ОПТИКА

Зертханалық жұмыстарды орындауға

методикалық нұсқаулар
6 Бөлім

Павлодар

Кереку

2011

Қазақстан Республикасының білім және ғылым министрлігі
С. Торайғыров атындағы Павлодар мемлекеттік университеті
Физика, математика және ақпараттық технологиялар факультеті
Физика және аспап жасау кафедрасы

ОПТИКА

Зертханалық жұмыстарды орындауға

методикалық нұсқаулар
6 Бөлім

Павлодар

Кереку

2011

УДК 535(07)

ББК 22.34я7

О-64

С. Торайғыров атындағы Павлодар мемлекеттік университетінің ғылыми кеңесі ұсынған

Рецензент:

физика, математика ғылымдарының кандидаты, доцент Биболов Ш.К.

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

О-64 Оптика: зертханалық жұмыстарды орындауға методикалық

нұсқаулар.– Павлодар : Кереку, 2009. – Б. 6. – 28 б.

Методикалық нұсқауда «Физика» пәні бойынша зертханалық жұмыстарды орындауға ұсыныстар келтіріледі, жұмыстың мақсаттары көрсетілген.

Методикалық нұсқау техникалық және технология мамандықтары мен оларды дайындау бағытының типтік оқу бағдарламасына негізделіп жасалынған. Қазақстан Республикасының білім және ғылым министрлігінің № 289 бұйрығымен 2005 ж. 11 шілдесінен бекітіліп, іске асырылды.
УДК 535(07)

ББК 22.34я7

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

© С. Торайғыров атындағы ПМУ, 2009

Кіріспе

Методикалық нұсқауда жалпы физика курсының «Оптика» бөлімі бойынша ЖОО-ң физика-математика, инженерлі-техникалық және жаратылыстану-ғылымдары мамандықтары бойынша оқитын студенттерге зертханалық сабақтарды дайындауы үшін арналған. Методикалық нұсқау студенттерді физикалық аспаптармен тереңірек танысуы, сонымен қатар нақты өлшеулердің негізгі әдістерін игеруіне көмектеседі. Бұл оқулыққа 4 зертханалық жұмыс енгізілген, олардың әрқайсысы қысқаша теориялық кіріспеден, зертханалық қондырғылардың схемаларынан, өлшеулерді жүргізу әдістерінен тұрады. Зертханалық жұмыстардың сипаттамасынан кейін қажет әдебиеттер тізімі келтірілген.

Осы оқу құралын пайдалану студенттердің «Физика» пәні бойынша білім деңгейін, сонымен қоса әдістемелік жабдықтау мен зертханалық сабақтарды жақсартуда көп көмегін тигізеді.

Зертханалық жұмыс № 61 Дифракциялық тордың көмегімен жарық толқынының ұзындығын анықтау
Жұмыстың мақсаты: Дифракциялық торда интерференция мен дифракцияны зерттеу; жарық толқынының ұзындығын өлшеу.
Қысқаша теория
Жарықтың интерференциясы мен дифракциясы
Жарық – толқындық және корпускалалық қасиеті байқалатын электромагниттік толқын.

Жарықтың толқындық қасиеті интерференция және дифракция құбылысында байқалады. Интерференция деп когерентті толқындардың қосылуы аймағында жарық екпінділігінің үлестіруімен жүретін құбылысты айтады. Сондықтан осындай жағдайда жарықтың максимумдары мен минимумдары байқалады. Жарық екпінділгі деп түсетін жарыққа перпендикуляр жазықтықтың бірлік ауданынан бірлік уақыт ішінде жарық толқыны тасымалдайтын орташа энергияға тең шаманы айтады. Екпінділік түсетін толқынның амплитудасының квадратына пропорционал.

Когерентті толқын – бұл тербеліс жиіліктері бірдей, қосылу нүктесінде уақытқа байланысты фазалар айырымы немесе қосылу нүктесіне дейінгі оптикалық жол айырымы тұрақты болатын толқындар. Сонымен қатар, жарық толқындарында тербеліс бағыты бірдей болу керек.

Егер оптикалық жол айырымы , ал фазалар айырымы тең болса, яғни зерттелетін нүктеге тербелістер бір фазада жететін болса, когерентті толқындардың интерференциясы кезінде жарық интенсивтілігінің максимумы байқалады.

Егер және , яғни тербелістер зерттелетін нүктеге қарам-қарсы фазада жететін болса, екпінділіктің минимумы байқалады. Берілген жағдайда m – бүтін сандар m = 0,1,2,3… , – вакуумда және ауадағы толқын ұзындығы.

Дифракция құбылысы толқындық беттің тұтастылығы жойылған кезде пайда болады және дербес жағдайда жарықтың түзу сызықты таралуы бұзылатын болса, яғни бөгетті айналып өтуі кезінде көрінеді.

Дифракцияның міндеті бөгеттің өлшемі мен формасына байланысты экранда жарықтылықтың қалай үлесетіндігін анықтау болып табылады.

Гюйгенс принципіне сәйкес толқын жеткен нүкте екінші ретті толқынның центрі ретінде қабылдауға болады. Френель осы идеяны былайша толықтырды: екінші ретті толқындар когерентті және қосылу кезінде бірін-бірі интерференциялайды.

Параллель сәулелердегі жарық дифракциясы Фраунгофер дифракциясы (толқын көзі экраннан үлкен қашықтыққа алыстатылған) деп аталады. Осы жұмыста Фраунгофер дифракциясы қарастырылады. Егер монохроматты жарық түсетін болса, бұл жағдайда дифракциялық бейне қара немесе ақ сақиналар түрінде байқалады.
Дифракциялық тор
Ені а болатын бір-бірінен бірдей b мөлдір емес аралықтармен бөлінген N саңылаудан жүйені қарастырайық (сурет 61.1), осындай жүйе дифракциялық тор деп аталады.

Сурет 61.1

Айталық торға жарық перпендикуляр бағытта түсірілген болсын. Саңылаудың артында дифракция нәтижесінде сәулелер торға түскен сәулелерге қандай да бір жасай отырып, таралатын болады. Егер осы сәулелердің жолына жинағыш линзаны орналастыратын болсақ, осы линзаның фокальдық жазықтығында бір нүктеде бірдей бұрышпен ауытқыған сәулелер жинақталады. Бір-біріне сәйкес сәулелердің арасындағы оптикалық жол айырымы тең болады, мұнда – саңылауға түсетін сәуле мен ауытқыған сәуле арасындағы бұрыш, немесе d sin, мұнда d =a+b – дифракциялық тордың периоды, осы жол айырымына сәйкес келетін фазалар айырымы .

Егер болса, онда , демек сәулелер бір фазада жетеді және бірін-бірі күшейтеді.

Осы жағдай үшін максимумдардың болу шарты: d sinm, мұнда m = 0; . Осы максимумдар негзі деп аталады.

Максимумдар шартынан m=0 болса, . Экранда нөлінші ретті максимум алынады. болса, нөлінші реттің екі жағында да екі бірінші ретті максимумдар пайда болады және т.с.с.

Дифракциялық торды ақ жарықпен жарықтандырса, ақ жарықтың нөлінші ретті жолағы пайда болады, өйткеніүшін максимум шарты кез келген толқын ұзындықтары үшін орындалады. m ретті әр жолақ спектр болады, сонымен бірге қызыл шетіне дифракцияның үлкен бұрышы сәйкес келеді.

Максимумдар екпінділігі біртіндеп азая бастайды, дифракциялық спектрдің саны шектеулі және ол мына шарт бойынша анықталады

. (61.1)
Дифракциялық тор жақсы спекрлік аспап болып табылады, спектроскопияда жарық толқын ұзындығын өлшеу үшін кеңінен қолданылады.
Эксперименттік құрылғының сипаттамасы және өлшеулер әдісі

Жұмыста қолданылатын аспап бөлгіштері бар сызғыштан (1), осы сызғыштың соңында дифракциялық тор (2) бекітілген, осы сызғыштың бойымен саңылауы және миллиметрлік шкаласы бар экран (3) еркін қозғала алады. (Сурет 61.2).


Сурет 61.2
Егер саңылауға (4) жарық көзінен жарық шоғын түсіретін болсақ, оған дифракциялық тор (2) арқылы қарап, осы саңылаудың екі жағынан қозғалмалы экранның (3) шкаласында дифракциялық бейнені көруге болады – минимумдармен бөлінген бірнеше ретті максимумдар. Егер жарық ақ болса, онда максимумдар ақ жарық спектрі түрінде байқалады. Бұл құбылыс келесі жағдаймен түсіндіріледі: көз торында көз бұршағының фокальдық жазықтығында тордан ауытқыған сәулелердің параллель шоқтары жинақталады. Егер () ауытқу бұрышы d sin шартын қанағаттандыратын болса, онда Ф нүктесінде (Сурет 61.1) толқын ұзындығына сәйкес келетін саңылаудың бейнесі алынады. Бақылаушы осы бейнені шкалада көзге түскен сәулелердің жалғасында көретін болады.

d sinm формуласынан,

(61.2)
шығады.



Сурет 61.3

Реті аз болатын спектрлер үшін сәулелердің ауытқу бұрышы аз болады, өйткені ₂₁ (сурет 61.3), мұнда

₁ – (1) сызғыш бойымен есептеліп алынған дифракциялық тордан саңылауы бар экранға дейінгі қашықтық;

₂ – қозғалмалы экранның (3) шкаласы бойымен есептеліп алынған саңылаудан таңдап алынған спектрге дейінгі қашықтық (Сурет 61.3).
Онда sin tg = , осыдан
немесе мұнда .

N – берілген дифракциялық тор үшін бірлік ұзындыққа келетін саңылаулар саны.

Жұмысты орындау тәртібі:

1) жұмыс бастамас бұрын жарық көзін орнатады, дифракциялық тор арқылы саңылауға қарап, саңылаудан ең ұзын көрінетін қызыл сәулелерге сәйкес келетін бірінші және екінші ретті (1, 2) қызыл спектрге дейінгі қашықтықты өлшеу керек. Есепті оң және сол спектрлер үшін, яғни m=0 (ақ жарық) орталық максимумның екі жағынан жасау керек. Алынған мәндердің орташасын есептеу керек

(61.3);
2) саңылаудан дифракциялық торға дейінгі l₁ қашықтықты өлшеңіз;

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

4 l₁ және m әр түрлі мәндеріне сәйкес келетін мәндерін төмендегі формуламен есептеу керек
(61.4)
мұнда - дифракциялық тордың тұрақтысы, N – бірлік ұзындыққа келетін штрихтар саны N=10⁵м^-1.

5 Абсолют және салыстырмалы қателіктерді төмендегі формулалар бойынша есептеңіз

, (61.5)
мұнда t(n) – n үшін Стьюдент коэффициенті, n – өлшеулер саны.

6 Өлшеулер нәтижелері мен есептеулерді кестеге енгізіңіз.

Өлшеулер мен есептеулер кестесі

№
	м		м	м	м	м	м	м2	м	%
1		1 2
2		1 2
3		1 2
ор.

Өлшеулер нәтижесін сенімділік интервалы түрінде жазыңыз
(61.6)
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 жарықтың қасиетін зерттеу; Малюс заңын тексеру.
Теориялық кіріспе
Жарық поляризациясы
Жарық толқыны – бұл электр өрісінің кернеулігі мен магнит өрісінің кернеулігіөзара перпендикуляр және толқынның таралу жылдамдығының векторына перпендикуляр тербелетін электромагниттік толқын. Сондықтан барлық тұжырымдар жарық векторы болатын электр өрісінің кернеулігіне қатысты жүргізіледі, өйткені электр өрісі заттың атомдарындағы электрондарына әсер етеді. векторының тербелісі болатын жазықтықты поляризация жазықтығы деп атайды. Жарық көптеген атомдардың электромагниттік сәулеленуінің қосындысы. Ал атомдар болса өздері бір-біріне тәуелсіз жарық толқынын сәулелендіреді, сондықтан денемен сәулеленетін жарық толқыны жарық векторының мүмкін болатын тең ықтималды тербелісімен сипатталады. (сурет 65.1а).

Сурет 65.1

Бұл табиғи жарық. векторы белгілі бір жазықтықта тербелетін жарықты жазық поляризацияланған жарық деп атайды. (сурет 65.1б).

Табиғи жарықты жазық поляризацияланған жарыққа белігілі бір бағытқа ие болатын тербелістерді ғана өткізетін және осы жазықтыққа перпендикуляр бағыттағы тербелістерді толығымен тежейтін поляризаторларды қолдана отырып айналдыруға болады. Табиғи кристалдардың 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 кристалын сәуленің таралу бағытын айналдыра қозғалтатын болсақ, осы турмалин арқылы өткен жарық екпінділігінің ешқандай өзгерісін байқамаймыз. Егер сәуленің жолына екінші Т₂ турмалин пластинасын қоятын болсақ және оны сәуленің таралу бағытын айнала қозғалтсақ, осы пластиналар арқылы өткен жарықтың J екпінділігі кристалдардың оптикалық өстерінің арасындағы бұрышқа байланысты Малюс заңына сәйкес өзгереді
J =J₀ cos² , (65.1)
J – жарық екпінділігі деп түсетін жарыққа перпендикуляр жазықтықтың бірлік ауданынан бірлік уақыт ішінде жарық толқыны тасымалдайтын орташа энергияға тең шаманы айтады. Екпінділік түсетін 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-поляризатор қолданылады. 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 бұрышына байланысты. Анализатордан шыққан жарық Ф фотоэлементтің фотокатодына түседі. микроамперметрмен өлшенетін І фототоктың шамасы анализатор арқылы өтетін жарықтың екпінділігіне пропорционал. Анализатор айналған кезде ол Малюс заңына сәйкес өзгеру керек
I=I₀cos² (65.2)

Фотоэлемент арқылы алынған максимал фототок I₀ =0 бұрышына сәйкес келеді, минимал фототок =90⁰ бұрышта байқалады. Егер фотоэлементке сырттан шашыраған жарық түспейтін болса, минимал фототок нөлге тең болады.

Жұмысты орындау тәртібі:

1 Жарық көзін қосу.

2 Поляризатор жазықтығын айналдыра отырып, максимал фототокты алу. Осы кезде .

3 Анализатор жазықтығын 0⁰-тан 90⁰-қа дейін әр 10 градус сайын айналдыра отырып, фототокты өлшеу және оның мәнін кестеге енгізу.

4 Анализатор жазықтығын 90⁰-тан 180⁰-қа дейін әрі қарай айналдыра отырып, әр он градус сайын фототокты өлшеу. Осы кезде 90⁰ градуста ток ең төменгі, ал 0⁰ пен 180⁰ градуста ең жоғары болу керек.

5 Кесте бойынша 0⁰-тан 90⁰-қа дейін cos мәнін тауып, оларды квадраттау.

6 Барлық алынған өлшеулер мен есептеулерді кестеге енгізу.

Өлшеулер мен есептеулер кестесі

1, град	I1 ()	2, град	I2 ()			cos	сos2
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90		180 170 160 150 140 130 120 110 100 90

7 Алынған мәндер бойынша -дің cos² -тан () тәуелділік графигін салу керек, мұнда– 90⁰ бұрышқа сәйкес ток.

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; Вакуумды фотоэлементті зерттеу.
Теориялық кіріспе
Электромагнитті сәулелендірудің әсерінен заттардан электрондардың ыршып шығуын фотоэлектрлік эффект немесе фотоэффект деп атайады. Фотоэффекттің үш түрі бар: сыртқы, ішкі және вентильді. Егер электрондар жарық түсірілген дененің бетінен қоршаған ортаға ыршып шықса, фотоэффект сыртқы деп аталады және ол металдарға тән.

Сыртқы фотоэффект үшін Столетовтың келесі заңдары белгіленген:

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

2) заттың бетінен бірлік уақытта ыршып шығатын электрондар саны 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 сызықты артады;

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

Эйнштейн кванттық үрдістерде энергияның сақталу заңының негізінде электрондардың жарықтың әсерінен ыршып шығу кезіндегі энергиясы мен сол жарықтың жиілігінің арасындағы сандық байланысын анықтаған; яғни Эйнштейн теңдеуі
(68.1)
мұндағы = 6,62 10^-34Дж с –Планк тұрақтысы;

- түскен жарықтың жиілігі;

- түскен фотонның энергиясы;

m – электрон массасы;

- ыршып шығатын электронның жылдамдығы;

- электронның металдан шығу жұмысы.

Бұл теңдеуді былай түсіну қажет: энергиясы фотон металға түскен кезде өзінің энергиясын электронға береді. Ол энергия, біріншіден, электронның металдан шығу жұмысын атқаруға, екіншіден, электронға кинетикалық энергияны беруге жұмсалады. Егер болса фотоэффект байқалмайды. Заттардың көбі үшін фотоэффекттің қызыл шегі спектрдің ультракүлгін бөлігінде жатыр және тек сілтілік металдар үшін ол көрінетін және кейде инфрақызыл бөлігінде болады.

Фотоэлементтің құрылысы және жұмысы

68.1 сурет
Жарық сигналын электрлікке түрлендіретін сәулелендіргіш қабылдағыштар, фотоэлементтер деп аталады. Сыртқы фотоэффект вакуумды фотоэлементтердің жұмысының негізінде жатыр. Вакуумды фотоэлемент (68.1 сурет) шыны баллоннан 1, оның ішкі қабырғасына жағылған және фотокатод болып табылатын фотоэлектрлік сезімтал қабаттан 2, сонымен қатар анод болып табылатын электрондар коллекторынан 3 тұрады. Баллонда қысымы 10^-7мм сынап бағанасындағы болатын вакуум жасалады. Сурьма-цезилі және оттегі-күмісті фотокатодты фотоэлементтер көп тараған. Егер фотоэлементке кернеу түсірсе, онда фотокатодты жарықтандырудың салдарынан тізбекте ток пайда болады.

Сыртқы фотоэффектті фотоэлементтердің негізгі сипаттамалары:

1) сезімталдылық, интегралдық және спектралдық сипаттама – (-фототок өзгеруі, яғни жарық ағынының шамасына өзгеруі; - монохроматты ағынның толқын ұзындығымен өзгеруі);

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

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

Вакуумды фотоэлементтің артықшылығы, олардың тұрақтылығы және жарық ағыныны мен фототоктың сызықтық тәуелділігі болып табылады.

Бірақ олардың сезімталдығы жоғары емес (1лм жарық ағынына 20-100 мкА). Фотоэлементтерді техникалық қолдану кезінде әлсіз бастапқы фототоктарды алдымен фотоэлементтердің өзінде күшейту қажеттілігі туындайды. Фотоэлемент қысымы төмен (-10^-2мм сынап бағанасындағы) қандай да бір инертті газбен толтырылады. Токтың күшеюінің себебі катодтан ыршып шыққан фотоэлектрондар электр өрісінен үдеу алып газ молекулаларын иондайтындықтан болады, яғни жаңа электрондар туындайды. Газбен толтырылған фотоэлементтердің сезімталдығы біршама жоғары, бірақ олардың инерционалдығы да жоғары және вольт-амперлік сипаттамасы сызықты емес, ал ол болса олардың қолдануын шектейді. Бастапқы фототокты қосымша электродтардан алынған екінші электронды эмиссияның көмегімен күшейтудің басқа бір әдісі фотоэлектронды көбейткіш деп аталатын– ФЭУ құралдың негізінде жатыр. Ондай электродтар 10-15 шамасында. Бұл жүйелердің күшейткіш коэффициенті 10⁷ - 10⁶ -ке, ал ФЭУ интегралды сезімталдығы мың ампер люменге дейін жетеді. Соның нәтижесінде шағын жарық ағының тіркеуге болады. Қазір біркаскадты және көпкаскадты фотокөбейткіштер кең қолданылады.

Жұмысты орындау тәртібі:

68.2 суретте тәжірибелі сынаққа арналған қондырғының схемасы келтірілген

68.2 сурет

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

Фотоэлемент және жарық көзі оптикалық орындықта орнатылады.

Вольт-амперлік сипаттаманы алу үшін:

1) жарықтандырғышты фотоэлементтен (жарық ағынын) алыс емес арақашықтыққа орнатыңыз;

2) анодтағы кернеуді біртіндеп арттыра отырып (6-10В-тан кейін) вольтметрдің және амперметрдің көрсеткіштерін 68.1 кестеге жазыңыз;

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

68.1 кесте

I, mA
U, 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 (I_Н) сәйкес келетін анодты кернеуді орнату, мұндағы I_Н –жарық ағынының екеуі үшін қанығу тогы. Жарықтандырғыш пен фотоэлемент арасындағы арақашықтықты өзгерте отырып (5-6 рет), фотоэлементтің әйнегінің жарықтануын люксметрмен өлшеу. Ол арақашықтықтар үшін микроамперметр көрсеткіштерін 68.2 кестеге жазу;
68.2 кесте

Е, лк
Ф, лм
I, мкА
J, мкА/лм

3) Әр бір арақашықтық үшін жарық ағынын есептеу

Ф = ЕS (68.2)
мұндағы S –фотоэлемент ауданы, S = м²;

4) жарық ағынының барлық мәндері үшін сезімталдықты есептеу ;

5) I_Н= 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.

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 тұрақтысын анықтау
Жұмыстың мақсаты: оптикалық пирометрдің құрылысымен және жұмысымен танысу; Стефан-Больцман тұрақтысын тәжірибе жүзінде анықтау.
Теориялық кіріспе
Жоғары температураға дейін қыздырылған денелер жарық шығарады. Дененің қыздыру нәтижесінде жарық шығаруын жылулық (температуралық) сәулелену деп атайды. Жылулық сәулелену – бұл заттың атомдары мен молекулаларының жылулық қозғалысының энергиясының нәтижесінде пайда болатын электромагниттік сәулелену. Ол температурасы Кельвин нөлінен жоғары болатын барлық денелерге тән. Жоғары температура кезінде қысқа және ультракүлгін, ал төмен температура кезінде инфрақызыл толқындар сәулеленеді. Барлық сәулеленулердің арасында тек жылулық сәулелену адиабаталық оқшауланған тұйық жүйеде тепе-теңдік күйде бола алады. Осындай жүйеде көбірек қызған денелер көп сәулеленеді және аз жұтады, ал азырақ қызған денелер керісінше аз сәулеленеді және көп жұтады. Ал ол болса, денелер мен олардың жылулық сәулеленулері арасындағы энергияны тепе-тең қалыпта үлестіруіне әкеледі.

Жылулық сәулеленудің сандық сипаттамасы ретінде:

1) дененің сәулелендіргіштігі – бұл дене беттің бірлік ауданынан бірлік еннің жиілік интервалындағы сәулеленудің қуаты
(69.1)
мұндағы - электромагниттік сәулеленудің энергиясы, ол бірлік уақытта дене бетінің бірлік ауданынан ден -ге дейінгі жиілік интервалында шығарылады. Сәулеленудің өлшем бірлігі ().

2) денелердің оларға түскен сәулелерді жұтуы жұту қабілетімен сипатталады

(69.2)
Ол бірлік уақытта дене бетінің бірлік ауданынан бірлік жиілік интервалында өтетін, денеге түскен электромагниттік толқындар таситын жұтылатын энергия бөлігін көрсетеді.

Кез келген температурада денеге түскен кез келген жиіліктегі барлық сәулелерді толықтай жұтатын денені абсолют қара дене деп атайды. Яғни, абсолют қара дене үшін . Абсолют қара дененің идеалды моделі ретінде кішкентай саңылауы бар, ішкі беті қарайтылған тұйық қуысты алуға болады.

О

69.1 сурет
Жарық сәулесі шағылу нәтижесінде толық жұтылады. Кирхгоф сандық байланысты орнатқан
(69.3)
Бұл сәулеленудің спектралды тығыздығының спектралды жұту қабілетіне қатынасы дененің табиғатына тәуелді емес және барлық денелер үшін әмбебап функция болып табылады, яғни

Қазіргі заманға сәйкес теория үшін келесі өрнекті береді

- Планк теңдеуі (69.4)
мұндағы =- Планк тұрақтысы

К= - Больцман тұрақтысы

Осы формуладан абсолют қара дененің сәулелену заңдары қортылып шығарылған.
Стефан – Больцман заңы
Абсолют қара дененің сәулеленуі оның абсолют температурасының төртінші дәрежесіне пропорционал
(69.5)
мұндағы- Стефан-Больцман тұрақтысы
Вин заңы
Абсолют қара дененің сәулеленуінің спектралды тығыздығының максимумы сәйкес келетін жарық толқынының ұзындығы абсолют температуратураға кері пропорционал
(69.6)

мұндағы b= - Вин тұрақтысы.

Сәулелену заңдарының көмегімен температураны өлшеу әдістері, яғни қыздырылған денелердің абсолют температураларын олармен тікелей байланыс жасамай оптикалық жолмен анықтау, оптикалық пирометрияның негізінде жатыр. Қазіргі уақытта осы әдістер жоғары температураларды (2000К-нен жоғары) анықтаудың жалғыз жолы болып табылады. Әдістің негізінде сәулеленудің қандай заңы жатқанына байланысты, үш температура қарастырылады: радиациялық, жарықты, жарықтылық. Осы температуралар шынайы температурамен белгілі бір қатынаста болады. Сәйкес келетін пирометрлер радиациялық, жарықты және жарықтылықты деп аталады.

Стефан-Больцман тұрақтысын Стефан-Больцман заңынан анықтауға болады, егер дененің температурасын және сәулелендіргіштігін білетін болсақ.

Тәжірибелі сынаққа арналған қондырғының схемасы

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 вольфрамды спираль алынады, ол вакуумды шыны баллонға орналастырылады. Спираль айнымалы токпен қыздырылады және оның шамасы реостатпен R₂ реттеледі. Тұтынылатын қуат Р_Э амперметр рА және вольтметр рV көрсеткіштерімен анықталады
Р_Э=IU (69.7)
мұндағы I – ток күші, U – кернеу.
Стационар режим кезінде сәулелендіргішпен шашыратылатын қуат Р_р, тұтынылатын қуатқа тең болуы шарт. Электрлік қуаттан Р_Э басқа спираль қоршаған денелермен шығарылатын бөлмелік температураға Т_ср ие болатын қуатпен сәулеленуді Р_ср жұтады
Р_ср=ТS (69.8)
мұндағы S - сәулелендіргіш бетінің ауданы.

Қуат Р_р көбінесе жылулық сәулеленудің нәтижесінде шашырайды:

Р_р=Т⁴ S
мұндағы Т - сәулелендіргіштің температурасы.

Онда былай жазуға болады: Р_р=Р_э+Р_ср немесе Т⁴S=IU+TS, осыдан

IU=(T⁴-T⁴_ср)S (69.9)
Спираль қызуының температурасын өлшеу үшін берілген жұмыста «жоғалып кететін» ОПИИР-17 жібі бар оптикалық пирометр қолданылады, онда зерттелетін дене мен эталонның жарықтылығын фотометрялық салыстыру әдісі пайдаланылады. Пирометрдің 0 объектив фокусында (сурет 69.2) жартылай шеңбер түрінде иілген Л жібі бар шам орналасқан. Зерттелетін беттен шығатын сәулелену объективке түседі және оның фокальды жазықтығында шамның Л қызу жібімен үйлескен осы беттің бейнесі пайда болады. О окулярда үлкейтілген бейне көрінеді. Окуляр тубусында жарық фильтрі Ф орналасқан, ол тек толқын ұзындығы 0,65мкм шамасындағы қызыл сәулелерді өткізеді. Л шам жібінің жарықтылығы R₁ сақиналы реостатпен реттеледі. Қызу жібінің жарықтылығы мен сәулелендіргіштің бейнесі сәйкес келген кезде жіп «жоғалып кетеді», яғни бейненің фонында көрінбей кетеді. Жіптің «жоғалып кетуі» кезінде электроөлшеуіш құралдың шкаласында есеп жүргізіледі және ол абсолют қара дененің сәулеленуі бойынша Цельсии градусында бөліктенген. Құралда екі шкала бар: біреуі 700-1400⁰С интервалындағы, екіншісі 1200-2000⁰С интервалындағы температуралар үшін.

Егер жарық көзі абсолют қара денеден ерекшеленсе, онда анықталған жарықтылық температурасы шынайы температурадан ерекшеленеді, яғни құрал =0,65мкм үшін абсолют қара дененің жарықтылығы Т_н шынайы температурада зерттелетін дененің жарықтылығына тең болатын Т_я температураның мәнін береді. Т_н шынайы және Т_я жарықтылық температураларының байланысын былай көрсетуге болады

Т_н= (69.10)
мұндағы = - берілген материалға (Вольфрам) сәйкес келетін тұрақты.

Жұмысты орындау тәртібі:

1 Сәулелендіргіштің электр тізбегімен және пирометрдің құрылысымен танысу.

2 Cақинаны тірекке дейін айналдыра отырып, пирометр реостатының барлық кедергілерін R₁ енгізу.

3 Сәулелендіргіш тізбегін қосып, сәйкес келетін кернеуді орнату.

4 SA ажыратқыш батырмасын басып, эталонды шамның тізбегін тұйықтау.

5 Монохроматты жарықты алу үшін қызыл жарық фильтрін қолдану.

6 О₁ окулярмен эталонды шам жібінің айқын бейнесін алу.

7 Пирометр О объективін қабылдағышқа бағыттап және объектив тумблерін қозғалта отырып, оның бейнесінің айқындылығын алу.

8 Эталонды шам жібінің қызуын біртіндеп арттыра отырып, сәулелендіргіштің бейне фонында жіптің орта бөлігінің (доғаның шыңы) «жоғалып кетуіне» қол жеткізу, құралдың шкаласында температура санағын жүргізу. Сәулелендіргіш көзінің тізбегінде РА және PV құралдарының көрсеткіштерін алу.

9 Сәулелендіргіш тізбегінде 3 рет әртүрлі кернеумен тәжірибені қайталау. Барлық берілгендерді кестеге енгізу.

10 (69.11)

формуласы бойынша Стефан-Больцман тұрақтысын анықтау

мұндағы S=4,3 10^-5м²;

Т_я – пирометр шкаласымен (жарықтылық) өлшенген температура;

Т_и – шынайы температура;

Т_ор – қоршаған ортаның температурасы, яғни бөлмелік температура.

Өлшеулер мен есептеулер кестесі

№ п/п	Тср, К	Тя, К	Тн, К	I, A	U, B	S, м2	, Вт/м2к	Вт/м2.к4
1 2 3
ор.

11 Абсолют қателікті төмендегі формула бойынша анықтаңыз

(69.12)

мұндағы n – өлшеулер саны n=3

t(n) – үш рет алынған өлшеу үшін Стьюдент коэффициенті

- Стефан-Больцман тұрақтысының орташа мәні.

- Стефан-Больцман тұрақтысының әрбір есептелген мәні.

12 мәнін сенімділік интервалы түрінде жазыңыз.

Бақылау сұрақтары
1. Қандай сәулеленуді жылулық деп атайды? Ол нені білдіреді?

2. Жылулық сәулеленудің сипаттамалары:

а) сәуле шығарғыштық;

б) 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?

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

2 Евграфова А.Г, Коган В.Л. Руководство к лабораторным работам 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 для втузов. – М., 1965. – 549 с.

5 Майсова Н.Н Практикум по курсу общей физики: учебное пособие 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.

Мазмұны

	Кіріспе..............................................................................................	3
1	Зертханалық жұмыс № 61 Дифракциялық тордың көмегімен жарық толқынының ұзындығын анықтау.....................................	4
2	Зертханалық жұмыс № 65 Малюс заңын тексеру........................	10
3	Зертханалық жұмыс № 68 Вакуумдық фотоэлементті зерттеу..	14
4	Зертханалық жұмыс № 69Стефан-Больцман тұрақтысын анықтау.............................................................................................	19
	Әдебиеттер.......................................................................................	27