Методика проведения эксперимента




Теоретические сведения

Тепловым излучением называется электромагнитное излучение тела, обусловленное возбуждением атомов и молекул тела вследствие их теплового движения. Интенсивность теплового излучения и его спектральный состав зависят от температуры, химической природы и агрегатного состояния светящегося тела. При достаточно низкой температуре в тепловом излучении отсутствует видимый свет.

Для количественной сценки способности каждого тела испускать и поглощать свет определенной длины волны при некоторой температуре Т вводятся особые физические величины, называемые соответственно испускательной rλ,T и поглощательной aλ,T способностями тела. Испускательная способность rλ,T тела есть поток энергии, испускаемый единицей поверхности тела в единичном интервале частот rλ,T зависит от длины волны (частоты) и температуры.

Поглощательная способность тела aλ,T, есть отношение элементарного потока энергии dΦ’, поглощенного элементарной площадкой поверхности тела dS, к элементарному потоку энергии, падающему на эту площадку, т.е.

(1)

aλ,T также зависит от длины волны (частоты) и температуры.

Тело, которое при любой, не разрушающей его температуре, полностью поглощает всю энергию падающего на него света любой длины волны, называется абсолютно черным телом. Для абсолютно черного тела aλ,T, = 1 Реальные тела не являются абсолютно черными, т.е. для них aλ,T, <1, однако некоторые из них по оптическим свойствам близки к абсолютно черному телу (сажа, платиновая чернь, черный бархат в области видимого спектра имеют aλ,T,, мало отличающееся от 1).

В 1859 г. Кирхгоф экспериментально установил закон??,. Закон Кирхгофа гласит: отношение испускательной способности тела к его поглотительной способности не зависит от материала тела и равно испускательной способности абсолютно черного тела для данной длины волны при данной температуре. Если обозначить испускательную способность абсолютно черного тела через φ(λ, T), то закол Кирхгофа можно выразить формулой:

(2)

В 1884 г. Больцман теоретически доказал, что энергетическая светимость абсолютно черного тела, т.е. его полная испускательная способность во всем диапазоне длин волн пропорциональна четвертой степени его температуры:

(3)

Этот закон называется законом Стефана-Больцмана. Экспериментально он был подтвержден Степаном в 1879 г. Коэффициент пропорциональности σ называется постоянной Стефана - Больцмана.

Методика проведения эксперимента

В данной работе изучается тепловое излучение раскаленной нити электрической лампочки накаливания. Очевидно, что температура нити лампы зависит от величины тока накала. Для установления этой зависимости необходимо произвести ряд измерений тока накала I и температуры накала нити Т.

Измерение температуры накала нити производится с помощью оптического пирометра с исчезающей нитью яркостным методом.

Измеряя напряжение U на нити исследуемой лампы, можно определить мощность Р, подводимую к нити, т.е. расходуемую на нагрев.

При высоких температурах почти вся мощность подводимая к АЧТ расходуется на излучение и можно считать, что она равна выражению:

(4)

где RT энергетическая светимость тела при абсолютной температуре нагрева Т, а - при абсолютной комнатной температуре Т0, S - общая поверхность раскаленной нити.

С другой стороны, мощность Р можно вычислить по формуле:

(5)

Принимая вольфрамовую нить накала лампы за абсолютно черное тело, и исходя из формулы (3) можно выражение (4) преобразовать к виду:

(6)

Отсюда

(7)

В формулы (6) и (7) входит истинная температура нагретого тела (нити накала), с помощью же пирометра измеряется так называемая яскостная температура Тярк поскольку измерения проводятся методом сравнения яркостей двух нитей. Для определения истинной температуры Т необходимо сделать поправку с помощью пересчета формуле, связываюшей истинную температуру тела с его яркостной температурой:

(8)

Величина ελ,T зависящая от длины волны и температуры, имеет свое значение для каждого материала и определяется предварительно с помощью специального измерения. Значение ελ,T для вольфрама равно 0,43 при λкр = 6500 Å а

(9)

где h - постоянная Планка, с - скорость света, k - постоянная Больцмана.

Для определения истинной температуры можно воспользоваться калибровочным графиками, построенными предварительно для различных материалов нити накала, который связывает истиную температуру тела с его яркостной температурой. Материалом нити накала исследуемой лампы накаливания является вольфрам, необходимые для расчета истинной температуры нити накала таблицы и графики имеются в руководстве по использованию оптического пирометра.

Графический метод определения истинной температуры более быстрый и удобный.

Используя найденное значение постоянной Стефана-Больцмана σ???, можно найти постоянную Планка h:

(10)

 

Порядок выполнения работы

1. Пользуясь техническим описанием (ТО), изучить устройство и правила пользования оптическим пирометром ОППИР-09.

2. С помощью пирометра измерить яркостную температуру Тярк нити накала исследуемой лампы при различных (не менее 3-х) значениях тока накала У, одновременно измеряя напряжение U на нити лампы.

3. По результататам измерений, пользуясь формулой (8) рассчитать значения истинной температуры Т при различных токах накала нити.

4. Построить график зависимости температуры нити накала лампы от тока накала T(I).

5. По результатам измерений, пользуясь формулой (7), рассчитать постоянную σ Стефана - Больцмана, оценить погрешность. Принять для исследуемой нити

6. По формуле (10) рассчитать постоянную Планка h, оценить погрешность.

7. Результаты измерений и вычислений внести в таблицу:

NN I U T ΔT ΔTярк ΔT S σ Δσ h Δh
1 3 2                          

 

Контрольные вопросы

А) для допуска к работе

1. Какова оптическая схема экспериментальной установки и в чем заключается принцип работы пирометра с исчезающей нитью?

2. Что такое яркостная и истинная температуры?

 

Вопросы для зачета

1. Что такое испускательная, поглощательная способность и энергетическая светимость тела?

2. Что такое абсолютно черное тело и каковы основные законы его излучения?

3. Проанализировать полученное значение постоянной Стефана - Больцмана и Планка.

4. Вывести формулу (7) для постоянной Стефана – Больцмана и объяснить вывод.

5. Что такое оптическая пирометрия и каковы области использования ее методов?

6. Каковы виды оптических пирометров и используемые в них методы измерения температуры?

5 Основные рабочие формулы и способ измерения физических величин, входящих в эти формулы

Литература

1 Ландсберг Г. С. Оптика. - М.: Наука, 1976. Р,

2. Савельев И.В. Курс обшей физики. - М.: Наука, 1979.-T.3.

3. Физический практикум /Под.ред. в.И. И. Ивероновой.- М.: Науке, 1968.

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-08-20 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: