LABORATION 2-3 Fysik 2 2016
BFL102: Fysik 2 för tekniskt/naturvetenskapligt basår
Marcus Ekholm
Innehåll
Laboration 2: Elektromagnetism Del 1: Bestämning av kvoten mellan elektronens laddning och massa Del 2: Kraft på ledare i magnetfält Del 3: Induktion och växelström
3 7 8
Laboration 3: Kvantfysik Del 1: Fotoelektriska effekten
9
Del 2: Vätespektrum
11
Linköpings universitet IFM Marcus Ekholm
150216 Fysik 2, basår BFL102
Laboration 2: Elektromagnetism Del 1: Bestämning av kvoten mellan elektronens laddning och massa Inledning Försöksuppställningen visas i figur 1. Vi använder ett sfäriskt glasrör fyllt med argonånga till ett tryck av 0,1 Pa. Till glasröret är en elektronkanon ansluten, som alstrar en elektronstråle in i röret. Med hjälp av två spolar kan vi lägga ett magnetfält vinkelrätt mot elektronstrålen. Elektronerna kan då fås att böja av i en cirkelbana. Då elektronenerna krockar med argonatomerna sänds ett blått ljus ut, och elektronernas väg kan ses i röret (figur 2). Genom att mäta cirkelbanans radie kan vi bestämma kvoten mellan elektronens laddning och dess massa, e/m.
Figur 1: Försöksuppställningen. Ett sfäriskt glasrör är anslutet till en elektronkanon.
Figur 2: Med ett magnetfält kan elektronstrålen böjas av i en cirkelbana. Då elektronerna krockar med argonatomerna sänds ett blått ljus ut, och elektronernas bana kan ses.
3
Linköpings universitet IFM Marcus Ekholm
150216 Fysik 2, basår BFL102
Förberedelseuppgifter 1. I elektronkanonen accelereras elektronerna genom att de får passera potentialskillnaden U. Den rörelseenergi som en elektron med laddningen e får kan skrivas:
Ek = eU
(1)
Kinetisk energi kan också uttryckas i massa, m, och hastighet, v, med ekvationen:
Ek =
(2)
Använd (1) och (2) till att härleda ett uttryck för elektronernas hastighet!
v=
(3)
2. Då en elektron kommer in i glasröret kommer den att skära de magnetiska fältlinjerna under rät vinkel. En “magnetisk” kraft kommer då att verka på elektronerna, som kan tecknas med hjälp av den magnetisk flödestätheten, B, hastigheten, v, och elektronladdningen, e, som:
Fm =
(4)
För att en partikel med massan m och hastighet v ska gå i en cirkelbana med radie r krävs en centripetalkraft. Denna kraft kan tecknas:
Fc =
(5)
4
Linköpings universitet IFM Marcus Ekholm
150216 Fysik 2, basår BFL102
Använd (4) och (5) till att härleda ett uttryck för elektronbanans radie, genom att ansätta Fm = Fc.
r=
(6)
3. Använd (3) och (6) till att lösa ut kvoten mellan elektronens laddning och massa:
=
(7)
5
Linköpings universitet IFM Marcus Ekholm
150216 Fysik 2, basår BFL102
Utförande 1. Labhandledaren hjälper dig att ställa in accelerationsspänningen U. Denna är summan av två pålagda spänningar: negativ potential på glödtråden (50 V) och spänning mellan katod och anod (250 V). Den totala accelerationsspänningen, U, får ej överstiga 300 V! Strömmen genom spolarna får ej överstiga 5 A! 2. Justera strömstyrkan så att elektronbanan får radien 5, 4, 3 och 2 cm. Gör en tabell över ström och banradie. 3. Den magnetiska flödestätheten kan beräknas utifrån strömmen I [A] med formeln: B = 6,918·10-4 I
[T] .
(8)
4. Beräkna flödestätheten för varje fall och för in detta i din tabell. Beräkna kvoten e/m för varje fall med hjälp av ekvation (6). Vad får du för medelvärde på kvoten e/m? Slå upp e och m i formelsamlingen och jämför e/m med ditt medelvärde!
6
Linköpings universitet IFM Marcus Ekholm
150216 Fysik 2, basår BFL102
Del 2: Kraft på ledare i magnetfält Inledning I denna övning ska använder vi en så kallad strömvåg. En U-magnet placeras på en elektronisk våg. Genom att placera en strömförande ledare i gapet på magneten kan vi mäta kraften ledaren och magneten påverkar varandra med.
Utförande 1. Ändra strömstyrkan som strömkällan levererar. Vågen ger utslag då en ström flyter genom ledaren. a. Vilken kraft är det som vågen mäter? b. Hur hänger vågens utslag ihop med den kraft som verkar på ledaren? c. Vilken riktning har kraften som verkar på ledaren? Vad händer om du vänder på magneten eller på strömmen genom ledaren? Stämmer detta med högerhandsregeln? 2. Ställ in strömstyrkan på 5 A. Variera ledarens längd och gör en tabell över ledarens längd och kraften på ledaren. Beräkna kraften på varje meter av ledaren. 3. Välj nu den längsta strömledaren och placera denna i magnetfältet. Variera strömstyrkan och gör en tabell över ström och kraft. Plotta dina resultat i ett diagram och anpassa en rät linje. Beräkna den magnetiska flödestätheten med hjälp av dina värden.
7
Linköpings universitet IFM Marcus Ekholm
150216 Fysik 2, basår BFL102
Del 3: Induktion och växelström Förberedelseuppgift Läs s257-s262 (fram till avsnittet Transformator) i Ergo
A. Induktion Utförande 1. Placera en stavmagnet i en spole. 2. Anslut spolen till en multimeter 3. Dra magneten ut ur spolen och notera spänningens tecken. Vänd på magneten och gör om försöket! a. Förklara kvalitativt det observerade resultatet. b. Vad bestämmer spänningens tecken?
B. Växelström 1. Koppla generatorn till oscilloskopet. 2. Veva med konstant rotationsfrekvens. Mät frekvensen på den resulterande växelspänningen. Vilka faktorer påverkar spänningens amplitud? Hur hänger växelspänningens frekvens ihop med den takt du vevar med? 3. Labhandledaren hjälper dig att koppla en växelspänning till oscilloskopet. Bestäm växelspänningens frekvens och amplitud. 4. Anslut en multimeter till växelspänningen. Visar multimetern samma sak? Bestäm kvoten mellan dessa värden. Varför tror du att det blir en skillnad? 5. Till svenska vägguttag levereras en växelspänning med frekvensen 50 Hz. Man säger ofta att spänningen är 230 V. Det innebär att om man skulle koppla en voltmeter till vägguttaget (gör inte detta) så skulle den visa 230 V. Vad är denna växelspännings max- och min-värden?
8
Linköpings universitet IFM Marcus Ekholm
150216 Fysik 2, basår BFL102
Laboration 3: Kvantfysik Del 1: Fotoelektriska effekten Inledning Om man låter ljus falla i mot en metallyta kan elektroner frigöras från ytan. I den här laborationen kommer du få se att om ljusets frekvens understiger ett visst värde så frigörs inga elektroner. Detta kan inte förklaras med den klassiska vågbeskrivningen av ljus, men kan förklaras med fotonbegreppet. Förutom att bestämma utträdesarbete och tröskelspänning kommer du att få bestämma kvoten mellan två mycket viktiga naturkonstanter: Plancks konstant, h, och elementarladdningen, e. Förberedelseuppgift En foton med frekvensen f har energin: E =___________ ( Om fotonen frigör en elektron från en metallyta med utträdesarbetet ϕ genom fotoelektriska effekten kan man skriva ett uttryck för den maximala kinetiska energin som den frigjorda elektronen kan ha. Använd sambandet (1) samt utträdesarbetet till att skriva detta samband nedan. Ek,max =_________________________
(1)
Om man bromsar en elektron genom att låta den passera spänningen U kan minskningen uttryckas med hjälp av laddningens belopp, e, som: ΔE =___________________________ Om vi låter de frigjorda fotoelektronerna passera spänningen Us, så att de förlorar all sin kinetiska energi kan vi teckna: Ek,max =___________________________ Spänningen Us, kallas stoppspänningen. Med hjälp av sambandet (1) och (2) kan vi uttrycka stoppspänningen med hjälp av utträdesarbetet, laddningen e, Plancks konstant och fotonfrekvensen som: Us =______________________________
9
Linköpings universitet IFM Marcus Ekholm
150216 Fysik 2, basår BFL102
Utförande 1.
Placera lampan och lådan med fotoplattan nära varandra, men ändå med ett så stort mellanrum att du kan byta filter utan att ändra deras lägen.
2.
Variera våglängden på det infallande ljuset genom att byta filter. Stäng luckan till lådan med fotplattan du då byter filter. Var också försiktig när du hanterar filtren, undvik att ta direkt på den speglande ytan. Anteckna ljusets våglängd.
3.
Justera spänningen mellan katod och anod tills strömmen upphör. Anteckna stoppspänningen.
4.
Byt filter och upprepa mätningen för en ny fotonvåglängd.
5.
När mätningarna är färdiga för du in dina mätvärden i en graf, med frekvens på x-axeln och stoppspänning på y-axeln.och för in dina mätvärden. Använd linjal till att anpassa en rät linje till dina mätpunkter.
6.
Bestäm kvoten h/e utifrån grafen och jämför med tabellvärde.
7.
Använd din graf till att utläsa tröskelfrekvensen. Hur kan utträdesarbetet utläsas ur din graf?
10
Linköpings universitet IFM Marcus Ekholm
150216 Fysik 2, basår BFL102
Del 2: Vätespektrum
Inledning Då en atom deexciteras sänds ljus ut. I denna laboration kommer vi att studera ljus från väteatomer. Genom att utsätta en gas av fria väteatomer för en hög spänning kan vi få elektroner att kollidera med väteatomerna och excitera dem. Det ljus som skickas ut kommer att ha fler olika våglängder, som svarar mot några av övergångarna i Balmerserien. Vi kan sedan studera ljuset med en spektrometer, där ljusets våglängd kan läsas av. Vi har sett under kursen att man kan skriva våglängden för ljuset som skickas ut vid övergång mellan nivå n och m som:
där R är Rydbergs konstant. Genom att mäta ljusets våglängd kan vi bestämma ett värde på Rydbergs konstant. Förberedelseuppgift Vilka värden har n och m då man betraktar Balmerserien? n = _________________________________ m=__________________________________ Utförande 1. Börja med att undersöka ljus från en vanlig vit skrivbordslampa med hjälp av spektrometern. Hur ser spektrat ut? Bestäm våglängden för rött, gult, grönt och blått ljus. Jämför med formelsamlingens tabell. 2. Vid laborationsplatsen finns en vätelampa monterad. Starta spänningsaggregatet och placera lampan framför spektrometern. Varför ser spektrat så annorlunda ut jämfört med skrivbordslampan? 3. Bestäm våglängden för de starka linjerna. Identifiera vilka övergångar som linjerna motsvarar genom att jämför mätvärde med teoretiska värden. Beräkna teoretiska värden genom att sätta in möjliga värden på m och n i formeln ovan. 4. Lös ut Rydbergs konstant ur formeln ovan och beräkna ett eget värde. 5. Beräkna energin för grundtillståndet i väte med hjälp av ditt experimentella värde på Rydbergs konstant.
11
