Лабораторная работа N4

Лабораторная работа N4.

Изучение закономерностей теплового излучения нагретых тел.

Основные теоретические положения:

Температурным равновесием называется излучение тел, находящихся в состоянии термодинами­ческого равновесия с окружающей средой. Излучение осуществляется за счет энергии хаотического дви­жения частиц тела. Характеристикой теплового излучения является его интегральная излучательная спо­собность R_T - лучистая энергия, испускаемая единицей поверхности тела в единицу времени, на всем диа­пазоне волн [Вт/М²].Спектральной излучательной способностью(r_T) называется излучательная способность при данной температуре и длине волны [Вт/М³]. Характеристикой поглощения тела служит спектральная поглощательная способность(_)- отношение поглощенного потока к величине падающего потока.

, ,

Спектральные лучеиспускательная и поглощательная способности тела зависят от длинны волны падающего излучения, температуры тела, свойств тела и его поверхности. Тело, у которого _=1 для всех длин волн называется абсолютно черным; _<1 - серым.

Спектральные лучеиспускательная и поглощательная способности тела связаны между собой за­коном Кирхгофа: отношение спектральных лучеиспускательной и поглощательной способности для любых тел при данных температуре и длине волны одинаково и не зависит от природы этих тел- это отношение является Спектральной лучеиспускательной способностью абсолютно черного тела.

Формула Планка для лучеиспускательной способности абсолютно черного тела:

c₀- скорость света, h- постоянная Планка, k- постоянная Больцмана

Из формулы Планка вытекает закон Стефана-Больцмана: ,где - постоянная

Для не абсолютно черных тел формула Планка:

Для спектральной области видимого света:<<1 , поэтому

, ,где c₁=2hc₀²=3.74*10^-16, c₂=h*c₀/k=1.44*10^-2

Цель работы: исследование взаимосвязи яркостной и истинной температур; проверка закона Стефана-Больцмана.

Приборы и принадлежности: пирометр с исчезающей нитью, исследуемое тело (лента лампы накалива­ния), амперметр, вольтметр.

Исследуемые закономерности:

Объектом исследования в работе служит лента лампы накаливания, которую можно считать серым телом с поглощательной способностью =0.92 при =665нм. Температура ленты определяется оптическим пиро­метром. По шкале пирометра определяют не истинную, а яркостную температуру, такую, при которой абсо­лютно черное тело имеет при данной длине волны туже хроматическую яркость, что и исследуемое тело. Истинная температура может быть вычислена, если известна яркостная.

Формулы:

Спектральная яркость абсолютно черного тела:

Спектральная яркость серого тела с истинной температурой T₁

- по определению яркостной температуры

Логарифмируя, получим:

, где T₁ и T - истинная и яркостная температура в К.

По закону Стефана-Больцмана излучаемая телом мощность равна P=AT₁⁴=IU

Логарифмируя выражение, получим: lnA+4lnT₁=ln(I) + ln(U)

Задача: Вычислить истинную температуру, соответствующую каждому значению тока I. Построить гра­фик, откладывая по оси абсцисс логарифм истинной температуры, а по оси ординат сумму логарифмов тока и напряжения.

Схема установки.

Ок- окуляр, R- реостат, E- батарея, О- объектив, L- лампочка

Принцип работы: Для измерения температуры тела используется пирометр с исчезающей нитью.

В фокусе объектива О зрительной трубы помещена электрическая лампочка L с нитью, изогнутой в полуок­ружности. Через окуляр Ок возможно наблюдать одновременно среднюю часть нити и изображение поверх­ности тела, температуру которой нужно определить. Ф - красный светофильтр. Лампа питается от батареи Е. Ток регулируется реостатом R.

Исходные данные + выполнение расчета

Вывод: В результате выполнения данной лабораторной работы была исследована взаи­мосвязь яркостной и истинной температуры, проверен закон Стефана-Больцмана, ко­торый устанавливает, что лучеиспускательная способность пропорциональна четвер­той степени истинной температуры, т.е. логарифм истиной температуры должен быть прямо пропорционален сумме логарифмов тока и напряжения, подающихся на ленту лампы накаливания и определяющих мощность, подводимую к исследуемому телу(ленте лампы накаливания),- что подтверждает график(абсциссой которого явля­ется логарифм истинной температуры, а ординатой сумма логарифмов напряжения и тока), являющийся прямой линией - прямая пропорциональность. Таким образом, за­кон Стефана-Больцмана подтвержден экспериментально.