Grafika interaktywna (schemat)
Jak czytać wykresy i schematy?
Wykresy i schematy to graficzne prezentacje złożonych struktur składających się z wielu elementów powiązanych ze sobą różnego typu zależnościami. Także pomiędzy schematem i wykresem może istnieć zależność, jeśli schemat przedstawia pewien układ pomiarowy, a wykres prezentuje rezultaty pomiarów wykonanych z pomocą tego układu. Takie połączenie jest często spotykane, bowiem wtedy informacje zawarte na schemacie ułatwiają zrozumienie zależności prezentowanych na wykresie.
Jako przykład takiego połączenia zobaczysz schemat układu pomiarowego do badania własności jednego z najciekawszych zjawisk w fizyce, za wyjaśnienie którego Albert Einstein otrzymał nagrodę Nobla. Zobaczysz też wykres prezentujący kształt wyników pomiarów, które mogą być otrzymane z pomocą pokazanego na schemacie układu pomiarowego.
Obejrzyj grafikę interaktywną. Zwróć uwagę, że układ elektryczny ma dwa elementy regulacyjne: klucz i potencjometr i dwa pomiarowe: woltomierz i amperomierz, a układ optyczny dwa elementy regulacyjne: do zmiany barwy światła i intensywności oświetlenia.
1. Zaczynamy Czytanie wykresu zaczynamy zwykle od tego, co jest na osiach. Na osi poziomej jest napięcie elektryczne UA, a na pionowej natężenie prądu I.
2. Początek układu współrzędnych odpowiada zerowym wartościom napięcia i natężenia prądu.
3. Jednostki Brak jednostek podpowiada, że konkretne wartości nie odgrywają w tym przypadku istotnej roli.
4. "Treść" wykresu Widzimy kilka krzywych. Wszystkie zaczynają się po stronie ujemnych wartości napięcia, najpierw fioletowa, potem trzy zielone dla U = U0, a czerwona najbliżej punktu zerowego.
5. Przebieg wykresów Po stronie dodatnich napięć trzy krzywe zbiegają do punktu „b” dla I = In, zaś dwie zielone wychodzą na „plateau” niżej i wyżej, tj. w punktach „a” i „c” („plateau” to płaska część krzywej).
6. To był pierwszy „rzut oka” na wykres. Zauważamy ciekawe prawidłowości, nie rozumiejąc jeszcze ich przyczyny. Jedno jest jasne, prawo Ohma tu nie działa, bo przy zerowym napięciu prąd jest niezerowy.
1. Ogniwo Ogniwo elektryczne prądu stałego, podłączone do klucza K1
2. Klucz Może zmieniać polaryzację napięcia podawanego do dalszej części układu (zamieniać plus z minusem)
3. Potencjometr z suwakiem Służy do zmiany wartości podawanego napięcia
4. Woltomierz Do pomiaru napięcia
5. Amperomierz Do pomiaru natężenia prądu
6. Fotoelement Składa się z katody (K) i anody (A), umieszczonych w szklanej bańce, z której wypompowano powietrze. Katoda może mieć potencjał dodatni lub ujemny (w zależności od położenia klucza) oraz wartości większe lub mniejsze (w zależności od położenia suwaka potencjometru).
7. Źródło światła Strumień światła ze źródła Z, po przejściu przez filtr F przepuszczający światło o określonej barwie (czyli o określonej długości fali), może padać na katodę fotoelementu. (Anoda A ma postać siatki lub pętelki i nie stanowi dla światła istotnej przeszkody.)
8. Filtr Przepuszcza światło o określonej barwie (czyli o określonej długości fali)
Poniżej podano kolejne kroki przy wykonywaniu pomiarów. Przesuń „kafelki” z cyframi na wykres tak, aby wskazywały odpowiadające im numery kroków.
Uwaga: Kolor krzywej odpowiada barwie światła padającego na katodę.
Klucz K1 ustawiamy tak, by na katodzie był minus, a na anodzie plus; potencjometr w środkowym położeniu. Nie oświetlamy fotoelementu. Woltomierz wskazuje wartość napięcia w obwodzie, a amperomierz wskazuje zero. Prąd w obwodzie nie płynie, bo uniemożliwia to przerwa pomiędzy anodą i katodą.
Włączamy źródło światła, a filtr ustawiamy na światło zielone. Widzimy, że amperomierz wskazuje przepływ prądu. Potencjometrem P zwiększamy napięcie i zauważamy wzrost natężenia prądu, ale tylko do pewnej wartości IIndeks dolny nn. Przy dalszym zwiększaniu napięcia natężenie prądu już nie wzrasta (wykres dąży do linii ozn. przez b)
Kiedy zmniejszamy intensywność oświetlenia, prąd maleje do wartości a, kiedy zwiększamy, wzrasta do wartości c.
Z pomocą potencjometru zmniejszamy napięcie zasilające aż do zera. Amperomierz wskazuje mniejszy prąd, ale nie zero.
Zmieniamy polaryzację elektrod. Teraz katoda ma potencjał dodatni, a anoda ujemny. Zwiększamy napięcie i widzimy zmniejszanie się natężenia prądu aż do zera przy wartości napięcia UIndeks dolny 00.
Zmieniamy filtr na czerwony. Prąd nadal nie płynie.
Zmieniamy filtr na fioletowy. Prąd zaczyna płynąć.
4, 2, 1, 7, 5
Wykonaliśmy następny krok w odczytaniu treści naszego wykresu. Dzięki powiązaniu ze schematem wiemy, co jest przyczyną obserwowanego kształtu krzywych na wykresie. Pozostają jednak pytania:
Dlaczego pomimo zwiększania napięcia w punkcie 2. prąd wzrastał tylko do pewnej wartości?
Dlaczego pomimo zmniejszenia napięcia do zera w punkcie 4. prąd nie zmniejszył się do zera?
Dlaczego prąd przestał płynąć dla ujemnego napięcia UIndeks dolny 00?
Dlaczego zmiana barwy światła z zielonego na czerwone nic nie dała, a zmiana na fioletową spowodowała przepływ prądu?
Aby wykonać kolejny krok w odczytaniu naszego wykresu, potrzebujemy wiedzy o naturze światła.
Popatrzmy na światło, jak na strumień cząstek (zwanych fotonami), których energia , gdzie jest tzw. stałą Plancka, a jest częstotliwością fali świetlnej odpowiadającej danej barwie. Foton, padając na katodę, zostaje pochłonięty, a w rezultacie wyemitowany jest elektron, którego energia kinetyczna EIndeks dolny kk równa jest energii fotonu pomniejszonej o energię potrzebną do wybicia elektronu z materiału katody EIndeks dolny ww. Zapisujemy to w postaci: .
Tak więc:
• przez zwiększenie natężenia światła zwiększamy liczbę wyemitowanych fotonów,
• przez zmianę barwy światła zmieniamy ich energię.
Teraz już bez trudu odpowiemy po kolei na wszystkie pytania:
Prąd wzrastał do takiej wartości, przy której wszystkie elektrony uwolnione pod wpływem światła z katody zostały zebrane na anodzie.
Pomimo zmniejszenia napięcia do zera, elektrony docierały do anody, bo posiadły już pewną energię kinetyczną.
Prąd przestał płynąć, kiedy ujemne napięcie na anodzie było na tyle duże, że nie pozwoliło żadnemu elektronowi dotrzeć do anody.
Fotony barwy czerwonej mają mniejszą energię niż fotony barwy zielonej, a fotony barwy fioletowej – większą. Aby prąd zaczął płynąć, potrzebne było zwiększenie energii elektronów, a to było możliwe przez zmianę barwy światła na fioletową.
Jestem pewien, że teraz już samodzielnie odpowiesz, dlaczego krzywa barwy czerwonej zaczyna się przy najmniejszym napięciu ujemnym. Wykres nie ma już żadnych dla Ciebie tajemnic – jest odczytany. A co najważniejsze - rozumiesz istotę jednego z najciekawszych zjawisk w fizyce, za wyjaśnienie którego Albert Einstein otrzymał nagrodę Nobla.
Jest to zjawisko fotoelektryczne.
Grafika składa się ze schematu elektrycznego układu pomiarowego do badania zjawiska fotoelektrycznego oraz z wykresów otrzymanych w tym badaniu.
Schemat układu pomiarowego:
Z prawej strony do pionowego przewodu podłączone jest ogniwo elektryczne prądu stałego, przedstawione jako dwa krótkie poziome odcinki, położone po obu stronach małej przerwy w przewodzie. Grubszy i krótszy odcinek oznaczony symbolem minus leży wyżej niż cieńszy i dłuższy odcinek z symbolem plus. Ogniwo połączone jest z kluczem, który umożliwia zmianę polaryzacji napięcia, czyli zamianę plusa z minusem. Dalej w obwodzie znajduje się potencjometr, umożliwiający zmianę wartości napięcia, przedstawiony jako wąski prostokąt symbolizujący opornik. Do środkowej części opornika dochodzi koniec strzałki połączonej z przewodem elektrycznym. Strzałka symbolizuje suwak, który może przesuwać się wzdłuż opornika, zmieniając oporność włączoną do obwodu. Przewód wychodzący z suwaka potencjometru połączony jest z amperomierzem do pomiaru natężenia prądu, a przewód wychodzący z drugiej strony amperomierza połączony jest z katodą fotoelementu. Przewód wychodzący z dolnej, nieruchomej części potencjometru połączony jest z anodą fotoelementu. Do obu przewodów włączony jest woltomierz do pomiarów napięcia. Woltomierz połączony jest równolegle z fotoelementem. Fotoelement składa się z katody i anody umieszczonych w szklanej bańce, z której wypompowano powietrze. Anoda ma kształt cienkiej, metalowej pętli i znajduje się w środku bańki. Katoda to wygięta łukowato metalowa powierzchnia wypełniająca dużą część prawej ścianki bańki. Katoda może mieć potencjał dodatni lub ujemny w zależności od położenia klucza. Wartość potencjału może być większa lub mniejsza w zależności od położenia suwaka potencjometru. Z lewej strony fotoelementu znajduje się źródło światła przedstawione jako prostokąt, z którego wychodzą strzałki skierowane poziomo w prawo, symbolizujące promienie świetlne. Między źródłem światła a fotoelementem znajduje się filtr, przedstawiony symbolicznie jako pionowe, barwne paski. Filtr przepuszcza światło o określonej barwie, czyli o określonej długości fali. Światło pada na katodę fotoelementu. Anoda nie stanowi dla światła istotnej przeszkody, bo ma kształt siatki lub pętelki.
Wykresy
Rysunek przedstawia układ współrzędnych, w którym na osi poziomej odłożono wielkość oznaczoną literą wielkie U z indeksem dolnym wielkie A, a na osi pionowej wielkość oznaczoną literą wielkie i. Narysowano 5 wykresów o kształcie linii krzywych. Wszystkie zaczynają się na osi poziomej, na lewo od punktu przecięcia osi. Fioletowy wykres zaczyna się w punkcie leżącym najdalej od punktu przecięcia osi. Wykres wznosi się, a po przecięciu osi pionowej, staje się coraz mniej stromy i zbliża się do poziomej linii oznaczonej literą małe b i dalej wykres pokrywa się z tą linią. Punkt przecięcia tej linii z osią pionową oznaczony jest literą wielkie i z indeksem dolnym małe n. Zielony wykres zaczyna się w punkcie leżącym bliżej punktu przecięcia osi. Punkt ten oznaczony jest literą wielkie U z indeksem dolnym 0. Wykres zielony wznosi się, a po przecięciu osi pionowej w punkcie niższym niż wykres fioletowy, staje się coraz mniej stromy i zbliża się do tej samej poziomej linii oznaczonej literą małe b, pokrywając się z nią. Czerwony wykres zaczyna się w punkcie leżącym najbliżej punktu przecięcia osi. Wykres czerwony wznosi się, a po przecięciu osi pionowej w punkcie niższym niż wykres zielony, staje się coraz mniej stromy i zbliża się do tej samej poziomej linii oznaczonej literą małe b, pokrywając się z nią. Narysowano jeszcze 2 wykresy zielone, które zaczynają się w tym samym punkcie wielkie U z indeksem dolnym 0. Jeden z nich przecina pionową oś znacznie wyżej niż inne wykresy i zbliża się do leżącej wyżej poziomej linii oznaczonej literą małe c. Drugi z dodatkowych wykresów zielonych przecina pionową oś niżej niż inne wykresy i zbliża się do leżącej najniżej poziomej linii oznaczonej literą małe a.
W różnych miejscach wykresu znajdują się kółeczka z cyframi. Po kliknięciu w kółeczko ukazuje się objaśnienie.
Cyfra 1 znajduje się przy literze wielkie U z indeksem dolnym wielkie A. Objaśnienie: Czytanie wykresu zaczynamy zwykle od tego, co jest na osiach. Na osi poziomej jest napięcie elektryczne wielkie U z indeksem dolnym wielkie A, a na osi pionowej natężenie prądu wielkie i.
Cyfra 2 znajduje się przy początku układu współrzędnych, przy którym zapisano zero. Objaśnienie: Początek układu współrzędnych odpowiada zerowym wartościom napięcia i natężenia prądu.
Cyfra 3 znajduje się pod osią poziomą. Objaśnienie: Brak jednostek podpowiada, że konkretne wartości nie odgrywają w tym przypadku istotnej roli.
Cyfra 4 znajduje się nad wykresami. Objaśnienie: Widzimy kilka krzywych. Wszystkie zaczynają się po stronie ujemnych wartości napięcia, najpierw fioletowa, potem trzy zielone, a czerwona najbliżej punktu zerowego.
Cyfra 5 znajduje się między wykresami na prawo od osi pionowej. Objaśnienie: Po stronie dodatnich napięć trzy krzywe zbiegają do punktu b dla i równego i z indeksem dolnym n, zaś dwie zielone wychodzą na plateau niżej i wyżej to jest w punktach a i c (plateau to płaska część krzywej).
Cyfra 6 znajduje się między wykresami na prawo od osi pionowej. Objaśnienie: To był pierwszy rzut oka na wykres. Zauważamy ciekawe prawidłowości, nie rozumiejąc jeszcze ich przyczyny. Jedno jest jasne, prawo Ohma tu nie działa, bo przy zerowym napięciu prąd jest niezerowy.
Przeczytaj wyjaśnienie zjawiska fotoelektrycznego i odpowiedz na pytania. Aby wykonać kolejny krok w odczytaniu naszego wykresu, potrzebujemy wiedzy o naturze światła. Popatrzmy na światło, jak na strumień cząstek (zwanych fotonami), których energia wielkie E równa się małe h razy grecka litera małe ni, gdzie małe h jest tak zwaną stałą Plancka, a małe ni jest częstotliwością fali świetlnej odpowiadającej danej barwie. Foton, padając na katodę, zostaje pochłonięty, a w rezultacie wyemitowany jest elektron, którego energia kinetyczna wielkie E z indeksem dolnym małe k równa jest energii fotonu pomniejszonej o energię potrzebną do wybicia elektronu z materiału katody wielkie E z indeksem dolnym małe w. Zapisujemy to w postaci: małe h razy grecka litera małe ni równa się wielkie E z indeksem dolnym małe k plus wielkie E z indeksem dolnym małe w. Tak więc: przez zwiększenie natężenia światła zwiększamy liczbę wyemitowanych fotonów, przez zmianę barwy światła zmieniamy ich energię.