Министерство образования и науки РФ Федеральное агентство по образованию

Российский государственный университет нефти и газа

им. И.М. Губкина

Кафедра физики http://physics.gubkin.ru

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 305 ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Москва

3

Лабораторная работа № 305 Тепловое излучение I. Цель и содержание работы. Целью данной работы является ознакомление с законами теплового излучения. Содержание работы состоит в получении зависимости энергии, излучаемой твердым телом от длины волны излучемого света. II. Краткая теория. Тепловым излучением называют электромагнитные волны, испускаемые атомами, которые возбуждаются за счет энергии их теплового движения. Если излучение находится в равновесии с веществом, его называют равновесным тепловым излучением. Все тела при температуре Т > 0 К испускают электромагнитные волны. Разреженные одноатомные газы дают линейчатые спектры излучения, многоатомные газы и жидкости - полосатые спектры, т.е.области с практически непрерымным набором длин волн. Твердые тела излучают сплошные спектры, состоящие из всевозможных длин волн. Человеческий глаз видит излучение в ограниченном диапазоне длин волн примерно от 400 до 700 нм. Чтобы человек смог увидеть излучение тела, температура тела должна быть не ниже 700 оС. Тепловое излучение характеризуют следующими величинами:

W - энергия излучения (в Дж);

(Дж/с = Вт) - световой поток или мощность излучения - это энергия, излучаемая (или поглощаемая) за единицу времени;

(Дж/(с.м2) - энергетическая светимость (ΔS - площадь излучающей поверхности). Энергетическая светимость R - по смыслу – это энергия, излучаемая единичной площадью за единицу

времени по всем длинам волн λ от 0 до ∞ .

Кроме этих характеристик, называемых интегральными, используют также спектральные характеристики, которые учитывают количество излучаемой энергии, приходящейся на единичный интервал длин волн или единичный интервал

частот: (Дж/(с.м3) излучательная способность - по смыслу -это энергия, излучаемая единичной площадью в единицу времени в единичном интервале: 1) длин волн или (Дж/ м2) 2) частот.

поглощательная способность (коэффициент поглощения) - это отношение поглощенного светового потока к падающему потоку, взятых в малом интервале длин волн вблизи данной длины волны.

tWФΔΔ

=

StWRΔΔ

Δ=

λλ ΔΔΔΔ

= St

Wr

νν ΔΔΔΔ

= St

Wr

падающ

поглощФФ

aΔΔ

=

4

В качестве научной абстракции при изучении теплового излучения используют понятие - абсолютно черное тело (АЧТ) - это тело, которое поглощает все падающие на него лучи. Для АЧТ коэффициент поглощения а = 1. Реальной модельюАЧТ может служить замкнутая полость с небольшим отверстием (см.рис.1) Рис.1.Модель АЧТ. Тело, у которого коэффициент поглощения электро- магнитного излучения меньше единицы и не зависит от длины волны, называют серым телом. Зависимость излучательной способности АЧТ r от длины волны λ показана на рис.2. Эти кривые математически описываются формулой, которая называется формулой Планка:

Здесь λ- длина волны излучения, с - скорость света в вакууме, к - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, h - постоянная Планка. Из формулы Планка можно вывести законы излучения АЧТ, которые ранее были получены экспериментально: Рис.2.Распределение излучательной способностиАЧТ 1) закон Стефана - Больцмана:

который формулируется так: энергетическая светимость АЧТ прямо пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры.

2).закон смещения Вина:

который формулируется так: длина волны, на которую приходится максимум излучения обратно пропорциональна абсолютной температуре.

Здесь: σ = 5,67.10−8 Вт/(м2.К4) - постоянная Стефана - Больцмана. в = 2,9.10−3 м.К - постоянная Вина.

Для серого тела закон Стефана-Больцмана можно записать как: R = α·σ Т4, где α = const и называется коэффициентом черноты или коэффициентом серости.

4TR σ=

Tb

=maxλ

( ) 11 2

5

2

−=

kThchcr

λλ

πexp

5

III. Приборы и принадлежности.

Схема установки, используемой в работе, показана на рис. 3. Здесь: 1 - источник теплового излучения - нихромовая проволока, намотанная спирально виток к витку в форме цилиндра; 2 - модулятор, изготовленный в виде цилиндрического стакана с равномерно расположенными по окружности окнами прямоугольной формы и предназначенный для периодического прерывания потока излучения; 3 - электродвигатель модулятора; 4 - инфракрасные светофильтры, 5 - сферическое зеркало, 6 - фотоприемник излучения, 7 - блок обработки сигнала с цифровым

Рис. 3. Схема лабораторной вольтметром и 8 - блок питания. установки

Лабораторная установка выполнена в виде единого прибора (см. рис. 4), состоящего из оптико-механического блока 1, закрытого прозрачным кожухом (что позволяет видеть фильтры, зеркало

Рис. 4. Общий вид прибора. и фотоприемник), и электронного блока 2. Здесь: 3 - инфракрасные фильтры; 4 - ручка для поворота фильтров (вращать только по часовой стрелке!); 5 - зеркало, формирующее изображение светового сигнала на фотоприемнике; 6 - кнопка включения прибора в сеть; 7 - кнопка модулятора; 8 -кнопка «ДИАПАЗОН»; 9 - кнопки Т1, Т2, Т3, устанавливающие три различных температуры нагревателя; 10 - цифровой вольтметр. Около каждой кнопки имеется световой индикатор. Нихромовый излучатель можно считать серым телом, поэтому кривая излучения для него аналогична кривой излучения АЧТ (см.рис. 2). Модуляция (прерывание) светового потока осуществляется с целью устранения влияния фоновых засветок, уменьшения влияния внутренних шумов фотоприемника и электронных схем, а также для эффективной обработки полезного сигнала.

6

В установке используется семь узкополосных инфракрасных светофильтров с шириной спектра пропускания, равной Δλ = (2÷ 2,5)% λmax, измеренной на полувысоте линии пропускания. Фотоприемник обладает практически одинаковой чувствительностью в диапазоне длин волн 2 - 20 мкм, поэтому показания вольтметра пропорциональны количеству энергии, падающей на фотоприемник.

III. Порядок выполнения работы.

1. Включить прибор в сеть нажатием кнопки 6 (рис.4), при этом должен загореться световой индикатор рядом с кнопкой.

2. Включить кнопку нагревателя Т1 и выждать 10 - 15 минут для прогрева установки.

3. Ручкой 4, поворачивая ее только по часовой стрелке (направление вращения указано на приборе) установить в рабочее положение фильтр №1.

4. Включить модулятор кнопкой 7. 5. При отжатой кнопке 8 (диапазон 1) снять показания U вольтметра 10. Первый

диапапзон рассчитан на напряжение до 2 вольт. Если показания окажутся больше 2 вольт, вольтметр на будет показывать цифры после запятой. В этом случае следует перейти на диапазон 2, т.е. нажать кнопку «ДИАПАЗОН». Внимание! Показания вольтметра в диапазоне 2 следует умножать на 3. Данные записать в таблицу 1. Если напряжение меньше 2 вольт и может быть измерено как на 1-ом, так и на 2-ом диапазонах, следует использовать более точный 1-ый диапазон.

6. Ручкой 4, вращая ее только по часовой стрелке, установить фильтр №2. Снять показания вольтметра (см. п.5).

7. Поворачивая ручку 4, устанавливать последовательно фильтры №3, №4, №5, №6, №7. (фильтр №8 не используется в данной работе). Произвести отсчеты и записать в таблицу 1.

8. Все измерения (п.п.5 - 7) повторить еще два раза. 9. Проделать аналогичные измерения для других температур. При переключении

температур включить кнопку Т2 и выждать 5 минут. Аналогично для Т3. V. Обработка результатов измерений. 1. Вычислить средние значения показаний U вольтметра для каждого фильтра. 2. Построить на одном графике зависимости U от длины волны λ для трех

температур Т1, Т2 и Т3, используя различные обозначения для точек, например,♦,• и ×. Рекомендуется использовать миллиметровую бумагу. Масштаб по горизонтальной оси для длин волн λ: 1 мкм = 20 мм, по вертикальной оси для напряжений U: 1 вольт = 50 мм. Графики должны иметь вид, аналогичный тем кривым, которые приведены на рис. 2.

3. Найти по графику длины волн λmax, соответствующие максимам излучаемой энергии, записать в таблицу 2.

7

4. Используя закон смещения Вина λmax = Тв , где в = 2,89.10−3 м.К - постоянная

Вина, вычислить соответствующие температуры Т. Записать в таблицу 2.

Таблица 1. Показания вольтметра U (в вольтах).

№№ светофильтров и длины волн λ пропускаемого света 1 2 3 4 5 6 7

Темпе-рату-ра

№ измерений

2,1 мкм 2,5 мкм 3,2 мкм 3,9 мкм 4,5 мкм 6,2 мкм 8,5 мкм1 2

Т1

3 Ср.значение U

1 2

Т2

3 Ср.значение U

1 2

Т3

3 Ср.значение U Таблица 2.

Нагреватели Т1 Т2 Т3

λmax Температура, Т К

VI. Контрольные вопросы.

1. Что называется тепловым излучением? равновесным тепловым излучением? 2. Какие вы знаете интегральные характеристики теплового излучения? 3. Перечислите спектральные характеристики теплового излучения, напишите

выражения, определите физический смысл. 4. Что называется абсолютно черным телом? серым телом? 5. Нарисуйте кривые излучения абсолютно черного тела при различных

температурах. 6. Напишите выражение и сформулируйте закон Стефана-Больцмана. 7. Напишите выражение и сформулируйте закон смещения Вина. Почему он

называется законом смещения? Что именнно смещается? 8. Расскажите об установке, используемой в данной работе. 9. При каких условиях показания вольтметра можно считать пропорциональными

энергии излучения?

8

10. Оцените относительную и абсолютную погрешности в определении температуры нагревателя.

Литература. И.В. Савельев. Курс физики, т.1.,М., 1989 г. и все последующие издания.

Володина Лилия Александровна.

Лабораторная работа № 305. Тепловое излучение.

Методическое пособие

Сводный тем.план 2004

Подписано в печать Формат 60Х90/22

Объем -изд.л Тираж 400 экз. Заказ №

Отдел оперативной полиграфии РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина 117917, Москва, ГСП-1, Ленинский пр., 65