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 СтефанаБольцмана. 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

61 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

45374. Место и роль государства в политической системе общества 47.01 KB
  Такая ситуация не может не влиять на природу действующих законов и подза конных актов которые порой могут между собой находиться в противоречии. Отсюда систематизация это упорядочение нормативных актов приведение их в определённую систему. Выделяют такие виды систематизации как: 1 инкорпорация форма систематизации путём объединения нормативных актов без изменения их со держания в сборник где каждый из актов сохраняет своё самостоятельное юридическое значение. На неофициальные инкорпоративные материалы нельзя ссылаться в процессе...
45375. Правовое государство: понятие и признаки 50.64 KB
  Основоположник античной политической науки Аристотель обосновал идею господства права и правовой законности а также идею права как критерия справедливости. Появляется теория разделения властей прав человека первое представление о законности. принципы и юридические гарантии законности Для начала следует отметить что законность это политикоправовое явление которое характеризует процесс совершенствования государственноправовой формы организации общества путем строгого и неуклонного соблюдения и исполнения действующего...
45376. Соотношение гражданского общества и государства 54.37 KB
  соотношение гражданского общества и государства Гражданское общество и государство представляют собой понятия которые отражают различные стороны жизни общества и противостоят друг другу. Без зрелого гражданского общества невозможно создание правового демократического государства поскольку именно сознательные свободные граждане способны формировать наиболее рациональные формы человеческого общежития. Соотношение гражданского общества и государства характеризуется тем что их нельзя ни отождествлять ни противопоставлять друг другу тем более...
45377. Исторические предпосылки возникновения права 57.96 KB
  Есть лишь отношения объективно требующие или не требую щие правового опосредования. Лишь в отдельных случаях субъект может не знать что стал участником правового отношения например оказавшись наследником по закону после смерти родственника проживавшего в другом городе. Механизм правового регулирования: понятие структура стадии процесса Право как инструмент социального управления призвано упорядочивать общественные отношения обеспе чивая реализацию позитивных интересов субъектов. Каждый из этапов и юридических элементов правового...
45378. ПОНЯТИЕ, ПРИЗНАКИ И СУЩНОСТЬ ПРАВА 43.74 KB
  Ценность права выражается в том что оно прежде всего выступает средством: − регулирования общественных отношений придаёт действиям людей согласованность упорядоченность уверенность; − защиты существующего общественного строя устанавливает меры юридической ответственности за общественно опасные и вредные деяния; − обновления общества фактором его прогресса содействует развитию тех социальных связей в которых заинтересовано общество; − решения глобальных проблем современности оборонных экологических и т. Эффективность правового...
45379. Социальное регулирование. Понятие, функции и виды социальных норм 64.66 KB
  Место и роль права в системе социального регулирования. Отличие права от других нормативных систем. При обсуждении роли права в системе социального нормативного регулирования значение имеют нормы третьей и четвертой группы в литературе именно их принято квалифицировать как социальные нормы. Именно в этих процессах доминирующие в обществе идеи права и правовые представления переводятся в форму юридических правил норм общего действия.
45380. Соотношение права и морали 51.65 KB
  соотношение права и морали. Единство права и морали заключается в следующем: право и мораль являются универсальными регуляторами поведения людей имеют способность проникать в различные области общественной жизни; право и мораль являются многомерными образованиями имеющими сложную структуру которая состоит из одинаковых и взаимодействующих между собой элементов; право и мораль действуют в едином поле социальных отношений; право и мораль служат общей цели совершенствованию и упорядочению общественной жизни...
45381. Принципы права понятие и классификация 47.7 KB
  принципы права понятие и классификация Принципы права это основные исходные начала положения идеи выражающие сущность права как специфического социального регулятора. Они воплощают закономерности права его природу и социальное назначение представляют собой наиболее общие правила поведения которые либо прямо сформулированы в законе либо выводятся из его смысла.Представляется что принципы права должны отражать и выражать основные ценности на которые ориентируется право. Принципы выступают в качестве своеобразной несущей конструкции...
45382. ТГП в системе общественных наук 45.79 KB
  Теория права и государства имея свой предмет функции и метод занимает специфическое место в системе общественных неюридических наук. Философия и теория права и государства. Что касается теории государства и права то она изучает государство и право мно гогранно обращаясь при этом к передовым достижениям философии и используя философские категории сущность содержание и форма часть и целое возможность и действительность система и структура и др. Теория государства и права вооружает философию материалом позволяющим делать обобщения и...