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

43243. Проектирование одноосного гироскопического стабилизатора на безе чувствительного элемента заданного типа 1.98 MB
  Качка основания Частота вибраций Гц Угловое движение Расположение оси стабилизации Частота Гц Амплитуда град. 2 частотами и амплитудами происходит вокруг осей отмеченных символом x; ось стабилизации расположена параллельно оси указанной в табл. ВВЕДЕНИЕ Системы гироскопической стабилизации различных видов применяются в навигационных устройствах и системах управления кораблей и ЛА а также в системах ориентации антенн телескопов и других приборов установленных на движущихся объектах.
43244. Процесс синхронизации телевизора LG и компьютера 2.36 MB
  Данное напряжение получается в схеме платы сопряжения из питающего напряжения 5Вольт логических элементов микросхем. Сторона элементов В таблице 4 отразим перечень элементов используемых в разработанной плате сопряжения ПК с телевизором. Таблица 4 Перечень элементов схемы электрической принципиальной сопряжения ПК с телевизором Поз. РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ Расчет надежности чаще всего сводится к определению числовых значений наработки на отказ Т0 и вероятности безотказной работы Рt по известным интенсивностям отказов элементов.
43245. Расчёт ПОТС и ЦРБ 605.5 KB
  Техническая служба ГПС включает систему управленческих, производственно-технических и оперативных подразделений, организуемых в целях технического и материального обеспечения оперативно-служебной и хозяйственной деятельности пожарной охраны.
43246. Проектирование технологического процесса изготовления детали типа «корпус редуктора» в условиях крупносерийного производства 1.25 MB
  Курсовой проект является большой самостоятельной работой будущего технолога, направленной на решение конкретных задач в области совершенствования технологии, организации производства и улучшение технико-экономических показателей работы участка. Наряду с этим курсовое проектирование закрепляет умение студента пользоваться справочной литературой, ГОСТами, таблицами, номограммами, нормами и расценками умело, сочетая справочные данные с теоретическими знаниями, полученными в процессе изучения курса. Проект закрепляет, углубляет и обобщает знания, полученные студентами во время лекционных и практических знаний.
43247. Моделирование процесса функционирования ВЦ при условии, что обработать необходимо 100 заданий 2.02 MB
  После обработки на процессоре как коротких так и длинных заданий производится вывод результатов на печать в течение 2 1 мин. Смоделировать процесс функционирования ВЦ при условии что обработать необходимо 100 заданий. Определить число коротких и длинных заданий ожидающих обработки а также число обработанных коротких заданий и коэффициент загрузки процессора.
43248. Проектирование стальной промежуточной опоры с исходными данными для проектирования 902.5 KB
  Характеристика провода. Нахождение исходного режима работы провода. Общая характеристика воздушной линии электропередач Воздушная линия электропередачи ВЛ служит для передачи и распределения электрической энергии по проводам расположенным на открытом воздухе и прикрепленным к опорам или кронштейнам и стойкам на инженерных сооружениях при помощи изоляторов и арматуры. Основными элементами воздушных линий являются провода изоляторы линейная арматура опоры и фундаменты.
43249. РОЗРАХУНОК ХАРАКТЕРИСТИК РАДІОТЕХНІЧНИХ СИГНАЛІВ 226.5 KB
  Розрахунок параметрів первинного аналогового сигналу.Розрахунок параметрів сигналу аналогової модуляції. Розрахунок параметрів первинного цифрового сигналу. Розрахунок параметрів сигналу дискретної модуляції.
43250. Доходи Державного бюджету України 185 KB
  Характеристика доходів державного бюджету. Соціальноекономічна суть призначення і роль доходів Державного бюджету України. Джерела надходжень державного бюджету.Аналіз та склад доходів бюджету за перше півріччя 20092010рр. Одержавлення національного доходу здійснюється державою різними методами. Основним методами, які використовуються органами державної влади для перерозподілу національного доходу та утворення бюджетних доходів, являються податки, державний кредит та емісія грошей.
43251. Полевые транзисторы в интегральных схемах 323.5 KB
  Чем больше обратное напряжение тем глубже обедненный слой и тем соответственно меньше толщина канала w. Таким образом меняя обратное напряжение на затворе можно менять поперечное сечение а значит и сопротивление канала. При наличии напряжения на стоке будет меняться ток канала т. Определим зависимость толщины и сопротивления канала от управляющего напряжения на затворе при нулевом напряжении на стоке.