Linköpings Universitetet 2004-04-05 Arno Platau Tekniskt basår, Fysik del 3, FL110, VT 2004 Laboration 1: Ljud 1. Kundts rör. Stående vågor i ett rör med slutna ändar a) Ställ in tongenerator på ca 850 Hz. Med hjälp av den flyttbara mikrofonen och oscilloskopet söker du avståndet mellan två minima, dvs två punkter där oscilloskopssignalen är minimal. Detta avstånd motsvarar avståndet mellan två noder i en stående våg. Vad blir detta avstånd uttryckt i våglängd (λ)? Bestäm ljudhastigheten med hjälp av uppmätt frekvens och våglängd. Fungerar det lika bra att mäta avståndet mellan två maxima? Varför (inte)? b) Repetera för f = 1700 Hz! 2. Ultrajud. Fasförhållande, våglängd och superposition. På labplatsen finns även två identiska piezo-elektriska kristaller som fungerar som både sändare och mottagare för ultraljud vid en viss resonansfrekvens. Koppla upp dessa till tongenerator och oscilloskop enligt instruktion från handledaren. a) Sök resonansfrekvensen, dvs den frekvens då oscilloskopsignalen från mottagaren blir maximal. b) Ändra försiktigt avståndet mellan sändare och mottagare? Vad händer med fasförhållandet mellan utsänd och mottagen signal? Kan du bestämma våglängd och ljudhastighet med denna uppställning? 3.Ljudnivåmätare. Instrumentet mäter ljudnivån i db. Man kan även se ljudsignalen på ett oscilloskop. På labplatsen flinns också två tongeneratorer kopplade till var sin av två likadana högtalare. a) Mät upp ljudnivån från olika buller du kan åstadkomma! b) Titta på ljudsignalen på oscilloskopet. Kan du sjunga i sinus? Kanke vissla? Prova duettsång, kör mm. Varför kräver talåtergivning mycket datakraft? c) Tag de två tongeneratorerna och trimma in så att båda var för sig ger exakt samma ljudnivå på mätaren. Hur mycket ökar ljudnivån då du kopplar in båda tongeneratorerna samtidigt? Räkna först och mät sedan. 1
Linköpings Universitetet 2002-04-29 Arno Platau Tekniskt basår, Fysik del 3, FL110, VT 2002 Laboration 2: Ljus 1. Bestämning av mikrovågors polarisation Du har tillgång till två mikrovågshorn, en sändare (transmitter) och en mottagare (receiver). Koppla in sändaren till 10 V DC (Uttag finns i väggen, var noga med att koppla + till + och - till -). Koppla in mottagaren till en amperemeter. a) Ställ hornen mitt emot varann på ett par decimeters avstånd. Hur stor ström får du maximalt i mottagaren? Kolla hur känslig signalen är för justering av vinkel mellan sändar- och mottagarhorn. Kolla även hur signalen förändras då du ökar avståndet mellan hornen. b) Sätt olika hinder i mikrovågornas väg, t. ex. papper, metallskiva, din hand mm. Vilket material transmitterar bäst? c) Kontrollera att du kan reflektera mikrovågorna mot en metallskärm. Var noga med att justera in vinklarna rätt. Kontrollera att reflektionslagen stämmer. d) Mikrovågorna är polariserade i ett visst plan. Hur kan du konstatera detta? e) I labbet finns en polaroid för mikrovågor som ser ut som ett galler. Sätt in denna mellan sändare och mottagare. Hur förändras signalen i mottagaren när du roterar polaroiden? I vilken riktning är vågorna polariserade? Hur stor del av maximal intensitet får du då polaroiden hålles i 45 o vinkel mot loddlinjen? 2. Bestämning av mikrovågors våglängd. Interferens Ställ upp en fast och en rörlig metallskärm tätt intill varandra. Justera så att skärmarna står på linje ordentligt. Justera in sändare och mottagare så att du får maximal signal. 2
Linköpings Universitetet 2004-04-05 Arno Platau Tekniskt basår, Fysik del 3, FL110, VT 2004 Försök hålla en liten infallsvinkel mot reflektorerna. Du kommer nu att få två reflekterade vågor, en från vardera reflektorn. a) Avlägsna den rörliga reflektom några mm. Signalen i mottagaren minskar. Fortsätt flytta reflektorn tills signalen blir 0. Hur kan signalen bli noll? b) Fortsätt avlägsna reflektom tills du får ett nytt maximum i mottagaren. Hur stor är vägskillnaden mellan våg I och våg II (geometriuppgift)? Bestäm mikrovågornas våglängd! 3. Diffraktion av laserljus i enkelspalt Ställ upp en enkelspalt framför lasern. Justera in laser och spalt så att du får ett tydligt diffraktionsmönster på en skärm bakom skrivaren. Använd en spaltbredd på 0.05 mm, mät med bladmått. På skrivaren är en fotodiod monterad som mätare för ljusintensitet. Justera in uppställningen så att huvudmaximum, den stora fläcken rakt fram, träffar mitt på fotodioden. Justera nu förstärkningen på skrivaren så att du får ett lagom stort utslag. När detta är klart kan man ta upp ett svep med skrivaren, och få en intensitetsprofil för det diffrakterade ljuset. Man kan visa (vi gör det senare i kursen) att villkoret för ett minimum är Dsinθ = mλ, m = ± 1, ± 2,... (minima) Här är D spaltbredd och θ vinkeln mot huvudaxeln. För små vinklar gäller sinθ tanθ Om vi betecknar avståndet mellan fläckar på skärmen med d och avståndet mellan skärm och spalt med L får vi θ tanθ θ = -- d L a)bestäm det typiska avståndet mellan närliggande minima. Vilken vinkel motsvarar detta avstånd? Bestäm laserljusets våglängd! b)på labplatsen finns monterat i en diaram enkelspalter och små hål för ljuset. Justera in lasern så att den precis träffar ett litet hål. Studera mönstret på skärmen! c) Du får ockå tillgång till gitter. Titta genom gittret mot vitt ljus från lysrören i taket! Håll gittret i laserljus. Hur skall ett gitter göras för att sprida isär ljusfläckarna så mycket som möjligt? Du får under labben förhoppningsvis också en kort demonstration av fiberoptik och holografi. 3
Linköpings Universitetet 2002-04-29 Arno Platau Tekniskt basår, Fysik del 3, FL110, VT 2002 4. Dubblespalt Du har här tillgång till en laser och en dubbelspalt. Justera in lasern så att båda spalterna är ordentligt belysta. Låt ljuset från spalterna falla på en skärm eller väggen, helst mer än 1 m bort. Gör mätningar och bestäm laserljusets våglängd! Du kommer under laborationen även att få en demonstration av en liten Michelsoninterferometer. 4
Linköpings Universitetet 2004-04-05 Arno Platau Tekniskt basår, Fysik del 3, FL110, VT 2004 Laboration 3: Rydbergs konstant och fotoelektrisk effekt 1. Rydbergs konstant I laboration 3 får man se ett linje-spektrum, nämligen den gula linjen från en natriumlampa. Vi uppdelar det inkommande ljuset på två olika sätt; antingen med ett prisma eller med ett gitter. Prismaspektrometern har nackdelen att det är ganska krångligt att räkna ut sambandet mellan avböjningsvinkeln och våglängden. Vi skall här använda en prismaspektrometer som gör det ganska lätt för oss. Prismat är av en typ som kallas Pellin-Broca. Detta prisma kännetecknas av att för en viss infallsvinkel och våglängd är avböjningsvinkeln 90 o. Således är det 90 o mellan tuben med den belysta spalten och kikaren med hårkorset. Genom att rotera prismat kan man studera olika våglängder. Våglängden är svår att beräkna med direkt vinkelmätning, men på vårt instrument kan man avläsa våglängden direkt på den ratt som vrider prismat. Du skall nu studera spektrum från väte. Ett glasrör är fyllt med ett lågt tryck av vätgas. I röret finns två elektroder. Då en hög spänning (ca 7 kv) läggs över elektroderna blir det en elektrisk urladdning i röret och ett vackert ljussken syns. Glasröret är ömtåligt och skall hanteras varsamt. Man bör också akta sig för att komma åt de elektriska kontakterna till röret. Det är bäst att bara använda ena handen om man behöver justera något. a) Tänd en vanlig vit lampa och placera den nära ingångs-spalten. Titta i kikaren. Justera in okularet så att du får en skarp bild av hårkorset. Hur ser ditt spektrum ut. Bestäm våglängden för rött, gult, grönt och blått ljus. b) Tänd nu vätelampan och justera in till ett bra läge framför spalten. Hur ser vätets spektum ut? Hur många starka linjer ser du? De synliga linjerna i vätets spektrum tillhör Balmerserien. Mät upp våglängden för de starka linjerna. Bestäm Rydbergs konstant. Jämför med tabellvärdet! Ledning. För våglängden för en linje i vätets spektrum gäller: 1 -- = R ---- 1 λ 2 n f ---- 1 n i 2 Vilket värde har n f för Balmerserien (synligt ljus)? Vilka värden är möjliga för n i? c) Beräkna E 1, energin för grundtillståndet i väte, med hjälp av Rydbergs konstant. Sätt alltså n f = 1 och låt n i, samt beräkna energin för den foton som sänds ut vid en elektron-övergång från n i till n f. d) (I mån av tid.) Släck vätelampan och byt till röret med helium. Tänd heliumlampan, justera in och betrakta spektrum. Spektret för helium är tyvärr betydligt mer komplicerat än den enkla Bohrmodellen för väte. Tabellvärden för He-linjerna finns vid labplatsen. Visar din spektrometer rätt? Kolla på några linjer hur många procent fel din spektrometer visar. 5
Linköpings Universitetet 2002-04-29 Arno Platau Tekniskt basår, Fysik del 3, FL110, VT 2002 2. Fotoelektrisk effekt Den fotoelektriska effekten upptäcktes av Heinrich Hertz. Vid belysning kan en metall avge en ström av elektroner ut till omgivningen (vakuum). Fenomenet förklarades av Einstein år 1905, ett arbete som sedermera renderade ett Nobelpris. Einstein införde fotonbegreppet. Energin som elektronen behöver för att kunna rymma ut ur metallen tillförs inte utsmetat som en våg. Istället koncentreras ljusenergin till små paket, små punktformiga partiklar (fotoner), som lämnar över all sin energi till en enstaka elektron. Fotoelektronemas maximala energi kan enkelt bestämmas ur tröskelspänningen, U s. Vi har KE max = eu s Enligt Einsteins teori får man KE max = hf Φ Här är h. f fotonens energi och Φ en materialkonstant (utträdesarbetet för metallen). Om vi kombinerar ekvationema ovan får vi U s = hf ---- Φ --- e e Du har tillgång till en ljuskälla (en kvicksilverlampa) med ett brett spektrum, dvs lampan ger en massa olika våglängder. För att kunna välja ut en bestämd våglängd förser man lampan med interferensfilter. Filtren släpper nästan bara igenom en våglängd. Filtren måste hanteras försiktigt: de är dyrbara och fingeravtryck på glasytorna kan fördärva dem. Du har också tillgång till ett glasrör med en stor katod av kalium och en mindre ringformad anod. En variabel spänningskälla och en känslig amperemeter är också inkopplad till detta. a) Gör upp en värdetabell över våglängd, frekvens och tröskelspänning. Varje interferensfilter är märkt med en våglängd. Fyll i kolumnema för våglängd och frekvens. b) Mät upp tröskelspänningen, dvs den spänning som precis gör fotoströmmen till noll, för vart och ett av filtren. Tyvärr finns det en ganska allvarlig felkälla i denna mätning - anoden blir kontaminerad under mätningens gång. Assistenten instruerar om en lämplig metodik för att bemästra detta problem. Plotta i ett diagram tröskelspänningen, U s, som funktion av ljusets frekvens. Beräkna ur diagrammet ett värde på kvoten h/e! Du får under denna lab också en demonstration av en gitterspektrometer, som med hjälp av en diodarray och en PC kan ta upp ett komplett spektrum på någon sekund. 6