Летающий спутник

Летающий спутник

Заработок для студента

Заработок для студента

 Заказать диплом

Заказать диплом

 Cкачать контрольную

Cкачать контрольную

 Курсовые работы

Курсовые работы

Репетиторы онлайн по любым предметам

Репетиторы онлайн по любым предметам

Выполнение дипломных, курсовых, контрольных работ

Выполнение дипломных, курсовых, контрольных работ

Магазин студенческих работ

Магазин студенческих работ

Диссертации на заказ

Диссертации на заказ

Заказать курсовую работу или скачать?

Заказать курсовую работу или скачать?

Эссе на заказ

Эссе на заказ

Банк рефератов и курсовых

Банк рефератов и курсовых

Лабораторные работы по физике Исследование упругих и тепловых свойств воздуха. Изучение явления электропроводности Электромагнитные волны Интерференция Явление дифракции Ядерная модель атома Атомное ядро.

Лабораторные работы по физике

Лабораторная работа № 5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ СТЕФАНА-БОЛЬЦМАНА

И ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА

Цель работы: знакомство с оптическими методами измерения температуры и определение постоянной Стефана – Больцмана и постоянной Планка.

Принадлежности: пирометр с исчезающей нитью, источник тока, лампа накаливания, регулятор напряжения однофазный, вольтметр, амперметр.

Основание к допуску

1. Иметь конспект лабораторной работы.

2. Знать понятие тепловое излучение, абсолютно черное тело, порядок выполнения работы.

Краткая теория

Излучение тел, обусловленное нагреванием, называется тепловым излучением. Тепловое излучение, совершается за счет энергии теплового движения молекул и свойственно всем телам при температуре выше 0 К. Оно имеет сплошной спектр, положение максимума которого зависит от температуры излучающего тела. Это единственный вид излучения, который может быть равновесным.

Количественной характеристикой теплового излучения является излучательная способность тела (энергетическая светимость) - , которую определяют как мощность излучения с единицы площади поверхности тела. Способность тел поглощать падающее на них излучение характеризуют поглощательной способностью , которая показывает, какая доля энергии приносимой за единицу времени на единицу площади поверхности, поглощается телом.

Тело, способное поглощать при любой температуре полностью все падающее на него излучение, называется “абсолютно черным телом”, т. е. для абсолютно черного тела . Наряду с понятием абсолютно черного тела используется понятие серого тела, - тела, поглощательная способность которого меньше единицы, но одинакова для всех частот и зависит только от температуры тела, материала и состояния поверхности тела.

Опираясь, на второе начало термодинамики и анализируя условия равновесного теплового излучения в изолированной системе тел немецкий физик Кирхгоф установил, что отношение энергетической светимости к поглощательной способности не зависит от природы тела, является для всех тел универсальной функцией, зависящей от частоты и температуры:

, (5.1)

где  - универсальная функция Кирхгофа.

Для теплового излучения тел открыто еще несколько законов. Согласно закону Стефана – Больцмана энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры:

, (5.2)

где  - постоянная Стефана – Больцмана. Поскольку энергетическая светимость серых тел меньше, чем абсолютно черного тела, то для серых тел в уравнение (5.1) вводят коэффициент   (всегда меньший единицы) и называемый коэффициентом серости и формула принимает вид:

. (5.3)

Согласно закону смещения Вина длина волны теплового излучения, на которую приходится максимум спектральной плотности излучения абсолютно черного тела, обратно пропорциональна абсолютной температуре тела:

, (5.4)

где  - постоянная Вина.

Объяснить законы теплового излучения в рамках классической физики оказалось невозможным, поэтому немецкий физик Планк предположил, что атом излучает свет отдельными порциями (квантами), энергия которых пропорциональна частоте излучения, т.е.

, (5.5)

где  - постоянная Планка.

Используя статистические методы и представления о квантовом характере излучения, М. Планк вывел для универсальной функции Кирхгофа формулу

, (5.6)

которая хорошо согласуется с экспериментальными данными.

Из формулы Планка (5.6), зная постоянные  можно найти постоянную Стефана – Больцмана σ, но с другой стороны, зная постоянные, можно найти постоянную Планка.

Теория метода и вывод рабочей формулы.

Если излучение происходит в среде, температура которой , то поток энергии, излучаемой телом в единицу времени вследствие излучения, будет равен

, (5.7)

где Т – температура тела, S – площадь его поверхности.

В качестве источника теплового излучателя в данной работе применяется вольфрамовая нить лампочки накаливания, нагреваемая электрическим током. Для поддержания температуры нити постоянной к ней подводится электрическая мощность . Часть этой мощности отводится в виде тепла, вследствие теплопроводности среды, а остальная преобразуется в излучаемую мощность. И поэтому мы можем записать

, (5.8)

где  - коэффициент (меньший единицы), учитывающий потери энергии на теплопроводность. Приравнивая правые части выражений (5.7) и (5.8) можно получить:

, (5.9)

где U – напряжение на лампе, I – сила тока в ней, Т – температура нити, измеренная пирометром (т. н. яркостная температура).

В данной задаче, как показывает опыт приближенно можно считать, что   и тогда из выражения (5.9) получаем окончательное соотношение для экспериментальных измерений:

. (5.10)

Оптическая пирометрия.

Для измерения температуры раскаленных тел, а также самосветящихся тел, удаленных от наблюдателя нельзя пользоваться обычными методами, основанными на применении термометров расширения, термометров сопротивления и т.д.

В этих случаях о температуре тела можно судить только по его излучению. Совокупность методов измерения высоких температур, основанных на использовании законов теплового излучения тел, называется оптической пирометрией. Приборы, применяемые для этой цели, называются пирометрами.

В зависимости от того, какой закон теплового излучения используется при измерении температуры тел, различают радиационную, цветовую и яркостную температуру.

Радиационная температура. В этом случае регистрируется энергетическая светимость тела и по закону Стефана – Больцмана (5.2) вычисляется температура тела. Так как реальные тела не являются абсолютно черными, то истинная температура тела всегда выше радиационной.

Цветовая температура. Зная длину волны , соответствующую максимальной спектральной плотности излучения исследуемого тела, можно по закону смещения Вина (5.4) определить температуру тела, которая называется цветовой температурой. Для серых тел цветовая температура совпадает с истинной.

Яркостная температура. Температура абсолютно черного тела, при которой для определенной длины волны его спектральная плотность излучения равна спектральной плотности излучения исследуемого тела, называется яркостной температурой. Яркостная температура всегда ниже истинной температуры тела.

В настоящей работе определяется яркостная температура. Для этой цели используется пирометр с исчезающей нитью. Принципиальная схема прибора изображена на рисунке 19. С помощью объектива 5 изображение светящейся поверхности исследуемого тела совмещается с плоскостью нити накала фотометрической лампы 4. Нить и изображение тела рассматриваются через окуляр 1 и светофильтр 3, пропускающий свет с длиной волны = 660 нм.

Яркость нити можно регулировать путем изменения идущего по ней тока с помощью реостата, ручка которого выведена в виде кольца 2 вокруг окуляра. При измерениях ток через нить подбирается так, чтобы она не была видна на фоне поверхности исследуемого тела, т.е. чтобы спектральные плотности излучательной способности нити и исследуемого тела были равны для монохроматического света с длиной волны .

Шкала амперметра пирометра предварительно градуируется по излучению абсолютно черного тела. Поэтому по ней можно определить яркостную температуру тела.

При определении постоянной Стефана – Больцмана, ввиду равенства коэффициентов , нам достаточно было яркостной температуры Т, но в практических задачах необходимо знать истинную температуру тела.

Поскольку источник света (вольфрамовая нить) отличается от абсолютно черного тела, то определенная пирометром его яркостная температура Т отличается от истинной. Для определения истинной температуры  пользуются уравнением:

, (5.11)

где Т – яркостная (измеренная) температура,  - некоторая постоянная соответствующая длине волны 660 нм,  “коэффициент серости” для вольфрама. Из выражения (5.11) следует, что:

. (5.12)

Зная постоянную Стефана – Больцмана  и постоянную Больцмана  можно определить постоянную Планка из выражения:

, (5.13)

где  - скорость света в вакууме, k = 1,38·10-23 Дж/К

Порядок выполнения работы.

Включить установку в сеть и подать на лампу накаливания напряжение 60 – 80 В.

С помощью настройки окуляра сфокусировать изображение нити накала фотометрической лампы так, чтобы ее изображение накладываясь на изображение нити накаливания исследуемой лампы были четко различимы.

Нажав измерительную кнопку К и вращая кольцо пирометра подобрать ток в фотометрической лампе так, чтобы изображение ее нити исчезало бы на фоне изображения нити исследуемой лампы.

По шкале пирометра определить яркостную температуру нити накаливания исследуемой лампы. Результаты измерений занести в таблицу 1.

Изменив напряжение на лампе, повторяют измерения не менее трех раз.

Таблица 1.

, К

Т, К

1.

2.

3.

По формулам (5.10) и (5.12) рассчитать постоянную Стефана – Больцмана и истинную температуру нити, а затем по формуле (5.13) постоянную Планка.

Найти среднее значение постоянной Стефана – Больцмана и постоянной Планка и рассчитать погрешность измерения.

Основание к зачету.

Иметь оформленный отчет к работе.

Ответить на вопросы:

Какое излучение тела называется тепловым?

Сформулируйте основные законы теплового излучения черного тела.

Что такое энергетическая светимость и поглощательная способность тела? От чего они зависят?

Что такое абсолютно черное тело?

Какая температура называется радиационной, цветовой, яркостной и как их можно измерить?


Лабораторные работы по физике, лекции и конспекты