Лабораторные работы / lab4
.docЛабораторная 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 RT - лучистая энергия, испускаемая единицей поверхности тела в единицу времени, на всем диапазоне волн [Вт/М2].Спектральной излучательной способностью(rT) 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=2hc02=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.