|
|
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО АТОМНОЙ И КВАНТОВОЙ ФИЗИКЕ. Практикум по физике (атомная и квантовая физика) Направление подготовки 010700 (510400) Физика
Проверка закона Стефана-Больцмана.
Рис. 3.
Блок-схема установки
Схема установки показана на рис.3, где 1 – приемник излучения, 2 – модель абсолютно черного тела, 3 – блок питания нагревателя модели абсолютно черного тела, 4 – термопара, 5 – защитный экран.
Приемник излучения 1 является термопарным болометром. Он чувствителен в области длин волн излучения 1-15 мкм (ИК-область), причем его спектральная чувствительность в этом диапазоне длин волн постоянна. В этом же интервале длин волн излучают тела, нагретые до температуры 250-1000 К. Приемник регистрирует излучение и вырабатывает напряжение U1, пропорциональное потоку излучения, падающему на него, то есть U1
R.
Термопарой 4 измеряется температура стенок полости модели абсолютно черного тела. Напряжение uт, измеряемое милливольтметром, по градуировочному графику переводится в градусы Цельсия t°C. В этой установке термопарой измеряется температура от комнатной. Следовательно, для получения истинной абсолютной температуры нужно учесть комнатную температуру tk, то есть T=t+tk+273 (К).
1. Подать на нагреватель напряжение 14 В.
2. Когда температура полости абсолютно черного тела стабилизируется, записать напряжение Uт1
3. Убрать защитный экран с приёмника и записать сигнал с приемника U1.
Внимание! Приемник можно держать открытым не более 4-5 секунд,
что вполне достаточно для записи сигнала. Закрыть экран.
4. То же самое повторить при напряжениях на нагревателе 16В, 18 В, записав Uт1, U1, UT2, U2, UT3, U3 .
5. Определить абсолютные температуры T1, T2, Т3.
6.Рассчитать отношения : 
и сделать вывод о выполнимости закона Стефана-Больцмана.
Задание 2.
Определение постоянной Стефана-Больцмана.
В качестве излучающего тела используется спираль лампы накаливания Л, нагреваемая током от сети. Схема подключается к сети переменного напряжения через автотрансформатор типа РНШ. Потребляемая электрическая мощность Р определяется по показаниям вольтметра и амперметра: Р=U1, показания амперметра умножаются на десять. При равновесии спираль лампы Л рассеивает мощность, равную электрической мощности Р, потребляемой лампой. Мощность, рассеиваемая спиралью, представляет собой, в основном, мощность её теплового излучения. Следовательно P=U1=T4-S, где Т – температура спирали, S - площадь спирали, (S=2,1 см2). Откуда:
 (10)
Д ля измерения температуры Т излучающего тела используется оптический пирометр с исчезающей нитью (ОППИР-09). В основе этого метода определения абсолютной температуры лежит сравнение излучения светящегося тела с излучением абсолютно чёрного тела в одном и том же узком участке спектра. Обычно используется участок, лежащий в окрестности =0,65 мкм. Схема яркостного пирометра, называемого пирометром с исчезающей нитью, приведена на рис.4. Имеющая форму полуокружности нить накала лежит в плоскости, перпендикулярной оси прибора. Объектив создаёт в этой же плоскости изображение поверхности исследуемого излучателя. Светофильтр Ф пропускает к окуляру ОК красные лучи с длиной волны вблизи 0,65мкм. Наблюдая через окуляр, подбирают с помощью реостата R такой накал нити, чтобы её яркость совпала с яркостью изображения излучателя (в этом случае нить «исчезает» на фоне изображения). Предварительно прибор проградуирован по абсолютно чёрному телу. На приборе имеется две шкалы. Одна для измерений в интервале температур 700-1200 °С (при введённом красном светофильтре), другая - для интервала 1200-2000 °С (при введённом дополнительном светофильтре).
Отсчёт температуры по шкале производится в момент «исчезновения» нити. Для нечёрного тела прибор даёт то значение температуры Тярк, при котором яркость абсолютно чёрного тела для =0,650 мкм равна яркости исследуемого тела при истинной температуре Т. Для определения истинной температуры надо знать отношение яркости исследуемого тела для длины волны 0,65 мкм к яркости абсолютно чёрного тела для той же длины волны. Можно показать, что это отношение равно поглощательной способности излучающего тела (спирали), которая определяется отношением излучательных способностей абсолютно чёрного тела при яркостной и истинной температурах. Согласно (8) имеем:
 (11)
При T=103 K и выше 
тогда: 
откуда:  (12)
Для вольфрама при Т=3000 К и =0,б5 мкм а,т=0,46.
Из формулы (12) следует, что T>Tярк. (In а,Т<0).
1. Измерить Тярк. спирали при 3-5 различных значениях мощности, потребляемой лампой. По формуле (12) рассчитать истинные температуры и построить график зависимости истинной температуры Т от яркостной Тярк.
2. По формуле (10) рассчитать значения .
3. Сформулировать выводы по работе.
|
|
|
Скачать 2.87 Mb.