Лабораторная работа 5.1

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Задание 1

Цель работы: сравнить изменение удельной мощности электрической лампы накаливания в двух областях спектра в зависимости от температуры накала нити и длины волны излучения.

Приборы и принадлежности: фотометр ФМ1, эталонная и исследуемая лампы накаливания, амперметр, вольтметр, реостат, источник тока.

Методика эксперимента

Удельная мощность лампы  - величина, численно равная мощности электрического тока Р, которая необходима для получения единицы силы света I лампы накаливания

. (5.6)

Мощность лампы равна произведению силы тока i на напряжение U:

P = iU. (5.7)

Удельная мощность каждой лампы зависит от температуры накала нити. Для того чтобы понять эту зависимость, выразим  через величину световой отдачи лампы. За меру световой отдачи принимают отношение полного светового потока  к мощности, потребляемой лампой: .

Приняв лампу за точечный источник света и учтя, что  = 4I, получим:

,

г де I – средняя сферическая сила света лампы.

Световая отдача лампы с вольфрамовой нитью увеличивается при увеличении температуры накала Т (рис.5.3), поэтому удельная мощность обратно пропорциональна температуре  .

Температуру Т спирали можно оценить, используя зависимость сопротивления вольфрамовой нити от температуры по формуле:

,

где R₀ – сопротивление нити при 0С; R_t – сопротивление нити при t С; _t – температурный коэффициент сопротивления материала (температурный коэффициент сопротивления вольфрама _t = 4.710³К^-1).

Обозначим , получим, что T = АR_T + В.

Согласно закону Ома ; (5.8)

тогда , (5.9) т.е. T , а   .

Качественную зависимость  от Т определим графически, построив кривую:

.

Д ля установления зависимости удельной мощности лампы от длины волны излучаемого света воспользуемся кривыми r_() вольфрама (Т = 2450 К) и абсолютно черного тела, изображенными на рис.5.2. Вследствие неравномерного распределения энергии в спектре излучения сила света I различных участков спектра неодинакова. Если с помощью светофильтров выделить области, например, желтого (_ж) и красного (_к) света, то при нагревании нити до 2000 К величины I_ж и I_к будут изменяться. При низких температурах I_к  I_ж (″красное свечение″), при высоких - I_к < I_ж (″желтое свечение″). Удельная мощность лампы, излучающей световой поток красного света, выделенный через светофильтр, при низкой температуре будет меньше, чем удельная мощность лампы желтого света при той же температуре; при высокой температуре – наоборот.

Для измерения силы света исследуемой лампы применяется фотометр, оптическая схема которого представлена на рис 5.4. Два параллельных световых пучка I₁ от эталонной Л₁ и I₂ от исследуемой Л₂ ламп проходят через измерительные диафрагмы 2, объективы 3, ромбические призмы 4 и попадают на бипризму 5. Часть правого пучка, попадая на левую половину бипризмы, обеспечивает освещенность левой половины поля зрения 6, а другая его часть отклоняется в сторону и поглощается внутри прибора. Левый пучок проходит симметрично правому. Если один из пучков имеет меньшую интенсивность при максимально раскрытой диафрагме, чем второй то, уменьшая площадь отверстия диафрагмы на пути второго пучка, которая линейно связана с углом поворота барабана 1, можно уравнять освещенности обеих половин поля зрения. Принимая лампы накаливания за точечные источники света, можно считать, что интенсивности пучков пропорциональны силе света этих источников I₁ и I₂. При равномерной освещенности поля зрения соотношение обратно пропорционально соотношению показаний ″черных″ шкал барабанов фотометра n₁ и n₂, т.е.

,

откуда . (5.10)

Электрическая схема установки приведена на рис 5.5. Она содержит две цепи. В одну (а) включена эталонная лампа Л₁, в другую (б) – исследуемая лампа Л₂, амперметр А, вольтметр V, реостат R. Для установления зависимости η от длины волны излучения λ необходимо проводить фотометрирование в отдельных участках спектра. Это достигается применением светофильтров, расположенных в револьверной диафрагме фотометра.

Порядок выполнения работы

1. П роверить и включить электрические цепи в сеть. С помощью реостата установить максимальное напряжение на лампе Л₂,равное напряжению на Л₁.В течение всего опыта напряжение на эталонной лампе Л₁ остается постоянным.

2. Установить лампы Л₁ и Л₂ так, чтобы светящиеся нити были на одном уровне с окнами фотометра. Фотометр установить на одинаковом расстоянии между ними. Добиться одинаковой освещенности экранов.

3. Установить в фотометре красный светофильтр. Оба барабана фотометра установить на деление ″100″ черной шкалы (n₂).

4. Уменьшить напряжение на исследуемой лампе Л₂, при этом уменьшится интенсивность ее свечения. Вращением левого барабана добиться одинаковой освещенности обеих половин поля зрения. Записать показания вольтметра, амперметра и число делений ″черной″ шкалы левого барабана фотометра (n₁).

5. Измерения повторить, меняя напряжение на исследуемой лампе на одну и ту же величину ΔU. Данные записать в табл. 5.1.

6. Установить желтый светофильтр и повторить измерения в последовательности, описанной выше.

7. Вычислить мощность лампы по формуле (5.7).

8. Вычислить сопротивление лампы по формуле (5.8).

Таблица 5.1

U, В	i, А		P, Вт	n2	Красный светофильтр			Желтый светофильтр
					n1	I2	η	n1	I2	η

7. Вычислить силу света исследуемой лампы I₂ по формуле (5.10). Результаты расчетов занести в табл. 5.1.

8. Рассчитать удельную мощность лампы (η) по формуле (5.6).

9. Построить графики зависимости η = f .

10. Проанализировать полученные результаты, объяснив их на основе закона смещения Вина.

Задание 2

Цель работы: установить зависимость силы света от температуры нагретой спирали; экспериментально проверить формулу Планка.

Приборы и принадлежности: лампа накаливания, амперметр, вольтметр, реостат, полупроводниковый фотоэлемент, микроамперметр.

Методика эксперимента

Согласно закону Вина излучательная способность абсолютно черного тела ε_λ,Т при увеличении длины волны изменяется по кривой с максимумом; при увеличении температуры максимум кривой ε = f(λ) смещается в область более коротких длин волн. Этот эффект описывается уравнением Планка (5.4), которое можно записать в виде:

, (5.11)

где с₁ = 2πhс² = 3,745∙10^-16 Вт∙м²;

^.