176. Виртуальная лабораторная работа по физике «Определение постоянной Планка» https://efizika.ru/html5/176/index.html.
Цель работы: по спектру поглощения двухромовокислого калия рассчитать значение постоянной Планка.
Приборы и принадлежности: спектроскоп, ртутная лампа, лампа накаливания, раствор двухромовокислого калия K₂Cr₂O₇, блок питания.
1. Контекст и назначение
Данная виртуальная лабораторная работа является цифровым аналогом реальной экспериментальной установки и служит для ознакомления с одним из ключевых методов экспериментальной физики. Она позволяет понять, как одна из фундаментальных констант нашего мира — постоянная Планка — может быть измерена с помощью относительно простого, но изящного опыта, основанного на анализе спектров поглощения веществ.
2. Детальное описание эксперимента
В основе работы лежит фундаментальное положение квантовой теории о том, что атомы и молекулы поглощают и испускают энергию дискретными порциями — квантами-. В эксперименте исследуется способность молекул двухромовокислого калия (K₂Cr₂O₇) поглощать свет строго определенных длин волн, что приводит к появлению характерных полос в его спектре поглощения. Ключевой измеряемой величиной является «красная граница» спектра поглощения, то есть максимальная длина волны, при которой еще происходит активное поглощение света-. Анализ этой границы позволяет рассчитать энергию, необходимую для фотодиссоциации молекулы, и, как следствие, экспериментально определить значение постоянной Планка.
3. Цель работы
Основная цель — освоить методику экспериментального определения постоянной Планка. Задача состоит в том, чтобы на основе анализа спектра поглощения водного раствора двухромовокислого калия, используя предварительно отградуированный спектроскоп, рассчитать значение постоянной Планка.
4. Краткое теоретическое введение
Связь между энергией кванта света и его частотой описывается формулой Планка: E = hν. Зная, что частота связана с длиной волны соотношением ν = c / λ (где c — скорость света), энергию можно выразить как E = hc / λ. Экспериментальное определение постоянной Планка h сводится к нахождению максимальной длины волны (λ), при которой раствор еще поглощает свет, и расчету по этой формуле. Для надежного определения λ необходима предварительная калибровка спектроскопа по источнику с хорошо известным линейчатым спектром, в роли которого выступает ртутная лампа.
5. Оборудование и материалы
Виртуальная лаборатория моделирует следующий набор инструментов и принадлежностей:
- Спектроскоп: основной прибор для визуального наблюдения спектра.
- Ртутная лампа: источник линейчатого спектра для калибровки спектроскопа.
- Лампа накаливания: источник непрерывного спектра, на фоне которого наблюдается поглощение.
- Кювета с раствором двухромовокислого калия (K₂Cr₂O₇): исследуемый образец.
- Блок питания: для подключения источников света.
6. Пошаговый порядок выполнения
Хотя работа является виртуальной, она воспроизводит логику реального эксперимента:
- Градуировка спектроскопа: Получите и проанализируйте спектр излучения ртутной лампы. Совмещая визирную линию окуляра с известными спектральными линиями ртути, постройте градуировочный график зависимости длины волны от делений шкалы прибора.
- Изучение спектра поглощения: Включите лампу накаливания и получите сплошной спектр. Затем поместите на пути светового пучка кювету с раствором K₂Cr₂O₇. Вы увидите, что сплошной спектр оказывается «обрезанным» в коротковолновой (сине-фиолетовой) области.
- Измерение «красной границы»: С помощью окуляра и микрометрического винта аккуратно определите положение границы между светлой (непоглощенной) и темной (поглощенной) областями спектра. Зафиксируйте соответствующее деление шкалы.
- Расчет постоянной Планка: Используя ранее построенный градуировочный график, переведите показания шкалы в длину волны, соответствующую границе поглощения. Полученное значение длины волны подставьте в формулу h = Eλ / c, чтобы вычислить постоянную Планка.
7. Заключение
Эта виртуальная лабораторная работа — не просто симуляция, а полноценный тренажер, позволяющий в интерактивном режиме освоить методику реального физического эксперимента. Она дает возможность самостоятельно провести все этапы — от калибровки измерительного прибора до расчета фундаментальной физической константы.