42346

ИЗУЧЕНИЕ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ МЕТОДОМ НЕКОНТАКТНОЙ ТЕРМОМЕТРИИ

Лабораторная работа

Физика

Цель работы: изучение теплового излучения и ознакомление с методами оптической пирометрии на примере определения температурной зависимости коэффициента поглощения нечёрного тела. Все тела температура которых отлична от абсолютного нуля непрерывно излучают лучистую энергию. Этот процесс сопровождается уменьшением внутренней энергии тела вследствие чего тело остывает. Одновременно с излучением энергии происходит поглощение лучистой энергии падающей на поверхность тела.

Русский

2013-10-29

221.5 KB

7 чел.

Лабораторная работа 8.1.

ИЗУЧЕНИЕ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ МЕТОДОМ

НЕКОНТАКТНОЙ ТЕРМОМЕТРИИ

Библиографический список

  1.  Савельев И. В. Курс общей физики. – М.: Наука, 1989, т. 3.
  2.  Детлаф А. А., Яворский Б. М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1989.
  3.  Сивухин Д. В. Общий курс физики. Оптика. – М.: Наука, 1985.
  4.  Шпольский Э. В. Атомная физика. – М.: Физматгиз, 1974, т. 1.

Цель работы: изучение теплового излучения и ознакомление с методами оптической пирометрии на примере определения температурной зависимости коэффициента поглощения нечёрного тела.

Приборы и принадлежности: пирометр, вольфрамовая лампа, ЛАТР, ваттметр.

Описание метода и экспериментальной установки

Электромагнитное излучение, причиной которого является возбуждение атомов и молекул вещества вследствие его нагревания, называется тепловым или температурным излучением. Температурное излучение является универсальным свойством тел. Все тела, температура которых отлична от абсолютного нуля, непрерывно излучают лучистую энергию. Этот процесс сопровождается уменьшением внутренней энергии тела, вследствие чего тело остывает. Одновременно с излучением энергии происходит поглощение лучистой энергии, падающей на поверхность тела. Последний процесс приводит к увеличению внутренней энергии тела. Все окружающие нас тела находятся в лучистом теплообмене. Если один из процессов преобладает (излучение или поглощение), то температура тела изменяется. Если же оба процесса эквивалентны, то температура тела остается постоянной.

Состояние системы называется равновесным, если распределение энергии между телами и излучением остается неизменным во времени. Равновесность является основным условием теплового излучения.

Энергетической светимостью  тела называется энергия, излучаемая с единицы площади поверхности излучающего тела в единицу времени во всем диапазоне частот. Излучательной способностью тела , или спектральной плотностью энергетической светимости, называется отношение энергетической светимости в интервале частот от  до  к ширине этого интервала .

       (1)

Поглощательной способностью тела или коэффициентом поглощения  называется отношение энергии, поглощаемой единицей площади поверхности тела в единицу времени в интервале частот от  до , к энергии, падающей на эту площадку в единицу времени в том же частотном интервале:

      (2)

,  и  зависят от температуры, а  и  - и от частоты излучения.

Тела, для которых , называются абсолютно чёрными.

Все реальные тела в зависимости от их излучательной и поглощательной способности можно разбить на две группы: селективные и серые. Селективными называются такие тела, у которых излучательная и поглощательная способность заметно изменяется с изменением длины волны излучения. Вообще говоря, излучение всех тел, существующих в природе, в той или иной степени является селективным. Степень селективности определяется отличием спектрального распределения излучательной способности тела от этого же распределения для абсолютно чёрного тела.

Спектр теплового излучения тел непрерывен и имеет ярко выраженный максимум, положение которого зависит от температуры. Спектральная зависимость, показанная на рис. 1, была получена экспериментально, затем (сначала эмпирически) была описана Планком:

.     (3)

В этой формуле впервые в истории физики была заложена идея квантов света, несущих энергию .

Излучательная способность серого тела  подобна кривой для абсолютно чёрного тела (кривая 2 рис. 1). Основная особенность серых тел – независимость их коэффициента поглощения от частоты, т.е. коэффициент поглощения серого тела зависит только от температуры . Излучательную и поглощательную способность серых тел связывает с излучательной способностью абсолютно чёрного тела закон Кирхгофа:

.        (4)

Законы Планка и Кирхгофа являются важнейшими для теплового излучения, законы Стефана-Больцмана и Вина – их следствия. В частности, по закону Стефана-Больцмана для серого тела интегральная излучательная способность

,    (5)

где  - коэффициент поглощения; ; Т – температура, К.

В данной работе в качестве источника теплового излучения используется ленточная вольфрамовая лампа СИ8-300I. Вольфрам не является идеальным серым телом, так как его поглощательная способность зависит от частоты. Поэтому при выполнении работы обязательно пользоваться светофильтром, в данном случае красным, максимум пропускания которого приходится на 6500.

Нагревание вольфрамовой ленты в лампе производится электрическим током от сети через понижающий трансформатор. Подводимая мощность, которая необходима для нагревания ленты до температуры  от комнатной температуры :

.    (6)

Здесь первое слагаемое – это интегральная излучательная способность, т.е. энергия, излучаемая в единицу времени с единицы площади, или мощность, излучаемая с единицы площади при температуре , второе слагаемое – то же при комнатной температуре ; S – площадь излучающей поверхности вольфрамовой ленты.

Мощность N определяется ваттметром, включенным в цепь питания лампы (рис. 2).

Коэффициент поглощения из закона Кирхгофа (4):

.       (7)

Температура вольфрамовой ленты измеряется пирометром «Проминь», принцип работы которого основан на сравнении яркости излучения исследуемого тела с яркостью нити пирометра, которая отградуирована по температуре. Равенство яркостей определяется на глаз. Оптическая система пирометра совмещает в одной плоскости нить пирометра и изображение вольфрамовой ленты (вертикально). Если в месте их пересечения горизонтальная полоса не видна на фоне вертикальной, то температура исследуемого тела равна температуре нити пирометра, которая указана на шкале прибора. Но это не истинная температура, а яркостная. Яркостная температура – это температура такого абсолютно чёрного тела, яркость которого такая же, как у серого тела. Яркостная температура всегда ниже истинной (энергетической) температуры тела. Связь их устанавливается формулой Планка.

Оптико-электрическая схема установки представлена
на рис. 2.

На этом рисунке 1– ленточная вольфрамовая лампа, ее лента накала – 2 – объект исследования ; 3 – оптический пирометр, состоящий из объектива – 4, с помощью которого производится фокусировка ленты накала в плоскости нити пирометра – 5; окуляр пирометра 6 – фокусирует изображение нити пирометра. В цепи накала пирометрической лампы включен потенциометр, отградуированный по температуре. На приборе три шкалы температур: 1) 800 – 1400 С, 2) 1400 – 2000 С, 3) 2000 – 2800 С. Переключатель на верхней части кожуха пирометра.

Диапазон изменения температуры в данной работе от 900 до 1800 С, т.е. по первой и второй шкале температур.

Порядок выполнения работы

1. Включить питание пирометра и ленточной лампы тумблера на верхней крышке ЛАТРа, при этом ручка ЛАТРа должна быть в крайнем положении против часовой стрелки.

2. Установить переключатель температурных шкал на шкалу 1 и по ней температуру 900 С на нити пирометра, вращая ручку пирометра справа на его кожухе.

3. Добиться четкого изображения нити настройкой окуляра.

4. Поставить красный светофильтр лимбом на окуляре пирометра.

5. Вращая ручку ЛАТРа, добиться, чтобы яркость вольфрамовой лампы сравнялась бы с яркостью нити пирометра, т.е., чтобы в месте скрещивания нить пирометра не была видна на фоне изображения ленты.

6. Записать показание ваттметра, определяющее излучательную способность вольфрама при данной температуре.

7. Поставить на пирометре температуру 1000 С, на 100 С большую предыдущей.

8. Повторить указанное в п. 5, 6.

9. Повторить указанное в п. 7, 8 до температуры 1800 С через каждые 100 С, перейдя после 1400 С на вторую температурную шкалу.

10. Перевести все значения яркостных температур в энергетические (по графику) и выразить их в градусах Кельвина.

11. Рассчитать для каждой температуры  по формуле (7).

12. Рассчитать относительную ошибку измерения

  %       (6)

и , где  и  определяются как половина цены деления соответствующего прибора.

13. Определить ширину доверительного интервала (абсолютную ошибку) для  при каждой температуре.

14. Построить график , отразив на нем доверительный интервал для каждого .

Таблица 1

,       .

N, Вт

, К

1.

900

2.

1000

3.

1100

4.

1200

5.

1300

6.

1400

7.

1500

8.

1600

9.

1700

10.

1800

PAGE  9


EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

Рис. 1. Спектральная зависимость излучательной способности:

 1 – абсолютно чёрного тела;

 2 – серого тела при той же температуре.

Рис. 2. Оптико-электрическая схема установки


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

12354. Изучение свойств p-n перехода 283 KB
  Лабораторная работа № 23 Изучение свойств pn перехода 1. Цель работы: изучение вольтамперных характеристик при прямом и обратном направлении протекающего через переход тока и вольтфарадной зависимость емкости перехода от приложенного напряжения характеристики pn...
12355. Изучение вынужденных колебаний в колебательном контуре 343.5 KB
  Лабораторная работа № 22 Изучение вынужденных колебаний в колебательном контуре 1. Цель работы: изучение зависимости тока в колебательном контуре от частоты источника включенного в контур измерение резонансной частоты контура. 2. Вынужденные колебания в RLCконтур
12356. Скин-эффект в металле 182.5 KB
  Лабораторная работа № 21 Скинэффект в металле 1. Цель работы: Изучение скинэффекта в металле. 2. Электромагнитная индукция. Вихревое электрическое поле. Явление электромагнитной индукции состоит в том что в проводящем контуре находящемся в переменном магнитном
12357. Изучение магнитного поля соленоида с помощью датчика Холла 198.5 KB
  Лабораторная работа № 20 Изучение магнитного поля соленоида с помощью датчика Холла 1. Цель работы: исследование магнитного поля на оси соленоида с использованием датчика Холла. 2. Методика измерений. Сначала получим выражение для расчета индукции магнитного пол
12358. Определение отношения заряда электрона к его массе методом магнетрона 245 KB
  Лабораторная работа № 19 Определение отношения заряда электрона к его массе методом магнетрона 1. Цель работы: измерение удельного заряда |e|/m электрона. 2. Методика измерений Существуют различные методы определения отношения |e|/m в основе которых лежат результа...
12359. Исследование распределения термоэлектронов по скоростям 146 KB
  Лабораторная работа № 18 Исследование распределения термоэлектронов по скоростям 1. Цель работы: экспериментальное исследование распределения Максвелла. 2. Обоснование метода исследования. В замкнутом сосуде наполненном газом при температуре Т устанавливается...
12360. Ремонт стартера 427 KB
  Стартер является основным прибором системы пуска двигателя и представляет собой четырехнолюсный электродвигатель для преобразования электрической энергии аккумуляторной батареи в механическую и передачи ее на маховик с целью прокрутки коленчатого вала двигателя.
12361. Определение характеристик постоянного магнита по измерениям с датчиком Холла 249.5 KB
  Лабораторная работа № 16 Определение характеристик постоянного магнита по измерениям с датчиком Холла 1. Цель работы: Определение характеристик постоянного магнита по измерениям с датчиком Холла. 2. Эффект Холла. Эффект Холла заключается в том что если пропустит...
12362. Исследование характеристик поперечного датчика Холла 266.5 KB
  Лабораторная работа № 15 Исследование характеристик поперечного датчика Холла 1. Цель работы: Исследование характеристик поперечного датчика Холла 2. Эффект Холла. Эффект Холла заключается в том что если пропустить через металлическую или полупроводниковую пла