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

27071. Инвентаризация материальных запасов 15.97 KB
  Инвентаризация материальных запасов Методические указания по инвентаризации имущества и финансовых обязательств от 13 июня 1995 г . Инвентаризационной комиссией в описях заполняются данные о фактическом наличии товарноматериальных ценностей. Результаты проведенной инвентаризации материальных запасов отражают в инвентаризационной описи сличительной ведомости по объектам нефинансовых активов ф. При хранении материальных запасов в разных изолированных помещениях у одного материально ответственного лица инвентаризация проводится...
27072. Учет прочих доходов и расходов. Назначение счета «Прочие доходы и расходы» и его структура. Организация аналитического учета для формирования отчета «О прибылях и убытках» 23.5 KB
  Назначение счета Прочие доходы и расходы и его структура. Доходы и расходы организации формирующие финансовый результат ее деятельности В соответствии с Положением по бухгалтерскому учету Доходы организации ПБУ 9 99 введено в действие с 1 января 2000 г. Прочие поступления зачисляются на счет 91 Прочие доходы и расходы Прочими доходами признаются в учете: штрафы пени неустойки за нарушения условий договоров возмещения причиненных организации убытков в отчетном периоде в котором судом вынесено решение об их взыскании или они...
27073. Архитектура SCM-систем 174.21 KB
  Объяснить что такое ERP Что такое архитектура Как архитектура относится к классу данной системы ИСТОРИЯ В начале 60х в США начались работы по автоматизации управления запасами. В результате активного роста крупносерийного и массового производства товаров народного потребления и торговли после Второй мировой войны стало очевидно что использование математических моделей планирования спроса и управления запасами ведет к существенной экономии средств замороженных в виде запасов и незавершенного производства. Управление складами в современных...
27074. Информация в бизнесе. Инф поддержка в бизнесе. Класс-ция корпоративных информационных систем 711.94 KB
  Что такое бизнес Бизнес это экономическая деятельность направленная на систематическое получение прибыли от производства и или продажи товаров оказания услуг. Тк бизнесэто коммерческиориентировнная деятельность в конкурентной среде. Деятельность предприятия происходит в реальном физическом мире в котором протекают преимущественно энергетические процессы. Деятельность связанная с управлением предприятием анализ ситуаций выбор вариантов и иная интеллектуальная деятельность продуктом которой являются оценки и принятие решений...
27075. Системы электронного документооборота 139.67 KB
  Системы электронного документооборота 1. Что такое документооборот Документооборо́т это частный способ информационной системы обеспечивающее взаимодействие. Системы электронного документооборота обладают рядом преимуществ к числу которых можно отнести возможность однократной регистрации электронного документа параллельное выполнение необходимых операций с отслеживанием ответственного за их исполнение а также наличие эффективно организованной системы поиска документа и развитой системы отчетности. Электронный документооборот является...
27076. Стр-ра КИС. Основные функциональные задачи 921.26 KB
  Главной задачей такой системы является информационная поддержка производственных административных и управленческих процессов бизнеспроцессов формирующих продукцию или услуги предприятия то есть необходимо рассмотрение всех бизнеспроцессов и как следствие поддержка основных бизнеспроцессов. Технологическая стрра инф системы. 3уровневая архитектура: 1 подсистемы сбора хр накопления данных В каком виде может существовать Распределенные системы данных; БДболее жестко поддерживают структуру; КорпХДболее абстрагированная...
27077. Управленческие автоматизированные ИС. Концепция интегрированной управленческой АИС 249.57 KB
  Интегрированная АСУ обеспечивает согласованное и координированное решение задач с учетом временной и уровневой иерархии за счет разделения общей задачи управления по фазам планирования регулирования учета анализа а также временной иерархии задач внутри каждой фазы. В ИАСУ обеспечиваются координация процессов исследования хода производства оперативного и перспективного планирования и адаптация системы за счет изменения состава и взаимосвязей между задачами а также характера взаимодействия между ее компонентами. История развития ERP 6070...
27078. Архитектура CRM-систем 145.48 KB
  Объяснить что такое CRM Что такое архитектура Как архитектура относится к классу данной системы CRM Customer Relationship Management система управления взаимоотношениями с клиентами. CRM системы стали нужны на высоко конкурентном рынке где в фокусе стоит клиент. Главная задача CRM систем повышение эффективности бизнес процессов сосредоточенных во фронтофисе направленных на привлечение и удержание клиентов в маркетинге продажах сервисе и обслуживании независимо от канала через который происходит контакт с клиентом.
27079. Архитектура ERPII-систем 142.37 KB
  Объяснить что такое ERPII Что такое архитектура Как архитектура относится к классу данной системы ERPII Enterprise Resource and Relationship Processing Управление внутренними ресурсами и внешними связями предприятия. Появление концепции ERP II связано с началом широкого применения Интернеттехнологий в практике корпоративного управления. По мере развития соответствующего программного обеспечения и его интеграции с ERPпродуктами корпоративные системы управления стали выходить за традиционные рамки автоматизации операций внутри...