Esercizio 1: Determinazione del diametro del filo di tungsteno (totale 9 punti)
Determina in modo più accurato possibile il diametro del filo di tungsteno con l’ausilio del laser (suggerimento: la diffrazione). Schizza in modo accurato la costruzione di tale esperimento (incluse le specifiche). Descrivi inoltre come vengono misurate le grandezze, e che leggi fisiche vengono applicate. Determina inoltre l’incertezza del risultato. Quale misura è la principale causa di incertezza?
Consiglio: L’immagine derivata dalla diffrazione di un filo sottile è la stessa di una fenditura di larghezza . Il filo di tungsteno a disposizione non ha lo stesso diametro di quello contenuto nelle lampadine a 6 V. Utilizza solo la parte sinistra dell’alimentatore per alimentare il laser, inserisci assolutamente la resistenza nel circuito, e non girare il regolatore di tensione più di 5 V!
Topic: Wave Optics, Geometric Optics Metodi: Interference & Diffraction Analysis, Error Propagation, Physical Modeling Competenze: Measurement & Instrumentation, Error Propagation, Experimental Data Analysis Objects: Wire, Slit Fonte: Testo (PDF) — p.4
Problem 1: Determination of the tungsten wire diameter (total 9 points)
Determine as accurately as possible the diameter of the tungsten wire using a laser (hint: diffraction). Carefully sketch the experimental setup (including specifications). Additionally, describe how the quantities are measured and which physical laws are applied. Determine also the uncertainty of the result. Which measurement is the main source of uncertainty?
Hint: The diffraction pattern produced by a thin wire is identical to that of a slit with width . The tungsten wire provided does not have the same diameter as that in 6 V lamps. Use only the left side of the power supply to power the laser, absolutely include the resistor in the circuit, and do not turn the voltage regulator above 5 V!
Esercizio 2: Determinare la resistenza del filamento a freddo (totale 10 punti)
Determina in modo più accurato possibile la resistenza del filamento nella lampadina a temperatura ambiente. Schizza lo schema del circuito usato per misurare la resistenza. Calcola poi la lunghezza del filamento . A tale scopo, utilizza in tutti gli esercizi seguenti un diametro del filamento di . Dalle tue misure determina l’incertezza risultante per e infine anche per .
Consiglio: Evita di misurare la resistenza del filamento direttamente con l’ohmmetro, questo risulterebbe in nessun punto! La resistenza dei fili conduttori può essere tralasciata.
Topic: Circuits, Electromagnetism Metodi: Kirchhoff’s Laws, Error Propagation, Physical Modeling Competenze: Measurement & Instrumentation, Error Propagation, Experimental Data Analysis Objects: Wire, Resistor Fonte: Testo (PDF) — p.4
Problem 2: Determine the cold filament resistance (total 10 points)
Determine as accurately as possible the resistance of the filament in lamp at room temperature. Sketch the circuit diagram used to measure the resistance. Then calculate the length of the filament . For this purpose, use a filament diameter of in all the following exercises. From your measurements, determine the resulting uncertainty for and finally also for .
Hint: Avoid measuring the filament resistance directly with the ohmmeter—this would yield no meaningful result! The resistance of the connecting wires may be neglected.
Esercizio 3: Caratterizzazione del rapporto corrente-tensione per il filamento (totale 12 punti)
Esegui delle misure con lo scopo di disegnare la curva caratteristica per il rapporto corrente-tensione per il filamento della lampadina. Scegli l’intervallo della tensione tra fino al fulminarsi della lampadina. Schizza lo schema del circuito per la misura della corrente e del voltaggio. Determina la temperatura massima che il filamento ha raggiunto, appena prima di fondersi.
Consiglio: Hai solo tre lampadine a disposizione! Le lampadine possono essere considerate identiche.
Topic: Circuits, Thermodynamics Metodi: Kirchhoff’s Laws, Experimental Data Analysis, Physical Modeling Competenze: Experimental Data Analysis, Graph Linearization, Measurement & Instrumentation Objects: Wire, Resistor Fonte: Testo (PDF) — p.4
Problem 3: Characterization of the current-voltage relationship for the filament (total 12 points)
Perform measurements aiming to draw the characteristic curve of the current-voltage relationship for the filament of the light bulb. Choose the voltage range from up to the point when the bulb burns out. Sketch the circuit diagram for measuring current and voltage. Determine the maximum temperature reached by the filament, just before it melts.
Hint: You have only three bulbs available! The bulbs can be considered identical.
Esercizio 4: Determinazione dell’emissività del filamento (totale 17 punti)
Assumiamo che tutta l’energia emessa dal filamento avviene sotto forma di radiazione. Inoltre, il filamento incandescente può essere considerato come un “corpo grigio”, nel senso che la sua emissività non dipende dalla lunghezza d’onda irradiata. Con queste premesse, si può applicare la legge di Stefan-Boltzmann (vedi capitolo 2) per derivare la potenza emessa :
Usa le misure precedenti per determinare l’emissività del filamento nella lampadina in funzione della temperatura e rappresenta il risultato in un grafico. Discuti in modo estensivo la relazione che è visibile dal grafico.
Topic: Thermodynamics Metodi: Experimental Data Analysis, Graph Linearization, Physical Modeling Competenze: Experimental Data Analysis, Graph Linearization, Physical Reasoning Objects: Wire Fonte: Testo (PDF) — p.5
Problem 4: Determination of the filament’s emissivity (total 17 points)
Assume that all energy emitted by the filament occurs in the form of radiation. Furthermore, the incandescent filament may be considered a “gray body,” meaning its emissivity does not depend on the emitted wavelength. Under these assumptions, the Stefan-Boltzmann law (see Chapter 2) can be applied to derive the emitted power :
Use the previous measurements to determine the emissivity of the filament in the lamp as a function of temperature, and represent the result graphically. Discuss extensively the relationship visible in the graph.