coerenţă, monocromaticitate şi direcţionalitate). Fiecare fantă dă naştere unui fascicul difractat. Aceste fascicule interfere apoi unul cu altul şi produc figura finală de difracţie. O lentilă(L) aflată în faţa reţelei (R) formează în planul ei focal o figură de difracţie (maxime şi minime de intensitate luminoasă), care poate fi vizualizată pe un ecran (E).Se ştie din liceu că formula reţelei de difracţie la incidentă Normala este :

unde a este constanta reţelei, alfa este unghiul de difracţie, m este ordinul maximului de difracţie şi λ este lungimea de undă a radiaţiei incidente pe reţea. În practică, se foloseşte mai des constanta k= 1/a care reprezinta numărul de trăsături pe unitatea de lungime.

unde x este poziţia maximului de ordin m faţăde maximul central de ordin zero şi feste distanţa focală a lentilei proiectoare. Această relaţie este valabilă pentru unghiuri mici. Pentru unghiuri mari de difracţie (ca în cazul acestei lucrări) :

Scopul acestei lucrări este de a determina constantele k pentru diferite reţele de difracţie, folosind radiaţia laser. În acest caz, datorită coerenţei, monocromaticităţii şi, mai ales, divergenţei foarte mici a fasciculului laser, măsurătoarea se poate face pe un banc optic fără a folosi lentila proiectoare. Figura de difracţie se formează direct pe un ecran, a cărui poziţie poate fi oriunde în spatele reţelei. În acest caz, formula de calcul este :

unde D este distanţa dintre planul în care este plasată reţeaua de difracţie şi ecran.

Rezultă că numărul maximelor principale care pot fi observate este limitat :

AparaturaMontajul experimental este alcătuit dintr-un banc optic pecare sunt aliniate următoarele elemente : 1. laser He-Ne (putere 1 mW), 2. reţea de difracţie 3. ecran de observaţie.

Modul de lucruSe pune laserul în funcţiune numai în prezenţa cadrului didactic.

1. Se plasează reţeaua de difracţie pe suportul special astfel încât să fie perpendicular pe direcţia fasciculului laser.

2. Se măsoară pe ecran poziţiile maximelor de difracţie (numărul de maxime este diferit de la reţea la reţea şi depinde de constanta reţelei).

3. Se măsoară distanţa D dintre reţea şi ecran, care se poate menţine aceeaşi în cursul experimentului sau poate fi modificată.

4. Se completează tabelul de date şi se calculează valorile medii

Rezultate




Tema: Studiul efectului fotoelectric,

constanta lui Planck


2015

Studiul efectului fotoelectric, constanta lui Planck


Efectul fotoelectric, explicat cu ajutorul ipotezei corpusculare a luminii (Einstein, 1905), pune în evidenţă o altă natură a luminii diferită de cea ondulatorie (parţial asemănătoare undelor mecanice). Conform modelului corpuscular lumina se emite sub formă de „pachete” de energie (cuante). Energia unei cuante de lumină(foton) este direct proporţională cu frecvenţa luminii. Constanta de proporţionalitate se numeşte constanta lui Planck. Scopul lucrării de faţă este măsurarea experimentală a constantei lui Planck.

GENERALITATI

Studiul radiaţiei termice (radiaţie electromagnetică emisă sau absorbită de toate corpurile din natură) a relevat faptul că, la nivel atomic, emisia sau absorbţia energiei se fac cu „porţia”, în cantităţi bine determinate pentru fiecare tip de atom. O asemenea „porţie” de energie se numeşte cuantă de energie. Mai mult, propagarea radiaţiei electromagnetice se face tot în „pachete” de energie, sub formă de fotoni. Fotonii Se comporta ca particule, fiind caracterizaţi prin energia şi impulsul lor.

Relaţiile lui Planck

Există o legătură între caracteristicile ondulatorii ale luminii (frecvenţa şi lungimea de undă ) şi cele ale fotonilor corespunzători (energia şi impulsul p). Această legătură este exprimată matematic prin cele două relaţii ale lui Planck :

unde h este constanta lui Planck.

Efectul fotoelectric

Efectul fotoelectric extern constă în emisia de electroni de către un metal iradiat cu lumină. Dispozitivul experimental cu ajutorul căruia se poate pune în evidenţă efectul fotoelectric extern are următoarea alcătuire :

1. un tub de descărcare vidat care conţine doi electrozi şi este prevăzut cu o fereastră transparentă prin care poate fi luminat catodul

2. un montaj electric care cuprinde o sursă de curent electric continuu şi un reostat, permiţând aplicarea unei tensiuni variabile la bornele tubului

3. un voltmetru pentru măsurarea tensiunii la bornele tubului şi un miliampermetru pentru măsurarea intensităţii curentului din tub

Experienţele efectuate cu lumină monocromatică au arătat că dacă efectul fotoelectric se produce, la tensiuni pozitive mari aplicate tubului curentul electric din circuit nu poate depăşi o anumită valoare, denumită curent de saturaţie. Pe de altă parte, la aplicarea unei tensiuni

negative, se poate obţine anularea curentului dacă tensiunea depăşeşte o anumită valoare, numită tensiune de frânare sau tensiune de stopare.

Trecerea curentului electric prin tub este dovada direct a faptului că electrodul iluminat emite electroni (când catodul nu este luminat curentul electric prin tub este nul indiferent de tensiunea aplicată).

Legile experimentale ale efectului fotoelectric pot fi formulate după cum urmează:

I. Dacă efectul fotoelectric se produce, atunci intensitatea curentului de saturaţie este proporţională cu fluxul de lumină monocromatică incident pe catod.

II. Pentru ca efectul fotoelectric să apară este necesar ca frecvenţa luminii monocromatice folosite să fie superioară unei anumite valori, denumită frecvenţă de prag. Valoarea frecvenţei de prag depinde de natura materialului din care este confecţionat catodul.

III. Tensiunea de frânare este direct proporţională cu frecvenţa luminii monocromatice folosite, dacă aceasta este superioară frecvenţei de prag.

IV. Emisia electronilor are loc practic simultan cu iluminarea catodului, dacă frecvenţa luminii este superioară frecvenţei de prag.

Legile II şi III sunt reprezentate în graficul de mai sus şi pot fi puse sub forma matematică

Valoarea constantei nu depinde de natura catodului, fiind egală cu constanta lui

Constanta de material Lext se numeşte lucru mecanic de extracţie deoarece, dimensional, are semnificaţia de energie. Se observă căf recvenţa de prag depinde de lucrul mecanic de extracţie conform relaţiei:

Explicarea theoretică a legilor efectului fotoelectric îi aparţine lui Einstein. Conform celor

afirmate de Einstein, termenul reprezintă energia unui foton. Acest foton suferă o ciocnire plastic cu un electron al unui atom al materialului catodului. Fotonul este absorbit, iar în urma interacţiunii electronul se separă de atomul din care făcea parte şi poate părăsi materialul. Consumul de energie pentru smulgerea electronului din atom şi ieşirea din material este măsurat de lucrul mecanic de extracţie. Restul energiei dobândite de electron se regăseşte ca energie cinetică a acestuia. În lumina acestor afirmaţii, legea conservării

Explicarea legilor efectului fotoelectric devine în acest moment extrem de facilă:

I. Cu cât intensitatea luminii este mai mare, cu atât numărul fotonilor incidenţi este mai mare şi deci numărul de ciocniri şi cel de electroni eliberaţi creşte.

II. Dacă energia fotonului nu este suficientă pentru a scoate electronul din material, este evident că efectul fotoelectric nu se poate produce. De asemenea este evident că energia minima necesară fotonilor depinde de natura materialului catodului.

III. Conform teoremei variaţiei energiei cinetice, lucrul mecanic al forţelor electrice care acţionează asupra electronului aflat în interiorul tubului este o măsură a variaţiei energiei sale cinetice. Curentul se anulează atunci când se anulează şi energia cinetică a electronilor

IV. Interacţiunea foton-electron este un fenomen de foarte scurtă durată, ceea ce impreună cu observaţia că viteza dobândită de electron are o valoare foarte mare, este în acord cu faptul că decalajul de timp între începerea iluminării catodului şi apariţia primilor fotoelectroni este extrem de scurt.Celula fotoelectrică Aceasta este un balon din sticlă vidat, pe peretele căruia s-a depus un strat de metal alcalin (catodul).Balonul mai conţine un anod care este menţinut la un potenţial pozitiv faţă de catod prin conectarea la o sursă de tensiune.

PRINCIPIUL METODEI

APARATURA

1. Cutie cu apertură şi obturator conţinând celulă fotoelectrică;

2. Cutie cu apertură şi filtru monocromatic conţinând lampă spectrală cu mercur ca sursa de radiaţie monocromatică;

3. Amplificator;

4. Multimetru pentru măsurarea tensiunii de frânare;

5. Sursăde alimentare a lămpii spectrale.

MODUL DE LUCRU

Se realizează montajul din figura alăturată. Contactul K este închis.

Se pune în dreptul aperturii de ieşire a lămpii cu mercur filtrul albastru (lungimea de undă).Tensiunea de ieşire din amplificator (bornele 3,4) va fi nulă.

Se deschide contactul K. Sub acţiunea radiaţiei monocromatice de lungime de undă,fotoelectronii se vor acumula pe anod. Separarea de sarcinăva continua până când tensiunea între catodul şi anodul fotocelulei va atinge o valoare maximă care va fi chiar valoarea de tensiune de frânare. În consecinţă, tensiunea maximă U1 indicată de voltmetru, corespunzătoare lungimii de undă (LAMBDA 1)va fi tensiunea de frânare. Rolul amplificatorului in acest caz este de a împiedica influenţarea de către voltmetru a măsurătorilor, dat fiind faptul căîn funcţionarea acestuia este inevitabilă traversarea acestuia de un mic curent(are rezistenta internă mare dar nu infinită).

Identic se vor determina tensiunile de frânare U2 şi U3corespunzătoare radiaţiilor monocromatice de lungimi de undă lambda 2 şi, respectiv lambda 3.

REZULTATE




Tema: Etalonarea scalei spectroscopului

şi studiul spectrelor de emisie


2015

Etalonarea scalei spectroscopului şi studiul spectrelor de emisie


Dezexcitarea atomilor are ca rezultat emisia de lumină. Caracteristicile luminii emise pot fi puse în evidenţă cu instrumentul denumit spectroscop. Lucrarea are ca scop familiarizarea cu un spectroscop, cu seriile spectrale de linii şi de bandă, precum şi măsurarea constantei lui Rydberg, constantă importantă în studiul spectrelor atomului de hidrogen şi atomilor hidrogenoizi.

Confirmarea legii lui Rydberg susţine teoria lui Bohr privind atomul de hidrogen.

Generalitati

Atunci când atomilor li se transmite energie în diferite moduri, ei o absorb, trec în stare excitată pentru un timp foarte scurt şi apoi o emit sub formă de unde electromagnetice (lumină). Fiecare atom emite lumină cu un spectru caracteristic. Spectrul reprezintă o succesiune de culori ale luminii emise. Fiecare culoare a luminii este caracterizată cantitativ de frecvenţă sau lungimea de undă. Relaţia dintre frecvenţă şi lungimea de undă este următoarea :

În relaţie, lambda este lungimea de undă,niu este frecvenţa, iar c este viteza luminii. Cel mai simplu atom, hidrogenul, a fost studiat pentru prima dată, din punct de vedere al spectrului, de Balmer (1885), care a stabilit o formula empirică de determinare a seriilor spectrale :

Cele patru linii ale seriei Balmer din spectrul vizibil au următoarele lungimi de undă: 410 nm (violet), 434 nm (albastru), 486 nm (verde-albăstrui) şi 656 nm (roşu).

Studiul spectrelor se face cu aparate denumite spectrometer sau spectrografe. Acestea se folosesc, în principal, de două fenomene fizice : dispersia(spectrometrele cu prismă) şi difracţia(spectrometrele cu reţea).

Principiul Metodei

componente. Acest fapt se explică prin aceea că indicele de refracţie al materialului prismei (de obicei sticla) depinde de culoarea luminii.

Proprietatea prismei de a descompune radiaţia luminoasă incidentă în culorile componente poate fi folosită la construcţia spectroscoapelor cu prismă.

Construcţia unui spectroscop cuprinde câteva părţi componente :

1. colimatorul, care are în componenţă o fantă reglabilă(care limitează cantitatea de lumină ce pătrunde în aparat) şi un sistem de lentile care transformă fasciculul luminos incident în fascicul de raze paralele

2. prisma, care este componenta principal a aparatului şi are rolul de a descompune lumina incidentă în culorile component

3. luneta, care este un sistem de lentile ce formează în spatele său imaginea fantei (de fapt vor fi atâtea imagini ale fantei câte culori are lumina incidentă). Totalitatea acestor imagini formează spectrul observat.

4. proiectorul, care are rolul de a adăuga luminii incidente lumina ce provine de la un bec, trece printr-o scăriţă gradată şi formează peste spectrul radiaţiei incidente imaginea scăriţei

Aparatura1. Spectroscop. A – colimator, B – lunetă, C – proiector 2. Tuburi de descărcare cu gaz 3. Lampă cu vapori de mercur 4. Bec

Modul de lucru

se pun în funcţiune tubul de descărcare etalon cu vapori de mercur şi becul proiectorului se aduce fanta colimatorului în dreptul tubului de descărcare se vizează prin lunetă şi se pune imaginea la punct astfel încât liniile spectrale să se vadă distinct

pe fondul întunecat se reglează deschiderea fantei astfe lîncât liniile spectrale să fie suficient de luminoase, dar şi

suficient de subţiri în caz că este necesar se reglează şi poziţionarea becului care luminează proiectorul, astfel încât

imaginea scăriţei gradate să nu fie prea luminoasă se noteazăîn tabelul A) Etalonarea spectroscopului poziţia pe scăriţa gradate a liniilor luminoase

ale spectrului gazului de etalonare, conform culorilor menţionate în tabel se întrerupe alimentarea tubului etalon şi se pune în funcţiune tubul de descărcare cu hidrogen se aduce tubul în dreptul fantei colimatorului fără a deplasa spectroscopul se fac citirile indicate în tabelul B) Măsurarea constantei lui Rydberg se întrerupe alimentarea cu curent electric se trasează curba de etalonare folosind datele din tabelul A) Etalonarea spectroscopului pentru fiecare valoare a diviziunii din tabelul B) Măsurarea constantei lui Rydberg se determină

cu ajutorul curbei de etalonare lungimea de undă corespunzătoare şi se trec în tabel valorile obţinute

se calculează constanta lui Rydberg cu formula

Rezultate




Tema: Studiul radiaţiei termice, măsurarea

constantei Stefan-Boltzmann


2015

Studiul radiaţiei termice, măsurarea constantei Stefan-Boltzmann


Orice substanţă emite radiaţie electromagnetică cu spectru continuu, ale cărei caracteristici depind de temperatura absolute a substanţei. Această radiaţie poartă denumirea de „radiaţie termică”. Noţiunile teoretice despre radiaţia termică sunt prezentate în capitolul de “Transfer de căldură” din cursul de Fizica II.

Scopul lucrării este măsurarea constantei Stefan-Boltzmann, utilizând pirometrul cu dispariţie de filament.

Generalitati

Toate corpurile emit radiaţie termică– adică unde electromagnetice – ca urmare a mişcării de agitaţie termică a moleculelor şi atomilor lor. Distribuţia spectrală a radiaţiei termice emise de un corp depinde de temperatura corpului. De exemplu, la 300 grade C, predominante sunt radiaţiile infraroşii, la 800 grade C, cele vizibile în zona roşie a spectrului, iar la 3000 grade C - temperatura filamentului unui bec cu incandescenţă– radiaţia termică conţine suficient de multe lungimi de undă în vizibil (între 400 nm şi 700 nm), încât lumina emisă apare albă, apropiată ca aspect de lumina emisă de Soare. Una dintre mărimile fizice care caracterizează radiaţia termică este exitanţa energetică Me, definite ca energia radiate în unitatea de timp de unitatea de suprafaţă radianta pe direcţie perpendicular pe acea suprafaţă. Relaţia de definiţie este :

Principiul Metodei Să presupunem că laboratorul în care ne aflăm este o incintă ce conţine radiaţie termică de echilibru. Fie un corp negru plasat în interiorul incintei. Acesta absoarbe în totalitate radiaţia incidentă la suprafaţa sa. În acelaşi timp el emite energie radiantă. Bilanţul energetic al celor două procese se scrie astfel :

Împărţind relaţia prin durata proceselor şi prin aria suprafeţei corpului negru, obţinem

Conform legii Stefan-Boltzmann, dacă notăm cu T temperatura corpului negru, relaţia devine

Pe de altă parte, dacă corpul negru ar fi la echilibru termic cu laboratorul, atunci temperatura sa ar fi egală cu temperatura laboratorului T0, iar bilanţul energetic ar fi nul,

ceea ce înseamnă că dacă corpul negru nu este la echilibru termic cu laboratorul el va pierde sau va câştiga energie radiantă, adică căldură. Conform principiului al doilea al termodinamicii, în absenţa schimbului de lucru mecaniccu exteriorul, suma algebrică dintre căldura primită de un sistem termodinamic şi căldura ce data de acesta egalează variaţia sa de energie internă. Dacă energia internă a sistemului este funcţie doar de temperatura sa absolută, iar aceasta nu variază, atunci căldura primită este egală cu modulul căldurii cedate. Putem face un aranjament experimental astfel încât corpul negru să primească căldură prin efect Joule şi s-o cedeze sub formă de radiaţie termică. În acest caz,

iar constanta Stefan-Boltzmann se poate calcula conform relaţiei

Obiectivul acestei lucrări este calcularea constantei σ, măsurând experimental temperatura T a corpului (o bandă subţire de nichelină), temperatura T0 a mediului ambiant şi puterea electrică furnizată de sursa de curent la încălzirea benzii de nichelină. Se pot imagina diferite tehnici de măsurare a temperaturii. În mod tradiţional, exista două mari categorii de metode : de contact şi fără contact. Cele de contact se bazează pe anumite proprietăţi fizice ale substanţelor care depind de temperatură– dilatare termică, variaţia de presiune, fenomene termoelectrice (variaţia rezistenţei electrice cu temperatura, apariţia tensiunii electromotoare) etc. În principiu, metodele de contact pot fi folosite până la aproximativ 600C. Măsurătorile de temperaturi joase (criogenice), precum şi a temperaturilor foarte mari necesită o abordare specială.

APARATURA

1. sursă de tensiune continuăcu afişaj digital al tensiunii şi curentului din circuit.

2. bandă de nichelină montată într-un suport special,

3. pirometru optic cu dispariţie de filament (pentru măsurarea temperaturii benzii de nichelină),

4. sursă de tensiune pentru alimentarea pirometrului optic.

Modul de lucru

Se realizează montajul experimental Se variază treptat tensiunea aplicată, până când banda de nichelină se înroşeşte. Se citesc valorile corespunzătoare ale intensităţii curentului şi tensiunii. Se măsoară temperatura T a benzii de nichelină cu pirometrul optic cu dispariţie de filament. Se citeşte temperatura T0 a aerului din laborator laun termometru de cameră. Se calculează constanta Stefan-Boltzmann din relaţia :

unde S este suprafaţa totală a benzii de nichelină.

Se fac trei măsurători şi se completează tabelul de date, după care se calculează

valoarea medie a constantei Stefan-Boltzmann.

Având în vedere că rezistenţa benzii încălzite este mica în comparaţie cu a ampermetrului, voltmetrul se leagă paralel cu banda. Suprafaţa benzii este : S= 2ab unde a este lungimea, iar blăţimea (energia este radiate de toată suprafaţa benzii de nichelină)

Prin corp negru se înţelege acel corp care absoarbe toate radiaţiile pe care le poate emite. Nichelul pur încălzit în aer este foarte aproape de un corp negru. Deci corpul negru nu trebuie confundat cu un corp de culoare neagră. Este adevărat, de exemplu, că negrul de fum are caracteristici apropiate de acelea ale unui corp negru.

Rezultate

fizica laborator

Documents

Transcript of fizica laborator