38002

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Лабораторная работа

Физика

Краткие теоретические сведения Для абсолютно чёрного тела АЧТ т. тела для которого поглощательная способность справедлив закон Стефана Больцмана: 1 где R – энергетическая светимость полная или интегральная испускательная способность характеризующая тепловое излучение тела а Т – его температура – постоянная Стефана–Больцмана. В то же время для любого тела где – испускательная способность тела. В соответствии с законом Кирхгофа 2 а определяется формулой Планка: 3 Спектр теплового...

Русский

2013-09-25

312.5 KB

57 чел.

Лабораторная работа № 3–8

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Цель работы.  Проверка закона и определение постоянной Стефана–Больцмана.

Краткие теоретические сведения

Для абсолютно чёрного тела (АЧТ), т.е. тела, для которого поглощательная способность , справедлив закон Стефана - Больцмана:

  (1)

где  Rэнергетическая светимость (полная или интегральная  испускательная способность), характеризующая тепловое излучение тела, а  Т  –  его температура,  –  постоянная Стефана–Больцмана.

    В то же время,  для любого тела

где – испускательная способность тела.  В соответствии с законом Кирхгофа

   (2)

а определяется формулой Планка:

  (3)

Спектр теплового излучения «нечёрного» тела в соответствии с (2) зависит от  .  В  общем случае он может сильно отличаться от спектра АЧТ (формула (3)).

Однако есть тела, для которых  при Т=const слабо зависит от  , т.е. можно считать  . Эти тела называют серыми. Спектр теплового излучения такого тела при данной температуре  (T=const) имеет ту же форму, что и спектр теплового излучения АЧТ, но его испускательная способность в соответствии с (2) меньше, так как   <  1.

Очевидно, что для серого тела должно выполняться соотношение

  (4)

которое можно рассматривать как обобщение закона Стефана – Больцмана.

называют степенью черноты тела.

В настоящей работе исследуется зависимость мощности теплового излучения спирали лампы  накаливания от ее температуры. Материал спирали (вольфрам) можно считать серым телом, поэтому для него справедливо соотношение (4).

        При достаточно высокой температуре спирали подводимая к ней мощность почти полностью расходуется на излучение, поэтому должно выполняться соотношение

   (5)

где  Iсила тока, протекающего по спирали; U – напряжение на спирали; S – площадь поверхности спирали,  – мощность теплового излучения, поглощаемого спиралью, (– температура окружающей среды), так как при   спираль находится в термодинамическом равновесии со средой. Приближенное равенство (5) справедливо при

Считая  можно определить постоянную Стефана – Больцмана:

  (6)

    Для проверки соотношения   (закон Стефана – Больцмана для серого тела) запишем (6) в виде

откуда

  (7)

Таким образом,    можно определить как угловой коэффициент линейной зависимости:

Для серого тела теоретическое значение показателя степени = 4. Сравнение экспериментально полученного значения  с  позволяет оценить выполнимость закона Стефана – Больцмана для данного тела.

В выражения (6) и (7) входит  (степень черноты для вольфрама для температуры Т ). Зависимость  для различных материалов получают в результате тщательных экспериментальных исследований. Для вольфрама зависимость степени черноты от температуры задана в виде таблицы, имеющейся на рабочем месте.

Измерение температуры тела

с помощью яркостного оптического пирометра

Температуру сильно нагретых тел можно измерять оптическим методом с помощью оптических пирометров.

В данной работе используется яркостный пирометр, с помощью которого измеряется так называемая яркостная температура. Принцип измерения заключается в визуальном сравнении яркостей исследуемого тела и эталонного источника (нить пирометрической лампы), рассматриваемого как АЧТ. В условиях данной работы яркость пропорциональна испускательной способности тела (см. ). Изменяя температуру нити пирометрической лампы, добиваются уравнивания ее яркости с яркостью исследуемого тела. При этом температура нити пирометрической лампы (АЧТ) принимается равной яркостной температуре исследуемого тела.

Таким образом, яркостная температура тела – это температура АЧТ, при которой его яркость равна яркости исследуемого тела.

Сравнение яркостей проводится в узком интервале длин волн, выделяемом светофильтром (в работе =0,66 мкм).

Для нечёрного тела яркостная температура    отличается от истинной (термодинамической) температуры  Т и в общем случае зависит от  . Связь между    и  Т  можно получить, используя закон Кирхгофа (2) и формулу Планка (3):

при    

откуда   

где   и

 (8)

   (9)

Так  как    то  .

Зная  для данного тела, по яркостной температуре  можно определить его термодинамическую температуру.

Описание экспериментальной установки

Принципиальная схема установки и устройство яркостного пирометра изображены на рис. 1, где  1 – источник света (лампа накаливания); 2 – объектив пирометра; – дымчатый светофильтр; 4 – ручка введения дымчатого светофильтра; 5 – пирометрическая лампа; 6 – реостат; 7 – окуляр; 8 – красный светофильтр (  = 0,66 мкм) ; 9 – барабан, связанный с реостатом

Источник света и пирометр установлены на оптической скамье. Объектив пирометра дает изображение объекта (спираль исследуемой лампы) в месте расположения нити лампы 5.

Яркость лампы 5 регулируется изменением тока накала с помощью реостата 6 поворотом барабана 9, который соединен с движком реостата.

Яркость пирометрической лампы изменяют до тех пор, пока она не сравняется с яркостью изображения спирали исследуемой лампы, и снимают показания со шкалы пирометра, проградуированной в градусах Цельсия.

Дымчатый светофильтр необходим для ослабления яркости исследуемого тела в тех случаях, когда его температура превышает 1400°С (во избежание перегрева пирометрической лампы). Шкала 700–1400°С соответствует работе без дымчатого светофильтра, а 1200–2000 °С – с введенным светофильтром.

Яркость изображения спирали, даваемого линзой, равна яркости самой спирали (см. ).

Порядок выполнения работы

В соответствии с инструкцией на рабочем месте включить установку и настроить пирометр. Ввести красный светофильтр (=0,66 мкм). Регулируя накал лампы и снимая значения тока и напряжения, измерить яркостную температуру спирали  ( , °С) для 7–10 значений подводимой мощности W. Значения    а также I и U внести в табл.1.

Таблица 1

I,A

U,B

W,Вт

С

T,K

1

.

.

.

.

.

2

.

.

.

.

.

3

.

.

.

.

.

4

.

.

.

.

.

5

.

.

.

.

.

6

.

.

.

.

.

7

.

.

.

.

.

8

.

.

.

.

.

9

.

.

.

.

.

10

.

.

.

.

.

При достижении температуры 1400 °С необходимо ввести дымчатый светофильтр и затем пользоваться нижней шкалой.  В области 1200–1400 °С произвести для проверки измерения в 2–3 точках по обеим шкалам.
По формуле
(8) определить термодинамическую температуру спирали Т, используя приведенный на рабочем месте график    для вольфрама, рассчитанный по формуле (9). Значения Т занести в табл.1. По данным таблицы, приведенной  на рабочем месте, построить на миллиметровке график зависимости   а Т(T) по нему найти значения   а t  для указанных в табл.1 температур  Т и внести их в таблицу.

Обработка результатов измерений

  1.  Рассчитать и занести в табл.1 значения мощности W.
    2. Используя данные табл.
    1 и заданное значение S, рассчитать по формуле (6) постоянную Стефана–Больцмана  для каждой температуры. Определить среднее значение    и занести в табл.2. Оценить случайную погрешность
  2.  Рассчитать величины и занести в табл. 1. На миллиметровке построить график зависимости  , по нему определить n:

Таблица 2

n

Контрольные вопросы

  1.  Что называется тепловым излучением? Дайте определение понятий "энергетическая светимость", "испускательная способность тела". Какова связь между ними?
  2.  Что называется поглощательной способностью тела? Сформулируйте закон Кирхгофа. Что такое абсолютно чёрное тело?
  3.  Какая гипотеза лежит в основе вывода формулы Планка для теплового излучения абсолютно черного тела?
  4.  Как из формулы Планка получить законы Вина и Стефана – Больцмана?
  5.  Что такое серое тело? Как сформулировать закон Стефана–Больцмана для серого тела?
  6.  Что называется яркостной температурой тела? В чем заключается принцип работы яркостного пирометра?
  7.  Как связаны между собой яркостная и термодинамическая температуры тела? Может ли яркостная температура зависеть от длины волны светофильтра, используемого в пирометре?
  8.  Является ли излучение исследуемой нагретой спирали равновесным? Почему ее излучение должно подчиняться закону Стефана– Больцмана?
  9.  О чем может свидетельствовать отклонение значения экспериментально определенного показателя степени n   от 4?

Список литературы

1. Савельев И.В. Курс общей физики, т.3.– М.: Наука, 1987, гл. 1, 4.

2. Сивухин Д.В. Общий курс физики, т.3. Оптика.– М.: Наука, 1980, гл. 10, § 22, 23.

3. Матвеев А.Н. Механика и теория относительности.– М.: Высш.шк., 1976, § 50.



 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

7887. Основы термодинамики. Молекулярная физика 166 KB
  Основы термодинамики Молекулярная физика и термодинамика занимаются явлениями, обусловленными совокупным действием огромного числа непрерывно движущихся частиц. Несмотря на то, что каждая частица движется по законам механики, их совокупное движение ...
7888. Поняття про форму організації навчання 28.5 KB
  Поняття про форму організації навчання Відповідь на питання Як навчати? виводить нас на ще одну важливу категорію педагогіки - категорію форм організації навчання. Якщо поняття метод характеризує змістову або внутрішню сторону навчального процесу ...
7889. З історії розвитку організаційних форм навчання 23.57 KB
  З історії розвитку організаційних форм навчання Загальні форми організації навчання часто називають організаційними системами навчання. У різні періоди розвитку суспільства перевага надавалася тим чи іншим організаційним системам навчання. Найстаршо...
7890. Класно-урочна система навчання, її суть та історія розвитку 19.33 KB
  Класно-урочна система навчання, її суть та історія розвитку Класно-урочна система навчання - це така організація навчального процесу, при якій учні групуються по класах і основною формою навчання є урок. Зміст навчання в кожному класі визначаєт...
7891. Причини, привід та початок Першої світової війни 35.5 KB
  Тема уроку. Причини, привід та початок Першої світової війни. Мета: розкрити причини, привід та початок Першої світової війни розвивати аналітичні вміння при вивченні всесвітньої історії виховувати в учнів зацікавленість до новітнього періоду всес...
7892. Воєнні кампанії 1915-1918 років 19.03 KB
  Тема уроку. Воєнні кампанії 1915-1918 років. Мета: розкрити зміст воєнних кампаній 1915-1918 років розвивати аналітичні вміння при вивченні всесвітньої історії виховувати в учнів зацікавленість до новітнього періоду всесвітньої історії Обладнання:...
7893. Юридична відповідальність 48.5 KB
  Тема. Юридична відповідальність Мета: Розглянути поняття юридична відповідальність, ознаки, види, характеристика розвивати в учнів здатність застосовувати отримані на практиці виховувати в ліцеїстів правову культуру та законослухняність. Обладнанн...
7894. Історія Київської Русі 71 KB
  Історія Київської Русі 1.Київська Русь. Загальна характеристика. За часів князювання Володимира Великого (980-1015 рр.) було завершено формування території Київської Русі. Вона займала територію від Чудського, Ладозького й Онезького озер на пі...
7895. Правопорядок і правопорушення. Юридична відповідальність 57 KB
  Правопорядок і правопорушення Мета: Розглянути правопорядок, законність як важливі суспільно-правові явища, визначити зміст поняття правопорушення та його структуру формувати в учнів позитивну правосвідомість розвивати критичне мислення. Обладнанн...