Установка на основе трёхэлектродной лампы ПМИ-2. Вариант 2

Вариант 2 (работа 48р)

УСТАНОВКА НА ОСНОВЕ ТРЁХЭЛЕКТРОДНОЙ ЛАМПЫ ПМИ-2

Установка состоит из измерительного устройства 1, объекта исследования 2 – трёхэлектродной лампы ПМИ-2, наполненной газом и помещённой в металлический кожух, и электронного осциллографа 3 (сигнал может выводиться и на персональный компьютер через аналого-цифровой преобразователь), рис. 6. Измерительное устройство формирует пилообразное напряжение амплитудой около 40 В, которое подаётся на участок катод – сетка лампы, задерживающее напряжение сетка – анод, а также переменное напряжение, мгновенное значение которого пропорционально силе анодного тока в рассматриваемый момент.

Одновременно с пилообразным напряжением, подаваемым на лампу, измерительное устройство формирует на экране осциллографа на фоне вольт-амперной характеристики узкий добавочный пик – маркер, который можно перемещать по экрану осциллографа ручками ГРУБО и ТОЧНО, расположенными на лицевой панели измерительного устройства. При наведении маркера на интересуемые точки регистрируемой картины на табло измерительного устройства отображаются значения соответствующего напряжения U, которые и следует регистрировать.

Примеры картин, наблюдаемых на экране осциллографа в процессе измерений, представлены на рис. 7.а – 7.е.

Рис. 7.а. Картина ВАХ при оптимальной развёртке по времени. В левом нижнем углу виден пик, соответствующий метке (U = 0).	Рис. 7.б. Положение метки соответствует напряжению U = 1,9 В.
Рис. 7.в. Положение метки соответствует напряжению U1. (ПЕРВЫЙ МАКСИМУМ)	Рис. 7.г. Положение метки соответствует напряжению U¢ > U1.
Рис. 7.д. Положение метки соответствует напряжению U2. (ВТОРОЙ МАКСИМУМ)	Рис. 7.е. Положение метки соответствует напряжению U3. (ТРЕТИЙ МАКСИМУМ)

Порядок выполнения работы

1. Подготовьте установку к работе:

·  Подсоедините объёкт исследования (лампу ПМИ-2 в металлическом корпусе) к измерительному устройству;

·  Подключите измерительное устройство ко входу «Y» электронного осциллографа специальным кабелем;

·  Проверьте наличие заземления измерительного устройства и осциллографа;

·  Установите следующие значения пределов ручек регулировки осциллографа: длительность – 3 мс; делитель: 0,5 В/дел; синхронизация – внутренняя; яркость – в крайнее левое положение;

·  Включите измерительное устройство и осциллограф в сеть и дайте установке прогреться 10 минут.

2. С помощью регулировок частоты развёртки и чувствительности усилителя вертикального отклонения луча осциллографа добейтесь устойчивого изображения картины вольт-амперной характеристики лампы.

3. Вращая ручки метки ГРУБО и ТОЧНО на передней панели измерительного устройства, установите метку на экране осциллографа напротив каждого из трёх наблюдаемых максимумов вольт-амперной характеристики и запишите в таблицу 2 соответствующие значения напряжения (U₁, U₂ и U₃).

Таблица 3

	U1,В	U2,В	U3,В	U2 -U1, В	U3 -U2, В	DE21, Дж	DE32, Дж	l21, нм	l32, нм
1.
2.
3.
Сред-нее Ui				Приборная погрешность измерения напряжения: DUПР =      В
lСР ± Dl =               нм				Газ, заполняющий лампу:

5. Измерения по п. 3 выполните три раза; результаты запишите в таблицу 3.

6. Зная резонансные значения напряжения, определите разность энергий двух стационарных состояний с n = 2 и n = 1.

Е₂ – Е₁ = hν₂₁ = e(U₂ - U₁),                                     (4)

Е₃ – Е₂ = hν₃₂ = e(U₃ - U₂),                                     (5)

(здесь е – заряд электрона), и соответствующую данному переходу длину волны:

(l₂₁ = ,     l₃₂ = ),                        (6)

где с – скорость света в вакууме.

7. Вычислите среднее значение длины волны l_СР, соответствующей электронным переходам в газе, который заполняет лампу.

8. Рассчитайте ошибку измерения длины волны.

Измерения длины волны в настоящей работе – косвенные, следовательно, расчёт погрешностей проводится по следующим формулам:

Dl₂₁ = DU₁ + DU₂ = ,

где DU₁ = a,

DU₂ = a;

Dl₃₂ = DU₂ + DU₃ = ,

где DU₃ = a.

Здесь коэффициент Стьюдента a = 4,3 соответствует трём измерениям и доверительной вероятности 0,95.

Прежде, чем подставлять значения погрешностей измерений напряжения (DU₁, DU₂ и DU₃) в формулы для вычисления Dl₂₁ и Dl₃₂, необходимо сравнить эти значения с приборной погрешностью измерения напряжения DU_ПР (величину приборной погрешности следует записать в таблицу 3). Если какая-либо из ошибок (DU₁, DU₂, DU₃) окажется меньше DU_ПР, то в формуле для расчёта Dl следует использовать вместо этой ошибки именно DU_ПР.

Для оценки максимального значения погрешности выберем наибольшее из Dl₂₁ и Dl₃₂. Обозначив его Dl, округлите это число, а затем до той же значащей цифры округлите значение l_СР.

9. Результат измерений представьте в виде

l = l_СР ± Dl

и запишите в таблицу 3.

10. Пользуясь таблицей 1, определите, какой газ заполняет лампу ПМИ-2. Вывод запишите в таблицу 3.

Вариант 2а (работа 48р)

УСТАНОВКА НА ОСНОВЕ ТРЁХЭЛЕКТРОДНОЙ ЛАМПЫ ПМИ-2

(с использованием аналого-цифрового преобразователя PCSCOPE

и персонального компьютера)

Установка состоит из измерительного устройства 1, объекта исследования 2 – трёхэлектродной лампы ПМИ-2, наполненной газом и помещённой в металлический кожух; сигнал выводится и на персональный компьютер 4 через аналого-цифровой преобразователь 3.б), рис. 8.

Примеры изображения, получаемого на экране монитора компьютера, представлены на рис. 9.а – 9.д.

Рис. 9.а. Пример вызова программы Pc_Lab2000 из опции «Пуск».

Рис. 9.б. Меню, высвечивающееся на экране после вызова программы Pc_Lab2000. Далее следует нажать «OK».

Рис. 9.в. Меню, высвечивающееся после вхождения в программу Pc_Lab2000 (сигнал еще не регистрируется). Для начала работы с программой следует нажать клавишу «AUTOSET» в левой части панели (в массиве клавиш СН1). Программа автоматически подбирает масштабы по амплитуде и по времени, однако итог этого подбора будет не оптимален (см. рис. 9.г.).

Рис. 9.г. Картина, появляющаяся после автозапуска программы. Видно, что развёртка как по вертикали, так и по горизонтали не оптимальна (масштаб мал). Далее необходимо: - установить оптимальное время развёртки (клавиша 5 ms в группе клавиш Time/Div); - установить необходимое усиление (клавиша 50 mV в группе клавиш Volts/Div канала CH1) - полозковыми регуляторами Volts/Div на канале CH1 и Trigger (в правой части панели) переместить изображение в центр экрана

Рис. 9.д. Пример картины ВАХ, с которой следует начинать измерения (сравните с. картиной на рис. 7.а).

Порядок выполнения работы

Порядок выполнения аналогичен тому, который изложен в пп. 3-10 варианта 2 настоящих указаний.

Результаты измерений и вычислений также заносятся в табл ицу 3.

Контрольные вопросы

1.  Дайте формулировку постулатов Бора.

2.  Изложите сущность опытов Франка и Герца.

3.  Каким образом получают неподвижное изображение осциллограмм с максимумами на экране осциллографа?

4.  Как, зная энергию перехода атома с основного уровня на возбужденный, определить частоту поглощаемого кванта?

5.  Рассчитайте, исходя из теории Бора, радиусы электронных орбит водородоподобного атома.

6.  Покажите, что целое число n, входящее в формулу второго постулата Бора, равно числу длин волн де Бройля, укладывающихся на длине круговой орбиты электрона в атоме.

Список литературы

1.  Савельев И. В. Курс общей физики: В 3-х т. – М.: Наука, 1987. – Т. 3, С. 55.

2.  Яворский Б.М., Детлаф А.А. Курс физики. – М.: Высш. шк., 2000. – С. 294.

3.  Шпольский Э.В. Атомная физика. – М.: Наука, 1974. – Т. 1, С. 294.

4. Расчет погрешностей в лабораторных работах физического практикума. Методические указания к вводным занятиям в физическом практикуме / Н.А.Гринчар, Ф.П.Денисов, Б.А.Курбатов и др.; Под общ. ред. Ф.П.Денисова. – М.: МИИТ, 1995. – 38 с.