ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ
ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Цели работы:
1.Изучить основные законы теплового излучения нагретых тел.
2.Построить кривые излучения нагретой нихромовой спирали, проверить законы Вина и Стефана-Больцмана.
Описание лабораторной установки
Лабораторная установка изображена на рис.7.
6
7
5
|
4 |
|
1 |
8 |
|
2 |
||
|
||
|
220 |
|
3 |
|
Рис.7
Она состоит из источника теплового излучения 1 (нихромовой спирали в форме цилиндра диаметром 2,5 мм и высотой 3 мм); механического модулятора светового потока, состоящего из обтюратора 2 и электродвигателя 3; набора оптических инфракрасных узкополосных фильтров 4; сферического зеркала 5; пироэлектрического приемника излучения 6; электронного блока обработки сигнала фотоприемника 7 с цифровым вольтметром и блока питания 8. Конструктивно установка выполнена в виде прибора, состоящего из оптико-механического блока, расположенного в левой части под прозрачной крышкой, и электронного блока в правой части. Смена оптических фильтров осуществляется поворотом блока фильтров на фиксированный угол с помощью рукоятки, расположенной над крышкой. Поворот следует производить плавно до щелчка, означающего фикса-
34
цию положения фильтра. При этом номер установленного фильтра указывается в прямоугольном окне на верхней поверхности прозрачной крышки.
Функциональные назначения кнопок управления режимами работы элек-
тронного блока следующие: в нажатом (отжатом) положении кнопки "Сеть"
установка подключена (отключена) к (от) сети переменного тока напряжением
220 В и частотой 50 Гц; в нажатом положении кнопки "Излучатель" нихромовая спираль отключена от источника тока (светодиод при этом не светится).
Внажатом положении одной из кнопок "Т1", "Т2" или "Т3" излучатель подключен к источнику тока, при этом "загорается" один из светодиодов (рис.8). (Внимание! Не допускается одновременное нажатие любых двух кнопок из "Т1", "Т2", "Т3" и "Излучатель").
Внажатом положении кнопки "Модулятор" подается напряжение на элек-
тродвигатель, а вращение обтюратора осуществляет модуляцию светового пото-
ка. В нажатом положении кнопки "Диапазон" показатель цифрового индикатора следует увеличить в три раза.
Поток излучения от нихромовой спирали модулируется, проходит через оп-
тические фильтры и, отражаясь от сферического зеркала, попадает на фотопри-
емник. Модуляция потока осуществляется с целью устранения влияния фоновых засветок и для эффективной обработки полезного сигнала.
Оптический узкополосный фильтр позволяет выделить из падающего потока излучения энергию узкого спектрального интервала. Спектр пропускания такого фильтра приведен на рис.8.
T, %
60
50 |
|
40 |
|
30 |
0,5Tm |
20
10 |
|
0 |
(мкм) |
|
|
|
m |
Рис.8
35
Т - коэффициент пропускания;
m - длина волны, на которой фильтр имеет максимальное пропускание.
Ширина спектра пропускания на полувысоте позволяет использовать такой фильтр для изменения величины спектральной плотности энергетической светимости. Применив набор фильтров с различными max, можно построить по результатам измерений ( ,T) спектральную кривую излучения нагретого тела. В установке применяются семь инфракрасных узкополосных фильтров. В табл. 1 указаны соответствующие номерам фильтров величины, длин волн.
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
№ фильтра |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m, мкм |
2,08 |
2,50 |
3,20 |
3,90 |
4,54 |
6,20 |
|
8,50 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Приемник обладает почти равной чувствительностью в диапазоне длин волн
2 – 20 мкм. Величина напряжения сигнала на выходе фотоприемника пропорцио-
нальна |
величине |
падающей на фотоприемник плотности светового |
потока |
Ф( ,Т), |
а значит, и ( ,Т) (так как Ф( ,Т) = ( ,Т)S, где S - площадь излучае- |
||
мой поверхности, |
которая в нашем случае постоянна). Таким образом, |
показа- |
|
ния цифрового индикатора вольтметра, выражаемые в вольтах, пропорциональ-
ны |
величине спектральной плотности энергетической светимости ( ,Т). В |
|
данной работе измеряется не абсолютное значение |
, а величина напряжения |
|
U |
, пропорциональная . |
|
|
Нихромовый излучатель можно считать серым |
телом, его спектральный |
коэффициент излучения слабо зависит от длины волны. Поэтому форма кривой
( ,T) практически соответствует форме кривой, описываемой функцией Планка при той же температуре. Построив кривые для различных температур, возможно осуществить проверку выполнения законов Вина и Стефана-Больцмана следующим образом.
36