12128

ДИСТАНЦИОННОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ОПТИЧЕСКИМ ПИРОМЕТРОМ

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа № 13 ДИСТАНЦИОННОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ОПТИЧЕСКИМ ПИРОМЕТРОМ Цель работы: измерение температуры нити накала лампы оптическим пирометром с исчезающей нитью. Оборудование: оптический пирометр ЛАТР амперметр вольтметр лампа накаливани...

Русский

2013-04-24

88 KB

21 чел.

Лабораторная работа № 13

ДИСТАНЦИОННОЕ ИЗМЕРЕНИЕ

ТЕМПЕРАТУРЫ ОПТИЧЕСКИМ ПИРОМЕТРОМ

Цель работы: измерение температуры нити накала лампы оптическим пирометром с исчезающей нитью.

Оборудование: оптический пирометр, ЛАТР, амперметр, вольтметр, лампа накаливания.

Краткие теоретические сведения  

Все тела излучают энергию в виде электромагнитных волн различной длины. Существуют различные виды излучения. Излучение, являющееся следствием теплового хаотического движения атомов и молекул тела, называется тепловым. Опыт показывает, что единственным видом излучения, которое может находиться в равновесии с излучающими телами, является тепловое. Все остальные виды излучения (хемилюминесценция, фотолюминесценция и др.) оказываются неравновесными.

Тепловое излучение тел характеризуется интегральной и спектральной испускательными способностями (RТ и r,Т соответственно). Интегральная испускательная способность RТ – это мощность, излучаемая единицей площади поверхности тела по всем направлениям во всем интервале частот от 0 до . Она является функцией температуры тела. Спектральная испускательная способность r,Т определяется как мощность, испускаемая единицей площади поверхности тела по всем направлениям в единичном интервале частот:

. (1)

Величины RТ и r,Т связаны между собой соотношением

. (2)

Кроме того, любое тело характеризуется поглощательной способностью а,Т , показывающей, какая доля энергии, электромагнитных волн с частотами от ν до +d, падающих на поверхность тела, поглощается им.

Связь между испускательной и поглощательной способностями всех тел отражена в законе Кирхгофа:

, (3)

согласно которому отношение испускательной способности тела к его поглощательной способности не зависит от свойств излучающего тела и является универсальной функцией частоты и температуры , называемой функцией Кирхгофа. Это есть ни что иное, как испускательная способность абсолютно черного тела (далее АЧТ), поглощательная способность которого равна единице.

При известной испускательной способности АЧТ, используя закон Кирхгофа, можно вычислить распределение энергии в спектре излучения любого тела по известной его поглощательной способности.

Известно, что фотоны подчиняются статистике Бозе–Эйнштейна. Согласно этой статистике, в квантовой системе, характеризующейся температурой Т, среднее число фотонов, имеющих энергию , равно

, (4)

где – постоянная Больцмана,  = 1,38*10-23 Дж/К.

Плотность состояний фотонов D(), (т. е. число фотонов в единице объема с частотами от до + в единичном интервале частот) равно

, (5)

где C – скорость света в вакууме.

Если умножить энергию одного фотона на число состояний D() и на среднее число фотонов <N()> в каждом состоянии, то получим спектральную, объемную плотность энергии теплового равновесного излучения U(,Т):

 (6)

Спектральная испускательная способность АЧТ и спектральная плотность равновесного теплового излучения связаны между собой:

. (7)

Используя гипотезу Планка о квантовом характере излучения и формулу Планка

, (8)

где h – постоянная Планка, h = 6,6310-34 Джс, из (6), (7) и (8) получим формулу Планка для распределения энергии в спектре абсолютно черного тела:

, (9)

которая блестяще подтвердилась на практике и явилась предвестницей появления и развития квантовой физики.

Описание установки

В данной работе определяется температура накала нити лампы Л на рис. 1. Автотрансформатор ЛАТР служит для изменения подводимого к лампе Л напряжения. Амперметр А и вольтметр V позволяют определить подводимую к лампе Л мощность.

Температура нити накала лампы Л определяется с помощью пирометра с исчезающей нитью, схематически показанного на рис. 1.

Объектив O1 и окуляр O2 формируют изображение нити накала лампы Л и наложенное на него изображение петлеобразной нити эталонной лампы пирометра ЛП.

Рис. 1

Для работы в ограниченной области спектра (0,65 мкм) используется красный светофильтр Ф2, который вводится выступающим на окуляре O2 диском. Пирометр имеет две шкалы: верхнюю для измерения температур от 800 до 1400 C и нижнюю от 1200 до 2000 C. При работе с нижней шкалой высоких температур вводится дымчатый светофильтр Ф1 поворотом головки фильтра по часовой стрелке до совмещения белой точки на головке с индексом «20» на корпусе пирометра. Головка фильтра Ф1 расположена между объективом О1 и шкалой пирометра. При работе с верхней шкалой более низких температур, фильтр Ф1 не используется.

Резкость изображения нити Лп регулируется выдвижением окуляра О2, а нити накала Л – перемещением объектива О1.

Ниже шкалы пирометра расположен реостат R, с помощью которого меняется накал лампы пирометра (ЛП) поворотами диска по часовой или против часовой стрелки. Отсчет температуры производится одинаковой яркости обеих ламп, когда петлеобразная нить пирометра как бы «исчезает» на фоне светящегося изображения нити исследуемой лампы.

При этом определяется яркостная температура–температура АЧТ, при которой его испускательная способность для определенной длины волны равна испускательной способности исследуемого тела. Поглощательная способность нечерного тела меньше единицы, поэтому из закона Кирхгофа (3) следует, что истинная температура нечерного тела всегда больше его яркостной и равна

, (10)

где t – измеренная яркостная температура, t – положительная поправка на нечерноту. Она определяется по графику (на лабораторном столе), на котором по оси абсцисс отложена температура, определенная с помощью пирометра, а по оси ординат – поправка t.

В случае термодинамического равновесия мощность, подводимая к нити накала лампы, пропорциональна интегральной испускательной способности вольфрама R. Таким образом, исследуя зависимость температуры нити накала лампы от подводимой к ней мощности, можно качественно проверить справедливость закона Стефана – Больцмана:.

Порядок выполнения работы

1. Перед началом измерений вывести реостат пирометра вращением его кольца против часовой стрелки до упора.

2. Включить блок питания исследуемой лампы Л и пирометра; ввести красный светофильтр Ф2 на окуляре О2.

3. С помощью объектива О1 и окуляра О2 добиться резкого изображения и нитей исследуемой лампы и лампы пирометра. При этом изображения нитей обеих ламп должно быть совмещено.

4. Вращая кольцо реостата, добиться одинаковой яркости нитей обеих ламп.

5. Произвести отсчет яркостной температуры по шкале пирометра (при выведенном дымчатом фильтре Ф1–по верхней, при введенном – по нижней). Тренировка закончена.

6. Установить наименьшее значение напряжение питания исследуемой лампы. Вывести дымчатый фильтр Ф1. Выполнить пункты 4 и 5. Значения напряжения, силы тока и температуры занести в таблицу, переводя при этом деления шкалы амперметра в амперы с помощью графика, расположенного на лабораторном столе.

Таблица 1

№ п/п

Повышение

напряжения

Уменьшение напряжения

t,C

T, K

P, BT

U, B

I, A

tп,C

U, B

I, A

ty,C

1

2

3

7

1. Произвести 6–7 измерений температуры, последовательно увеличивая напряжение питания исследуемой лампы, в каждом случае записывая значения напряжения, силы тока и температуры в таблицу. Фильтр Ф1 вводится при высоких температурах для исключения «слепящего» действия ламп.

2. После достижения верхнего значения напряжения питания, произвести измерения температуры в обратном порядке для тех же значений напряжения, но при последовательном уменьшении его.

3. Подсчитать для каждого значения напряжения мощность P, приняв ее равной электрической мощности P = IU, а также среднюю температуру <t>=(tп + ty)/2, где tп – температура при повышении напряжения, ty – при уменьшении напряжения.

4. Для каждого значения напряжения питания посчитать абсолютную температуру T по формуле (10), взяв в качестве t среднюю <t>, а значение t из графика, приведенного на установке.

5. Построить график зависимости мощности излучения лампы P (ось Y) от ее абсолютной температуры Т (ось X).

Контрольные вопросы

1. Какое излучение является тепловым? Как отличить тепловое излучение от других видов излучения?

2. С помощью каких величин можно охарактеризовать тепловое излучение тел?

3. Сформулируйте закон Кирхгофа и другие законы излучения АЧТ.

4. Получите формулу Релея–Джинса, формулу Вина и закон Стефана–Больцмана из формулы Планка (9).

5. Почему для работы на пирометре нужен светофильтр?

6. Как объясняются цвета тел? Каковы особенности излучения цветных тел по сравнению с АЧТ?

7. Какому закону соответствует зависимость мощности излучения лампы от ее температуры?

8. Объясните устройство и принцип действия пирометра. Где он применяется?

Библиографический список

к лабораторной работе № 13

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. – Гл. 1.

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


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

23517. ЦЕРКОВНОСЛАВЯНСКИЙ ЯЗЫК: КАРТИНА МИРА 74.5 KB
  Устои же эти хранятся передаются и развиваются на высшем духовном уровне народного языка на том уровне где народ осмысляет бесконечность мироздания сущность человеческой природы разумность и сверхразумную премудрость мироустройства. Для русского языка таким высшим духовным уровнем является священный старославянский или если рассматривать его в постепенном историческом развитии церковнославянский язык. В пору создания этого языка славяне были еще единым народом. Чтобы вполне использовать созидательную силу этих понятий нужно всемерно...
23518. Связь курса ИРЛЯ с другими филологическими дисциплинами 539.5 KB
  Причины и предпосылки возникновения РЛЯ Предпосылки Фольклор Письменность Принятие христианства Причины появления ЛЯ Проблема происхождения РЛЯ проблема основы Традиционная точка зрения его происхождения на старославянской языковой основе. Роль старославянского языка в развитии РЛЯ вообще от начала до сер. Стиль древнерусской публицистики Поучение Владимира Мономаха О структуре языка поучения Язык художественных текстов Слово о полку Игореве Славянизмы и их назначение в тексте памятника Выразительные средства Церковнославянский язык...
23519. ПРАСЛАВЯНСКАЯ ПИСЬМЕННОСТЬ 1.77 MB
  Я их расшифровал каждый значок озвучил и у меня получился набор слоговых знаков т. При сопоставлении знаков типа черт и резов с кириллицей и глаголицей болгарской и хорватской обнаружены 23 знака совпадающие по форме. Итак Кирилл заимствовал знаки своего алфавита из более древнего славянского письма О том же свидетельствует и послание папы Иоанна VIII. Большой ареал правда это трипольские земли трипольский уровень И там я впервые встретил знаки которые абсолютно идентичны чертам и резам Расцвет трипольской культуры приходится...
23520. Applying Experimental Archaeology to Ethnomusicology: Recreating an Ancient Maya Friction Drum through Various Lines of Evidence 165 KB
  The caption for Figure 11 reads simply Dance with drums string instrument and conch trumpet Schele Mathews 1998:Figure 11. Instead this object is most likely a friction drum Rene Lysloff personal communication an object also not known to have existed in PreContact America. The idea of the friction drum has been discussed in the archaeological literature before.
23521. The Transformation of Xbalanqué or The Many Faces of God A 1.91 MB
  There are images from Izapa Figure 1 and on EarlyClassic vessels Figure 2 which for example confirm the story of the killing of Vucub Caquix the major bird deity. Figure 3 The headband is probably the most important iconographic tool that we can use in identifying the Hero Twins. Even these strange characters Figure 4 largely ignored are headbanded Hero Twins. These depictions of the Hero Twins do not fit the standard form of the twins yet the figure on K1207 Fig.
23522. History of the Mexicans as Told by Their Paintings 266 KB
  This edition is the only available complete English translation published one year after Joaquín García Icazbalceta first published the Spanish text in the Anales del Museo Nacional de México. Of the Mexican Year. Vchilobi 7 the younger brother and god of the Mexicans was born without flesh naciò sin carne but only bones in which condition he lived six hundred years during which period of time the gods did nothing whatever the father as well as the sons and in their representation there is no account taken of these six hundred...
23523. ПРОСТРАНСТВЕННО-ХРОНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИНДОЕВРОПЕЙСКОЙ ПРОБЛЕМЫ И КАРТА ПРЕДПОЛАГАЕМЫХ ПРАРОДИН ШЕСТИ НОСТРАТИЧЕСКИХ ЯЗЫКОВ 147.5 KB
  Очевидно что на карте помещены прародины праязыков потомков ностратических языков и что эта картина на несколько тысячелетий отстоит от эпохи ностратического единства датируемого А. Долгопольским VIII тыс. Хелимского: Этот период отделен от нас не одним десятком тысячелетий его ареалом был Южный Прикаспий [3 с. Терентьева считающих что по данным глоттохронологии возраст ностратической макросистемы определяется около 15 тыс.
23524. Водский язык в 19 – 20 веках 294.5 KB
  А теперь как здороваться и прощаться: Terve Tere päivä Тэрве Тэрэпяйвя Здравствуйте Добрый день Tere oomnikkoa Тэрэ оомниккоа Доброе утро Tere õhtagoa Тэрэ ыхтагоа Добрый вечер Jäämm yvässi Яямм ювясси До свидания Познакомимся теперь с так называемыми кумулятивными рунами: Kuza piippu Ađđaa nalla. Возьмем глаголы из прошлого урока и образуем от них будущее время: valaa наливать valavad наливают nõizõn valamaa буду наливать juvva пить joovad пьют nõizõn joomaa буду пить syvvä есть ...
23525. Повседневный арабский язык 1.95 MB
  Что касается ритма занятий то было бы оптимально если бы Вы прослушивали каждый день по новому разговору. Предисловие для преподающих арабский язык Дорогие коллеги Данный материал может быть использован для занятий как в группе так и индивидуально. Это господин Али альХаляби. Меня зовут Али альХаляби.