Квантовые явления
Практикум по квантовым явлениям позволяет проводить обширные и качественные лабораторные работы с использованием различного оборудования.
Лабораторный практикум позволит пополнить теоретические знания учеников практическим опытом.
Состав практикума по
квантовым явлениям
Комплект оборудования позволяет выполнять как минимум 5 лабораторных работ в соответствии с требованиями учебных программ школьного курса физики, в том числе: изучение квантовых и волновых свойств излучения светодиода, измерение радиоактивного фона излучения и т. д.
- Индикатор радиоактивности – 1 шт.
- Комплект фотографий треков заряженных частиц – 1 шт.
- Лампа накаливания на подставке (напряжение питания: от 3,5 до 6В) – 1 шт.
- Лампа неоновая на подставке (напряжение питания: от 3,5 до 6В) – 1 шт.
- Полупроводниковый элемент на подставке – 1 шт.
- Светодиод на подставке (напряжение питания: от 3,5 до 6В) – 1 шт.
- Экран – 1 шт.
- Рейка – 1 шт.
- Опора – 1 шт.
- Провод соединительный – 6 шт.
- Рамка с дифракционными решетками 600/300/75/50 штр.мм. – 1 шт.
- Светофильтр красный – 1 шт.
- Светофильтр синий – 1 шт.
- Светофильтр зеленый – 1 шт.
- Амперметр
- Вольтметр
Пример одного эксперимента (Квантовые явления)
Вы можете видеть на интерактиве пример одного из экспериментов: как он делается, от и до.
Лабораторные работы помогают раскрыть весь потенциал предложенного оборудования и состоят из нескольких частей:
краткая теоретическая часть по изучаемой тематике, список оборудования для проведения опыта, описание хода работы с пошаговыми инструкциями, методика обработки полученных данных.
- Прибор для наблюдения дифракционных спектров (1)
- Дифракционная решетка (2)
- Неоновая лампа в корпусе (3)
- Лампа накаливания в корпусе (4)
- Светоизлучающий диод в корпусе (5)
- Фильтры R (красный), G (зеленый), B (синий) (6)
- Источник питания (7)
- Линейка с прорезью и шкалой (8)
- Опора для приведения прибора в рабочее состояние (9)
- Соединительный провод (2 шт.) (10)
На рисунке показана схема эксперимента (вид сверху). Наблюдатель располагается слева за дифракционной решеткой. Его взгляд сквозь зону решетки, содержащую 75 линий на миллиметр, направляется на прорезь в линейке, совпадающую с нулем шкалы, нанесенной на линейку.
Одновременно различаются деления шкалы и расположенные на ее фоне интерференционные всплески оранжевого цвета, первые из которых находятся на расстояниях ±х симметрично по обе стороны от щели, вторые, более бледные, на расстояниях ±2х, и так далее - теоретически до состояния, при котором угол φ станет равным 90°.
Для расчета длины волны излучения λ используют формулу:
где d- постоянная дифракционной решетки, равная общей ширине прозрачной и непрозрачной полос, выраженной в миллиметрах. Для нашего случая:
m-1, 2, 3...- порядки дифракционных максимумов. Для максимумов, ближайших к щели, m=1.
Максимумы второго и следующих порядков рассмотреть сложно из-за ограниченной яркости источника света. Функцию sin φ для вычисления длины волны рассчитывают по формуле:
где х- отклонение первого дифракционного максимума от середины щели до середины его изображения (х=± 12,5 мм);
L- расстояние от дифракционной решетки до шкалы (L= 285 мм).
Прибор для наблюдения дифракционных спектров состоит из Т-образного основания 1, выполненного из алюминиевого проката квадратного сечения с продольными пазами, служащими для крепления внешних устройств, а также для объединения отрезков труб в пространственные конструкции.
Длина продольного элемента равна 300 мм, поперечного - 100 мм. Наружные торцы элементов основания закрыты заглушками 2.
Слева в продольной направляющей установлен опорный стержень 3, который при выполнении опытов используется для приведения основания в наклонное положение, удобное для визуального наблюдения.
Вдоль продольной направляющей с небольшим трением перемещаются две опоры 4 и 5. На опоре 4 с помощью магнита крепится дифракционная решетка, а на опоре 5 фиксируется линейка с прорезью и шкалой.
Платформа 6 служит для устойчивого и точного размещения одного из трех источников света: неоновой лампы, лампы накаливания или светоизлучающего диода.
На рис. 3 показан прибор для наблюдения дифракции, приведенный в рабочее состояние. Дифракционная решетка 1 крепится на подвижной опоре 4 (см. рис. 2), что позволяет смещать ее вдоль продольной направляющей в нужное положение.
Шкала с прорезью 2 своим выступом в нижней части крепится в прямоугольном отверстии опоры 5 (см. рис. 2).
Блоки осветителей 3 поочередно устанавливаются на платформу 6 (см. рис. 2) так, чтобы луч от элемента, излучающий свет, был параллелен основанию и попадал на нужный участок дифракционной решетки, а затем в глаз наблюдателя.
Направление взгляда наблюдателя условно показано в виде рисунка глаза.
На рисунке 4 показаны дифракционная решетка (а) и фильтры (б).
Рабочая зона решетки разбита на четыре участка с числом линий на 1 мм 50, 75, 300 и 600.
Каждая линия состоит из двух линий - прозрачной для света и непрозрачной. Располагаются линии вертикально для рис. 4 (а). Именно в такой ориентации решетка должна устанавливаться в прибор. В лабораторной работе удобно использовать зону с числом линий 75. Следовательно, прибор должен быть отрегулирован так, чтобы центральный луч света проходил через эту зону.
Регулировка достигается установкой решетки на рабочую позицию относительно наблюдателя в положении, показанном на рис. 4 (а). Уточненное положение решетки получают ее сдвигом в горизонтальном направлении до совпадения линии наблюдения со щелью в линейке. При этом дифракционная картина должна быть симметрична относительно щели.
Соберите прибор для наблюдения дифракционных спектров как показано на рис. 3. Линейку с прорезью и шкалой закрепите нижним выступом в прямоугольном отверстии опоры 5 (см. рис. 2). Убедитесь, что при взгляде вдоль продольной направляющей хорошо видны деления шкалы линейки. Дифракционную решетку закрепите на магните подвижной опоры 4 (см. рис. 2) и сместите ее в поперечном направлении так, чтобы прорезь в шкале линейки была видна сквозь зону решетки, имеющую 75 линий на мм.
Позади шкалы установите блок осветителя «Неоновая лампа» и подключите его к источнику переменного напряжения 5 В.
Откорректируйте положение блока так, чтобы сквозь прорезь линейки был хорошо виден источник света.
По обе стороны от центрального максимума появится спектр излучения неона (рис. 6). Определите по шкале расстояния от щели до центров первых и вторых максимумов, т.е. ±х и ±2х. При отклонении измеренных значений от показанных на рис. 6, откорректируйте рисунок, убедившись в правильности сборки прибора. Постарайтесь при этих измерениях сохранять угол между линейной и продольной направляющей как можно ближе к 90°.
Запишите полученные данные в отчет. Измерьте расстояние L от дифракционной решетки до линейки. Воспользовавшись формулой 2, рассчитайте sinф, используя параметр x, полученный ранее.
Зарисуйте дифракционный спектр неоновой лампы - рис. 6. Этот спектр получен расчетным путем.
На рис. 7 показано фото реального дифракционного спектра неоновой лампы. Обратите внимание на присутствие в спектральных максимумах красной и желтой составляющих. Это явление объясняется тем, что неоновое свечение содержит не только оранжевые линии, но также по обе стороны расположенные красные и желтые.
По формуле 1 определите длину волны излучения неоновой лампы.
Из опыта следует, что неоновая лампа имеет линейчатый спектр излучения, длина волны которого, рассчитанная по формуле 1, находится в пределах диапазона 590... 625 нм и соответствует длине волны одной из линий оранжевого цвета.
Позади шкалы установите блок «Лампа накаливания» и подключите его к источнику постоянного напряжения. На рис. 8 (вид сверху) условно показана дифракция (расщепление) белого света на семь цветов спектра
Как видно, оранжевый цвет спектра находится на том же удалении от щели, что и при дифракции волны от неоновой лампы (см. рис. 6 и 7).
Излучение лампы накаливания представляет собой белый свет, содержащий все длины волн, перекрывающие диапазон видимого света 740...380 нм. Этот диапазон принято разделять на семь поддиапазонов по цвету средней длины волны:
740... 625 нм - красный цвет;
625... 590 нм - оранжевый цвет;
590... 565 нм - желтый цвет;
565... 500 нм - зеленый цвет;
500... 485 нм - голубой цвет;
485... 440 нм - синий цвет;
440... 380 нм - фиолетовый цвет.
На рис. 9 показан полученный расчетом результат дифракции белого света на шкале.
На рис. 10 показан результат дифракции белого света, наблюдаемый сквозь дифракционную решетку.
На рисунке видно, что боковые максимумы содержат полный спектр белого света.
Для выделения отдельных спектральных линий используются фильтры- устройства, обладающие избирательным пропусканием одного цвета и подавлением остальных цветов.
На рис. 11 и 12 показаны спектры лампы накаливания, прошедшие через красный фильтр.
На рис. 13 и 14 представлены спектры излучения лампы накаливания, прошедшие через зеленый фильтр.
На рис. 15 и 16 представлены спектры излучения лампы накаливания, прошедшие через синий фильтр.
Позади линейки установите блок «Светодиод» и подключите его к источнику постоянного напряжения 5В.
На рисунках 17 и 18 показаны спектры излучения красного света, расчетный и реальный соответственно.