36707

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Лабораторная работа

Физика

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Электромагнитное излучение возникающее за счёт внутренней энергии теплового движения атомов и молекул излучающего тела и зависящее только от температуры и оптических свойств этого тела называется тепловым излучением. Тепловое излучение имеет сплошной спектр то есть в нём присутствуют все длины волн  от 0 до  причём распределение энергии по длинам волн зависит от температуры тела.Энергетическая светимость интегральная лучеиспускательная способность тела RТ. Это поток мощность электромагнитной энергии...

Русский

2013-09-23

179.5 KB

7 чел.

PAGE  8

ФГОУ ВПО «КАЛИНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

КАФЕДРА ФИЗИКИ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 203

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Методическое указание к выполнению лабораторной работы по курсу общей физики для студентов инженерно-технических специальностей

Калининград

2008

Цель работы: Определение интегральной поглощательной способности вольфрамовой нити.

Оборудование:

1. Оптический пирометр.

2. Вольтметр.

3. Амперметр.

4. Блок питания оптического пирометра и лампы.

5. Исследуемая лампа в кожухе.

6. Автотрансформатор.

         1.   ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Электромагнитное излучение, возникающее за счёт внутренней  энергии (теплового движения атомов и молекул) излучающего тела и зависящее только от температуры и оптических свойств этого тела, называется тепловым излучением.

Тепловое излучение имеет сплошной спектр, то есть в нём присутствуют все длины волн () от 0 до ,  причём распределение энергии по длинам волн зависит от температуры тела.

         Если энергия, расходуемая телом на тепловое излучение, не восполняется за счёт других источников энергии, то его температура  постепенно понижается, а излучение  уменьшается.

Тепловое излучение – единственное излучение, способное находиться  в термодинамическом равновесии с веществом. Такое излучение называется равновесным. При динамическом равновесии энергия, расходуемая каждым из тел системы на тепловое излучение, компенсируется за счёт поглощения этим телом такого же количества энергии падающего на него излучения.

          Основными характеристиками теплового излучения являются:

1.1.Энергетическая светимость (интегральная лучеиспускательная способность) тела RТ. Это поток (мощность)  электромагнитной энергии, испускаемый единицей поверхности излучающего тела при температуре Т по всем направлениям во всём диапазоне длин волн .

          1.2.Испускательная способность (иначе: излучательная способность, спектральная лучеиспускательная способность тела):

 ,

где dRT - поток (мощность) энергии с единицы поверхности тела при температуре Т в интервале длин волн d .

Энергетическая светимость связана с испускательной способностью формулой:  

(1)

1.3. Поглощательная способность  тела d,T по определению равна отношению поглощённого потока энергии dФ' к падающему на тело потоку dФ  в одинаковых интервалах длин волн  d:

(2)

Это безразмерная величина,  которая не может быть больше  единицы. Для тела,  полностью поглощающего упавшее на него излучение всех длин волн, ,T  1. Такое тело называется абсолютно чёрным. Тело, для которого ,T  T = const < 1, называется  серым  телом.

Как  абсолютно чёрное, так и серое тела являются идеализированной моделью реальных нечёрных тел, для которых ,T зависит от и Т.

Для равновесного теплового излучения тел исключительно важную роль играет закон Кирхгофа: отношение испускательной способности к поглощательной способности не зависит от природы тела и является для всех тел одной  и  той же (универсальной) функцией длины волны и температуры:

(3)

Отсюда следует,  что функция Кирхгофа f(,T) равна испускательной способности абсолютно чёрного тела r*,T,  так как ,T чёрного тела 1, то есть  f(,T). Вид функции

(4)

был найден М.Планком (1900г.)

Энергетическая светимость абсолютно чёрного тела определяется по закону Стефана-Больцмана:

 

, (5)

где   =5.6710-8Вт/м2К4  - постоянная Стефана – Больцмана:

Как упоминалось выше, излучательные свойства реальных нечёрных тел отличаются от свойств абсолютно чёрного тела, поэтому для этих тел закон Стефана-Больцмана, строго говоря, не выполняется и  энергетическая светимость определяется формулой:

(6)

В частности,  для серого тела :

,

где  - называется поглощательной способностью.

Реальное тело может быть близко по своим свойствам к серому телу только в узких интервалах длин  волн и при определённых температурах. Однако, несмотря на это, мы будем пользоваться формулой (7):

, (7)

где  - интегральная поглощательная способность.

В соответствии с формулами (6) и (5):

(8)

Вообще для нечёрных тел интегральную поглощательную способность определяют экспериментально для конкретных температур в заданном диапазоне длин волн.

2. ВЫВОД РАБОЧЕЙ ФОРМУЛЫ

Пусть телу (в нашем случае нить накала – вольфрамовая спираль газонаполненной лампы)  сообщается в единицу времени энергия W в виде Джоулева тепла: .

Тогда между телом (нитью) и окружающей средой происходит теплообмен,  обусловленный тремя процессами: конвективным теплообменом, теплопроводностью и лучистым теплообменом. В каждом конкретном случае на долю лучистого теплообмена (тепловое излучение и поглощение) приходится  от 10% до 90%  энергии.

В данной лабораторной установке Wизл=0,55W  и тогда, в  соответствии с определением энергетической светимости, получим:

                           ,                                 (9)       

 где I - ток, протекающий через лампу;

       U - напряжение на лампе;

       S - площадь поверхности спирали  S = (100±4) мм2.

Интегральная поглощательная способность образца (вольфрамовой спирали) может быть определена из (8) с учётом (9):

                                                                                      (10)

В настоящей работе температура спирали определяется оптическим пирометром, который называется иногда яркостным, или пирометром с исчезающей нитью. Прибор предварительно градуируется по абсолютно чёрному телу. Для серого тела (каковым является исследуемый образец) прибор даёт то значение температуры tЯ (оС), при которой яркость абсолютно чёрного тела равна яркости исследуемого образца. Истинная температура Т (К) серых тел всегда больше яркостной ТЯ  и её можно определить по формуле:

 ,   (11)

          

           где  - монохроматическая поглощательная способность, которая в интервале температур (1000-3000) К приблизительно равна =0,4;

         к- постоянная Больцмана;

         ћ- постоянная Планка;

         c - скорость света; λ = 650 нм (рабочая длина волны пирометра).

Сделав подстановку, получим:

(12)

         3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Установка по определению интегральной поглощательной способности состоит из следующих основных элементов (рис.1): исследуемого образца (лампы с вольфрамовой нитью накаливания) в кожухе 1, блока питания 2 исследуемого образца и оптического пирометра,  измерительных приборов 3 и 4 , оптического пирометра 5,  автотрансформатора 6.

Принципиальная электрическая схема  установки представлена на рис.3 в Приложении. В схеме питания оптического пирометра предусмотрена стабилизация напряжения питания, для чего в первичную обмотку трансформатора Тр3 включены стабилитроны.

Схема оптического (яркостного) пирометра, или пирометра с исчезающей нитью, представлена на рис.2. Имеющая форму полуокружности нить лампочки 3 лежит в плоскости,  перпендикулярной к оси прибора. Объектив 1 создаёт в той же плоскости изображение исследуемого объекта. Светофильтр применяется при температурах (1400-2000) ˚С.

Окуляр 4 служит для получения увеличенного изображения нити лампы 3 и исследуемого образца и устанавливается по глазу наблюдателя индивидуально. Гальванометр 5 проградуирован в градусах Цельсия. При использовании дымчатого светофильтра 2,  который ослабляет излучение от исследуемого образца, пользуются нижней шкалой гальванометра  (в данной работе не используется).

Температура исследуемых образцов при помощи оптического пирометра определяется следующим образом.     Добившись движением объектива 1 вдоль оптической оси пирометра резкого изображения исследуемого образца, при помощи реостата 6, выполненного в виде кольца на лицевой части пирометра, изменяют силу тока, протекающего через лампочку 3, и добиваются того, чтобы верхняя часть нити лампы как бы  исчезла на фоне исследуемого объекта. По шкале  гальванометра 5, в зависимости от используемого светофильтра, определяют температуру (в данной установке - по верхней шкале).

Если исследуемый объект представляет собой абсолютно чёрное тело, то по накалу  лампочки 3 непосредственно измеряют его истинную температуру. Если же объект является  серым телом, то пирометром  измеряется яркостная температура tЯ, а истинная температура рассчитывается по  формуле (12).

. Блок-схема установки.

Рис. 1

1 – электролампа с вольфрамовой нитью;  2 – выпрямитель;    3 – вольтметр;    4 – амперметр;

5 – пирометр;     6 – лабораторный  автотрансформатор.

Технические данные измерительных приборов:

Амперметр – класс 1,5; предел шкалы 10 А; цена минимального деления 0,5 А.

Вольтметр – класс 1,5; предел шкалы 7,5 В; цена минимального деления 0,25 В.

Пирометр – цена минимального деления 20 оС.

                                                                                

                                                                                (2…2,4) В

Схема оптического пирометра.

Рис.2

1- линза объектива; 2- дымчатый светофильтр; 3- нить измерительной лампы; 4- окуляр; 5- гальванометр; 6- реостат.

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ И ОБРАБОТКИ                     РЕЗУЛЬТАТОВ

4.1. Установить на нити исследуемой лампы напряжение U=3,00 В (вольтметр 3). Записать показания тока I  на амперметре 4. Затем, вращая по часовой стрелке реостат (6) на пирометре, увеличивать накал нити до тех пор, пока её яркость не сравняется с яркостью нити исследуемой лампы 1 (силуэт нити лампы 3 в верхней части как бы «разорвётся»).

Для более точного определения этого момента рекомендуется сначала слегка перегреть нить, чтобы она стала более яркой, чем исследуемая, а затем плавно уменьшать её температуру до достижения  указанного состояния.

После этого записать значения  яркостной температуры tЯ по верхней шкале пирометра и тока по амперметру.

4.2.Увеличивая напряжение с интервалом 0,25В, выполнить 5 измерений тока и яркостной температуры (в интервале от Uмин=3,00 В до Uмакс=4,00 В).

         Каждый цикл измерений  повторить 3 раза.

         Результаты прямых измерений записать в таблицу.

Записать в протокол технические характеристики используемых измерительных приборов (см. лист 7).                                                                        

                                                                                                                                                               Таблица

U, В

I, А

tЯ, оС

3,00

   3,25

3,50

3,75

4,00

Таблицу для расчётных данных студент готовит самостоятельно.

4.3. При обработке результатов прямых измерений найти средние значения токов и температур для каждого из пяти напряжений.

Определить погрешности для напряжения , тока  и температуры . Значение доверительной вероятности принять равным  р= 0,95.

Интервалы округления h для всех используемых приборов принять равными величине минимальных делений. При расчёте погрешностей руководствоваться методическими указаниями №100.

4.4. Вычислить пять значений истинной температуры исследуемой нити (предварительно перевести измеренные значения температур из 0С в абсолютную форму (К), использовав систему единиц СИ):

                                

4.5. Вычислить пять значений полезной мощности, расходуемой на излучение с поверхности нити, <P>= 0,55·<I>·<U>.

4.6. Вычислить пять значений энергетической светимости нити, принимая её чёрным телом, для которого справедлив закон Стефана-Больцмана  <RT>=σ·<T>4.

4.7. Вычислить пять значений интегральной поглощательной способности . Построить на миллиметровке график зависимости .

                  5.  КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ (ПРИМЕРНЫЕ)

5.1. Физический смысл поглощательной способности и формулы Планка.

         5.2. Закон Стефана-Больцмана.

         5.3. Что такое "ультрафиолетовая катастрофа"?

5.4. Устройство и принцип действия оптического пирометра.

                  6. ЛИТЕРАТУРА

     6.1. Cавельев И.В. Курс общей физики, т.3, Москва, «Наука», 1982г., с.9.


                           

ПРИЛОЖЕНИЕ

Принципиальная электрическая схема установки.

Тр1- автотрансформатор; Л1 - исследуемый образец; (Д14) -             стабилитроны;  Rб - балластное сопротивление;  (Д58) - выпрямители.

Рис.3


        
   

5

1

2

3

4


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

20651. Философский смысл проблемы бытия 63.5 KB
  Одна из первых по значению проблем философского исследования состоит в попытке дать ответ на такие онтологические вопросы как: что есть бытие существует ли оно и есть ли его противоположности попытка дать качественное определение категории бытие и рассмотреть его отношение с понятиями небытие и инобытие; где и когда оно существует проблемы пространства и времени; конечно ли всё сущее и есть ли его начало; как соотносятся между собой различные формы бытия как взаимосвязаны различные по степени конкретизации уровни форм бытия...
20652. Категория «материя» в философии 46 KB
  Рассматривая материю можно выделить ряд основных проблем формирующих предмет исследования данной категории: а вопрос о единстве материи б соотношение материи и идеального в диалектика материи то есть рассмотрение её через призму закона единства и борьбы противоположностей установка диалектических противоречий например исследование таких категорий как общее и специфическое целое и часть и т. Подобное ограниченное конкретновещественное понимание материи сохранялось как парадигма на протяжении многих столетий в философии...
20653. Дифференцированность материи существование различного типа систем структур и рассмотрение бытия как 44 KB
  Материя таким образом не существует вне изменений или вне движения. Любой предмет действительности реализует в себе формулу всё пребывает в вечном стремлении к иному состоянию и бытийствует лишь в форме определённого типа движения или изменяющиеся динамичные отношений. При разрушении собственного движения образующего качество объекта он переходит в состояния движения присущего другим классам объектов. Как и материя движение абсолютно то есть несотворимо и неуничтожимо и ни одна форма движения не берется ниоткуда.
20654. Пространство и время 38.5 KB
  Движение как на элементарном так и социальном уровне предполагает изменение положения объекта в пространстве осуществляемом во времени. Характеристиками времени являются длительность последовательности смены состояний осуществляемой благодаря взаимосвязи процессам развития или деградации объектов. Для того чтобы произвести отсчёт времени мы берём в качестве эталона повторяющийся по определённым критериям какойлибо процесс и с ним сопоставляем непериодические более сложные процессы. Время как и пространство существует лишь потому что...
20655. Основные исторические этапы становления диалектического учения 39.5 KB
  Сократовский диалог хотя и на первый взгляд не отличается от первых определений диалектики но в действительности становится одной из первых гносеологических формул в постижении человека и природы. Понимание диалектики как диалога спора противоречий продлилось и в средние века где казалось бы религиозный монизм должен исключить любое возможное несогласие с божественной догматикой. Рассмотрение диалектики как искусства вести беседу актуально и сейчас при столкновении мнений в области не просто частных споров но и в решении социальных...
20656. Основные принципы диалектики 62.5 KB
  Сложные связи разнообразных явлений пронизывают абсолютно всё мироздание и неразрывны в своей основе хотя материя и разнородна. Можно дать следующее определение связи это атрибут материи являющийся общим выражением зависимости между явлениями отражением взаимообусловленности их существования и развития. Под отношением следует понимать одну из форм момент всеобщей взаимосвязи предметов и процессов раскрывающей существование объекта не только самого по себе но и для других речь идёт о том что отношения всегда устанавливаются между...
20657. Мировоззрение – понятие, структура и формы. Мировоззрение и философия 82 KB
  В более развёрнутом виде мировоззрение можно рассматривать как целостную самостоятельную социально детерминированную систему в которой сложно отражены и взаимосвязаны наиболее общие взгляды образы оценки принципы чувственные и рациональные представления индивида и коллектива о действительности в объективном природном общественном и субъективном индивидуальном состоянии и отношении к ним человека в его духовной деятельности. Основной проблемой мировоззрения выступает вопрос о специфики отношений связующих человека и мир. Раскрытие...
20658. Предмет, структура, функции философии. Философия и культура. Философия и наука 100 KB
  Определение философии. Подобное понимание лишает философское знание научной специфики создаёт ложное представление о философии как чистом мышлении способном существовать вне связей с объективной реальностью размывает уникальность её предмета целей задач и методов исследования а также ограничивает рамками личностного субъективного видения мира. Поэтому для определения философии можно использовать такой этимологический перевод как любовь к истине.
20659. Философия Древней Индии и Китая 88 KB
  Небо выступает в роли судьбы рока Дао дословно путь в данном случае божественный небесный путь или правильный жизненный путь человека и народа полностью соответствующий небесной воле. Как таковой культ прошлого поклонение предкам и древней мудрости является характерной чертой всей древнекитайской культуры что находит своё отражение и в конфуцианстве считавшем прошлые поколения более нравственным наполненными благоговением перед небесным владыкой и стремящимися максимально соответствовать Дао. Даосизм. В качестве основной...