Атомная физика. Учебно-методическое пособие

На рис. 5 представлена фотография передней панели установки УКЛО-4: 1 — дисплей мультиметра; 2 — переключатель режимов накала вольфрамовой нити; 3 — тумблер «сеть»; 4 — тумблер «лампа»; 5 — круговой диск со светофильтрами. Принцип ее работы заключается в следующем. Регулируя ток через вольфрамовую нить, получают различные температуры ее излучающей поверхности. В работе с помощью переключателя (2) можно выбрать шесть различных температур. На пути распространения светового пучка стоит диск с интерференционными светофильтрами (5), что позволяет выделять в излучение определенные диапазоны длин волн (таблица 1). С помощью фотоприемника фиксируют поток световой энергии (фотоприемник находится внутри), проходящий через выбранный светофильтр, и полученное значение энергии выводится на дисплей мультиметра (1). Мультиметр фиксирует электрический сигнал, который возникает в фотоприемнике под действием оптического излучения, результат высвечивается в вольтах.

11

Т а б л и ц а 1

Используемые светофильтры

Практические задания

Задание 1. Пользуясь оптическим пирометром, измерить температуру ленты накаливания лампы.

Подключить лампу накаливания к источнику питания (в данной работе предусмотрены 4 режима накала вольфрамовой ленты при различных токе и напряжении).

Включить пирометр. Направить зрительную трубу пирометра на излучающую поверхность ленты лампы накаливания. Перемещением пирометра и объектива зрительной трубы добиться резкого изображения излучающей поверхности ленты. Необходимо следить за тем, чтобы часть нити пирометра перекрывала это изображение.

Перемещением движка реостата путем поворота рифленого кольца на корпусе пирометра добиться исчезновения нити пирометра на фоне изображения излучающей поверхности ленты лампы. Снять

показания амперметра и вольтметра (ток и напряжение) источника питания лампы и температуры на соответствующей шкале пирометра. Занести полученные результаты в таблицу 2,

12

предварительно пересчитав температуру в градусах Цельсия на шкалу Кельвина.

Изменить режим накала вольфрамовой ленты лампы и повторить вышеописанную процедуру измерения тока, напряжения и температуры в новом режиме. Следует учитывать тот факт, что процесс нагревания лампы до установления теплового равновесия инерционен так же, как и восприятие яркостей светящихся поверхностей человеческим глазом. В связи с этим все регулировки необходимо проводить плавно и при переходе в новый режим все необходимые параметры нужно измерять несколько раз.

При этом нужно иметь в виду, что лента накала обладает тепловой инерцией. Инерционен в восприятии яркостей также человеческий глаз, поэтому все регулировки должны быть плавными. Каждое измерение температуры (для одного и того же значения тока ленты исследуемой лампы) необходимо произвести несколько раз, изменяя накал нити пирометра и вновь добиваясь ее исчезновения на фоне ленты исследуемой лампы. Все полученные данные занести в таблицу 2.

Произвести расчет полной мощности W = IU, потребляемой лампой в каждом конкретном случае.

13

Определить площадь излучающей поверхности лампы S. Для этого на оптической скамье соберите простейшую установку и с помощью собирающей линзы получите изображение ленты лампы на экране

иизмерьте расстояния от лампы до линзы a, от линзы до экрана b

иплощадь изображения ленты s (рис. 6).

C учетом того, что у лампы излучают и передняя, и задняя поверхности ленты, полная излучающая поверхность определяется по формуле:

S2 sab22 .

Рассчитать мощность, излучаемую с единицы площади W/S.

Построить график в функциональном масштабе (по оси ординат

откладывается величина W/S, по оси абсцисс — температура в градусах Кельвина в четвертой степени). По наклону графика определить постоянную Стефана — Больцмана σ (рис. 7).

14

Рис. 7

Задание 2. Исследовать спектральную зависимость плотности энергетической светимости вольфрамовой нити при постоянной температуре.

Измерения повторить со всеми светофильтрами.Построить график зависимости U = f (λ).

15

Контрольные вопросы

1.Чем тепловое излучение отличается от люминесценции?

2.Как определить на глаз температуру нагретого тела?

3.Чем характерна ультрафиолетовая катастрофа?

4.В чем суть гипотезы Планка о квантах?

5.На рис. 8 приведен график спектральной зависимости плотности энергетической светимости абсолютно черного тела при Т = 6000 К. Какой будет длина волны,

соответствующая максимуму излучения абсолютно черного тела, если его

температуру уменьшить в 4 раза?

6.Какие лучи поглощает зеленый светофильтр? Какие лучи лучше отражает и поглощает красный бархат?

7.Почему тепловое излучение снижает температуру тела?

8.Почему зрачок глаза имеет черный цвет?

9.Каковы частотные пределы применимости формул Вина и Рэлея — Джинса для спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела?

10.Какой смысл вкладывается в определение функции Кирхгофа, когда ее называют универсальной?

11.Какой спектр характерен для излучения нагретого твердого тела?

16

Упражнения для самостоятельной работы

1.Найти поток энергии, который излучается с 1 км2 поверхности звезды Сириус при условии, что температура верхних слоев этой звезды равна 10 кК.

2.Длина волны максимум спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела приходится на:

а) красную границу видимого света (λ = 750 нм), б) фиолетовую границу видимого света (λ = 380 нм).

Определить температуру такого тела в обоих случаях.

3.Найти температуру абсолютно черного тела, если его энергетическая

светимость равна 10 кВт/м2.

4. Как и во сколько раз изменились энергетическая светимость и максимальная величина спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела, если при изменении его температуры произошло смещение длины волны максимума спектральной плотности с λ1 = 2,4 мкм на λ2 = 0,8 мкм?

5.Какова энергия, которая излучается через смотровое окошко плавильной печи площадью S = 8 см2 за время t = 1 мин, если ее

температура Т = 1,2 кК.

6.Какова длина волны λ максимума спектральной плотности энергетической светимости теплового излучения человеческого тела при t = 37 ºС, если считать его абсолютно черным?

7.Во сколько раз возрастает энергия, излучаемая нагретым телом, близким по свойствам к абсолютно черному телу, если его температуру увеличить на 20%? В 2,1 раза?

8.Раскаленный шар радиусом 10 см излучает за 16 с 17 МДж энергии. Чему равна температура шара? Шар считать абсолютно черным телом.

17

9.При остывании абсолютно черного тела длина волны, соответствующая максимуму спектральной плотности энергетической светимости, изменилась на 5 мкм. Найти температуру, до которой тело охладилось, если его начальная температура Т = 1,5 кК.

10.Какова абсолютная температура, при которой средняя энергия теплового движения молекул трехатомного газа равна энергии фотонов с длиной волны λ = 500 нм?