Методическое пособие по общей физике

53 (076.5)

Л125

Министерство энергетики и угольной промышленности Украины

Севастопольский национальный университет ядерной энергии
и промышленности

Лабораторный практикум по физике

Часть 5. Квантовая физика

Методическое пособие по общей физике

для студентов всех направлений

Севастополь

Оглавление

Работа 64. Изучение теплового излучения
Работа 65. Изучение внешнего фотоэффекта
Работа Б-5. Определение ширины запрещенной зоны полупроводников
Работа Б-6. Изучение свойств p-n-перехода и снятие статических характеристик транзистора
Работа 68. Изучение p-n перехода
Работа 69. Опыт Франка и Герца
Рекомендуемая литература

 

Работа 64. Изучение теплового излучения

Цель работы

Изучение теплового излучения, проверка закона Стефана – Больцмана для энергетической светимости абсолютно чёрного тела.

2. Приборы и принадлежности:

1.Устройство измерительное.

2. Объект исследования (печь).

3. Термостолбик и стойка.

Краткая теория

Состояние системы называется равновесным, если распределение энергии между телами и излучением остается неизменным во времени. Равновесность… Поток излучения – энергия, излучаемая телом в единицу времени:

Описание установки

  Рисунок 5. Схематическое соединение устройства приведено на рисунке 6.

Порядок выполнения работы

2. Включить устройство измерительное выключателем СЕТЬ на его задней панели и дать прогреться в течение 5 мин (при этом на индикаторах должны… 3. Включить печь с помощью выключателя СЕТЬ ( при этом ручка «СКОРОСТЬ… 4. Постепенно нагревая печь снимите зависимость напряжения термостолбика от температуры в печи. Показания напряжения…

Контрольные вопросы

1. Дайте определение теплового излучения.

2. Какие величины характеризуют тепловое излучение?

3. Что называется потоком энергии, энергетической светимостью, спектральной плотностью энергетической светимости (испускательной способностью)?

4. Как связаны между собой энергетическая светимость и спектральная плотность энергетической светимости?

5. Что называется абсолютно черным телом? Какова идеальная модель абсолютно черного тела?

6. Сформулируйте и запишите законы теплового излучения абсолютно черного тела:

- закон Стефана - Больцмана;

- законы Вина;

- закон Планка.

7. Объясните методику проверки закона Стефана – Больцмана.

Работа 65. Изучение внешнего фотоэффекта

Цель работы

 

Работа Б-5. Определение ширины запрещенной зоны полупроводников

Цель работы

Экспериментально исследовать зависимость сопротивления полупроводника от температуры, определить ширину запрещенной зоны (энергию активации) и температурный коэффициент сопротивления полупроводника.

2. Приборы и принадлежности:

1. Терморезистор.

2. Электронагреватель.

3. Термометр.

4. Мост сопротивлений.

5. Источник тока.

6. ЛАТР.

7. Соединительные провода.

Краткая теория.

  Для образования кристалла будем «мысленно» сближать N изолированных атомов.… 0,5   …

Описание установки.

Напряжение на нагреватель подается от трансформатора (ЛАТР), подключенного к сети 3. Терморезистор – это полупроводник, сопротивление которого…    

Выполнение работы.

2. Включить нагреватель. 3. Измерять сопротивление терморезистора через каждые С. Провести 4 – 5 измерений, не допуская повышения температуры более С.

Контрольные вопросы

1. Каким образом происходит расщепление энергетических уровней на зоны в кристаллическом твердом теле?

2. Как образуется валентная зона?

3. Как образуется зона проводимости (свободная зона)?

4. Как возникает собственная проводимость полупроводников?

5. Какому закону подчиняется распределение электронов по энергетическим уровням?

6. Каков физический смысл функции Ферми — Дирака?

7. Как изменяется сопротивление полупроводника с ростом темпера­туры? (Построить график этой функции). Сравнить с металлами.

8. Что такое температурный коэффициент сопротивления? Какова его зависимость от температуры? Сравнить температурный коэффициент сопротивления полупроводников и металлов.

 

Работа Б-6. Изучение свойств p-n-перехода и снятие статических характеристик транзистора

Цель работы

Изучить работу полупроводникового диода и транзистора. Проследить изменение тока через p-n-переход в зависимости от изменения напряжения в прямом и запорном направлениях. Снять статические характеристики транзистора.

Приборы и принадлежности

1. Диод.

2. Транзистор.

3. Миллиамперметр с многопредельной шкалой.

4. Вольтметры.

5. Потенциометры.

6. Двухполюсный переключатель.

7. Соединительные провода.

8. Источники напряжения.

Краткая теория

Таким образом, в полупроводнике с примесью, валентность которой на единицу больше валентности основных атомов, лишний электрон является электроном… … Обычно в полупроводнике n-типа число электронов проводимости превышает число атомов примеси, так как в зону…

Описание установки

V mA … В цепи используется многопредельный миллиамперметр. Включая его в цепь разными… + …

Выполнение работы

2. Изменяя потенциометром напряжение через 0,5 В, записать соответствующие значения тока ( всего 5-7 измерений ). 3. Переключателем подать на диод обратное напряжение, а затем уменьшить… 4. Увеличивая обратное напряжение от 0 через 0,1 В, отметить соответствующие значения тока ( 5-7 измерений ).

Контрольные вопросы

1. Какие вещества называются полупроводниками? Как объясняется собственная проводимость полупроводников?

1. Как влияют примеси на электропроводимость полупроводников?

2. Объяснить образование р-n-перехода и его свойства?

3. Как подключить источник тока к диоду в прямом, в обратном направлениях? Что при этом происходит в р-n- переходе?

4. Почему ток в цепи при включении диода в проходном направлении больше тока в запорном направлении?

5. Какие внешние факторы изменяют проводимость полупроводника?

6. Почему при достаточно большом запорном напряжении обратный ток возрастает (см. участок аb на рис. 6)?

7. Что характеризует коэффициент выпрямления К? Как изменяется К с изменением напряжения?

8. Сравнить сопротивления R+и R- при одинаковых напряжениях. Какие из них больше, почему?

9. Устройство и работа транзистора. Что такое эмиттер, коллектор? Можно ли их поменять местами? Почему? С какой целью база изготовляется малой толщины?

10. Сравнить работу транзистора с работой вакуумного триода.

11. Почему при меньшем токе на эмиттере ток насыщения коллектора мал? Что такое ток насыщения коллектора?

12. Почему при коллекторном напряжении, равном нулю, ток в коллекторе ?

13. Усиливает ли транзистор, включенный по схеме с общей базой, величину тока? Объяснить усиление транзистором напряжения.

14. Как включить источник тока к эмиттеру, к коллектору?

15. Объяснить на статических характеристиках, как влияет изменение эмиттерного напряжения на величину тока насыщения коллектора, почему?

16. Какие измерения и вычисления нужно проделать в данной работе?

17. Назначение двухполюсного переключателя.

Работа 68. Изучение p-n перехода

Цель работы

Изучение работы полупроводникового диода. Исследование зависимости тока и ёмкости через p-n-переход от напряжения в прямом и запорном направлениях.

2. Приборы и принадлежности:

1. Диод.

2. Установка для изучения p-n перехода ФПК – 06.

3. Источник напряжения.

Краткая теория

Таким образом, в полупроводнике с примесью, валентность которой на единицу больше валентности основных атомов, лишний электрон является электроном…   Пятый электрон примеси занимает состояние чуть ниже края зоны проводимости, т.е. находится в запрещенной зоне…

Описание установки

Объекты исследования (диоды) поочерёдно подключаются к гнезду, установленному на передней панели устройства измерительного. В измерительном… На передней панели устройства измерительного размещены следующие органы… - кнопки +, - и СБРОС – предназначены для регулирования напряжения и установки его в 0 (при этом при кратковременном…

Порядок выполнение работы

Дать прогреться в течении 5 мин. 2. Устанавливая с помощью кнопок «+» и «_» значения напряжения через 0,05 В… Примечание: При достижении тока 10 мкА следует прекратить измерения, так как при этой величине источник питания р-п…

Контрольные вопросы

1. Какие вещества называются полупроводниками? Как объясняется собственная проводимость полупроводников?

2. Как влияют примеси на электропроводимость полупроводников?

3. Объяснить образование р-n-перехода и его свойства?

4. Как подключить источник тока к диоду в прямом, в обратном направлениях? Что при этом происходит в р-n- переходе?

5. Почему ток в цепи при включении диода в проходном направлении больше тока в запорном направлении?

6. Какие внешние факторы изменяют проводимость полупроводника?

7. Почему при достаточно большом запорном напряжении обратный ток возрастает (см. участок аb на рис. 6)?

8. Что характеризует коэффициент выпрямления К? Как изменяется К с изменением напряжения?

9. Сравнить сопротивления R+и R- при одинаковых напряжениях. Какие из них больше, почему?

10. Какие измерения и вычисления нужно проделать в данной работе?

11. Назначение двухполюсного переключателя.

 

Работа 69. Опыт Франка и Герца

Цель работы

Изучение зависимости анодного тока газонаполненной лампы (триода) от напряжения катод-сетка с максимумами и минимумами, характерными для опыта Франка-Герца, на экране осциллографа.

2. Приборы и принадлежности:

1. Измерительное устройство.

2. Датчик Холла и электромагнит.

Краткая теория

Основу теории Бора составляют два постулата. 1. Существуют такие стационарные состояния атома, в которых он не излучает… ħ,

Описание установки

В состав устройства входят объект исследования 1 (рис. 4) и устройство измерительное 2 (рис. 5). Объект исследования устанавливается в штативе и… Рисунок 4 … Устройство измерительное выполнено в виде конструктивно законченного изделия. На передней панели корпуса расположены…

Порядок выполнения работы

2. Включите осциллограф и с помощью ручек "↔", "↨" установите развертку луча в центре экрана. 3. Включите устройство измерительное. При этом должен засветиться объект… 4. Отрегулируйте синхронизацию осциллографа для получения устойчивой картины на экране.

Контрольные вопросы

1. Сформулировать первый постулат Бора.

2. Сформулировать второй постулат Бора.

3. Энергия электрона в атоме водорода.

4. Обобщенная формула Бальмера.

5. Опыты Франка и Герца.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 2. – М., Наука, 1989.

2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М., Высшая школа, 1989.

3. Трофимова Т.И. Курс физики. – М., Высшая школа, 2003.

4. Сивухин Д.В. Общий курс физики. т.3. – М.: Наука, 1977–1985г.

5. Кондрашов А.П., Шестопалов Е.В. Основы физического эксперимента и математическая обработка результатов измерений. – М.: Атомиздат, 1977.

6. Кассандров О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдений. – М.: Наука, 1970.

7. Рипп А.Г. Обработка измерений. Методическое пособие. – СНУЯЭП, 2012.