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

75646. Формирование невербальных основ речи в доречевой период 282.28 KB
  Формирование невербальных основ речи в доречевой период Инновационные подходы к профилактике нарушений развития Под ред. Человека впервые заинтересовавшегося вопросом развития речи ребёнка может удивить и обескуражить выбранное нами название. Основы для развития речи закладываются задолго до того когда будут произнесено первое слово. Учёные наблюдавшие за развитием младенцев находящихся в разных социальных условиях смогли выделить невербальные неречевые факторы определяющие интенсивность и качество развития речи малыша.
75647. Амвросова О.А. Рефлексия в общении как условие социализации дошкольников с общим недоразвитием речи 39.82 KB
  Основные подходы к исследованию рефлексии В рамках философского подхода рефлексия рассматривается как процесс размышления индивида о происходящем в его собственном сознании. Уже у Аристотеля Платона и позже у средневековых схоластов можно найти много глубоких рассуждений касающихся разных сторон того что сейчас относится к рефлексии все же принято считать что основной и специфический круг проблем связываемых сегодня с этим понятием зарождается лишь в новое время а именно благодаря полемике...
75648. О доминирующих мотивах деятельности детей старшего дошкольного возраста с нарушениями речи 21.09 KB
  В отечественных и зарубежных логопедических исследованиях уделяется много внимания вопросам объема, характера и качества речевых навыков, знаний, которые должны быть усвоены детьми с недоразвитием речи. Однако такой важнейший компонент деятельности, как мотивация
75649. Отношение дошкольников с ОНР к социальным нормам и правилам поведения как показатель их социального развития 31.68 KB
  Социальное развитие детей с недоразвитием речи должным образом не формируется О. В силу специфики речевого нарушения у детей ограничены контакты со взрослыми и сверстниками полноценно не осуществляется процесс общения что значительно осложняет социализацию детей. В поведении детей с ОНР отмечается ряд специфических особенностей: большое число конфликтов неумение договариваться учитывать интересы других уступать в спорах наличие рассогласования в реальном и декларируемом поведении....
75650. К вопросу о проблеме социально-психологической готовности детей с общим недоразвитием речи к обучению в школе 42 KB
  Поступление в школу является переломным моментом в жизни каждого ребенка, особенно резким в социально-психологическом статусе, так как ему приходится переходить к новым условиям деятельности, новому положению в обществе, новым взаимоотношениям со взрослыми и сверстниками
75652. Угрозы социальному развитию детей с ограниченными возможностями здоровья в дошкольном, младшем школьном и подростковом возрасте 68.84 KB
  Угрозы социальному развитию детей с ограниченными возможностями здоровья в дошкольном младшем школьном и подростковом возрасте Вестник Череповецкого государственного университета: Научный журнал. Социальное развитие детей заключающееся в усвоении социального опыта и социальных связей определяется социальной средой её качественными и количественными характеристиками. Ограниченные возможности здоровья оказывают влияние на разные компоненты социального развития детей. Общая закономерность развития детей с ОВЗ заключается в затруднениях...
75653. Особенности понимания и отражения в речи причинно-следственных отношений детьми дошкольного возраста с ОНР 81.5 KB
  Причинно-следственные отношения - одна из важнейших семантических категорий естественных языков. Причина и следствие образуют диалектическое единство
75654. Особенности организации начальной ступени образовательного процесса в студии раннего развития ребёнка 70.5 KB
  Статистика говорит о том что сейчас относительно здоровыми рождаются только 5 детей. Шматко позволит значительно снизить степень социальной недостаточности детей и достичь максимально возможного для каждого ребенка уровня развития образования и социальной интеграции. подтверждают высокую обучаемость детей раннего возраста которая основана на развитой подражательной способности познавательной и двигательной активности...