Методички по лабам(физика) / lab54

3

Цель работы: знакомство с устройством пирометра и принципом измерения высоких температур.

Задача: экспериментально проверить закон Стефана-Больцмана для серых тел.

Приборы и принадлежности: пирометр, понижающий трансформатор, реостат, лампочка накаливания, вольтметр, миллиамперметр.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Для равновесного теплового излучения абсолютно черного тела мощность излучения с единицы поверхности Е связана с абсолютной температурой Т законом Стефана-Больцмана:

где коэффициент В и показатель n определяются экспериментально. Принцип измерения высоких температур с помощью пирометра осно-

ван на способе оптического сравнения в определенном спектральном участке Δλ яркости нагретого тела с эталоном яркости. В оптическом пирометре эталоном служит яркость нити пирометрической лампы накаливания, для которой заранее, способом сравнения с искусственным абсолютно черным телом, установлена зависимость яркости от температуры.

Оптическая система пирометра позволяет рассматривать нить пирометрической лампы на фоне изображения светящегося тела. Доводя яркость нити изменением тока накала до совпадения с яркостью светящегося тела, можно утверждать, что если равны монохроматические яркости, то равны и температуры, а так как температура эталона известна, то известна и измеряемая температура тела.

Если бы исследуемый источник излучения являлся черным телом, то найденная температура была бы истинной температурой. В общем случае найденная температура является яркостной температурой источника излучения.

4

ОПИСАНИЕ ПИРОМЕТРА И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР

Оптический пирометр включает в себя следующие принципиально важные элементы (рис. 1).

Рис. 1. Оптическая и электрическая схемы пирометра:

1 – объектив; 2 – лампа накаливания пирометра с дугообразной нитью; 3 – окуляр; 4 – красный светофильтр; 5 – поворотная головка ослабляющего светофильтра; 6 – диафрагма; 7 – накаленное тело (спираль лампы накаливания); 8 – глаз наблюдателя; 9 – реостат; 10 – показывающий прибор; 11 – источник питания

1.Оптическую схему, состоящую из объектива, окуляра, диафрагмы и монохроматического (красного) светофильтра, позволяющих рассматривать в лучах определенного цвета (λ = 650 нм) нить пирометрической лампы на фоне раскаленного тела.

2.Пирометрическую лампу накаливания, служащую эталоном яркостной температуры, включенную в электрическую схему последовательно с реостатом R для регулирования тока накала нити лампы.

3.Электроизмерительный прибор – вольтметр V магнитоэлектрической системы, включенный параллельно лампе, со шкалой, градуированной непосредственно в градусах яркостной температуры накаленного тела

(рис. 2). Для измерений температуры имеется шкала с двумя пределами измерения: 800 – 1400 0С и 1200 – 2000 0С. Переключение пределов измерений производят с помощью поворотной головки ослабляющего светофильтра.

5

Рис. 2. Общий вид на шкалу температур пирометра: 1 – кольцо реостата; 2 – окуляр; 3 – поворотная обойма красного светофильтра; 4 – шкала температур

В фокальной плоскости объектива помещена дуга нити накала лампы пирометра. Окуляр позволяет наблюдать изображение средней части накаленного тела (спираль лампы накаливания) в плоскости дуги нити накала лампы пирометра (рис. 3).

1

Рис. 3. Измерение яркостной температуры накаленного тела с помощью эталона яркости: 1 – дуга нити накала лампы пирометра; 2 – накален-

ное тело

Вращая кольцо реостата пирометра, добиваются совпадения яркости изображений спирали нити лампы накаливания источника излучения и дугообразной нити лампы пирометра. При этом показания прибора соответствуют яркостной температуре t, соответственно

Мощность излучения Е спирали лампы накаливания будем считать приближенно равной мощности W потребляемой лампой накаливания:

где S – площадь поверхности спирали лампы; I и U потребляемый ток и напряжение.

Показатель n можно определить по формуле

полученной логарифмированием (2) и (4).

Зная значение n, можно определить коэффициент В/ = В/ (S, T, λ) серого тела для заданных Т и λ:

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Ознакомиться с устройством пирометра. Убедиться, что белая нулевая отметка на поворотном кольце реостата стоит против такой же отметки на крышке корпуса. Если этого нет, довернуть влево кольцо и добиться их совмещения.

2.Включить пирометр в сеть. Поворотом кольца реостата по часовой

стрелке включить ток в схему питания лампы пирометра и довести накал нити приблизительно до 1000 0С.

3.Приложив глаз к диафрагме окуляра и взявшись рукой за конец тубуса окуляра, медленно перемещать его до тех пор, пока не будет наблюдаться четкое изображение дугообразной нити лампа пирометра.

4.Ввести в поле зрения красный светофильтр.

5.Поворотную головку ослабляющего светофильтра установить на предел измерения 800 – 1400 0С, совместив указательную точку на головке с зеленой точкой на корпусе пирометра.

6.Включить в сеть схему питания источника излучения (лампа накаливания). Убедиться в возможности регулировки яркости спирали лампы накаливания с помощью реостата R, работе вольтметра V и амперметра

A (рис. 4).

7.Направить пирометр на светящуюся спираль лампы накаливания. Приложив глаз к диафрагме окуляра и взявшись рукой за конец тубуса объ-

7

ектива, медленно перемещать его до тех пор, пока не будет видно перевернутое четкое изображение светящейся спирали лампы накаливания одновременно с дугообразной нитью лампы пирометра (рис. 3).

220

Рис. 4. Электрическая схема питания лампы накаливания

8.Уменьшить силу тока лампы накаливания до минимума, при котором еще возможно наблюдать в пирометре изображение раскаленной спирали. Вращая кольцо реостата пирометра, добиться совпадения яркости дугообразной нити лампы пирометра и раскаленной спирали.

9.Определить температуру по стрелке прибора относительно шкалы, соответствующей пределу измерения 800 – 1400 0С.

10.Записать значения температуры, силы тока и падения напряжения в цепи питания лампы накаливания в таблицу.

11.Увеличивая ток накала в цепи питания лампы накаливания, провести серию измерений, повторив п. 10.

12.Рассчитать значения величин W и Т, построить график зависимости

8

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что такое тепловое излучение?

2.Что такое энергетическая светимость?

3.Что называют спектральной плотностью энергетической светимости?

4.Какие законы теплового излучения вы знаете?

5.Что вы знаете о вкладе М. Планка в учение о тепловом излучении?

6.Какое тело называется абсолютно черным?

7.Сформулируйте закон Стефана-Больцмана.

8.Что вам известно об «ультрафиолетовой катастрофе»?

9.Каков принцип действия оптического пирометра?

10.Почему баллон люминесцентной лампы незначительно нагрет по сравнению с традиционной лампой накаливания при одинаковой потребляемой мощности?

11.Почему нагретый до 600 К металлический стержень имеет красный цвет, а нагретый до такой же температуры кварцевый стержень практически бесцветен?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. М.: Высшая школа, 1989. 608 с.

2.Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высшая школа, 1997. 542 с.