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

62770. Написание безударных суффиксов глаголов в прошедшем времени 22.35 KB
  Какую букву будем писать в суффиксе и почему Следующее слово нам объяснит выбираем ребенка. Медвежонок Какую букву вставляем Почему Следующее слово сонный. Какую букву пишем в окончании Почему Теплый.
62771. Развитие умения писать слова с разделительным твердым знаком 141.51 KB
  Цели: образовательные: сформировать навык написания разделительного твердого знака в словах; продолжить работу над формированием каллиграфического навыка; закрепить умения писать словарные слова; развивающие...
62772. Морфология. Местоимение. Относительные местоимения 22.5 KB
  Цель урока: сформировать понятие об относительных местоимениях знания об их основных морфологических и синтаксических особенностях. 2 Вступительная беседа Сегодня мы познакомимся с относительными местоимениями особенностями их склонения.
62773. МЯГКИЙ ЗНАК ПОКАЗАТЕЛЬ МЯГКОСТИ СОГЛАСНЫХ НА КОНЦЕ И В СЕРЕДИНЕ СЛОВА 14.84 KB
  Цели урока: наблюдение над мягким знаком-показателем мягкости согласных, его особенностями, развитие умения различать в речи и писать слова с мягким знаком для обозначения мягкости согласных на конце и в середине слова...
62774. Правописание проверяемых и непроверяемых непроизносимых согласных, безударных гласных и парных согласных в корне слова 31.08 KB
  Цели: обучающая: учащиеся должны уметь называть орфограмму Проверяемые и непроверяемые непроизносимые согласные Безударные гласные Парные согласные в корне слова и находить их; учащиеся должны уметь называть орфограммы; уметь самостоятельно подбирать проверочные слова.
62776. Причастный оборот 26.97 KB
  Цель урока: закрепление понятия о причастном обороте, его роли в предложении, знакомство с правилами выделения причастного оборота запятыми.
62777. Перенос слов 15.6 KB
  Совершенствование умения выполнять звуко-буквенный анализ слова 3. Развитие умения слышать и видеть в словах опасные места орфограмму. Назовите буквы алфавита с которых не начинаются слова Мягкий знак твердый знак ы.