НАБЛЮДЕНИЕ СПЛОШНОГО И ЛИНЕЙЧАТОГО СПЕКТРОВ Лабораторная работа по физике 11 класс
ДНЕВНОЙ СВЕТ Мы видим основные цвета полученного сплошного спектра в следующем порядке: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый, красный. Данный спектр непрерывен. Это означает, что в спектре представлены волны всех длин. Таким образом, мы выяснили, что сплошные спектры дают тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также сильно сжатые газы.
ВОДОРОД Мы видим множество цветных линий, разделенных широкими темными полосами. Наличие линейчатого спектра означает, что вещество излучает свет только вполне определенной длины волны. Водородный спектр: фиолетовый, голубой, зеленый, оранжевый. Наиболее яркой является оранжевая линия спектра.
ВЫВОД Основываясь на нашем опыте, мы можем сделать вывод, что линейчатые спектры дают все вещества в газообразном состоянии. В этом случае свет излучают атомы, которые практически не взаимодействуют друг с другом. Изолированные атомы излучают строго определенные длины волн.
1. Цель работы: изучить особенности линейчатого спектра газов и сплошного спектра излучения твёрдых тел.
2. Литература:
2.1. Касьянов В.А. Физика. 11 класс: учебник для общеобразовательных учебных заведений. – М., 2003. Параграфы 53 – 55.
2.2. Конспект лекций по предмету «Физика».
3. Подготовка к работе:
3.1. Ответить на вопросы самопроверки для получения допуска к работе:
3.1.1. Сформулируйте первый постулат Бора.
3.1.2. Сформулируйте правило квантования.
3.1.3. Какие энергетические состояния электрона в атоме называют связанными; свободными?
3.1.4. Сформулируйте второй постулат Бора.
3.1.5. На каких физических принципах основан спектральный анализ? Где используется этот метод исследования?
3.2. Подготовить бланк отчета в соответствии с пунктом 6.
4. Перечень необходимого оборудования:
4.2. Электронное издание «Лабораторные работы по физике 10-11 класс»: Дрофа, 2005. Лабораторная работа № 14.
5. Порядок выполнения работы:
5.1. Включить ПЭВМ. Установить лабораторную работу № 14. Рассмотреть установку для проведения эксперимента (рис.1).
5.2. Включите спектральную трубку с водородом.
5.3. Проведите наблюдение линейчатого спектра водорода с помощью плоскопараллельной пластинки: через грани, образующие угол 60° и угол 45°. Запишите последовательность цветов видимых спектральных линий.
5.4. Укажите отличие линейчатых спектров в этих двух случаях.
5.5. Повторите наблюдения линейчатых спектров:
а) для гелия, б) для неона.
5.6. Проведите наблюдение сплошного спектра от светлой вертикальной полоски, спроецированной на экран проекционным аппаратом, через грани, образующие угол 60° и угол 45°. Укажите последовательность чередования цветов в сплошном спектре. Опишите отличие сплошных спектров при их наблюдении через разные грани.
5.7. Проведите наблюдение сплошного спектра излучения лампы накаливания с помощью плоскопараллельной пластинки. Опишите наблюдаемый спектр.
5.8. Изменяя напряжение на лампе, опишите изменение спектра излучения лампы в зависимости от температуры нити накала.
6.1. Номер и наименование работы.
6.2. Цель работы.
6.3. Схема установки (рис. 1).
6.4. Последовательность цветов видимых спектральных линий водорода для 60 0 и 45 0 . Отличие линейчатых спектров в этих двух случаях.
6.5. Последовательность цветов видимых спектральных линий гелия для 60 0 и 45 0 . Отличие линейчатых спектров в этих двух случаях.
6.6. Последовательность цветов видимых спектральных линий неона для 60 0 и 45 0 . Отличие линейчатых спектров в этих двух случаях.
6.7. Последовательность цветов сплошного спектра от светлой вертикальной полоски, спроецированной на экран проекционным аппаратом для 60 0 и 45 0 . Отличие линейчатых спектров в этих двух случаях.
6.8. Описание сплошного спектра излучения лампы накаливания. Изменение спектра излучения лампы в зависимости от температуры нити накала.
6.9. Вывод по результатам наблюдений.
6.10. Ответы на контрольные вопросы.
Тема: «Наблюдение сплошного и линейчатого спектров»
Цель работы:
учебная: пронаблюдать сплошной и линейчатый спектры;
профессиональная: выяснить, как осуществляется люминесцентный анализ пищевых продуктов.
Должен знать : понятия: спектр, спектральный анализ, люминесценция; виды спектров, устройство спектроскопа;
уметь: отличать сплошной спектр от линейчатого, наблюдать спектры излучения с помощью призмы и спектроскопа;
Оборудование: спектральные трубки с разными газами; блок питания, прибор для зажигания спектральных трубок; стеклянная пластина со скошенными гранями; спектроскоп, лампа накаливания, лампа дневного света.
Все спектры, как показывает опыт, можно разделить на три типа.Непрерывные спектры дают тела находящиеся в твёрдом или жидком состоянии, а также сильно сжатые газы. В спектре нет разрывов, можно видеть сплошную разноцветную полосу. В непрерывном спектре представлены с различной интенсивностью все длины волн. Для получения непрерывного спектра нужно нагреть тело до высокой температуры. Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном состоянии. Каждый из них - это частокол цветных линий различной яркости разделённых широкими тёмными полосами. Обычно для наблюдения линейчатых спектров используется свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда в трубке. Полосатые спектры создаются молекулами не связанными или плохо связанными между собой. Полосатый спектр состоит из отдельных полос, разделённых тёмными промежутками. Для наблюдения молекулярных спектров так же, как и для наблюдения линейчатых спектров, используют сечение паров в пламени или сечение газового разряда.
Порядок выполнения работы:
1. Наблюдение сплошного (непрерывного) спектра:
а) солнечный;
б) от лампы накаливания;
в) от лампы дневного света.
2. Наблюдение линейчатых спектров, зарисовать основные линии:
а) гелий – Не
б) водород – Н
в) криптон – Кг
г) неон – Nе
Основные правила техники безопасности:
1. Аккуратно обращайтесь со стеклянными призмами, не допускайте их падения.
2. Не дотрагивайтесь руками до прибора для зажигания спектральных трубок (там высокое напряжение!).
Контрольные вопросы:
1) Что является причиной электролюминесценции, катодолюминесценции?
2) Что является основным элементом спектрального аппарата?
3) Зависят ли длины волн линейчатого спектра от способа возбуждения атомов?
4) Какие операции нужно проделать с крупицей вещества, чтобы узнать ее химический состав при помощи спектрального анализа?
Лабораторная работа №9
Тема: «Изучение треков заряженных частиц (по готовым фотографиям)»
Цель работы:
учебная: изучить треки заряженных частиц;
профессиональная: познакомиться с методами определения радиоактивности пищевых продуктов.
Должен знать : основные методы регистрации ионизирующих излучение, как зависит длина трека от энергии частицы, толщина трека от скорости частицы;
уметь: определять удельный заряд частицы;
Оборудование: готовые фотографии треков, калька, линейка.
Краткая теория:
При помощи камеры Вильсона наблюдают и фотографируют треки (следы) движущихся заряженных частиц. Трек частицы представляет собой цепочку из микроскопических капелек воды или спирта, образовавшихся вследствие конденсации пересыщенных паров этих жидкостей на ионах. Ионы же образуются в результате взаимодействия заряженной частицы с атомами и молекулами паров и газов, находящихся в камере.
При прочих одинаковых условиях трек толще у той частицы, которая имеет больший заряд. Например, при одинаковых скоростях трек а-частицы толще, чем трек протона и электрона.
Если частицы имеют одинаковые заряды, то трек толще у той, которая имеет меньшую скорость, движется медленнее. Отсюда очевидно, что к концу движения трек частицы толще, чем вначале, так как скорость частицы уменьшается вследствие потери энергии на ионизацию атомов среды.
Если камера Вильсона помещена в магнитное поле, то на движущиеся в ней заряженные частицы действует сила Лоренца, которая равна (для случая, когда скорость частицы перпендикулярна линиям поля): ,
где Ze = q – заряд частицы, V – скорость и В – индукция магнитного поля. Правило левой руки позволяет показать, что сила Лоренца направлена всегда перпендикулярно скорости частицы и, следовательно, является центростремительной силой: 
,
где m – масса частицы, R – радиус кривизны ее трека. Отсюда 
.
Если частица имеет скорость, много меньшую, чем скорость света (т.е. частица не релятивистская), то соотношение между величиной ее кинетической энергии и радиусом кривизны будет:
.
1. Радиус кривизны трека зависит от массы, скорости и заряда частицы. Радиус тем меньше (т.е. отклонение частицы от прямолинейного движения тем больше), чем меньше масса и скорость частицы и чем больше ее заряд. Например, в одном и том же магнитном поле при одинаковых начальных скоростях отклонение электрона будет больше, чем отклонение протона, и на фотографии будет видно, что трек электрона – окружность с меньшим радиусом, чем радиус трека протона. Быстрый электрон отклоняется меньше, чем медленный. Атом гелия, у которого недостает одного электрона, (ион Не +) отклонится слабее, чем а-частица, так как при одинаковых массах заряда а-частицы больше, чем заряд однократно ионизированного атома гелия. Из соотношения между энергией частицы и радиусом кривизны трека видно, что отклонение от прямолинейного движения больше в том случае, когда энергия частицы меньше.
2. Так как скорость частицы к концу пробега уменьшается, то уменьшается и радиус кривизны трека (увеличивается отклонение от прямолинейного движения). По изменению радиуса кривизны можно определить направление движения частицы – начало ее движения там, где кривизна трека меньше.
3. Измерив, радиус кривизны трека и зная некоторые другие величины, можно вычислить для частицы отношение ее заряда к массе. Это отношение служит важнейшей характеристикой частицы и позволяет определить, что это за частица, или, как говорят, «идентифицировать» частицу, т.е. установит ее идентичность (отождествление, подобие) известной частице.
Чтобы определить направление вектора индукции магнитного поля, нужно воспользоваться правилом левой руки: четыре вытянутых пальца расположить по направлению движения протона, а отогнутый большой палец – в направлении радиуса кривизны трека (вдоль него направлена сила Лоренца). По положению ладони, в которую должны входить силовые линии, находим их направление, т.е. направление вектора индукции магнитного поля.
Порядок выполнения работы:
1. Определите радиус кривизны трека.
Радиус кривизны трека частицы определяют следующим образом. Наложите на фотографию листок прозрачной бумаги и переведите на нее трек. Начертите, как показано на рисунке, две хорды и восстановите к этим хордам в их серединах перпендикуляры. На пересечении перпендикуляров лежит центр окружности, ее радиус кривизны трека. Например, радиус кривизны на фотографии 3,2 см., а отрезок 0,4 см. на вашем чертеже соответствует истиной длине в 1 см.
0,4 см – 1 см
3,2 см – х 
Значит, радиус кривизны трека частицы равен 
| R |
| о |
2. Выполните задание по вариантам.
Вариант I: Отношение заряда частицы III к ее массе (удельный заряд частицы) находят по формуле: 
, где 
- удельный заряд протона.
Вариант II: Из формулы: 
- найдите массу электрона. Энергия электрона связана с его массой соотношением: 
.
Вариант III: Относительное увеличение массы протока равно отношению его кинетической энергии к энергии покоя 
- масса покоя протока.
Контрольные вопросы
1. Как направлен вектор магнитной индукции относительно плоскости фотографии треков частиц?
2. Почему радиусы кривизны на разных участках трека одной и той же частицы различны?
3. Каков принцип действия приборов для регистрации элементарных частиц?
«Спектр излучения» - Значение метода спектрального анализа. 3, 5 - водород. Актуализация знаний. Электролюминесценция – возбуждение за счёт энергии заряженных частиц, разгоняющихся в электрическом поле. Лампы дневного света. Спектры испускания: 1- сплошной, 2- натрия, 3- водорода, 4-гелия. Фотолюминесценция – возбуждение за счёт внешнего излучения: Работы С.И.Вавилова (1891–1951).
«Спектр» - Исследование спектров испускания и поглощения позволяет установить качественный состав вещества. Примеры линейчатых спектров. Спектры испускания. ФРАУНГОФЕР (Fraunhofer) Йозеф (1787–1826), немецкий физик. Поэтому каждый химический элемент имеет свой спектр. Постулаты Бора. Спектральный анализ. Усовершенствовал изготовление линз, дифракционных решеток.
«Виды спектров» - Виды спектров: Гелий. Прибор для определения химического состава сплава металлов. Натрий. 1. Непрерывный спектр. 3. Полосатый спектр. Определение состава вещества по спектру. Спектральный анализ. Наблюдение сплошного и линейчатых спектров. Лабораторная работа. 4. Спектры поглощения. Водород. 2. Линейчатый спектр.
«Спектральный анализ физика» - Главное поле деятельности Вуда - физическая оптика. Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном состоянии. Изолированные атомы излучают строго определенные длины волн. Загадка Роберта Вуда. Слайд подготовлен учеником Якушевым А. (11 кл.). Спектральный анализ. Применение спектрального анализа.
Лабораторная работа №5 (решеба, ответы) по физике 11 класс - Наблюдение сплошного и линейчатого спектров
3. Зарисуйте цветными карандашами несколько наблюдаемых вами спектров.
4. Направьте спектроскоп на светящуюся люминесцентную лампу, установленную на демонстрационном столе, и рассмотрите её спектр. Зарисуйте наблюдаемый спектр.
Опишите, чем спектр люминесцентной лампы отличается от спектра лампы накаливания.
Лампа накаливания даёт сплошной спектр, а люминесцентная лампа даёт линейчатый спектр.
5. Вставьте трубку с гелием 1 в держатель 2 прибора для зажигания спектральных трубки подключите прибор к источнику напряжения 3. Зажгите спектральную трубку и рассмотрите в спектроскоп 4 линейчатый спектр излучения гелия. Зарисуйте спектр излучения данного газа и запишите основные цвета в наблюдаемой последовательности.
Фиолетовый, зелёный, оранжевый, красный.
6. Повторите наблюдения со спектральной трубкой, наполненной другим газом. Зарисуйте спектр излучения данного газа и запишите основные цвета в наблюдаемой последовательности.
Водород: фиолетовый, зелёный, красный.
Неон: фиолетовый, зелёный, оранжевый, красный.
7. Сравните полученные линейчатые спектры излучения с табличными спектрами излучения соответствующих газов. Сделайте выводы.
Спектры практически не отличаются. Единственное отличие - фиолетовый цвет переливается с голубым.
Ответы на контрольные вопросы
1. Какие вещества дают сплошной спектр?
Нагретые тела, находящиеся в твёрдом и жидком состоянии, газы при высоком давлении и плазма.
2. Какие вещества дают линейчатый спектр?
Те вещества, у которых слабое взаимодействие между молекулами, например достаточно разряжённые газы. Также линейчатый спектр дают вещества в газообразном атомном состоянии.
3. Объясните, почему отличаются линейчатые спектры различных газов.
При нагревании часть молекул газа распадаются на атомы, излучаются кванты с различными значениями энергии, от чего и зависит цвет.
4. Почему отверстие коллиматора спектроскопа имеет форму узкой щели? Изменится ли вид наблюдаемого спектра, если отверстие сделать в форме треугольника?
Отверстие имеет форму узкой щели для создания картинки. Если отверстие сделать треугольным, то линейчатый спектр станет треугольным и размытым.
Выводы: сплошные спектры дают тела в твердом или жидком состоянии, а также сильносжатые газы. Линейчатые спектры дают вещества в атомарном газообразном состоянии.