42349

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ЗАКОНА ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПЛАНКА

Лабораторная работа

Физика

Цель работы: построение по опытным данным кривой распределения излучения чёрного тела по длинам волн по частотам и ознакомление с методами оптической радиационной пирометрии. Этот вид излучения может существовать независимо от агрегатного состояния вещества в газообразных жидких и твёрдых телах. Основной особенностью теплового излучения является его равновесность: в изолированной системе тел имеющих разные начальные температуры в...

Русский

2013-10-29

121 KB

3 чел.

Лабораторная работа 8.4.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ЗАКОНА ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПЛАНКА

Библиографический список

Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высшая школа, 1985.

Савельев И.В. Курс общей физики. – М.: Наука, 1988. Т. 3.

Цель работы: построение по опытным данным кривой распределения излучения чёрного тела по длинам волн (по частотам) и ознакомление с методами оптической радиационной пирометрии.

Приборы и принадлежности: радиационный пирометр, телескоп ТЕРА-50.

Описание метода и экспериментальной установки

В результате внутриатомных процессов, проходящих в каком-либо теле при его нагревании, кинетическая анергия теплового движения преобразуется в электромагнитное излучение, возникающее в результате изменения энергетических состояний атомов и ионов, входящих в состав излучающего тела.

О тепловом излучении говорят только в тех случаях, когда оно исходит от большого количества частиц, к которым может быть применено статистическое понятие теплового состояния и температуры.

Этот вид излучения может существовать независимо от агрегатного состояния вещества - в газообразных, жидких и твёрдых телах.

Основной особенностью теплового излучения является его равновесность: в изолированной системе тел, имеющих разные начальные температуры, в результате теплообмена устанавливается равновесная температура. Источником электромагнитного излучения служит тепловая энергия тел.

Спектр теплового излучения твёрдых и жидких тел непрерывен и имеет ярко выраженный максимум, положение которого зависит от температуры вещества.

Для решения проблемы распределения электромагнитной энергии по частотам (длинам волн) при тепловом равновесии Планк ввел понятие гармонического осциллятора c частотой для представления собственного колебания (или моды) электромагнитного поля с частотой в полости с зеркальными стенками. Так была впервые сформулирована гипотеза квантов:

         ε = ħω,           (1)

где ħ = h/2.

Квантовая механика интерпретирует излучение чёрного тела в виде такой абстракции, как идеальный фотонный газ, система неразличимых частиц с целочисленным спином. Свойства частиц с целочисленным спином (бозонов), к которым относится и фотонный газ, описываются статистикой Бозе - Эйнштейна.

Исходя из гипотезы квантов и молекулярной статистики, Планк нашел аналитический вид функции распределения для фотонов. Среднее вероятное число фотонов с энергией εi по Планку

   (2)

Для вывода закона распределения энергии в спектре равновесного излучения вводится понятие фазового пространства - многомерное пространство всех обобщенных координат qi и обобщенных импульсов Pi. В фазовом пространстве выделяют фазовый объем (объем зеркального ящика) и его элементарную ячейку, равную

 (3)

где dP и dq - обобщенный импульс и координата соответственно.

Фазовый объем в пространстве импульсов в интервале  P, P + dP (рис.1) равен   4π·P2 dP. Число элементарных  ячеек в нем

  (4)

Число элементарных ячеек, т.е. квантовых фотонных состояний, во всем объеме V  зеркального ящика

  (5)

Рис. 1. Схема фазового объёма в пространстве импульсов

Фотон электромагнитного излучения обладает импульсом

P = ħ·ω/c            (6)

Число квантовых энергетических состояний (ячеек) в интервале частот ω, ω+dω определится, если выразить импульс Р и dP через частоту ω и подставить в формулу (5).

  (7)

Среднее вероятное количество фотонов в интервале частот ω, ω+dω  находится умножением числа квантовых энергетических состояний (7) на функцию распределения Планка.

 (8)

Закономерность для спектральной плотности энергетической светимости чёрного тела выражается следующим уравнением (если перемножить формулы (8) и (1) и разделить на V):

 (9)

В качестве источника теплового излучения использована галогенная лампа 1 накаливания типа КИМ 220-1000-1 благодаря ее высокой световой отдаче, большому сроку службы, весьма малым габаритам, высокой яркости и постоянству световых характеристик  в процессе работы. По своей энергетической светимости галогенная лампа близка к светимости чёрного тела. Излучение лампы пропускается через светофильтры 2 с полосой пропускания 50 нм и коэффициентом пропускания 0,3. Светофильтры выделяют излучение с длинами волн от 350 до 800 нм через 50 нм. Спектральное излучение с помощью линзы 3 фокусируется на приемник излучения  4 пирометра. С помощью батареи термопар лучистая энергия преобразуется в электрическую c некоторым коэффициентом преобразования a. Так как электрическая энергия пропорциональна напряжению U на сопротивлении термопары   ET = a·U, то

 (10)


Итак

   (11)

Для данной температуры с изменением частоты будет меняться и напряжение на сопротивлении пирометра. Изменение напряжения фиксируется милливольтметром. Кривая распределения излучения строится в координатах UT и ω(λ).

Порядок выполнения работы

  1.  Включить установку в сеть напряжением 220 В.
  2.  Переключателем устанавливать последовательно температуры T1 = 1000 °C, T2 = 1500 °С и Т3 = 2000 °С.
  3.  Для каждой из температур получить показания милливольтметра в зависимости от указанных на фильтрах длин волн.
  4.  Полученные данные записать в таблицу.

Таблица 1

№ п/п

Спектр в частотах

U, мВ

T1

T2

T3

1

Инфракрасный

2

Красный

3

Оранжевый

4

Желтый

5

Зеленый

6

Голубой

7

Синий

8

Фиолетовый

9

Ультрафиолетовый

Задания

  1.  Построить графики изменения напряжения на сопротивлении термопары для 3 температур на 1 листе миллиметровой бумаги.
  2.  Из графика закона Планка сделать выводы:

а) Как зависит ρ(ω) от температуры?

б) Как  ρ(ω) распределяется по частотам?

в) Куда смещается максимум  ρ(ω) при повышении температуры?

Контрольные вопросы

  1.  Какова особенность теплового излучения?
  2.  В чем состоит физическая сущность гипотезы квантов?
  3.  Какие части кривой распределения представляются соотношениями:  ħω = kT, ħω >> kT, ħω << kT ?
  4.  Какое тело называется чёрным?
  5.  Вывести из закона Планка закон Стефана-Больцмана, Вина и Релея – Джинса.
  6.  В чем суть ультрафиолетовой катастрофы?
  7.  Отличие распределений Больцмана, Ферми – Дирака и Бозе – Эйнштейна.

PAGE  29


z

x

p

p

0

y

Рис. 2. Схема экспериментальной установки

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

  1.  

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

52791. Наш край у 1960-1980-ті роки. Дудчани: на вістрі часу і подій 77.5 KB
  Випереджувальне завдання: підготувати звіт груп про соціологічне опитування мешканців села Дудчани ХІД УРОКУ І. А що думають пересічні громадяни нашої країни зокрема села про ті часи ІІІ. Вивчення нового матеріалу Звіт про соціологічне опитування мешканців села Дудчани 1 група. У процесі облаштування ділянки біля Будинку культури та насадженні липової алеї в честь загиблих у Велику Вітчизняну війну односельчан брали участь жителі села учні школи та вчителі.
52792. Тематична відкрита виховна година-зустріч в 4-Б класі до Дня Збройних Сил України «У здоровому тілі – здоровий дух» 121.5 KB
  Україна Учитель: Україна Край наш рідний Золота чарівна сторона Земля твоя рястом уквітчана зелом закосичена. Учитель: Діти. Учитель: Так діти козаки горді веселі кмітливі й незалежні сміливі і відважні сильні спритні здорові духом.Степаненка Питання Відповіді Учитель: Подякуємо діти і привітаємо зі святом Юрія Івановича.
52793. Влияние духовной жизни на здоровье человека 33.5 KB
  Донецка Интегрированный урок курсов Этика и Основы здоровья в 5м классе на тему Влияние духовной жизни на здоровье человека Подготовила: учитель Пак В. Тема: Влияние духовной жизни на здоровье человека. Цель урока: рассказать ученикам о влиянии духовной жизни на здоровье человека; подвести их к выводу о взаимосвязи духовного и физического здоровья; привить стремление к духовнонравственному благополучию; формировать ответственность за свое здоровье жизнь и здоровье других людей. На прошлом уроке мы с вами говорили о том что...
52794. Урок духовності. Весна – красна 53 KB
  Хід уроку Учитель: Доброго дня учні Доброго дня гості Сьогодні ми побуваємо в гостях у наших предків ознайомимося з національними скарбами українського народу щоб зрозуміти наскільки багата наша культура і невичерпна духовність. Пісня В саду гуляла Учитель: Традиції залишаються вірними собі. Пісня Два кольори Учитель: традиції залишаються а земля змінюється і оновлюється. Учитель: 1 березня 14 березня за новим стилем день Явдохи це свято є вісником весни.
52795. СТАНОВЛЕНННЯ ДУХОВНОСТІ ОСОБИСТОСТІ 32 KB
  Вибір соціальногуманістичного змісту життя диктує шляхи й засоби реалізації високого суспільного ідеалу виховання вільної гармонійної духовноінтелектуальної високоморальної творчої особистості адаптованої до нових умов різнобічно розвиненої соціально зрілої яка успішно засвоює цінніснонормативний досвід попередніх поколінь людства й свого народу виробляючи свій власний досвід діяльності творчості спілкування. Де пролягає шлях до духовності учня Насамперед через духовність вчителя мудрого наставника який...
52796. Наша дума, наша пісня – не вмре, не загине 57.5 KB
  Київ В сценарії висвітлено роль значення і невичерпну силу пісні в житті людини від прапрадівських часів до наших днів. Армійські маршові пісні. Стрілецькі пісні. Пісні про Велику Вітчизняну війну.
52797. Любов’ю збережемо здоров’я нації 37.5 KB
  Але набагато страшнішим є те що люди не лише ламають свою вагу а й втручаються в роботу дитячих ваг ламаючи їх в присутності дітей зважують своєю зламаною вагою вчинки інших навязуючи свої помилкові твердження словом грають на струнах дитячих душ. Ми вчителі дуже раділи коли за такий короткий час підготували дітей до виступу. Та як ми були здивовані спостерігаючи за реакцією батьків на виступ дітей. А ця неприязнь до чужих дітей передається власним діткам.
52798. Древнейшие государства Двуречья 95 KB
  Ожидаемые результаты: После этого урока учащиеся смогут: характеризовать природно-климатические условия и географическое положение государств Двуречья; называть племена которые населяли Двуречье в древности первые цивилизации в долинах Тигра и Евфрата; определять закономерности развития цивилизаций в долинах рек на примерах изучаемой страны; продолжать работу с атласом и контурной картой показывать на настенной демонстрируемой карте и в атласе территорию Двуречья отмечать ее на контурной карте; применять и объяснять понятия и...
52799. СЦЕНАРІЙ ЛІТЕРАТУРНО-МИСТЕЦЬКОГО ЗАХОДУ «ДЖЕРЕЛО ТВОРЧОСТІ» 176.5 KB
  Якою джерельною чистою мовою говориш ти сьогодні. 1ша ведуча Звичайно джерельною А ти взагалі бачив джерельце Ти бачив те маленьке диво чудо природи Як воно ніжне але таке сильне виплескує на землю воду потім утворює струмок напуває річку несе воду до моря А море живить океан океан життя океан творчості 2й ведучий Твоя розповідь нагадала мені як у нашому житті зявляється творча особистість як проходить її становлення як вона самореалізується. 2й ведучий Ласкаво просимо з нами побувати у мандрівці Разом з...