Physics вводный

Проведение ЛР 5.10 - пошагово, что крутить и что нажимать

physicsitmolab-5-10franck-hertzstep-by-step

Установка уже собрана. Здесь - только что делать руками, по порядку, от первого включения до выключения. Теория - на странице гайд с нуля.

Главное правило: шкалы на ручках приблизительные. Значение всегда проверяй по синему экрану на блоке, а не по тому, куда показывает ручка.

Слово "совет" значит подсказку, которой нет в методичке - сверь её на приборе. Если видишь что-то, чего здесь не описано, остановись и спроси преподавателя.

Шаг 1. Проверь блок перед включением

Возьми блок - серо-фиолетовая коробка, сверху синий экран. Под экраном в один ряд четыре группы ручек. Все ручки поверни до упора против часовой стрелки (на ноль):

Самая левая - подпись Heizung / Filament.
Вторая слева - подпись Gitter / Grid.
Третья группа - подпись Beschleunigung / Acceleration. В ней две ручки и между ними чёрная кнопка с надписью Man / Ramp. Обе ручки против часовой до упора.
Четвёртая справа - подпись Gegenspannung / Reverse bias, рядом с ней чёрная кнопка + / -.

Чёрные кнопки Man / Ramp и + / - не нажимай. Большую ручку справа на треугольнике с буквой V не трогай вообще.

Шаг 2. Включи блок и осциллограф

На задней стенке блока включи выключатель питания.
Загорится синий экран. На нём должны быть числа около нуля и слово ramp (режим). Так и должно быть - переключатель Man / Ramp не трогаем.
Включи осциллограф и подожди несколько секунд, пока он загрузится.

Как читать синий экран блока. Числа расположены всегда одинаково:

	Слева	Справа
Верхняя строка	`Modus: ramp` (режим)	-
Следующая строка	пилообразный значок	`U_E` - обратное смещение (ручка Gegenspannung / Reverse bias)
Средняя строка	`U_Amin` - минимум (левая ручка Acceleration)	`U_Amax` - максимум (правая ручка Acceleration)
Нижняя строка	`U_F` - накал (ручка Heizung / Filament)	`U_G` - сетка (ручка Gitter / Grid)

Значения показываются в формате 06.5V.

Шаг 3. Переведи осциллограф в режим XY

Справа от экрана осциллографа есть группа кнопок Function. Нажми кнопку Display - она в нижнем ряду посередине (слева от неё Save, справа Help).
Под экраном ряд из пяти кнопок H1, H2, H3, H4, H5. Нажми H3 (третью).
Внизу справа на экране должна появиться надпись XY Mode.
Под экраном справа две большие ручки VOLTS/DIV: над одной красная кнопка CH1, над другой жёлтая кнопка CH2. - Ручкой под красной кнопкой поставь 10 В. - Ручкой под жёлтой кнопкой поставь 1 В.
Проверь по строке внизу экрана: красная строка слева показывает 10V, жёлтая - 1V, справа - XY Mode.

Совет: крути ручку по одному щелчку и смотри на нижнюю строку - значения идут по порядку (... 500 мВ, 1 В, 2 В, 5 В, 10 В ...). Цвет строки - цвет канала, который настраиваешь.

Шаг 4. Накал до 6 В и прогрев

Возьми самую левую ручку Heizung / Filament.
Плавно, секунд за 5-10, поверни её по часовой стрелке, пока на синем экране значение накала не станет 6,0 В.
Запусти секундомер и жди 30 секунд - катод должен прогреться. Больше ничего пока не крути.

Шаг 5. Максимум ускоряющего напряжения - 80 В

Найди группу ручек Beschleunigung / Acceleration (две ручки, между ними кнопка Man / Ramp).
Левую ручку этой группы оставь на нуле.
Правую ручку поверни по часовой, пока на синем экране значение максимума не станет 80 В.
Кнопку между ручками не нажимай, на экране должно остаться ramp.

Шаг 6. Сетка - 9 В

Возьми вторую слева ручку Gitter / Grid.
Поверни её по часовой, пока на синем экране значение сетки не станет 9 В.

Шаг 7. Накал до 6,5 В

Опять самая левая ручка Heizung / Filament.
Плавно подними накал до 6,5 В по синему экрану.

Шаг 8. Обратное смещение (задерживающее напряжение)

Возьми самую правую ручку Gegenspannung / Reverse bias (чёрную кнопку + / - рядом не нажимай).
Поверни по часовой так, чтобы на синем экране это напряжение было в пределах от 0 до 4 В.
Совет: начни, например, с 2 В. Чем больше, тем глубже провалы на кривой, но тем меньше общий сигнал - можно подобрать.

Сверься с синим экраном - должно быть так: Modus: ramp, U_E от 00.0V до 04.0V (например 02.0V), U_Amin=00.0V, U_Amax=80.0V, U_F=06.5V, U_G=09.0V. Если что-то не так - вернись на нужный шаг.

Шаг 9. Подбери накал, пока не появятся пики

Смотри на экран осциллографа - там должна быть кривая с подъёмами и провалами.
Медленно меняй накал (левая ручка Heizung / Filament) в пределах от 6 до 7 В.
После каждого небольшого поворота подожди 3-5 секунд - катод греется не мгновенно.
Остановись, когда видны чёткие максимумы (вершины) и минимумы (впадины).

Так кривая выглядит на экране осциллографа

Что вижу на осциллографе	Что делать (совет)
Просто линия или точка	Проверь, что на блоке слово ramp, на осциллографе XY Mode, и что кабели на входах осциллографа вставлены
Кривая почти плоская	Катод не прогрет - подожди и добавь накал в пределах 6-7 В
Кривая уходит вверх за экран, пиков не видно	Чуть убавь накал
Пики есть, но размытые	Подстрой накал и обратное смещение
Кривая сдвинута в сторону	Подкрути маленькие ручки VERTICAL POSITION на осциллографе (не масштаб)
Непонятно что	Выключи (шаг 11) и начни с шага 1

Шаг 10. Считай значения и запиши

Записываем напряжения, при которых стоят вершины пиков и дно впадин, а не значения тока.

Как получить напряжение из положения на экране

Горизонтальный масштаб - 10 В на одну большую клетку сетки. Значит:

напряжение (В) = положение точки по горизонтали (в клетках) × 10

Пример (числа условные): вершина стоит на 4,6 клетки от левого края сетки, значит 4,6 × 10 = 46 В.

Где на экране ноль, не важно - расстояния между пиками от этого не зависят. Главное: все вершины считай от одной и той же точки, и вершину - по самой верхней точке, впадину - по самой нижней.

Как считывать (выбери удобный способ)

По сетке. Нажми зелёную кнопку Run/Stop (справа вверху, рядом с блоком Function) - картинка замрёт. Посчитай клетки до вершин и до дна впадин.
Курсорами. В блоке Function нажми Cursor (средний ряд, посередине: слева Utility, справа Autoscale), подведи линию к вершине и прочитай значение. Меню может быть на немецком; не получается - используй способ 1.
По фото. Сфотографируй экран телефоном и считай по снимку спокойно.

Что и куда писать

Всё идёт в таблицу 1 в протоколе (пункт 8):

В шапку таблицы впиши числа с синего экрана блока: верхний предел (80 В), накал, сетку (9 В), обратное смещение - так, как они стоят на момент съёмки.
В блок "Максимумы", столбец напряжений - напряжения вершин по порядку слева направо.
В блок "Минимумы", столбец напряжений - напряжения впадин по порядку слева направо.
В третий столбец каждой строки (кроме первой, там прочерк) - разность с предыдущей строкой: из текущего напряжения вычти предыдущее.
Посчитай, сколько всего разностей получилось (по максимумам и минимумам вместе) - это число понадобится в расчёте погрешности.
Сфотографируй экран с кривой.

Проверь перед тем как выключать

Видно несколько пиков (ориентир - 3-4 при максимуме 80 В).
Расстояния между соседними пиками примерно одинаковые. Если одно сильно выбивается - перемерь.
Совет: сними кривую ещё раз, чуть подстроив накал, - получишь больше разностей и точнее среднее.
Фото экрана есть.

Калькулятор: из клеток в энергию возбуждения

Подставь положения пиков в клетках (числа ниже условные). Программа переведёт их в вольты, посчитает разности, среднее и погрешность:

package main

import (
	"fmt"
	"math"
)

// t-коэффициенты Стьюдента, P = 0,95 (ключ - число измерений N)
var student = map[int]float64{2: 12.706, 3: 4.303, 4: 3.182, 5: 2.776, 6: 2.571, 7: 2.447, 8: 2.365, 9: 2.306, 10: 2.262}

func main() {
	// УЧЕБНЫЕ числа. Подставь свои: положения пиков в ДЕЛЕНИЯХ сетки по горизонтали
	maxDiv := []float64{2.7, 4.6, 6.4}
	minDiv := []float64{3.4, 5.4, 7.3}
	voltsPerDiv := 10.0 // X = 10 В/дел
	theta := 1.0        // погрешность отсчёта, В (оцени по своей сетке)

	toVolts := func(a []float64) []float64 {
		out := make([]float64, len(a))
		for i, x := range a {
			out[i] = x * voltsPerDiv // деления -> вольты
		}
		return out
	}
	var d []float64
	for _, s := range [][]float64{toVolts(maxDiv), toVolts(minDiv)} {
		for i := 1; i < len(s); i++ {
			d = append(d, s[i]-s[i-1])
		}
	}
	n := len(d)
	var sum float64
	for _, x := range d {
		sum += x
	}
	mean := sum / float64(n)
	var ss float64
	for _, x := range d {
		ss += (x - mean) * (x - mean)
	}
	s := math.Sqrt(ss / float64(n*(n-1)))
	dSl := student[n] * s
	dPr := 1.96 / 3 * theta
	dFull := math.Hypot(dSl, dPr)

	fmt.Printf("ΔU_i = %.1f В\n", d)
	fmt.Printf("<ΔU> = %.2f В, E_возб = %.2f эВ\n", mean, mean)
	fmt.Printf("E_возб = (%.1f ± %.1f) эВ, ε = %.1f %%\n", mean, dFull, dFull/mean*100)
}

Шаг 11. Выключи установку

Плавно верни ручки блока против часовой до нуля в таком порядке: Gegenspannung / Reverse bias, правая ручка Acceleration, Gitter / Grid, и последней - Heizung / Filament (накал).
Выключи осциллограф.
Выключи питание блока на задней стенке.
Покажи заполненную таблицу преподавателю и попроси подпись в протоколе.

Если что-то пошло не так

Нет надписи XY Mode: снова Display, потом H3 (шаг 3).
Масштаб не 10 В и 1 В: подкрути ручки VOLTS/DIV по цвету строки внизу экрана.
Нет пиков: сверь синий экран - сетка 9 В, максимум 80 В, накал 6-7 В, обратное смещение 0-4 В.
Не понял, что значит лампочка или надпись: в методичке описаны только слово ramp на блоке и надпись XY Mode на осциллографе. Остальное не угадывай - спроси преподавателя.

Самопроверка 0 / 7

Перед включением все четыре ручки в ряду на блоке повёрнуты до упора против часовой стрелки

На осциллографе внизу справа надпись XY Mode, красная строка 10 В, жёлтая строка 1 В

Накал поднят до 6 В по синему экрану блока, выдержано 30 секунд

На синем экране блока стоят 0 (минимум), 80 В (максимум), сетка 9 В, обратное смещение в пределах 0-4 В

Накал подобран в пределах 6-7 В, на экране осциллографа видны чёткие пики

В таблицу 1 записаны шапка, напряжения максимумов и минимумов, экран сфотографирован

Выключено по порядку - ручки против часовой до нуля, накал последним, потом питание

Как усвоено?

← Назад ЛР 5.10: опыт Франка-Герца с неоном - гайд с нуля