Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

1. С помощью микрометра измерьте диаметр шарика и определите его радиус. Измерения проводите три раза и вычислите среднее значение.

2. Опустите шарик в цилиндр с исследуемой жидкостью и с помощью секундомера измерьте время, в течении которого шарик пройдет расстояние от одной метки на цилиндре до другой (см. рис.3). Время падения шарика определите три раза и вычислите среднее значение t_ср.

3. Линейкой измерьте пройденный шариком путь ℓ.

4. Выпишите из таблицы значения плотности шарика и плотность жидкости ρ₀.

5. Измерьте диаметр цилиндра и вычислите его радиус R и оцените отношение r/R.

6. Вычислите коэффициент внутреннего трения по соответствующей формуле.

7. Рассчитайте ошибки измерений.

Примечания: относительную ошибку измерений коэффициента внутреннего трения вычисляется по формуле:

8.Данные измерений и вычислений занесите в таблицы 3 и 4.

Таблица 3

Постоянные величины

Таблица 4

Результаты эксперимента

9.Сделайте выводы.

ЗАДАНИЕ 3. Определение коэффициента внутреннего трения жидкости гемовискозиметром капиллярным ВК-4.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: гемовискозиметр капиллярный ВК — 4, исследуемая жидкость, дистиллированная вода, аммиак водный 25%, спирт.

Градуированные пипетки спаянные из трех отдельных капилляров, имеют цифровые отметки 0, ½, ¾, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, причем расстояние между отметками 1, 2….10 разделено на 10 равных частей. На подставке укреплен кран 3, соединенный с правой пипеткой при помощи резиновой трубки 4 и через стеклянный тройник 5 и резиновые трубки 6, 7, 8 с наконечником 9и левой пипеткой. Наконечник служит для отсасывания ртом воздуха из прибора и создания, таким образом, необходимого вакуума в пипетках. Кран служит для перекрытия пипетки, в которую набирается дистиллированная вода (см. рис. 4).

Рис.4

2.1. До начала работы по определению вязкости крови, градуированные пипетки должны быть предварительно очищены аммиаком водным, промыты спиртом и просушены. От чистоты каналов пипеток зависит беспрепятственное, без посторонних задержек продвижение жидкостей в капиллярах и, следовательно, правильность показаний прибора при определении вязкости крови.

3.2. Для лучшей герметичности и плавности работы кран должен быть смазан вазелином: для разборки крана необходимо снять резиновое кольцо на конце пробки и после смазки притертых поверхностей вазелином одеть его на пробку.

3.3. В процессе промывки пипеток путем поочередного втягивания в них аммиака водного необходимо следить за тем, чтобы они не попали в резиновые трубки и капилляры уравнительные, т. к. удаление аммиака водного и спирта затруднительно и может привести к ошибочным показаниям прибора.

3.4. После промывки и просушки прибора необходимо убедиться в тщательности его очистки и правильности его показаний.

3.4.1. Для этой цели в правую пипетку, открыв кран, втягивают дистиллированную воду до отметки «0», при этом наблюдают чтобы в столбе воды не было пузырьков воздуха и чтобы вода находилась на всем протяжении от отметки «0» до конца пипетки. Затем, перекрыв кран, втягивают дистиллированную воду в левую пипетку до отметки «0».

После этого, повернув пробку крана на соединение правой пипетки с тройником, энергично, но осторожно втягивают ртом воздух из обеих пипеток, создавая таким образом вакуум во всей системе, отчего столбики жидкости в обеих пипетках будет двигаться вперед.

3.4.2. Если оба столбика воды в пипетках одновременно заняли положение отметки «5», то прибор считается тщательно очищенным, омытым и осушенным, и показания его при работе будут верными. Допускаемое отклонение показаний при этой проверке может быть ±2 малых деления шкалы.

3.5. После проверки по п. 3.4. пипетки следует вновь промыть спиртом и просушить. Перед производством анализа необходимо провести просушку всей системы путем интенсивного и продолжительного продувания прибора воздухом при помощи резиновой груши или насоса.

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

4.1. Проведение анализа.

4.1.1. Убедившись в тщательности очистки и просушки прибора приступают к анализу.

4.1.2. Кран открывают так, чтобы отверстие пробки крана было в одной оси с правой пипеткой и, вставив свободный конец пипетки во флакон с дистиллированной водой, втягивают воду до отметки “О”, всасывая ртом воздух через стеклянный наконечник резиновой трубки.

4.1.3. Убедившись, что вода полностью заполнила пипетку до отметки «0», осторожно закройте кран.

4.1.4. Температура окружающей среды при производстве анализа вязкости крови должна быть 20 ± 3^оС.

4.1.5. Руку или палец больного перед уколом необходимо предварительно подержать в воде с температурой 38 ± 2^оС и сильно растереть. Кровь должна вытекать из места укола без всякого давления на палец.

4.1.6. Быстро, чтобы выступающая из пальца кровь как можно меньше соприкасалась с воздухом, поднося прибор концом левой пипетки к капле крови на пальце и, держа стеклянный наконечник во рту, энергично втягивают кровь до отметки «0», наблюдая при этом, чтобы кровь полностью, без пузырьков заполнила пипетку от конца до отметки»0». Особое внимание обратить на точную установку столба крови у отметки «0», так как вязкость воды, и точность положения крови у отметки «0» будет влиять на точность результатов по определению вязкости крови.

4.1.7. Убедившись, что кровь точно дошла до отметки «0», отнимают прибор от пальца больного, ставят прибор на стол, поворачивают пробку крана, соединяя правую пипетку с тройником и энергично, но осторожно втягивают ртом воздух из обеих пипеток, отчего столбики крови и дистиллированной воды будут продвигаться вдоль пипеток вперед с разными скоростями. При подходе столбика крови до отметки «1» прекратить дальнейшее втягивание воздуха.

4.2. Измерение.

4.2.1.Так как дистиллированная вода имеет вязкость значительно меньшую, чем кровь, то за время продвижения крови до отметки «1», вода пройдет гораздо больший путь по своей пипетке.

4.2.2. Принимая вязкость дистиллированной воды за единицу, методом сравнения вязкости крови с вязкостью воды, можно определить вязкость крови в относительных единицах.

4.2.3.Так как пути, пройденные кровью и дистиллированной водой в своих пипетках, имеющих равное сечение и при одинаковых условиях обратно пропорциональны вязкости этих жидкостей, то отклонение величины столбика воды к величине столбика крови будет характеризовать вязкость крови.

4.2.4.Но, так как кровь была втянута только до отметки «1», то отношение величины столбика воды к величине столбика крови будет равно самой величине столбика воды. Эта величина будет характеризовать вязкость крови в относительных единицах.

4.2.5.В тех случаях, когда испытуемая кровь весьма вязкая и продвигается по пипетке очень медленно, а вода за это время заполняет всю пипетку, кровь втягивается не до отметки «0», а до отметки «3/4» или «1/2» и тогда величину столба воды делят на числитель и умножают на знаменатель.

4.3. Вычисление. Примеры.

4.3.1.Кровь втянута до отметки «1», а дистиллированная вода прошла за это время путь от отметки «0» до отметки «4,7». Следовательно, вязкость крови равна 4,7.

4.3.2.Кровь втянута до отметки «3/4», а дистиллированная вода прошла за это время путь до отметки «9,6». Тогда вязкость крови равна:

Жидкости, как газы и твердые тела, состоят из мельчайших частиц – молекул, между которыми действуют силы взаимного притяжения и отталкивания. Силы молекулярного взаимодействия быстро убывают с увеличением расстояния от молекулы и уже на расстоянии R, равном 10^-7см, практически не проявляются (радиус самих молекул r = 0,5_*10^-7см).

Расстояние R, называется радиусом молекулярного действия, а сферу радиусом R – сферой молекулярного действия.

Молекула, находящаяся внутри жидкости, испытывает одинаковое взаимодействие со стороны молекул, окружающих ее со всех сторон. Равнодействующая молекулярных сил, действующих на нее, будет равна нулю. Если же молекула расположена на поверхности жидкости, то равновесие нарушается: притяжение со стороны молекул, лежащих внутри жидкости больше и равнодействующая молекулярных сил направлена внутрь жидкости F_1,2 . (рис 1).

Рис.1

Молекулярные силы, действующие на все частицы, лежащие в тонком поверхностном слое, толщина которого равна радиусу сферы действия молекулы, складываясь между собой, оказывают на поверхность жидкости некоторое давление, которое называют молекулярным давлением. Все молекулы, находящиеся в поверхностном слое жидкости, подвержены действию этих сил, стремящихся втянуть их внутрь жидкости.

Таким образом, под действием молекулярных сил, направленных внутрь жидкости, поверхностный слой жидкости находится в особом, напряженном состоянии, напоминая собой напряжение растянутой пленки, стремящейся сократиться.

Чтобы переместить молекулу из глубины на поверхность жидкости, надо совершить работу против результирующей силы молекул в поверхностном слое. В результате молекулы на поверхности жидкости обладают определенной потенциальной энергией, называемой свободной поверхностной энергией. Если на жидкость не действуют внешние силы, то значение свободной поверхностной энергии оказывается минимальным; при этом минимальна и площадь и самой поверхности. Капли жидкости в невесомости имеют форму шариков (минимальная площадь поверхности). В земных условиях действует сила тяжести, которая пытается сдавить каплю, в результате чего она принимает форму эллипса.

Работа, которую нужно совершить для увеличения свободной поверхности жидкости будет равна:

где α – коэффициент поверхностного натяжения.

По своему физическому смыслу α является работой, которую надо затратить, чтобы увеличить поверхность жидкости на единицу при сохранении ее объема неизменным. Коэффициент поверхностного натяжения α измеряется в системе СИ в Дж/м².

Для того, чтобы поверхностную пленку удержать в равновесии, нужна определенная сила F, приложенная касательно к поверхности жидкости. Она будет тем больше, чем больше длина ℓ, ограничивающей поверхности пленки:

F = α _*ℓ (1)

где α – коэффициент поверхностного натяжения.

Из формулы (1) следует, что

α = ,

т. е. коэффициент поверхностного натяжения жидкости численно равен силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины контура, ограничивающего поверхность жидкости. Из (2) видно, что α измеряется в Н/м. Коэффициент поверхностного натяжения жидкости имеет порядок 10^-2— 10^-1Н/м; для воды он равен 0,073 Н/м, а для ртути 0,54 Н/м. С повышением температуры коэффициент поверхностного натяжения уменьшается в связи с увеличением среднего расстояния между молекулами жидкости.

Когда жидкость налита в сосуд, то между молекулами стенок сосуда и молекулами поверхности жидкости действуют силы притяжения F_α (адгезии, т. е. силы прилипания молекул двух различных тел, вызванные взаимным притяжением), F_к они приводят к возникновению краевого угла θ между стенками сосуда и поверхностью жидкости. Равнодействующая сил когезии и адгезии F_α и F_к всегда перпендикулярна поверхности жидкости (рис. 2).

Рис.2

Из рис. 2 видно, что равнодействующая этих сил F может иметь различное направление, в результате чего поверхность жидкости может быть вогнутой, выпуклой или горизонтальной. Если жидкость смачивает стенки, то силы когезии F_к меньше, чем силы адгезии F_α; результирующая сила направлена из жидкости. В этом случае поверхность имеет вогнутую форму.

В не смачивающей жидкости, по аналогичным соображениям поверхность жидкости примет выпуклую форму.

Если F_α = F_к, то поверхность жидкости горизонтальна.

Под искривленной поверхностью жидкости, помимо внутреннего давления Р., создается еще дополнительное давление ΔР, обусловленное кривизной поверхности (рис. 3). Это добавочное давление всегда направлено к центру кривизны поверхности. Если жидкость имеет выпуклую поверхность, то добавочное давление направлено вовнутрь жидкости и общее давление в жидкости в этом случае будет больше, чем под горизонтальной поверхностью.

Рис.3

Если поверхность жидкости имеет вогнутую форму, то добавочное давление направлено к центру кривизны, находящемуся вне жидкости, и общее давление здесь меньше, чем под горизонтальной поверхностью.

Добавочное давление для сферической поверхности определяется по формуле Лапласа:

ΔР = ,

где ΔР – добавочное давление,

α – коэффициент поверхностного натяжение,

r – радиус кривизны поверхности жидкости.

1. Описание экспериментальной установки

В данной работе определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости используется метод отрыва капель.

Испытуемая жидкость медленно по каплям вытекает из узкого отверстия тонкой стеклянной трубки (бюретки), установленной вертикально на штативе. Поверхностная пленка, образующаяся в отверстии, оказывает сопротивление вытеканию жидкости. Под давлением вышележащих слоев жидкости пленка растягивается, и жидкость собирается в каплю на конце трубки (рис.4).

На каплю действует сила тяжести P=mg , направленная вертикально вниз, и сила поверхностного натяжения F , действующая вверх. Пока капля удерживается на конце отверстия, сила Fбольше по величине, чем сила тяжести P. Так как жидкость вытекает из трубки, то капля будет увеличиваться в размере, и сила тяжести будет возрастать. Наступит такой момент, когда сила будет находиться в покле. Но как только Р. незначительно превысит силу поверхностного натяжения F, капля оторвется и упадет.

Пир вычислении считаем, что момент отрыва Р. = F, а силу поверхностного натяжения F можем определить по формуле (1):

F= α ℓ

где ℓ — длина контура, по которому разрывается поверхностный слой жидкости,

а он равен длине окружности в месте перетяжки (рис. 4).

Рис.4

Если радиус перетяжки обозначить через r, то ℓ=2πr и тогда запишем:

mg = α2πr

Тогда

,

Эта формула является расчетной для α.

2. Порядок выполнения работы.

1. Взвесьте на технических весах чистый сухой стаканчик и определите его массу m₁.

2. Налейте в бюретку исследуемую жидкость.

3. Подставьте под бюретку второй стакан и отрегулируйте кран так, чтобы жидкость вытекала каплями (примерно 30 капель в минуту).

4. Подставьте под бюретку взвешенный стаканчик: наберите в него n капель исследуемой жидкости (число капель задается преподавателем).

5. Определите массу стаканчика с каплями m₂.

6. Вычислите массу одной капли по формуле:

7. Опыт повторите 3 раза и найдите среднее значение массы одной капли m.

8. Вычислите коэффициент поверхностного натяжения по формуле (3) (радиус перетяжки написан на бюретке).

9. Рассчитайте ошибки измерений по формулам :

10.Данные измерений и вычислений занесите в таблицу I:

Таблица 1

Результаты эксперимента

11. Запишите ответ в виде:

12.Сделайте выводы.

Теплоемкостью какого-либо тела С_т называется физическая величина,

численно равная количеству теплоты, которое нужно сообщить телу, чтобы повысить его температуру на один градус:

С_т =

Теплоемкость единицы массы вещества называется удельной теплоемкостью и обозначается С_уд.

Теплоемкость моля вещества называется молярной теплоемкостью и обозначается С.

Удельная и молярная теплоемкости связаны между собой соотношением:

Для газов удельная теплоемкость (а также молярная) существенно зависит от условий, при которых производится нагревание газа. Если нагревание происходит при постоянном давлении, то все подводимое количество теплоты идет на увеличение внутренней энергии газа и работу по расширению газа. При нагревании газа при постоянном объеме работа по расширению газа не совершается и поэтому требуется меньшее количество теплоты. Поэтому для газов следует различать две удельные (а значит и молярные) теплоемкости –

при постоянном давлении С_р и при постоянном объеме С_у.

Молярная теплоемкость газа при постоянном объеме газа равна:

где i-число степеней свободы молекул газа,

R-универсальная газовая постоянная.

Молярная теплоемкость газа при постоянном давлении равна:

С_р.=

Отношение молярных теплоемкостей С_р/ С_у. Обозначается γ и равно:

Из формулы видно, что γ зависит только от числа степеней свободы молекул газа. Напомним, что числом степеней свободы называется число независимых координат определяющих положение тела в пространстве. Для одноатомной молекулы число степеней свободы равно 3, для двухатомной – 5, для трехатомной молекулы – 6.

Отношение теплоемкости газа γ является важной характеристикой. Оно входит в уравнение Пуассона, описывающее адиабатические процессы.

Адиабатическими процессами называются такие процессы, при которых не происходит теплообмена газа, с окружающей средой. Очень быстро протекающие процессы, при которых не происходит теплообмена газа с окружающей его средой являются адиабатическими. По понятным соображениям, очень быстро протекающие процессы сжатия или расширения газа являются адиабатическими. Адиабатические расширения или сжатия газа сопровождаются изменением его внутренней энергии, а следовательно, и температуры.

При адиабатическом сжатии температура газа повышается, а при адиабатическом расширении-понижается.

Уравнение Пуассона можно записать через любую пару переменных: pV, T, PТ:

TV

II. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Лабораторная установка (рис.1) состоит из стеклянного баллона Б, закрытого пробкой. В пробку вставлен стеклянный четверник, с помощью которого баллон соединен с манометром М, насосом Н и атмосферой (кран К). В шланг, соединяющий баллон с насосом, вставлен кран П, служащий для прекращения выхода воздуха после накачивания его в баллон.

Рис.1

Рассмотрим ход опыта Клемана и Дезорма. Открыв кран П и закрыв кран К, насосом накачивают воздух в баллон, при этом воздух сжимается, а его температура и давление повышаются. Через некоторое время, благодаря теплопроводности стен баллона, воздух внутри него охладится до температуры окружающей среды, при этом в манометре установится некоторая разность уровней жидкости в правом и левом коленах. Обозначим разность уровней через разность h₁. Она показывает, на сколько давление внутри баллона больше атмосферного.

Если обозначить атмосферное давление P₀, то давление внутри баллон будет равно P₀ h₁ (конечно P₀ и h₁ должны быть выражены в одних и тех же единицах).

Значит, первое состояние газа можно описать следующими параметрами:

P₀ h₁ – давление воздуха внутри баллона,

V₁ – объем некоторой массы воздуха внутри баллона,

Т₁ – температура воздуха внутри баллона, равная температуре окружающей среды.

Откроем кран К на время, пока давление в баллоне не станет атмосферным (P₀), при этом часть воздуха выйдет из баллона и в самом баллоне воздух расширится. Процесс расширения воздуха происходит достаточно быстро и его можно считать адиабатическим. Следовательно, газ совершат работу по расширению за счет уменьшения его внутренней энергии, а значит его температура понижается.

Тогда второе состояние газа можно описать параметрами:

P₀ – Давление воздуха, равное атмосферному давлению,

V₂ – объем газа,

Т₂ – температура воздуха внутри баллона, ставшая меньше чем Т₁.

Через некоторое время воздух внутри баллона нагревается до температуры окружающей среды, при этом его объем не изменяется, следовательно, увеличивается давление. В манометре установится некоторая разность уровней жидкости в правом и левом коленах.

Третье состояние газа можно описать следующими параметрами:

Р._о h₂ – давление воздуха внутри баллона,

V₂ – объем газа,

Т₁ – температура газа.

Сравнивая первое и третье состояние газа, можно заменить, что температуры одинаковы, следовательно, можно применить закон Бойля – Мариотта: «Для данной массы газа при постоянной температуре давление газа изменяется обратно пропорционально объему»:

, (1)

Переход газа из первого во второе состояние, как уже отмечалось, произошел адиабатически; следовательно, применим закон Пуассона в виде

PV^γ = const:

, (2)

Сопоставляя формулы (1) и (2), получим:

.

Прологарифмируем последнее выражение:

.

Из него найдем γ:

, (3)

Так как давление Р₀, Р₀ h₁, Р₀ h₂ незначительно отличаются друг от друга, то в формуле (3) отношение разности логарифмов можно заменить отношением разность самих чисел Р₀, Р₀ h₁, Р₀ h₂. Тогда получим:

. (4)

Формула (4) является расчетной для определения отношения теплоемкости.

Теплоемкость тела характеризуется количеством теплоты,необходимым для нагревание этого тела на один градус (Дж/град). Если для увеличения температуры тела на Т градусов необходимо сообщить ему ΔQ джоулей, то средняя теплоемкость тела в интервале ΔТ определяется как:

(1)

Теплоемкость тела пропорциональна массе и зависит от вещества тела. Удельная теплоемкость С_уд данного вещества (дерева, железа, воздуха и т. д.) характеризуется количеством тепла на один градус, и измеряется в Дж/кг град. Удельная теплоемкость.

Для газов удобно пользоваться молярной теплоемкостью (С_мол или просто С), характеризующейся количеством теплоты, нужным для нагревания одного киломоля данного вещества на один градус.

Очевидно, что

С_уд/Дж/кг_*град/_*μ/кг/кмоль/ = С /Дж/кмоль_*град/.

Поскольку в 1 киломоле любого газа содержится одинаковое количество молекул, а средняя кинетическая энергия молекул не зависит от их массы, то можно ожидать, что молярные теплоемкости всех достаточно разреженных газов должны быть одинаковыми.

Теплоемкость тела существенно зависит от того, как меняются состояния тела в процессе нагревания. Рассмотрим для простоты идеальный одноатомный газ. Если мы будем нагревать газ, заключенный в замкнутом объеме, V = const (рис. 1, а), то все подводимое тепло ΔQ будет идти только на увеличение внутренней энергии газа. Тогда первое начало термодинамики при ΔA = 0 будет иметь вид: ΔQ = ΔU.

При этом температура газа будет возрастать в соответствии с увеличением его внутренней энергии, откуда следует, что температура идеального газа пропорциональна его внутренней энергии. Давление газа Р. также будет возрастать пропорционально температуре. Обозначим теплоемкость газа при постоянном объеме через С.

Если хотим, чтобы в процессе нагревания сохранилось давление, газу следует предоставить возможность расширяться. Для этого поместим газ в цилиндр с поршнем, на который действует постоянное давление Р. = const (рис. 1, б). Так как внутренняя энергия U идеального газа не зависит от его объема, то количество теплоты, необходимое для ее увеличения, останется тем же. Но при нагревании газа до той же температуры часть подводимого тепла расходуется теперь на работу против внешних сил при расширении газа. Следовательно, для нагревания газа до той же температуры, как и в предыдущем случае (V = const), придется затратить большее количество теплоты. Таким образом, теплоемкость ΔQ/ΔТ газа при постоянном давлении, которую мы обозначим через С_р., будет больше, чем С_V.

Рассмотренный пример очень важен. Он показывает, что количество теплоты ΔQ, необходимое для нагревания газа на ΔТ градусов, существенно зависит от дополнительных условий – характера измерений других микроскопических параметров, определяющих состояние газа, т. е. Р. и V. Кроме рассмотренных процессов, характеризуемых простейшими дополнительными условиями V = const и Р. = const, можно рассмотреть и множество других, отвечающих различным изменениям V и Р. при нагревании. Каждому процессу будет отвечать своя теплоемкость С.

Величины С_р. и С_v для идеального газа оказывается связанными простым соотношением:

С_р. – С_v = R (2)

Это соотношение носит название закона Роберта Майера, полученного им в 1842 году.

Для идеального газа молярная теплоемкость при постоянном давлении превышают молярную теплоемкость при постоянном объеме на величину R т. е. на 8,31 кДж/кмоль град.

Универсальная газовая постоянная R численно равна работе расширения киломоля идеального газа при нагревании его на один градус при постоянном давлении.

Опыт показывает, что во всех случаях превращение механической энергии в тепловую и обратно совершается всегда в строго эквивалентных количествах. Поскольку тепловое движение есть в конечном счете, тоже механическое движение отдельных молекул (только не направленное, а хаотическое), то при всех этих превращениях должен соблюдаться закон сохранения энергии с учетом энергии не только внешних, но и внутренних движений. Такая общая формулировка этого закона носит название первого начала термодинамики и записывается в виде:

ΔQ = ΔU ΔA, т. е.

Количество теплоты, сообщенное телу (ΔQ), идет на увеличение внутренней энергии (ΔU) и на совершение теплом работы (ΔА).

Однако, если сосуд с расширяющим газом теплоизолировать от окружающей среды, то теплообмен будет отсутствовать, т. е. ΔQ = 0. Процесс, происходящий при таком условии, называется адиабатическим. Уравнение первого начала термодинамики для адиабатического процесса тогда примет вид:

ΔQ = 0 0 = ΔU ΔA или ΔА = — ΔU. (3)

Следовательно, при адиабатическом процессе работа совершается только за счет внутренней энергии газа. При адиабатическом расширении газ совершает работу, а его внутренняя энергия и, следовательно, температура падают. При адиабатическом сжатии работа газа отрицательная (внешняя среда производит работу над газом), внутренняя энергия и температура газа возрастают.

Теплоемкость при адиабатическом процессе будет равна 0, т. е.

Уравнение, описывающее адиабатический процесс имеет вид:

PV^γ = const ; где γ = С_Р/С_V. (4)

Рис.2

Так как С_Р>С_V, то γ>1 и кривая, изображаемая уравнением (4), идет круче изотермы (рис. 2). Величина работы адиабатического процесса может быть особенно просто вычислена с помощью уравнения (3):

Для одноатомного газа С =12,5кДж/к моль град, С_р.=С_v =20,8 кДж/к моль град и показатель степени адиабаты γ=С_Р/С_v=1,67.

Для двухатомных газов при обычных температурах

g=29,1/20,8=1,4.

Для многоатомных газов γ еще ближе к единице.

В быстроходных двигателях внутреннего сгорания и при истечении газов через сопла реактивных двигателей процесс расширения газа протекает настолько быстро, что его можно считать практически адиабатическим и

рассчитывать по уравнению /4/.

Опыт также показывает, что для звуковых колебаний с минимальными частотами за время одного колебания /~0,1с/температура между сжатыми/ и тем самым разогретыми/ и разряженными /и тем самым охлажденными/ областями волны не успевает выравниваться. Практически процесс распространения звука можно считать адиабатическим, так что скорость распространения звука в идеальном газе определяется выражением :

,

где

Отсюда легко найти :

(5)

Таким образом, определение γ сводится к измерению скорости звука и абсолютной температуры воздуха. В данной работе скорость звука определяется методом стоячих волн — методом Кундта.

II. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ.

Схема экспериментальной установки изображена на рисунке 3. Телефон т, получая электрический сигнал от генератора1, излучает звуковые волны в трубу 2. Достигнув микрофона М, звуковая волна преобразуется в напряжение, которое поступает на вертикально отклоняющие пластины У электронного осциллографа 3.Напряжение на горизонтально отклоняющие пластины X подается непосредственно с выходных клемм звукового генератора. Телефон жестко закреплен на левом конце трубы, а микрофон может свободно перемещаться внутри нее.

Рис.3

Фазовый сдвиг сигнала, поступающего на пластины У, относительно сигнала, подведенного к пластинам X зависит от времени, которое тратит звук на прохождение расстояния между микрофоном и телефоном, может быть использована для определения длины волны λ. При включении установки на экране осциллографа должен быть виден эллис. Изменяя расстояние между микрофоном и телефоном, можно добиться превращения эллипса в прямую линию. Если теперь сместить микрофон на λ/2, то на экране вновь возникнет прямая линия, проходящая на этот раз через другие квадранты. При дальнейшем смещении прямая вновь переменит свое направление и т.д. Таким образом, при помощи фигур, получивших название фигур Лиссажу, можно непосредственно измерить длину звуковой волны в воздухе и по формуле определить скорость звука, где — частота генератора в Гц.

III.ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ.

1. Включите осциллограф и дайте ему прогреться в течение 10 минут.

2. Включите и настройте звуковой генератор на частоту /частота задается преподавателем/.Установите напряжение на выходе генератора 1,5 В.

3. Установите указатель штока микрофона 5 в крайнее правое положение шкалы 4 /рис/, при этом на экране осциллографа появится фигура Лиссажу /эллипс или прямая линия/.

4. Перемещая шток с микрофоном в лево, зафиксируйте положение штока микрофона / /, при которых эллипс превращается в четкую прямую линию, что соответствует узлам стоячей волны /отсчет производить в см по шкале 4/.

5. Вычислите разность между узловыми точками, которая является половиной длины волны .

6. Вычислите длину волны и скорость звуковой волны по формуле .

7. Определите термометром температуру окружающей среды.

8. Вычислите по формуле /5/.

9. Оцените погрешность измерений по формуле :

;

10. Результаты измерений занесите в таблицу :

Таблица 1

Результаты эксперимента

11.Сделайте выводы.

Молекулярно- кинетическая теория строения вещества основана на трех положениях:

1. Все вещества состоят из отдельных частиц-молекул.

2. Между молекулами одновременно действуют силы взаимного притяжения и отталкивания.

3. Молекулы находятся в состоянии непрерывного беспорядочного движения.

В газах молекулы находятся на значительно большем расстоянии друг от друга, чем в жидкостях и твердых телах, и сила взаимного притяжения очень мала. Совершая хаотические движения, молекулы газа сталкиваются друг с другом, при этом изменяется их скорость движения, как по направлению, так и по величине.

Следует отметить, что молекулы сталкиваются друг с другом не соприкасаясь, т.к. уже при сближении в 10^-10м действуют значительные силы взаимного отталкивания.

То минимальное расстояние (между центрами молекул), на котором происходит столкновение, называется эффективным диаметром молекул. Путь, пройденный молекулой между двумя последовательными столкновениями, называется длиной свободного пробега молекул. Длина этого пути не одинакова, но благодаря большому числу молекул и беспорядочности их движения, можно говорить о средней длине свободного пробега молекул λ:

где -средняя скорость молекул,

u- число столкновений.

Средняя длина свободного пробега зависит от плотности, давления и температуры газа. С увеличением плотности и давления газа средняя длина свободного пробега уменьшится, а с повышением температуры она возрастет. Длина свободного пробега является важной характеристикой состояния газа.

В данной работе длина свободного пробега определяется из формулы, связывающей длину свободного пробега λ с коэффициентом внутреннего трения η :

где η -коэффициент внутреннего трения.

-плотность газа,

-длина свободного пробега молекул,

-средняя арифметическая скорость молекул.

Из формулы (1) найдем:

Плотность газа можно найти из уравнения Менделеева-Клапейрона

откуда

где p-давление газа,

-молярная масса,

R -универсальная газовая постоянная,

T -температура.

Средняя арифметическая скорость, согласно молекулярно-кинетической теории, равна:

(4)

Коэффициент внутреннего трения найдем из формулы Пуазейля:

(5)

где r – радиус трубки, по которой течет газ,

l – длина трубки,

V – объем протекшего газа,

t — время течения данного объема газа по трубке,

р – разность давлений на концах трубки.

Подставляя (3,4,5) в формулу (2) получим:

(6)

После преобразований формула (6) примет вид:

(7)

Эта формула (7) и является расчетной для определения средней длины свободного пробега молекул газа.

II. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА УСТАНОВКИ

Рис.1

Лабораторная установка представляет собой делительную воронку А (рис.1), укрепленную на штативе. На воронку нанесена миллиметровая шкала В, на которой отмечается уровень воды в воронке. В воронку заливается дистиллированная вода на ¾ сосуда и закрывается пробкой, в которую вставлен капилляр L. Если открыть кран делительной воронки К, то вода будет выдавливаться под действием силы тяжести. Давление воздуха в сосуде станет меньше атмосферного и вода начнет вытекать не непрерывной струей, а отдельными порциями. Скорость вытекания воды сильно зависит от радиуса r. На концах капилляра создается разность давления р., численно равная гидростатическому давлению столба жидкости в воронке:

где — плотность воды, g – ускорение силы тяжести, h_ср – средний уровень воды в воронке.

Разность давления будет заставлять воздух втекать в сосуд через капилляр. Через некоторый промежуток времени установится равномерное течение воздуха в капилляре, при котором объем воздуха, вошедшего через капилляр в воронку, будет равен объему вытекшей из воронки воды.

III. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Залейте в делительную воронку, дистиллированную воду и плотно закройте пробкой с капилляром.

2. Подставьте под кран воронки химический стакан. Откройте кран и, когда вода начнет вытекать отдельными порциями, подставьте мерный стакан. Отметьте уровень воды в воронке h₁ и включите секундомер.

3. Наберите в мерный стакан определенное количество воды (объем воды задается преподавателем), остановите секундомер и запишите время t, в течении которого вытекала вода, а, следовательно, и втекал воздух.

4. Отметьте уровень воды в воронке h₂ .

5. Вычислите разность давлений по формуле:

,

принимая ₀ = 1000 г/м³, а g = 981 м/с².

( — есть средний уровень воды в воронке).

6. Снимите показания барометра и термометра, учитывая, что Т = t 273 и

1 мм рт.ст. = 1333 дин/см².

7. Выпишите табличные данные для R = 8,31*10⁷ эрг/К моль

= 3,14; m = 0,029 г/моль

8.Вычислите длину свободного пробега молекул воздуха по формуле (7)

1. Данные измерения занесите в таблицу 1 и 2.

Таблица 1

Постоянные величины

Таблица 2

Результаты эксперимента

2. Сделайте выводы.

Закон сохранения энергии устанавливает взаимопревращаемость различных видов энергии, но не указывает направленность этих процессов. Все виды энергии можно перевести в теплоту, однако теплота может быть превращена в другие виды энергии только с помощью специальных машин. При этом часть теплоты обязательно теряется, т.е. невозможен механизм, который все получаемое от нагревателя количество теплоты целиком переводил бы работе, часть этого количества теплоты должна быть отдана холодильнику. Это одна из формулировок второго начала термодинамики.

Коэффициент полезного действия (кпд) тепловой машины определяется выражением:

= где

Т₁ – температура нагревателя;

Т₂ – температура холодильника

Отсюда видно, что коэффициент полезного действия тепловой машины тем больше, чем больше разность температур нагревателя и холодильника. Практически невозможно превратить в работу огромное количество тепла, содержащееся в воде морей и океанов, так как разность температуры окружающих тел и воды незначительна.

Для оценки «качества» теплоты в этом отношении, а также для количественного учета обесценивания и рассеивания теплоты в термодинамике пользуются величиной, которая называется приведенной теплотой:

Q_пр= ,

Т.е. это количество теплоты, приходящееся на один градус Кельвина.

Важной характеристикой является изменение приведенной теплоты при различных процессах. Если приведенная теплота возрастает, это значит, что возможности полезного использования теплоты уменьшилось и наоборот.

Однако в термодинамике чаше пользуются величиной, получившей название энтропии S , которая выражается через приведенные теплоты:

,

т.е. разбивают весь процесс на достаточно малые участки и суммируют, считая, что температура в пределах каждого из этих участков постоянная. Тогда S₁ и S₂ – энтропия в начальном и конечном состояниях системы, а — теплоты, сообщаемое или отнимаемое от системы на элементарном участке.

Другая формулировка второго начала термодинамики следующая: энтропия термодинамических систем однозначная функция состояния этих систем.

Функцией состояния называется такая физическая характеристика системы, изменение которой при переходе системы из одного состояния в другое не зависит от вида соответствующего этому переходу термодинамического процесса, а целиком определяется значениями параметров начального и конечного состояний.

Важнейшими функциями состояния системы являются внутренняя энергия U, энтропия S и свободная энергия F = U – T* S , где T* S – это часть внутренней энергии, которая не может быть превращена в теплоту и называется связанной энергией.

Изменение энтропии можно подсчитать по следующей формуле:

(1)

По закону изменения энтропии системы в обратном процессе можно судить о направлении теплообмена (при нагревании тела возрастает, при охлаждении – убывает). При равновесных адиабатических процессах dQ = 0 и S не изменяется. При других процессах – изохорическом, изобарическом и изотермическом энтропии изменяется.

Так для изотермического процесса (Т = const ) :

.

В неизолированных системах S всегда возрастает, и уравнение будет иметь вид:

Знак равенства относится к обратимым процессам (т.е. процессам, которые можно провести в обратном направлении через те же самые состояния), а знак неравенства – к необратимым. Все реальные процессы – необратимы.

Между энтропией и вероятностью состояния существует связь. Больцман установил ее в виде соотношения:

S = k*ln*

где k – постоянная Больцмана,

— число различных способов, которыми может быть реализовано определенное состояние, называемое термодинамической вероятностью.

В соответствии с формулой Больцмана второе начало термодинамики можно сформулировать следующим образом: «Во всякой изолированной системе происходит такие изменения, которые приводят систему к наиболее вероятному состоянию».

II. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ.

В данной работе рассматривается изменение энтропии при нагревании и плавлении нафталина. Так как нафталин является кристаллическим веществом, то он плавится при определенной температуре.

Количество теплоты, которое надо затратить, чтобы нагреть нафталин от комнатной температуры Т_к до температуры плавления Т_п определяется по формуле:

С*m*d*T ,

где С – удельная теплоемкость нафталина (1222 Дж/кг*К)

m — масса нафталина.

Количество теплоты, необходимое для плавления нафталина при температуре плавления (Т_п=const), равно:

Q₂ = *m , где

— удельная теплота плавления нафталина (2*10⁵ Дж/кг).

Тогда приращение энтропии при плавлении нафталина можно подсчитать по формуле (1), подставив вместо Q его значение Q₁ Q₂ . Тогда получим:

(2)

Рис.1

Экспериментальная установка для определения (рис.1) состоит из пробирки нафталином 1, в которую помещен термометр 2. Пробирка опускается в стакан с водой 3, который ставится на электрическую плитку 4.

III. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

1. Соберите установку по схеме (рис. 1)

2. Включите плитку в сеть и следите за изменением температуры в пробирке.

3. Как только температура нафталина станет выше комнатной, снимите показания термометра через каждые 15 секунд до температуры нафталина 95-100⁰С.

4. Выключите плитку из сети и освободите пробирку нафталином от сосуда с водой.

5. Снимите показания термометра через каждые 15 секунд в обратном порядке (при охлаждении нафталина).

6. Результаты измерений занесите в таблицу 1:

Таблица 1

7. Постройте график зависимости температуры нафталина от времени его нагрева и охлаждения и сделайте выводы.

8. Вычислите по формуле (2) приращение энтропии при нагревании и плавлении нафталина.

9. Сделайте выводы.

По своим электрическим свойствам все тела делятся на три класса: проводники, полупроводники и диэлектрики.

Те тела, в которых электрический заряд может свободно перемещаться по всему телу, называется проводниками электричества. Тела, в которых заряды не могут перемещаться из одной части в другую, называются изоляторами или диэлектриками.

Проводниками являются все металлы, а также электролиты и ионизированные газы. Такие вещества, как слюда, стекло, эбонит, фарфор, чистая вода являются диэлектриками.

Промежуточное положение занимают полупроводники, в которых перемещение зарядов в сильной степени зависит от внешних условий (особенно от температуры и от наличия в них примесей). К полупроводникам относятся сурьма, германий, кремний и др.

Проводники бывают двух родов. К проводникам первого рода относятся все металлы. Перемещающимися в них зарядами являются свободные электроны. При перемещении в них электронов в металле не происходит химических изменений.

К проводникам второго рода относятся растворы солей, кислот, щелочей. В них под действием электрического поля происходит перемещение положительных и отрицательных ионов. При этом в растворе и на электродах происходят химические превращения.

Упорядоченное движение зарядов называется электрическим током. За направление электрического тока условно принято направление движения положительного заряда. Количественной характеристикой электрического тока является скалярная величина, численно равна количеству электричества, проходящему через сечение проводника в единицу времени. Эта величина называется силой тока I. Единицей измерения силы тока в системе СИ является ампер (А).

Электрический ток, сила и направление которого не меняется с течением времени, называется постоянным. Если же сила и направление тока меняется – ток называется переменным. Для того, чтобы по проводнику аб (рис. 1) протекал постоянный электрический ток, необходимо создать на его концах постоянную разность потенциалов

Эта разность потенциалов называется напряжением и обозначается буквой U:

Единицей измерения напряжения в системе СИ служит вольт. Немецкий физик Ом установил, что сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах этого проводника:

где к – коэффициент пропорциональности, называемый проводимостью.

Величина, обратная проводимости, называется сопротивлением.

В системе СИ сопротивление измеряется в Омах.

Учитывая /2/, формула /1/ имеет вид:

Это соотношение выражает закон Ома для участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.

Сопротивление металлического проводника зависит от его размеров и свойств металла, из которого изготовлен проводник:

, где

ℓ -длина проводника,

S -площадь его сопротивления,

ρ -удельное сопротивление, т.е. сопротивление проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м² /система СИ/.

Удельное сопротивление является важной характеристикой металла. В системе СИ оно измеряется в Ом м.

С повышением температуры металла усиливается интенсивность хаотического движения электронов и колебательного движения ионов металлической решетки, что приводит к увеличению сопротивления проводника. Зависимость сопротивления проводника от температуры выражается формулой:

, где

R₀ -сопротивление проводника при 0⁰С,

ά -температурный коэффициент сопротивления.

Для поддержания постоянного тока в цепи необходимо поддерживать постоянное напряжение на ее концах. Для этого служит источник тока, внутри

которого происходит разделение положительных и отрицательных зарядов и перенос их на полюса источника тока. Силы, разделяющие заряды, имеют неэлектрическую природу и называются сторонними электроразделительными силами.

Работа, совершаемая сторонними силами по перемещению единичного положительного заряда внутри источника между его полюсами, называется электродвижущей силой (эдс).

В системе СИ эдс измеряется в Вольтах.

Если внешняя цепь разомкнута, то эдс равна разности потенциалов, возникающей на полюсах источника тока.

Всякая замкнутая цепь состоит из источника тока и нагрузки. Для замкнутой цепи закон Ома имеет вид:

, (6)

где R – внешнее сопротивление (т.е. сопротивление нагрузки, включая и сопротивление соединительных проводов).

r – внутреннее сопротивление (т.е. сопротивление самого источника тока).

Любая реальная электрическая цепь содержит несколько сопротивлений, соединенных между собой различными способами. Наиболее простые виды соединений это последовательное (рис.2) и параллельное (рис.3) :

Рис.2

Полное сопротивление цепи, состоящей из нескольких последовательно соединенных проводников, равно сумме сопротивлений этих проводников:

(7)

Полная проводимость параллельно соединенных проводников равна сумме проводимостей этих проводников:

(8)

Для расчета разветвленной цепи, в которой произвольно размещены сопротивления и источники тока, не достаточно применения закона Ома и формул (7) и (8). В этом случае можно применить два правила Кирхгофа.

Первое правило Кирхгофа: алгебраическая сумма сил тока в узле разветвления равна нулю:

Под узлом разветвления понимают такие точки цепи, в которых сходится не менее трех проводников. Токи, входящие в узел, условно считают положительным, а токи, выходящие из узла, — отрицательными.

Под узлом разветвления понимают такие точки цепи, в которых сходится не менее трех проводников. Токи, входящие в узел, условно считают положительными, а токи, выходящие из узла, — отрицательными.

Второе правило Кирхгофа: в замкнутом контуре разветвленной цепи алгебраическая сумма электродвижущих сил источников тока равна алгебраической сумме произведений сил тока на сопротивления соответствующих участков этого контура:

При этом также следует строго придерживаться правила знаков: токи, идущие вдоль выбранного направления обхода (в данном случае по часовой стрелке), считается положительными, а идущие против направления обхода – отрицательными. Электродвижущая сила считается положительной, если она создает ток в положительном направлении обхода контура, в противном случае эдс имеет отрицательный знак.

I. Описание экспериментальной установки.

Одним из наиболее точных способов измерения сопротивлений является метод моста Уитстона. Мост (рис.4) состоит из реохорда АС, гальванометра G, магазина сопротивлений R₀ , исследуемого сопротивления R _х, ключа замыкания К и источника Б.

Рис.4

Реохорд АС выполнен из однородной проволоки, сечение которой неизменно по всей ее длине. Скользящий контакт Д. дает возможность изменять длину плеч реохорда l₁ и l₂ и тем самым изменять сопротивление участков АД и ДС.

Запишем первое правило Кирхгофа для узлов В и Д. и второе правило для контуров АВДА и ВСДВ:

для узла В –

для узла Д. – (11)

для контура АВДА –

для контура ВСДВ – (12)

Пусть ток в гальванометре отсутствует, т. е. J_g = 0

Тогда формулы (11) и (12) примет вид:

(13)

(14)

(15)

Поделим уравнение (14) на уравнение (15) и получим:

Если учесть (13), то получим:

(16)

где R₁ и R₂ – сопротивления плеч реохорда.

Согласно формуле (4) можем записать:

и

Тогда получим:

(17)

Подставляя (17) в (16), получим:

(18)

Это есть рабочая формула, по которой определяют сопротивление R_х при условии, что ток в цепи гальванометра отсутствует (J_g = 0).

1. Соберите цепь по схеме (рис. 4). Подсоедините в качестве R _х одно из исследуемых сопротивлений R _х1 .

2. Установите переключатели магазина сопротивлений на нули.

3. Установите ползунок Д. на середину реохорда.

4. Кратковременно замкните цепь ключом К, при этом заметьте, в какую сторону отклоняется стрелка гальванометра.

5. Поочередно вращая переключатели магазина сопротивлений (начиная с большего значения), подберите такое наименьшее значение R ₀ , при котором стрелка гальванометра устанавливается наиболее близко к нулю.

6. Перемещая скользящий контакт Д. вдоль реохорда, установите стрелку гальванометра точно на нуль.

7. Запишите в таблицу 1 (для R _х1) полученные значения R ₀, l₁, l₂.

8. Измените сопротивление в магазине сопротивлений на величину, равную ± 10% от первоначального значения R ₀. С помощью скользящего контакта Д. установите стрелку гальванометра вновь на нуль.

9. Запишите новые значения R ₀ , l₁, l₂ в таблицу 1.

10. Подключите в цепь вместо R _х1, второе неизвестное сопротивление R _х2 . Повторите пункты 1-9.

11. Соедините оба исследуемых сопротивления последовательно и определите их общее сопротивление R ₃ , повторив пункты 1-9.

12. Соедините оба исследуемых сопротивления параллельно и определите их общее сопротивление R ₄ , повторив пункты 1-9.

13. По формуле (18) вычислите сопротивление R _х для каждого измерения и запишите их в таблицу. Вычислите средние значения.

14. Вычислите полное сопротивление при последовательном и параллельном соединениях исследуемых сопротивлений по формулам (7) и (8). Результаты сравните с опытными значениями R ₃ и R ₄.

15. Рассчитайте ошибки измерений R _х1, R _х2, R ₃, R ₄ по формулам:

Относительная ошибка

Абсолютная ошибка

16. Данные вычисления занесите в таблицу 1.

17. Сделайте выводы.

Вещества, растворы которых в воде и некоторых других диэлектрических жидкостях проводит электрический ток, называют электролитами или проводниками второго рода.

Выясним механизм проводимости водных растворов электролитов на примере раствора поваренной соли NaCI.

Взаимодействие атомов натрия и хлора в молекуле поваренной соли упрощенно можно представить как взаимодействие двух ионов: положительно заряженного иона Na и отрицательно заряженного иона CI.^— (рис.1). Объясняется это тем, что единственный валентный электрон у натрия слабо связан с атомом. При образовании молекул NaCI. этот электрон переходит к атому хлора, превращая его в отрицательный ион CI.^—; в соответствии с этим молекулу NaCI можно схематически изобразить в виде диполя (рис. 2).

Рис.2

При растворении поваренной соли в воде молекулы NaCI попадают в окружение молекул воды, которое тоже являются диполями. В электрическом поле, создаваемом молекулой NaCI , молекулы воды ориентируются так, как показано из рис. 2. При этом они растягивают молекулу NaCI настолько, что незначительная ее встряска при отклонении с другими молекулами разрушает ее. Часть молекул NaCI распадается — диссоциирует на ионы Na и CI.^—. Этот процесс называется электролитической диссоциацией. Ионы разных знаков при встрече могут снова объединиться в нейтральные молекулы – рекомбинировать.

При неизменных условиях в растворе устанавливается динамическое равновесие, при котором число молекул, распадающихся в единицу времени на ионы, равно числу пар ионов, которые за то же время вновь воссоединяющихся в нейтральные молекулы. Другими словами, в водных растворах электролитов всегда имеются в наличии свободные носители зарядов – положительно и отрицательно заряженные ионы.

Если в сосуд с раствором электролита опустить электроды и включить их в электрическую цепь, то отрицательные ионы начнут двигаться к положительному электроду – аноду, а положительные к отрицательному – катоду. В результате устанавливается электрический ток. Поскольку перенос заряда в водных растворах или расплавах электролитов осуществляется ионами, такую проводимость называют ионной.

При прохождении тока, например, через раствор медного купороса СuSO₄ происходит следующий процесс. Положительные ионы Сu при соприкосновении с катодом получают недостающие электроны и выделяются на катоде в виде нейтральных атомов. Отрицательные ионы (SO₄)^{— —} при соприкосновении с анодом отдают лишние электроны. Появившиеся на аноде электроны по внешней цепи переходят на катод и там соединяются с положительными ионами. Если анод медный, то нейтрализовавшиеся ионы SO₄ вступают с ними в химическую реакцию и вновь образуют молекулы медного купороса: SO₄ Сu СuSO₄

В результате количество медного купороса в растворе остается неизменным, на катоде выделяется медь, а медь с анода, вступая в химическую реакцию с группой SO₄ , переходит в раствор.

Процесс выделения на электродах продуктов разложения электролита при прохождении через этот электролит электрического тока, называется электролизом. Согласно первому закону Фарадея, масса выделивщегося на электроде вещества m пропорциональна силе тока I и времени его прохождения t.

(1)

где k-коэффициент пропорциональности, а It=q заряд, перенесенный ионами за время t.

Из формулы /1/ видно, что коэффициент k численно равен массе выделившегося на электродах вещества при переносе ионами заряда, равного 1 Кулону. Величину k называют электрохимическим эквивалентом данного вещества. Электрохимический эквивалент выражается в кг/Кл.

Согласно второму закону Фарадея, электрохимический эквивалент вещества пропорционален его химическому эквиваленту .

(2)

где М – молярная масса вещества,

Z – валентность,

С – постоянная величина, одинаковая для всех элементов.

Введя вместо коэффициента С величину, ему обратную, второй закон Фарадея можно переписать в виде :

(3)

где -число Фарадея.

Объединяя формулы /1/и /3/, получим:

Если масса выделившегося вещества равна его химическому эквиваленту, т. е. /m/=/ /,то /F/=/q/. Таким образом, число Фарадея F численно равно количеству электричества g, при прохождении которого через электролит на электроде выделяется количество вещества, равное химическому эквиваленту, F=9.6484*10⁴Кл/моль.

В настоящей работе требуется определить электрохимический эквивалент меди и число Фарадея.

II. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСИАНОВКИ.

Для определения электрохимических эквивалентов различных веществ пользуются так называемыми вольтметрами. Медный вольтметр состоит из стеклянной банки, в которую налит раствор медного купороса и погружены две пластинки из красной меди, снабженные клеммами для включения их в цепь /см. рис.3/.Электрическое поле между электродами создается с помощью источника тока/аккумулятора, выпрямителя и др./, сила тока регулируется реостатом R и измеряется амперметром А. Цепь замыкается ключом К, время отмечается по часам.

Рис.3

I. Порядок выполнения работы.

1. Зачистите электроды наждачной бумагой, промойте струей воды из под крана и просушите над электроплиткой (электроды должны быть совершенно чистыми).

2. Определите массу одной из пластинок m₁ на весах с точностью 0,01 грамма.

3. Соберите схему согласно рис. 3, используя в качестве катода пластинку с известной массой.

4. Замкните цепь ключом К и установите реостатом R силу тока I.

5. Проведите процесс электролиза в течении времени t (сила тока I и время процесса t задается преподавателем).

6. Выньте катодную пластинку, помойте ее струей воды, просушите ее и определите массу m₂.

7. Вычислите массу m отложившейся на пластинке меди: m = m₂ – m₁.

8. Подставляя значения m, I, t в формулу (1), рассчитайте электрохимический эквивалент меди k.

9. Вычислите число Фарадея по формуле: зная, что М = 63,57_*10^-3 Кл/моль, а z = 2.

10. Данные измерений и вычислений занесите в таблицу 1.

11. Сделайте выводы.

Таблица 1

Если два различных материала привести в тесный контакт (спаять), то на их концах появится некоторая разность потенциалов, называемая контактной разностью потенциалов.

Под тесным контактом подразумевается контакт поверхностей металлов на расстояние порядка размера ячейки кристаллической решетки.

Изучая контактные явления в металлах, итальянский физик Вольта установил два закона.

Первый закон Вольта: контактная разность потенциалов двух металлов зависит только от их химического состава и температуры.

Второй закон Вольта: разность потенциалов между концами разомкнутой цепи, составленной из нескольких последовательно соединенных металлических проводников, имеющих одинаковую температуру, не зависит от промежуточных проводников и равна контактной разности потенциалов, возникающей при непосредственном контакте концевых проводников.

Образование контактной разности потенциалов обусловлено переходом электронов из одного металла в другой, а этот переход происходит по двум причинам.

1. Все металлы характеризуются определенной работой выхода, т. е. работой, которой нужно совершать электрону, чтобы выйти из металла в окружающую его пустоту. Следовательно, если привести в тесный контакт два разных металла, то у одного из них работа выхода электронов будет больше, чем у другого. Пусть А₂>А₁ (рис. 1). Очевидно, что свободный электрон первого металла, попавший в процесс хаотического движения на границу раздела металлов, будет испытывать силу притяжения со стороны второго металла и пройдет в него. Таким образом, через границу раздела будет происходить «перекачка» свободных электронов из первого металла во второй. Первый металл зарядится положительно (нехватка электронов), второй отрицательно (избыток электронов).

Возникающая при этом разность потенциалов создает электрическое поле, которое затрудняет дальнейшую перекачку электронов и прекратит ее, когда работа перемещения электронов за счет контактной разности потенциалов станет равна разности работ выхода электронов из металла, т. е.

1. С точки зрения электронной теории металлов хаотическое движение электронов в металле можно рассматривать подобно движению молекул в газе. Поэтому совокупность свободных электронов в металле называется «электронным газом» и каждый металл характеризуется числом свободных электронов в единице объема при t = 0^о С, т. е. определенной концентрацией свободных электронов.

В случае контакте двух разных металлов на границе раздела будет происходить диффузия электронов, т. е. переход электронов их металла с большей концентрацией в металл с меньшей концентрацией. Этот переход электронов создает дополнительную контактную разность потенциалов, которая равна:

Таким образом, суммарная разность потенциалов будет равна:

(1)

Формула (1) является математическим выражением законов Вольта.

Рис.2

Рассмотрим замкнутую цепь, состоящую из двух разнородных металлов. В местах контакта а и б (рис. 2), образуется разность потенциалов U_a и U_б, причем U_a= — U_б и суммарная разность потенциалов будет равна нулю.

Действительно согласно формуле (3)

(2)

(3)

Если в последнем равенстве поменять местами А₁ и А₂, а также ņ₀₁ и ņ₀₂,то получим:

(4)

Cравнивая /4/ и /6/ видим, что:

U_a=-U_δ

Но так обстоит дело, если температура контактов одинакова. Рассмотрим случай, когда температура контактов различна. Пусть Т_a›Т_δ, тогда, складывая (2) и (3), получим:

(5)

т. е суммарная разность потенциалов не равна нулю. Эта разность потенциалов называется электродвижущей силой термопары (т. е. спаянных двух разнородных металлов) и обозначается .

Обозначим a.

Эта формула (7) примет вид: = d (T_а— Т_б) = aΔТ (8)

Из последней формулы видно, что термоэлектродвижущая сила термопары прямо пропорциональна разности температур ее спаев. График зависимости от ΔТ называется градуировочной кривой термопары.

Задание 1:Градуировка термопары.

1. Соберите цепь по схеме (рис. 3).

2. Залейте в сосуды воду комнатной температуры. Измерьте температуру воды t₀.

3. Опустите спаи термопары в сосуды с водой.

4. Поставьте один сосуд с водой на нагреватель и включите его (воду в сосуде помешивайте мешалкой).

5. По мере нагревания воды в сосуде, снимите показания термометра и гальванометра через равные промежутки (интервалы) температуры (интервал температуры задается преподавателем)

6. Данные измерений занесите в таблицу 1.

7. По результатам измерений постройте график зависимости термотока от разности температур спаев термопары, отложив разность температур ΔТ по оси Х, а показания гальванометра по оси У.

Таблица 1

Градуировка термопары

Задание 2: Определение температуры тела.

1. Выньте термопару из сосудов с водой и остудите ее.

2. Опустите один спай в сосуд с водой комнатной температуры, а другой прислоните к телу, температуру которого следует определить.

3. Снимите показания гальванометра.

4. По графику найдите значение Δt, соответствующее полученному указанию гальванометра.

5. Определите искомую температуру тела t_x по формуле: t_x = t_o Δt.

6. Данные измерений и вычислений занесите в таблицу 2.

7. Сделайте выводы.

Таблица 2

Определение температуры тела

В организме животных и человека имеется большое количество биологической жидкостей, содержащих значительное количество ионов, которые участвуют в обменных процессах. Под действием электрического поля ионы движутся с различными скоростями и скапливаются около клеточных мембран образуя электрическое поле, называемое поляризационным. Перераспределение ионов в организме под действием электрического поля вызывает изменения функционального состояния клетки и другие физиологические процессы в тканях.

Действие ионов, их разделение и изменение их концентрации в тканевых образованиях и лежат в основе первичного действия постоянного тока на организм.

Действие постоянного тока на живой организм зависит от силы тока, которая в свою очередь зависит от электрического сопротивления тканей и прежде всего кожи.

Электропроводность кожи, через которую ток проходит, главным образом, по каналам потовых и частично сальных желез, зависит от толщены и состояния ее поверхностного слоя. Тонкая , нежная особенно увлажненная кожа, а также кожа с поврежденным наружным слоем эпидермиса довольно хорошо проводит ток. Сухая, огрубевшая кожа является плохим проводником.

Лечебный метод, при котором используется действие на организм постоянного тока незначительной силы, называется гальванизацией. Для этого используется специальный аппарат для гальванизации, состоящий из двухполупериодного выпрямителя с электрическим фильтром. Ток к участку тела подводится с помощью электродов, подключенных проводами к клеммам прибора. Электроды изготовлены из тонкой свинцовой пластинки.

Наложение электродов непосредственно на кожу недопустимо, т.к. продукты электролиза раствора поваренной соли, содержащейся в тканях и поте, вызывают прижигание в местах касания электродов. Поэтому между кожей и электродом помещают прокладки марлевые, смоченные физиологическим раствором.

Постоянный ток в лечебной практике используют также и для введения в организм лекарственных веществ, образующих в растворе ионы или заряженные частицы. Растворами этих веществ смачивают прокладки под электродами. Этот метод получил название электрофореза лекарственных веществ.

Сопротивление участка тела можно определить по закону Ома:

(1)

где U – напряжение, подведенное к участку тела, (В), I – сила тока, подходящего через этот участок, (А).

При измерениях сила тока J не должна превышать порогового значения силы тока, т.к. в противном случае ток будет вызывать возбуждение участка тела.

Порогом ощущения называется минимальное значение тока, проходящего через 1 см² поверхности кожи, при котором появляется ощущения тока – легкое покалывание.

(2)

где J₀ – сила тока, определяемая по миллиамперметру при пороговом раздражении, (мА), S – площадь электрода, (см²).

I. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ.

Аппарат для гальванизации представляет собой электролечебный аппарат, позволяющий регулировать в цепи пациента напряжение и силу постоянного тока, получаемого путем выпрямления переменного тока осветительной сети и допускающий пользование им непосредственно у постели больного.

Рис.1

Аппарат помещен в пластмассовый корпус. На лицевой панели расположены (рис.1): миллиамперметр 1, ручка переключателя шунта 2 с цифрами 5 и 50 мА, ручка выключателя сети 3, гнезда переключателя обмотки трансформатора на различные напряжения сети 5, клеммы для присоединения проводов пациента с обозначением полярности ( , -) 4, сигнальная лампочка 6.

В принципиальную схему аппарата, которая изображена на рис.2, входят: трансформатор 3; два диода 4, служащих для выпрямления переменного тока; сглаживающий электрический фильтр, состоящий из трех электролитических конденсаторов 5 и двух дросселей 6; потенциометр 7; миллиамперметр 8 с шунтом 9; клеммы 11; переключатель шунта 10.

Рис.2

Ток в цепи пациента измеряется миллиамперметром 8, шунт 9 с переключателем 10 служат для расширения предела измерения миллиамперметра. К выходным клеммам 11 присоединяются провода от электродов, накладываемых на пациента. Лампочка 12 сигнализирует о включении аппарата в сеть тумблером 1. Переключатель 2 необходим для согласования величины сетевого напряжения с трансформатором аппарата для гальванизации.

Наличие трансформатора в аппарате обязательно, т.к. он не только дает необходимое напряжение для его работы, но и исключает возможность попадания непосредственного напряжения, к которой подключен аппарат.

В первичную обмотку трансформатора подается переменный синусоидальный ток периода Т; который возбуждает во вторичной обмотке ток того же периода. График этого тока представлен на рис.3(а), где J – сила тока,

t – время.

Рис.3

Крайние точки вторичной обмотки трансформатора а и б (рис.2) попеременно, через каждый полупериод, приобретают положительный потенциал по отношению к средней точке обмотки трансформатора с. Поэтому полупроводниковые диоды 4 будут попеременно «запираться» и «отпираться» через каждый полупериод Т/2.

Возникающие при этом токи будут пульсирующими и иметь полупериодные перерывы (рис.3 б,в). Эти токи будут складываться, создавая общий ток

J₁ J₂ = J

В результате ток будет иметь уже непрерывный, но все же пульсирующий характер (рис.3 г).

Для дальнейшего сглаживания пульсаций тока применяется электрический фильтр. В первую четверть периода (рис.3) во время возрастания пульсирующего тока, конденсаторы фильтра заряжаются; уменьшая тем самым ток в цепи. Во вторую четверть периода пульсирующего тока уменьшается, при этом конденсаторы фильтра начинают разряжаться, создавая ток, совпадающий с направлением пульсирующего тока. Тем самым частично компенсируются падение пульсирующего тока (рис. 3 д.).

Дроссель еще больше способствует сглаживанию пульсации тока. При возрастании пульсирующего тока в дросселе возникает Э.Д.С. самоиндукции, направленная противоположно направлению изменения тока. Уменьшение пульсирующего тока приводит к возникновению Э.Д.С. самоиндукции, направленной также, как и ток и, следовательно, задерживающий падение пульсирующего тока. Результатом этого является еще большее сглаживание тока, превращение его в почти постоянный (рис. 3, е.).

II. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

ЗАДАНИЕ 1. Определение порога ощущения.

1. Ознакомьтесь с расположением ручек управления и приборов на лицевой панели аппарата. (Аппарат включается в сеть переменного тока напряжением 220 В).

2. Подключите к выходным клеммам аппарата электроды.

3. Протрите ватным тампоном, смоченным спиртом, руку.

4. Наложите электроды на руку товарища на 5-6 см выше кисти (с обеих сторон), предварительно положив под электроды прокладки из нескольких слоев марли, слегка смоченных физиологическим раствором. Укрепите электроды с помощью эластичного бинта.

5. Ручка потенциометра должна находится в левом крайнем положении.

6. Включите аппарат и, поворачивая ручку потенциометра по часовой стрелке, отметьте по шкале миллиамперметра пороговое значение тока.

7. Выведите потенциометр в крайнее левое положение и повторите опыт дважды.

8. Выключите аппарат, замерьте площадь электрода.

9. Рассчитайте порог ощущения по формуле (2).

10. Данные измерений и вычислений занесите в таблицу 1.

Таблица 1

Определение порога ощущения

ЗАДАНИЕ 2. Определение сопротивления тела.

1. Подключите к выходным клеммам вольтметр параллельно электродам (соблюдая полярность на клеммах вольтметра).

2. Наложите электроды на руку, как в задании 1 согласно пункта 4.

3. Вращая ручку потенциометра, установите ток меньше порогового и запишите показания миллиамперметра и вольтметра.

4. Увеличьте напряжение на 1-2 вольта и запишите новые показания миллиамперметра и вольтметра.

5. Опыт повторите еще раз. Сила тока во всех опытах не должна превышать пороговое значение.

6. Вычислите сопротивление участка тела для каждого из трех измерений по формуле (1) и найдите среднее значение.

7. Данные измерений и вычислений занесите в таблицу 2.

Таблица 2

Определение сопротивления участка тела

8. Сделайте выводы.

Все вещества по электропроводимости делятся на три класса проводники, диэлектрики и полупроводники.

В металлах (проводниках первого рода) концентрация свободных электронов велика, поэтому сопротивление металлов электрическому току очень мало. В диэлектриках концентрация свободных электронов ничтожно мала. Поэтому сопротивление диэлектриков велико. Полупроводники по величине электрического сопротивления занимают промежуточное место между металлами и диэлектриками. Удельное сопротивление металлов порядка 10^-7Ом м и меньше, диэлектриков 10 ⁸Ом м и больше; удельное сопротивление полупроводников лежит между указанными пределами.

Характерной особенностью полупроводников являемся то, что их электрические свойства резко изменяются под действием ряда физических факторов: температуры, освещения, электрического поля, примесей.

К полупроводникам относятся некоторые химические элементы, например: германий Ge, селен Se, кремний Si; оксиды: закись меди CuO, окись цинка ZnO; интерметаллические соединения InSb, GaDS и др.

Из теории строения атома известно, что каждый электрон может иметь только вполне определенные значения энергии.

Ввиду этого энергетический спектр электронов изолированного атома является дискретным. Энергия электронов соответствует определенным энергетическим уровням, значение энергий между которыми являются запрещенными для электронов. Такие уровни показаны в правой части рис.1, а в виде отдельных линий 1-5. На этом рисунке по оси ординат отложены значения энергии Е. электронов, а по оси абсцисс – расстояние между атомами. При больших расстояниях атомы независимы друг от друга и их энергетические уровни одинаковы.

В твердом теле расстояние между атомами настолько мало, что каждый из них находится в сильном электромагнитном поле, созданном соседними атомами. Это приводит к расщеплению одних и тех же энергетических уровней отдельных атомов, т.е. превращению их в энергетическую зону. Энергетические зоны в кристалле, так же как и дискретные уровни в атоме, отделены друг от друга зонами запрещенных энергетических значений и могут вместить лишь определенное количество электронов.

Величина расщепления для разных уровней неодинакова, появляются системы уравнений. На рис.1 а, эти системы уровней – энергетические зоны – показаны заштрихованными областями, как бы возникающими из отдельных уровней независимых атомов.

По мере уменьшения (т.е. сближения атомов), зоны будут перекрываться, а расщепление захватит и уровни внутренних электронов.

На рис. 1 б схематически показаны энергетические зоны и отдельные уровни электронов в кристаллах, соответствующие расстоянию между атомами, равному r₁ . Из рисунка видно, что для внешних (валентных) электронов возникли зоны в результате расщепления уровней 4 и 5, для внутренних электронов сближение атомов до расстояния r₁ еще недостаточно, чтобы образовать зоны. Две заштрихованные зоны на рис. 1 б разделены «пустым» пространством, которое принято называть запрещенной зоной. Электрические свойства материалов определяются заполненностью электронами валентной зоны, т.к. поведение электронов в заполненной и незаполненной зонах существенно отличается. Внешнее электрическое поле в кристалле может вызвать изменение в движении электронов не полностью заполненной зоны и не изменяет движение электронов в зоне, заполненной полностью. Это объясняется тем, что изменение движения электронов связано с изменением его энергетического состояния, а последнее возможно тогда, когда электрон находится в зоне, где есть свободные энергетические уровни, т.е. в не полностью заполненной зоне. В зоне, заполненной полностью нет свободных уровней, и поэтому не может изменять своего движения под действием внешнего поля.

Расположение зон для полупроводника в невозбужденном состоянии представлено на схеме рис.2.

Рис.2

В диэлектриках и полупроводниках при Т = 0 К валентные зоны целиком заполнены, а зоны проводимости пусты (рис.2 а). Они разделены запрещенной зоной, ширина которой, определяемая энергией Е., может быть от сотых долей до 3 эВ у полупроводников и более 3 эВ у диэлектриков. При этой температуре и в отсутствии внешнего воздействия полупроводники и диэлектрики являются идеальными изоляторами.

При нагревании начинаются переходы электронов из валентной зоны в зону проводимости. С ростом температуры все большая часть электронов с верхних уровней валентной зоны переходит на нижние уровни зоны проводимости, что и приводит к возрастанию проводимости.

Нарушение валентных связей приводит к одновременному образованию свободных электронов и пустых мест – дырок вблизи тех атомов, от которых оторвались электроны. На свободное место может перескочить электрон одного из соседних атомов. Дырка, имеющая положительный заряд начинает перемещаться по кристаллу так же, как и освободившийся электрон. Таким образом, в полупроводниках имеются два типа подвижных носителей заряда – электроны и дырки.

При отсутствии внешнего поля электроны и дырки движутся хаотически. Под действием поля они приобретают упорядоченное движение: электроны против поля, дырки – по полю. Химически чистый полупроводник (беспримесный) называют собственным, образующиеся в нем носители зарядов – электроны и дырки – собственными носителями, обусловленную ими проводимость – собственной проводимостью. Для такого полупроводника концентрация электронов равна концентрации дырок, т.е. n=р.

Электропроводность полупроводников сильно зависит от наличия в них примесей. Так, например, тысячные доли процентов примесей могут в сотни тысяч раз уменьшить их сопротивление.

Рассмотрим механизм влияния примесей на электропроводность полупроводников. Допустим, что в германий внесены примеси мышьяка, атомы которого имеют, пять валентных электронов. Каждый атом германия связан (рис. 3) ковалентными связями с четырьмя ближайшими соседями, образуя устойчивую оболочку из восьми электронов. Если в кристалле атомы германия будут частично заменены атомами мышьяка, то четыре из его пяти валентных электронов заполнят валентные связи с четырьмя соседними атомами германия, а пятый окажется лишним. Он перейдет на примесный уровень (рис. 2,б ), расположенный у дна зоны проводимости. При этом ΔЕ_g<<ΔЕ, благодаря чему при небольших внешних воздействиях (ΔЕ_g – энергия, отделяющая донорные уровни от зоны проводимости) концентрация примесных электронов, поставляемых примесными атомами в зону проводимости, превзойдет концентрацию собственных носителей. Подобного типа примеси и образованные ими уровни получили название донорных уровней (отдающих электроны). Такая проводимость называется электронной, а проводник – n типа.

Если часть атомов германия заменить атомами одного из элементов третьей группы периодической системы элементов, например, индия, то трех его валентных электронов не хватит (рис.4) для заполнения валентных связей с соседними атомами германия. Образуется вакантная связь, которая может быть заполнена за счет перехода на вакансию электрона из любой заполненной связи.

С энергетической точки зрения этот переход эквивалентен переходу электрона из заполненной валентной зоны кристалла на энергетический уровень примеси (рис 2 в). Этот переход освобождает один из уровней в верхней части валентной зоны, создавая в ней дырку, при этом ΔЕ_а<< ΔЕ (ΔЕ_а — энергия, отделяющая акцепторные уровни от зоны проводимости). Примеси такого рода называются акцепторными (принимающими электроны), проводимость называется дырочной, а полупроводник р – типа.

Основным элементом полупроводниковых приборов является р – n – переход, представляющий собой граничный слой в полупроводнике с двумя областями, одна из которых обладает проводимостью р – типа, а другая – n- типа.

Рассмотрим процессы, происходящие на границе контакта двух полупроводников с разными типами проводимости (р – n).

При отсутствии внешнего поля в месте контакта двух полупроводников начинается процесс диффундирования (перехода) дырок в n – полупроводник и электронов в р. – полупроводник. Прилегающая к контакту область n – полупроводника получит положительный заряд, обусловленный положительными атомами доноров, а соответствующая область р – полупроводника – отрицательный, отрицательные атомы акцепторов. В результате левый полупроводник оказался заряженным положительно, а правый отрицательно, т. е. на границе раздела возникает двойной электрический слой. Возникающая в месте контакта полупроводников контактная разность потенциалов, и соответственно электрическое поле, препятствует, дальнейшему переходу электронов и дырок через границу р-n – перехода.

Если рассматриваемую систему включить в электрическую цепь так, чтобы внешнее поле было направлено против поля на границе (рис. 5, б), то электроны и дырки начнут двигаться навстречу друг другу, уменьшая ширину двойного электрического слоя и по цепи пойдет ток, сила которого быстро возрастает при увеличении приложенного напряжения. Такое включение р-n – перехода называется прямым, а проходящий ток – прямым или пропускным током.

Если направление внешнего поля совпадает с направлением поля в месте контакта двух полупроводников (рис. 5 в), электроны и дырки начнут двигаться в противоположных направлениях, увеличивая ширину двойного электрического слоя. Величина тока в этом случае будет очень мала и обусловлена тепловой диффузией электронов из n –области в р – область, и дырок из р – в n область. Такое включение р-n – перехода называется обратным или запорным, а проходящий ток – обратным или запирающим током.

Зависимость тока, проходящего через р-n – переход, от приложенного напряжения, называемого вольт-амперной характеристикой Р-n – перехода (рис.6). Верхняя кривая соответствует прямому включению, а нижняя -обратному (запорному).

Рис.6

Такой вид вольт-амперной характеристики указывает на одностороннюю проводимость р-n – перехода, что позволяет использовать его для выпрямления переменного тока.

Такие приборы получили название диодов (полупроводниковых).

Одной из важнейших характеристик полупроводникового диода является коэффициент выпрямления, равный отношению сил токов – прямого к обратному, измеренных при одинаковых прямом и обратном напряжениях.

при | U_пр | = | U_обр |.

I. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

В работе предлагается снять вольт-амперную характеристику полупроводникового диода и измерить его коэффициент выпрямления.

Схема установки изображена на рис. 7.

Рис.7

Переключателем К на полупроводниковый диод Д можно подавать напряжение от источника ₁ в прямом направлении и от источника ₂ в обратном направлении.

Напряжение, подаваемое на диод, можно изменять потенциометрами П₁ и П₂. Прямой ток через диод измеряется миллиамперметром А₁, обратный ток – микроамперметром А₂ . Напряжение, подаваемое на диод, измеряется вольтметрами V₁ и V₂ .

II. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ,

1. Определите диапазон измерения и цену деления приборов.

2. Поставьте потенциометр П₁ в крайнее левое положение, включите источник питания _1.

3. Поставьте переключатель К в положении 1, соответствующие прямому направлению тока через диод Д.

4. Снимите зависимость прямого тока от напряжения, постепенно повышая напряжение поворотом потенциометра П₁ . (интервалы изменения напряжения указываются преподавателем).

5. Отключите источник питания _{1 .}

6. Поставьте переключатель К в положение 2 и включите источник питания ₂ .

7. Снимите зависимость обратного тока от напряжения, изменяя напряжение U₂ на диоде с помощью потенциометра П_{2 .}

8. Данные опыта занесите в таблицу 1.

9. Постройте вольт-амперную характеристику диода по данным таблицы 1.

10. Рассчитайте параметры диода ( К, R _пр, R _обр ) из вольт-амперной характеристики.

11. Вычислите максимальный коэффициент выпрямления для диода.

при | U_пр | = | U_обр |.

( _пр = , R_обр = рассчитаны при максимальном К ).

Таблица 1

Снятие вольт-амперной характеристики диода

Как отмечалось в лабораторной работе № 18, при контакте двух полупроводников различного типа проводимости образуется Р-n переход, обладающий односторонней проводимостью. Если в одном кристалле проводника создать два Р-n перехода, то получится система, способная усиливать или генерировать электрические сигналы. Такие полупроводниковые приборы получили название транзисторов. Различают транзисторы р-п-р и п-р-п типов (рис. 1 а,б). Средняя часть транзистора называется базой Б или основанием, а крайние – эмиттером Э и коллектором К.

Условные обозначения транзисторов в электрических схемах представлены на рис. 1 в,г.

Рассмотрим работу транзистора р-п-р типа. Он представляет собой кристалл полупроводника, состоящий из двух областей р – типа, разделенных узкой областью п-типа (рис. 2).

К эмиттерному переходу подключена батарея _э и источник слабого переменного напряжения U_с . К коллекторному переходу подключается батарея _к и нагрузка R.

Таким образом, эмиттерный переход включен в прямом направлении, а коллекторный – в запорном.

Под действием электрического поля батареи _э дырки из эмиттера попадают в базу. Слой базы очень тонкий (порядка нескольких микрометров), поэтому дырки не успевают рекомбинировать в базе и проходят через коллекторный переход, попадая в коллектор. Через эмиттерный переход течет ток J_э , создаваемый преимущественно основными носителями эмиттера (дырками), а через коллектор течет ток J_к , создаваемый неосновными зарядами базы (дырками), причем J_э ³ J_к.

При подаче переменного сигнала U_с число дырок, пришедших из эмиттера в базу, изменится, а значит, изменится и число дырок, попавших в коллектор. Следовательно, всякое изменение тока в цепи эмиттера приводит к изменению тока в коллекторе.

Поскольку сопротивление коллекторного перехода велико (он включен в запорном направлении), изменение тока J_к значительно изменяет напряжение U_к , а значит и мощность. Таким образом, транзистор, включенный по данной схеме, усиливает переменный сигнал U_с по напряжению и мощности.

Рассмотренная схема включения транзистора является схемой с общей базой ОБ. Кроме того, существуют схемы включения транзистора с общим эмиттером ОЭ и общим коллектором ОК.

В данной лабораторной работе снимают характеристики транзистора, включенного с общим эмиттером ОЭ (рис. 3).

Свойства транзистора в такой схеме определяются входной и выходной характеристикам и статистическими параметрами: входное и выходное сопротивление и коэффициент усиления по току.

Входная характеристика – это зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном входном напряжении

при U_к = const

Этот параметр легко найти из графика входной характеристики (рис.4).

Выходная характеристика – это зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе.

J_k = f(U_k) при J ₌ const

Выходное сопротивление транзистора равно:

R_вых = при J = const

Оно определяется из графика выходной характеристики (рис. 5)

Коэффициент усиления по току равен отношению изменения силы входного тока к соответствующему изменению силы тока базы.

при U ^/_к = const.

Коэффициент усиления по току определяется из графика выходных характеристик, снятых при значениях тока базы J и J (рис.5).

I. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Схема установки для исследования транзистора приведена на рис. 6.

Рис.6

Напряжение от источника ₁ при замыкании ключа К₁ подается на базу транзистора Т. Напряжение на базе регулируется потенциометром П₁. При замыкании ключа К₂ напряжение от источника ₂ подается в цепь коллектора К, которое можно изменять потенциометром П₂. Сила тока в цепи базы измеряется микроамперметром, а в цепи коллектора – миллиамперметром. Напряжение, подаваемое на базу и коллектор измеряется вольтметрами V и V_k.

II. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

ЗАДАНИЕ 1. Снятие входной характеристики транзистора при U_k=const и определение входного сопротивления транзистора.

ВНИМАНИЕ! Подавать напряжение на коллектор (между коллектором и эмиттером) можно только при наличии напряжения на базе (между базой и эмиттером).

1. Включите установку с помощью ключей К₁ и К₂ .

2. Снимите входную характеристику транзистора. Для этого установите постоянное напряжение на коллекторе U_к1. Изменяя напряжение на базе U с помощью потенциометра П₁ , запишите соответствующие значения силы тока базы J .

3. Установите напряжение на коллекторе U_к2 с помощью потенциометра П₂ и вновь снимите зависимость тока базы J от U .

ПРИМЕЧАНИЕ: значения U_к1 , U_к2 и интервалы изменения U задаются преподавателем.

4. Данные опыта занесите в таблицу 1.

5. Постройте входные характеристики транзистора.

6. По одной из входных характеристик транзистора рассчитайте входное сопротивление транзистора:

при U_k = const.

Таблица 1

Результаты эксперимента

ЗАДАНИЕ 2 Снятие выходных характеристик транзистора при U=const и определение статистического коэффициента усиления по току.

ВНИМАНИЕ! Подавать напряжение на коллектор можно только при наличии напряжения на базе.

1. Включите установку ключами К₁ и К₂ .

2. Снимите выходную характеристику транзистора. Для этого установите постоянное значение тока базы J . Изменяя напряжение на коллекторе U_к потенциометром П₂, запишите соответствующие значения тока в цепи коллектора J_к..

3. Установите ток базы J потенциометром П₁ и вновь снимите зависимость тока в цепи коллектора J_к от напряжения на коллекторе U_к.

4. Данные опыта занесите в таблицу 2.

5. Постройте выходные характеристики транзистора.

6. Рассчитайте статистический коэффициент усиления по току:

при U_k = U ^/_к = const.

7. По одной из выходных характеристик транзистора определите выходное сопротивление:

при J = const

8. Сделайте выводы.

Таблица 2

Результаты эксперимента

ПРИМЕЧАНИЕ: значения J , J , U_к и интервалы изменения U_к задаются преподавателем.

Рассмотрим цепь, содержащую только резистор R с омическим сопротивлением R (рис. 1).

Сопротивление R резистора называют активным, так как в нем происходит необратимая потеря электрической энергии, переходящей в тепловую.

Рис.1

К зажимам цепи приложено переменное напряжение

U_R = U_max * Cos t (1)

где u_max – амплитудное значение напряжения, — круговая частота.

Величину тока, проходящего через резистор, определим исходя из закона Ома:

t = J _max cos wt (2)

где — амплитудное значение силы тока. Из формул (1) и (2) видно, что сила тока и напряжение на активном сопротивлении изменяются в одной фазе – гармонически (рис.2), их можно представить с помощью векторной диаграммы (рис.3).

Вектор, изображающий амплитудное значение силы тока J_max , обычно откладывается вдоль горизонтальной оси, взятой за начало отсчета.

Рис.2

Угол между амплитудным значением тока и напряжением называют фазовым. В цепи, содержащей только активное сопротивление, сдвиг фаз между силой тока и напряжением отсутствует, а поэтому вектор напряжения будет направлен так же, как и вектор тока, т.е. вдоль оси токов (рис.3).

Рассмотрим цепь, содержащую катушку индуктивности с индуктивностью L (рис.4), омическое сопротивление которой будем считать равным нулю.

Рис.4

Напряжение на зажимах цепи будет:

U_L = U_max * cos t (3)

По закону Ома для участка цепи при R = 0 будем иметь

U_L = ₁ — ₂ = _L (4)

(будем считать, что приложенное напряжение уравновешивается электродвижущей силой самоиндукции, равно ей по значению и противоположно по направлению),

где _L — ЭДС самоиндукции, которая по основному закону электромагнитной индукции будет равна:

_L = — L (5)

Учитывая формулы (3) , (4) и (5), получим :

U_max Cos t = L (6)

Выделив переменные в (6) и проинтегрируя его, найдем :

I = Sin t = J_max cos ( t — ) , (7)

где I_max = — амплитудное значение тока. R_L = L – называется индуктивным сопротивлением. На индуктивном сопротивлении не происходит потери энергии и его называют реактивным сопротивлением.

Из (7) и (3) следует, что сила тока отстает от напряжения (рис. 5). Причиной этого является ЭДС самоиндукции. На рис. 6 представлена векторная диаграмма напряжения и тока в цепи с индуктивностью.

Рассмотрим цепь, содержащую конденсатор емкостью С (рис. 7).

Напряжение на зажимах цепи:

U_c = U_max cos t (8)

А сила тока

I = , (9)

На основании (8) получим:

I = — U_max c Sin t = J_max Cos ( t ), (10)

где J_max = U_max c (11)

J_max — амплитудное значение силы тока.

Величина

называется емкостным сопротивлением и так же как индуктивное называется реактивным сопротивлением. Оно зависит от емкости конденсатора и частоты.

Из /8/ и /10/ следует, что в цепи с емкостным сопротивлением напряжение на конденсаторе отстает по фазе от колебаний силы тока на величину π/2.

Векторная диаграмма полученных результатов представлена на рис.9.

Рассмотрим цепь, содержащую резистор, катушку и конденсатор /рис.10/.

Как было изложено выше, сила тока в цепи и напряжение изменяются не в одной фазе, т. е. если сила тока изменяется по закону:

то напряжение по закону :

где φ-сдвиг фаз между током и напряжением. Полное сопротивление цепи называется импедансом и обозначается Ż.

Для нахождения импеданса и сдвига фаз, воспользуемся векторной диаграммой / рис.11/.Амплитуды напряжений на всех участках будем
откладывать относительно силы тока, т.к. она во всей цепи одинакова. На резисторе векторы напряжения и силы тока совпадают, т.к. они не имеют разности фаз.

На индуктивном сопротивлении вектор напряжения опережает силу тока по фазе на π/2, а на емкостном- отстает на π/2. Результирующий вектор найдем путем сложения трех векторов. Векторы U_maxL и U_maxC направлены по одной прямой в противоположные стороны. Полученные векторы (U_maxL— U_maxC) и U_maxR складываются по правилу параллелограмма и находится результирующий вектор U_max0,т.е.:

/13/

Учитывая, что

; U_maxL=I_max*ωL; U_maxc=I_max* . (14)

получим:

I²_max R²₀ = J²_max R² J²_max (R_L – R_c )² (15)

Обозначим R₀ через Z – полное сопротивление цепи или импеданс, тогда

Z = (16)

Из рис. 11 получаем

tg = (17)

Закон Ома для рассматриваемой цепи будет иметь вид:

J_{max =} (18)

Электроизмерительные приборы показывают не амплитудные значения тока и напряжения, а эффективные, которые связаны между собой следующим образом:

I_эф = U_эф= ,

Тогда выражение /18/ примет вид:

/19/

II. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ.

Переносной измерительный комплект типа К-50 имеет постоянно смонтированную схему и предназначен для постоянных измерений силы тока, напряжения и мощности в однофазных и трехфазных цепях переменного тока.

На общей панели смонтированы все элементы схемы измерительного комплекта К-50. Все необходимые соединения между элементами схемы выполнены постоянным монтажом.

Рис.12

Кроме крышек измерительных приборов над лицевой стороной панели выступают: ручки переключателей, зажимы, крышка фазоуказателя и кнопка, карболитавая панель со штырьковым переключателем и потенциальными зажимами. Корпус комплекта имеет съемную крышку, на внутренней стороне которой укреплена табличка- инструкция К-50.

Схема включения измерительного комплекта приведена на рис. 12.

Комплект включения в сеть через ЛАТP РН.

III. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНЯ РАБОТЫ.

ВНИМАНИЕ: подключение комплекта К-50 можно производить только при отключенном источнике питания.

1. Установите комплект в горизонтальное положение.

2. Подключите источник питания к группе зажимов, обозначенных “ген”, нагрузку подключите ко второй группе зажимов, имеющих обозначение ”нагр”. /рис.13/.

3. Установите переключатель фаз комплекта в положение “0”, переключатель номинальных напряжений в положение 600 В, переключатель номинальных токов в положение 50 А, переключатель полярности ваттметра в положение” ”, колодку “К” (штыковый переключатель с обозначением стрелки) установите стрелкой в сторону приборов (рис. 13).

4. Установите стрелки приборов с помощью корректоров на нулевые отметки шкал.

5. Поставьте переключатель фаз в положение фазы, в которой хотят произвести измерения.

Если отклонение стрелки амперметра будет меньше 50 % верхнего предела измерения (отметка 50), то переключатель номинальных токов перевести на меньший предел измерения.

Если отклонение стрелки вольтметра будет меньше 50 % от верхнего предела измерения (отметка 75), то переключатель напряжений перевести на меньший предел измерений.

ЗАДАНИЕ 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

1. Подключите к клеммам «нагр» ламповый реостат – позиция 1. (рис. 14), определяя при этом I_эфи U_эф по амперметру и вольтметру.

2. Определите активное сопротивление по формуле:

R =

ЗАДАНИЕ 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНДУКТИВНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ И ИНДУКТИВНОСТИ КАТУШКИ.

1. Подключите к клеммам «нагр» ламповый реостат и катушку индуктивности (поз. II. Рис. 14).

2. Изменяя подаваемое в схему напряжение U с помощью ЛАТР – а РН, запишите соответствующее ему значение силы тока I_эф.

3. Рассчитайте полное сопротивление Z = при различных напряжениях и найдите Z _ср.

4. Рассчитайте индуктивное сопротивление R_L = и индуктивность катушки

L =

где = 2 f, f = 50 Гц, (активное сопротивление катушки указано на его корпусе); R – активное сопротивление катушки и лампового реостата.

5. Результаты измерений и вычислений занесите в табл. 1.

Рис. 14.

Таблица 1

Результаты измерений и вычислений R_L и L

ЗАДАНИЕ 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕМКОСТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ И МКОСТИ КОНДЕНСАТОРА

1. Подключите к клеммам «нагр» ламповый реостат, и конденсатор (поз.III рис. 14).

2. Последовательно подавая в цепь различные напряжения U_эф , (изменяя его ЛАТРом РН), измерьте соответствующие силы токов I_эф.

3. Рассчитайте полное сопротивление Z при различных напряжениях и найдите его среднее значение Z_ср .

4. Рассчитайте емкостное сопротивление и емкость конденсатора:

R_c = ; C =

5. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 2.

Таблица 2.

Результаты измерений и вычислений R_c и С

Оптика – раздел физики, в котором изучаются природа света, закономерности световых явлений.

Свет – сложный электромагнитный процесс, обладающий как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Свет, излучаемый отдельным атомом, представляет собой электромагнитную волну, т. е. совокупность двух взаимно перпендикулярных волн – электрической и магнитной.

Свет, в различных прозрачных средах распространяется с различными скоростями.

Среда, во всех точках которой скорость распространения света одинакова, называется оптически однородной.

Пусть свет падает на границу раздела двух сред, скорость света одинакова в которых соответственно С₁ и С₂, причем С₁ > С₂ (рис. 1).

Рис.1

На границе раздела сред падающий свет (луч 1) частично проходит (преломляется) во вторую среду (луч 3): α – угол падения, β – угол отражения и γ – угол преломления.

α = β (1)

Падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным к границе раздела сред в точке падения – закон отражения света.

Закон преломления:

(2)

Подающий и преломленный лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром к границе раздела сред, приведенным в точке падения; отношение синуса угла падения к синусy угла преломления равно отношению скорости света в первой среде к скорости света во второй среде.

Обозначим = и , где С – скорость света в вакууме, n ₁ и n ₂ – абсолютные показатели преломления первой и второй сред.

Абсолютный показатель преломления показывает во сколько раз скорость света данной среде меньше скорости света в вакууме. Абсолютный показатель преломления вакуума равен единице.

Зная, что показатели преломления двух сред обратно пропорциональны скорости распространения света в средах, закон преломления можно представить в виде:

(3)

где n₂₁ – относительный показатель преломления второй среды относительно первой.

Оптически однородной средой является среда; во всех точках которой показатель преломления одинаков. Среда c меньшим показателем называется оптически менее плотной, а среда с большим показателем – оптически более плотной. Показатель преломления зависит от длины волны света. Его обычно относят к монохроматическому желтому излучению паров натрия (длина волны 589 нм).

Если свет переходит из оптически менее плотной среды в оптически более плотную среду: n ₁ < n ₂ (рис. 2), то угол преломления меньше угла падения (лучи 1-1, 2-2). При угле падения _m = 90⁰ (лучи 3-3) свет во второй среде распространяется в пределах угла _пр , называемого предельным углом преломления.

Согласно закона преломления (2) : но sin 90⁰ = 1, следовательно sin =

Если свет переходит из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду: n₂ > n₁, (рис. 3), то угол преломления больше угла падения (луч 1-1^,). Угол преломления γ_m = 90^о (луч 2-2^,) соответствует углу падения α_пр. Если свет падает под углом больше предельного, то он полностью отражается от границы сред (луч 3-3^,). Это явление называется полным внутренним отражением. Угол падения называется предельным углом полного внутреннего отражения.

Согласно закона преломления (2):

, т. к. sinγ_m = 1, sinα_пр = 1, sinα_пр =

для двух данных сред γ_пр = α_пр.

Значение показателя преломления среды в основном зависит от свойств среды; однако в некоторой мере оно зависит и от длины волны света. Световые волны различной длины распространяются в данной среде с различной скоростью. Поэтому одна и та же среда по разному преломляет различные монохроматические лучи.

Зависимость показатель преломления среды от длины волны света называется дисперсией света. В более широком смысле дисперсией света называют разложение света в спектр. Дисперсия называется нормальной, если показатель преломления возрастает с уменьшением длины световой волны. Такой дисперсией света обладают среды, слабо поглощающие свет, т. е. прозрачные среды.

Рефрактометр ИРФ – 22 состоит из следующих частей (рис. 4): корпуса 1, измерительной головки 6 и зрительной трубы 16 с отсчетным устройством.

Рис. 4

Измерительная головка смонтирована на корпусе прибора. Она представляет собой два литых полушария, которые служат оправами измерительной и осветительной призм.

Tак как показатель преломления исследуемой жидкости в значительной мере зависит от температуры, при измерении она должна поддерживаться постоянной. Для этого в оправах призм предусмотрены камеры, через которые пропускается термостатируемая вода. Подача и отвод ее производится через резиновые шланги 4, надеваемые на штуцеры 3,5,9 и 11. Для контроля за температурой вода в оправу призм ввинчивается термометр 7.

Чтобы найти границу раздела и совместить ее с перекрестием сетки, нужно, вращая маховичек 5 (рис 5), наклонить измерительную головку до нужного положения. При освещении белым светом, вследствие явления дисперсии, эта граница будет окрашенной. Для устранения окрашенной наблюдаемой границы и определения средней дисперсии вещества (жидкости) служит компенсатор состоящий из двух призм прямого зрения (призм АМИЧИ). Маховичком 12 можно вращать призмы одновременно в разные стороны, меняя при этом дисперсию компенсатора и устраняя цветную кайму границы раздела Вместе с компенсатором вращается барабан 2 со шкалой, по которой определяют среднюю дисперсию жидкости.

Исследуемое вещество подсвечивается зеркалом 8, а шкала показателей преломления – зеркалом 3 (рис. 5).

Рис.5

Пределы измерений показателя преломления в проходящем свете 1.3-1.7. Пределы погрешностей измерений показателей преломления 2*10^-4.

Рефрактометр универсальный лабораторный УРЛсостоит из двух основных частей (рис. 6): верхней – корпуса 2, и нижней – основания 1. К корпусу прибора крепятся камеры – верхняя и нижняя. Нижняя камера 3, заключающая в себя измерительную призму, соединена шарниром с нижней и может поворачиваться относительно нее. Нижняя и верхняя части камеры имеют окна, закрывающиеся пробкой.

Исследуемый раствор помещается между плоскостями двух прихм осветительной и измерительной.

На штуцере нижней камеры подвижно укреплен осветитель 4, свет от которого может быть направлен в одно из окон камеры. Для контроля температуры исследуемого раствора служит термометр 5. Со стороны передней крышки корпуса видна шкала 9 рефрактометра.

Рис. 6

На оси прибора укреплены: рукоятка 11 с окуляром 10 и настроечным механизмом 14, облегчающим совмещение границы светотени с перекрестием сетки лимб дисперсии 7 для устранения окрашенности границы светотени, наблюдаемой в окуляр; механизм наведения, находящийся внутри корпуса, который вместе с рукояткой может поворачиваться на оси вдоль шкалы. Для фиксации положения границы светотени относительно неподвижной шкалы 9 окуляр 10 вращается относительно оси рукояткой 11. Через окуляр 10 зрительной трубы наблюдается граница светотени, перекрестие сетки и шкалы.

Нижняя и верхняя части камеры имеют окна, закрывающиеся пробкой. На передней стенке основания имеется выключатель 13 для включения осветителя, а на боковой стенке – шнур с вилкой 12 для подводки питания от сети.

Пределы измерений по шкале показателей преломления от 1,2 до 1,7.

Пределы погрешности измерений показателей преломления ±

Показатель преломления прозрачных жидкостей определяют в проходящем свете. Несколько капель исследуемой жидкости помещают между гипотенузными гранями призм (рис. 7). (Необходимо, чтобы исследуемая жидкость полностью заполнила зазор между измерительной и осветительной призмами).

Рис. 7

Верхняя призма 0 – осветительная, ее гипотенузная грань АВ – матовая. Нижняя призма И – измерительная.

Свет от источника с помощью зеркала З направляется на боковую грань АС осветительной призмы. При выходе через ее матовую грань АВ свет рассеивается и, проходя через жидкость, входит в измерительную призму И по всевозможным направлениям, включая и угол падения, близкий к 90^о. На грани ДГ свет преломляется и внутри измерительной призмы И проходит только в пределах предельного угла γ_пр.

Если на пути света, выходящего из призмы, поставить Т – зрительную трубу, то нижняя часть ее поля зрения будет освещена, а верхняя останется темной. Получающаяся граница света и тени определяется лучом, выходящим из призмы под определенным углом. Наблюдая в зрительную трубку, совмещают границу раздела с перекрестием зрительной трубы и непосредственно по шкале прибора ИРФ-22 снимают отсчет величины показателя преломления, а на приборе УРЛ еще и концентрацию раствора.

При определении показателя преломления окрашенных, т.е. сильно поглощающих свет жидкостей, свет падает на измерительную призму через матовую грань ГЕ.

Все измерения на приборах проводятся в белом свете. На приборе ИРФ-22 зеркало 8 устанавливают так, чтобы свет от источника через окно 1 поступал в осветительную призму (рис. 4) и равномерно освещал поле зрения.

В приборе УРЛ осветителем 4 добиваются равномерного освещения поля зрения. Наблюдая в окуляр зрительной трубы, находят границу раздела с перекрестием сетки и снимают отсчет по шкале показателей преломления.

Индексом для отсчета служит неподвижный горизонтальный штрих сетки. Целые, десятые и тысячные доли значения показателя преломления отсчитываются по шкале, десятитысячные доли оцениваются на глаз.

Шкала показателей преломления приведена для температуры 20⁰С. Если измерения производятся при температуре значительно отличающейся от 20⁰С, и требуются точные значения, то к отсчету по шкале нужно ввести поправку на температуру по формуле:

где — температурный коэффициент показателя преломления стекла измерительной призмы.

Приняв для призмы Аббе среднее значение

= 0.084 * 10 ^{– 4} ; sin = 0.87 ,

получим

^{— 4}

По этой формуле вычисляются температурные поправки в пределах от 5 до 35⁰С.

II. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Изучите описание и правила пользования рефрактометрами типа ИРФ-22 и УРЛ.

2. Проверьте нулевую точку прибора по дистиллированной воде, при 20⁰С граница раздела должна пройти деление 1,333 шкалы показателя преломления.

3. Определите показатели преломления исследуемых жидкостей.

При исследовании на приборе ИРФ-22 определите концентрацию раствора сахара по таблице 1.

4. Результаты измерений занесите в таблицу 2.

5. Сделайте выводы.

Таблица 1.

Международная таблица (1936 г.) перевода шкалы % сухих веществ (по сахарозе) в показатель преломления

Таблица 2.

Показатель преломления и концентрация раствора сахара жидкостей

Линза является основной деталью оптических приборов (зрительной трубы, микроскопа, фотоаппарата, бинокля и др.). Линзы для видимого света изготавливают из стекла, для ультрафиолетового излучения – из кварца, для инфракрасного – из каменной соли.

Линзой называется тело с определенным показателем преломления, ограниченное двумя сферическими (иногда цилиндрическими) поверхностями, одна из которых может быть плоской.

На рис.1. изображены поперечные сечения двояковыпуклой (а) и двояковогнутой (б) сферических линз (R₁, R₂, R₃ – радиусы кривизны поверхностей линз).

Рис.1

Сферическими (выпуклыми) называются линзы, превращающие падающий на них пучок параллельных лучей в пучок сходящихся лучей. У таких линз середина толще краев.

Рассеивающими (вогнутыми) называются линзы, превращающие пучок параллельных лучей в пучок расходящихся лучей. У таких линз края толще середины. Схематическое изображение собирающих (а) и рассеивающих (б) линз приведено на рис. 2

Линзы бывают тонкие и толстые. Тонкой называется линза, толщина которой мала по сравнению с радиусами кривизны линзы. Мы будем рассматривать только тонкие линзы. У такой линзы (рис.3) имеется точка 0, обладающая тем свойством, что проходящие через нее лучи не изменяют своего направления.

Точка 0 называется оптическим центром линзы.

Плоскость ММ ^/ , перпендикулярная главной оптической оси и проходящая через оптический центр, называется главной плоскостью линзы: прямая SS ^/ , проходящая через центры кривизны О₁ и О₂ поверхностей, образующий линзу, называется главной оптической осью линзы (рис. 1, 3).

Прямая, РР ^/ , проходящая через оптический центр под углом к главной оптической оси, называется побочной оптической осью.

Луч, идущий вдоль оптической оси (главной или побочной), называется центральным.

Главным фокусом линзы называется точка, в которой пересекаются после преломления в линзе лучи, падающие на нее параллельно главной оптической оси (рис. – точки F₁ и F₂).

Расстояние главного фокуса от оптического центра линзы ( и ₂) называется главным фокусным расстоянием.

Для собирающих линз фокусное расстояние величина положительная, для рассеивающих отрицательная. Фокусы у собирающей линзы – действительное, у рассеивающей – мнимые.

Плоскости Q₁ и Q₂, проходящие через фокусы перпендикулярно главной оптической оси, называются фокальными плоскостями линзы. В каждой линзе имеются два фокуса, лежащие по обе стороны ее /передний и задний/.

Лучи, падающие на линзу L параллельно побочной оптической оси PP^΄, сходятся после преломления в точке К, лежащей в фокальной плоскости Q (рис.4).

Рис.4

Общая формула тонкой линзы имеет вид:

где -расстояние от предмета до линзы,

-расстояние от изображения предмета до линзы,

-относительный показатель преломления вещества, из которого изготовлена линза .

R₁ и R₂ – радиусы кривизны поверхностей линзы.

Тогда фокусное расстояние для линзы:

, (2)

Учитывая (2), формулу линзы можно представить в виде:

(3)

Формула (3) остается справедливой и для рассеивающей линзы, только расстояния f и в следует считать отрицательными:

(3)

Величина, обратная фокусному расстоянию, называется оптической слой линзы:

Д = (4)

Единица измерения оптической силы – диоптрия (дп).

1 дп – есть оптическая сила линзы с фокусным расстоянием в 1м.

Радиусы кривизны считаются положительными для собирающей линзы и отрицательными для рассеивающей. Следовательно, оптическая сила рассеивающей линзы меньше нуля (Д<0), а для собирающей – больше нуля (Д>0).

Для построения изображений, получаемых с помощью собирающей линзы мы будем пользоваться тремя видами удобных лучей. Как было показано ранее, параллельные главной оптической оси, преломившись в линзе, проходят через ее фокус. Из обратимости хода лучей следует, что лучи, идущие к линзе через ее фокус, после преломления, пойдут параллельно главной оптической оси. Наконец, лучи, проходящие через оптический центр линзы, не меняют своего направления. Они лишь испытывают параллельное смещение, которое в случае тонкой линзы невелико, и им можно пренебречь.

Пример построения изображения в собирающей линзе изображен на рис. 5.

Линейный размер n изображения определяется по линейному размеру m предмета из следующего соотношения ( рис. ).

(5)

Линейное увеличение, даваемое тонкой линзой можно подсчитать по формуле:

(6)

I. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

На расположенной горизонтально оптической скамье А перемещаются на ползушках линза L, экран Э и осветитель S (рис.6).

В качестве источника света используется осветитель ОИ-19 (лампа накаливания 8 В, 20 Вт). Лампа питается от блока питания БП.

При работе необходимо, чтобы середины предмета, линзы и экрана лежали на одной прямой, параллельной длине оптической скамьи. Плоскость экрана нужно установить перпендикулярно к длине оптической скамьи, а ось линзы – параллельно.

Оптическая схема осветителя состоит из лампы накаливания, двухлинзового коллектора, диафрагмы и матового стекла М, на котором тушью нанесена сетка или стрелка (предмет). В качестве предмета можно вырезать стрелку в картоне или другом непрозрачном материале вместо матового стекла.

II. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

1. Включите осветитель в сеть и установите требуемую яркость лампы.

2. Поместите экран на достаточно большом расстоянии от предмета.

3. Перемещайте линзу L до тех пор, пока не получите на экране отчетливое изображение предмета (стрелки).

4. Отсчитайте величины а и в по шкале скамьи (или линейкой).

5. Меняя положение ползушки с экраном, подберите вновь соответствующе положение линзы. Измерение повторите не менее трех раз.

6. Вычислите фокусное расстояние линзы по формуле

для каждого отдельного измерения и из полученных результатов найдите среднее значение f_ср.

7. Определите оптическую силу линзы по формуле (4).-

8. Данные измерений и вычислений занесите в таблицу 1.

9. Сделайте выводы.

Таблица 1

Определение главного фокусного расстояния и оптической

силы линзы

Микроскоп представляет собой оптическую систему, состоящую из линз: короткофокусной (собирающей линзы) – объектива О₁ с фокусным расстоянием f_об и длиннофокусной (собирающей линзы) – окуляра О₂ с фокусным расстоянием f_ок (рис.1)

Рис.1

Предмет АВ помещается на предметный столик микроскопа на расстоянии, немного большем f_об . Объектив дает действительное, увеличенное и перевернутое изображение А^/ В^/, которое оказывается между окуляром и f_ок. Оно рассматривается в окуляр как в лупу. В результате получается мнимое, увеличенное и перевернутое (относительно предмета) изображение А^// В^//, находящееся от окуляра на расстоянии L. Это расстояние ясного зрения (для нормального глаза L=25 см).

Изображение А^/ В^/ в микроскопе находится очень близко к главному фокусу окуляра, а фокусное расстояние объектива очень мало. Ввиду этого с достаточной точностью можно считать l равным расстоянию между верхним фокусом объектива и нижним фокусом окуляра. Это расстояние называется оптической длиной тубуса микроскопа (обычно l = 16 см).

Увеличение микроскопа слагается из увеличения объектива и окуляра. Учитывая формулу линейного увеличения линзы, получим приближенные выражения объектива Υ_об и окуляра Y_ок :

; Y_ок=

Линейное увеличение микроскопа равно:

N = Y_об*Y_ок =

Объективы обычных микроскопов имеют увеличение от 8^х до 90^х , а окуляры от 7^х до 15^х . Поэтому общее увеличение микроскопов лежит в пределах от 56^х до1350^х. Можно изготовить микроскопы, увеличивающие предмет в несколько тысяч раз. Однако полезное увеличение микроскопа определяется разрешающей способностью микроскопа.

Наименьшее расстояние, при котором две точки предмета еще можно видеть раздельно, называют разрешаемым расстоянием.

Разрешающую способность оптического прибора принято измерять величиной, обратной разрешаемому расстоянию.

Разрешаемое расстояние микроскопа выражается формулой:

где n – показатель преломления среды, находящейся между предметом и объективом.

— длина волны света,

u – апертурный угол.

Произведение n*sin называется ч и с л о в о й апертурой, которая для микроскопа имеет порядок единицы. Если предмет помещен в иммерсионную жидкость (глицерин с n = 1,47; кедровое масло с n = 1,52) числовая апертура может быть увеличена и станет больше единицы.

I. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Микроскоп – оптический прибор, служащий для получения увеличенных изображений.

Микроскоп состоит из двух частей: механической и оптической. Механическая часть (рис.2) состоит из основания А, колонки тубусодержателя В, тубуса Т, кремальеры с ведущим барашковым колесиком Д. тубус перемещается вдоль оси микроскопа при помощи зубчатой рейки колесиком Д. и микрометрическим винтом М, обеспечивающий грубую и точную подачу тубуса для наводки на резкость изображения. Для удобства наблюдений тубусодержатель может поворачиваться до горизонтального положения вокруг оси О. На предметном столике П с помощью зажима З закрепляются исследуемые объекты (препараты). В центре предметного столика имеется круглое отверстие. Часто на предметном столике укрепляют препаратоводитель.

Рис.2.

Барабан микроскопического винта М имеет 50 делений. При повороте на одно деление тубус перемещается на 0,002 мм, что и указано на барабане. Шаг винта Л = 0,002*50 = 0,1 мм.

Оптическая часть состоит из объектива О_об , окуляра О_ок и зеркала S.

Предметы, изучаемые под микроскопом, обычно прозрачные и освещаются пропускаемым через них светом. Свет направляется с помощью плоского зеркала, дающего рассеянный свет, или вогнутого, концентрирующего на объективе большое количество света.

Винтовой окулярный микрометр МОВ 1-15^х состоит (рис.3) из кожуха 3, основания 4 с хомутом, который надевается на тубус микроскопа вместо окуляра и закрепляется винтом 5; из окуляра 6 с диоптрийным механизмом и отсчетного приспособления, состоящего из микрометрического винта, который перемещается с помощью отсчетного барабана 1.

Рис.3.

В фокальной плоскости винтового окулярного микрометра расположены неподвижная шкала с делениями от 0 до 8 мм и подвижные перекрестия и индекс ( в виде биштриха) – см. рис. 4.

Неподвижная шкала нанесена на пластинке, а подвижные — перекрестие и индекс – на другой пластинке. При вращении микрометрического винта 1 (рис.3), перекрестие и биштрих перемещаются в поле зрения окуляра относительно неподвижной шкалы. Полный оборот винта (шаг винта) равен 1 мм: при повороте винта 1 за накатанную часть барабана на один оборот биштрих и перекрестие в поле зрения окуляра переместятся на одно деление шкалы (неподвижной). Следовательно, неподвижная шкала в поле зрения служит для отсчета полных оборотов барабана винта, т.е. целых миллиметров.

Барабан по окружности разделен на 100 частей, следовательно одно деление барабана равно 0,01 мм и шкала барабана служит для отсчета сотых долей миллиметра.

Полный отсчет по шкале окулярного микрометра складывается из отсчета по неподвижной шкале (целые миллиметра) и отсчета по барабану винта (сотые доли миллиметра). Отсчет по неподвижной шкале снимается с помощью биштриха, считая от нулевого деления шкалы. За целые миллиметры принимается то деление шкалы, на котором расположен биштрих или то деление, которое находится слева от биштриха – если биштрих расположен между делениями.

Отсчет по барабану микрометрического винта производится так же, как и на обычном микрометре: то есть снимается то деление шкалы барабана, которое находится точно против индекса 2 (индекс нанесен на неподвижном цилиндре микрометра).

ПРИМЕР:

Биштрих в поле зрения расположен между делениями «3» и «4» неподвижной шкалы, а по барабану против индекса находится деление 45.

Т.к. биштрих не дошел до деления «4», то отсчет целых миллиметров будет равен 3 мм. А т.к. цена деления барабана равна 0,01 мм, то отсчет по барабану будет 0,01 * 45 = 0,45 мм, следовательно, полный отсчет равен 3 мм 0,45 = 3,45 мм.

II. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

ПРИМЕЧАНИЕ: Наденьте винтовой окулярный микрометр на тубус микроскопа до упора, разверните для получения требуемого рабочего положения перекрестия и закрепите винтом 5 (рис.3).

ЗАДАНИЕ 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УВЕЛИЧЕНИЯ ОБЪЕКТИВА

Для определения линейного увеличения объектива микроскопа с помощью окулярного микрометра в качестве объекта применяется объект-микрометр.

Объект-микрометр представляет собой металлическую пластинку, в круглое окошечко которой вставлена стеклянная пластинка с короткой шкалой. Цена деления шкалы 0,01 мм.

1. Установите на столик микроскопа с помощью препаратоводителя объект-микрометр.

2. Установите на резкость изображения перекрестия и шкалы окулярного микрометра с помощью окуляра 6, вращая его за накатанную часть (рис. ).

3. Перемещая тубус микроскопа с помощью кремальерного винта вверх или вниз, сфокусировать на резкость так, чтобы появилось четкое изображение шкалы объект-микрометра (рис.5)

4. Перемещая объект-микрометр по столику микроскопа с помощью препаратоводителя, установите его так, чтобы вся шкала была видна в поле зрения окуляра. Затем, повернув осторожно окулярный винтовой микрометр, предварительно ослабив винт 5 (рис.3), установите обе шкалы параллельно (рис. ).

5. Вращение барабана по часовой стрелке подведите центр перекрестия на изображение какого-либо штриха шкалы объект-микрометра и произведите отсчет n₁ по шкалам окулярного микрометра.

6. Наблюдая в окуляр, вращением барабана переместите перекрестие на несколько делений шкалы объект-микрометра (при этом посчитав число делений – Z), сделайте второй отсчет n₂ .

7. Опыт повторите 3 раза с разным значением числа делений (Z=5, 10, 15, 20) шкалы объект-микрометра.

8. Вычислите увеличение объектива по формуле:

где n₂ – n₁ – разность двух отсчетов по шкалам окулярного микрометра,

Z – число делений объективного микрометра, взятых между отсчетами n₂ – n₁ ,

а — цена деления шкалы объект-микрометра, равная 0,01 мм.

9. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 1.

Таблица 1.

Определение увеличения микроскопа

ЗАДАНИЕ 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ МАЛЫХ ТЕЛ

1. Установите на столик микроскопа исследуемый объект (препарат с волосом).

2. Сфокусируйте тубус микроскопа так, чтобы появилось четкое изображение волоса (предмета), затем установите это изображение параллельно линиям биштриха.

3. Наблюдая в окуляр, вращением барабана подведите центр перекрестия до совмещения с левым краем изображения предмета и по шкалам микрометра снимите отсчет m₁ .

4. Подведите перекрестие до совмещения с правым краем объекта (предмета) и снимите отсчет m₂ .

5. Опыт повторите три раза, снимая отсчеты в различных точках по длине волоса, для чего передвиньте его с помощью препаратоводителя.

6. Результаты измерений запишите в табл. 2.

7. Вычислите размер волоса для каждой пары замеров (отсчетов) по формуле:

где m₂ – m₁ – разность отсчетов по окулярному микрометру (при измерении толщины волоса),

Y_об – среднее увеличение объектива.

8. Сделайте выводы.

Таблица 2

Определение размера тела

Дифракцией света называют отклонение световых волн от прямолинейного распространения.

Она имеет место при прохождении света через малые отверстия или в тех случаях, когда на пути находятся малые непрозрачные препятствия.

Отчетливая картина дифракционная наблюдается тогда, когда на пути распространения света находятся очень мелкие отверстия и препятствия размеров порядка длины световой волны.

Согласно принципа Гюйгенса-Френеля, точки среды, которых достигла в данный момент волна, можно рассматривать как источники образования вторичных (элементарных) волн. Огибающая поверхность вторичных волн будет новым положением волновой поверхности. Вторичные волны когерентны и интерферируют между собой. Наложение когерентных волн (имеющих одинаковую частоту и постоянную разность фаз) создает в определенных точках среды или усилие, или ослабление колебаний. Результат интерференции в данной точке зависит от разности хода лучей (разности между расстояниями от данной точки до источников колебаний).

Если в разности хода лучей l укладывается целое число длин волн (четное число полуволн)

(1)

то будет максимум света.

Если в разности хода лучей укладывается нечетное число полуволн:

(2)

то будет минимум света, (здесь — длина волны, n – 0,1,2,3, …).

Рассмотрим два случая дифракции Фраунгофера (дифракция плоских волн) : дифракцию от узкой щели и дифракцию от двух и многих параллельных шелей.

А. ДИФРАКЦИЯ ОТ УЗКОЙ ЩЕЛИ

Пусть на экран В с узкой прямоугольной щелью падает пучок параллельных монохроматических лучей нормально к экрану (рис.1).

В данных условиях все точки фронта АВ внутри щели являются центрами когерентных вторичных волн. Лучи, соответствующие этим волнам, отклоняются под различными углами к оси пучка. Все лучи проходящие через щель в первоначальном направлении, собираются линзой в одну точку 0 экрана Э. Это есть нулевой максимум наибольшей яркости. Следует учесть, что линза не вносит дополнительной разности хода между лучами. Поэтому параллельные лучи, собранные линзой в точке сохраняют ту оптическую разность хода, которую они имели до прохождения через линзу.

Параллельные лучи, отклонившиеся во всех точках щели под углом дифракции , с помощью линзы L собираются в точке О₁ экрана Э, помещенного в ее фокальной плоскости, и при этом интерферируют между собой.

Из точки А спустим перпендикуляр АС на луч, исходящий из точки В. Обозначим разность хода между крайними лучами пучка, собирающегося в точке О₁ , через l . Очевидно:

где a – ширина щели.

Разделим фронт волны в щели на зоны (зоны Френеля), так, чтобы разность хода между крайними лучами зоне равнялась половине длины волны При данной ширине «а» щели число таких зон зависит от длины волны и от угла наклона лучей, тогда число зон будет:

(3)

В зависимости от соотношения между a , и число зон может быть четным или нечетным.

В каждой из двух соседних зон имеются симметрично расположенные лучи с разностью хода , которые фокусируясь в точке О₁ и интерферируя между собой, взаимно гасятся. В результате через О₁ пройдет темная полоса – дифракционный минимум. Очевидно, что такой же дифракционный минимум пройдет через точку О₁, симметричную точке О₁.

Если при другом угле дифракции φ₁ лучей на ширине щели укладывается нечетное число зон, например три зоны Френеля, то лучи зон I и II погасят друг друга, а третья зона остается непогашенной и дает дифракционный максимум, проходящий через точки О₂ и О^/₂, но значительно менее яркий, чем нулевой максимум.

Направления (угол φ) на максимумы определяется условием:

, (4)

Направление на минимум определяется условием:

, (5)

Освещенность максимумов уменьшается при увеличении угла дифракции лучей (рис. 1,б).

Дифракционная картина, получаемая от одной щели, представляет собой чередование темных и светлых полос, симметрично расположенных по обе стороны от центральной светлой полосы.

Освещенность светлых полос быстро убывает по мере удаления от центральной полосы.

Рассмотрим дифракцию от двух щелей. Пусть пучок параллельных монохроматических лучей падает на экран В.

Если за экраном за экраном помещена собирающая линза L, то на экране А, расположенном в фокальной плоскости линзы, возникает дифракционная картина, являющаяся результатом двух процессов: дифракции света от каждой отдельной щели и интерференции света от обеих

щелей.

Рассмотрим лучи 1 и 2 /рис.2/.Вследствие дифракции свет от щелей будет распространяться по различным направлениям. Указанные лучи дифрагируют под углом φ с нормалью к решетке. Из рис.2 видно, что разность хода между лучами 1 и 2 равна:

, где а b=d-период. /6/

Собранные линзой L в одну линию (проходящую параллельно щелям через точку Д.), эти лучи проинтерферируют. При разности хода, равной целому числу волн, т.е. при:

лучи дадут интерференционный максимум.

При разности хода, равной нечетному числу полуволн, т.е. при

Лучи дадут интерференционный минимум, где n – целые ( положительные и отрицательные) числа натурального ряда (±0,1,2,3,…).

Согласно формуле 7 по обе стороны от центрального максимума, которому соответствует значение n=0, располагаются первые максимумы – правый /n= 1/ и левый /n=-1/, далее располагаются вторые максимумы /n= 2/ и / n=-2/ и т.д. Освещенность Е, различных максимумов неодинакова. Сильнее

всего освещен центральный максимум /n=±1/ и т.д /рис.3/

Рис.3

При использовании белого света все максимумы (кроме центрального) приобретают радужную окраску, причем внутренний край максимумов (по отношению к центральному) станет фиолетовым, а наружный – красным. Между фиолетовым и красным краями максимума располагаются остальные спектральные цвета. В этой связи дифракционные максимумы называются дифракционными спектрами, а число n-порядком спектра. Спектр нулевого порядка остается белым.

При дифракции света от многих параллельных щелей, создается такая же дифракционная картина, как в случае двух щелей.

Картина различается только тем, что максимумы получаются более яркими и узкими, а разделяющие их минимумы- широкими и совершенно темными. Расстояние между соседними максимумами и их яркость возрастают по мере увеличения числа щелей.

Формула /7/, определяющая место положения максимумов при дифракции от двух щелей, остается справедливой и в случае дифракции от многих щелей.

II. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ.

Длина волны монохроматического света может быть определена с помощью дифракционной решетки, которая представляет собой ряд прозрачных узких параллельных щелей одинаковой ширины, разделенных одинаковыми непрозрачными промежутками (рис.4).

Расстояние d называется периодом или постоянной решетки.

Рис.4

Дифракционные решетки изготовляют методом нанесения штрихов (царапин) на стеклянной пластинке или металлическом зеркале алмазным резцом. Лучшие дифракционные решетки имеют от 1200 до 1500 штрихов на 1 мм, что соответствует периоду (d) 0,83 – 0,56 мкм.

Внешний вид установки для определения длины световой волны изображен на рис.5.

На деревянном бруске 1 нанесена шкала с миллиметровыми делениями. По бруску может перемещаться ползушка 2 с вертикальным экраном 3, лапки которой расположены в пазах. Верхняя часть экрана окрашена в черный цвет.

Нуль шкалы расположен посередине экрана. Сантиметровые деления отмечены цифрами вправо и влево от нуля. Над нулевым делением в экране расположено прямоугольное окно с прорезью 4.

Брусок с помощью металлической скобы 5 шарнирно соединен со стержнем 6.Это позволяет закрепить брусок под разными углами с помощью винта 7. Кроме того, брусок может быть поднят или опущен в стойке 9 на необходимую для работы высоту с помощью винта 8. На конце бруска укреплена рамка 10, в зажимы которой вкладывается дифракционная решетка 11.

При освещении белым светом на шкале экрана будут видны спектры, которые симметрично расположены относительно окна так, что фиолетовая часть каждого спектра находится ближе к нулю, чем остальные цвета. Вся картина на экране – совокупность максимумов – носит название дифракционных спектров.

У словие возникновения максимумов света определяется из отношения:

Как видно из рис.4 разность хода лучей геометрически выражается отрезком ВС, тогда

(9)

В прямоугольном треугольнике АВС угол ВАС равен углу , тогда разность хода лучей первой и второй щелей:

ВС = (10)

Из уравнений (9) и (10) , найдем:

откуда

(11)

Формула (11) является формулой дифракционной решетки. Каждое боковое дифракционное изображение смещено по шкале вправо и влево от нуля на определенное расстояние ОД₁ и ОД (рис.6).

Рис.6

Обозначим ОД₁ = ОД = в

На рис. изображены лучи, образующие изображения щели. Из треугольника ОДС:

где l – расстояние от дифракционной решетки до экрана.

Так как угол мал, можно с достаточной точностью заменить на (12)

Подставляя значение в формулу (11), получим:

(13)

Формула (13) является рабочей формулой.

I. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Укрепите брусок 1 на стойке 9 горизонтально, на высоте глаз.

2. Вставьте в рамку 10 дифракционную решетку 11, при этом штрихи должны быть параллельны щели 4.

3. Приблизьте глаз к дифракционной решетке и направьте прибор на источник света. Тогда на черном фоне по обе стороны от окна 4 (щели) будут видны спектры.

Поверните дифракционную решетку так, чтобы спектры располагались параллельно шкале.

4. Отсчитайте по шкале 3 расстояние «в» от нуля до конца заданного цвета полосы спектра соответствующего порядка по обе стороны от окна 4.

5. Определите по шкале на бруске расстояние l .

6. Внесите результаты измерений в таблицу 1.

7. Определите длину волны по формуле (13).

8. Сделайте выводы.

Таблица 1.

Запись и обработка результатов измерений

ПРИМЕЧАНИЕ : 1. Цвет, расстояние l и порядок спектра задается преподавателем.

1. Опыт следует повторить три раза, изменяя расстояние l .

Согласно волновой теории видимый свет представляет электромагнитные колебания в области от 380 до 780 нм. Плоская электромагнитная световая волна является поперечной и представляет собой распространение взаимно перпендикулярных колебаний: вектора напряженности электрического поля Е. и вектора напряженности магнитного поля Н, идущих вдоль общей прямой ОV, называемой световым лучом (рис.1). Вектор Е. называется световым вектором, и все рассуждения мы ограничим рассматриванием этого вектора. Наличие вектора Н подразумевается. Таким образом, в процессах распространения света главную роль играют вектор электрической напряженности Е.

Рис.1 Рис.2

Свет, в котором колебания электрического вектора происходят во всевозможных направлениях, перпендикулярных лучу, называется естественным (рис.2а). Такой свет излучает солнце, лампы накаливания и т.п.

Свет, в котором колебания электрического вектора совершается только в одной плоскости называется линейно- или плоскополяризованным (рис.2б). Можно сказать, что свет излучаемый отдельным атомом, является плоскополяризованным. В этом случае конец электрического вектора в любой точке пространства со временем описывает прямую линию, перпендикулярную плоскости поляризации.

Плоскость, в которой происходит колебания вектора, называется плоскостью световых колебаний или просто плоскостью колебаний (рис.1). Если же конец электрического вектора описывает круг или эллипс, то свет называется соответственно поляризованным по кругу или эллиптически поляризованным. Для простоты будем рассматривать только плоскополяризованный свет.

Перпендикулярная плоскость, в которой колеблется вектор , условно названа плоскостью поляризации (рис.1).

Свет может быть также частично поляризован. В этом случае колебания происходят во всевозможных плоскостях, но в одной из плоскостей амплитуда колебаний минимальна (рис.2в).

Методы получения поляризованного света:

А) отражение естественного света от поверхности диэлектрика;

Б) прохождение естественного света через оптически анизотропную среду;

В) прохождение света через вещество, обладающее явлением дихроизма. К таким веществам относится турмалин и герапатит.

ПРИМЕР: естественный свет падает на стеклянную пластинку с показателем преломления n (рис.3), вызывая колебания в атомах и молекулах вещества.

Рис.3

Атомы и молекулы становятся сами излучателями электромагнитных волн (вторичных). Эти вторичные волны излучаются электронами, причем направления их колебаний совпадает с направлением колебаний электрического вектора падающей волны. В этом случае отраженный и преломленный лучи частично поляризуются во взаимно перпендикулярных плоскостях. Отраженный луч при определенном угле падения будет полностью поляризован, а преломленный луч будет частично поляризован (у преломленного света электрические колебания совершаются преимущественно в плоскости падения).

Угол падения, при котором отраженный луч будет полностью поляризован называется углом полной поляризации.

Угол полной поляризации зависит от относительного показателя преломления отражающей среды.

В случае , если > и, когда выполняется условие , наблюдается полная линейная поляризация отраженного света. Согласно закона преломления Sin / Sin = n . Тогда

= = n

и, наконец tg = n . Это соотношение выражает закон Брюстера.

Угол = 90 – это угол между отраженным и преломленным лучами. Значение различны для различных сред.

Большое практическое применение имеет, поляризация получаемая при прохождении света через кристаллы, обладающими анизотропией. Анизотропной средой называется среда, физические свойства которой в разных направлениях различны. Анизотропной средой являются, например, кристаллы кварца и исландского шпата. Эти кристаллы обладают невысокой степенью симметрии.

Бартолини в 1670 г. наблюдал раздвоение луча света при прохождении его через кристалл исландского шпата (одна из разновидностей СаСО). Это явление называется двойным лучепреломлением (рис.4).

Рис.4.

0₁ 0₂ – оптическая ось кристалла, сечение МО1NО2 – главное сечение кристалла или главная плоскость. Это сечение происходит через оптическую ось.

Естественный луч АВ разделяется в кристалле на два луча: ВД и ВС. Луч ВД называется необыкновенным (е). Луч ВС – обыкновенным (о). Оба луча параллельны друг другу и падающему лучу на поверхность кристалла. Они поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях и обладают одинаковыми интенсивностями. Показатель преломления кристалла n_e для необыкновенного луча зависит от направления распространяющегося луча (n_e = с/V_e ≠ const) и, следовательно, в различных направлениях необыкновенный луч в кристалле распространяется с различными скоростями V_e ≠ const .

Кристаллы называются одноосными, а направление, вдоль которого нет двойного лучепреломления Vo=V_e , принято называть оптической осью кристалла. Оптическая ось кристалла представляет собой определенное направление в кристалле. Колебания вектора Е необыкновенного луча совершаются в главной плоскости кристалла. Обыкновенный луч распространяется по всем направлениям с одинаковой скоростью V_o = const , и следовательно, показатель преломления есть величина постоянная, т.е. n_o = c / V_o = const, c – скорость света в вакууме. Благодаря различию показателя преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей, они претерпевают в кристалле неодинаковое преломление. Двойное лучепреломление наблюдается в турмалине и в поляроиде (поляризационные фильтры). Поляроид – это прозрачная полимерная пленка толщиной около 0,1 мм, содержит, например, множество мелких кристалликов герапатита (сульфат йодистого хинина). В анизотропном кристалле поглощение света будет зависеть от ориентации плоскости поляризации, т.е. обыкновенный и необыкновенный лучи будут поглощаться в разной степени.

Это явление называется дихроизмом. Особенно это заметно в кристалле турмалина обыкновенные лучи полностью поглощаются при толщине пластинки около 1 мм, а необыкновенные лучи проходят. Такая пластинка называется поляризатором. Однако надо учитывать, что турмалин в определенной области длин волн заметно поглощает и необыкновенный луч.

Обыкновенный и необыкновенный лучи выходят из кристалла под очень малым углом друг к другу, что затрудняет их раздельное использование. Чтобы «развести» эти лучи, пользуются различными «поляризующими призмами». Наиболее распространенной является призма Николя (рис.5). Из исландского шпата вырезаются две призмы, которые склеиваются канадским бальзамом по линии АС. Показатель преломления этого клея (n = 1,550) лежит между показателями преломления исландского шпата для обыкновенного (nо = 1,658) и необыкновенного (ne) лучей (минимальное значение ne = 1,486).

Рис.5

Световая волна в данной призме разделяется на две плоскополяризованные волны, содержащие почти по 50% падающей энергии.

Обыкновенный луч падает на поверхность бальзама под углом больше предельного и испытывает полное внутренне отражение.

Необыкновенный луч проходит через призму без заметного ослабления. Обыкновенный луч, отразившись от границы шпат-бальзам, поглощается зачерненной гранью СЕ. Призма Николя используется и как поляризатор и как анализатор плоскополяризованного света.

В 1811г. Араго впервые обнаружил явления вращения плоскости колебаний поляризованного луча. Вещества, обладающие способностью вращать плоскость колебаний поляризованного луча, называют оптически активным. При прохождении поляризованного луча через оптически активное вещество R плоскость колебаний Q поворачивается вокруг луча на угол (рис.6).

Рис.6

К оптически активным веществам относятся ряд твердых тел (кварц, сахар и др) и многие жидкости (скипидар, водный раствор сахара, никотин, винная кислота и т.д.).

Вещества, поворачивающие плоскость колебаний по часовой стрелке (если смотреть навстречу лучу) называются правовращающими, а вещества, поворачивающие эту плоскость против часовой стрелки – левовращающими. При этом величина вращения в обоих случаях при прочих равных условиях одинакова.

Для объяснения вращения плоскости поляризации Френель предположил, что в оптически активных веществах лучи, поляризованные по кругу вправо и влево, распространяются с неодинаковыми скоростями V_л и V_n . Плоскополяризованный свет можно представить как суперпозицию двух поляризованных по кругу волн, правой и левой, с одинаковыми частотами и амплитудами. Если V_л = V_n, то в веществе распространялся плоскополяризованный луч со скоростью V = V_л= V_n .

На рисунке 7а обозначены ₁ – световой вектор левой составляющей, ₂ – правой. РР – направление результирующего вектора .

Если V_л ≠ V_n , то по мере прохождения через вещество один из векторов, например ₁ , будет отставать при вращении от вектора ₂ (рис.7б).

Рис.7

Вектор ₂ повернут вправо на больший угол, чем вектор ₁. При сложении этих векторов плоскость колебаний с результирующим вектором повернется вправо на угол , и займет положение АА. Различие в скорости распространения света с разными направлениями круговой поляризации обусловлено асимметрией молекулы или же асимметричным размещением атомов в кристалле.

На основе опытов проведенных Био в 1831 г., установлено:

(1)

где l – длина кюветы, С – концентрация вещества, — постоянная вращения для данного вещества для длины волны 589 нм и при температуре 20 ⁰С; зависит от длины волны (приблизительно обратно пропорционально квадрату длины волны).

Следует отметить, что постоянная вращения практически не зависит от агрегатного состояния вещества.

Подобные опыты лежат в основе метода определения концентрации оптически активного вещества при измерении угла вращения плоскости поляризации. Метод имеет многочисленные приложения. В частности, им пользуются для нахождения концентрации сахара в биологических объектах (кровь, моча). Конечно, такие измерения должны проводить в санитарных условиях (λ = const, t^o = const), спектральной области, далеко от собственных полос поглощения исследуемого вещества, т. к. в противном случае наблюдается некоторые аномалии. Угол поворота плоскости поляризации можно измерить с большей точностью (погрешность измерения 0,01).

Для достижения такой точности используют дополнительные устройства (полутеневые анализаторы), в которых измерения угла вращения проводят уравнением двух (или трех) частей пол зрения.

Принцип действия прибора основан на использовании способности оптически активных веществ, вращать плоскость поляризации. Угол поворота плоскости поляризации зависит от свойств оптически активного вещества, толщены его слоя, температуры и концентрации раствора и длины волны света, проходящего через раствор.

Рис.8

Прибор (рис.8) конструктивно выполнен в виде трубки В, укрепленной на стойке А.

В трубку В вставляется с исследуемой жидкостью. Все оптические детали, сосредоточены в трубке В. Окуляр, имеет диоптрическую подвижку, что позволяет устанавливать его по главу наблюдателя.

Оптическая схема поляриметр П – 161 и 829 приведена на рис.9.

Рис.9

Световой поток, отражаясь от зеркала 1, проходит через оранжевый светофильтр 2, поляризатор 3, кварцевую пластинку 4, защитное стекло 5, кювету 6 с испытуемой жидкостью, анализатор 7, объектив 8 и попадает в окуляр 9. Лупа 11 служит для рассматривания шкалы, расположенной за защитным стеклом 10.

Светофильтр 2 пропускает весьма узкий интервал длин волн, что позволяет при измерениях пользоваться как дневным, так и электрическим светом. Необходимая освещенность поля зрения достигается поворотом зеркала 1.

В поле зрения оранжевого цвета видны границы кварцевой пластинки (рис.10). Вид тройного поля зависит от положения нониуса шкалы:

А) нониус находится в крайнем левом положении,

Б) нулевое положение,

В) нониус находится в крайнем правом положении.

Рис. 10

Определение нулевого отсчета производят без кюветы или с кюветой, наполненной водой.

Вращением муфты производится установка на резкость градусной шкалы и нониуса (рис. 11).

Рис.11

На неподвижном лимбе вправо и влево от нуля нанесены 20 делений (верхняя шкала рис.11). Цена одного деления лимба – 1. В плоскости лимба на подвижной втулке имеются два нониуса – левый и правый. Каждый нониус разделен на 10 делений (нижняя шкала рис.11). Точность отсчета 0,1.

Вращением муфты окуляра 1 (рис.8) производится установка на резкость изображений линий раздела тройного поля наблюдаемого в окуляр. После этого вращением анализатора 3 (рис.8) добиваются равномерного затемнения тройного поля зрения, т.е. нулевого положения (рис. 10 б).

Если нулевой штрих нониуса при установке на равномерное затемнение оказался относительно нулевого штриха лимба смещенным по часовой стрелке, то поправка на «0» приписывается знак ( ), если против часовой стрелки – знак (-). Сначала нужно установить, на сколько полных градусов нулевой штрих нониуса (нижняя шкала) сдвинут относительно основной шкалы (верхняя шкала) вправо или влево (рис.11), затем отметить, какой по счету штрих нониуса совпадает со штрихом основной шкалы. Полученное число показывает десятые доли градуса, которые нужно прибавить к ранее найденному числу целых градусов. Если точного совпадения штрихов шкалы и нониуса не происходит, то определяются половинные величины десятых долей градуса (0⁰,05).

ПРИМЕР. Нулевой штрих нониуса лежит вправо от нулевого штриха между 1 и 2 . Седьмой штрих нониуса совпадает со штрихом основной шкалы. Следовательно, отсчет равен 1,7 (рис. 11).

I. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

ЗАДАНИЕ 1. Определение концентрации раствора сахара на поляриметре (модели П-161 и 829).

1. Установите прибор перед источником света и поворачивая осветительное зеркало 4 (рис.9), направьте свет в прибор. Добейтесь максимальный и равномерной освещенности поля зрения.

2. Вращением муфт 1 окуляра и муфты 2 отсчетной лупы (рис.8) установите на резкость линии раздела поля зрения (рис.10) и шкалу анализатора (рис.11).

3. Поворотом анализатора 3 (рис.8) добейтесь получения одинаковой освещенности во всех частях поля зрения (рис. 10б). Сделайте отсчет (нулевая установка). Отсчет должен быть близким к нулю. Затем сбить положение анализатора (поворачивая его влево или вправо) и вновь добиться получения одинаковой освещенности. Снять отсчет. Опыт повторить не менее 3-5 раз. Средняя величина из 3-5 отсчетов являются нулевым отсчетом прибора или поправкой на «0».

4. Поместите кювету В с раствором сахара в трубку Б прибора (рис.8) и повторите пункт 3. Сделайте отсчет .

5. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 1.

6. Определите концентрацию раствора сахара по формуле:

С = 2 ( ) % (1)

7. Сделайте выводы.

Таблица 1

Поглощение (абсорбцией) света называется явление уменьшения энергии световой волны при ее распространении в веществе вследствие преобразования энергии волны в теплоту и другие виды энергии. Это происходит одновременно с рассеянием света. Рассеяние света происходит в средах при условии, что размеры неоднородностей соизмеримы с длиной волны света. При рассеянии света энергия сохраняет свою электромагнитную природу.

Поглощение света в веществе описывается законом Бугера:

, (1)

где J₀ и J – интенсивности плоской монохроматической световой волны на входе и выходе слоя вещества толщиной d; a — коэффициент поглощения зависящий от длины волны l света, химической природы и состояния вещества и не зависящий от интенсивности света. При интенсивность света J по сравнению с J₀ уменьшается в «е» раз (т.е. » 2,72 приблизительно в три раза).

Показатель поглощения характеризуется поглощательную способность вещества.

Постепенное убывание интенсивности света при прохождении через среду вследствие рассеяния также подчиняется закону Бугера, формула (1) которого с учетом поглощения и рассеяния принимает вид:

, (2)

где — s — показатель ослабления света вследствие рассеяния.

Исследования поглощения монохроматического света растворами окрашенных веществ (при условии, что расворитель не поглощает света данной длины волны и раствор имеет невысокую концентрацию). Бер показал, что оно также подчиняется закону Бугера.

Закон Бера гласит:

«показатель поглощения a прямо пропорционален концентрации вещества в растворе:

, (3)

где х – показатель поглощения для раствора единичной концентрации». Для разных веществ зная (3) и (1) имеем:

— закон Бугера-Бера (4)

или в системе десятичных логарифмов

, где .

Отношение — называют коэффициентом пропускания или прозрачностью, а величину — оптической плотностью. Учитывая выше приведенную формулу оптическая плотность раствора

D = xcd (5)

где D – оптическая плотность,

с – концентрация вещества,

х – коэффициент экстинкции х = 0,434х^’.

На практике закон Бугера-Бера выполняется в некоторых пределах, концентрации (до значения оптической плотности D=0,3 до D=1,5. Эти условия подбирают, изменяя концентрацию или длину оптического пути (толщину кюветы).

Оптическая плотность раствора зависит от длины волны измеряемого света и не зависит от его интенсивности. Кривая выражающая эту зависимость называется спектром поглощения.

II. Описание экспериментальной установки (СФ-26)

Спектрофотометр предназначен для измерения коэффициента пропускания жидких и твердых веществ в области спектра от 186 до 110 Нм.

Спектрофотометр состоит из монопроматора с измерительным прибором 2, кюветного отделения 3, камеры 4 с фотоприемниками и усилителем и осветителя 5 с источниками излучения и стабилизатором.

Основной частью монохоматора является призма которая поворачивает при вращении рукоятки 6 одновременно происходит перемещение школы 7 длин волн. Раскрытие входной и выходной щелей осуществляется с помощью рукоятки 8. Щели открываются в пределах от 0,01 до 2 мм.

В спектрофотометре используются два источника сплошного спектра: дейтериевая лампа для работы в области спектра от 186 до 350 нм и лампа накаливания для работы в области спектра от 340 до 1100 нм. Смена источников излучения производится в диапазоне от 340 до 350 нм путем переключения зеркального конденсатора рукояткой 9.

Кюветное отделение 3 предназначено для установки измеряемых и контрольных образцов (образцов сравнения). Для крепления плоских твердых образцов в кюветном отделении служит держатель с четырьмя окнами и пружинами, позволяющий устанавливать и измерять пропускание образцов толщиной от 0,5 до 2 мм, шириной от 8 до 15 мм.

Для исследования жидкостей используются прямоугольные кюветы из кварцевого стекла для слоя жидкости толщиной 10 мм. Кюветы помещаются в держатель с четырьмя гнездами. Держатели твердых образцов и прямоугольных кювет устанавливаются в каретку стороной с белой точкой к оператору, предельно близко к выходному окну монохрометра. Каретка с образцами перемещается с помощью рукоятки 10 и может фиксироваться в четырех положения: «1», «2», «3», и «4», соответствующих четырем кюветам.

Измерение коэффициентов пропускания образцов производится при плотно закрытой крышке кюветного отделения.

Переключение элементов производится с помощью рукоятки 11. если рукоятка находится в положении «Ф», в схему включен сурьмяно-цезиевой фотоэлемент, и в положении «К» в схему включен кислородно-цизиевой фотоэлемент.

В камере 4 находится осушительный патрон с силикагелем. Шкалы измерительного прибора 2, оцифрованные в процентах пропускания Т и единицах оптической плотности Д.

На основании расположены сигнальная лампа 12 и тумблер сеть: сигнальная лампа 13 (Д), показывающая включение дейнгерневой лампы; сигнальная лампа 14 (Н), показывающая включение лампы накаливания, рукоятка 15 включения регистров компенсации при растяжке 10-процентного диапазона на всю шкалу, имеющая 10 положений, обеспечивающих работу в диапазонах коэффициентов пропускания от 110 до 100, 100-90…. от 10-0; рукоятка 16 отсчет для выбора шкалы измерений, имеющая четыре положения. Положение «х1» рукоятки «отсчет» используется для измерения в диапазоне от 100 до 0; положение «х0,1» используется для растяжки 10-процентного диапазона на всю шкалу измерительного прибора при включенном компенсаторе; положение калибр используется для установки 100-процентного отсчета при работе с сильно поглощающими образцами. В этом случае измерения проводят с более широкими щелями для усиления светового потока, положение «х0,01» используется для измерения образцов с пропусканием меньше 10% для растяжки одного процента из диапазона от 0 до 10% в 100 раз на всю шкалу измерительного прибора (растяжка одного процента из диапазона от 2 до 10% производится при включенном компенсаторе).

На передней стенке камеры 4 расположена рукоятка 17 шторки, рукоятка 18 установки нуля, рукоятка 19 установки чувствительности.

Установка нуля осуществляется потенциометром с двойной регулировкой (грубой и тонкой), поэтому необходимо пользоваться им с большой осторожностью, не прилагая усилий.

Панель стабилизатора показана на рис. 2.

Ось 1 резистора для регулировки разрядного тока, ось 2 резистора для регулировки рабочего тока накала дейтериевой лампы, тумблер 3 и клеммы 4 для включения амперметра в цепь стабилизатора при установке разрядного тока и для включения амперметра в цепь накала дейтериевой лампы при установке рабочего тока накала лампы, предохранитель 5, клемма 6 для заземления и сетевая розетка 7.

III. Порядок выполнения работы

1. Приготовьте раствор сыворочного альбумина (яичного альбумина или пепсина) в воде, имеющий концентрацию 5 мг/мл.

2. Измерить оптическую плотность раствора при 280 ммк в кварцевых прямоугольных кюветах, которая должна быть равна ~ 0,5. При разведении раствора пользоваться формулой D = с e l.

3. Установите в рабочее положение фотоэлемент и источник излучения, соответствующие выбранному спектральному диапазону измерений.

4. Закройте фотоэлемент, поставив рукоятку 17 шторки в положение ЗАКР., и рукояткой 8 установите ширину щели примерно 0,1 мм..

5. Включите тумблер СЕТЬ, должна загореться сигнальная лампа СЕТЬ и сигнальная лампа D или сигнальная лампа Н в соответствии с выбранным источником (стабильная работа СФ-26) или другого спектрофотометра после включения в течение 1 часа).

6. Для включения после лампы накаливания дейтериевой лампы переключите конденсор рукояткой 9; после минутного прогрева лампа автоматически загорается, одновременно загорается и соответствующая индикаторная лампа.

7. Установите требуемую длину волны, вращая рукоятку 6 в сторону увеличения длин волн. Если при этом шкала повернется на большую величину, то возвратите ее назад на 3-5 нм и снова подведите к требуемому делению.

8. Поставьте рукоятку 19 в положение «1» (рабочее положение). Если поток излучения недостаточен измеряемый и контрольный образцы значительно поглощают излучение, установите рукоятку в положение «2», «3» или «4». При работе в положении КАЛИБР или «х0,01» рукоятку 16 рукоятку 19 установите также в одно положение «2», «3», «4».

9. Установите на пути потока излучения контрольный образец, перемещая каретку 10.

10. При отсутствии образца сравнения величина потока, проходящего через свободное окно держатся фильтров, принимается за 100% пропускания.

11. Установите стрелку измерительного прибора на нуль рукояткой 18 НУЛЬ.

12. Откройте фотоэлемент, поставив рукоятку 17 шторки в положение ОТКР.

13. Установите стрелку измерительного прибора на деление «100%», вращая рукоятку 8 механизма изменения ширины щели.

14. Установите в рабочее положение измеряемой образец, перемещая каретку рукояткой 10, и снимите отсчет по шкале оптической плотности D через каждые 5 нм в интервале 220-320 нм.

15. Выведите из потока излучения измеряемый образец и введите контрольный образец при этом стрелка измерительного прибора должна вернуться к делению «100%».

16. Данные эксперимента занесите в таблицу 1.

17. Постройте кривую спектра поглощения, откладывая по оси абсцисс длину волны, а по оси ординат оптическую плотность раствора сывороточного альбумина.

Таблица 1

II. Краткие теоретические сведения.

Исследуя спектры поглощения можно производить количественный анализ смеси двух или нескольких веществ. Для данного анализа необходимо определить величину оптической плотности при двух или при нескольких длин волн

Оптическая плотность равна смеси равна сумме оптических плотностей компонентов:

Д = Д_а Дв; тогда

и

Решая совместно вышеуказанные уравнения, получим выражение для концентрации веществ А (тирозин) и В (триптофан):

и

где — оптическая плотность смеси при двух длинах волн l₁ и l₂;

— молекулярные коэффициенты экстинкции тирозина и триптофана соответственно при тех же длинах волн;

С_а и Св – молекулярные концентрации тирозина и триптофана соответственно.

Длины волн, при которых производятся измерения, выбираются так, чтобы при l₁, поглощая преимущественно тирозин. А при l₂ – триптофан. Точность определения тем больше, чем больше различие молекулярных коэффициентов экстинкции определяемых веществ при каждой из этих двух длин волн. Это условие выполняется в большинстве случаев, если длины волн l₁ и l₂ соответствуют максимумам поглощения компонентов.

III. Порядок выполнения работы

1. Приготовить раствор яичного белка в концентрации 2 мг/мл в 0,1 Н растворе NaOH.

2. Установите рукоятку 11 в работе положения «Ф» в схеме включен (сурьмяно-цезиевый фотоэлемент) и рукоятку 9 в положение «Д» (включения дейтериевая лампа).

3. Закройте фотоэлемент, поставив рукоятку 17 шторки в положение ЗАКР., и рукоятный 8 установите ширину щели примерно 0,1 мм.

4. Включите тумблер СЕТЬ, должна загореться сигнальная лампа Д (стабильная работа СФ-26 после включения в течение 1 часа).

5. При переключении ламп, после минутного прогрева лампы автоматически загораются и одновременно загорается соответствующая индикаторная лампа.

6. Установите требуемую длину волны (270 нм), вращая рукоятку 6 сторону увеличения длин волн. Если при этом шкала повернется на большую величину, то возвратите ее назад на 3-5 нм и снова подведите к требуемому делению.

7. Поставьте рукоятку 19 в положение «1» (рабочее положение). Если поток излучения недостаточен и измеряемый контрольный образцы значительно поглощают излучение, установите рукоятку в положение «2», «3» или «4». При работе в положение КАЛИБР или «´0,01» рукоятки 16 рукоятку 19 установите также в одно положение «2», «3», «4».

8. Установите на пути потока излучения контрольный образец, перемещая каретку 10. При отсутствии образца сравнения величина потока, проходящего через свободное окно держателя фильтров, принимается за 100% пропускания.

9. Установите рукоятку 16 в положение «1».

10. Установите стрелку измерительного прибора на нуль рукояткой 18 НУЛЬ.

11. Откройте фотоэлемент, поставив рукоятку 17 шторки в положение ОТКР.

12. Установите стрелку измерительного прибора на деление «100%», вращая рукоятку 8 механизма изменения ширины щели.

13. Установите в рабочее положение изменяемый образец, перемещая каретку рукояткой 10, и снимите отсчет по шкале оптической плотности Д при длинах волн 270 и 300 нм. Данные занесите в таблицу 1.

14. Выведите из потока излучения измеряемый образец и введите контрольный образец при этом стрелка измерительного прибора должна вернуться к делению «100%».

15. Рассчитайте по уравнениям (1) и (2) содержание тирозина и триптофана в белке.

Таблица 1