Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования 6 страница

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 7Следующая ⇒

4.3 ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

1. По формуле (10) рассчитать значение и занести в таблицу

2. Построить график зависимости ЭДС Холла от тока .

По графику определить значение , соответствующее хорошо отсчитываемому значению тока в последней четверти графика.

3. По формулам (7) и (6) рассчитать концентрацию носителей тока в полупроводнике

Определить относительную погрешность измерения

где - одно деление шкалы гальванометра,

- число делений, соответствующее , определенному в п.2,

и абсолютную погрешность .

Записать окончательный результат

По формуле (9) рассчитать подвижность носителей тока в полупроводнике

Записать окончательный результат

приняв относительную погрешность, равной ранее вычисленной относительной погрешности измерения

Приложение:

Технические данные (приведены для конкретной установки)

- индукция магнитного поля;

- чувствительность гальванометра;

- сопротивление цепи гальванометра;

- удельное сопротивление образца;

- толщина образца.

5.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Запишите постулат Лоренца. Поясните сущность описываемых явлений.

2. В чем состоит эффект Холла.

3. Какие основные свойства полупроводников можно определить с помощью эффекта Холла.

4. Какие типы проводимости существуют в полупроводниках. Как определяется преобладающее влияние одного из них.

5. Почему эффект Холла в полупроводниках гораздо сильнее, чем в металлах.

Список литературы

1.Савельев И.В. Курс общей физики т.2. М.: «Наука», 2002.

2.Физический практикум. Электричество и оптика. Под ред. Ивероновой В.И. М., «Наука», 1968.

№11 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ С ПОМОЩЬЮ РЕФРАКТОМЕТРА

1.ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомление с физическими принципами работы и конструкцией рефрактометра.

2. ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

Рефрактометр, набор исследуемых жидкостей.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Показатель преломления вещества есть физическая величина, показывающая во сколько раз скорость света в данном веществе меньше скорости света в вакууме.

Скорость света в вакууме одинакова для любой длины волны; скорость света в веществе зависит не только от свойств вещества, но и от длины волны.

Абсолютный показатель преломления вещества (или просто показатель преломления) является важной оптической характеристикой вещества. Величина показателя преломления вещества непосредственно связана с электрическими свойствами молекул, из которых состоит данное вещество. Поэтому измерение показателя преломления вещества может дать сведения о его строении на молекулярном уровне. Показатель преломления растворов зависит от концентрации растворенных веществ. Следовательно, измерение показателя преломления можно применять в аналитических целях, т.е. для количественного анализа сложных веществ с известным качественным составом.

Один из способов измерения показателя преломления вещества основан на явлении полного внутреннего отражения, которое заключается в следующем.

При падении луча света на границу раздела сред выполняется закон преломления:

где - угол падения;

-угол преломления;

- относительный показатель преломления;

Вещество с большим показателем преломления называется оптически более плотным, а вещество с меньшим показателем преломления - оптически менее плотным. На рис. 1 свет падает из оптически более плотной среды в оптически менее плотную.

Рис.1

Поскольку > , то в этом случае угол преломления больше угла падения . Если увеличивать угол падения , то будет увеличиваться угол преломления, и при некотором значении угла падения угол преломления достигает , и преломленный луч будет скользить по поверхности раздела сред. Угол падения называется предельным углом падения. При углах падения, равных и больших , преломленного луча не существует, вся световая энергия отражается от границы раздела двух сред и попадает снова в первую среду. Это явление называется полным внутренним отражением.

Для предельного угла падения имеем:

.(2)

Таким образом, измерив, предельный угол полного внутреннего отражения и зная абсолютный показатель преломления одного из веществ, по равенству (2) можно найти показатель преломления другого вещества.

Пусть теперь свет падает на границу раздела со стороны оптически менее плотной среды рис.2.

Рис.2

В зависимости от угла падения луч во второй среде может составить с нормалью углы, расположенные в интервале от 0 до . Предельный угол преломления соответствует углу падения (скользящему лучу). Величина предельного угла и в этом случае определяется формулой (2).

В рефрактометрах, приборах для измерения показателя преломления вещества, используется как метод полного внутреннего отражения, так и метод скользящего луча.

Оптическая схема рефрактометра, построенного по методу скользящего луча, приведена на рис.3.

Рис.3

Основной частью являются две стеклянные прямоугольные призмы и , изготовленные из стекла с большим показателем преломления.

В разрезе призмы имеют вид прямоугольных треугольников, обращенных друг к другу гипотенузами; зазор между призмами имеет ширину 0,1 мм и служит для помещения исследуемой жидкости. Ход лучей в призмах приведен на рис.4.

Рис.4

Свет проникает в осветительную призму через грань и попадает в жидкость через матовую поверхность . Свет, рассеянный матовой поверхностью, проходит слой жидкости и под всевозможными углами( < i < ) попадает на поверхность измерительной призмы . Скользящему лучу в жидкости соответствует предельный угол преломления . Преломленные лучи с углами больше не возникают. В связи с этим угол выхода лучей из грани может изменяться в интервале от некоторого значения до .

Если свет, выходящий из грани , пропустить через собирающуюся линзу , то в ее фокальной плоскости наблюдается резкая граница света и темноты.

Граница рассматривается с помощью линзы (рис.3). Линзы и образуют зрительную трубу, установленную на бесконечность. В их общей фокальной плоскости расположен крест, образованный тонкими линиями. Поворачивая оправу с призмами относительно зрительной трубы (в плоскости рисунка), совмещают границу раздела света и тени с центром креста. В этом случае измерение показателя преломления сводится к измерению угла . Лимб градируется непосредственно в значениях показателя преломления.

При определении показателя преломления твердых веществ исследуемое вещество должно выполнять роль призмы . В зазор между призмами вводится тонкий слой жидкости с известным показателем преломления.

В отличие от метода скользящего луча метод полного внутреннего отражения позволяет измерять показатель преломления непрозрачных веществ.

Изложенная теория рефрактометра справедлива для монохроматического света. Зависимость показателя преломления от длины волны (дисперсия исследуемого вещества) приводит к тому, что при работе с белым светом наблюдаемая в поле зрения граница света и тени бывает размытой и окрашенной. Для того, чтобы получить в этом случае резкое изображение, перед объективом трубы помещают компенсатор с переменной дисперсией. Компенсатор содержит две одинаковые дисперсионные призмы и , каждая из которых состоит из трех склеенных призм, обладающих различными показателями преломления и различной дисперсией. Призмы рассчитывают так, чтобы монохроматический луч с длиной волны мкм (среднее значение длины волны желтого дублета натрия) не испытывал отклонения. Показатель преломления для желтой спектральной линзы натрия является одной из стандартных оптических характеристик вещества и обозначается . Лучи с другими длинами волн отклоняются призмами в ту или иную сторону. Если положение призмы соответствует рис.3, то дисперсия двух призм равна удвоенной дисперсии каждой из них. При повороте одной из призм на относительно другой полная дисперсия компенсатора оказывается равной нулю. Вращая ручку компенсатора, следует добиться того, чтобы граница света и тени в поле зрения стала достаточно резкой. Положение границы при этом соответствует длине волны , для которой приводится значение на лимбе.

4.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Измерения производятся с помощью рефрактометра ИРФ-464. Внешний вид прибора приведен на рис.5.

Рис.5

1-рефрактометрический блок (осветительная и измерительная призмы);

2-рукоятка откидной осветительной призмы;

3-зрительная труба;

4-окуляр трубы;

5-поворотное кольцо компенсационных призм.

ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

1)Перед выполнением каждого измерения необходимо промыть призмы рефрактометрического блока дистиллированной водой. Для этого откинуть осветительную призму, нанести пипеткой 2-3 капли воды на измерительную призму, закрыть ее осветительной, снова открыть осветительную призму и протереть поверхность призмы мягкой салфеткой или ватой.

2)Измерения начинают с измерения показателя преломления дистиллированной воды. Для этого одну или две капли воды наносят на чистую поверхность измерительной призмы, опускают осветительную призму, совмещают границу света и тени с перекрестием нитей или указательным штрихом, поворотом компенсационных призм устраняют дисперсию света. При окончательной настройке прибора должна быть получена резкая неокрашенная граница света и тени, с которой совмещены перекрестие или штрих. (Поворотом окуляра 4 можно установить резкость по глазу в пределах диоптрий). По шкале прибора определяют значение показателя преломления воды. Измерения повторяют еще два раза, сбивая перед повторными измерениями наводку прибора.

3)Аналогично измеряют показатель преломления раствора глицерина в воде, начиная с раствора наименьшей концентрации.

4)Полученные результаты измерений занести в таблицу1.

Таблица 1

% глицерина

ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

1)Подсчитать среднеарифметические значения .

2)Построить график зависимости от концентрации раствора.

3)По графику сделать вывод о характере изменения показателя преломления раствора глицерина в воде от концентрации глицерина.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1)Что такое показатель преломления веществ?

2)В чем заключается явление полного внутреннего отражения света?

3)Как связан предельный угол полного внутреннего отражения с относительным показателем преломления граничащих друг с другом сред?

4)В чем заключается метод скользящего луча?

5)Как используется метод скользящего луча в рефрактометре?

6)Как устраняется дисперсионное явление?

Рекомендуемая литература

1.И.В.Савельев. Курс общей физики т. 2.- М.: «Наука», 1988.

2.Л.Л.Гольдин. Руководство к лабораторным занятиям по физике.- М.:«Наука», 1973.

№12 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ ПРИ ПОМОЩИ КОЛЕЦ НЬЮТОНА

1.ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение волновых свойств света, определение длины световой волны при помощи колец Ньютона.

2.ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

Микроскоп МБИ-1,стеклянные пластины, осветитель ОИ-18.

3.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Кольца Ньютона являются частным случаем интерференции в тонких пленках и пластинках. Явление усиления амплитуды волны в одних точках пространства и ослабление в других, при наложении двух или более когерентных волн, называется интерференцией волн. Две волны одной частоты называются когерентными, если разность фаз колебаний, возбуждаемых в данной точке пространства, не меняется с течением времени. Свет, излучаемый естественными источниками, является некогерентным. Причина заключается в механизме испускания света атомами источника. Продолжительность излучения света атомом с. За это время возбуждённый атом затрачивает избыточную энергию и возвращается в невозбужденное (нормальное) состояние. Через некоторый промежуток времени атом может снова возбудиться и опять излучить порцию света (квант света). Такое прерывистое излучение в виде отдельных кратковременных импульсов – цугов волн – характерно для любого источника света (рис.1).

Рис.1

В среднем число колебаний в цуге , т.е. цуг представляет собой практически монохроматическую волну. При спонтанном (самопроизвольном) излучении атомы излучают независимо друг от друга, т.е. даже для одного атома:

- начальные фазы цугов волн не связаны между собой;

-значения для цугов могут несколько различаться;

- каждый цуг плоскополяризован. Однако плоскости поляризации различных цугов ориентированы по разному.

Получить когерентные волны оказывается возможным, если волну, излучаемую одним источником, разделить на две части, заставить их пройти разные оптические пути, а затем снова наложить друг на друга (рис.2). Причем оптическая разность хода должна быть меньше длины цуга . В противном случае наложатся колебания, принадлежащие разным цугам, и разность фаз между ними будет меняться хаотическим образом, т.е. волны будут некогерентными.

Рис.2

Пусть волна возбуждает в точке , на границе раздела двух сред с показателями преломления и , колебание

Пусть в этой же точке волна разбивается на две, и первая до точки Р проходит путь в среде с показателем преломления , а вторая -путь в среде с показателем преломления . В точке две волны возбуждают колебания:

Разность фаз колебаний в точке будет равна:

Учитывая, что

получим:

где оптическая разность хода двух когерентных волн; - длина волны в вакууме.

Если ; (), то волны усиливают друг друга, т.е. ; ,(1) - условие максимума – оптическая разность хода равна четному числу полуволн.

Если ; (), то волны ослабляют друг друга, т.е. ; ,(2) - условие минимума – оптическая разность хода равна нечетному числу полуволн.

Для определения длины световой волны можно использовать интерференционную картину, известную под названием колец Ньютона.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

4.1 ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

На столик микроскопа (смотри рисунок 3) помещают толстую плоскопараллельную стеклянную пластину и на неё линзу с большим радиусом кривизны.

Рис.3

Точка соприкосновения линзы с пластиной должна находится приблизительно на оптической оси микроскопа .

Осветим эту систему монохроматическим светом (красным) от источника . Изменяя расстояние от объектива до линзы, т.е. перемещая вверх и вниз тубус микроскопа, наблюдаем резкую интерференционную картину в виде концентрических колец с темным кружком в центре.

Эта картина, называемая кольцами Ньютона в отраженном свете, является результатом наложений световых волн, получившихся из падающей волны (луч 1) при отражении ее от сферической поверхности линзы (луч 1') и от поверхности стеклянной пластины (луч 1'') (смотри рисунок 4).

Найдем длину волны падающего света, если радиус сферической поверхности линзы известен, радиус светлого или темного кольца можно измерить, а угол падения света на линзу и пластину принять за 0° (рис4).