Федеральное агентство по образованию
Муромский институт (филиал)
Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования
Владимирский государственный университет
Кафедра: «Физика»
Дисциплина: Физика
Лабораторная работа №3.10
Утверждено:
На методическом семинаре
кафедры «Физика»
Зав. кафедрой ___________
Муром 2005 г.
Техника безопасности
1. Сборку и разборку схемы производить только при отключенном источнике питания.
2. Не включать собранную схему ,пока не изучите инструкцию по данном работе и не получите на это разрешение лаборанта или преподавателя.
3. Схема должна находиться под напряжением только во время регулировки и снятия показаний с приборов. КАТЕГОРИЧЕСКИ ЗАПРЕЩАЕТСЯ оставлять схему под напряжением без присмотра.
4. Строго соблюдать порядок выполнения работы, описаний и инструкций.
5. На рабочем месте не должно быть посторонних предметов. Твердо знать, где расположен общий выключатель и порядок пользования им.
6. Не допускать зашкаливания приборов.
7. После окончания работы отключить источник питания, а затем разобрать схему и привести в порядок рабочее место.
Определение постоянной в законе Стефана-Больцмама при помощи оптического пирометра
Приборы и принадлежности: оптический пиромер "Проминь", лампа накаливания, установка для питания лампы накаливания.
Введение
Когда какое-либо тело излучает, оно испускает электромагнитные волны и, естественно, теряет свою энергию. Поэтому излучение тела может происходить либо за счет уменьшения энергии тела, либо за счет энергии, подводимой телу извне. Можно выделить несколько видов излучения:
1. Фотолюминисценция.
Тело излучает после облучения его светом, от которого оно получает необходимую энергию.
2. Хемолюминисценция.
Тело излучает за счет энергии химически реакций, которые в нем происходят. Такое свечение характерно, например, для гнилушек.
3. Электролюминисценция.
Свечение разряженных газов при прохождении через них электрического тока.
1. Тепловое равновесное измерение.
Излучение тела происходит за счет подводимого тепла при его нагреве. Такой вид излучения называется тепловым. Оно является наиболее распространенным излучением.
Т
епловое
излучение имеет место при любой
температуре. Например, при комнатной
температуре все тела излучают инфракрасные
волны. Окружим излучающее тело
непроницаемой оболочкой с идеально
отражающими стенками. Удалим из полости
воздух. Отраженное оболочкой излучение,
попадая на тело частично или полностью
поглотится им. Следовательно, будет
происходить непрерывный обмен энергией
между телом и его излучением. Через
некоторое время установится равновесие
между телом и его излучателем при котором
тело в единицу времени будет излучатьтакое
же количество энергии, какое оно
поглощает.
Излучение, находящееся в равновесии с излучающим телом, называется равновесным. Опыт показывает, что единственным излучением, которое может находится в равновесии с излучающим телом, является тепловое излучение. Все остальные виды излучений оказываются неравновесными.
Способность теплового излучения находится в равновесии с излучающим телом обусловлена тем, что его интенсивность возрастает с повышением температуры. Допустим, что равновесие между телом и излучателем нарушено. Тело излучает в единицу времени больше энергии, чем поглощает. Тогда внутренняя энергия тела будет убывать, а его температура будет понижаться. При этом будет уменьшаться количество излучаемой энергии, что приведет в конце концов к равновесию между телом и излучением.
Чем выше температура тела по сравнению с температурой окружающей среды, тем больше энергии оно излучает. Кроме того излучение и поглощение тел зависит от свойств тел, которое связано с длинами волн излучения.
Введем в рассмотрение испускательную способность тела, которая должна быть функцией частоты(или длины волны) и температуры.
Испускательная способность тела E(ν,T) определяется количеством энергии, излучаемой телом в единицу времени с единицы его поверхности в единичном интервале частот (длин волн), является спектральной характеристикой излучаемого тела. Зная E(ν,T) легко найти электрическую (интегральную) светимость тела R:
Энергетическая светимость тела есть величина, определяемая количеством энергии, испускаемой с единицы поверхности тела в единицу времени во всем интервале частот (длин волн).
Пусть на единицу поверхности тела падает поток излучения, приходящийся на некоторый интервал частот Ф(ν,T). Часть потока отражается, а другая часть Фа(ν,T) поглощается телом. Отношение поглощенного потока к падающему называется поглощательной способностью тела А(ν,T):
(1)
Тело, для которого А(ν,T)=1, называется абсолютно черным. Между испускательной и поглощательной способностью тел существует универсальная связь, устанавливаемая законом Кирхгофа:
Отношение испускательной способности тела к его поглощательной способности не зависит от природы тел, является универсальной функцией частоты и температуры, равной испускательной способности абсолютно черного тела.
Английские физики Релей и Джинс предприняли попытку определить вид функции ε(ν,T) в (1), опираясь на законы классической электродинамики и исходя из теоремы Больцмана о равномерном распределении энергии по степеням свободы. Они показали, что:
(2)
где С – скорость света
К – постоянная Больцмана
Т – абсолютная температура
Однако, формула Релея-Джинса (2) удовлетворительно согласуется с опытом лишь для малых частот (больших длин волн). Из (2) следует:
Э
то
означает, что: 1) равновесие между телом
и излучением возможно при бесконечной
энергетической светимости; 2) интенсивность
излучения возрастает монотонно с ростом
его частоты. Оба вывода противоречат
опыту.
Второй вывод получил название "ультрафиолетовой катастрофы".
Опыт показывает, что максимум излучения в спектре абсолютно черного тела приходится на определенную длину волны, в зависимости от температуры тела. Эта зависимость устанавливается законом Вина. Длина волны, на которую приходится максимум излучения в спектре абсолютно черного тела, обратнопропорциональна его абсолютной температуре:
(3)
где
β
– постоянная, равная 2.9·10-3 мК.
Вывод формулы Релея-Джинса с классической точки зрения является безупречным. Поэтому расхождение этой формулы с опытом указывало на существование каких-то закономерностей, несовместимых с представлениями классической статистической физики и электродинамики.
В 1900 г. немецкий физик Макс Планк нашел вид функции ε(ν,T), которая точно соответствовала опытным фактам. Для этого пришлось выдвинуть гипотезу, чуждую классическим представлениям. Планк предположил, что электромагнитные излучения испускаются в виде порций энергии, квантами.
Энергия кванта пропорциональна частоте:
где h – постоянная Планка, равная 6.625·10-34 Дж/сек
Используя распределения Больцмана, Планк нашел, что средняя энергия одного электромагнитного колебания равна:
(4)
Подставим (4) вместо КТ в формулу Релея-Джинса, получим формулу Планка:
(5)
Она выражает испускательную способность абсолютно черного тела в хорошем согласии с опытом. Интегрируя (5) по всем частотам, получим:
(6)
σ=5,67·10-8 Вт/м2к4
Закон Стефана-Больцмана. Он гласит, что энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры. Исследуя (5) на экстремум, получим закон Вина (3).