- •Лабораторные работы по курсу общей физики
- •Isbn 5-7256-0359-8
- •Предисловие
- •Рекомендации по оформлению лабораторных работ
- •Лабораторная работа № 1 Тепловое излучение
- •Теоретическая часть
- •Экспериментальная часть
- •Выполнение работы
- •Литература
- •Лабораторная работа № 2 Определение теплоемкости металлов
- •Теоретическая часть
- •Экспериментальная часть
- •Выполнение работы
- •Справочные данные
- •Литература
- •Лабораторная работа № 3
- •Теоретическая часть
- •Экспериментальная часть
- •Выполнение работы
- •Литература
- •Экспериментальная часть
- •Выполнение работы
- •Литература
- •Лабораторная работа № 5 Термоэлектрические явления
- •Теоретическая часть
- •Экспериментальная часть
- •Выполнение работы
- •Литература
- •Лабораторная работа №6 Изучение температурной зависимости сопротивления металлов и полупроводников
- •Теоретическая часть
- •Экспериментальная часть
- •Выполнение работы
- •Литература
- •Лабораторная работа №7 Опыт Франка - Герца
- •Теоретическая часть
- •Экспериментальная часть
- •Выполнение работы
- •Литература
- •Содержание
- •Лабораторная работа № 7. Опыт Франка – Герца…………………………………………44
Теоретическая часть
Излучение электромагнитной энергии веществом за счет его внутренней энергии называется тепловым излучением. Свойства теплового излучения определяются материалом тела и его температурой Т. Если из любого материала сделать замкнутую полость и поддерживать температуру ее стенок постоянной, то система (стенка + излучение) придет в состояние термодинамического равновесия, и в объеме полости установитсяравновесноетепловое излучение.
Поток энергии, испускаемый единицей поверхности излучающего тела за единицу времени по всем направлениям (в пределах телесного угла 2), называетсяэнергетической светимостьютелаR. Излучение состоит из волн различных частот(или длин волн). При малой величине интервала частотdпоток энергии, излучаемый единицей поверхности в интервале частотd, пропорционаленd:
dR = r d
Величина rназывается испускательной (излучательной) способностью тела. Знаяr, можно определить энергетическую светимость тела:
.
Пусть на элементарную площадку поверхности тела падает поток энергии , обусловленный электромагнитными волнами, частота которых заключена в интервале частот отдо+d. Часть потокабудет поглощена телом. Безразмерная величина
называется поглощательной способностью тела. Она зависит от температуры тела Т. Тело, для которогодля всех частот, называютабсолютно черным. ЕслиаТ =const< 1, то тело называютсерым.
Кирхгоф сформулировал следующий закон: отношение испускательной и поглощательной способностей не зависит от природы тела, оно является для всех тел одной и той же универсальной функцией частоты и температуры:
Функция называется функцией Кирхгофа, она по сути представляет собой испускательную способность абсолютно черного тела.
Стефан и Больцман, исходя из экспериментальных данных и термодинамических соображений, установили, что энергетическая светимость абсолютно черного тела Rпропорциональна четвертой степени температуры (закон Стефана-Больцмана):
,
где = 5,67108Втм2 К4постоянная Стефана-Больцмана.
Планк, сделав предположение, что электромагнитное излучение испускается в виде отдельных порций энергии (квантов), величина которыхпропорциональна частоте излучения, установил вид функции Кирхгофа (формула Планка):
,
где = 1,051034Джспостоянная Планка;= 1,381023Дж/К - постоянная Больцмана;= 3108м/с скорость света в вакууме.
Зная функцию и поглощательную способность телаaT, можно определить энергетическую светимость тела
.
Температурная зависимость R(Т) реального тела отличается от зависимостиR*(Т) для абсолютно черного тела, однако общий вид обычно сохраняется:
RTn,
где nблизко к четырем.
Экспериментальная часть
В данной работе наблюдается излучение вольфрамовой нити лампы накаливания. Для вольфрама согласно закону Кирхгофа
,
поэтому
. (1)
Измерение температуры излучающих тел осуществляется с помощью пирометров– приборов для измерения температуры бесконтактным методом по интенсивности их теплового излучения. Пирометры подразделяются на три основные группы: радиационные, яркостные и цветовые.
Вданной работе используетсяяркостный пирометр с исчезающей нитью, сравнивающий излучение вольфрамовой нити лампы накаливания с излучением абсолютно черного тела на одном и том же фиксированном узком участке спектра отдо+. Наблюдая в окуляр совмещенные в одной плоскости изображения светящейся спирали и нити накала пирометра (см рис.), с помощью реостата подбирается такой накал нити пирометра, чтобы ее яркость совпала с яркостью изображения спирали. В этом случае нить «исчезает», т.е. становится неразличимой на фоне изображения спирали. Прибор проградуирован так, что показывает значение температурыТ* абсолютно черного тела, излучающего на длине волны = 660 нмтак же, как излучает исследуемая спираль в данных условиях.
Для определения температуры Тспирали необходимо сделать пересчет. Для абсолютно черного тела
. (2)
При одинаковой яркости спирали лампы и нити пирометра будут одинаковыми и энергетические светимости в заданном интервале частот. Используя условие (объясните, почему оно выполняется) и, приравнивая энергетические светимости (1) и (2), получаем
, (3)
где - яркостная температура (температура, определяемая с помощью нити пирометра, прокалиброванной по излучению абсолютно черного тела);1,438102(мК);= 660 нм - длина световой волны (средняя длина волны, пропускаемая светофильтром);- температура вольфрама;= 0,43- поглощательная способность вольфрама в исследуемом диапазоне температур.