Physikalisches Praktikum

Transkript

1 Laborversuch: Messungen mit dem Spektrometer 1 Grundlagen Skripte zu den Grundlagen stehen zur Verfügung in CULM Phy.Praktikum - Optik: Gerätehandbuch des Herstellers Spectrometer.pdf Anleitung zum Praktikum spektroanleitung.pdf 2 Inbetriebnahme 2.1 Anschluss und Software Am optischen Eingang wird über ein Kunststoff-Faserkabel die Einkoppeleinheit angeschlossen. Die Spannungsversorgung und die Übertragung der Daten erfolgen über den USB-Anschluss am Computer. Die zugehörige Betriebssoftware ist spectrometer.exe sollte erst nach Anschluss des Geräts geladen werden. Das Spektrometer enthält einen Kamera-Chip und wird deshalb wie eine Webcam behandelt. 2.2 Kalibrierung der Wellenlänge Nehmen Sie das Spektrum einer Hg-Lampe auf. Führen Sie mit drei kräftigen Linien eine Wellenlängenkalibrierung des Spektrometers durch. 2.3 Testspektrum aufnehmen speichern lesen Nehmen Sie das Spektrum einer beliebigen Lichtquelle auf und speichern Sie die Daten. Lesen Sie diese wieder mit der Tabellenkalkulation ein und stellen Sie das Spektrum in einem Diagramm dar. 3 Aufgaben 3.1 Spektren verschiedener Strahlungsquellen Nehmen Sie die Spektren verschiedener Strahlungsquellen auf. z.b. Sonne, Leuchtstoffröhre, Glühlampe, Feuerzeugflamme, Spektrallampe, LED, Laser (nur in Reflexion auf Schirm), Farbbereiche auf dem Monitor Dokumentieren Sie die Bedingungen unter denen die Messung jeweils ausgeführt wurde. 3.2 Transmission Absorption Extinktion Nehmen Sie das Spektrum einer Lampe als Referenzspektrum auf (abspeichern). Bringen Sie jeweils ein Absorptionsmedium (z.b. Farbscheibe) in den Strahlengang und nehmen Sie das zugehörige Transmissionsspektrum auf. Berechnen Sie in der Tabellenkalkulation jeweils das zugehörige Spektrum des Transmissionsgrades τ, des Absorptionsgrades α und der Extinktion E. spektroversuch.odt Nov Seite 1 von 5

2 4 Sonderaufgaben (auch bei unkalibrierter Empfindlichkeit) 4.1 Wirkungsquantum Bestimmen Sie für eine feste Stromstärke von I=1mA die zu der roten, gelben und grünen LED gehörende Spannung (eventuell einschließlich einer blauen LED). Bestimmen Sie mit dem Spektrometer für jede LED die Wellenlänge des Emissionsmaximums. Tragen Sie diese Spannungen über der zugehörigen Frequenz des Lichtes in einem Diagramm auf. Bestimmen Sie die Steigung b der zugehörigen Ausgleichsgeraden. Sie ergibt (theoretisch) den Wert von h/e (Wirkungsquantum h dividiert durch die Elementarladung e). Berechnen Sie über den Wert e=1,602*10-19 C den Wert von h. 4.2 Farbmetrik Um Farben durch Zahlenangaben beschreiben zu können, wird der spektrale Transmissionsgrad nacheinander mit der normierten Farbempfindlichkeit der Zäpfchen im Auge für rot, grün und blau multipliziert. Die jeweilige Summe über die Reihe ergibt X,Y und Z. Die Farbkoordinaten x, y und z für das farbdreieck CIE 1931 werden errechnet mit: x= X y= Y Z z= und es gilt x+y+z=1 spektroversuch.odt Nov Seite 2 von 5

3 spektroversuch.odt Nov Seite 3 von 5

4 Bild von Martin Gonska White Light Consultations Joe Kane Productions (JKP) spektroversuch.odt Nov Seite 4 von 5

5 5 Sonderaufgaben (mit Kalibrierung der Empfindlichkeit; Tablellenblatt) 5.1 Kalibrierung der Sensor-Empfindlichkeit Entfällt! Die spektrale Empfindlichkeit im Wellenlängenraster 0,5nm bzw. 1,0nm liegt als Datei vor: normkalib txt bzw. normkalib txt Sie ist mit den Einstellungen Y=425 und H=20 aufgenommen. Das Maximum (100%) entspricht einer spektralen Leistungsdichte von 8,70mW/m²/nm. 5.2 Physikalische Strahlungsgrößen Nehmen Sie das Emissionsspektrum einer Quelle auf und speichern Sie es. Tasten Sie es mit dem Programm neutast.vi im 0,5nm-Raster ab. Speichern Sie die Neuabtastung der Emissionswerte in einer eigenen Datei. Importieren Sie die Daten der Spektralen Empfindlichkeit und die jetzt im gleichen Raster vorliegenden unkorrigierten Emissionsdaten in ein Tabellenblatt. Dividieren Sie die Emissionswerte durch die Empfindlichkeitswerte (100%=1) um die kalibrierte spektrale Leistungsdichte E(λ) in mw/m²/nm am Messort zu erhalten. Integrieren Sie über diese Funktion, um die (integrale) Bestrahlungsstärke E in mw/m² (am Ort des Sensorkopfes) zu erhalten. Führen Sie die Messung für einen zweiten Abstand durch und prüfen Sie, ob die Bestrahlungsstärke E sich umgekehrt zum Quadrat des Abstandes verhält. 5.3 Physiologische Strahlungsgrößen Die spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges lässt bei gleicher Bestrahlungsstärke E verschiedene Farben unterschiedlich hell erscheinen. Die Größe der Beleuchtungsstärke gleicht dies aus. Multiplizieren Sie die kalibrierte spektrale Leistungsdichte E(λ) mit der spektralen Empfindlichkeit des Auges (genormte Durchschnittswerte) und integrieren Sie über diese Reihe. Man erhält dabei die Beleuchtungsstärke E in Lux (lx). 5.4 Farbmetrik Um Farben durch Zahlenangaben beschreiben zu können, wird die kalibrierte spektrale Leistungsdichte E(λ) in mw/m²/nm nacheinander mit der normierten Farbempfindlichkeit der Zäpfchen im Auge für rot, grün und blau multipliziert. Die jeweilige Summe über die Reihe ergibt X,Y und Z. Die Farbkoordinaten x, y und z werden errechnet mit: x= X y= Y Z z= und es gilt x+y+z=1 spektroversuch.odt Nov Seite 5 von 5