37910

Исследование зависимости теплового излучения абсолютно черного тела от температуры

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа № 86 Исследование зависимости теплового излучения абсолютно черного тела от температуры 1. Цель работы Исследование зависимости интегральной излучательной способности абсолютно черного тела от температуры и проверка выполнения закона СтефанаБольцмана. зависит от температуры тела. Для спектральной характеристики теплового излучения вводится понятие излучательной способности тела или спектральной плотности излучательности 2.

Русский

2013-09-25

104 KB

86 чел.

Содержание

1. Цель работы……………………………………………………………4

2. Теоретическая часть…………………………………………………..4

3. Приборы и оборудование…………………………………………….8

4. Требования по технике безопасности………………………………..9

5. Порядок выполнения работы…………………………………………9

6. Требования к отчету………………………………………………….10

7. Контрольные вопросы………………………………………………..10

Список литературы……………………………………………………..11


Лабораторная работа № 86

Исследование зависимости теплового излучения

абсолютно черного тела от температуры

1. Цель работы

Исследование зависимости интегральной излучательной способности абсолютно черного тела от температуры и проверка выполнения закона Стефана-Больцмана.

2. Теоретическая часть

Излучение тел, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, называется тепловым или температурным, так как оно является следствием хаотического теплового движения частиц, т.е. зависит от температуры тела. Для спектральной характеристики теплового излучения вводится понятие излучательной способности тела (или спектральной плотности излучательности)

,                                               (2.1)

где   энергия электромагнитного излучения, испускаемого за единицу времени с единицы площади поверхности тела в интервале частот от ν до ν + dν.

Все тела в той или иной степени поглощают энергию падающих на них электромагнитных волн. Спектральной характеристикой поглощения является поглощательная способность тела (коэффициент поглощения),

                                        (2.2)

показывающая, какая доля энергии , доставляемой за единицу времени на единицу площади поверхности тела падающими на нее электромагнитными волнами с интервалом частот от ν до ν + dν, поглощается телом. Во многих случаях необходимо знать полную мощность теплового излучения единицы поверхности тела во всем интервале частот от 0 до ∞. Эта величина RЭ, называемая излучательностью (энергетической светимостью) тела или его интегральной излучательной способностью, связана с   соотношением

RЭ = .                                          (2.3)

Найдем связь между излучательной и поглощательной способностями любого непрозрачного тела. Для этого рассмотрим теплоизолированную систему, состоящую из двух бесконечно длинных пластин а и б (рис. 2.1), которые могут обмениваться энергией в форме теплоты только друг с другом, так как их внешние поверхности покрыты идеальной тепловой изоляцией. Пусть внутренняя поверхность пластины а абсолютно черная, а излучательная и поглощательная способности внутренней поверхности пластины б равны  и .

Если в рассматриваемой системе установилось термодинамическое равновесие, то температуры обеих пластин одинаковы и равны Т, а излучение пластин равновесное. Из формул (2.1) и (2.2) следует, что

   и     .                      (2.4)

Из условия симметрии очевидно, что энергия  электромагнитного излучения в интервале от ν до ν + dν, падающего за единицу времени на единицу площади пластины б, равна энергии, излучаемой за тоже время и в том же интервале частот единицей площади абсолютно черной поверхности пластины а. Собственное излучение пластины б  не учитываем, так как оно может вновь возвратиться к пластине б только после отражения от пластины а. Однако абсолютно черная поверхность а полностью поглощает падающее на нее излучение, ничего не отражая. Таким образом

     и    .                      (2.5)

Поскольку температура пластин одинакова и не изменяется со временем, то для каждой пластины энергия , излучаемая за единицу времени с единицы площади поверхности должна быть равна энергии, поглощаемой за то же время этим участком поверхности, получим

                                   (2.6)

или

.                                               (2.7)

Таким образом получили, что отношение излучательной способности тела к его поглощательной способности не зависит от природы тела и равно излучательной способности абсолютно черного тела, являющейся функцией только длины волны и температуры. Это  закон Кирхгофа для теплового излучения. Абсолютно черное тело при любой температуре полностью поглощает всю энергию падающих на него электромагнитных волн независимо от их длин волн (= 1).

Явление теплового излучения можно объяснить на основе квантовой природы излучения. По гипотезе Планка энергия осцилляторов, а следовательно атомов и молекул излучающего тела, обменивающихся энергией с этим осциллятором, может принимать лишь определенные дискретные значения, равные целому числу элементарных порций энергии

,                                                 (2.8)

которые он назвал квантами:

,                                              (2.9)

где n – любое целое положительное число. В соответствии с этим излучение и поглощение энергии атомами или молекулами должно происходить не непрерывно, а дискретно – отдельными порциями (квантами). Пользуясь формулой (2.9) и методами классической статистики среднее во времени значение энергии осциллятора, полученное Планком, имеет вид:

,                                            (2.10)

а излучательная способность абсолютно черного тела :

.                                 (2.11)

Формула прекрасно согласуется с результатами измерений распределения энергии в спектрах излучения абсолютно черного тела при самых различных температурах.

График зависимости  от частоты для двух различных температур имеет вид (Т2 > Т1) (рис. 2.2).

Из формулы Планка (2.11) легко получить интегральную излучательную способность и вывести закон Стефана-Больцмана. Из формул (2.3) и (2.11)

.

Произведем замену переменной. Обозначим через ,  и . Тогда

,                         (2.12)

где                          

σ – постоянная Стефана-Больцмана.

Из закона Стефана-Больцмана следует, что энергия излучения растет пропорционально четвертой степени абсолютной температуре. При обычных условиях и температурах основные потери связаны с конвекцией и теплопроводностью. При достаточно высоких температурах основную роль играют потери энергии на излучение.

3. Приборы и оборудование

Экспериментальная установка состоит из следующих приборов: электропечи ЭП, приемника излучения (термостолбик ТС) и блока управления и индукции (БУИ). Блок – схема установки показана на рисунке 3.1.

Электропечь состоит из нагревательного устройства, термопары для измерения температуры, регулятора нагрева и вентилятора. Отверстие О в электропечи, служащее абсолютно черным телом, выведено на переднюю панель. На передней панели размещены также клавиши «Сеть» и «Вентилятор». На передней панели БУИ размещены цифровые трехразрядные индикаторы напряжения термостолбика и температуры электропечи. Термостолбик представляет собой несколько последовательно соединенных термопар. Напряжение термостолбика пропорционально мощности падающего на поверхность излучения, которая, в свою очередь пропорциональна излучательности (энергетической светимости RЭ) отверстия

uТС ~Pпад.изл. ~ RЭ.                                      (3.1)

Сняв зависимость напряжения термостолбика от температуры электропечи, можно исследовать зависимость излучательной способности абсолютно черного тела от температуры и проверить закон Стефана-Больцмана.

4. Требования по технике безопасности 

а) Ознакомиться с устройством экспериментальной установки, ее принципом действия;

б) убедиться, что установка заземлена;

в) убедиться в исправности сетевых шнуров;

г) при работе установки происходит нагрев электропечи           до 700°С. Обязательно охладить печь вентилятором в конце работы.

5. Порядок выполнения работы

1. Установить термостолбик на расстоянии 2–3 см от отверстия печи так, чтобы оси диафрагмы термостолбика и отверстия печи совпадали.

2. Включить кнопку «Сеть» на задней панели БУИ (при этом на нем должны высветиться цифры индикатора). Дать установке прогреться 3–5 мин.

3. Включить электропечь кнопкой «Сеть» на ее передней панели. При этом должна загореться лампочка.

4. По цифровым индикаторам измерительного устройства  снять с интервалом 50°С зависимость напряжения столбика от температуры электропечи.

5. По достижении максимальной рабочей температуры 700°С выключить нагреватель и нажать кнопку «Вентилятор». При этом выше кнопки должна загореться лампочка. Охладить электропечь     до 27°С и отключить сначала вентилятор, затем кнопкой «Сеть» на задней панели БУИ установку.

6. Результаты измерения занести в таблицу. При вычислении Т прибавить поправку Δ Т = Ткомн., так как термопара измеряет разность температур излучателя и корпуса электропечи.

7. На основе табличных данных построить зависимость uТС      от Т 4.

8. Рассчитать постоянную Стефана-Больцмана, учитывая коэффициент пропорциональности а = 1,9·107 А/м2 между излучательностью (энергетической светимостью) абсолютно черного тела и напряжением термостолбика.

    RЭ = а · uТС ,                                         (4.1)

,                            (4.2)

где α – угол наклона зависимости uТС от Т 4 к оси абсцисс.

9. Оценить погрешность σ. Сравнить полученные значения σ с табличным (2.12).

uТС 

t° С

Т, К

Т 4, К 4

6. Требования к отчету

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

а) краткое изложение теории, основные характеристики теплового излучения, расчетные формулы;

б) таблицу с экспериментальными результатами;

в) график зависимости uТС от Т 4, выполненный на миллиметровой бумаге;

г) определение по графику значение RЭ;

д) расчет погрешностей величины RЭ;

е) выводы.

7. Контрольные вопросы

1. В чем заключается явление теплового излучения? Какова его природа?

2. Каков физический смысл характеристик теплового излучения, какова между ними связь?

3. В чем заключается закон Кирхгофа для теплового излучения?

4. Как зависит интегральная излучательная способность абсолютно черного тела от температуры?

5. Как экспериментально определить постоянную            Стефана-Больцмана?

Список литературы

1. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1999.

2. Свавельев И.В. Курс физики. Т.3. – М.: Наука, 1998.

3. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1998.

10


а                б

Рис. 2.1

ν1 ν2                          ν

rν

  T2

T1

Рис. 2.2

ЭП

ТС

БУИ

вентилятор                 сеть

О

u (мВ)            t (с)

Рис. 3.1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

19549. Эффект Доплера и смежные вопросы 219.53 KB
  1 Лекция 18. Эффект Доплера и смежные вопросы Рассмотрим задачу поиска сигнала заданного вида во входном сигнале на следующем примере. Передатчик излучает сигнал который отражается от объекта и приходит в виде сигнала . Если объект неподвижен то . 1 Здес...
19550. Преобразование Хартли 280.49 KB
  1 Лекция 19. Преобразование Хартли Преобразование Хартли является аналогом преобразования Фурье отображая вещественный сигнал в вещественный. Положим . Тогда . Найдем формулу обращения. Для этого установим связь с преобразованием Фурье. По определению = . Н
19551. Строение матрицы Адамара 448.32 KB
  2 Лекция 20. Строение матрицы Адамара Элементы матрицы можно вычислить непосредственно. Нумерацию строк и столбцов начнем с 0. В этом случае номер строки или столбца задается двоичным вектором: . Положим . Предложение. Элемент матрицы . Доказательство. Для ...
19552. Преобразования Адамара и Хаараара 445.63 KB
  2 Лекция 21. Преобразования Адамара и Хаара Подсчет числа перемен знаков в матрице Адамара Аналогом частоты в базисе Фурье для матриц Адамара является число перемен знаков в строке. Предложение. Для того чтобы найти число перемен знаков в строке с номером...
19553. Фильтрация и преобразование Адамара 260.31 KB
  2 Лекция 22. Фильтрация и преобразование Адамара Результат любого из рассмотренных выше преобразований рассматривается как спектр исходного сигнала. В этой связи имеется возможность изменить спектр произвольным образом а затем применить обратное преобраз
19554. Метод главных компонентов в задаче сжатия 341.43 KB
  1 Лекция 23. Метод главных компонентов в задаче сжатия Идея сжатия сигнала на основе разложения по ортогональному базису была изложена выше. Рассмотренные базисы являются универсальными и не учитывают особенность сигнала. Когда имеется набор сигналов одной п...
19555. Линейное предсказание 442.3 KB
  1 Лекция 24. Линейное предсказание Пусть имеется вещественный случайный процесс с дискретным временем обладающий свойствами: зависит только от . Задача заключается в предсказании следующего значения на основе предыдущих. Требуется выбрать коэффициенты ...
19556. Вивчення приладів магнітоелектричної системи 26.17 KB
  В ході лабораторної роботи досліджувався прилад магнітоелектричної системи М906 для вимірювання струму та напруги. Для розширення меж вимірювання струму використовуються шунти. Шунтами є опори, які підключаються паралельно до приладу.
19557. Технічне конструювання. Основні правила оформлення креслень (типи ліній, нанесення розмірів, застосування масштабу, умовні позначення). Креслярський інструмент 38 KB
  Тема 1.3: Технічне конструювання. Основні правила оформлення креслень типи ліній нанесення розмірів застосування масштабу умовні позначення. Креслярський інструмент. Мета: Навчальна: сформувати знання вміння та навички креслення рамки і оформляти креслення. Вих...