Описание пирометра и схема установки

Для измерения температуры нити лампы накаливания в данной работе используется пирометр с исчезающей нитью. Его устройство показано на рис. 1. Здесь О – объектив; Л – линза, служащая окуляром; Э – электрическая лампочка с волоском, изогнутым полукругом; - дымчатый фильтр; - красный фильтр ( ); Б – аккумулятор; R – реостат; Г – гальванометр.

Объектив проецирует изображение исследуемого тела в плоскость расположения нити лампы. Фильтр необходим при измерениях, но он может выводиться из поля зрения окуляра при наводке трубы пирометра на объект измерений для удобства фокусировки в белом свете. Введение и выведение осуществляется вращением рифленого кольца на окуляре пирометра. Фильтр вводится при измерении температуры, превышающей 1400 , поворотом кольца, установленного на трубе пирометра. Гальванометр, включенный в цепь нити накала, проградуирован в градусах Цельсия по черному телу. Гальванометр имеет две шкалы: от 700 1400 и от 1200 до 2000 , соответствующих работе пирометра без фильтра и с фильтром . Ток накала нити регулируется реостатом R, вмонтированным непосредственно в стойку пирометра, под его трубой. Изменение сопротивления реостата в процессе измерений осуществляется вращением рифленого кольца, находящегося в передней части окулярной трубы пирометра. Изменяя сопротивление, подбирают такой ток, при котором нить пирометра исчезает на фоне исследуемого тела. При недостаточном накале нить будет темнее предмета, при повышенном – ярче его. Т.к. пирометр проградуирован по черному телу, им определяется не истинная температура исследуемого объекта, а температура того черного тела, излучение которого одинаково с излучением данного тела. Эту температуру называют яркостной ( ). Она всегда ниже истинной (Т). В данной работе переход от к Т производится с помощью графика 1 (см. на рабочем столе).

На рис. 2 приведена схема электрической цепи лампы. Изменяя реостатом R накал лампы измеряют мощность , потребляемую лампой при различных токах.

Порядок выполнения работы

1. Подготовьте оптический пирометр к проведению измерений. Его схема изображена на рис.3. Здесь 1 – кнопка, при нажатии которой в окуляр пирометра видна горизонтальная нить; 2 – ручка, с помощью которой можно изменять яркость нити; 3 – окуляр; 4 – объектив; 5 – ручка переключения диапазонов.

1.2. Пирометр включить нажатием кнопки (1), поворотом ручки (2) увеличить яркость нити до нормальной видимости.

2.2. Перемещением окуляра (3) добиться резкой видимости нити в поле зрения.

3.2. Пирометр визировать на измеряемый объект, который должен находиться в центральной части поля зрения против указателя. Ручкой переключателя диапазонов установить необходимый предел измерения температуры.

4.2. Положение ручки переключателя диапазонов (5):

I – диапазон измерения 800 – 1400 ;

II – диапазон измерения 1200 – 2000 ;

III – диапазон измерения 1800 – 5000 .

2. Замкните цепь исследуемой лампы. При помощи выпрямителя ВС-24 М установите ток 2,5 А. Запишите в таблицу 1 соответствующее значение напряжения.

3. Перемещением объектива и окуляра пирометра, добейтесь резкого изображения нити лампы и нити пирометра.

4. Нажав кнопку (1) и вращая ручку (2) пирометра, добейтесь уравнивания яркостей нити лампы и нити пирометра. Запишите в таблицу 1 значение яркостной температуры . Измерения повторите 5 раз. Результаты запишите в таблицу 1.

5. Повторите измерения для других значений тока в цепи лампы. Результаты запишите в таблицу 1.

6. Определите среднее значение яркостной температуры для каждого значения тока. Для определения истинной температуры нити лампы к показаниям пирометра нужно добавить поправку, определив ее из графика на рабочем столе.

Таблица 1

I, A	U, B	,	,	,	,	,	,	,	,	, К
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5

Обработка результатов.

1. Используя таблицу 1, определите мощность, потребляемую лампой при различных токах. Результаты вычислений запишите в таблицу 2.

2. Постройте график зависимости .

Проверьте применимость закона Стефана-Больцмана для исследуемого источника, для чего постройте график зависимости и методом парных точек определите п по формуле (9).

Таблица 2

N, Вт		Т, К		,	,	h,	,

3. По формуле (10)) вычислите постоянную Стефана-Больцмана при различных температурах. Причем , .

4. Используя определенные ранее значения вычислите постоянную Планка h (формула (11)). Результаты запишите в таблицу 2.

5. Определите погрешности измерений для h и .

6. Запишите окончательный результат в виде , .

7. Сделайте вывод.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение излучательной способности.

2. Сформулируйте закон Стефана-Больцмана.

3. Чему равна постоянная Стефана-Больцмана?

4. Сформулируйте закон смещения Вина.

5. Сформулируйте закон Кирхгофа.

6. От чего зависит коэффициент поглощения?

7. Какую температуру называют яркостной?

Литература

1. А.А.Детлаф, Б.М.Яворский. Курс физики, т. 3, М., «Высшая школа», 1979.

2. Г.А.Зисман, О.М.Тодес. Курс общей физики, т. 3, М., «Наука», 1978.

3. Г.С.Ландсберг. Оптика, М., «Наука», 1978.

4. И.В.Савельев Курс общей физики, т. 3, М., «Астрель», 2005.

Лабораторная работа 2.07

Спектроскопическое определение постоянной Планка

Цель работы: проградуировать монохроматор, определить постоянную Планка.

Принадлежности: монохроматор УМ-2; неоновая и ртутная лампы с блоком питания; кювета с водным раствором .

ТЕОРИЯ

Спектральный состав излучения различных веществ весьма разнообразен. Как показывает опыт, все спектры можно разделить на три сильно отличающихся друг от друга типа.

Непрерывные (сплошные) спектры дают тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии. Для получения непрерывного спектра нужно нагреть тело до высокой температуры. В сплошном спектре представлены все длины волн.

Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии. В этом случае свет излучают атомы, которые практически не взаимодействуют друг с другом. Изолированные атомы данного химического элемента излучают строго определенные длины волн. Все металлы в газообразном состоянии дают линейчатые спектры. Для наблюдения линейчатых спектров используют свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда в трубке, наполненной исследуемым газом. При увеличении плотности атомарного газа отдельные спектральные линии расширяются.

Полосатые спектры состоят из отдельных полос, разделенных темными промежутками. С помощью очень хорошего спектрального аппарата можно обнаружить, что каждая полоса представляет собой совокупность большого числа очень тесно расположенных линий. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом. Для наблюдения молекулярных спектров так же, как и для наблюдения линейчатых спектров, обычно используют свечение паров в пламени или свечение газового разряда.

Для получения спектров служат спектральные приборы. Монохроматором называется спектральный прибор, выделяющий из интегрального излучения квазимонохроматическое, энергия которого распределена в достаточно малом интервале длин волн .

Постоянная впервые введена М.Планком в 1900 г. при решении задачи о распределении энергии в спектре черного тела. Впоследствии постоянная h получила название постоянной Планка.

Эта постоянная является одной из важнейших констант микромира, она фигурирует во многих формулах и уравнениях квантовой механики. Существует несколько способов определения постоянной h. Наиболее точное её значение получается из измерений коротковолновой границы тормозного рентгеновского излучения. В данной работе постоянная Планка определяется из спектра поглощения водного раствора (двухромовокислого калия), т.е. методом абсорбционной спектроскопии.

Свет, проходя через любую среду, поглощается. Поглощение света связано с преобразованием в веществе энергии электрического излучения в другие виды энергии. Согласно электронной теории взаимодействие света и вещества сводится к взаимодействию электромагнитного поля световой волны с атомами и молекулами вещества. Электроны, входящие в состав атомов, могут колебаться под действием переменного электрического поля световой волны. Часть энергии световой волны затрачивается на возбуждение колебания электронов. Частично энергия колебания электронов вновь переходит в энергию светового излучения, а также переходит и в другие формы энергии, например, в энергию теплового движения. Действительно, поглощение света сопровождается нагреванием тела.

В водном растворе молекула диссоциирует на ионы:

. (1)

Ион в видимой части спектра не поглощает света (т.к. лишен оптического электрона), а ион поглощает свет в сине-зеленой части спектра. При таком поглощении света происходит реакция фотохимического разложения иона :

, (2)

где - энергия, необходимая для протекания реакции (2). Эта энергия поставляется квантом света (фотоном).

В фотохимии известно два основных закона:

1. Закон Гроттгуса-Драпераутверждает, что реакция может инициироваться только излучением, которое действительно поглощается. Здесь нужно обратить внимание на слова «действительно поглощается». Дело в том, что если свет просто проходит через раствор, он не инициирует фотохимическую реакцию.

2. Закон Эйнштейна-Штарка гласит: молекула, ответственная за первичный фотохимический процесс, поглощает один фотон. Из закона Эйнштейна-Штарка не обязательно следует, что при поглощении одного фотона молекула даст только один продукт: если далее следует цепная реакция, то поглощение одного фотона может привести к образованию в качестве продукта нескольких молекул.

Отношение числа реагирующих молекул к числу поглощенных фотонов называется квантовым выходом фотохимической реакции:

. (3)

Для реакции (2) .

Из первого закона следует, что

· если энергия фотона

E , (4)

то такой фотон инициирует реакцию (2);

· если энергия фотона

E , (5)

то реакция (2) не идет.

По этой причине при падении на раствор «белого» света в спектре прошедшего через раствор света будут отсутствовать те длины волн, для которых выполняется условие (4), т.е. спектр оказывается как бы отрезанным с фиолетово-синего конца. Через раствор пройдет без поглощения излучение тех длин волн, для которых выполняется условие (5).

Изменяя длину волны , соответствующую началу поглощения, можно записать:

, (6)

откуда получается выражение для определения постоянной Планка:

. (7)