ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ИНТЕГРАЛЬНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ИЗЛУЧЕНИЯ ТЕЛА МЕТОДОМ СПЕКТРАЛЬНЫХ ОТНОШЕНИЙ Оборудование: Модульный учебный комплекс МУК-ОК Краткое теоретическое описание 1. <...> Тогда для узкого диапазона длин волн от λ до λ+dλ , в котором испускательную способность r можно считать постоянной, энергетическая светимость * T , абсолютно черного тела равна * выражается формулой r A T r T, тела. <...> Следовательно, энергетическую светимость тела для диапазона длин волн от λ до λ+dλ найдем по формуле d A T rT d R ( , ) * , dR2 2A r d 2 dR1 A r d * * 1 1 2 (3) Рассмотрим излучение тела с температурой Т для двух различных длин волн λ1 и λ2 при различных значениях диапазонов dλ1 и dλ2 соответственно 1 (4) dR rT d * , ( , ) T, , где A T( , ) 1 (2) Если тело не является абсолютно черным, то его испускательная способность * - спектральный коэффициент излучения , (1) где А1 и А2 – спектральные коэффициенты излучения тела при длинах волн λ1 и λ2 соответственно. <...> Интегральный коэффициент излучения тела АТ определяется отношением R A R T * T T где RT - энергетическая светимость тела при температуре Т, R* (12) T - энергетическая светимость абсолютно черного тела при этой же температуре. <...> Для вольфрама, который используется в данной лабораторной работе в качестве источника излучения (нить накала электролампы), интегральный коэффициент излучения для температуры Т=2000К надежно измерен. <...> Выразим интегральный коэффициент излучения при некоторой температуре Т через измеряемые величины и А2000. <...> Согласно определению R A R T RT * T R T * T * 2000 A2000 абсолютно черного тела в этих выражениях равны 4 R R 2000 2000 * Учтем, что по закону Стефана-Больцмана энергетические светимости 20004 (13) Если считать, что потери энергии за счет теплопроводности и конвекции малы, т.е. вся подводимая к вольфрамовой нити лампы энергия электрического тока превращается в энергию излучения, то энергетическая светимость <...>
Курс_общей_физики.pdf
Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования "Воронежский государственный университет"
Физический факультет
КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ
Лабораторный практикум по оптике
Учебно-методическое пособие для вузов
Составители:
Л.П. Нестеренко,
А.М. Солодуха
Воронеж 2014
Стр.1
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ИНТЕГРАЛЬНОГО КОЭФФИЦИЕНТА
ИЗЛУЧЕНИЯ ТЕЛА МЕТОДОМ СПЕКТРАЛЬНЫХ ОТНОШЕНИЙ
Оборудование: Модульный учебный комплекс МУК-ОК
Краткое теоретическое описание
1. Измерение температуры источника излучения
Испускательная способность абсолютно черного тела может быть определена
для различных длин волн и температур по формуле Планка
2
rT,
*
2 hc
5
e
1
kT
hc
1
Где с – скорость света в вакууме;
h – постоянная Планка;
λ – длина волны излучения;
k – постоянная Больцмана;
Т – абсолютна температура.
Тогда для узкого диапазона длин волн от λ до λ+dλ , в котором испускательную
способность
r можно считать постоянной, энергетическая светимость
*
T ,
абсолютно черного тела равна
*
выражается формулой
r A T r
T,
тела.
Следовательно, энергетическую светимость тела для диапазона длин волн от λ
до λ+dλ найдем по формуле
d A T rT d
R ( , )
*
,
dR2 2A r d 2
dR1 A r d
*
*
1 1
2
(3)
Рассмотрим излучение тела с температурой Т для двух различных длин волн
λ1 и λ2 при различных значениях диапазонов dλ1 и dλ2 соответственно
1
(4)
dR rT d
*
,
( , ) T,
, где A T( , ) 1
(2)
Если тело не является абсолютно черным, то его испускательная способность
*
- спектральный коэффициент излучения
,
(1)
Стр.3
R
A R
T
RT
* T
R
T
*
T
*
2000
A2000
абсолютно черного тела в этих выражениях равны
4
R
R
2000
2000
*
Учтем, что по закону Стефана-Больцмана энергетические светимости
20004
(13)
Если считать, что потери энергии за счет теплопроводности и конвекции
малы, т.е. вся подводимая к вольфрамовой нити лампы энергия электрического тока
превращается в энергию излучения, то энергетическая светимость источника можно
выразить через мощность РИСТ, которая рассеивается на нем:
S
R Pист
T
где S - площадь излучающей поверхности.
Найдем отношение коэффициентов излучения
*
AT
A2000
R R
R R
T
T
*
2000
2000
P
ист
S T Pист2000
2000 S4
4
20004
P
ист2000
ист
(14)
T
T K P
P
4
ист
4
Величину К в последней формуле можно определить из вышеописанных
опытов по определению температуры, если в процессе измерений снимать
дополнительно значения мощности, рассеиваемой источником. Это несложно
сделать, т.к. источник излучения нагревается электрическим током, мощность
которого равна
P UIист
K Pист
20004
(16)
Следовательно, для интегрального коэффициента излучения получаем формулу
4
T
A A K Pист
T
А2000=0,249.
Описание установки.
В данной работе используется двухчастотный регистратор теплового излучения
РТИ 1, показанный на рисунке 1.
2000
(17)
(15)
где U - напряжение на вольфрамовой спирали источника теплового излучения, I -
сила тока в спирали. Тогда при Т=2000К
Стр.6
Рисунок 1.
На передней панели прибора РТИ 1 расположены:
1. индикатор относительной интенсивности;
2. индикатор выбранного фотоприемника;
3. индикатор тока или напряжения лампы накаливания;
4. индикатор измеряемой величины тока или напряжения;
5. регулятор напряжения накала;
6. кнопка переключения ток/напряжения накала;
7. накал (вид на лампу накаливания);
8. регулятор Jmax ;
9. кнопка переключения фотоприемников;
10. кнопка выключателя «Сеть».
Выполнение работы.
1. Включите кнопку 10 «Сеть» (рисунок 1). Ручкой регулятора напряжения накала 5,
ориентируясь по накалу 7, установите небольшую яркость лампы. Установите
регулятор 8 в определенное положение и не вращайте ее в процессе дальнейших
измерений.
2. Запишите показания вольтметра и амперметра с помощью индикатора 3 и кнопки
переключения измеряемой величины 6, при этом на индикаторах 4 будет
отображаться тип измеряемой величины. Значения напряжения и силы тока занесите
в таблицу 1.
3. Кнопкой выбора фотоприемника 9 выбрать один из фотоприемников с длиной
волны λ1 или λ2. Запишите показания J1/J0 и J2/J0 с цифрового индикатора измерителя
относительной интенсивности теплового излучения 1 и занесите в таблицу
измерений.
Стр.7
4. Постепенно увеличивая напряжение генератора, снимите такие же показания при
8-10 различных значениях напряжения и занесите в таблицу 1.
Таблица 1
N п/п U, В I, A J1/J0
1
2
3 и т.д.
5. Пользуясь формулой для расчета температуры источника излучения, вычислите
температуру для всех значений напряжения:
T
ln
J ZJ
L
2
1
, где L C2 ( 1
0
2
1 ) .
1
Значения постоянных С=hc/k=1,439 10-2 м К, Z0=1,784.
6. По данным значений силы тока и напряжения рассчитайте мощность,
выделяющуюся на спирали источника излучения для каждого значения температуры
P ист =U I. Обратите особое внимание на мощность при Т=2000 К.
7. По формуле вычислите интегральный коэффициент излучения АТ источника в
исследованном диапазоне температур и постройте график АТ=f(T):
T
A A K Pист
T
2000
4
, где
K P
2000
ист
2000
4
.
Значения постоянной А2000=0,249.
Контрольные вопросы
1. Перечислить основные характеристики теплового излучения.
2. Запишите формулу Планка для абсолютно черного тела.
3. Получите формулу для расчета температуры тела.
4. Запишите закон Стефана-Больцмана.
5. Получите выражение для расчета интегрального коэффициента излучения.
J2/J0
J1/J2
Рист
Т, К АТ
Стр.8