1.3. Опис установки

Схематично будова пірометра показана на рис. 1.1.

Оптичний пірометр складається із зорової труби, усередині якої приблизно в головній фокальній площині об'єктиву поміщена пірометрична лампа 1, що живиться від акумулятора E. Послідовно з ниткою лампи включений магнітоелектричний прилад 3, проградуйований в градусах Цельсія, а також реостат 4, за допомогою якого можна регулювати струм розжарення і температуру нитки лампи. Зміна опору реостата в процесі вимірів здійснюється за допомогою рифленого кільця, розташованого під трубою пірометра.

Ш кала приладу має дві межі вимірів: від 800 до 1400  і від 1200 до 2000  . Пірометр забезпечений червоним світлофільтром 2. Окрім червоного світлофільтру в пірометрі є ще один димчастий світлофільтр 5, призначений для попереднього ослаблення яскравості досліджуваних тіл при їх температурі вище 1400  . За наявності димчастого світлофільтру пірометр може застосовуватися до 2000 . Включається світлофільтр, що ослабляє, поворотом кільця, встановленого на тубусі труби приладу.

О птична система пірометра, що складається з об'єктиву і окуляру, дозволяє розглянути нитку на тлі розжареного тіла. Електрична схема установки представлена на рис. 1.2. У даній роботі тілом, температура якого вимірюється, є лампа із стрічковим тілом розжарення, яка розжарюється при пропусканні через неї струму за рахунок ленц-джоулева тепла. Струм через стрічку розжарення регулюється реостатом (рис. 1.2). У ланцюг включений амперметр і паралельно лампі-випромінювачу – вольтметр , за показами яких визначають електричну потужність стрічки розжарення. Схема живиться від мережі змінного струму.

Температура стрічки розжарення лампи-випромінювача вимірюється при різних значеннях потужності, що підводиться до неї.

1.4. Питання для самоперевірки

1. Що називається абсолютно чорним тілом?

2. Сформулювати закон випромінювання абсолютно чорного тіла.

3. Яку температуру можна безпосередньо вимірювати пірометром?

4. У чому відмінність між яскравісною і термодинамічною температурами?

5. Дати визначення енергетичної світності.

6. Дати визначення випромінювальної (емісійної) і поглинальної здатності.

7. Який фізичний сенс коефіцієнта у формулі (1.4)?

8. Який фізичний сенс сталої в законі зміщення Віна?

9. Пояснити будову і принцип роботи оптичного пірометра.

1.5. Порядок виконання роботи і обробка результатів експерименту

Подовжнім переміщенням окуляра пірометра сфокусувати нитку по оку спостерігача.

Для виміру температури стрічки розжарення лампи-випромінювача подати живлення від електромережі. Коли стрічка розжариться до червоного розжарення, навести на неї пірометр і, переміщаючи його об'єктив, добитися різкого зображення стрічки.

Включити розжарення пірометричної лампи. Змінюючи струм розжарення лампи реостатом 4, добитися рівності яскравості нитки і розжареного тіла. При цьому нитка не буде видна на тлі нагрітого тіла, тобто яскравісні температури нитки і тіла рівні. За шкалою приладу визначити температуру і зафіксувати покази амперметра і вольтметра.

Нитка лампи пірометра володіє тепловою інерцією, тому регулювати її розжарення слід повільно.

Температуру необхідно виміряти не менше трьох разів, змінюючи розжарення нитки пірометра і знов відшукуючи умову зникнення нитки.

Міняючи силу струму реостатом в ланцюзі лампи-випромінювача, визначити декілька температур стрічки в межах 1200 – 1500 при різній споживаній потужності.

Результати вимірів занести в таблиці. 1.1.

Таблиця 1.1

Номер досліду				, К	, К	, К
1 2 3
1 2 3

По формулі (1.2) обчислити термодинамічну температуру , відповідну яскравісній . Значення для вольфраму дорівнює 0,4 при м. Для визначення сталої Стефана-Больцмана потрібно обчислити енергетичну світність:

,

де – потужність споживана, а отже, і випромінювана розжареною стрічкою розжарення, визначається за показами амперметра і вольтметра; – площа випромінюючої поверхні стрічки ( м²).

Значення визначити для трьох температур по знайдених для кожної температури значеннях потужності . Коефіцієнт чорноти для вольфраму дорівнює 0,5. При розрахунках слід пам'ятати, що яскравісна температура в пірометрі відлічується за шкалою Цельсія, тоді як у формули (1.2) і (1.3) температура входить за шкалою Кельвіна.

По формулі (1.4) обчислити сталу Стефана-Больцмана для трьох температур :

.

По формулі (1.5) обчислити сталу в законі зміщення Віна для трьох температур.

Знайти середні значення і і розрахувати похибку виміру.

1.6. Оформлення звіту

Звіт повинен містити наступні дані: мету роботи, схему установки (див. Рис. 1.1 і Рис. 1.2), заповнену таблицю 1.1, розрахунок сталих в законах Стефана-Больцмана і Віна, розрахунок похибки вимірів, висновки по роботі.

Література: [1], с. 310 – 314; [2], с. 7 – 16, 27 – 31.

Лабораторна робота А-2

ВИЗНАЧЕННЯ СТАЛОЇ ПЛАНКА

2.1. Мета роботи

Визначення сталої Планка за допомогою фотоефекту.

2.2. Загальні положення

Явище випускання електронів речовиною під дією світла називається зовнішнім фотоефектом. Фотоефект належить до явищ, в яких виявляються корпускулярні властивості світла. Суть фотоефекту пояснює квантова теорія випромінювання, згідно якої світло випромінюється, поширюється в просторі і поглинається речовиною у вигляді окремих порцій енергії – квантів світла або фотонів. Енергія фотона залежить від частоти світла і визначається добутком сталої Планка на частоту:

.

Нехай на поверхню металу падає потік фотонів. При взаємодії фотона з електроном в твердому тілі енергія фотона може перейти електрону – електрон поглинає квант, тобто набуває енергії, рівної . Частину цієї енергії він витрачає на здійснення роботи виходу А, а решта енергії залишається у нього у вигляді кінетичної.

Електрон, що знаходиться на деякій глибині під поверхнею, витрачає на роботу виходу більшу енергію, чим електрон, що виходить з поверхневого шару. Тому кінетичні енергії електронів, що вилітають з твердого тіла, навіть при монохроматичному освітленні будуть неоднаковими. Якщо під роботою виходу розуміти мінімальне значення енергії, необхідної для виходу електрона з твердого тіла, то максимальна кінетична енергія вирваного електрона може бути визначена з рівняння Ейнштейна

,

(2.1)

Співвідношення (2.1) характеризує енергію лише найбільш швидких електронів, що вириваються з поверхні речовини.

Електрони, що вилітають з катода фотоелемента під дією світла, маючи певну кінетичну енергію, досягають анода, створюючи в замкнутому колі струм. Якщо між анодом і катодом створити електричне поле, приклавши до анода негативний по відношенню до катода потенціал , то можна загальмувати електрони. Електрони, що рухаються від катода до анода, здійснюватимуть роботу проти сил поля за рахунок своєї кінетичної енергії. При досить сильному електричному полі фотоелектрони витратять свою енергію перш, ніж досягнуть анода:

.

(2.2)

Тому при збільшенні напруги анодний струм падає. При деякому значенні (потенціал запирання) навіть найбільш швидкі електрони не попадуть на анод, і анодний струм припиниться. Підставляючи вираз (2.2) в рівняння (2.1), отримаємо

.

(2.3)

З формули (2.3) виходить, що залежить від частоти світла, падаючого на фотоелемент. Ця залежність дозволяє визначити сталу Планка.

Освітлюючи фотоелемент через монохроматичні світлофільтри, визначаемо в кожному випадку затримуючий потенціал. Знаючи частоти і світла, що пропускається світлофільтрами, і відповідні значення затримуючих потенціалів і , обчислюємо сталу Планка:

; .

Віднімаючи почленно з першої рівності другу, отримаємо

,

звідки

.

(2.4)