Изучение законов теплового излучения

ФИЗИЧЕСКИЙ ПРАКТИКУМ ПО ОПТИКЕ

Учебно-методическое пособие

для студентов всех специальностей

очной и заочной формы обучения

по выполнению лабораторных работ

«Волновая и квантовая оптика»

Иркутск 2011

УДК 53.1/530

ББК 22.34

Л 12

Составители: «Волновая и квантовая оптика»

В.И.Барышников, докторфизико-математических наук, профессор кафедры физики; О.В.Горева, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики; Т.А. Колесникова, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики; Н.Н.Ляхов, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики; О.Л.Никонович, ассистент кафедры физики.

Рецензент: Б.И. Китов, доктор технических наук, профессор кафедры теоретической механики ИрГУПС

Л.А.Щербаченко, доктор физико-математических наук, профессор. зав. кафедрой общей физики ИГУ

Физический практикум по оптике

Л 12: Учебно-методическое пособие по выполнению лабораторных

работ/ В.И. Барышников, О.В. Горева, Т.А. Колесникова, Н.Н.Ляхов, О.Л. Никонович. – Иркутск: ИрГУПС, 2011. – … с.

Данное учебно-методическое пособие разработано коллективом кафедры физики ИрГУПС.

Учебно-методическое пособие для студентов всех специальностей очной и заочной формы обучения по выполнению лабораторных работ «Волновая и квантовая оптика».

Ил. 29 Табл. 11 Библиогр.: 5.

© Иркутский государственный университет

путей сообщения, 2011

Введение

Физический практикум является неотъемлемой частью курса физики. Ясное и глубокое усвоение основных законов физики и ее методов невозможно без работы в физической лаборатории, без самостоятельных практических занятий. В физической лаборатории студенты не только проверяют известные законы физики, но и обучаются работе с физическими приборами, овладевают навыками экспериментальной исследовательской деятельности, учатся грамотной обработке результатов измерений и критическому отношению к ним.

Данное пособие является руководством к выполнению лабораторных работ по оптике и атомной физике. Описания работ выполнены подробно и обстоятельно. Особое внимание уделено теоретическому обоснованию применяемых экспериментальных методов и физических явлений.

В экспериментальной части каждой работы приводятся описания экспериментальных установок и задания, регламентирующие последовательность работы студентов при проведении измерений, образцы рабочих таблиц для записи результатов измерений и рекомендации по методам обработки и представления результатов. В конце описаний предлагаются контрольные вопросы, ответы на которые студенты должны подготовить к защите лабораторных работ.

Методическое пособие предназначено для студентов всех специальностей очной и заочной форм обучения

Лабораторная работа № 54

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Цель работы:изучение основных закономерностей теплового излучения методом оптической пирометрии, исследование температурной зависимости интегрального излучения вольфрама.

Приборы и принадлежности:

1. оптический пирометр ЛОП-72

2. вольтметр

3. амперметр

4. цифровой комбинированный прибор Щ-4300

5. лампа накаливания

6. ЛАТР.

Теоретическое введение

В нагретых телах часть внутренней энергии вещества превращается в энергию электромагнитного излучения, которая излучается в широком диапазоне частот (длин волн). Это излучение называют тепловымили температурным излучением. Все раскаленные твердые и жидкие тела имеют сплошной непрерывный спектр излучения. Распределение энергии в таком спектре зависит от температуры излучающего тела.

Для характеристики излучения используются интегральные и спектральные (дифференциальные) параметры.

Интегральный или полный поток излучения Ф (поток тепловой энергии) определяется количеством энергии, переносимой электромагнитными волнами в единицу времени через какую-либо поверхность. Энергетическая светимость или интегральная светимость R есть физическая величина, численно равная всей тепловой энергии, излучаемой в единицу времени с единицы поверхности тела по всем направлениям во всем ин­тервале длин волн:

изучение законов теплового излучения - student2.ru , (1)

где S – излучающая поверхность. Единицы измерения R изучение законов теплового излучения - student2.ru .

Яркостью называется величина В, равная энергии, излучаемой в единицу времени с единицы поверхности тела в единице телесного угла. Яркость связана с энергетической светимостью соотношением изучение законов теплового излучения - student2.ru . Единицы измерения яркости изучение законов теплового излучения - student2.ru .

Спектральной (монохроматической) плотностью энергетической светимости ( изучение законов теплового излучения - student2.ru ) называется мощность излучения с единицы площади поверхности тела, численно равная потоку энергии dФ в единичном интервале длин волн l c единицы площади поверхности S излучателя:

изучение законов теплового излучения - student2.ru . (2)

Единица измерения изучение законов теплового излучения - student2.ru изучение законов теплового излучения - student2.ru .

Поглощательной способностью изучение законов теплового излучения - student2.ru или коэффициентом поглощения, называется безразмерная величина, показывающая, какую долю потока тепловой энергии, падающей на тело в малом спектральном интервале данное тело поглощает. Эта величина зависит от температуры нагретого тела

изучение законов теплового излучения - student2.ru . (3)

Величина коэффициента поглощения, измеренная в малом спектральном интервале от изучение законов теплового излучения - student2.ru до изучение законов теплового излучения - student2.ru , называется спектральной поглощательной способностью изучение законов теплового излучения - student2.ru .

Для всех реальных тел величина изучение законов теплового излучения - student2.ru и в большинстве случаев зависит от длины световой волны изучение законов теплового излучения - student2.ru и абсолютной температуры Т.

Тело, поглощающее всю падающую на него энергию, называется абсолютно черным ( изучение законов теплового излучения - student2.ru для всех длин волн и температур).

В условиях термодинамического равновесия в любой момент времени для каждой длины волны излучаемая энергия равна поглощаемой. Такое излучение называется равновесным: падающая на поглощающее тело энергия излучения численно равна энергии излучения абсолютно черного тела (АЧТ). C учетом выражений (2) и (3) получаем для термодинамического равновесия:

изучение законов теплового излучения - student2.ru , (4)

где изучение законов теплового излучения - student2.ru – спектральная энергетическая светимость АЧТ.

Таким образом, отношение спектральной энергетической светимости к его спектральной поглощательной способности не зависит от природы тела и является универсальной функцией длины волны и температуры (закон Кирхгофа):

изучение законов теплового излучения - student2.ru , (5)

где индексы 1, 2, 3... соответствуют различным телам. Из закона Кирхгофа следует, что универсальная функция изучение законов теплового излучения - student2.ru есть спектральная энергетическая светимость изучение законов теплового излучения - student2.ru АЧТ. Используя закон Кирхгофа (5), выраже­ние для энергетической светимости тела запишется в виде

изучение законов теплового излучения - student2.ru . (6)

Основываясь на гипотезе о квантовой природе излучения, Планк вывел для АЧТ формулу

изучение законов теплового излучения - student2.ru (7)

где h = 6,63×10-34 Дж×с – постоянная Планка, k = 1,38×10-23Дж/К – постоянная Больцмана, с = 3×108 м/с – скорость света в вакууме, С1 = изучение законов теплового излучения - student2.ru = 3,74×10-8 Вт×м2 и С2 = hc/k = 1,438×10-2 м×К– постоянные коэффициенты.

Проинтегрировав функцию Планка по всему интервалу длин волн, получим закон Стефана-Больцмана:

изучение законов теплового излучения - student2.ru (8)

где изучение законов теплового излучения - student2.ru = 2 изучение законов теплового излучения - student2.ru 5k4 /15c2h3 = 5,6687×10-8 Вт/(м2×К4) – постоянная Стефана-Больцмана.

График зависимости спектральной энергетической светимости АЧТ изучение законов теплового излучения - student2.ru от длины волны теплового излучения для разных температур приведен на рис. 1.

изучение законов теплового излучения - student2.ru
Рис. 1. Спектральная энергетическая светимость как функция длины волны

Максимум спектральной энергетической светимости определяется из условия:

изучение законов теплового излучения - student2.ru . (9)

Подставив функцию изучение законов теплового излучения - student2.ru (7) в уравнение (9) и произведя необходимые преобразования, получим, что изучение законов теплового излучения - student2.ru .

В.-Вин вывел выражение lmT/=/const, анализируя функцию изучение законов теплового излучения - student2.ru , полученную экспериментальным путем, и сформулировал закон теплового излучения (закон смещения Вина или первый закон Вина): длина волныlm , на которую приходится максимум спектральной энергетической светимости абсолютно черного тела, обратно пропорциональна его абсолютной температуре. Этот закон записывается в виде:

изучение законов теплового излучения - student2.ru m изучение законов теплового излучения - student2.ru (10)

где изучение законов теплового излучения - student2.ru m – длина волны, на которую приходится максимум спектральной энергетической светимости, изучение законов теплового излучения - student2.ru = 2,89×10-3 м×К – постоянная смещения Вина. Выражение для максимума спектральной энергетической светимости (второй закон Вина)имеет вид

изучение законов теплового излучения - student2.ru mах = изучение законов теплового излучения - student2.ru (11)

где изучение законов теплового излучения - student2.ru = 1,29×10-5 Вт/м3×К – постоянная Вина.

Энергетическая светимость АЧТ, находящегося при температуре Т, в окружающей среде с температурой Т0 определяется как:

изучение законов теплового излучения - student2.ru (12)

Тела, для которых изучение законов теплового излучения - student2.ru для всех длин волн теплового излучения, называются серыми. Спектр излучения серых тел подобен спектру излучения АЧТ. Коэффициент изучение законов теплового излучения - student2.ru называют интегральной поглощательной способностью тела или коэффициентом поглоще­ния серого тела, который зависит от природы тела, состояния его поверхности и температуры.

Для реальных тел закон Стефана-Больцмана выполняется лишь качественно, то есть с ростом температуры энергетическая светимость всех тел увеличивается. В этом случае зависимость энергетической светимости от температуры уже не описывается простым соотношением (13), а имеет вид

изучение законов теплового излучения - student2.ru . (13)

Для измерения высоких температур широко применяются оптические методы, основанные на использовании законов теплового излучения.

Область экспериментальной и технической физики, разрабатывающая эти проблемы, носит название –оптической пирометрии.

Пирометры– приборы для измерения температуры нагретых тел по интенсивности их теплового излучения в оптическом диапазоне спектра (l = 400 изучение законов теплового излучения - student2.ru 700 нм). Применяют яркостные, цветовые и радиационные пирометры.

В оптических пирометрах одна из характеристик излучения исследуемого тела сравнивается с соответствующей характеристикой АЧТ. Сравнение проводится по принципу равенства интегральных или спектральных светимостей (яркостей) или по идентичности спектрального состава.

Соответственно различают и температуры: энергетическую (радиационную) ТР, цветовую ТЦВ, яркостную ТЯ.

Энергетической (радиационной) температурой ТР, называют температуру АЧТ, при которой его энергетическая светимость равна энергетической светимости исследуемого тела при температуре Т.

Цветовой температурой называют температуру АЧТ, при которой отношение спектральных энергетических яркостей видимой области спектра для двух заданных волн АЧТ и исследуемого тела одинаковы. Обычно используют изучение законов теплового излучения - student2.ru = 655 мкм (красный свет) и изучение законов теплового излучения - student2.ru = 567 мкм (зеленый свет).

Яркостной температурой называют температуру АЧТ, при кото­рой его спектральная энергетическая яркость равна спектральной энергетической яркости исследуемого тела при той же длине световой волны. Обычно сравнение проводится при длине волны 660 нм.

Наши рекомендации