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

62 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

45242. Этапы и технологии формирование материалов паблисити 28 KB
  Источник сообщения ничего не платит прессе за размещение. Этапы формирования: подготовительный сбор информации о фирме и ее деятельности статистика история маркетинговая информации: анализ информации в зависимости от вида СМИ; структурирование материала выстраиваем структуру фирменный бланк и различия в соответствии с формой подачи прессрелиз и т. Жанровая разновидность паблисити: Оперативноновостной: приглашение прессрелиз краткая новостная информация. Комбинированные тексты подборка информационных материалов...
45243. статья. Технология создания: Приглашение: адресное обращение к аудитории четкая социальная ориентация; . 32 KB
  Исследовательско-новостной комментирующий новость: бэкграундер не сама новость а то что под ней лист вопросов-ответов. Прессрелиз сто сообщение содержащее важную новость или полезную информацию для широкой аудитории.; шрифт 14; интервал 15; принцип перевернутой пирамиды: заголовок суть и интрига; 1 абзац лидерабзац содержит новость; комментарии и иллюстрации к новости 34 позиции в порядке убывания; резюме; призыв к действию; даты написания прессрелиза и публикации в СМИ; координаты специалиста составившего...
45244. Информационные ПР-акции: функции, формы, каналы коммуникации 29.5 KB
  Формы: пресс-конференция конференция брифинг семинар симпозиум день открытых дверей телемост имиджевые теле и радио интервью и т. Теле и радио интервью: информационные цели формирование информационного имиджа; представление руководства. Классификация интервью: интервьюмнение интервьюфакт имиджевое интервью. Инициаторы интервью: журналисты прессслужба.
45245. Брифинг как информационная ПР - акция: цели, аудитория, методика подготовки 28 KB
  Брифинг как информационная ПР акция: цели аудитория методика подготовки Брифинг это плановое мероприятие которое проводится с регулярной периодичностью и посвящается распространению текущей информации о деятельности организации или компании. Например брифинги регулярно проводит министерство иностранных дел. На брифингах министерства внутренних дел проходящих раз в неделю можно услышать официальную статистику ДТП раскрытых преступлений узнать о планируемых профилактических мерах по борьбе с организованной преступностью. Еще одна...
45246. Методика подготовки и проведения пресс-конференций 34.5 KB
  Методика подготовки и проведения пресс-конференций Тема: социально-значимая и актуальная не коммерческая дискуссионная диалог спор. Пресс-конференция проводится по мере накопления информации или при наличии глобальных новостей. Мотивация: мотивация организации пресс-конференции; мотивация журналистов статусные персоны корпоративность присутствие всех СМИ наличие компромата самопрезентация. Прессконференция проводится при хорошем знании журналистов критическая масса 30 40.
45247. Корпоративные коммуникации и материалы корпоративной прессы: виды, функции, принципы организации 34 KB
  В результате оглашения конкретных цифр и фактов сотрудники получают полное представление о готовых итогах развития и перспективах роста компании. Такой отчет может содержать: письмо руководителя в котором выражается благодарность сотрудникам и описывается работа компании ее основные достижения в течение года; отчет об использовании фондов. Этот документ часто оформляется в виде графиков и диаграмм характеризующих использование организацией поступивших средств; анализ финансового положения предприятия; отчет об участии компании в...
45248. Деятельность корпоративной радиостанции и ТВ-центра: приоритеты, аудитория, содержание коммуникации 26.5 KB
  Обычно это организаци-ипартнеры со схожими корпоративными стандартами и принципами. Приоритеты: Главным приоритетом в деятельности корпоративной радиостанции и ТВ центра является формирование корпоративной культуры организации. Сообщения транслируемые по радио и ТВ должны отвечать на следующие вопросы: что происходит в организации почему это происходит в организации что должно произойти в организации Аудитория: Обычно эти самые радиостанции пли ТВ центры находятся на территории самой компании и вещают только на их территории то...
45249. Цели и содержание деятельности корпоративного сайта 28.5 KB
  Цели которые преследуют создатели сайтов: улучшение имиджа и поднятие престижа компании; продвижение торговой марки; доступность информации о продуктах и ценах для клиентов; поддержка дилерской сети доступность информации о продуктах и ценах для дилеров; прямая продажа продукции в Internet организация виртуального магазина; доступность внутренней информации для сотрудников работающих вне офиса; другое. служит дополнительным элементом фирменного стиля; укрепляет имидж и престиж поскольку в российских условиях не каждая...
45250. Информационное, организационное и финансовое обеспечение ПР- акции 28 KB
  Информационное организационное и финансовое обеспечение ПР акции 1. Формы опосредованной маркетинговой коммуникации нередко играют важнейшую роль в обеспечении акции. 3 этап формирование плана в основе которого лежат конкретные ПР-акции которые должны быть спланированы по времени и иметь свое отражение в СМИ репортажи интервью аналитический обзор и т. Организационное обеспечение также предполагает написание сценарного плана акции который включаете: а открытие акции включая представления гостей б содержание и последовательность...