Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

Podobné dokumenty
Balmerova série. F. Grepl 1, M. Benc 2, J. Stuchlý 3 Gymnázium Havlíčkův Brod 1, Gymnázium Mnichovo Hradiště 2, Gymnázium Šumperk 3

Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK

Balmerova série vodíku

PRAKTIKUM IV Jaderná a subjaderná fyzika

Laboratorní práce č.9 Úloha č. 8. Závislost indexu lomu skla na vlnové délce světla Měření indexu lomu refraktometrem:

Úloha 3: Mřížkový spektrometr

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE. Úloha 4: Balmerova série vodíku. Abstrakt

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

PRAKTIKUM III. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Úlohač.III. Název: Mřížkový spektrometr

L a b o r a t o r n í c v i č e n í z f y z i k y

Balmerova série vodíku

Měření vlnové délky spektrálních čar rtuťové výbojky pomocí optické mřížky

MĚŘENÍ VLNOVÝCH DÉLEK SVĚTLA MŘÍŽKOVÝM SPEKTROMETREM

Fyzikální praktikum Závislost indexu lomu skla na vlnové délce. Refraktometr

3. OHYB A INTERFERENCE SVĚTLA OPTICKOU MŘÍŽKOU

Hranolový spektrometr

Petr Šafařík 21,5. 99,1kPa 61% Astrofyzika Druhý Třetí

Úloha 5: Studium rentgenových spekter Mo a Cu anody

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

4. V p íprav odvo te vzorce (14) a (17) ze zadání [1].

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE

Praktikum III - Optika

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

Fyzikální sekce přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM. Fyzikální praktikum 2

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

Balmerova série, určení mřížkové a Rydbergovy konstanty

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

Zadání. Pracovní úkol. Pomůcky

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

Světlo x elmag. záření. základní principy

4. Z modové struktury emisního spektra laseru určete délku aktivní oblasti rezonátoru. Diskutujte,

8 b) POLARIMETRIE. nepolarizovaná vlna

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE. Úloha 10: Interference a ohyb světla

1. Ze zadané hustoty krystalu fluoridu lithného určete vzdálenost d hlavních atomových rovin.

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

Podpora rozvoje praktické výchovy ve fyzice a chemii

2. Vyhodnoťte získané tloušťky a diskutujte, zda je vrstva v rámci chyby nepřímého měření na obou místech stejně silná.

SBÍRKA ŘEŠENÝCH FYZIKÁLNÍCH ÚLOH

ODRAZ A LOM SVĚTLA. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Septima - Fyzika - Optika

n(ω) = ε r (ω)µ r (ω). látky, atd. V rámci praktika budou použity 2 metody, a sice měření indexu lomu kapalin

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

Měření závislosti indexu lomu kapalin na vlnové délce

Fyzikální sekce přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM. F3240 Fyzikální praktikum 2

Úloha 21: Studium rentgenových spekter

Úloha č. 1: CD spektroskopie

Fyzikální praktikum III

PRAKTIKUM I. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Pracoval: Pavel Ševeček stud. skup.: F/F1X/11 dne:

Zadání. Pracovní úkol. Pomůcky

Praktikum III - Optika

Úloha 15: Studium polovodičového GaAs/GaAlAs laseru

Graf I - Závislost magnetické indukce na proudu protékajícím magnetem. naměřené hodnoty kvadratické proložení. B [m T ] I[A]

5. Pro jednu pružinu změřte závislost stupně vazby na vzdálenosti zavěšení pružiny od uložení

Úloha 10: Interference a ohyb světla

5.3.6 Ohyb na mřížce. Předpoklady: 5305

Fyzikální praktikum I

2. Pomocí Hg výbojky okalibrujte stupnici monochromátoru SPM 2.

Jednou z nejstarších partií fyziky je nauka o světle tj. optika. Existovaly dva názory na fyzikální podstatu světla:

Praktikum školních pokusů Úloha č. 2: Atomová a molekulová spektra

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE. Mikrovlny

Ústav fyzikálního inženýrství Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně GEOMETRICKÁ OPTIKA. Přednáška 4

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE. Úloha 9: Základní experimenty akustiky. Abstrakt

Fyzikální sekce přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM. Praktikum z pevných látek (F6390)

17. března Optická lavice s jezdci a držáky čoček, světelný zdroj pro optickou lavici, mikroskopický

5 Studium rentgenových spekter Mo a Cu anody

PRAKTIKUM III. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Název: Studium ohybových jevů v laserovém svazku

Učební text k přednášce UFY008

Světlo jako elektromagnetické záření

Zeemanův jev. 1 Úvod (1)

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE

Studium ultrazvukových vln

Učební text k přednášce UFY102

Laboratorní práce č. 3: Měření vlnové délky světla

PRAKTIKUM III. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK

Praktikum III - Optika

5.3.1 Disperze světla, barvy

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE. Úloha 8: Mikrovlny. Abstrakt

5.1.3 Lom světla. vzduch n 1 v 1. n 2. v 2. Předpoklady: 5101, 5102

h n i s k o v v z d á l e n o s t s p o j n ý c h č o č e k

LMF 2. Optická aktivita látek. Postup :

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

Zeemanův jev. Michael Jirásek; Jan Vejmola Gymnázium Český Brod, Vítězná 616 SPŠE V Úžlabině 320, Praha 10

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

Fyzikální praktikum 1

Podle studijních textů k úloze [1] se divergence laserového svaku definuje jako

PRAKTIKUM III. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Pracoval: Jan Polášek stud. skup. 11 dne

Řešení: Nejdříve musíme určit sílu, kterou působí kladka proti směru pohybu padajícího vědra a napíná tak lano. Moment síly otáčení kladky je:

3. Změřte závislost proudu a výkonu na velikosti kapacity zařazené do sériového RLC obvodu.

Měření absorbce záření gama

Fyzikální praktikum 1

Rozšíření rozsahu miliampérmetru a voltmetru, cejchování kompenzátorem

2 (3) kde S je plocha zdroje. Protože jas zdroje není závislý na směru, lze vztah (5) přepsat do tvaru:

Abstrakt: Úloha seznamuje studenty se základními pojmy geometrické optiky

Dualismus vln a částic

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE. Úloha 6: Geometrická optika. Abstrakt

b) Maximální velikost zrychlení automobilu, nemají-li kola prokluzovat, je a = f g. Automobil se bude rozjíždět po dobu t = v 0 fg = mfgv 0

Transkript:

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze Úloha 4: Balrmerova série Datum měření: 13. 5. 016 Doba vypracovávání: 7 hodin Skupina: 1, pátek 7:30 Vypracoval: Tadeáš Kmenta Klasifikace: 1 Zadání 1. DÚ: V přípravě dovoďte vzorec (11) v [1] pro případ, kdy je splněna podmínka úhlu nejmenší deviace α 1 = α.. Metodou dělených svazků změřte lámavý úhel hranolu. Měření opakujte 5x. 3. Změřte index lomu hranolu v závislosti na vlnové délce pro čáry rtuťového spektra, vyneste do grafu a fitováním nelineární funkcí (13) v [1] určete disperzní vztah n = n(λ). 4. Změřte vlnové délky spektrálních čar zinkové výbojky a porovnejte je s tabulkovými hootami. 5. Změřte spektrum vodíkové výbojky, porovnejte s tabulkovými hootami, ověřte platnost vztahu (5) v [1] a určete Rydbergovy konstanty. 6. Určete charakteristickou disperzi v okolí vlnové délky 589 nm (žlutá čára v sodíkovém spektru). dλ Poté spočítejte minimální velikost záklay hranolu, vyrobeného ze stejného materiálu jako hranol, se kterým měříte, který je ještě schopný sodíkový dublet rozlišit. Pomůcky Goniometr, hranol (délka hrany 3 cm), stolní lampa, rtuťová, zinková, vodíková a sodíková výbojka. 3 Teoretický úvod 3.1 Balmerova série Pro vlnočet ν (převrácená hoota vlnové délky λ) spektrálních čar ve viditelném spektru atomu vodíku (Balmerova série) platí vztah ν = 1 λ = R ( 1 1 m), m = 3, 4, 5, 6, (1) kde R značí Rydbergovu konstantu, R = 10973731,57 m 1 [1] a m číslo energetické hladiny. 1

3. Lom světla hranolem Hranol je čiré látkové prostředí ohraničené lámavými stěnami, jejichž průsečnici nazýváme lámavou hranou (viz obr. 1) a mezi nimiž je úhel φ. Jestliže paprsek vlnové délky λ dopadá na lámavou stěnu pod úhlem α 1 (vzhledem k rovině kolmé na lámavou stěnu), dle Snellova zákona n 1 sin α = n sin β se láme pod úhlem β 1. Na další lámavou stěnu dopadá pod úhlem β, kde se opět láme a z hranolu vystupuje do vnějšího prostředí pod úhlem α. Úhel mezi paprskem vstupujícím do hranolu a paprskem vystupujícím z hranolu (tj. α 1 a α ) nazýváme deviace a značíme ε. Z obrázku 1 je patrné, že platí vztahy α 1 + α = ε + φ, () β 1 + β = φ. (3) Obrázek 1: Lom světla hranolem. [1] Dopadá-li paprsek tak, že uvnitř hranolu je paprsek k ose lámavého úhlu φ kolmý, bude jeho deviace minimální (rovna ε 0 ) a bude platit α 1 = α. Pro relativní index lomu hranolu n (neboť n = n(λ)) poté ze Snellova zákona, vztahů () a (3) platí vztah n = sin (ε 0 + φ ) sin ( φ ). (4) Charakteristickou disperzi získáme derivací vztahu (4) dle vlnové délky a tedy dλ dλ = cos ( ε 0 + φ ) dε 0 sin ( φ ) dλ. (5) Charakteristickou disperzi je možné vyjádřit pomocí disperzní závislosti n = n(λ), která je velmi dobře aproximovaná funkcí n = n n + C, (6) λ λ n kde n n, λ n a C jsou konstanty, které se určí proložením naměřených dat. Derivací vztahu (6) poté pro charakteristickou disperzi platí 3.3 Rozlišovací schopnosti hranolu dλ (λ) = C (λ λ n ). (7) Rozlišovací schopnosti hranolu r, tedy schopnost odlišení jeotlivých spektrálních čar je pro rovnoramenný hranol charakterizována vztahem r = λ λ = a dλ, (8)

kde λ je minimální úhlová diference vlnových délek, které mohou být hranolem ještě rozlišeny a kde a je šířka podstavy hranolu. 4 Postup měření 4.1 Lámavý úhel hranolu Lámavý úhel hranolu φ změříme metodou dělených svazků. Světelný paprsek od zdroje lampičky, necháme přes kolimátor dopadat na lámavou hranu a dalekohledem zaměříme obě místa, kam se rozdělený paprsek z hranolu zlomí a na goniometru odečteme příslušné úhly d 1 a d. Lámavý úhel získáme ze vztahu 4. Index lomu hranolu φ = d 1 d. (9) Jako zdroj použijeme rtuťovou výbojku, kterou umístíme před kolimátor. Světelné paprsky dopadají na lámavou stěnu hranolu. Dalekohledem nalezneme spektrální čáry vzniklé průchodem paprsků hranolem. Zaměříme se na konkrétní čáru (barvu) a otáčíme stolečkem, na kterém je umístěn hranol, přičemž v dalekohledu pozorujeme, jak se celý obrazec posouvá určitým směrem, v jistém bodě se však zastaví a začne se posouvat opačným směrem. V místě zastavení odečteme výchylku na goniometru d 1 pro všechny barvy spektra. V zrcadlově převrácené pozici odečteme na goniometru výchylky d. Z těchto výchylek poté vypočítáme úhel minimální deviace ze vztahu 4.3 Měření spekter výbojek ε 0 = d 1 d. (10) Měření provádíme stejně jako v předchozí úloze, přičemž místo rtuťové výbojky použijeme výbojku vodíkovou. Zinková výbojka je nefunkční, a tedy není měřena. 5 Naměřené hooty 5.1 Lámavý úhel hranolu V příloze v tabulce 1 jsou uvedeny naměřené výchylky na goniometru d 1 a d a vypočítané lámavé úhly φ. Velikost lámavého úhlu je φ = (59,96 ± 0,07). 5. Index lomu hranolu, disperzní vztah V příloze v tabulce jsou uvedeny naměřené výchylky na goniometru d 1 a d pro jeotlivé pozorované barvy spektra s odpovídající tabulkovou hootou vlnových délek [] a k nim dopočten minimální úhel deviace ze vztahu (10) a index lomu hranolu ze vztahu (4), kde úhel φ je získán z předchozí úlohy a činí φ = (59,96 ± 0,07). V příloze na obrázku je znázorněna závislost indexu lomu hranolu na vlnové délce. Závislost je proložena funkcí (6). Nafitovaný disperzní vztah je (14,6 ± 5,7) n = (1,584 ± 0,010) + λ (191 ± 54). (11) 3

5.3 Spektrum vodíkové výbojky, Rydbergova konstanta V příloze v tabulce 3 jsou uvedeny naměřené výchylky na goniometru d 1 a d pro jeotlivé pozorované barvy spektra s odpovídající tabulkovou hootou vlnových délek λ t [] a k nim dopočten minimální úhel deviace ε 0 ze vztahu (10), index lomu n ze vztahu (4), kde úhel φ = (59,96 ± 0,07) a z disperzního vztahu (11) vlnová délka λ. V příloze na obrázku 3 je znázorněna závislost vlnové délky spektrální čáry λ na čísle energetické hladiny m (viz tabulka 3). Data jsou proložena funkcí tvaru (1) a nafitovaná Rydbergova konstanta činí R = (11005 ± 7) 10 3 m 1. 5.4 Sodíkový dublet Dle [] se v okolí vlnové délky λ = 589 nm nachází žluté spektrální čáry o vlnových délkách λ 1 = 588,9950 nm a λ = 589,594 nm. A tedy λ = 0,5974 nm a λ = 589,937 nm. Rozlišovací schopnost hranolu je podle vzorce (8) r = 986,4. Dosazením vlnové délky λ = 589,937 nm do vzorce (7) a hoot nafitovaných konstant ze vztahu (11): C = (14,6 ± 5,7), λ n = (191 ± 54), dostaneme (589) = ( 9, ± 0,7) dλ 10 5 nm 1. Ze vzorce (8) poté pro minimální velikost hrany hranolu dostáváme a = (10,7 ± 0,8) mm. 6 Diskuse Metodou dělených svazků jsme určili lámavý úhel hranolu na φ = (59,96 ± 0,07). Tato hoota odpovídá teoretické skutečnosti φ = 60, neboť jsme používali rovnoramenný hranol. Naměřené indexy lomu hranolu v závislosti na vlnové délce čáry rtuťového spektra jsou uvedeny v tabulce. Násleě jsme fitováním (viz obrázek ) obdrželi disperzní vztah (11). Zinková výbojka nebyla z důvodu nefunkčnosti měřena. V tabulce 3 jsou uvedeny naměřené hooty vlnových délek spektrálních čar pro vodíkovou výbojku spolu s odmocninou směrodatné odchylky, která je jako chyba postačující (neboť nafitovaná parametry v rovnici (11) mají poměrně velkou chybu). Naměřené vlnové délky s přihléutím k chybě odpovídají tabulkovým hootám []. Rydbergova konstanta (viz obr. 3) je R = (11005 ± 7) 10 3 m 1. Námi nafitovaná hoota s přihléutím k chybě odpovídá teoretické hootě R 10973 10 3 m 1. Charakteristickou disperzi sodíkového spektra v okolí vlnové délky λ = 589nm jsme určili na hootu dλ (589) = ( 9, ± 0,7) 10 5 nm 1, přičemž rozlišovací schopnosti hranolu je r = 986,4. Násleě tedy zjišťujeme, že potřebujeme hranol o velikosti hrany a = (10,7 ± 0,8) mm, což je méně než námi použitý hranol o a = 30 mm a přesto si nevybavuji, že jsem byl schopen tyto dvě čáry ve spektru okolo této vlnové délky rozlišit. 7 Závěr Určili jsme lámavý úhel hranolu na φ = (59,96 ± 0,07). Naměřili jsme indexy lomu hranolu v závislosti na vlnové délce pro čáry rtuťového spektra a jsou uvedeny v tabulce. Disperzní vztah je roven viz (11). Zinková výbojka nebyla měřena z důvodu její nefunkčnosti. Naměřené hooty vlnových délek spektrálních čar vodíkové výbojky a jejich tabulkové hooty jsou uvedeny v tabulce 3. Rydbergova konstanta činí R = (11005 ± 7) 10 3 m 1. Charakteristická disperze je rovna dλ (589) = ( 9, ± 0,7) 10 5 nm 1. Minimální velikost hrany hranolu a = (10,7 ± 0,8) mm. 4

8 Reference [1] Návod Balmerova série. URL: http://praktikum.fjfi.cvut.cz/pluginfile.php/417/mod_resour ce/content/5/balmer-016-feb-7.pdf [Citace 1. 5. 016.] [] C. R. NAVE, Stránky hyperphysics atomová spektra. URL: http://hyperphysics.phyastr.gsu.edu/hbase/tables/spectra.html#c1 [Citace 14.5.016], 9 Příloha V tabulce 1 jsou uvedeny naměřené výchylky na goniometru d 1 a d a vypočítané lámavé úhly φ. d 1 [ ] d [ ] φ [ ] 4,4 104,75 59,84 31,07 111,13 59,97 7,87 107,88 60,00 3,35 11,37 59,99 9,17 109,0 59,99 59,96 ± 0,07 Tabulka 1: Lámavý úhel hranolu V tabulce jsou uvedeny naměřené výchylky na goniometru d 1 a d pro jeotlivé pozorované barvy spektra s odpovídající tabulkovou hootou vlnových délek [] a k nim dopočten minimální úhel deviace ze vztahu (10) a index lomu hranolu ze vztahu (4), kde úhel φ = (59,96 ± 0,07). barva [-] λ [nm] d 1 [ ] d [ ] ε 0 [ ] n ± 0,001 [-] fialová 404,7 0,5 117,67 51,9 1,65 modrá 435,8 19,45 118,6 50,4 1,643 tmavě zelená 491,6 18,5 119,68 49,9 1,63 světle zelená 546,1 17,75 10,40 48,68 1,66 oranžová 579,1 17,13 10,73 48,0 1,61 Tabulka : Index lomu hranolu. V tabulce 3 jsou uvedeny naměřené výchylky na goniometru d 1 a d pro jeotlivé pozorované barvy spektra s odpovídající tabulkovou hootou vlnových délek λ t [] a k nim dopočten minimální úhel deviace ε 0 ze vztahu (10), index lomu n ze vztahu (4), kde úhel φ = (59,96 ± 0,07), z disperzního vztahu (11) vlnová délka λ a odpovídající číslo energetické hladiny m. barva [-] λ t [nm] d 1 [ ] d [ ] ε 0 [ ] n ± 0,001 [-] λ [nm] σ λ [nm] m [-] červená 656,3 11,7 16,67 47,70 1,616 648,3 18,0 3 modrá 486,1 119,60 18,30 49,35 1,63 489,8 7,1 4 fialová 434,0 118,55 19,38 50,4 1,643 435,9 3,9 5 Tabulka 3: Spektrum vodíku. 5

Na obrázku je znázorněna závislost indexu lomu hranolu na vlnové délce. Závislost je proložena funkcí (6). Obrázek : Disperzní vztah. n n = (1,584 ± 0,010), C = (14,6 ± 5,7), λ n = (191 ± 54). Na obrázku 3 je znázorněna závislost vlnové délky spektrální čáry λ na čísle energetické hladiny m (viz tabulka 3). Data jsou proložena funkcí tvaru (1) a nafitovaná Rydbergova konstanta činí R = (11005 ± 7) 10 3 m 1. Obrázek 3: Vodíková výbojka - Rydbergova konstanta 6