Zeszyt ćwiczeń
dr inż. Irena Gronowska
1. Badanie widma światła białego
Przyrządy: siatka dyfrakcyjna, ekran, latarka z żarówką, latarka z tak zwaną diodą białą.
Po wyciemnieniu pomieszczenia oświetlamy siatkę otrzymując widmo na ekranie. Obserwujemy otrzymane widma. Możemy posłużyć się telefonem komórkowym z kamerą, bądź aparatem fotograficznym i zarejestrować otrzymane obrazy. Czym się różnią? Czy po zastosowaniu bardziej precyzyjnej siatki dyfrakcyjnej otrzymalibyśmy widmo w postaci prążków?
2. Badanie światła emitowanego przez neonówkę za pomocą siatki dyfrakcyjnej
Potrzebne: dwie siatki dyfrakcyjne o różnych znanych stałych d, ekran, neonówka, zasilacz, spektrometr optyczny.
Po wyciemnieniu pomieszczenia oświetlamy siatkę otrzymując widmo na ekranie. Obserwujemy otrzymane widmo. Możemy posłużyć się telefonem komórkowym z kamerą, bądź aparatem fotograficznym i zarejestrować otrzymany obraz.
Na ekranie umieszczamy podziałkę milimetrową, na której zaznaczamy położenie prążków. Mierzymy odległość siatki od ekranu. Wyznaczamy długości fali λ dla dobrze widocznych prążków, korzystając ze wzoru:
gdzie φ – kąt pod jakim obserwujemy prążek, kąt wyznaczymy mając odległość siatki od ekranu i odległość prążka od położenia na wprost
n = 1, 2,… rząd widma
Jeżeli dysponujemy spektrometrem optycznym, to powtarzamy pomiary. Porównujemy otrzymane wyniki dla obu metod. Czy są ze sobą zgodne? Czy zgodne są z wynikami tablicowymi?
Czy wyniki udało się otrzymać dla obu siatek?
3. Badanie charakterystyk elektrycznych diody elektroluminescencyjnej
Potrzebne: diody elektroluminescencyjne LED – czerwona, zielona i niebieska, zasilacz regulowany Z, woltomierz cyfrowy VC, miliamperomierz mA, opornik zabezpieczający R.
Łączymy obwód jak na rysunku. Diodę polaryzujemy w kierunku przewodzenia. Wykonujemy pomiary prądu diody I w funkcji napięcia U – odczyty z miliamperomierza i woltomierza cyfrowego. Obserwujemy świecenie diody. Przy jakim napięciu pojawia się światło. Wykonujemy wykres I = f(U). Zaznaczamy napięcie, przy którym następuje gwałtowny wzrost prądu. Pomiary powtarzamy dla kolejnych diod. Czy przy takim samym napięciu następuje gwałtowny wzrost prądu? Wyliczamy energie kwantów odpowiadających długości fali dla kolejnych diod.
LEDD
R
Z
VC
mA
4. Badanie diod elektroluminescencyjnych za pomocą siatki dyfrakcyjnej
Potrzebne: diody elektroluminescencyjne LED – czerwona, zielona i niebieska, zasilacz regulowany Z, miliamperomierz mA, opornik zabezpieczający R, siatka dyfrakcyjna, ekran, aparat fotograficzny lub telefon komórkowy z kamerą.
Łączymy obwód jak na rysunku ćwiczenia 3, można nie stosować woltomierza cyfrowego, ale miernik prądu jest potrzebny. Diodę polaryzujemy w kierunku przewodzenia. Oświetlamy siatkę dyfrakcyjną światłem kolejnych diod elektroluminescencyjnej. Obserwujemy i rejestrujemy obraz. Jakie widmo otrzymujemy? Czy przy zmianie odległości widzimy dobrze obraz?
5. Badanie dyfrakcji światła emitowanego przez laser
Potrzebne: laser półprzewodnikowy, siatka dyfrakcyjna, ekran.
Po zaciemnieniu pomieszczenia oświetlamy siatkę. Obserwujemy obraz na ekranie, zwiększamy odległość między siatką a ekranem. Obserwujemy obraz. Umieszczamy podziałkę milimetrową na ekranie, zaznaczamy położenie punktów w widmie I i II rzędu. Mierzymy odległość siatki od ekranu. Wyznaczamy długość fali, korzystając ze wzoru: dla n = 1 i n = 2,
kąt φ wyznaczamy mając odległość punktów od położenia na wprost i odległość siatka – ekran.
Odpowiedzi
Ad 1. Obrazy widm są różne. Dioda biała ma przewagę barwy niebieskiej, ponieważ obecnie najczęściej wykorzystywane w latarkach diody białe emitują widmo ciągłe luminoforu, który jest pobudzany do świecenia przez diodę niebieską (największe energie promieniowania optycznego z zakresu widzialnego).
Nie można uzyskać widma w postaci prążków, mimo kwantowego charakteru każdej emisji. Różnice długości fali są zbyt małe.
Ad 2. Metoda pomiaru z wykorzystaniem ekranu jest mniej dokładna, niż z możliwością stosowania spektrometru, może być obarczona znacznymi błędami (niepewnościami pomiarowymi).
W przypadku stosowania siatki o większej stałej, otrzymany obraz bardziej przypomina widmo ciągłe , odległości między prążkami są bardzo niewielkie i trudno je wyznaczyć na ekranie.
Ad 3. Przy najniższym napięciu zaczyna świecić dioda czerwona, a niebieska przy najwyższym. Najmniejszej energii odpowiadają kwanty emitowane przez diodę czerwoną, a najwyższej – przez diodę niebieską. Energie kwantów są zbliżone do wysokości bariery energetycznej diody.
Ad 4. Otrzymujemy widmo pasmowe, związane jest to z energetyczną strukturą pasmową półprzewodników. Przy zwiększaniu odległości obraz staje się źle widoczny, ponieważ wiązka jest rozbieżna i im dalej, tym mniejsze natężenie światła.
Ad 5. Otrzymujemy obraz w postaci punktów. Laser emituje świtało spójne o widmie liniowym . Długość fali powinno się bez trudu wyznaczyć. Jeżeli zastosowano laser czerwony, to wynik powinien być ponad 0.6 μm.
Projekt współfinansowany z Europejskiego Funduszu Społecznego w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki
3
napomoc