Порядок выполнения работы. 1. Собрать цепь по схеме на рис

1. Собрать цепь по схеме на рис. 3, подключив сначала один виток.

2. Установить плоскость витков тангенс-буссоли в плоскости магнитного меридиана Земли. Магнитная стрелка при этом должна находиться в плоскости витков буссоли, стрелка-указатель – на нуле лимба. Необходимо следить за тем, чтобы на показания стрелки-указателя не влияло близкое соседство железных предметов. При установке буссоли, а также при отсчете углов отклонения стрелки рекомендуется постукивать по оправе буссоли, чтобы преодолеть трение покоя магнитной стрелки на острие.

3. Включить источник тока. С помощью реостата установить такое значение тока, при котором угол отклонения a находился бы в интервале 40 ¸ 50°. Записать в таблицу выбранное число витков, силу тока и угол отклонения магнитной стрелки, отсчитывая его величину дважды по обоим концам стрелки-указателя (a₁ и a₂).

4. С помощью двойного переключателя изменить направление тока в обмотке на противоположное и снова измерить угол отклонения, поддерживая прежнее значение силы тока. Записать в таблицу величины a′₁ и a′₂.

5. Уменьшить силу тока до нуля. Выключить выпрямитель. Подключить два витка обмотки. Повторить действия, указанные в пп.3 и 4.

6. Аналогично проделать опыт с числом витков, равным 3, 4, 5 и 6.

 

Таблица

Результаты измерений и вычислений

№ п/п	w	I, А	a1	a2	a′1	a′2	aср	Hg,

 

7. Для каждого опыта найти среднее значение угла отклонения a_ср и по формуле (3) рассчитать горизонтальную составляющую напряженности магнитного поля Земли.

8. Рассчитать приближенное значение H_g и случайную абсолютную погрешность DН_сл методом Стьюдента.

9. Рассчитать систематическую погрешность DН_сист. Для этого сначала вычислить относительную систематическую погрешность по формуле

e = , (4)

где Dr = 0,2 см, a = 45°, Da = 1° = рад. Величину найти по классу точности прибора e_пред:

= . (5)

Найти абсолютную систематическую погрешность: DН_сист = eH_g.

10. Вычислить полную абсолютную погрешность:

DН_g = . (6)

11. Записать окончательный результат. Сформулировать вывод.

 

Контрольные вопросы

1. Чем создается магнитное поле?

2. Как можно обнаружить магнитное поле?

3. Какую форму и направление имеют линии магнитной индукции? Приведите примеры магнитных полей.

4. Сформулируйте закон Био-Савара-Лапласа.

5. Выведите формулу напряженности магнитного поля в центре кругового тока, пользуясь законом Био-Савара-Лапласа.

6. Как связаны между собой напряженность и индукция магнитного поля?

7. Схематически изобразите магнитное поле Земли.

8. От чего зависит горизонтальная составляющая напряженности магнитного поля Земли? На каких широтах она максимальна?

9. В чем заключается сущность метода определения горизонтальной составляющей магнитного поля Земли с помощью тангенс-буссоли?

10. Почему желательно, чтобы магнитная стрелка в тангенс-буссоли была короткой?

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА МЕТОДОМ ФОКУСИРОВКИ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

Цель работы: опытным путем найти удельный заряд электрона.

Приборы и принадлежности: электронно-лучевая трубка, соленоид, источники регулируемого постоянного напряжения, амперметр, вольтметр.

 

Теоретическое введение

Заряд и масса – важнейшие характеристики элементарной частицы материи. Отношение заряда к массе называется удельным зарядом и иногда рассматривается как особая характеристика частицы. Так, от величины удельного заряда зависит вид траектории заряженной частицы в магнитном поле.

Определение удельного заряда электрона в данной работе основано на рассмотрении характера движения электрона в однородном магнитном поле (рис. 1, 2).

Рис. 1 а). Характер движения электрона в однородном магнитном поле

 

 

Электроны, испускаемые горячим катодом K, ускоряются электрическим полем в пространстве между катодом и анодом, имеющим прямоугольное отверстие. Вылетающие из отверстия в аноде электроны образуют пучок, который попадает в магнитное поле соленоида. На электрон, движущийся со скоростью в однородном магнитном поле с индукцией , действует сила Лоренца.

(1)

Если электрон летит под некоторым углом к направлению вектора , то разложив вектор скорости на две составляющие по отношению к направлению поля

и учитывая, что векторное произведение = 0, получаем

, (2)

где - составляющая скорости, перпендикулярная вектору . Таким образом, сила направлена перпендикулярно к вектору скорости и не может изменить ее величину, изменяя лишь направление , а сила Лоренца играет роль центростремительной силы, т.е.

F_^=Fц.стр или (3)

Траектория электрона при этом представляет собой винтовую линию или спираль, ось которой параллельна вектору (см. рис. 1а).

Таким образом, электрон совершает круговое движение, одновременно продвигаясь вдоль поля с постоянной скоростью u_//. Проекция траектории электрона на плоскость, перпендикулярная оси спирали, имеет вид окружности (рис.1б). Время одного оборота электрона по винтовой линии (период) равно:

(4)

Преобразовав уравнение (3), получим:

Подстановка последнего выражения в формулу (4) дает:

(5)

Таким образом, период вращения электрона не зависит от u_^ и R, а определяется лишь удельным зарядом частицы и величиной индукции магнитного поля B. Это обстоятельство положено в основу метода фокусировки. За время T электроны пройдут вдоль поля (вдоль оси соленоида) расстояние (см. рис.1a)

Так как угол a на практике мал, то принимая сosa=1 окончательно получим:

(6)

Это означает, что электроны с одинаковой по величине скоростью u за время T пройдут одинаковое расстояние l. Сделав один виток по спиралям, диаметр которых определяется углом a , электроны вновь соберутся в одной точке (см. рис.1б), лежащей на оси, параллельной вектору и проходящий через центр отверстия в аноде - говорят “произошла фокусировка электронного пучка”. Очевидно, что для фокусировки пучка на экране трубки должно соблюдаться следующее условие:

L = k l , (7)

где L - расстояние от анода (A) до экрана (Э),

k - кратность фокусировки k =1,2,3....

Подставив l из уравнения (6) в уравнение (7) получим:

(8)

Кинетическая энергия электрона равна работе электрического поля по ускорению этого электрона

или , (9)

где U – разность потенциалов между анодом и катодом.

С целью получения формулы для вычисления удельного заряда , левую и правую часть уравнения (8) возведем в квадрат и подставим в него u² из уравнения (9)

Откуда:

(10)

Индукция магнитного поля соленоида B=m₀ m H=m₀ m nI , (11)

где n – число витков соленоида, приходящихся на единицу его длины,

I - сила тока в соленоиде.

Подставляя B из уравнения (11) в уравнение (10) и учитывая значения

и m = 1 (вакуум)

получим формулу:

(12)

Описание установки

Электронно-лучевая трубка помещена внутрь соленоида, обмотка которого питается постоянным током (рис.2). Катод трубки подогревается переменным током (U = 6,3B). Напряжение между катодом и анодом регулируется переключателем (“грубо”) и потенциометром (“точно”), расположенным на лицевой панели источника тока. Изменяя величину тока I в соленоиде при заданном значении ускоряющей разности потенциалов U можно добиться четкой фокусировки электронного пучка на экране ( k = 1 ). Дальнейшее увеличение силы тока приведет сначала к дефокусировке, а затем ко вторичной (k = 2) фокусировке пучка и т.д. Регулировка силы тока производится с помощью переключателя (“грубо”) и потенциометра (“точно”), расположенных на лицевой панели стабилизатора постоянного тока.

Рис. 2. Схема установки

 

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с установкой. Определить цену деления шкалы вольтметра и амперметра. Включить установку в сеть.

2. После прогрева источников питания (3 мин.) включить ускоряющее напряжение. Записать показания вольтметра.

3. Увеличивая силу тока, начиная с нуля, добиться уменьшения размеров люминесцентного зеленого пятна на экране до минимального (при этом будет достигнута кратность фокусировки k = 1). Записать показания амперметра.

4. Увеличивая силу тока в соленоиде, добиться вновь фокусировки (k=2) при прежнем ускоряющем напряжении U. Записать показания амперметра.

5. Установить другое значение ускоряющего напряжения по указанию преподавателя и выполнить действия, указанные в п.п. 3 и 4.

6. Рассчитать удельный заряд электрона по формуле (12) для каждого случая. Величины L и n указаны на установке. Результаты расчета записать в таблицу.

Таблица

Результаты измерений и вычислений

№ n/n	U, B	k	I, A	,

 

7. Выполнить расчет погрешностей измерений методом Стьюдента.

8. Оценить приборную погрешность по классу точности приборов (e_a и e_v) по формуле:

(13)

9. Записать окончательный результат и проанализировать его.

 

Контрольные вопросы.

1. Что такое удельный заряд электрона? Чему он равен?

2. От чего зависит величина и направление силы Лоренца?

3. Какова траектория электрона, движущегося в однородном магнитном поле?

4. Выведите формулу для расстояния l, проходимого электроном вдоль магнитного поля за один оборот по спирали.

5. Выведите расчетную формулу (12).

 

Литература:

1. Савельев И. В. Курс общей физики: Учебн. пособие для втузов: в 3 т. Т. 2: Электричество и магнетизм. Волны. Оптика - 3-е изд., испр. - М.: Наука, 1988. - 496 с.

2. Калашников С.Г. Электричество. -М.: Наука. 1970.

 

 

СНЯТИЕ КРИВОЙ НАМАГНИЧИВАНИЯ ЖЕЛЕЗА.

 

Цель работы: установить зависимость магнитной индукции и магнитной проницаемости m ферромагнитного вещества от напряженности магнитного поля .

Приборы и принадлежности: тороид с двумя обмотками и железным сердечником, зеркальный гальванометр, амперметр, выпрямитель, потенциометр, двухполюсные переключатели, нормальный элемент Вестона, конденсатор известной емкости.

Теоретическое введение.

Все вещества обладают магнитными свойствами и при помещении во внешнее магнитное поле намагничиваются. Суммарное магнитное поле, существующее внутри вещества, внесенного во внешнее магнитное поле, характеризуется вектором магнитной индукции, который можно представить как векторную сумму:

, (1)

где - индукция внешнего магнитного поля, - индукция наведенного в веществе магнитного поля.

С другой стороны,

, (2)

где - напряженность внешнего магнитного поля, - магнитная постоянная, m - относительная магнитная проницаемость среды, которая показывает, во сколько раз изменяется магнитное поле вследствие намагничивания среды по сравнению с полем в вакууме.

Произведение m₀m - абсолютная магнитная проницаемость среды.

По своим магнитным свойствам все вещества делятся на три группы:

1. диамагнетики (m <1 )

(Сu, S, Hg, Ag, H₂O и др.)

2. парамагнетики (m > 1 )

(Na, K, Mn, O₂ и др.)

3. ферромагнетики (m >> 1, m = f(Н) ) (Fe, Ni, Co и их сплавы )

Магнитная проницаемость ферромагнетиков в значительной степени превосходит проницаемость диа- и парамагнетиков (до 10¹⁰). Например, для кремнистого железа (с содержанием Si 3,3%) m _max = , для пермаллоя (75% Ni, 22% Fe) m _max = .

Рис.2. Зависимость магнитной проницаемости ферромагнетика от напряженности внешнего поля Рис.1.Зависимость индукции магнитного поля ферромагнетика от напряженности внешнего поля

 

Свойства ферромагнитных веществ связаны с наличием спонтанно (самопроизвольно) намагниченных участков (доменов). В отсутствие внешнего магнитного поля вектора намагниченности доменов ориентированы хаотично. При появлении внешнего магнитного поля и его возрастании происходит перестройка доменов вдоль поля. Состояние насыщения намагничивания означает, что векторы магнитных моментов всех доменов ориентированы вдоль поля. Дальнейший рост величины магнитной индукции может происходить только за счет роста напряженности (см. график рис.1.). Зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных веществ от напряженности магнитного поля m = f(Н) носит сложный характер (см. рис.2). Впервые зависимости В = f(Н) и m = f(Н) для ферромагнетиков были изучены Л.Г.Столетовым.

Петля гистерезиса

Для ферромагнетиков характерно явление магнитного гистерезиса (отставание изменений индукции от изменений напряженности ). На рис. 3 представлена так называемая петля гистерезиса. Участок графика 0-1 – это кривая начального намагничивания.

Точка 1 соответствует насыщению намагничивания. Если уменьшать напряженность до нуля, изменение индукции происходит по линии 1-2. Величину В, выражаемую отрезком 0-2, называют остаточной индукцией.

Полного размагничивания образца можно добиться лишь при смене направления внешнего магнитного поля на противоположное (т.3). Величина напряженности поля (0-3) при которой происходит полное размагничивание, называется коэрцитивной силой (Н_К). При дальнейшем увеличении напряженности (отрезок 3-4) снова наступает насыщение (т.4) и т.д.

Существование остаточной намагниченности у ферромагнетиков делает возможным изготовление постоянных магнитов. С другой стороны, в качестве сердечников электромагнитов могут быть использованы лишь те ферромагнетики, остаточная индукция которых мала.

Описание установки.

Для измерения величин и составляют электрическую цепь, схема которой изображена на рис.4.

Тороид имеет две обмотки и сердечник из исследуемого ферромагнитного материала. Первичная обмотка с числом витков w₁ включается в цепь постоянного тока, источником которого является селеновый выпрямитель (ВС). Напряжение, приложенное к обмотке, регулируют с помощью потенциометра R. Переключатель П₁ позволяет изменять направление тока в первичной обмотке.

К вторичной обмотке w₂подключен зеркальный гальванометр (Г), представляющий собой прибор магнитоэлектрической системы. Величина смещения светового указателя (“зайчика”) по шкале гальванометра является мерой величины заряда, протекающего через гальванометр.

	Рис.4. Схема установки

Определение напряженности Н магнитного поля.

Напряженность магнитного поля в тороиде рассчитывается по формуле:

, (3)

где l – длина средней линии тороида, I – ток в первичной обмотке.

Определение магнитной индукции В и магнитной проницаемости m .

При пропускании тока I по первичной обмотке тороида в ферромагнитном сердечнике возникает магнитный поток Ф. Изменение направления тока на противоположное вызывает изменение магнитного потока с +Ф на -Ф, т.е.

D Ф = 2 Ф = 2 В S , (4)

где S - площадь сечения сердечника.

В результате во вторичной обмотке, соединенной с гальванометром, индуцируется ЭДС, равная

(5)

Dt - время переключения.

Так как цепь гальванометра замкнута, то в ней возникает ток

, (6)

где Dq – заряд протекающий через гальванометр, R – сопротивление цепи вторичной обмотки гальванометра.

Из формулы (6) получаем

(7)

Следовательно, величина заряда протекающего во вторичной обмотке при переключении пропорциональна индукции магнитного поля в сердечнике.

С другой стороны, заряд Dq пропорционален отклонению “зайчика” по шкале гальванометра

Dq = С_Б n (8)

С_Б - баллистическая постоянная гальванометра, равная величине заряда вызывающего отклонение “зайчика” на одно деление, n - число делений на которое произошло отклонение. Из формул (7) и (8) получаем расчетную формулу для индукции

(9)

или

В = К n (10)

(11)

Величины R, S, w₂ для данной установки известны. Баллистическая постоянная определяется из эксперимента, описанного ниже.

Таким образом, рассчитав в начале величину К по формуле (11), определяют магнитную индукцию В при разных значениях тока в первичной обмотке, т.е. для разных значений напряженностей магнитного поля. Величину магнитной проницаемости исследуемого ферромагнетика находят по формуле:

(12)

 

Рис 5. Схема установки

Определение баллистической постоянной гальванометра С_Б .

Для измерения С_Б собирают электрическую цепь по схеме, данной на рис.5.

e_n – нормальный элемент Вестона (e_n=1,0183 В при

 

t=20°С )

С – конденсатор известной емкости.

Первоначально конденсатор замыкают на элемент Вестона. В результате на обкладках конденсатора накапливается электрический заряд

Dq = С Dj = С e_n (13)

Затем переключают конденсатор на гальванометр. Происходит разрядка конденсатора и заряд Dq, проходя через гальванометр, вызывает отклонение “зайчика’’ на n₀ делений.

Искомая величина С_Б находится по формуле :

(14)

Порядок выполнения работы.

I. Определение С_Б .

1. Собрать электрическую цепь по схеме, представленной на рис.5.

2. Переключателем П соединить конденсатор С с нормальным элементом e_n.

3. Изменить положение переключателя П, соединив конденсатор с гальванометром. Заметить по шкале максимальное отклонение n₀ (в миллиметрах).

4. Повторить действия, указанные в п.п. 2 и 3 еще два раза.

5. Рассчитать С_Б по формуле (14), взяв среднее значение n₀ .

II. Снятие кривой намагничивания.

1. Собрать электрическую цепь по схеме, представленной на рис.4.

2. Включить в сеть осветитель гальванометра и выпрямитель ВС.

3. Установить с помощью потенциометра минимальное возможное значение тока I.

4. С помощью переключателя П₁ изменить направление тока; заметитьмаксимальное отклонение “зайчика” по шкале n₁ (в делениях шкалы).

5. При таком же значении силы тока вновь изменить его направление и заметить максимальное отклонение n₂ по шкале в другую сторону.

6. Установить новое значение тока и повторить действия, указанные в п.п.4 и 5.

7. Измерения провести для 8 - 10 значений силы тока. Полученные данные занести в таблицу.

Таблица

Результаты измерений и вычислений

№ п/п	I , A	n, дел	H, A/м	B, Тл	m
		n1	n2	nСР
…

 

8. Выключить из сети выпрямитель и осветитель гальванометра.

9. Рассчитать по формулам (3), (10) и (12) величины Н, В и m. Найденные значения занести в таблицу.

10. На листе миллиметровки построить по данным таблицы графики зависимости В = f(Н) и m = f(Н).

Контрольные вопросы.

1. Что называется напряженностью и индукцией магнитного поля? Что такое магнитный поток Ф?

2. Дайте классификацию веществ по их магнитным свойствам.

3. Каковы характерные особенности ферромагнетиков?

4. Что такое магнитная проницаемость среды?

5. В чем заключается явление магнитного гистерезиса? Изобразите петлю гистерезиса в координатах Н, В.

6. В чем заключается явление электромагнитной индукции? Как используется это явление в данной работе?

Литература:

1. Зисман Г. А., Тодес О. М.. Курс общей физики для втузов: в 3 т. Т. 2. - М.: Наука, 1974. - 340 с.

2. Калашников С.Г. Электричество. -М.: Наука. 1970.

Часть VIII. Волновая оптика

ОпределениЕ фокусного расстояния

собирающей и рассеивающей линз

 

Цель работы: определить фокусное расстояние собирающей и рассеивающей линз.

Приборы и принадлежности: оптическая скамья, собирающая и рассеивающая линзы, осветитель, экран с нанесенной меткой (предмет), миллиметровая шкала.

Теоретическое введение

Прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями, называется линзой. Прямая, проходящая через центры сферических поверхностей, называется главной оптической осью линзы. Если толщина линзы пренебрежимо мала по сравнению с радиусами кривизны ее поверхностей R₁ и R₂ и расстоянием от предмета до линзы a, то линзу называют тонкой. Точка С (рис.1) – оптический центр линзы. Лучи света проходят через оптический центр линзы без преломления. Прямые, проходящие через оптический центр линзы, называются оптическими осями линзы. Оптическая ось, проходящая через центры сферических поверхностей линзы, называется главной оптической осью. Лучи, идущие параллельно главной оптической оси, после преломления в линзе собираются в точке, называемой фокусом линзы (рис.1). Очевидно, что у линзы имеется два фокуса (передний и задний). Рассеивающая линза обладает мнимыми фокусами. Расстояние между фокусом и оптическим центром линзы называется фокусным расстоянием f. Величина, обратная фокусному расстоянию, называется оптической силой линзы D. Оптическая сила линзы измеряется в диоптриях (1Дптр=1м^-1) и для тонкой линзы вычисляется по формуле:

, (1)

где n_л - абсолютный показатель преломления линзы,

n_ср -абсолютный показатель преломления среды,

R₁ и R₂- радиусы кривизны линзы.

 

Знак правой части формулы определяет оптические свойства линзы. При положительной правой части линза является собирающей, при отрицательной – рассеивающей. Формула тонкой линзы может быть записана в виде:

, (2)

 

где f – фокусное расстояние, a - расстояние от предмета до линзы, b -расстояние от изображения до линзы.

Условились, что b>0, если изображение действительное, и b<0, если изображение мнимое, а также f>0, если линза собирающая, и f<0, если линза рассеивающая.

Для построения изображения в линзе используют лучи, ход которых известен (рис.2).

1. Луч, параллельный главной оптической оси, после преломления в линзе проходит через фокус.

2. Луч, идущий через центр линзы, не меняет своего направления.

3. Луч, идущий через фокус, после преломления идет параллельно главной оптической оси. Для построения изображения можно использовать любые два луча.

Линейным увеличением предмета в тонкой линзе называется отношение линейных размеров изображения и предмета. Из подобия треугольников DABC и DA′B′C следует, что

,

На рис.3 даны примеры построения изображения предметов в различных линзах (пунктиром показано построение мнимого изображения предмета).

Описание установки

Для определения главного фокусного расстояния линзы используют простую установку, состоящую из оптической скамьи, снабженной миллиметровой шкалой, исследуемой линзы, предмета (освещенного лампой матового стекла с нанесенной на него меткой) и экрана, которые могут перемещаться вдоль скамьи.

 

Порядок выполнения работы.

 

I часть.Определение фокусного расстояния собирающей линзы.

1. Расположить приборы на оптической скамье так, чтобы линза находилась между предметом и экраном. Экран поместить на возможно большем расстоянии от предмета.

2. Перемещая линзу вдоль скамьи, найти отчетливое изображения предмета АВ на экране и отметить по шкале расстояния a и b.

3. Меняя положение экрана и линзы, повторить измерения пять раз, полученные значения занести в таблицу результатов измерений.

4. По формуле для каждого опыта вычислить фокусное расстояние собирающей линзы.

5. Вычислить приближенное значение f, абсолютную и относительную погрешности методом Стьюдента. Окончательный результат записать в виде f=f_пр±Df

6. Вычислить оптическую силу линзы

Таблица 1

Результаты измерений для собирающей линзы.

№ п/п	a	b	f	fпр	Df

 

 

II часть.Определение фокусного расстояния рассеивающей линзы.

1. Расположить на оптической скамье предмет, собирающую линзу и экран.

2. Измерить по шкале положение экрана, соответствующее резкому изображению предмета. Обозначить его точкой D (см. рис. 4).

3. Между собирающей линзой L₁ и точкой D поместить рассеивающую линзу L₂. Перемещением экрана добиться резкого изображения предмета; это положение обозначено точкой Е. Если принять, что для линзы L₁ предметом является изображение в плоскости, проходящей через точку Е, то EC=a и DC=b.

4.
Повторить измерения пять раз для разных положений линзы и экрана и полученные результаты занести в таблицу, аналогичную предыдущей.

5. По формуле (2) с учетом знаков b и f вычислить фокусное расстояние рассеивающей линзы L₂ для каждого опыта.

6. Из полученных значений f вычислить приближенное значение, абсолютную и относительную ошибки. Окончательный результат записать в виде: f=f_пр±Df

7. Вычислить оптическую силу линзы .

Контрольные вопросы

 

1. Что такое линза? Какую линзу называют тонкой, собирающей, рассеивающей?

2. Запишите формулу тонкой линзы.

3. Дайте определение фокуса, фокусного расстояния, оптической силы линзы.

4. Постройте изображение предмета в собирающей линзе при условиях f<a<2f, a=2f, a>2f, a<f .

5. Может ли собирающая линза рассеивать лучи? Ответ аргументируйте с помощью оптической схемы.

6. Что такое линейное увеличение линзы? От чего оно зависит?

7. Пояснить сущность методов определения фокусного расстояния собирающей и рассеивающей линз.

8. Построить изображение предмета в рассеивающей линзе. Построить в рассеивающей линзе изображение точки, находящейся на главной оптической оси линзы.

9. Вывести формулу для вычисления фокусного расстояния рассеивающей линзы в соответствии с проделанным экспериментом.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРА ПРИ ПОМОЩИ

ФОТОМЕТРА ПУЛЬФРИХА И ФОТОЭЛЕКТРОКОЛОРИМЕТРА

ФЭК-56

 

Цель работы – построить кривую поглощения окрашенного раствора и определить его концентрацию.

Приборы и принадлежности: фотометра Пульфриха (или ФЭК-56), кюветы, растворы с различной концентрацией, дистиллированная вода.

 

Теоретическое введение

Измерение концентрации окрашенного раствора с помощью фотометра Пульфриха или фотоэлектроколориметра основано на явлении поглощения видимого света.

Поглощение – это превращение световой энергии во внутреннюю энергию вещества, через которое проходит световая волна. Вследствие поглощения энергия светового пучка уменьшается. Если среда неоднородная (мутная), то энергия светового пучка, по мере его прохождения через среду, уменьшается за счет рассеяния. Наличие окраски – признак поглощения света в видимой области. Действительно, если бы все видимые лучи белого света прошли бы без поглощения, то на выходе из раствора они создали бы ощущение того же белого света, и раствор был бы бесцветным.

Поглощение света можно описать следующим образом. Пусть на поверхность прозрачной однородной среды толщиной xнормально к поверхности падает параллельный пучок световых лучей с интенсивностью I₀. Выделим в данной среде бесконечно тонкий слой толщиной dx (рис.1).

Количество световой энергии dI, поглощенное этим слоем, можно принять пропорциональным его толщине и интенсивности падающего на него света

(1)

Знак минус указывает на то, что интенсивность света убывает на отрезке dx.

Коэффициент пропорциональности k называется коэффициентом поглощения. Коэффициент поглощения выражает относительное поглощение света на единице длины поглощающего вещества. Он определяется свойствами поглощающей среды и при прочих равных условиях зависит от длины волны. При умеренных плотностях облучения ни от интенсивности падающего света, ни от толщины слоя коэффициент поглощения не зависит.

Чтобы получить связь между интенсивностью и толщиной слоя при конечных значениях толщины x, нужно проинтегрировать выражение (1).

;

.

После потенцирования получим

, (2)

где I₀ – интенсивность света, падающего на поглощающий слой,

I – интенсивность света, вышедшего из слоя то