Режим тренировки Edu
Баллы скрыты. Решайте по частям: открывайте подсказки и ответ только когда застряли, отмечайте решённое.При прохождении света через фильтры его интенсивность убывает вследствие поглощения света. В данной работе Вам необходимо исследовать это явление и объяснить некоторые го особенности.
Коэффициентом пропускания пленки
Если свет проходит через
Для анализа этой зависимости и определения коэффициента пропускания удобно использовать логарифмический масштаб
Используйте этот подход в обработке результатов измерений.
Для измерения интенсивности света используйте следующую схему.
Сопротивление резистора в этой схеме надо подбирать экспериментально. При больших значениях этого сопротивления фотоприемник может перейти в режим насыщения. когда измеряемое напряжение оказывается не пропорциональным интенсивности падающего света. При уменьшении сопротивления измеряемое напряжение уменьшается, но характеристика фотоприемника становится линейной.
Закрепите с помощью липкой ленты и пластилина на столе фотоприемник на подставке. Расположите лазер таким образом, чтобы его луч попадал на фотоприемник и полностью освещал его (надо чтобы пятно лазера немного превышало размер входного отверстия). В ходе измерений положение лазера и фотоприемника не должно изменяться. Если в ходе измерений с одним комплектом 5 одинаковых пленок произошло смещение источника или фотоприемника. измерения начинайте сначала. Исследуемые пленки скрепляйте с помощью прищепки и подносите непосредственно к входному отверстию фотоприемника, не касаясь его. Перед каждой серией измерений пропускания одинаковых пленок измеряйте фоновое значение интенсивности (при выключенном источнике), при необходимости учитывайте его при расчетах.
1.1 Проведите измерения зависимости напряжения
Сначала проведите измерения при 2 значениях сопротивлений резистора 20 кОм, 10 кОм. После этого установите такое значение сопротивления, при котором напряжение при максимальном освещении (т.е. без пленок) немного меньше 200 мВ. Используйте соответствующий диапазон измерения мультиметра.
Проверь, как меняется отклик фотоприемника при разной нагрузке: при прочих равных увеличивается ли измеренное напряжение и где появляются признаки насыщения.
Запиши зависимость выходного напряжения от числа фильтров при трёх значениях сопротивления; используй один и тот же порядок измерений и фиксируй нулевой фон. Сравни полученные наборы данных между собой графически и по величине рассеяния.
- Установи резистор 20 кОм, измерь и запиши
для (с учётом фона). - Повтори при 10 кОм и затем подбери сопротивление так, чтобы $U_{n=0}\rule{0pt}{0pt}<200\text{ мВ}$ и снова запиши $U_n$.
- Убедись в повторяемости измерений (положение лазера и приёмника не менялись).
- Сравни наборы измерений и определи режим, в котором фотоприемник не проявляет насыщения; зафиксируй этот режим для дальнейшей работы.
1.1 Результаты измерений напряжений на резисторе от числа
Таблица 1
| 0 | 427 | 407 | 190 | 6,057 | 6,009 | 5,247 |
| 1 | 369 | 239 | 63 | 5,911 | 5,476 | 4,143 |
| 2 | 242 | 88 | 23 | 5,489 | 4,477 | 3,135 |
| 3 | 82 | 23 | 8 | 4,407 | 3,135 | 2,079 |
| 4 | 41 | 14 | 4 | 3,714 | 2,639 | 1,386 |
| 5 | 17 | 4 | 2,833 | 1,386 |
1.2 Постройте на одном бланке графики зависимости логарифма напряжения
Посмотри на данные в логарифмическом масштабе: становится ли зависимость от числа плёнок ближе к прямой линией в одном из режимов?
Линеаризуй зависимость, построив графики
- Для каждого набора измерений вычисли
(с учётом фона при необходимости). - На одном бланке построй три кривые
против для трёх значений сопротивления. - Оцени наглядно линейность точек и рассчитай коэффициенты наклона (по МНК) для каждой кривой.
- Сравни наклоны и их разброс, чтобы выбрать лучший режим для дальнейших измерений.
1.3 Качественно (и кратко) объясните полученные зависимости.
Отметь отличие формы графиков при больших и малых сопротивлениях: одна из кривых заметно нелинейна — почему?
Объясни наблюдение тем, что при больших сопротивлениях фотоприёмник может работать в режиме насыщения, а при адекватной нагрузке его выход становится пропорционален интенсивности, что проявляется линейностью в логарифмическом масштабе.
- Сравни поведение трёх графиков: выдели тот, где точки близко к прямой — это линейный режим фотоприёмника.
- Покажи, что при высоком сопротивлении отклик выходит из пропорциональности (точки расходятся от прямой).
- Сделай вывод о связи нелинейности с режимом насыщения фотоприёмника и рекомендованном ограничении $U_{max}<200$ мВ.
- Кратко запиши качественный вывод о выборе сопротивления для дальнейших частей.
1.3 Зависимости при высоких сопротивлениях не линейны. Последний график описывается линейной зависимостью. Очевидная причина этого –нелинейность фотоприемника, он может работать в режиме насыщения. Именно поэтому авторы рекомендуют работать именно в этом диапазоне.
1.4 Рассчитайте коэффициент пропускания серой пленки
В дальнейшем работайте при таком значении сопротивления резистора, чтобы максимальное напряжение (при максимальном освещении) не превышало 200 мВ. При необходимости Вы можете изменять сопротивление резистора.
Чтобы получить коэффициент пропускания, нужно связать наклон линеаризованной зависимости с искомой величиной — вспомни, как логарифм преобразует геометрическую прогрессию.
Применяй формулу линеаризации
- Возьми данные для серых плёнок в выбранном линейном режиме и вычисли
для всех точек. - Построй по этим точкам МНК и найди наклон
и его стандартную ошибку . - Переведи наклон в коэффициент пропускания
и вычисли относительную погрешность по преобразованию из . - Вырази
и его погрешность из полученной системы оценок (наклон и ошибка наклона).
1.4 Для «старших» пора уже пользоваться для обработки зависимостей МНК. Расчет коэффициента наклона и последующий переход (
2.1 Измерьте зависимости интенсивности света
2.1 Результаты измерений зависимости интенсивности света от числа пленок (для различных цветов) приведены в Таблице 2.
Таблица 2 Пропускание красного света
| n | красный | зеленый | синий | серый | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| N | U | U | U | U | ||||
| 0 | 129,5 | 0,000 | 131,1 | 0,000 | 131,7 | 0,000 | 131,2 | 4,877 |
| 1 | 109,4 | -0,169 | 60,2 | -0,778 | 76,9 | -0,538 | 45,4 | 3,816 |
| 2 | 92,4 | -0,337 | 27,0 | -1,580 | 43,7 | -1,102 | 15,3 | 2,728 |
| 3 | 79,6 | -0,486 | 12,3 | -2,366 | 24,9 | -1,667 | ||
| 4 | 67,5 | -0,651 | 5,6 | -3,153 | 14,6 | -2,200 | ||
| 5 | 57,7 | -0,808 | 8,5 | -2,737 | ||||
| 0,85 | 0,45 | 0,58 | 0,34 |
Графики зависимостей
2.2 Укажите, выполняется ли закон (2) в этих экспериментах.
Проверь, лежат ли точки на прямой для каждого цвета: насколько хороша аппроксимация экспонентой?
Если зависимость в логшкале близка к прямой, то закон (2) выполняется; используй критерий линейности (остатки от МНК) для формального ответа.
- Для каждого цвета рассчитай остатки точек от аппроксимации прямой (разности с предсказанными значениями МНК).
- Оцени величины остатков и их систематику — если остатки малы и случайны, закон (2) выполняется.
- Если остатки систематичны или велики, отметь нарушение закона и запиши наблюдение.
- Сформулируй вывод о применимости закона (2) к каждому цвету.
2.2 Так как все зависимости полученные зависимости линейны, то закон поглощения света в форме (2) выполняется для всех пленок.
2.3 Рассчитайте коэффициенты пропускания красной
2.3 Коэффициенты пропускания, рассчитанные по МНК, для всех пленок приведены в нижней строке Таблицы 2.
2.4 Измерьте пропускания трех пленок, сложенных вместе: двух красных и одной зеленой. Приведите теоретическую формулу для коэффициента пропускания этих пленок и сравните результат расчета по этой формуле с результатом измерения.
Подумай, как комбинируются пропускания при последовательном прохождении света через разные плёнки: что происходит со светом при прохождении первой, затем второй и т.д.?
Используй мультипликативный характер пропусканий: для независимых плёнок общий коэффициент равен произведению индивидуальных
- Измерь напряжение для стопки (2 красных + 1 зелёная) при тех же условиях и приведи к
. - По отдельности возьми ранее найденные
икр и вычисли теоретическое произведениезел .т е о р кр зел - Сравни измеренное значение пропускания стопки с
, учтя погрешности измерений.т е о р - Сделай вывод о согласии эксперимента с мультипликативной моделью (запиши результат сравнения и учти погрешности).
2.4 Теоретическое значение коэффициента пропускания двух красных и одной зеленой плетки равно
Экспериментально измеренное значение этого коэффициента в пределах рогрешности совпадает с этим значением.
3.1 Измерьте зависимости интенсивности света
3.1 Результаты измерений здесь не приводятся, так как они существенно зависят от типа источника белого света, которые закупают хозяева олимпиады.
3.2 Докажите, что, например, для зеленой пленки закон поглощения (2) строго не выполняется.
Для доказательства нарушения закона (2) достаточно показать, что отношение последовательных интенсивностей не постоянно или что логарифмы не образуют арифметическую прогрессию.
Вычисли последовательные отношения
- Возьми экспериментальные значения для зелёной плёнки и вычисли последовательные отношения
для всех доступных . - Проверь, являются ли все
равными внутри погрешности; при значимых различиях сделай вывод о нарушении геометрической прогрессии. - Альтернативно проверь, образуют ли числа
арифметическую прогрессию (равные приращения). - Запиши результат проверки и объясни, что это значит для выполнения закона (2).
3.2 Закон (2) для зеленой пленки не выполняется, так как поученная зависимость не является геометрической прогрессией. Один из возможных методов доказательства вычисление последовательных отношений интенсивности, которое изменяется закономерным образом. Альтернативный метод ряд последовательных логарифмов пропускания не является арифметической прогрессией.
3.3-3.4 Для дальнейшего анализа приведем сравнительную таблицу коэффициентов пропускания (еще раз подчеркнем – основываться на численных значениях для белого света нельзя, они могут быть иными для других источников).
| фильтр | свет | |
|---|---|---|
| белый | красный | |
| красный | 0,89 | 0,85 |
| зеленый | 0,89 | 0,45 |
| серый | 0,40 | 0,34 |
| синий | 0,88 | 0,58 |
Эти коэффициенты существенно различаются. Главная причина в различных спектрах излучения.
3.3 Рассчитайте коэффициенты пропускания всех типов пленок: серой, красной, зеленой. Оцените погрешность измерения коэффициента пропускания серой пленки.
3.4 Сравните коэффициенты пропускания белого света с коэффициентами пропускания красного света. Укажите основную причину их возможных различий.
3.5 Измерьте коэффициент пропускания двойной пленки одной красной и одной синей. Приведите теоретическую формулу для коэффициента пропускания этих пленок и сравните результат расчета по этой формуле с результатом измерения. Качественно объясните полученный результат.
3.5 Для белого света приведенная в п.2.4 формула не выполняется – причина та же; излучение лазера монохроматическое, а белый свет имеет сплошной спектр, возможно даже уходящий в ИК область (например, для ламп накаливания).
3.6 Сделайте общий вывод: от чего зависит коэффициент пропускания пленки.
Собери итоги: какие факторы влияют на то, сколько света проходит через плёнку?
Обобщи, что
- Перечисли экспериментальные параметры, влияющие на
: цвет (спектр) источника, толщина и состав плёнки, наложение нескольких плёнок. - Укажи приборные факторы: режим работы фотоприёмника (нелинейность, насыщение) и геометрию установки.
- Сформулируй общий вывод о том, что измеренное
— это эффективная величина, зависящая от спектра источника и свойств плёнки. - Вырази итоговую рекомендацию: при необходимости получить 'справочный'
указывай спектр источника и режим измерений.
3.6 Вывод - Поглощение и пропускание зависят не только от оптических свойств материала, но и от спектра падающего излучения.
