Квантовая новая

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторным занятиям по дисциплине «Физика»

раздел «КВАНТОВАЯ ФИЗИКА»

для студентов специальностей:

010502 – «Прикладная информатика»; 090105 – «Комплексное обеспечениеинформационной безопасности автоматизированных систем»;

130201 – «Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых»; 130304 – «Геология нефти и газа»; 130501 – «Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ»;

130503 – «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений»; 130504 – «Бурение нефтяных и газовых скважин»; 140200 – «Электроэнергетика»; 140205 – «Электроэнергетические системы и сети»; 140211 – «Электроснабжение»;

151001 – «Технология машиностроения»;

190600 –«Автомобили и автомобильноехозяйство»; 190701 – «Организация перевозок и управления на транспорте»; 190702–«Организацияи безопасностьдвижения»; 200503 – «Стандартизация и сертификация»; 210100 – «Электроника и микроэлектроника»;

230102 – «Автоматизированные системы обработки информации и управления»; 230205 – «Информационные системы и технологии»; 230401 – «Прикладная математика»;

210104 – «Микроэлектроника и твердотельная микроэлектроника»;

210106 – «Промышленная электроника»;

240901 – «Биотехнология»;

240902 – «Пищевая биотехнология»; 240306 – «Химическая технология монокристаллов, материалов и изделий электронной техники»;

240403 – «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов»; 260202 – «Технология хлеба, кондитерских и макаронных изделий»; 260301 – «Технология мяса и мясных продуктов»; 260303 – «Технология молока и молочных продуктов»;

260501 – «Технология продуктов общественного питания»;

260504 – «Технология консервов и пищеконцентратов»;

260601 – «Машины и аппараты пищевых производств»;

270102 – «Промышленное и гражданское строительство»;

270105 – «Городское строительствои хозяйство»;

270109 – «Теплогазоснабжение и вентиляция»;

270115 – «Экспертиза и управление недвижимостью»;

280103 –«Защита вчрезвычайныхситуациях»;

Ставрополь

2009

Методические указания составлены для выполнения лабораторных ра-

бот по разделу «Квантовая физика» курса общей физики. В них изложены основные теоретические вопросы по этому разделу, порядок выполнения ра-

бот, контрольные вопросы и список необходимой литературы. Методические указания могут быть использованы для самостоятельной работы над разде-

лом «Квантовая физика» и как руководство при выполнении лабораторных работ.

3

Выполнение лабораторного практикума по разделу «Квантовая физи-

ка» позволяет не только экспериментально наблюдать фундаментальные оп-

тические явления, но и, анализируя полученные результаты углубить теоре-

тические знания по этому разделу. Несмотря на то, что используемые в прак-

тике приборы и экспериментальные установки легко доступны и просты в обращении, они позволяют получать достаточно достоверные результаты измерений для дальнейшей обработки и анализа.

При выполнении лабораторной работы необходимо, прежде всего, оз-

накомиться с поставленной задачей («Цель и содержание лабораторной ра-

боты»). Изучить теоретические основы предстоящих исследований можно в разделе «Теоретическое обоснование». Раздел Аппаратура и материалы зна-

комит обучающегося с назначением и принципом работы основного обору-

дования. Методика наблюдений и измерений изложена в разделе «Методика и порядок выполнения работы». Работа завершается обработкой полученных результатов, заполнением таблиц и построением графиков раздел «Содержа-

ние отчета и его форма». Каждая работа сопровождается списком рекомен-

дуемой литературы и перечнем вопросов для ее защиты.

Выполнение представленных лабораторных работ позволяет на прак-

тике ознакомиться с проявлением многообразия квантовых явлений и воз-

можностью использования их в науке и технике, поэтому данные методиче-

ские указания рекомендуется использовать при обучении студентов всех ин-

женерных специальностей университета. Отчет по лабораторной работе оформляется в соответствии с формой, приведенной в приложении 1.

При работе в лаборатории необходимо неукоснительно выполнять УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

Без разрешения преподавателя установку в сеть включать запреща-

ется.

Перед началом работы с установкой необходимо убедиться, что ус-

тановка заземлена.

Запрещается оставлять работающую установку без контроля.

4

Лабораторная работа № 6.1 ИЗУЧЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ АБСОЛЮТНО ЧЕРНОГО ТЕЛА

Цель и содержание лабораторной работы.

Закон Стефана–Больцмана является одним из основных законов, описывающих излучение абсолютно черного тела. Цель работы заключается в проверке правильности этого закона.

Содержание работы заключается в том, как эта цель может быть достигнута. Для этого студенту предлагается: 1) экспериментально исследовать зависимость интенсивности излучения абсолютно черного тела от температуры, 2) вычислить по экспериментальным данным постоянную Стефана– Больцмана и 3) сравнить эти экспериментальные данные с теми, что следуют из закона Стефана-Больцмана.

Теоретическое обоснование

2.1. Терминология, определения

Все нагретые тела излучают тепло. Это, так называемое, тепловое излучение.

Исследования показали, что энергия, испускаемая нагретыми телами, так же как и светящимися телами, это энергия электромагнитного излучения.

Спектральный анализ показал, что достаточно зачерненные нагретые тела дают спектры, зависящие только от температуры и не зависящие от химического состава или механических свойств этих тел. Тела, обладающие таким свойством, называются абсолютно черными телами.

Немного иначе это определение абсолютно черного тела можно переформулировать так: тела, интенсивность излучения которых зависит только от температуры, называются абсолютно черными телами.

Интенсивность излучения – это энергия, излучаемая единицей поверхности тела в единицу времени.

площадь время

Наряду с понятием интенсивность излучения, имея в виду то же самое,

часто пользуются выражениями: энергетическая светимость, интегральная испускательная способность.

Важной характеристикой тел, определяющей их отношение к внешне-

му излучению, падающему на них, является их поглощательная способность

Iпогл ,

Iпад

где – коэффициент поглощения, Iпад – интенсивность падающего на тело

внешнего электромагнитного излучения; Iпогл – интенсивность поглощен-

ной части этого излучения.

Для абсолютно черных тел (а.ч.т.) коэффициент поглощения равен

Это является еще одним определением а.ч.т., которое можно перефор-

мулировать так: тела, которые поглощают все электромагнитное излучение,

падающее на них, называются абсолютно черными телами.

Исторически было так, что тела, с которыми имели дело исследователи и для которых условие (1) выполнялось или почти выполнялось, были дейст-

вительно телами черного цвета. Но потом оказалось, что условие (1) выпол-

няется и для такого совершенно не черного тела как Солнце. Тем не менее прилагательное «черное» сохраняется, имея номинальный смысл, обозначая тела, для которых выполняется условие (1).

2.2. Лабораторная модель а.ч.т. Закон Стефана–Больцмана

В качестве лабораторной модели абсолютно черного тела часто поль-

зуются печью, схематически изображенной на рис. 1.

Печь нагревается электрическим током 1. Внутри ее покрывают углем или платиновой чернью 2. Термометром 3 измеряют или платиновой чернью

2. температуру внутри печи, которая изолируется от окружающей среды

7

то из (2) и (3) следует, что при одной и той же температуре интенсивность излучения а.ч.т. больше интенсивности излучения не абсолютно черного те-

ла; и при 1 закон Кирхгофа переходит в закон Стефана–Больцмана.

Из соотношения (2) следует, что цель лабораторной работы будет дос-

тигнута, если:

1) будет экспериментально найдена и изучена зависимость интенсив-

ности излучения I от температуры Т в четвертой степени (из теории следует,

что эта зависимость для а.ч.т. линейная);

2) по экспериментальным данным I и Т будет вычислено численное значение постоянной Стефана–Больцмана σ и произведено сравнение с таб-

личным значением.

Аппаратура и материалы Установка состоит из трех частей (рис. 2): А – электропечи, служащей

абсолютно черным телом; В – приемника излучения а. ч. т.; С – блока инди-

кации.

Рисунок 2 – Установка для исследования теплового излучения

Электропечь состоит из тех же элементов, что и модель а. ч. т., изобра-

женная на рис. 1. Нагрев в печи производится током, пропускаемым через спираль, напряжение на которой можно менять с помощью регулятора на-

пряжения 1 на крышке блока А.

8

Датчиком температуры внутри печи является термопара, соединенная с блоком индикации С. Один спай термопары находится внутри печи в тепло-

вом равновесии с тепловым излучением, другой – вне печи в тепловом рав-

новесии с внешней средой, температуру которой можно принять равной ком-

натной температуре. ТермоЭДС, возникающая из-за разности температур внутри и вне печи, передается в блок индикации, где снова переводится в разность температур Т. Ее можно видеть на цифровом индикаторе 2.

Электропечь снабжена вентилятором для охлаждения корпуса печи.

Кнопка 3 служит для включения – выключения вентилятора. Кнопка 4 слу-

жит для включения – выключения электропечи.

Термическое излучение а.ч.т. происходит через небольшое отверстие 5

электропечи.

Приемник излучения а.ч.т. (В) состоит из коробочки 6 с термостолби-

ком, установленном на штативе 7. Термостолбик представляет собой систему последовательно соединенных термопар.

Одна половина спаев термостолбика сведена к центру коробочки 6,

другая разведена по периферии коробочки, где температура всегда равна комнатной температуре.

Излучение а.ч.т. из отверстия 5 через втулку 8, попав на центральные спаи термостолбика, поглощается им. Температура этих спаев повышается,

возникает разность температур между центральными и периферическими спаями термостолбика, что, в свою очередь, приводит к возникновению тер-

моЭ.Д.С., которая регистрируется цифровым индикатором 9 блока индика-

ции С. Обозначим соответствующее напряжение через Uтс.

Очевидно, Uтс пропорционально интенсивности падающего на термо-

столбик излучения

Для данной установки принять коэффициент пропорциональности a равным 2,2·104 А/м2.

9

Таким образом, по показаниям индикатора 2 (рис.2), пользуясь равен-

ством (6), можно найти интенсивность излучения I а.ч.т., а по показаниям индикатора 9 (рис.2) – температуру Т а.ч.т. Имея эти данные, можно иссле-

довать зависимость I = f(T) интенсивности излучения а.ч.т. от температуры и проверить закон Стефана-Больцмана.

Указания по технике безопасности

1.Перед началом работы с установкой необходимо убедиться, что она заземлена.

2.В установке имеется опасное для жизни напряжение. Поэтому при эксплуатации необходимо строго соблюдать следующие меры пре-

досторожности:

а) перед включением в сеть убедитесь в исправности сетевых шну-

ров;

б) замену любого элемента производите только при отключенном от сети соединительном шнуре;

3. При работе установки происходит нагрев печи до температуры

800º С. Поэтому при необходимости ремонта вскрытие печи категориче-

ски запрещается до ее полного охлаждения.

4.Категорически запрещается нагрев печи свыше 850º С.

5.Не допускается перекрытие вентиляционных отверстий, нахо-

дящихся на крышке корпуса измерительного устройства и объекта ис-

следования.

Методика и порядок выполнения работы

1.Установите термостолбик 6 у отверстия печи 5 так, чтобы оси втулки 8

термостолбика и отверстия электропечи совпадали. Введите втулку 8 в от-

верстие печи 5.

2.Включите кнопку “СЕТЬ” на задней панели блока индикации С. При этом на нем должны высветиться цифровые индикаторы напряжения Uтс на

10

термостолбике и температура Т электропечи. Дайте блоку прогреться 3-5

мин.

3.Включите печь кнопкой 4 “СЕТЬ”. При этом ручка 1 на верхней крышке печи должна находиться в положении “MIN”. Для исключения перегрева корпуса печи включите с помощью выключателя 3 “ВЕНТ.” вентилятор охлаждения.

4.Постепенно нагревая печь (скорость нагрева регулируйте с помощью руч-

ки 1 на верхней крышке печи), снимите с интервалом ~50ºС зависимость напряжения Uтс термостолбика от температуры Т электропечи. Можно ограничиться 8-10 точками. Отсчеты следует производить, когда напря-

жение Uтс термостолбика и температура Т печи будут меняться медлен-

но. Поэтому, если нагрев слишком быстрый, перед отсчетом следует уменьшить скорость нагрева с помощью соответствующей ручки.

5.После завершения этой работы поверните ручку “НАГРЕВ” печи в поло-

жение “MIN”, выключите кнопкой 4 “СЕТЬ” нагрев печи. Вентилятор при этом должен работать для охлаждения печи.

6.Перед уходом из лаборатории выключите вентилятор кнопкой 3 “ВЕНТ.” и

кнопкой «СЕТЬ» на задней панели блока индикации С отключите его от сети.

1. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА И ЕГО ФОРМА Основу содержания отчета составляют данные по измерениям и их эле-

ментарным преобразованиям, которые сводятся в таблицу. Форма отчета представлена в приложении 1 (стр. 30).

Таблица 1