Порядок выполнения работы

1 Поворотом рукоятки блока фильтров по часовой стрелке установить в рабочее положение фильтр №1.

2 Включить двигатель модулятора, нажав кнопку МОДУЛЯТОР (до окончания измерений не выключать).

3 Снять показания с цифрового индикатора. Если на индикаторе высвечивается информация 1. (после запятой цифры не светятся), то следует нажать кнопку 4 ДИАПАЗОН (при этом показания индикатора следует увеличить в 3 раза).

4 Последовательно осуществляя смену фильтров, снять показания и заполнить табл. 2. Провести не менее трех измерений для каждого фильтра. Смену фильтров осуществлять только по часовой стрелке. Определить среднее значение U_R(λ,Т)

Таблица 2

λmax, мкм	2,1	2,5	3,2	3,9	4,5	6,2	8,5	UR(Т1)
UR(λ,Т), В
ср.знач.

При величине показаний цифрового индикатора вольтметра меньших 2 В более точными являются показания на диапазоне 1. В положении 8 блока фильтров вместо узкополосного фильтра устанавливается нейтральный ослабитель, что позволяет измерить величину U, пропорциональную энергетической светимости R_T в интервале длин волн от 2 до 20 мкм.

5 Повторить измерения по пункту 4 для температуры Т₂, нажав кнопку Т2 (при этом светодиод против кнопки Т1 должен погаснуть), а затем для температуры Т3. Результаты измерений занести в таблицы 3 и 4, аналогичные таблице 2. После перехода к новой температуре выждать 5 минут до начала проведения измерений.

6 Построить графики зависимостей U_R(λ) = U_R(λ) (λ,Т = const) для трех температур. Графики следует строить на миллиметровой бумаге, выбрав масштаб по оси длин волн 1 мкм = 20 мм, а по оси напряжений 1 В = 50 мм. В интервале длин волн 0-2,0 мкм и 8,5-10 мкм изобразить ход кривых и убедиться в их соответствии с теоретическими положениями.

7 Нажатием кнопки МОДУЛЯТОР отключить двигатель от блока питания. Выключить установку нажатием кнопки СЕТЬ.

Для проверки закона Стефана-Больцмана необходимо определить площади S_T1, S_T2, S_T3, ограниченные кривыми U_R(λ) (λ,Т = const) для трех температур и осью абсцисс, и проверить справедливость соотношений

(7)

Заданные величины температур: Т1 = 900 К, Т2 = 740 К, Т3 = 630 К. С другой стороны, можно экспериментально измерить величину напряжения U_RT, пропорциональную (l, Т = const) для трех температур (в этом случае вместо узкополосного фильтра устанавливается нейтральный ослабитель), и проверить справедливость соотношений

(8)

1 Проверить выполнение соотношений (7).

2 Вычислить среднее значение соотношений (8) и отношение каждого значения от среднего. Сделать выводы.

3 Используя экспериментально измеренные значения U_RT1, U_RT2, и U_RT3 из таблиц 2 и 3 и значения заданных температур излучателя, проверить выполнение соотношений (8). Проделать аналогичные вычисления по п. 3.

4 Полученные в работе результаты записать в табл. 3.

Таблица 3

№ п/п	,м	Тэксп,К	∆Т, К

В таблице 3 приняты следующие обозначения:

∆Т – разность температур излучателя: заданной и экспериментально найденной; – среднее значение отношения по трем температурам; – среднее значение отношения по трем температурам; – отклонение отношения от среднего значения , вычисленное в процентах, для каждой температуры; – отклонение отношения от среднего значения , вычисленное в процентах, для каждой температуры.

Контрольные вопросы для допуска к работе

1 Назначение приемника излучения.

2 В каком устройстве происходит преобразование энергии и какой энергии в какую?

3 Назначение цифрового вольтметра.

4 Для какой цели предназначен набор светофильтров?

5 Что является источником излучения в данной работе?

6 Как осуществить питание источника излучения?

Контрольные вопросы к защите работы

1 Какова природа теплового излучения?

2 Что такое термодинамическое равновесие?

3 Какова физическая сущность гипотезы квантов?

4 Что такое АЧТ и какому закону подчиняется спектральная плотность его излучения?

5 Какие части кривой распределения спектральной плотности излучения АЧТ описываются соотношениями:

1 (hc)/λ = kT;

2 (hc)/λ >> kT;

3 (hc)/λ << kT.

6 Сформулируйте закон смещения Вина.

7 Сформулируйте закон Стефана-Больцмана.

8 Сформулируйте закон Кирхгофа.

9 Каков физический смысл коэффициента излучения реального тела и от каких факторов он зависит?

10 Что такое серое тело?

Задание 2. Проверка справедливости закона смещения Вина.

Цель работы: изучить основные закономерности теплового излучения;

проверить выполнение закона смещения Вина.

Вывод закона смещения Вина из закона Планка

Соотношение (1) для спектральной плотности излучения исследуем на экстремум. Для этого функцию R(λ,Т) продифференцируем по λ и полученное выражение приравняем к нулю:

(9)

Введя обозначение , после сокращений получим:

. (10)

Выражение (10) – трансцендентное уравнение, имеющее единственный корень . Следовательно,

, откуда

. (11)

Здесь величина b является константой, т.к. определяется через постоянные h, c, K; величина - постоянная Вина.

Формула (11) выражает закон смещения Вина: с увеличением абсолютной температуры Т максимум функции R(λ,T) смещается в сторону меньших длин волн.

Подстановка значения в формулу (1) приводит к формуле Вина (12):

, (12)

где .

Как видим, величина a также является константой, т.к. выражается через постоянные величины.

Измерения U_R (λ,Т = const) выполнить, как в задании 1. Результаты занести в таблицу 4.

Таблица 4

λmax, мкм	2,1	2,5	3,2	3,9	4,5	6,2	8,5	U(R(Т1)
UR(λ,Т), В
ср.знач.

1 Определить из графиков U_R (λ,Т = const) величины λ_max для трех температур.

2 Вычислить по формуле (10) значения Т1_эксп, Т2_эксп, Т3_эксп.

3 Сравнить полученные результаты с заданными величинами температур:

Т1 = 900 К, Т2 = 740 К, Т3 = 630 К. Вычислить отклонение расчетных температур от заданных. Сделать выводы.

Контрольные вопросы для допуска к работе, контрольные вопросы к защите работы те же, что и для задания 1.

Задание 3. Экспериментальное определение постоянной Планка

Цель работы: изучить основные закономерности теплового излучения;

определить постоянную Планка.

Из формулы (11) по экспериментальным значениям и заданным значениям определяем постоянную Планка по формуле:

. (13)

Измерения U_R (λ,Т = const) выполнить, как в задании 1.

1 Определить из графиков U_R (λ,Т = const) величины λ_max для трех температур.

2 Определить значения b для трех температур.

3 Определить значения h для трех температур. Найти среднее значение h.

4 Полученные в работе результаты записать в таблицу 5.

Таблица 5

№ п/п	λmax, м	Тзад, К	h	hcр

Полученный результат записать в виде . Значения рассчитать по формуле:

,

где - число измерений (в нашем случае , то есть для трёх температур).

Контрольные вопросы для допуска к работе, контрольные вопросы к защите работы те же, что и для задания 1.

Литература

1 Савельев И.В. Курс общей физики т.3 – М. Наука, 1987, §§ 1–7.

2 Сивухин Д.В. Общий курс физики, Оптика – М. Наука, 1980, §§ 112–119.

3 Трофимова Т.И. Курс физики. – М. Высшая школа, 1985, §§ 129, 200.

4 Ландсберг Г.С. Оптика – М. Наука, 1976, §§ 194–201

5 Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики.—М. Высшая школя, 2001. § 35.

6 Наркевич И.И., Волмянский Э.И., Лобко С.И. Физика. – Мн., ООО «Новое знание». 2004. § 26.1.

СОДЕРЖАНИЕ

Методическое обоснование работы ……………………………………………3

Описание лабораторной установки……………………………………………..5

Задание 1. Проверка закона Стефана - Больцмана…………………………….8

Контрольные вопросы для допуска к работе…………………………………..11

Контрольные вопросы к защите работы……………………………………….11

Задание 2. Проверка закона смещения Вина…………………………………..11

Задание 3. Экспериментальное определение постоянной Планка…………...13

Литература……………………………………………………………………….15

План 2006/2007, поз

Дудо Николай Иосифович

Шкирман Станислав Фёдорович

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

по изучению законов теплового излучения

по дисциплине

«ФИЗИКА»