Лабораторная работа №71. Изучение законов теплового излучения Цель работы
 Скачать 84 Kb.
|
|
«Изучение законов теплового излучения» Цель работы: исследовать зависимость излучательности тел от температуры; определить постоянную Стефана-Больцмана; определить постоянную Планка; Теоретическая часть. Тепловое излучение – это электромагнитное излучение, испускаемое веществом и возникающее за счет его внутренней энергии (в отличие, например, от люминесценции, которая возбуждается внешними источниками энергии). Тепловое излучение имеет сплошной спектр, положение максимума которого зависит от температуры вещества. С ее повышением возрастает общая энергия испускаемого теплового излучения, а максимум перемещается в область малых длин волн. Тепловое излучение является равновесным процессом. Тепловое излучение описывается следующими характеристиками: 1) излучательность или энергетическая светимость Rэ – энергия, испускаемая единицей поверхности излучаемого тела по всем направлениям за единицу времени, Rэ =  (1);2) спектральная плотность излучательности E,T – количество энергии электромагнитного излучения данной длины волны или частоты испускаемого за единицу времени по всем направлениям единицей поверхности тела, имеющего температуру Т, E,T =  (2);3) поглощательная способность АТ - величина, показывающая, какая часть энергии излучения с длиной волны достигающая за единицу времени поверхности тела, имеющего температуру Т, поглощается им (коэффициент поглощения), АТ =  (3).В теории теплового излучения вводится понятие абсолютно черного тела – тела, которое полностью поглощает весь падающий на него поток излучения. Коэффициент поглощения АТ абсолютно черного тела равен единице и не зависит от длины волны излучения. Интенсивность излучения абсолютно черного тела выше, чем нечерных тел при той же температуре. Законы теплового излучения: 1) Тепловое излучение любых тел подчиняется закону Кирхгофа: отношение испускательной способности E,T тел к их поглощательной способности АТ не зависит от природы излучающего тела, а зависит только от длины волны излучения и абсолютной температуры Т и равно излучательной способности абсолютно черного тела Т):  (4);2) Закон Стефана-Больцмана: энергетическая светимость абсолютно черного тела Rэ прямо пропорциональна четвертой степени температуры Т, Rэ = *Т4 (5), где = 5,71*10-8 Вт*м-2*град-4 – постоянная Стефана-Больцмана; 3) I-й закон Вина (закон смещения): длина волны max, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости, обратно пропорциональна величине температуры, max =  (6), где b = 2,398*10-3 м*К;4) II-й закон Вина: максимальное значение излучательности абсолютно черного тела Т) пропорционально пятой степени температуры, Т)max = b|*T5 (7), где b| = 1,29*10-5 Вт*м-2*с-1*К-5. 5) Закон излучения Планка описывает спектральное распределение излучательности абсолютно черного тела: Т) =  (8), где h – постоянная Планка, с – скорость света в вакууме, k – постоянная Больцмана, - длина волны излучения.Формула Планка позволяет теоретически вывести законы излучения абсолютно черного тела и связать постоянную Планка h с экспериментальной постоянной Стефана-Больцмана постоянными b и b| Вина и постоянной Больцмана k. Экспериментальная часть. 1. Приборы и принадлежности: оптический пирометр ЛОП-72 с блоком питания и измерительным блоком; лампа накаливания с вольфрамовой нитью; миллиамперметр; вольтметр; ЛАТР на 240 В. В данной работе используется лампа накаливания с вольфрамовой нитью. Ток накала лампы регулируется автотрансформатором. В установившемся температурном режиме мощность W2, рассеиваемая вольфрамовой нитью лампы в пространство, должна быть равна излучаемой ею мощности. Мощность, потребляемая нитью, состоит из электрической мощности Wэ, получаемой ею от источника, и мощности W1 поглощаемого нитью теплового излучения окружающих тел, всегда присутствующего в пространстве, поскольку температура последних выше 0 К и равна комнатной Т1: W2 = Wэ + W1 (9). Электрическая мощность Wэ исследуемой лампы равна: Wэ = I*U (10), где I и U соответственно ток через исследуемую нить и напряжение на ней. W1 = 0**  *S (11), где S – площадь поверхности вольфрамовой нити, коэффициент поглощения (поскольку нить не является абсолютно черным телом <1).Мощность W2, которую излучает нить в окружающее пространство, согласно закону Стефана-Больцмана, определяется как: W2 = **  *S (12), где Т2 – температура нити, const.Тогда из (10), (11) и (12) получаем: I*U = (1 - 0 )S (13).Поскольку << , то (13) можно приближенно записать в виде:W = I*U = 1**S* (14),откуда =  (15), где 1 = 0,43 (для вольфрамовой нити), S = 2,5*10-5 м2. 2.Результаты измерений и расчетов. Таблица 1
Таблица 2
Погрешности для и h: .5*10-9 Вт/К4м2, h = 0.42*10-34 Дж*с. Окончательный результат: = (10.350.45)*10-8 Вт/К4м2, h = (8.340.42)*10-34 Дж*с. Вывод о работе: проделав данную лабораторную работу, мы исследовали явление теплового излучения тел и зависимость энергетической светимости тел от температуры. Температуру нити накала лампы определяли при помощи пирометра. Определили постоянную Стефана-Больцмана. Результат более чем в 2 раза отличается от табличного значения (экспериментальное значение 10,3*10-8 Вт/м2К4 против 5,67*10-8 Вт/м2К4), хотя погрешность определения этой величины составила всего 4,5%. Также, по результатам эксперимента, определили постоянную Планка. Значение этой величины составило 8,34*10-34 Дж*с против 6,62*10-34 Дж*с. Погрешность рассчитана также на уровне 4,5 – 5%. Результаты эксперимента разительно отличаются от табличных значений, что позволяет говорить о несовершенстве метода или высокой погрешности лабораторных приборов. |