Р Дифракційна гратка l φ ис. 3.

Відстань L від дифракційної гратки до екрана змінюється перемішенням екрана вздовж підставки і визначається масштабною лінійкою. Відстань l визначається по шкалі на екрані. Оскільки дифракційні максимуми на екрані розмиті, то візуальне визначення положення максимуму до деякої міри утруднене. В зв’язку з цим реєстрація освітленості на екрані доповнюється фотоелектричною приставкою. Фотоелектрична приставка складаєтьсся із фоторезистора, закріпленого на повзунку, який переміщується вздовж екрану. Виводи від фоторезистора підводяться до мідних шин, з’єднаних з мікроамперметром, всередені якого вмонтовано сухий елемент. Положення максимуму визначається положенням щілини фотоелемента, що відповідає найбільшому струмові.

Порядок виконання роботи:

1. Підімкніть виводи контактів, розміщених на екрані, до мікроамперметра і зафіксуйте величину темнового струму.

2. З дозволу викладача увімкніть лазер в мережу і вивчіть дифракційну картину.

3. Установіть екран на вказаній викладачем відстані L від дифракційної гратки перпендикулярно до напрямку первинного пучка лазера.

4. Переміщуючи фоторезистор вздовж екрана, знайдіть положення трьох максимумів l₁^/, l₂^/, l₃^/ праворуч від нульового максимуму та l₁^//, l₂^//, l₃^// ліворуч від нульового максимуму, відповідаючих максимумам фотоструму.

5. Знайдіть положення максимумів як середнє між вимірами праворуч і ліворуч: l₁ = ( l₁^/ + l₁^// ) / 2, l₂ = ( l₂^/ + l₂^// ) / 2 і т.д.

6. Користуючись формулою (2) , за даними l₁, l₂, l₃ визначіть величину sin φ.

7. Визначіть довжину хвилі лазера за (1). За трьома одержаними λ значеннями визначіть λср. і оцініть похибки вимірювань.

Дані вимірювань і розрахунків подайте в таблиці:

k	l’	l”	l	sin φ	λ, нм	( Δλ )2
Середні значення

Дайте відповіді на запитання:

1. Що становить принципову основу дії лазера ?

2. Які речовини можуть бути робочими в лазерах ?

3. Де можна використати характерні властивості лазерів ?

4. Чим визначаються похибки вимірювань в умовах методу, що вивчається ?

Лабораторна робота № 44.

Дослідження температури нитки розжарення за допомогою оптичного пірометра.

Прилади та приладдя: пірометр з джерелом живлення на 6В, амперметром 0,5А, вольтметр на 150В, реостат на 3200Ом, досліджувана лампа розжарення в корпусі освітлювача.

Мета роботи: засвоїти застосування оптичного пірометра.

Коротка теорія та методика вимірювань

Методи оптичної пірометрії використовуються для вимірювань високих температур від 800˚С і вище. При вимірюваннях вони не потребують беспосереднього контакту з вимірюваним середовищем і дозволяють вимірювати температтури розжарених тіл на великих відстанях від них. В основу оптичної пірометрії покладено закони теплового випромінювання.

Тепловим називають електромагнітне випромінювання тіл, нагрітих вище 0 К, що здійснюється за рахунок енергії теплового руху атомів. Для різних тіл спектральний склад випромінювання різний і змінюється зі зміною температури тіл, але у всіх тіл з підвищенням температури збільшується частка випромінювання, що припадає на короткі довжини хвиль. При низьких температурах випромінюється в основному інфрачервоні промені. Розжарені тіла, поряд з інфрачервоними, випромінюють видимі і ультрафіолетові промені. Для характеристики теплового випромінювання користуються поняттям повної променевипромінювальної та спектральної променевипромінюювальної здатності r (λ).

Повною променевипромінювальною здатністю Re, або енергетичною світимістю тіл, називають фізичну величину, що чисельно дорівнює потужності випромінювання з одиниці площі поверхні тіла. Розподіл енергії за довжиною хвиль визначається спектральною променевипромінювальною здатністю, що дорівнює потужності, яка випромінюється з одиниці площі поверхні тіла в одиничному інтервалі довжин хвиль.

r_λ = ΔR_λ / Δλ. (1)

Тут ΔR_λ – потужність випромінювання з одиниці площі поверхні в інтервалі довжин хвиль від λ до λ + Δλ.

Одночасно з випромінюванням тіло поглинає випромінювання, що падає на нього. Для характеристики поглинальної здатності тіл користуються спектральною променепоглинальною здатністю а_λ). Спектральною променепоглинальною здатністю тіл називають відношення променевої енергії ΔW^/_λ поглинутої тілом в інтервалі довжин хвиль від λ до λ + Δλ, до падаючої на нього енергії ΔW_λ в тому ж діапазоні довжин хвиль:

а_λ = ΔW^/_λ /ΔW_λ. (2)

В нерівноважному стані температура тіла може підвищуватись або знижуватись в залежності від того, переважає поглинання чи випромінювання енергії тілом. В стані рівноваги енергія, що поглинається, дорівнює тій, що випромінюється, і температура тіла залишається сталою. Для тіл в стані термодинамічної рівноваги справедливий закон Кірхгофа: відношення променевипромінювальної здатності тіла до його променепоглинальної здатності не залежить від природи тіла, є універсальною функцією довжини хвилі випромінювання та температури і являє собою променевипромінювальну здатність абсолютно чорного тіла ( АЧ Т ) при тій же температурі.

r_λ / a_λ = f ( λ, T ). (3)

Абсолютно чорним тілом називається таке тіло, променепоглинальна здатність якого дорівнює одиниці в усьому діапазоні довжин хвиль. Моделлю АЧТ може бути зачорнена порожнина циліндра з обох торців, в одному з яких є малий отвір. Для АЧТ експериментально встановлені такі закони.

1. Закон Стефана-Больцмана: енергетична світимість АЧТ пропорційна червертій степені абсолютної температури тіла

R_e = σT⁴, (4)

де σ = 5,67^.10 ^-8 Вт/(м² К⁴) – стала закону Стефана-Больцмана.

2. Закон Віна: довжина хвилі, на яку припадає максимум променевипромінювальної здатності АЧТ, обернено пропорційна абсолютній температурі тіла:

λ_max = C / T, (5)

де С = 2,90 ^.10 ^-3 м К - стала закону Віна.

Закон випромінювання АЧТ достатньо точно виконується для газової оболонки Сонця, для отворів в печах, для пористих зачорнених поверхонь інших тіл.

Загальний вигляд універсальної функції f (λ, T) теоретично обгрунтував М. Планк в 1900 р. Вигляд цієї функції такий:

f ( λ, T ) = , (6)

де А і В - сталі коефіцієнти.

Як видно з наведених формул (4) і (5), за виміряними R_e та λ_max можна робити висновки про температуру АЧТ. На цьому основані методи оптичної пірометрії, а саме в одному з методів використовується закон Віна, в якому за знайденою λ_max визначають температуру тіла

T = С / λ_max. (7)

В даній лабораторній роботі вивчається метод визначення температури за допомогою оптичного пірометра зі зникаючою ниткою (рис. 1) В цьому методі порівнюють яскравість досліджуваного тіла з яскравістю нитки еталонної лампи пірометра. При однаковій яскравості досліджуваного тіла і нитки еталонної лампи пірометра температура тіла вважається однаковою з температури нитки, якщо досліджуване тіло можна вважати АЧТ. В пірометрі різке зображення еталонної нитки розжарення одержують через переміщення окуляра. Різке зображення досліджуваного тіла одержують переміщенням об’єктива і самого пірометра. Зображення еталонної нитки має бути суміщене з зображенням досліджуваного тіла. Для виділення інтервалу довжин хвиль близько λ=660 нм застосовують червоний світлофільтр, що вводиться в поле зору окуляра. При вимірюваннях, поступово повертаючи кільце реостата пірометра, змінюють опір в колі розжарення еталонної нитки і підбирають такий електрострум, щоб яскравість еталонної нитки співпадала з яскравістю досліджуваного тіла.

Стрілка гальванометра на пірометрі показує при цьому температуру еталонної нитки (шкала пірометра має градуювання за температурою АЧТ) .

Для реальних тіл при вимірюваннях вводиться поправка, яка враховує їх відміну від АЧТ. При однаковій яскравості в області довжин хвиль істинна температура Т і визначена за шкалою пірометра Т^/, пов’язані співвідношенням

1/Т - 1/Т^/ = ln a_λ / b, (8)

де a_λ - спектральна поглинальна здатність досліджуваного тіла; b= В/λ В- з формули Планка).

Для тіл, випромінювання яких близьке до випромінювання АЧТ, lna_λ близький до 0, тому для них Т = Т^/.