1.3. Описание установки

Схематически устройство пирометра показано на рис. 1.1.

О птический пирометр состоит из зрительной трубы, внутри которой приблизительно в главной фокальной плоскости объектива помещена пирометрическая лампа 1, питаемая от аккумулятора E. Последовательно с нитью лампы включен магнитоэлектрический прибор 3, проградуированный в градусах Цельсия, а также реостат 4, с помощью которого можно регулировать ток накала и температуру нити лампы. Изменение сопротивления реостата в процессе измерений осуществляется с помощью рифленого кольца, расположенного под трубой пирометра.

Шкала прибора имеет два предела измерений: от 800 до 1400 и от 1200 до 2000 . Пирометр снабжен красным светофильтром 2. Кроме красного светофильтра в пирометре есть еще один дымчатый светофильтр 5, предназначенный для предварительного ослабления яркости исследуемых тел при их температуре выше 1400 . При наличии дымчатого светофильтра пирометр может применяться до 2000 ºС. Включается ослабляющий светофильтр поворотом кольца, установленного на тубусе трубы прибора.

О птическая система пирометра, состоящая из объектива и окуляра, позволяет рассмотреть нить на фоне раскаленного тела. Электрическая схема установки представлена на рис. 1.2. В данной работе телом, температура которого измеряется, является лампа с ленточным телом накала, которая раскаляется при пропускании через нее тока за счет ленц-джоулева тепла. Ток, текущий через ленту накала, регулируется реостатом (рис. 1.2). В цепь включен амперметр и параллельно лампе-излучателю – вольтметр , по показаниям которых определяют электрическую мощность ленты накала. Схема питается от сети переменного тока.

Температура ленты накала лампы-излучателя измеряется при разных значениях подводимой к ней мощности.

1.4. Вопросы для самопроверки

1. Что называется абсолютно черным телом?

2. Сформулировать закон излучения абсолютно черного тела.

3. Какую температуру можно непосредственно измерять пирометром?

4. В чем различие между яркостной и термодинамической температурами?

5. Дать определение энергетической светимости.

6. Дать определение испускательной и поглощательной способности.

7. Каков физический смысл коэффициента в формуле (1.4)?

8. Каков физический смысл постоянной в законе смещения Вина?

9. Объяснить устройство и принцип работы оптического пирометра.

1.5. Порядок выполнения работы и обработка результатов эксперимента

Продольным перемещением окуляра пирометра сфокусировать нить по глазу наблюдателя.

Для измерения температуры ленты накала лампы-излучателя подать питание от электросети. Когда лента накалится до красного каления, навести на нее пирометр и, перемещая его объектив, добиться резкого изображения ленты.

Включить накал пирометрической лампы. Изменяя ток накала лампы реостатом 4, добиться равенства яркости нити и накаленного тела. При этом нить не будет видна на фоне нагретого тела, т. е. яркостные температуры нити и тела равны. По шкале прибора определить температуру и зафиксировать показания амперметра и вольтметра.

Нить лампы пирометра обладает тепловой инерцией, поэтому регулировать ее накал следует медленно.

Температуру необходимо измерить не менее трех раз, изменяя накал нити пирометра и вновь отыскивая условие исчезновения нити.

Меняя силу тока реостатом в цепи лампы-излучателя, определить несколько температур ленты в пределах 1200 – 1500 при различной потребляемой мощности.

Результаты измерений занести в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Номер опыта				, К	, К	, К
1 2 3
1 2 3

По формуле (1.2) вычислить термодинамическую температуру , соответствующую яркостной . Значение для вольфрама равно 0,4 при м. Для определения постоянной Стефана-Больцмана нужно вычислить энергетическую светимость:

,

где – мощность потребляемая, а следовательно, и излучаемая раскаленной лентой накала, определяется по показаниям амперметра и вольтметра; – площадь излучающей поверхности ленты ( м²).

Значения определить для трех температур по найденным для каждой температуры значениям мощности . Коэффициент черноты для вольфрама равен 0,5. При расчетах следует помнить, что яркостная температура в пирометре отсчитывается по шкале Цельсия, в то время как в формулы (1.2) и (1.3) температура входит по шкале Кельвина.

По формуле (1.4) вычислить постоянную Стефана-Больцмана для трех температур :

.

По формуле (1.5) вычислить постоянную в законе смещения Вина для трех температур.

Найти средние значение и и рассчитать погрешность измерения.

1.6. Оформление отчета

Отчет должен содержать следующие данные: цель работы, схему установки (см. Рис. 1.1 и Рис. 1.2), заполненную таблицу 1.1, расчет постоянных в законах Стефана-Больцмана и Вина, расчет погрешности измерений, выводы по работе.

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

Лабораторная работа А-2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА

2.1. Цель работы

Определение постоянной Планка при помощи фотоэффекта.

2.2. Основные положения

Явление испускания электронов веществом под действием света называется внешним фотоэффектом. Фотоэффект принадлежит к числу явлений, в которых проявляются корпускулярные свойства света. Сущность фотоэффекта объясняет квантовая теория излучения, согласно которой свет излучается, распространяется в пространстве и поглощается веществом в виде отдельных порций энергии – квантов света или фотонов. Энергия фотона зависит от частоты света и определяется произведением постоянной Планка на частоту:

.

Пусть на поверхность металла падает поток фотонов. При взаимодействии фотона с электроном в твердом теле энергия фотона может перейти электрону – электрон поглощает квант, т. е. приобретает энергию, равную . Часть этой энергии он затрачивает на совершение работы выхода А, а остальная энергия остается у него в виде кинетической.

Электрон, находящийся на некоторой глубине под поверхностью, затрачивает на работу выхода большую энергию, чем электрон, выходящий из поверхностного слоя. Поэтому кинетические энергии электронов, вылетающих из твердого тела, даже при монохроматическом освещении будут неодинаковыми. Если под работой выхода понимать минимальное значение энергии, необходимой для выхода электрона из твердого тела, то максимальная кинетическая энергия вырванного электрона может быть определена из уравнения Эйнштейна

,

(2.1)

Соотношение (2.1) характеризует энергию только наиболее быстрых электронов, вырываемых с поверхности вещества.

Электроны, вылетающие из катода фотоэлемента под действием света, имея определенную кинетическую энергию, достигают анода, создавая в замкнутой цепи ток. Если между анодом и катодом создать электрическое поле, приложив к аноду отрицательный по отношению к катоду потенциал , то можно затормозить электроны. Электроны, движущиеся от катода к аноду, будут совершать работу против сил поля за счет своей кинетической энергии. При достаточно сильном электрическом поле фотоэлектроны израсходуют свою энергию прежде, чем достигнут анода:

.

(2.2)

Поэтому при увеличении напряжения анодный ток падает. При некотором значении (потенциал запирания) даже наиболее быстрые электроны не попадут на анод, и анодный ток прекратится. Подставляя выражение (2.2) в уравнение (2.1), получим

.

(2.3)

Из формулы (2.3) следует, что зависит от частоты света, падающего на фотоэлемент. Эта зависимость позволяет определить постоянную Планка.

Освещая фотоэлемент через монохроматические светофильтры, определяем в каждом случае задерживающий потенциал. Зная частоты света и , пропускаемого светофильтрами, и соответствующие значения задерживающих потенциалов и , вычисляем постоянную Планка:

; .

Вычитая почленно из первого равенства второе, получим,

,

откуда

.

(2.4)