Labinstruktion 2 och 3

LABORATION 2-3
Fysik 2
2015
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 och induktion Del 3: 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 och induktion
A. 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
B. 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?
Del 3: Växelström
Elgenerator
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?
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