Eksperimenti iz Osnov moderne fizike Gregor Bavdek, Bojan Golli Pedagoška fakulteta UL Ljubljana 2016 Kazalo 1 Michelsonov interferometer 2 2 Fotoefekt 4 3 Statistika sunkov iz radioaktivnega izvora 5 4 Spektri plinov 6 5 Spektrometer 7 6 Poskusi z mikrovalovi 10 7 Sipanje elektronov na kristalu 12 8 Stefanov zakon: ohlajanje črne, bele in kovinske pločevinke 14 1
Eksperimenti iz Osnov moderne fizike (2016/17) 2 1 Michelsonov interferometer Dva žarka laserske svetlobe, ki ju ustvarimo s polprepustno stekleno ploščo, po odboju od zrcal interferirata, kar opazimo kot svetle ali temne krožne lise na sredini zaslona. Če premaknemo eno od zrcal za razdaljo s, se optična pot ˇzarka, ki se odbije na tem zrcalu, spremeni za 2s. Premik zrcala med dvema zaporednima ojačitvama meri 1 2 λ. Ko zrcalo odmikamo, se bodisi pojavljajo bodisi izginjajo svetli in temni kolobarji. Valovno dolžino izračunamo iz zveze λ = 2l/N, pri čemer je N število zaporednih ojačitev, ki smo jih našteli med tem, ko smo eno od zrcal premaknili za razdaljo l. Pri poskusu bomo spreminjali dolžino optične poti tudi tako, da bomo spreminjali lomni količnik zraka v kiveti, zrcal pa ne bomo premikali. V sredstvu je optična pot premo sorazmerna z lomnim količnikom, s = ns 0, pri čemer je s 0 geometrijska pot (dejanska razdalja). Žarek potuje skozi kiveto dvakrat; ko se lomni količnik zraka v kiveti spremeni za n, se optična pot spremeni za 2 nl in pojavi se N novih kolobarjev: 2 s = 2 nl = λ N. Tu je l dolžina kivete, v kateri spreminjamo zračni tlak. a) b) (en.wikipedia.org/wiki/file:michelson interferometer fringe formation.svg) a) Izmeri valovno dolˇzino laserske svetlobe v zraku z Michelsonovim interferometrom. b) Opazuj spreminjanje lomnega količnika zraka v odvisnosti od tlaka v kiveti. Določi lomni količnik zraka pri normalnem zračnem tlaku. a) Z mikrometrskim vijakom nekajkrat izmeri premik zrcala l za recimo 100 vznikov ali ponikov (N). Upoštevaj, da je zaradi podaljšane ročice dejanski premik zrcala 10-krat manjši. Izračunaj λ = 2l/10N.
Eksperimenti iz Osnov moderne fizike (2016/17) 3 b) Izmeri (notranjo) dolˇzino kivete l. Bat postavi v najvišjo lego; takrat je tlak v valju (in v kiveti) malo manjši od 0,5 bara. Zabeleži začetni tlak. Nato bat premakni toliko, da se na zaslonu pojavi nov kolobar. Počakaj, da se tlak ustali in zapiši njegovo vrednost. Postopek nadaljuj, dokler ne dosežeš največjega možnega tlaka. Nariši graf, kjer na absciso nanašaš tlak, na ordinato pa spremembo lomnega količnika n = λ N/2l. Preveri, ali je odvisnost linearna. (Graf riši sproti, tako da lahko preveriš, če nisi pomotoma spregledal katerega od kolobarjev.) Iz naklona premice dobiš spremembo lomnega količnika pri spremembi tlaka p = 1 bar. Ker je lomni količnik v vakuumu enak točno 1, lahko od tod določiš lomni količnik pri normalnem zračnem tlaku. Lomni količnik je pravzaprav odvisen od gostote zraka, torej tudi od temperature. Zabeleži sobno temperaturo, dobljeno vrednost n preračunaj na temperaturo 0 C in jo primerjaj z vrednostjo iz tabele.
A V Eksperimenti iz Osnov moderne fizike (2016/17) 4 2 Fotoefekt Pri fotoefektu svetloba izbija elektrone iz kovine. Izkaže se, da elektrone lahko izbija le svetloba z dovolj majhno valovno dolžino (dovolj veliko energijo). Pojav je pojasnil Einstein tako, da je predpostavil, da je svetloba sestavljena iz fotonov; energija fotona je odvisna od njegove frekvence oz. valovne dolˇzine: E = hν = hc λ, (1) kjer je h Planckova konstanta, ki jo bomo pri vaji izmerili. Največja energija, ki jo elektron v kovini pri obsevanju z enobarvno svetlobo lahko sprejme, je enaka energiji fotona. Energija se porabi za premagovanje potencialne energije, s katero je elektron vezan v kovini (izstopno delo A i ), preostanek pa se manifestira kot kinetična energija elektrona. Za največjo kinetično energijo, ki jo lahko ima izbiti elektron, torej velja: W kin,maks = hν A i. (2) Tok, ki pri fotoefektu steče med anodo in katodo, je odvisen od kinetične energije elektronov. Največjo kinetično energijo izmerimo tako, da med katodo in anodo priključimo napetost v zaporni smeri in poiščemo tisto napetost, U, pri kateri tok preneha teči. Tedaj se največja kinetične energija ravno porabi za premagovanje električnega dela e 0 U in velja W kin,maks = e 0 U = hν A i. (3) Če rišemo maksimalno kinetično energijo izbitih elektronov v odvisnosti od frekvence svetlobe, dobimo premico z naklonskim koeficientom, ki je enak Planckovi konstanti (h), in presečiščem z navpično osjo pri vrednosti izstopnega dela A i. Z merjenjem zaporne napetosti pri osvetljevanju fotocelice z različnimi valovnimi dolˇzinami (barvami svetlobe) določi Planckovo konstanto in izstopno delo. Pri meritvi zaporno napetost počasi povečujemo (začnemo z 0V) in beležimo, kolikšen tok teče skozi fotocelico. Meritev izvajamo toliko časa, dokler tok skozi fotocelico ne pade na 0. Dobljeno odvisnost toka od zaporne napetosti prikaˇzemo s točkami v grafu, skozi katero potegnemo gladko krivuljo, ki se točkam najbolje prilega. Maksimalno kinetično energijo elektronov odčitamo v točki, kjer krivulja seka abscisno os. Celotno meritev ponovimo pri različnih barvah svetlobe (valovnih dolˇzinah), ki jo sevajo vijolična, modra in zelena LED dioda. Na koncu narišemo graf odvisnosti zaporne napetosti od frekvence svetlobe, s katero smo obsevali.
Eksperimenti iz Osnov moderne fizike (2016/17) 5 3 Statistika sunkov iz radioaktivnega izvora Jedra radioaktivnih atomov razpadajo povsem slučajno; v vsakem trenutku je enaka verjetnost za razpad. Pri Matematičnih metodah smo v takšnem primeru pokazali, da je število razpadov v izbranem času t porazdeljeno po Poissonovi porazdelitvi: P N N = N N N! e N, (4) pri čemer je N povprečno število razpadov v tem intervalu. Za napako (standardno deviacijo) velja σ = N. (5) a) Izmeri porazdelitev razpadov v izbranem časovnem intervalu in jo primerjaj s Poissonovo porazdelitvijo z enakim povprečnim številom. b) S preskusom χ 2 preveri, če je razlika v okviru statističnih odstopanj. Izvir radioaktivnih ˇzarkov (sevalec beta) postavi na primerno razdaljo od števca, tako da v izbranem časovnem intervalu dobiš pribliˇzno tri sunke. Poskus pri isti razdalji ponovi Z = 100 krat in beleˇzi izide N i, i = 1,... Z. a) Izračunaj povprečno število N in odstopanje σ N = 1 Z Z i=1 N i, σ 2 = 1 Z Z i=1 (N i N) 2. (6) Nariši histogram, v katerega vneseš število meritev (višina stolpca) kot funkcijo preštetih sunkov. V isti histogram vriši izmerjeno porazdelitev, tako da prešteješ, kolikokrat je se je pojavil izid z izbranim N, N = 0, 1, 2, 3,..., in ustrezno Poissonovo porazdelitev (enačba (4)), pomnoženo s celotnim številom poskusov Z. Primerjaj še teoretično vrednost (5) z izmerjeno vrednostjo (6). b) Izračunaj χ 2 = ( K N izmer k k=1 Nk teor ) 2 N teor k. (7) Upoštevaj le tiste kanale, znotraj katerih je vsaj 5 izmerkov Nk teor 5. Iz tabele http://www.pef.uni-lj.si/bojang/tabela.pdf določi mejne vrednosti za 95 % in 99 % ( 1 c) zanesljivost pri f = K 1.
Eksperimenti iz Osnov moderne fizike (2016/17) 6 4 Spektri plinov Pri pravokotnem vpadu enobarvne svetlobe na uklonsko mrežico dobimo ojačane curke v smereh, ki zadoščajo enačbi d sin ϑ = Nλ, (8) kjer je d razdalja med zaporednima reˇzama v mreˇzici (mreˇzna konstanta d 1 je običajno definirana kot število rež na milimeter), ϑ je kot odklona žarka po prehodu skozi mrežico od prvotne smeri, N je uklonski red. Enačba omogoča računanje mrežne konstante, če poznamo valovno dolžino svetlobe, oziroma valovne dolžine svetlobe, če poznamo mreˇzno konstanto. Uklonska mreˇzica torej omogoča analizo spektra, to je izračunavanje valovnih dolˇzin spektralnih sestavin. Govorimo o spektroskopu na mreˇzico. a) Z lasersko svetlobo znane valovne dolˇzine izmeri mreˇzno konstanto (tj. število reˇz na mm) uklonske mreˇzice, ki jo potrebuješ pri spektroskopskem merjenju razˇzarjenih plinov. b) S spektrometrom izmeri valovne dolˇzine vidnega dela vodikovega spektra. Na podoben način izmeri tudi valovne dolˇzine optičnih spektrov helija. Izmerjene vrednosti primerjaj z izračunanimi (H) in s tabelaričnimi vrednostmi (He). a) Tik za laserjevo odprtino postavi uklonsko mrežico, tako da se ojačitve pojavijo na merilu. Izmeri razdaljo spektrometra do merila l in odmike uklonskih maksimumov od pravokotnice na mreˇzico y N (levo in desno). Izračunaj d kot povprečno vrednost meritev: d = Nλ/ sin θ N, kjer je tan θ N = y N /l. b) Odstrani laser, uklonske mrežice pa ne premikaj. Spektralno cev namesti natanko tam, kjer se je v primeru a) pojavil ničelni red. Meri l in lego uklonskih maksimumov za prvi red ( y 1 ) značilnih spektralnih črt plinov in izračunaj valovne dolˇzine teh črt. Meri desno in levo. Pri merjenju prvi eksperimentator gleda spekter skozi mrežico, drugi pa po njegovih/njenih napotkih premika premikač na merilu do mesta izbrane spektralne črte. Značilne črte: Spekter vodika. Za vodik lahko valovne dolˇzine izračunamo iz enačbe za energije vzbujenih stanj za n f = 2. Pri prehodu z orbite n i na orbito n f, n f < n i je valovna dolžina enaka λ = hc = hc E i E f E 1 n 2 f n2 i n 2 f n2 i = 91,13 nm n2 f n2 i n 2 f n2 i. (9) Helij (v nm, s pomeni močna, m srednje močna in w šibka): 439 w, 444 w, 447 s, 471 m, 492 m, 502 s, 505 w, 588 s, 668 m.
Eksperimenti iz Osnov moderne fizike (2016/17) 7 5 Spektrometer Spektrometer na prizmo. Lomni količnik stekla, iz katerega je prizma, je sorazmeren (vendar ne premo sorazmeren) s frekvenco svetlobe. Pojav imenujemo disperzija svetlobe. Rdeča svetloba se zato v prizmi manj odkloni kot vijolična (obratno kot pri optični mreˇzici). Računalniški spektrometer. Sestavlja ga senzor, ki je preko vmesnika povezan za računalnikom. Spekter je lahko prikazan v analogni obliki ali grafično. Iz grafa lahko s premikom kurzorja na izbrano črto odčitamo njeno valovno dolžino v desnem spodnjem vogalu okna. Črno telo, segreto na temperaturo T, seva zvezni spekter. Po- Spekter črnega telesa. daja ga Planckov zakon dj(λ) dλ 2hc2 1 B(λ) = λ 5 e hc/(λkbt) 1, (10) pri čemer je k B Boltzmannova konstanta k B = 8.617 10 5 ev/k. Zvezo med temperaturo in valovno dolžino, pri kateri ima spekter (10) vrh, podaja Wienov zakon: λ 0 T = b, b = 2,90 10 6 nm K. (11) a) V spektrometru na prizmo odčitaj lege štirih značilnih črt v vidnem spektru ˇzivosrebrne (Hg) svetilke in nariši umeritveno krivuljo spektrometra. b) S tako umerjenim spektrometrom določi valovno dolˇzino zelenega laserja. c) Z računalniškim spektrometrom izmeri valovne dolˇzine vidnega dela vodikovega spektra. d) Z računalniškim spektrometrom izmeri spekter Sončeve svetlobe, določi temperaturo površja Sonca in primerjaj izmerjeni spekter s teoretičnim. e) Podobno izmeri še spekter volframove ˇzarnice. a) V grafu na vodoravno os nanesi skalo na spektrometru, na navpično pa valovne dolžine v nanometrih. Skozi točke potegni čim bolj gladko krivuljo. Vidni spekter Hg: oranˇzno rumena 578,2 nm, zelena 546,1 nm, vijolično modra 435,8 nm, vijolična 404,7 nm (nekoliko slabše vidna). b) Odčitaj lego črte laserske svetlobe in iz umeritvene krivulje določi njeno valovno dolˇzino. c) Prehodi v vidnem spektru vodika ustrezajo n i > n f = 2.
Eksperimenti iz Osnov moderne fizike (2016/17) 8 d) Skiciraj izmerjeni spekter, določi valovno dolˇzino λ 0, pri kateri ima vrh, in iz Wienovega zakona (11) oceni temperaturo Sonca. V isti graf vnesi še teoretične vrednosti (10), ki ustrezajo λ 0 (glej tabelo). Zakaj se izmerjeni in teoretični spekter razlikujeta? e) Skiciraj spekter. Temperatura ˇzarilne nitke je med 2000 K in 3300 K. Kje je v tem primeru vrh (teoretične) porazdelitve?
Eksperimenti iz Osnov moderne fizike (2016/17) 9 λ/λ 0 B(λ)/B(λ 0 ) λ/λ 0 B(λ)/B(λ 0 ) λ/λ 0 B(λ)/B(λ 0 ) 0.250 0.000 0.850 0.935 1.450 0.748 0.300 0.004 0.900 0.973 1.500 0.710 0.350 0.019 0.950 0.994 1.550 0.674 0.400 0.057 1.000 1.000 1.600 0.638 0.450 0.125 1.050 0.994 1.650 0.604 0.500 0.222 1.100 0.979 1.700 0.571 0.550 0.340 1.150 0.956 1.750 0.540 0.600 0.466 1.200 0.928 1.800 0.510 0.650 0.591 1.250 0.895 1.850 0.481 0.700 0.704 1.300 0.860 1.900 0.455 0.750 0.801 1.350 0.823 1.950 0.429 0.800 0.878 1.400 0.785 2.000 0.405 Normirana Planckova porazdelitev (10) http://en.wikipedia.org/wiki/file:black body.svg
Eksperimenti iz Osnov moderne fizike (2016/17) 10 6 Poskusi z mikrovalovi Mikrovalovi so EM valovanje z valovnimi dolžinami v centimetrskem območju, zato so zelo primerni za opazovanje valovnih pojavov na makroskopski skali. Za izvir mikrovalov uporabljamo klistrone, v katerih elektroni nihajo v resonančni votlini in pri tem sevajo EM valovanje. Pri prehodu mikrovalov skozi mejo med dvema sredstvoma pride do loma, pri čemer velja lomni zakon: n 1 sin α = n 2 sin β Lomni količnik zraka je pribliˇzno 1, tako da lahko samo z merjenjem kotov pri lomu določimo tudi lomni količnik izbrane snovi v našem primeru parafina. Z mikrovalovi posvetimo na parafinsko prizmo, na kateri se žarek mikrovalov lomi dvakrat ob vstopu in izstopu (glej sliko). Pri simetričnem prehodu žarka skozi prizmo velja β = γ/2 in θ = 2α γ, če je θ kot med vpadnim in izstopajočim žarkom in γ kot v vrhu prizme (60 ). Lomni količnik sredstva je tedaj n = sin α sin β = sin 2 1 (θ + γ) sin 2 1γ. Če na prizmo posvetimo pod ustreznim kotom (npr. pravokotno na stranico), pride na spodnji stranici v notranjosti prizme do popolnega odboja (glej sliko). α α Intenziteta valovanja pri tem na drugi strani meje (v zraku) eksponentno pojema. Če ob stranico prizme, na kateri pride do popolnega odboja, prislonimo drugo prizmo, sredstvo ob stranici efektivno ni prekinjeno, zato do popolnega odboja ne pride, žarek pa nadaljuje pot v drugo prizmo. Zanimivo je, da nekaj valovanja preide v drugo prizmo tudi v primeru, ko je med prizmama majhna zračna špranja. Temu pravimo
Eksperimenti iz Osnov moderne fizike (2016/17) 11 tunelski pojav, opišemo pa ga s kvantno mehaniko. Opazujmo pojemanje intenzitete prepuščenega EM valovanja kot funkcijo velikosti špranje d med njima (glej sliko). Ι 0 n 1 n 2 d α α Ι n 2 Pojemanje intenzitete valovanja opisuje enačba I = I 0 e 2κd a) Določi valovno dolˇzino mikrovalovnega valovanja. b) Določi lomni količnik parafina za mikrovalove. c) Opazuj upadanje intenzitete valovanja pri tunelskem pojavu in določi atenuacijski koeficient κ. a) Merilno diodo, ki je priključena na µa-meter, pomikaj ob merilu vzdolˇz osi mikrovalovnega izvira tako, da na µa-metru našteješ 10 maksimumov (ali minimumov). Ko je dioda v vozlu valovanja, kaže µa-meter minimum, ko pa je dioda v hrbtu valovanja, opazimo maksimum. Pri določitvi valovne dolžine upoštevaj, da je razdalja med dvema hrbtoma enaka polovici valovne dolžine, saj je I (cos ωt kx) 2, pri čemer tako pozitivni kot negativni del amplitude valovanja povzročita hrbet intenzitete. b) Prizmo iz parafina postavi na vrtljivo mizico. Mikrovalovni oddajnik in sprejemnik naj bosta najprej na isti osi (kot 180 stopinj), osi vzporedna naj bo tudi ena izmed stranic prizme. Zdaj kot med oddajnikom in sprejemnikom prični zmanjševati, pri tem pa za polovični kot hkrati suči tudi prizmo. Iz kota, pri katerem najdeš maksimum lomljenega valovanja, izračunaš lomni količnik parafina. c) Med oddajnik in sprejemnik, ki stojita na isti osi, postavi parafinski prizmi, ki se stikata z eno stranico. Prizmi sta obrnjeni tako, da mikrovalovi vanju vstopajo in izstopajo pod pravim kotom. Razdaljo med prizmama pričneš povečevati in si zapisuješ prepuščeno intenziteto. Logaritem prepuščene intenzitete predstavi na grafu kot funkcijo velikosti špranje. Naklon premice je enak 2κ.
Eksperimenti iz Osnov moderne fizike (2016/17) 12 7 Sipanje elektronov na kristalu Curek elektronov, ki ga pospeši napetost U, predstavlja ravno valovanje z valovno dolžino, ki je po de Broglieju enaka λ = h m 0 v = Pri tem smo hitrost dobili iz izreka o kinetični energiji: A = e 0 U = 1 2 m 0v 2, v = h 2e0 m 0 U. (12) 2e0 U m 0. (13) Curek usmerimo na kristal. Curek se odbija od kristalnih ravnin po odbojnem zakonu. Odbiti curki konstruktivno interferirajo, če je izpolnjen Braggov pogoj 2d sin ϑ = Nλ, N = 1, 2, 3,..., (14) pri tem je d razmik med ravninami in ϑ kot, pod katerim elektronski curek vpada na ravnino. (Kot proti vpadni pravokotnici je 90 ϑ.) Po odboju ojačani curek nadaljuje pot pod enakim kotom glede na ravnino, tako da se ojačeni curek odkloni za dvojni kot, 2ϑ, od prvotne smeri. Pri poskusu usmerimo curek na tarčo, ki jo sestavlja veliko število kristalčkov grafita, orientiranih v vse moˇzne smeri. Nekateri od teh kristalčkov so orientirani tako, da curek elektronov vpada ravno pod kotom, za katerega je izpolnjen Braggov pogoj. Na zaslonu ne dobimo le ene pike, temveč krog (kolobar), saj so kristalčki, za katere je izpolnjen pogoj, lahko še zavrteni okoli osi, ki sovpada z vpadnim curkom. a) Pri sipanju elektronov na kristalu grafita preveri veljavnost de Brogliejeve enačbe za valovno dolˇzino delcev. b) Preveri enačbo za odvisnost valovne dolˇzine elektronov od pospeševalne napetosti na katodni cevi. Podatki: e 0 = 1,6 10 19 As, m 0 = 9,1 10 31 kg, oddaljenost kristala od zaslona l = 135 mm, razmik med ravninami d 10 = 0,213 nm, d 11 = 0,123 nm. a) Napetost nastavi na največjo možno vrednost. Izmeri premer (2r) najmanjšega kolobarja, ki ustreza sipanju na mreˇzni ravnini (10) in premer naslednjega večjega kolobarja, ki ustreza ravnini (11); v obeh primerih gre za prvi red, N = 1. Iz podane razdalje kristala do zaslona izračunaj kot ϑ, tan 2ϑ = r/l in iz enačbe (14) valovno dolžino za oba primera. Dobljeno valovno dolžino primerjaj z vrednostjo, ki jo dobiš iz de Brogliejeve enačbe (12).
Eksperimenti iz Osnov moderne fizike (2016/17) 13 b) Ker so koti majhni, lahko zapišemo (za N = 1): 2d sin ϑ 2dϑ = λ, tan 2ϑ 2ϑ = r l, λ rd l Kvadrirajmo (12) in dobimo λ 2 = r2 d 2 l 2 = h2 2e 0 m 0 U, r2 = h2 l 2 2e 0 m 0 d 2 1 U. Kvadrat polmera kolobarja je torej obratno sorazmeren z napetostjo. Odvisnost preverimo tako, da vrednosti polmerov in pripadajočih napetosti vnesemo v graf; na absciso nanašamo recipročno vrednost napetosti, na ordinato pa kvadrat polmera. Dobiti moramo premico. Meritev polmerov naredi pri vsaj petih različnih pospeševalnih napetostih. Meri bodisi manjši krog, ki ustreza sipanju na ravnini (10), bodisi večji krog (ravnina (11)).
Eksperimenti iz Osnov moderne fizike (2016/17) 14 8 Stefanov zakon: ohlajanje črne, bele in kovinske pločevinke Segreto telo, ki ga obdaja zrak, se ohlaja s konvekcijo in sevanjem. Pri konvekciji je toplotni tok, ki s segretega telesa prehaja v zrak, je odvisen od površine telesa S in temperaturne razlike: P = Λ k S(T T 0 ). (15) Pri tem je T temperatura telesa, T 0 temperatura okoliškega zraka na dovolj veliki oddaljenosti od telesa, Λ k pa je koeficient prehajanja toplote pri konvekciji in je odvisen od oblike segretega telesa. Ko obravnavamo ohlajanje telesa zaradi sevanja, moramo upoštevati, da poleg toka, ki ga telo oddaja v okolico, telo zaradi sevanja okolice tudi prejema energijski tok. Prejeti tok je sorazmeren s četrto potenco temperature okolice T 0. Razlika med oddanim in prejetim tokom je enaka P = (1 a)sσ(t 4 T 0 4 ), (16) pri čemer je a albedo telesa, tj. razmerje med odbitim in vpadnim energijskim tokom in σ Stefanova konstanta 5,67 10 8 W/m 2 K 4. Energijski tok, ki ga posoda oddaja, izračunamo iz hitrosti ohlajanja: P = mc p T t kjer je m kar masa vode v posodi in c 0 specifična toplota vode c p = 4200 K/kg, saj lahko toplotno kapaciteto posode in termometra zanemarimo; T je sprememba temperature v časovnem intervalu t. a) Primerjaj ohlajanje različno obarvanih teles. b) Ob predpostavki, da je albedo za črno pločevinko enak a = 0,05 ± 0,05, oceni prispevek konvekcije k ohlajanja črne pločevinke. c) Ob predpostavki, da je prispevek konvekcije enak pri vseh treh pločevinkah, oceni albedo za belo in kovinsko pločevinko. (17)
Eksperimenti iz Osnov moderne fizike (2016/17) 15 Za izvedbo vaje potrebuješ tri termometre, posodo vrele vode, lij, belo, kovinsko in črno pločevinko z zamaški, merilni valj, štoparico, izolacijsko podlago (stiropor), merilo. Vsako od pločevink postavi na podstavek iz stiropora. Postavi jih vsaj 10 cm vsaksebi. S pomočjo lija v vsako nalij vrele vode povsem do vrha. Hitro vstavi zamašek in skozenj potisni sondo termometra tako, da se le-ta ne dotika sten ali dna pločevinke. Morebitno polito vodo obriši z brisačo; zunanjost pločevinke mora biti med poskusom povsem suha. Temperaturo vode v vseh treh pločevinkah in okolice beleži računalnik. Povsem na koncu (po približno 200 min), izmeri in zabeleži še prostornino vode v vsaki od pločevink. Ne ustavljaj merjenja, ne prestavljaj pločevink in ne menjavaj vode v njih. Za velikost površine S, na kateri pločevinka seva, vzemi 190 cm 2 (to je površina pločevinke brez dna). a) Nariši graf, ki prikazuje odvisnost celotnega toplotnega toka P (glej (17)) v odvisnosti od T T 0. (T temperatura pločevinke in T 0 trenutna temperatura okolice.) Grafe za vse tri pločevinke nariši v isti koordinatni sistem z različnimi barvami. Pripiši legendo. b) V isti koordinatni sistem z drugo barvo nariši še izsevani toplotni tok črne pločevinke P sč (enačbo (16), v katero vstaviš a = 0,05). Iz razlike do celotnega izsevanega toka lahko oceniš prispevek zaradi konvekcije. c) Prispevek zaradi konvekcije, ki si ga ocenil pri črni pločevinki, odštej od celotnega oddanega toka za belo in kovinsko pločevinko. Razlika predstavlja prispevek sevanja. Oceni razmerje med tako določenim prispevkom sevanja in izsevanim tokom, ki si ga izračunal pri b) za črno pločevinko.