Порядок выполнения работы. 1. Ознакомиться с измерительной установкой и включить ее в сеть

1. Ознакомиться с измерительной установкой и включить ее в сеть.

2. Установить реостатом RP максимальное напряжение U на вольтметре.

3. Перемещая светомерную головку BL, найти место, где освещенность, создавае-

мая на поверхности фотоэлементов лампами EL1 и EL2, одинакова. При этом гальванометр люксметра устанавливается на ноль. Записать в таблицу измерений и результатов расчетов значения r_х и r_э.

4. Уменьшая реостатом RP напряжение на 5–10 вольт, вновь измерить ток I,

расстояния r_э и r_х по масштабной линейке. Измерения должны быть произведены не менее чем для пяти различных значений мощности испытуемой лампы.

5. Для каждого измерения вычислить потребляемую лампой мощность Р=U× I, силу

света I_x по формуле (3), световой поток Ф = 4p I_x.

6. Для каждого значения мощности Р вычислить световую отдачу К и удельный

расход мощности η. Расчетные данные занести в таблицу измерений и результатов расчетов.

7. Построить графики зависимости светового потока Ф= f(Р), световой отдачи

К= f(Р), удельного расхода мощности η = f(Р) для испытуемой лампы.

8. В выводах к работе дайте оценку экономичности ламп накаливания. Объясните физическую сущность зависимостей, полученных на графиках Ф= f(Р), К= f(Р), η = =f(Р) для испытуемой лампы.

Таблица измерений и результатов расчетов

№	U, В	I, А	Р, Вт	rэ, м	rх, м	Iэ, кд	Ix, кд	Ф, лм	К, лм/Вт	η, Вт/кд

Контрольные вопросы

1. Что такое оптическое излучение? Какие виды излучений включает оптический диапазон?

2. Какие системы величин используются для описания характеристик оптического излучения?

3. Функция видности, ее физический смысл. Вид функции видности для дневного и сумеречного зрения, в чем различие и чем оно обусловлено?

4. Назовите основные параметры оптического излучения в энергетической и световой системах.

5. Конструкция и принцип работы лампы накаливания.

6. Назовите основные светотехнические характеристики ламп накаливания и единицы их измерения.

7. В чем заключается сущность метода определения освещенности путем сравнения?

Литература

1. Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высш. шк., 1994. Часть 5, гл. 21, § 168.

2. Савельев И. В. Курс общей физики. М.: Наука, 1977. Том 2, часть 3, гл. XVI,

§ 113, 114.

3. Грабовский Р. И. Курс физики. С-Пб.: Лань. 2002. Часть П, гл. VI, § 48, 49.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4– 02

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТИ И КОНЦЕНТРАЦИИ

ОКРАШЕННЫХ РАСТВОРОВ ПРИ ПОМОЩИ КОНЦЕНТРАЦИОНОГО

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КАЛОРИМЕТРА КФК– 2

Цель работы: изучить явление ослабления света при прохождении через вещество и фотометрические характеристики вещества, изучить устройство концентрационного фотоэлектрического калориметра КФК-2 и методику работы с ним, определить оптическую плотность и концентрацию окрашенного раствора с помощью КФК-2.

Приборы и принадлежности: калориметр фотоэлектрический концентрационный КФК – 2, исследуемый раствор, набор растворов стандартной концентрации.

Теория работы

При падении света на границу раздела двух сред свет частично отражается и частично проникает из первого вещества во второе. Световые электромагнитные волны приводят в колебательное движение как свободные электроны вещества, так и связанные электроны, находящиеся на внешних оболочках атомов (оптические электроны), которые излучают вторичные волны с частотой падающей электромагнитной волны. Вторичные волны образуют отраженную волну и волну, проникающую внутрь вещества.

В веществах с высокой плотностью свободных электронов (металлах) вторичные волны порождают сильную отраженную волну, интенсивность которой может достигать 95 % интенсивности падающей волны. Та же часть световой энергии, которая проникает внутрь металла, испытывает в нем сильное поглощение, и энергия световой волны превращается в тепловую. Поэтому металлы сильно отражают падающий на них свет и практически непрозрачны.

В полупроводниках плотность свободных электронов меньше, чем в металлах, и они слабее поглощают видимый свет, а в инфракрасной области вообще прозрачны. Диэлектрики поглощают свет избирательно и прозрачны только для определенных участков спектра.

В общем случае при падении света на вещество падающий световой поток Ф₀ можно представить в виде суммы световых потоков:

, (1)

где Ф_r– отраженный, Ф_a– поглощенный, Ф_t– прошедший через вещество световой поток.

Явление взаимодействия света с веществом описывается безразмерными величинами, которые называются коэффициентами отражения , поглощения и пропускания . Для одного и того же вещества

r + a + t = 1. (2)

Для непрозрачных тел t = 0; для идеально белых тел r = 1; для абсолютно черных тел a = 1.

Величина называется оптической плотностью вещества.

Коэффициенты r, a, t характеризуют фотометрические свойства вещества и определяются фотометрическими методами.

Фотометрические методы анализа широко применяются в ветеринарии, зоотехнии, почвоведении, технологии материалов. При исследовании веществ, растворенных в практически непоглощающем растворителе, фотометрические методы основаны на измерении поглощения света и на зависимости между поглощением и концентрацией растворов. Приборы, предназначенные для абсорбционного (абсорбция – поглощение) анализа прозрачных сред, называются спектрофотометрами и фотокалориметрами. В них при помощи фотоэлементов сравниваютcя окраски исследуемых растворов со стандартным.

Зависимость между поглощением света окрашенным раствором и концентрацией вещества подчиняется объединенному закону Бугера – Ламберта – Бера:

, (3)

где I₀ – интенсивность потока света, падающего на раствор; I - интенсивность потока света, прошедшего через раствор; c - концентрация окрашенного вещества в растворе; l - толщина поглощающего слоя в растворе; k - коэффициент поглощения, который зависит от природы растворенного вещества, растворителя, температуры и длины световой волны.

Если с выражено в моль/л, а l - в сантиметрах, то k становится молярным коэффициентом поглощения и обозначается e_l, следовательно:

. (4)

Прологарифмировав (4), получим:

. (5)

Левая часть выражения (5) является оптической плотностью раствора. С учетом понятия оптической плотности закон Бугера – Ламберта – Бера примет вид:

т. е. оптическая плотность раствора при определенных условиях прямо пропорциональна концентрации окрашенного вещества в растворе и толщине поглощающего слоя.

На практике наблюдаются случаи отклонения от объединенного закона поглощения. Это происходит потому, что некоторые окрашенные соединения в растворе претерпевают изменения за счет процессов диссоциации, сольватации, гидролиза, полимеризации, взаимодействия с другими компонентами раствора.

Вид графика зависимости D = f(c) представлен на рис. 1.

Окрашенные соединения обладают избирательным поглощением света, т.е. оптическая плотность окрашенного раствора различна для различных длин волн па- дающего света. Измерение оптической плотности с целью определения концентрации раствора проводят в области максимального поглощения, т. е. при длине волны

падающего света близкой к l_max.

Рис. 1

Для фотометрического определения концентрации раствора сначала строят калибровочный график D = f(c). Для этого готовят серию стандартных растворов. Затем измеряют величины их оптической плотности и строят график зависимости

D = f(c). Для его построения необходимо иметь 5 – 8 точек.

Экспериментально определив оптическую плотность исследуемого раствора, находят ее значение на оси ординат калибровочного графика D = f(c), а затем на оси абсцисс отсчитывают соответствующее значение концентрации с_х.

Используемый в работе калориметр фотоэлектрический концентрационный КФК–2 предназначен для измерения отношения потоков света на отдельных участках длин волн в диапазоне 315 - 980 нм, выделяемых светофильтрами, и позволяет определять коэффициенты пропускания и оптической плотности жидких растворов и твердых тел, а также концентрации веществ в растворах методом построения градуировочных графиков D = f(c).

Принцип измерения фотокалориметром КФК–2 оптических характеристик веществ состоит в том, что на фотоприемник (фотоэлемент) направляются поочередно световые потоки - полный I₀ и прошедший через исследуемую среду I и определяется отношение этих потоков.

Внешний вид фотокалориметра КФК–2 представлен на рис. 2. Он включает в

Рис. 2

себя источник света, оптическую часть, набор светофильтров, фотоприемники и регистрирующий прибор, шкала которого откалибрована на показания светопропускания и оптической плотности. На лицевой панели фотокалориметра КФК – 2 имеются:

1 - микроамперметр со шкалой, оцифрованной в величинах коэффициента про-

пускания Т и оптической плотности D;

2 - осветитель;

3 - ручка переключения светофильтров;

4 - переключатель кювет в световом пучке;

5 - переключатель фотоприемников «Чувствительность»;

6 - ручки «Установка 100»: «Грубо» и «Точно»;

7 - кюветное отделение.