Лабораторная работа 313 определение постоянной стефана-больцмана с помощью оптического пирометра с исчезающей нитью типа оппир-09

Цель работы - ознакомиться с законами теплового излучения, изучить ра­боту оптического пирометра, измерить с его помощью температуру нагретого те­ла, определить величину постоянной Стефана-Больцмана.

Принципиальная схема оптического пирометра с исчезающей нитью приведена на рис. 4. Исследуемым телом S служит нить кинолампы при разных значениях подводимой к ней мощности.

При температуре окружающей среды Т₀ энергетическая светимость нити может быть выражена формулой (4);

R_To = σT_o⁴

При пропускании электрического тока через кинолампу температура нити повысится до Т. При этом энергетическая светимость станет равной

R_T = σT⁴

Из определения энергетической светимости (с.З) следует, что мощность, затрачиваемая на поддержание температуры Т нити в среде с температурой Т₀ равна (R_T - R_To)S, где S- площадь поверхности излучения нити кинолампы. При высокой температуре эта мощность будет равна мощности тока накала и может быть определена по показаниям вольтметра 5 и амперметра 6 (рис.6):

(R_T - R_To)S = IU,

или

σ(T_o - T_o⁴)S = IU

где I - сила тока в кинолампе; U - падение напряжения на кинолампе. Отсюда

(23)

Поскольку температура накала Т нити кинолампы в несколько раз превышает температуру Т₀ окружающей среды, формулу (23) можно представить в виде

(24)

Описание установки

Общий вид установки для измерения температуры тела оптическим пирометром представлен на рис. 6, где 1 - пирометр типа ОППИР-09; 2 – блок питания эталонной лампы накаливания Л пирометра (см. рис. 4); 3 - кинолампа, нить которой служит исследуемым телом; 4 - автотрансформатор ЛАТР, питающий кинолампу; 5 - вольтметр, измеряющий напряжение U, подаваемое на кинолампу; 6 - амперметр для измерения тока накала I кинолампы; 7 – рифленое кольцо; 8 - шкала измерительного гальванометра G, вмонтированного внутрь пирометра; 9 - оправа окуляра; 10 - ручка красного светофильтра Ф₂ ; 11 -объектив.

В корпус пирометра вмонтирован реостат, регулирующий силу тока в цепи эталонной нити накаливания. Движок реостата в виде рифленого кольца 7 расположен на передней стенке корпуса. Ток накаливания увеличивается поворотом этого кольца по часовой стрелке.

Рис. 5

Шкала 8 измерительного гальванометра G проградуирована в градусах Цельсия. Температуры ниже 1200°С измеряют по верхней шкале гальванометра. Температуры выше 1200°С измеряют по нижней шкале, предварительно введя в поле зрения серый светофильтр Ф₁; (см, рис. 4) с помощью накатанной головки, расположенной на корпусе гальванометра позади шкалы. Светофильтр введен, если белая указательная точка на головке совпадает с индексом «20» на корпусе;

светофильтр не введен, если индекс и точка смещены на 1/4 оборота. Красный светофильтр Ф₂ расположен в оправе окуляра 9.

Порядок выполнения работы

1. Включить ЛАТР в сеть 127 В, предварительно установив указатель рукоятки ЛАТРа на нулевую отметку.

2. Вывести оба светофильтра пирометра для удобства фокусировки.

3. Вращением кольца реостата 7 пирометра довести накал эталонной нити пирометра примерно до 1000°С (по шкале 8). При этом в окуляре 9 должна наблюдаться раскаленная дугообразная нить пирометра.

4. Продольным перемещением окуляра сфокусировать нить так, чтобы она была отчетливо видна в поле зрения окуляра.

5. Постепенно вращая рукоятку ЛАТРа по часовой стрелке, довести нить кинолампы до красного накала.

6. Направить пирометр на кинолампу и продольным перемещением объектива 11 добиться четкого изображения спирали кинолампы. Обе нити должны быть четко видны в окуляр. Расстояние между пирометром и кинолампой должно составлять примерно 50 см.

7. Рукояткой ЛАТРа установить напряжение на кинолампе равным 20 В.

8. Вращая кольцо реостата 7 пирометра при введенном красном свето­фильтре Ф₂ добиться полного исчезновения эталонной нити накаливания на фоне изображения нити кинолампы. Этот опыт повторить несколько раз, подходя к этому положению поочередно от большей яркости, когда эталонная нить кажется светлой на темном фоне, и от меньшей яркости, когда эталонная нить кажется темной на светлом фоне.

9. Отсчитать по верхней шкале 8 прибора значение яркостной температуры t_ярк нити кинолампы, перевести это значение в градусы Кельвина (Т_ярк ) и по графику на лабораторном столе или на рис. 7 определить температуру Т.

10. Полученные значения температур и соответствующие показания вольтметра 5 и амперметра 6 занести в табл. 2.

11. Измерить температуру Т при напряжениях 30 и 40 В, следуя указаниям в пунктах 8-10.

12. После измерений повернуть кольцо реостата пирометра против часовой стрелки до упора и отключить ЛАТР от сети.

13. По формуле (24) подсчитать величину постоянной Стефана-Больцмана для каждого отсчета температуры (S = 1,4 •10^-4 м²).

Таблица2

№№ п/п	[U, В	ЛI, А	{tярк °С	Tярк °С	T, K	σi Вт/м2*К4	σcр Вт/м2*К4
1 1	"
2
3

Рис.7

По окончании вычислений произвести оценку ошибок полученных результатов для постоянной Стефана - Больцмана о", по следующей схеме:

1. Вычислить среднее арифметическое значение измеряемой величины:

где п -число измерений.

2. Найти остаточные ошибки отдельных измерений:

3. Вычислить среднюю квадратичную ошибку среднего значения;

4. При заданной доверительной вероятности δ = 0,95 по таблице Стьюдента найти коэффициент Стьюдента для п измерений, t_δ(п).

5. Оценить границы доверительного интервала результата измерений:

6. Вычислить относительную погрешность:

7. Окончательный результат записать в виде

8. Сравнить полученное значение постоянной Стефана - Больцмана с табличным σ^T = 5,7*10^-8 Вт/(м²*К⁴)