11282

Изучение законов теплового излучения

Лабораторная работа

Физика

Изучение законов теплового излучения Указания содержат краткое описание законов теплового излучения и описание пирометрического метода измерения температуры раскаленных тел. Методические указания предназначены для студентов инженерных специальностей всех форм

Русский

2013-04-05

280.5 KB

30 чел.

Изучение законов теплового излучения

Указания содержат краткое описание законов теплового излучения и описание пирометрического метода измерения температуры раскаленных тел.

Методические указания предназначены для студентов инженерных специальностей всех форм обучения, в программу учебного курса которых входит выполнение лабораторных работ по физике (раздел <<Оптика>>).

Печатается по решению методической комиссии факультета

<<Нанотехнологии и композиционные материалы>>

Рецензент доцент каф. физики, к.ф.-м.н. ЛЕМЕШКО Г.Ф.

©Издательский центр ДГТУ, 2011

Лабораторная работа №13

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Цель работы:     1) изучить законы теплового излучения;

2) проверить законы Кирхгофа и Вина.

Оборудование: измерительная установка,  оптический пирометр, набор светофильтров.

Теоретическая часть

Электромагнитное излучение, испускаемое веществом и возникающее за счет его внутренней энергии, называется тепловым (температурным) излучением. Тепловое излучение является равновесным. Тепловое излучение присуще всем телам при любой температуре, отличной от нуля.

Способность тел поглощать падающее на них излучение характеризуется спектральной поглощательной способностью (или коэффициентом поглощения), которая показывает, какая доля энергии, приносимая за единицу времени на единицу площади поверхности тела падающими на нее электромагнитными волнами с длиной волны от до +d, поглощается телом.

.   (1)

Значение  зависит от длины волны, температуры, химического состава тела и состояния его поверхности.

Тело, способное поглощать полностью при любой температуре все падающее на него излучение любой длины волны, называется абсолютно черным. Для абсолютно черного тела . Серым  телом называется тело, у которого спектральная поглощательная способность  и не зависит от длины волны света.

Тела, полностью отражающие падающее на них излучение, называются зеркальными. Для зеркальных тел =0.

Закон Кирхгофа: отношение спектральной плотности энергетической светимости к спектральной поглощательной способности не зависит от природы тела; оно является для всех тел универсальной функцией длины волны (частоты) и температуры:

 .   (2)

Закон Кирхгофа для серых тел в дифференциальной форме имеет вид:

,    (3)

где r0(λ,T) – cпектральная плотность энергетической светимости абсолютно черного тела; r(λ,T) – спектральная плотность энергетической светимости серого тела. Соотношение (3) справедливо для всех длин волн и температур, поэтому закон Кирхгофа можно представить в интегральной форме:

,   (4)

где R0(T) – энергетическая светимость абсолютно черного тела; R(T) –энергетическая светимость серого тела;  (T) – степень черноты тела, зависящая от материала тела, состояния его поверхности и температуры.

В данной лабораторной работе  спираль  исследуемой лампы можно считать серым телом. В равновесном состоянии вся  электрическая мощность, подводимая к спирали лампы, излучается.  Поэтому энергетическая светимость спирали лампы

,   (5)

где I – сила тока в лампе;  U – напряжение на зажимах лампы при определенной температуре; S – площадь поверхности спирали лампы. 

По закону Стефана-Больцмана:

,    (6)

где - постоянная Стефана – Больцмана, которая равна .

Подставляя (5) и (6) в (4), получим

    

.       (7)

Закон смещения Вина: длина волны , соответствующая максимуму спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела обратно пропорциональна его термодинамической температуре

,    (8)

где b – постоянная Вина; ее значение .

По закону смещения Вина максимум спектральной плотности энергетической светимости с повышением температуры спирали лампы должен смещаться в область коротких волн.

На рис. 1 показано, что отношение спектральной плотности энергетической светимости лампы, например, в синей и красной частях спектра, есть некоторая функция, возрастающая с повышением температуры:

или ,

                                                                         где  .

Для определения функции  используется установка, схема которой показана на рис. 2.

Световой поток от исследуемой лампы Л падает на фотоэлемент ФЭ через синий или красный светофильтры СФ. В цепи фотоэлемента возникают фототоки, величина которых пропорциональна Спектральной плотности энергетической светимости спирали лампы. Поэтому отношение этих фототоков даст значение функции :

,    (9)

где  и - фототоки, возбуждаемые в цепи фотоэлемента соответственно синим и красным светом, при некоторой температуре Т спирали лампы.

Описание измерительной установки

Рис. 2

В комплект установки входят (см. рис. 2):

1) исследуемая лампа Л, в цепь которой включены вольтметр V, амперметр А и реостат R;

2) фотоэлемент ФЭ, микроамперметр мкА, подключенные к высоковольтному выпрямителю В;

3) оптический пирометр и аккумулятор Б.

В электрическую схему пирометра входят: эталонная лампа ЭЛ, миллиамперметр мА, проградуированный в градусах Цельсия по излучению абсолютно черного тела; кольцевой реостат Rк, с помощью которого регулируют ток в лампе.

Электрическая цепь замыкается нажатием кнопки Кн, укрепленной в нижней части корпуса.

Миллиамперметр установлен на вертикальной стенке в верхней части корпуса, а кольцевой реостат – в крышке корпуса.

Оптическую схему пирометра составляют объектив Об, окуляр ОК, дымчатый фильтр ДФ, красный светофильтр КФ. Между объективом и окуляром установлена нить эталонной лампы ЭЛ, изогнутой в форме дуги.

Дымчатый фильтр вводится поворотом рукоятки, укрепленной в верхней части корпуса пирометра. Красный светофильтр укреплен в поворотной обойме окуляра.

Методика измерения температуры

Температуру раскаленной до свечения спирали исследуемой лампы определяют яркостным методом при помощи оптического пирометра. Этот метод основан на фотометрическом сравнении яркости спирали исследуемой и эталонной ламп.

Сравнение яркостей производится в монохроматическом свете с длиной волны  через красный светофильтр КФ.

Изображение спирали исследуемой лампы, даваемое объективом пирометра, совмещают с плоскостью нити эталонной лампы. Тогда в поле зрения окуляра будет видна нить эталонной лампы на фоне спирали исследуемой лампы. Яркость нити эталонной лампы зависит от величины тока в ней. При измерении температуры ток в нити эталонной лампы регулируют до тех пор, пока она не исчезнет на фоне раскаленной спирали исследуемой лампы (рис. 3в).  В этот момент яркостная температура нити равна яркостной температуре спирали, действительная  температура  реального физического тела будет выше яркостной температуры, показываемой оптическим пирометром.

Под яркостной температурой реального тела понимают такую температуру  абсолютно черного тела, при которой его испускательная способность  для монохроматического света, например,  (рис. 1), равна испускательной способности  реального тела:

,

где  T – действительная (термодинамическая)  температура тела.

Для определения действительной температуры нити в показания оптического пирометра необходимо вносить поправку, которая определяется с помощью графика поправок , приведенного на рабочем столе.

По формуле:

   (10)

находят действительную температуру ; - яркостная температура; - поправка температуры.

По абсолютной шкале температур действительная температура равна:

.    (11)

Во избежание перегрева нити, ее температура не должна превышать 1400°С, поэтому при измерениях в диапазоне более высоких температур перед лампой устанавливается дымчатый фильтр ДФ, уменьшающий видимую яркость излучения объекта, а отсчет яркостной температуры производится по верхней шкале пирометра.

Порядок выполнения работы.

Задание 1. Определение степени черноты реального тела.

  1.  Включить установку в сеть.
  2.  Определить цены делений амперметра и вольтметра.
  3.  Подготовить оптический пирометр к измерениям. Для этого необходимо:

а)  вывести из поля зрения окуляра красный светофильтр КФ и дымчатый фильтр ДФ;

б) включить цепь питания эталонной лампы и, поворачивая кольцо реостата Rк по часовой стрелке (из крайнего левого положения), довести накал нити до температуры  10000С;

в) перемещением тубуса окуляра ОК добиться четкого изображения нити эталонной лампы;

г) направить объектив пирометра на исследуемую лампу и, перемещая тубус объектива, добиться четкого изображения ее спирали. При этом пирометр необходимо расположить так, чтобы изображение спирали исследуемой лампы полностью перекрывало вершину нити эталонной лампы;

д) ввести в поле зрения окуляра красный светофильтр.   

  1.  По заданию преподавателя установить первое значение тока в цепи исследуемой лампы. Записать показания амперметра и вольтметра в таблицу 1.
  2.  Плавно вращая кольцо реостата пирометра, изменять яркость дуги до тех пор, пока ее вершина не исчезнет на фоне спирали эталонной лампы (см. рис. 3 ). Записать показания пирометра.
  3.  Пользуясь графиком поправок температур, записать поправку, соответствующую измеренной яркостной температуре.
  4.  По формуле (10) вычислить действительную температуру спирали лампы, по формуле (11)  абсолютную температуру.
  5.  Степень черноты спирали лампы вычислить по формуле (7).
  6.  Измерения и вычисления, изложенные в п. 4-9,  произвести для 6 -10  значений тока в цепи исследуемой лампы.
  7.  Построить график зависимости  .
  8.  По данным одного измерения рассчитать относительную погрешность, допущенную при определении коэффициента ,по формуле:

Задание 2. Проверка закона смещения Вина.

  1.  Включить высоковольтный выпрямитель.
  2.  Между исследуемой лампой и фотоэлементом установить красный (синий) светофильтр (рис.2).
  3.  Установить первое значение яркостной температуры.
  4.  Измерить величину фототока, возбуждаемого в цепи фотоэлемента красным (синим) светом.
  5.  По формуле (9) вычислить значение функции φ(T).
  6.  Пункты 3-5 повторить для других выбранных в первом задании температур: сначала для красного, а затем для синего светофильтров.
  7.  Результаты измерений и вычислений представить в виде таблицы 1.
  8.  Построить график функции φ (T), откладывая по оси «X» абсолютную температуру T, а по оси «Y» значение функции φ(T).

Таблица 1

п.п

I

U

tя

t

tд

Tд

S

tя

 Jс

JК

φ (T)

А

В

0С

0С

0С

К

м2

К

мкА

мкА

1

2

3

Контрольные вопросы

  1.  Что называется тепловым излучением?
  2.  Чем тепловое излучение отличается от других видов излучения?
  3.  Назовите величины, характеризующие тепловое излучение, укажите связь между ними. Дайте определение каждой величины.
  4.  Сформулируйте законы теплового излучения.
  5.  Что такое абсолютно черное тело? Серое тело?  
  6.  Что понимают под степенью черноты тела , от каких факторов  зависит?
  7.  Объясните принцип работы оптического пирометра. Какую температуру тела называют яркостной?
  8.  Как по яркостной температуре определить действительную температуру тела?
  9.  Получите формулу, по которой рассчитывается степень черноты тела.

Рекомендуемая литература

  1.  Трофимова Т. И. Курс физики.- М.: Высш. шк., 2004
  2.  Федосеев В. Б. Физика,- Ростов н/Д: Феникс, 2009
  3.  Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике.-М.:Наука, 2006

Техника безопасности

  1.  К работе с установкой допускаются лица, ознакомленные с ее устройством и принципом действия.
  2.  Для предотвращения опрокидывания установки необходимо располагать ее только на горизонтальной поверхности.

Составители: В.С. Ковалева, А. П. Кудря,  Н. Н. Фролова

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Методические указания к лабораторной работе №13 по физике

(Раздел <<Оптика>>)

Редактор А. А. Литвинова

     В печать

      Объем   Офсет. Формат

      Бумага тип №   Заказ №        Тираж     Цена

_______________________________________________________________

     Издательский центр ДГТУ

     Адрес университета и полиграфического предприятия:

     344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

69763. Таймери і системний час 27.5 KB
  Таймери керують пристроями які передають у систему інформацію про час. Вони відстежують поточний час доби здійснюють облік витрат процесорного часу повідомляють процеси про події що відбуваються через певний проміжок часу тощо.
69764. Термінальне введення-виведення в UNIX та Linux 40.5 KB
  Консоль Linux емулює спеціальний вид термінала, який називають Linux. Він надає доволі широкі можливості щодо керування відображенням інформації (підтримку кольору, керуючих клавіш, перевизначення символьної таблиці «на ходу»).
69765. Графічний інтерфейс користувача 61.5 KB
  Спільним у них є набір основних елементів реалізації куди входять вікна з елементами керування кнопками смугами прокручування тощо меню і піктограми а також використання пристрою для переміщення курсору по екрану та вибору окремих елементів наприклад миші.
69766. Реалізація стека протоколів Інтернету 66 KB
  Канальний рівень (data link layer) відповідає за передавання кадру даних між будь-якими вузлами в мережах із типовою апаратною підтримкою (Ethernet, FDDI тощо) або між двома сусідніми вузлами у будь-яких мережах (SLIP, PPP).
69767. Завантаження операційної системи Linux 57.5 KB
  Під час завантаження Linux використовують двоетапний завантажувач. Є кілька програмних продуктів, що реалізують такі завантажувачі, найвідоміший із них l i l o (від Іішіх loader). Він може бути встановлений як у MBR (замінивши там код, що завантажує перший сектор активного розділу)...
69768. Завантаження Windows XP 40 KB
  Завантаження Windows XP починають стандартним способом — із передавання керування коду завантажувального сектора активного розділу диска. Головне його завдання — визначити місцезнаходження файла ntldr у кореневому каталозі цього розділу, завантажити його...
69769. Продуктивність багатопроцесорних систем 29 KB
  Під масштабуванням навантаження (workload scalability) у SMP-системах розуміють вплив додавання нових процесорів на продуктивність системи. У реальних умовах воно залежить від багатьох факторів.
69770. Планування у багатопроцесорних системах 34.5 KB
  Головною особливістю планування у багатопроцесорних системах є його двовимірність. У цьому розділі розглянемо деякі підходи до організації планування які враховують ці фактори а у наступному важливе поняття спорідненості процесора що впливає на організацію планування у багатопроцесорних системах.
69771. Особливості архітектури: Windows XP 97 KB
  Менеджер об’єктів відповідає за розподіл ресурсів у системі підтримуючи їхнє універсальне подання через об’єкти. Концепція об’єктів забезпечує важливі переваги. Імена об’єктів організовані в єдиний простір імен де їх легко знаходити. Доступ до всіх об’єктів здійснюється однаково.