12127

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ СТЕФАНА - БОЛЬЦМАНА С ПОМОЩЬЮ ПИРОМЕТРА С ИСЧЕЗАЮЩЕЙ НИТЬЮ

Лабораторная работа

Физика

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ Лабораторная работа № 12 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ СТЕФАНА БОЛЬЦМАНА С ПОМОЩЬЮ ПИРОМЕТРА С ИСЧЕЗАЮЩЕЙ НИТЬЮ Цель работы: ознакомление с оптическими методами измерения температуры изучение температурной зависимости энергетической свети

Русский

2013-04-24

77 KB

22 чел.

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Лабораторная работа № 12

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ СТЕФАНА – БОЛЬЦМАНА

С ПОМОЩЬЮ ПИРОМЕТРА С ИСЧЕЗАЮЩЕЙ НИТЬЮ

Цель работы: ознакомление с оптическими методами измерения температуры, изучение температурной зависимости энергетической светимости вольфрама и определение постоянной Стефана – Больцмана.

Оборудование: оптический пирометр, амперметр, вольтметр, реостат, электрическая лампа.

Краткие теоретические сведения

Одним из видов излучения энергии является тепловое. Тела, нагретые до высокой температуры, приобретают способность светиться, излучая при этом энергию в виде электромагнитных волн. Электромагнитное излучение, испускаемое телами, находящимися в состоянии термодинамического равновесия, называется тепловым или температурным. Всякое излучение сопровождается потерей энергии и происходит либо за счет внутренней энергии тела, либо за счет энергии, получаемой извне.

Кроме большого практического значения, явление теплового излучения интересно тем, что при его излучении впервые обнаружились слабые места классической физики, и потребовалось введение гипотезы квантов, положившей начало квантовой теории света.

Одним из основных законов теплового излучения является закон Стефана – Больцмана. Согласно этому закону, энергия, излучаемая за единицу времени с единицы площади поверхности абсолютно черного тела во всем интервале частот от 0 до , пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры тела:

, (1)

где – постоянная Стефана – Больцмана. Величина R называется интегральной испускательной способностью или энергетической светимостью тела.

Энергетическая светимость реальных тел меньше энергетической светимости абсолютно черного тела. Это следует из закона Кирхгофа и того факта, что поглощательная способность реальных тел меньше единицы. Для реального «серого» тела закон Стефана – Больцмана можно записать в виде

 (2)

Величины В и Т оказываются различными для разных температурных интервалов. При этом ВТn всегда меньше T4, а коэффициент B связан с постоянной Стефана – Больцмана соотношением:

, (3)

где значение a зависит от природы тела, состояния его поверхности и температуры. В табл. 1 приведен ряд значений a при  разных температурах для вольфрама.

Таблица 1

Зависимость поглощательной способности а

от температуры Т для вольфрама [2]

Т, К

а

Т, К

а

1

2

1

2

1500

1800

2000

0,192

0,236

0,259

2200

2500

2700

3500

0,278

0,301

0,315

0,340

Целью данной работы является определение n и в законе Стефана – Больцмана для нечерного тела. Это можно сделать путем исследования излучения вольфрамовой нити лампы накаливания, которую нагревают, пропуская через нее электрический ток.

Тепловая энергия, подводимая электрическим током к единице излучающей поверхности проводника в единицу времени, равна мощности Р:

, (4)

где I – ток; U – напряжение и S – площадь излучающей поверхности. При высокой температуре мощность, подводимая к спирали лампы, почти полностью расходуется на энергетическую светимость тела:

 (5)

Подставляя выражение (2) в (5), имеем

 (6)

Логарифмируя это выражение, получим

  (7)

Построив графически найденную на опыте зависимость lgP от lgT, можно найти n как тангенс угла наклона полученного графика к оси логарифма температур.

Подставляя (3) в (6), получим

 (8)

откуда следует выражение для определения постоянной Стефана–Больцмана:

 (9)

Описание установки

Объектом исследования в данной работе является спираль лампы накаливания «Лиссл», включенной в электрическую цепь (рис. 1).

Рис. 1

Реостат RP1 служит для изменения тока накала лампы ЕL1 –  «Лиссл». В цепь включены: амперметр РА1, вольтметр РV1, с помощью которых можно определять подводимую к лампе мощность. Температуру спирали определяют с помощью пирометра с исчезающей нитью, устройство которого показано на рис. 2.

Рис. 2

В фокусе объектива О2 помещается эталонная лампа «Лэт» с изогнутой петлеобразной нитью накала. При помощи окуляра О1 наблюдают за совмещенными изображениями нитей эталонной и исследуемой ламп. Сравнение яркостей этих нитей производится в узко ограниченной области спектра, для чего вводят красный светофильтр Ф1, пропускающий излучение с длиной волны = 0,65 мк (красный свет).

Красный светофильтр вводится вращением диска, расположенного около окуляра О1.

Пирометр имеет две шкалы: верхнюю – для измерения температур от 800 до 1400C и нижнюю – для более высоких температур – от 1200 до 2000C. При работе с нижней шкалой обязательно вводится дымчатый светофильтр Ф2. Светофильтр считается введенным, когда совпадает белая точка на головке и цифровой индекс 20, которые находятся около объектива на корпусе прибора. При работе с верхней температурной шкалой дымчатый светофильтр Ф2 не используется.

Реостатом RP1 изменяют накал нити эталонной лампы «Лэт» до тех пор, пока она не исчезнет на фоне светящегося изображения исследуемой нити накала. Для этого вращают диск, расположенный перед температурной шкалой пирометра.

Таким образом, добиваются одинаковой яркости нитей обеих ламп Лиссл и Лэт в месте их пересечения и по шкале пирометра определяют яркостную температуру.

Яркостной температурой называется температура абсолютно черного тела, при которой его лучеиспускательная способность для определенной длины волны равна лучеиспускательной способности исследуемого тела.

Согласно законам теплового излучения истинная температура нечерного тела всегда больше его яркостной и определяется по формуле

 (10)

Поправка на черноту t определяется по специальному графику, представленному на установке.

Порядок выполнения работы

1. Включить лампу накаливания, используемую в качестве измеряемого источника излучения.

2. Ввести красный светофильтр в пирометре.

3. Навести пирометр на нить лампы и, вращая диск реостата на пирометре, добиться одинаковой яркости нитей накала лампы пирометра и исследуемой лампы.

4. Снять показания пирометра, амперметра и вольтметра и занести в табл. 2. Деления шкалы амперметра переводить в амперы согласно графику, имеющемуся на установке.

5. Провести 6–9 измерений, последовательно изменяя напряжение на лампе на 0,6–0,7 В.

6. С помощью формулы (10) и графика поправок, данного на стенде, найти значения температуры исследуемой нити.

7. По формуле (4) вычислить мощность, подводимую к единице поверхности для каждого случая. Величина площади излучающей поверхности указана на установке. Все данные записать в табл. 2.

Таблица 2

I, дел

I, A

U, B

Tярк

t

Tист

lg Tист

P,

lg P

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1

2

3

9

1. Построить график зависимости lg P-ось ординат от lgT-ось абсцисс и найти n согласно (7), как тангенс угла наклона к оси lgT.

2. Рассчитать по формуле (8) постоянную Стефана – Больцмана. Значения а (см. табл. 1) и P (по графику) брать при одной и той же температуре.

3. Записать окончательный результат в виде R=aТn, надо записать сюда найденные значения n и .

Контрольные вопросы

1. Каков физический смысл энергетической светимости и спектральной плотности энергетической светимости? Какова связь между ними?

2. Какое излучение называется тепловым?

3. Что такое абсолютно черное тело?

4. Сформулируйте законы излучения абсолютно черного тела.

5. Докажите, что истинная температура нагретого тела больше яркостной.

6. Расскажите об «ультрафиолетовой катастрофе» и ее роли в становлении квантовой теории излучения.

7. Каково устройство и принцип действия пирометра? Где он применяется?

Библиографический список
к лабораторной работе № 12

1. Стафеев, С. К. Основы оптики: учеб. пособие / Стафееев С. К., Боярский К. К., Башнина Г. Л. – СПб.: Питер, 2006 – гл. 16

2. Савельев, И. В. Курс общей физики: учеб. пособие / И. В. Савельев. – СПб.: Лань, 2005. – Т. 3. – § 4.

3. Трофимова, Т. И. Курс физики / Т.И. Трофимова – М.: Высшая школа,2003 – гл. 26


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

27146. Классификация данных: структурированные, неструктурированные, детализированные, агрегированные, метаданные 30.27 KB
  Метаданные должны содержать описание структуры хранилища и структуры данных в том числе импортируемых их внешних источников. В хранилищах данных метаданные нужны для извлечения преобразования и загрузки данных из разных источников а также для последующего использования и интерпретации хранимых данных. Технически метаданные содержат данные для обеспечения работы самого хранилища статистика загрузки описание модели данных Классификация данных в зависимости от способа управления и хранения: Структурированные 20 Неструктурированные 80.
27147. Комбинация многомерного и реляционного подхода: киоски (витрины) данных 39.38 KB
  Преимущества реляционных ХД: неограниченный объем хранения данных т. РСУБД лежат в основе большинства OLTP систем а те в свою очередь являются основным источником данных для хранилищ то упрощена загрузка данных в ХД OLTP Online Transaction Processing транзакционная система обработка транзакций в реальном времени. OLTPсистемы предназначены для ввода структурированного хранения и обработки информации операций документов в режиме реального времени при добавлении новых изменений не нужно выполнять сложную физическую реорганизацию...
27148. Многомерные хранилища данных 69.22 KB
  Сущность многомерного представления данных состоит в следующем. Например для описания процесса продаж могут понадобиться сведения о наименованиях товаров или их групп о поставщике и покупателе о городе где производились продажи а также о ценах количествах проданных товаров и общих суммах. Представление данных в виде многомерных кубов более наглядно чем совокупность нормализованных таблиц реляционной модели структуру которой представляет только администратор БД.
27149. Реляционные ХД 11.22 KB
  Данные хранятся в реляционных таблицах но образуют специальные структуры эмулирующие многомерное представление данных. Многомерные ХД реализуют многомерное представление данных на физическом уровне в виде многомерных кубов. Гибридные ХД сочетают в себе свойства как реляционной так и многомерной модели данных. Виртуальные ХД не являются хранилищами данных в привычном понимании.
27150. ВВЕДЕНИЕ В OLAP 336.95 KB
  И если количество аналитиков в десятки раз меньше числа кассиров то объемы данных необходимых для анализа превышают размер средней транзакции на несколько порядков величины. Технология OLAP Online Analytical Processing представляет собой методику оперативного извлечения нужной информации из больших массивов данных и формирования соответствующих отчетов. Однако вскоре выяснилось что OLAPсистемы очень плохо справляются с ролью посредника между различными транзакционными системами источниками данных и клиентскими приложениями.
27151. Информационные системы 10.52 KB
  ETL получает несогласованные данные которые надо преобразовать к единому формату. ETL загружает данные в центральное хранилище. SRD должно доставить данные в различные витрины в соответствии с правами доступа графиком доставки и требованиями к составу информации.
27152. Принципы построения систем, ориентированных на анализ данных 52.16 KB
  Принципы построения систем ориентированных на анализ данных Модели данных используемые при построении Хранилищ Данных В настоящее время наибольшее распространение получили три вида моделей хранилищ данных: многомерная реляционная и комбинированная. Измерения играют роль индексов используемых для идентификации конкретных значений данных. Вращение изменение порядка измерений; обычно для двухмерных сечений остальные фиксированные для приведения данных к форме удобной для восприятия; Свертка замена одного из значений измерения другим ...
27153. Формат BluRay 2.09 MB
  Приведены основные технические характеристики BDдиска. Это и гибридный лазер способный генерировать излучение трех длин волн: 780 нм 650 нм и 405 нм объектив с изменяемой числовой апертурой SONY голографический оптический элемент LG дифракционный оптический элемент Matsushita высокопрочное защитное покрытие поверхности диска DURABIS2 TDK регистрирующие материалы для записываемых дисков органический Fuji и неорганический TDK новейшие технологии мастеринга новых дисков с использованием термохимической реакции в материале...
27154. Магнитофоны форматов ADAT и DTRS 520 KB
  ADAT Магнитофоны формата ADAT разработаны фирмой Alesis что и отражено в аббревиатуре его названия ADAT Alesis Digital Audio Tape. Для своих магнитофонов фирма Alesis разработала специальный оптический интерфейс ADI Alesis Digital Interface с помощью которого можно по одному оптоволоконному кабелю передавать восемь звуковых каналов с разрешением до 24 разрядов. показан образец магнитофона формата ADAT Alesis M20. 2 представлена модель Alesis XT20 которая обладает теми же функциональными возможностями что и М20 но кроме того...