Тема 1. Квантовая природа излучения

Цель работы: исследовать зависимость спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела от его абсолютной температуры; оценить постоянную Стефана – Больцмана и постоянную Вина.

Приборы и принадлежности: установка для изучения абсолютно черного тела ФПК – 11, линейка, калькулятор, карандаш, миллиметровая бумага.

Таблица заданий

Задание 1

λ = 600 нм и площадь излучения АЧТ – 0,68 см²

t,град.С	50	100	150	200	250	300
Р,Вт	4,2	7,4	12,4	19,4	29,0	41,8

Задание 2

λ = 600 нм и площадь излучения АЧТ – 68 см²

t,град.С	49	101	152	205	245	290
Р,Вт	4,0	7,6	14,0	21,0	28,0	39,0

Задание 3

λ = 600 нм и площадь излучения АЧТ – 0,68 см²

t,град.С	47	103	145	205	253	302
Р,Вт	3,8	7,9	12,0	20,1	31,0	43,0

Задание 4

λ = 600 нм и площадь излучения АЧТ – 0,68 см²

t,град.С	48	100	150	200	245	295
Р,Вт	3,9	7,5	13,0	19,5	28,0	40,0

Задание 5

λ = 620 нм и площадь излучения АЧТ – 66 см²

t,град.С	40	50	60	70	80	90
Р,Вт	4,0	5,4	8,8	16,1	23,0	31,8

Задание 6

λ = 620 нм и площадь излучения АЧТ – 6,6 см²

t,град.С	60	120	180	240	300	350
Р,Вт	4,4	7,8	12,8	20,0	31,0	42,0

Задание 7

λ = 620 нм и площадь излучения АЧТ – 68 см²

t,град.С	50	100	150	200	250	300
Р,Вт	4,2	7,4	12,4	19,4	29,0	41,8

Задание 8

λ = 600 нм и площадь излучения АЧТ – 0,7 см²

t,град.С	50	100	150	200	250	300
Р,Вт	4,2	7,4	12,4	19,4	29,0	41,8

Задание 9

λ = 620 нм и площадь излучения АЧТ – 70 см²

t,град.С	49	101	152	205	245	290
Р,Вт	4,0	7,6	14,0	21,0	28,0	39,0

Задание 10

λ = 600 нм и площадь излучения АЧТ – 68 см²

t,град.С	48	96	140	190	230	280
Р,Вт	3,9	7,5	13,0	19,5	28,0	40,0

Теоретическая часть готовится самостоятельно обучающимся [5, с.22].

Экспериментальная часть

1. Описание экспериментальной установки

Лабораторная установка (рис. 1) состоит из объекта исследования (печи) (1), устройства измерительного (2) и термостолбика (3), устанавливаемых на лабораторном столе и соединяемых между собой кабелями.

Объект исследования представляет собой модель абсолютно черного тела и выполнен как закрытая термоизолированная электропечь с отверстием на передней стенке. В его состав входят устройство нагревательное, встроенное в теплозащитный корпус, термопара для измерения температуры внутри печи контактным способом, регулируемый источник питания, предназначенный для разогревания печи до температуры 800 ^оС и регулирования скорости нагрева, и вентиляторы для охлаждения печи.

Рис. 1. Общий вид экспериментальной установки ФПК – 11

На передней панели объекта исследования размещены: отверстие для выхода излучения печи; выключатель «СЕТЬ» – предназначен для включения питания печи; выключатель «ВЕНТ» – предназначен для включения питания вентиляторов при охлаждении печи.

На верхней крышке расположена ручка регулировки скорости нагрева печи. Шкала, приведенная на верхней крышке, указана в условных единицах скорости нагрева. Положению ручки «MIN» соответствует почти нулевая скорость нагрева печи, а положению «MAX» соответствует максимальная скорость нагрева и, соответственно, максимальная температура нагрева печи.

В состав устройства измерительного (2) входят аналого-цифровые преобразователи с индикацией и нормирующими усилителями для измерения и индикации температуры печи и термо-ЭДС термостолбика. В состав устройства измерительного входят также источники питания для питания как самого устройства, так и объекта исследования.

На передней панели устройства измерительного размещены следующие органы управления и индикации: индикатор «мВ» – предназначен для индикации напряжения термо-ЭДС термостолбика; индикатор «^о С » – предназначен для индикации температуры в печи.

Термостолбик представляет собой датчик потока излучения (мощности излучения) и имеет кабель для подключения его к устройству измерительному. С помощью стойки термостолбик устанавливается на штативе. В качестве термочувствительного элемента применяется батарея хромель-копелевых термопар. В термостолбик также встроен нагревательный элемент, который предназначен для калибровки термостолбика в единицах лучистого потока.

Принцип действия установки основан на лабораторном исследовании модели абсолютно черного тела (печи) методом измерения температуры контактным и оптическим способами. С помощью термопары контактным способом измеряется температура в печи, а с помощью термостолбика измеряется приращение потока излучения, выходящего из печи. Калибровочная характеристика термостолбика приведена на рис. 2.

Рис. 2. Калибровочная характеристика термостолбика

Схематическое изображение соединения устройств в установке ФПК – 11 представлено на рис. 3.

Для проведения эксперимента по данным табл.1 постройте график зависимости мощности излучения Р от напряжения на термостолбике U_ТС.

Таблица 1

UТС, мВ	0,01	0,03	0,06	0,11	0,17	0,23	0,32	0,42
Р, 10-4, Вт	2,4	9,5	21,4	37,8	59,1	84,7	118,0	152,0

2. Порядок выполнения расчетно-графической работы

1. Заполняя таблицу экспериментальных данных включаем индивидуальные данные и данные задания: температуру Т печи, мощность P, площадь излучения АЧТ S. Запишите показания в табл. 2.

Таблица 2

№ опыта	t, оС	T, оК	T4, оК4	Р, Вт	S, м2	Re, Вт/м2	σ, Вт/(м2·К4)
1
2
3
4
5
6

3. Используя данные зависимости P(U_TC), постройте график зависимости: и , где .

4. По графику определите постоянную Стефана – Больцмана σ . Оцените погрешность метода.

5. Оценить постоянную Вина: . Оцените погрешность метода.

6. Сделайте выводы по проделанной работе.