Контрольные вопросы

1. Каков смысл углаБрюстера?

2. Какова поляризация отраженного света, если угол падения равен углу Брюстера?

3. Какими причинами вы объясните расхождение расчетных иэкспери-

ментальных зависимостейR

иR_(₁)?

4. Какова поляризация преломленного луча? Будет ли она меняться, если пластину заменить набором сложенных вместе стеклянных пластин (стопой Столетова)?

Лабораторная работа 10. Исследование закономерностей теплового излучения нагретого тела

Цели работы: экспериментальное исследование зависимости мощности теплового излучения от температуры; проверка закона Стефана–Больцмана.

Общие сведения

Тепловое излучение представляет собой явление генерации электромаг- нитных волн нагретым телом. Основу эффекта составляют процессы преоб- разования тепловой энергии макроскопической системы (нагретого тела) в энергию электромагнитного поля.

В качестве меры преобразования энергии обычно используется мощ- ностьPdW dt, гдеdW– количество энергии, которое в течение интервала времениdtпреобразуется из одного вида в другой. В связи с тем, что излуче- ние электромагнитных волн происходит с поверхности тела, а мощностьтеп-

лового излученияPпропорциональна площади поверхностиS,вкачестве

характеристики используютинтегральную энергетическую светимостьтела (Вт м²):

R_T^1dW. (10.1)

S dt

Правая часть равенства (10.1) задает суммарную плотность потока энер- гии электромагнитных волн всех частот, испускаемой поверхностью нагре- того тела.

Для характеристики зависимости светимости нагретого тела от частоты

вводятся спектральные лучеиспускательные способности

^r,T

^иr,T

тела:

^r,T

_dRT,

^r,T

_dRT

_dRT

d_2cdR_T

^2cr_,T, (10.2)

d d

dd

_2 _{d }2

где

dR_T

– суммарная плотность потока энергии, переносимой волнами, час-

^{тоты которых находятся в узком интервале (}^…d^{) или (}^…d^).

Наряду с излучением может происходить и обратное преобразование энергии: энергия электромагнитного излучения поглощается веществом, т. е. трансформируется в тепловую энергию макроскопической системы. Мерой обратного преобразования энергии служитспектральнаяпоглощательная

способность

_,T, определяемая следующим образом:

^,Т

dФ(,T)_погл

dФ(,T)_пад, (10.3)

где

dФ(,T)_погл

– потокэнергии, который поглощается телом,

dФ(,T)_пад–

величина падающего потока в интервале частот…d.

Тело, которое полностью поглощает энергию электромагнитных волн

(при

^,T

1), называютабсолютно черным телом.Если поглощательная

способность в некоторой области частот меньше единицы и не зависит от частоты, то в этой области спектра тело считаетсясерым.

Излучение и поглощение веществом электромагнитных волн представ- ляют собой формы проявления способности частиц вещества (атомов, моле- кул) к взаимодействию с электромагнитным полем. Оба эффекта сосущест- вуют неразрывно. Это утверждение составляет основузакона Кирхгофа: для

любого тела отношение лучеиспускательнойспособности

^r,T

кпоглоща-

тельной способности

^,T

тела–этоуниверсальная функция,аргументами

которой являются температура^Tи частотаэлектромагнитной волны:

^r,T

^,T^

f(,T). (10.4)

Теория эффекта теплового излучения, созданная М. Планком, опреде- ляет эту функцию в следующем виде:

f(,T) . (10.5)

Универсальностьфункции (10.5)связанастем,чтовеесостав входяттолько фундаментальные физические константы: фазовая скорость электромаг-нитной волныввакуумес,постояннаяПланка ,постоянная Больцманаk.

Отметим, что функция

f(,T)

не содержит параметров, которые несут

информацию об атомах и молекулах вещества, а также о форме тела.

Тепловое излучение обладает двумя особенностями: увеличение темпе- ратуры приводит к резкому возрастанию энергетической светимости тела и к изменению цветности излучения от темно-красного до ярко-белого. Матема- тическое обоснование этих закономерностей (законы Стефана–Больцмана(10.6) иВина–Голицина(10.7)) дано в теории М. Планка для абсолютно чер-

ного(_,T

1)тела:



R_T_

0

f(,T)dT⁴,

(10.6)

_mbT, (10.7)

где

^²k^460c²

5.6710^8Вт

_м2_К4_

– постоянная Стефана–

Больцмана;

_m2c

_m– частота, при которойфункция

^f^,T

имеет

^{максимальноезначение;b}hc

(4.96k)2.910^3мК

–постоянная Вина.