Описание лабораторного занятия № 19

 

«Измерение длины волны при помощи дифракционной решетки»

(наименование лабораторного занятия)

по дисциплине «ФИЗИКА»

(наименование дисциплины)

Цель занятия: изучить свойства света как электромагнитной волны и определять ее характеристики».

Оборудование: проекционный фонарь, дифракционная решетка, экран с миллиметровым масштабом, измерительная линейка, набор светофильтров, разрядная газоразрядная трубка (неон или азот), индукционная катушка.
Теоретическая часть. Рассмотрим один из методов определения длины световой волны при помощи дифракционной решетки. Этот метод, схема установки которого показана на рисунке, заключается в том, что дифракционный спектр рассматривают непосредственно на экране ММ без помощи линзы L₁. Роль линзы L₁ выполняет хрусталик глаза, который фокусирует параллельные лучи, полученные в результате дифракции (например, лучи 1 и 2) на сетчатке глаза.
На рисунке RR- дифракционная решетка, на которую падает параллельный пучок лучей из проекционного фонаря Ф, l- расстояние от дифракционной решетки до экрана ММ, х – расстояние между средними точками полос одного и того же цвета для спектров 1-го, 2-го и т.д. порядков (на рисунке х ₁ – расстояние между полосами фиолетового цвета для спектров 1-го порядка). Для определения длины волны λ в формуле

λ = (1)

необходимо знать . Так как l >> х, то = tg и тогда

L

tg (из рисунка)
Подставляя значение в выражение (1), получим окончательную формулу для нахождения длины волны: λ = (2)

Длины волн измеряются в нанометрах (1 нм = 10^-9 м).

Ход работы.

1. Включить лампочку проекционного фонаря в сеть переменного тока.
2. Установить экран на таком расстоянии от дифракционной решетки, что бы на нем получилось четкое изображение центральной полосы и спектров 1-го и 2-го порядков.
3. Измерить расстояние от экрана до дифракционной решетки.
4. Измерить на экране расстояние между серединами фиолетовых (или зеленых) полос- х ₁ и между серединами красных полос - х ₂ спектров 1-го порядка.
5. Таким же способом измерить расстояние х ₁ и х ₂ для фиолетовых (или зеленых) и красных полос в спектре 2-го порядка.
6. Подставить полученные значения l и х ₁ в формулу (2), вычислить длину волны красной линии спектров 1-го и 2-го порядков и длину волны фиолетовой (или зеленой) линии тех же спектров.
7. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу:

 

Порядок спектра k	Расстояние между серединами фиолетовых полос х 1, м	Расстояние между серединами красных полос х 2, м	l, м	λ кр ,нм	λ ф (λзел), нм
Среднее значение

 

8. Между дифракционной решеткой и проекционным фонарем поставить различные светофильтры и пронаблюдать дифракционный спектр от монохроматического света.

9. Вычислить погрешность измерений, ответ записать в виде

λ= λ_ср+ ∆λ_ср

Контрольные вопросы.

1. Почему дифракционная картина, полученная в белом свете спектральная?

2. Какому из цветов(фиолетовому, красному) соответствует больший угол отклонения?

3. Зависит ли положение максимумов освещенности, создаваемых дифракционной решеткой, от числа щелей?

 

 

Министерство образования и науки Краснодарского края

 

Государственное БЮДЖЕТНОЕ образовательное учреждение

среднего профессионального образования

 

«Новороссийский колледж радиоэлектронного приборостроения» КРАСНОДАРСКОГО КРАЯ

 

 

Описание лабораторной работы № 20

 

«Изучение свойств элементарных частиц

По фотографиям треков»

по дисциплине «ФИЗИКА»

(наименование дисциплины)

Цель занятия: научиться определять частицы и их параметры по фотографиям треков.

Оборудование: 1. Фотографии косых столкновений частиц, транспортир, линейка, тонко отточенный карандаш.

Теоретическая часть. В результате нецентрального (косого) соударения

двух элементарных частиц каждая разлетается по траектории, выходящей из одной точки, поэтому образуется «вилка».

На рис 1. Показана импульсная диаграмма

такого взаимодействия движущейся частицы

(масса её M, скорость движения до и после

взаимодействия v и v ₁) и неподвижной

(масса её m, скорость движения после Рис. 1

взаимодействия u). θ – угол рассеяния; φ – угол отдачи; Mv и Mv₁ – векторы импульсов налетающей частицы до и после взаимодействия; mu – вектор импульса неподвижной частицы после взаимодействия. Энергия частиц до взаимодействия Mv²/2 после взаимодействия Mv₁²/2 и Mu²/2, поэтому в соответствии с законом сохранения энергии запишем уравнение

Mv²/2 = Mv₁²/2 + Mu²/2 (1)

Из ∆AOC (рис.1), согласно теореме синусов, запишем

Mu/sin θ = Mv/sin(π-(θ+φ)); Mv₁/sin φ = Mv/sin(π-(θ+φ)).

Следовательно,

u = Mv sin θ/ sin(mπ-(θ+φ) (2)

v₁₌v sinφ/ sin(θ+φ),

Уравнения (2) подставим в уравнение (1), и получим

 

После сокращения обеих частей последнего уравнения на Mv²/2

Имеем

или (3)

Преобразуем левую часть уравнения (3), зная, что

sin²α+sin²β=sin (α + β) sin (α - β); sin² (θ+φ) –sin²φ=sin(θ+2φ) sinθ.

Следовательно,

sin² (θ+φ) –sin²φ=sin(θ+2φ) sinθ.(4)

Учитывая выражение (4), уравнение (3) запишем так:

sin(θ+2φ) sinθ=Msin²θ/m или M/m=sin (θ+2φ)/sinθ. (5)

Исследуя треки заряженных частиц по готовым фотографиям и используя формулу (5), можно решить ряд задач.

На фотографии треков частиц в толстослойной эмульсии (рис. 2) след с – трек рассеянной частицы. Зная, что d- трек протона, определить неизвестную частицу.

(Рис. 2)

Ход работы.

1. Используя рис. 1, начертить в тетради трек налетающей частицы и продолжить его.

2. Начертить прямолинейные участки треков взаимодействующих частиц, сохранив углы рассеяния θ и отдачи φ. Отметить эти углы.

3. Записать массу m известной частицы в а.е.м. и, используя формулу (5), вычислить массу M рассеянной частицы.

4. Зная М, используя таблицу «Периодическая система элементов», определить, ядром какого атома является рассеянная частица. Назовите частицу.

5. Результаты измерений, вычислить и записать в таблицу.

6. Исследование повторить (п. 1-6) для решения задачи II. Сталкиваясь в камере Вильсона с атомом газа, α-частица отклонилась на 142º. Определить, с атомом какого газа столкнулась α-частица (рис. 3)

Номер опыта	Угол рассеяния θ, º	Угол отдачи φ, º	Масса известной частицы М, а.е.м.	Масса неизвестной частицы m,а.е.м.	Вид частицы газа

 

Контрольные вопросы.

1. Назовите формулу кинетической энергии частиц; сформулируйте закон сохранения энергии.
2. Что вам известно о протоне, α-частице?
3. Дайте определение атомной единицы массы. Укажите ее соотношение с килограммом.
4. Как узнать, ядро какого атома приобретает большую кинетическую энергию после столкновения?
5. На рис. 4 показан фотоснимок столкновения α-частицы с атомом кислорода в камере Вильсона. Какой трек «вилка» представляет собой трек ядра кислорода и какой трек α-частицы? Почему?
6. На рис. 5 показано столкновение двух протонов в фотоэмульсии. Трек налетающей частицы – а. Используя рис. 5, составьте условие задачи и решите ее.

 

 

Рис. 3 Рис. 4

 

 

Рис. 5