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

1478. СОПОСТАВИТЕЛЬНЫЙ КОГНИТИВНЫЙ И ЛИНГВОКУЛЬТУРОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РУССКИХ, БОЛГАРСКИХ И АНГЛИЙСКИХ АНЕКДОТОВ 339.73 KB
  Рассмотрение таких понятий как юмор, картина мира, стереотип, установка, ментальность, а также изучить понятие анекдот, проблему его определения отечественными и зарубежными исследователями, рассмотреть различные теории юмора, выработать исходные позиции.
1479. Мостовые устройства СВЧ 357.77 KB
  Проектирование делителя (сумматора) мощности пополам (моста Уилкинсона) на микрополосковых ЛП. Проектирование делителя (сумматора) мощности пополам (моста Уилкинсона) на основе сосредоточенных реактивных элементов. Расчет МУ на сосредоточенных элементах.
1480. Проектирование металлических конструкций при строительстве здания 355.91 KB
  Расчет прокатных балок. Расчетная толщина сварочного углового шва. Расчетная нагрузка на вспомогательную балку. Требуемая площадь поясных горизонтальных листов. Расчет монтажного стыка сварной балки. Стык на высокопрочных болтах.
1481. ДЕРИВАЦИОННЫЕ ОСОБЕННОСТИ В СФЕРЕ СОВРЕМЕННОГО НАРЕЧНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 342.23 KB
  Оценить продуктивность типов производства слов наречного класса, обратив внимание на изменение в этом аспекте по сравнению с прежними показателями. На основе изученного материала выявить наиболее активные процессы в современном наречном словообразовании. Установить специфику деривационных процессов при производстве слов наречного класса в сленге.
1482. Дискурсивно-лингвистические аспекты искусственного билингвизма 343.72 KB
  Проанализировать существующие точки зрения по проблематике исследования, уточнив соотношение понятия билингвизм со смежным понятием диглоссия. Определить содержание понятия дискурсивно-лингвистическая компетенция билингвов. Установить и описать генезис переводческих механизмов у студентов-билингвов на разных ступенях обучения посредством уточнения понятия единицы перевода.
1483. КОГНИТИВНЫЕ МОДЕЛИ СУБСТАНДАРТНОЙ СЕМАНТИЧЕСКОЙ ДЕРИВАЦИИ 344.53 KB
  Цель диссертационной работы заключается в определении семантической структуры субстандартных дериватов английского и русского языков и установлении системы когнитивных моделей субстандартных глаголов умственной деятельности указанных языков с точки зрения когнитивной лингвистики.
1484. СПЕЦИАЛИЗИРОВАННАЯ ПСИХОЛОГИЧЕСКАЯ ПОМОЩЬ ВЫПУСКНИКАМ КЛАССОВ КОРРЕКЦИОННО-РАЗВИВАЮЩЕГО ОБУЧЕНИЯ С КОНСТИТУЦИОНАЛЬНО-ТИПОЛОГИЧЕСКОЙ ПРЕДИСПОЗИЦИЕЙ ЛИЧНОСТИ 1018.64 KB
  Теоретическое обоснование проблемы конституционально-психотипологической предиспозиции личности в российской психологии. Материал, методы исследования и психологического сопровождения выпускников классов коррекционно-развивающего (компенсирующего) обучения, имеющих конституционально-психотипологическую предиспозицию личности. Сравнительный эмпирический и экспериментально-психологический анализ обследованных подростков.
1485. ПСИХОЛОГО-ПЕДАГОГИЧЕСКОЕ СОПРОВОЖДЕНИЕ ДЕТЕЙ-СИРОТ КАК СРЕДСТВО ИХ СОЦИАЛИЗАЦИИ 1017.35 KB
  Научно-теоретические основы психолого-педагогического сопровождения детей-сирот в условиях детского дома. Организационно-содержательные условия психолого- педагогического сопровождения детей-сирот в условиях детского дома. Модель психолого-педагогического сопровождения детей-сирот в условиях детского дома.
1486. СИМВОЛИКА АРХИТЕКТУРНОГО ЛАНДШАФТА МОСКОВСКОГО КРЕМЛЯ И ОСТРОВА СИТЕ (ПАРИЖ) В ВОСПРИЯТИИ ПРЕДСТАВИТЕЛЕЙ РОССИЙСКИХ И ФРАНЦУЗСКИХ СУБКУЛЬТУР ХIХ – НАЧАЛА ХХ ВВ. 1016.13 KB
  Восприятие символики архитектурных ландшафтов: теоретический обзор в контексте исследования Символика архитектурного ландшафта Московского Кремля в восприятии представителей французских субкультур начала - середины XIX в. Символика архитектурного ландшафта острова Сите в восприятии представителей российских субкультур начала ХIХ в.