Лабораторная работа №3. 10

Дата: 2025-05-25; Просмотры: 2

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

Муромский институт (филиал)

федерального государственного бюджетного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Владимирский государственный университет

имени Александра Григорьевича и

Николая Григорьевича Столетовых»

Кафедра: «ФПМ»

Дисциплина: Физика

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3.10

Утверждена на методическом

семинаре кафедры ФПМ

Зав. кафедрой ___________

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

1. Сборку и разборку схемы производить только при отключенном источнике питания.

2. Не включать собранную схему ,пока не изучите инструкцию по данном работе и не получите на это разрешение лаборанта или преподавателя.

3. Схема должна находиться под напряжением только во время регулировки и снятия показаний с приборов. КАТЕГОРИЧЕСКИ ЗАПРЕ­ЩАЕТСЯ оставлять схему под напряжением без присмотра.

4. Строго соблюдать порядок выполнения работы, описаний и инструкций.

5. На рабочем месте не должно быть посторонних предметов. Твердо знать, где расположен общий выключатель и порядок пользования им.

6. Не допускать зашкаливания приборов.

7. После окончания работы отключить источник питания, а затем разобрать схему и привести в порядок рабочее место.

Лабораторная работа № 3.10

Определение постоянной в законе Стефана-Больцмама при помощи оптического пирометра

Приборы и принадлежности: оптический пиромер "Проминь", лампа накаливания, установка для питания лампы накаливания.

Введение

Когда какое-либо тело излучает, оно испускает электромагнитные волны и, естественно, теряет свою энергию. Поэтому излучение тела может происходить либо за счет уменьшения энергии тела, либо за счет энергии, подводимой телу извне. Можно выделить несколько видов излучения:

1. Фотолюминисценция.

Тело излучает после облучения его светом, от которого оно получает необходимую энергию.

2. Хемолюминисценция.

Тело излучает за счет энергии химически реакций, которые в нем происходят. Такое свечение характерно, например, для гнилушек.

3. Электролюминисценция.

Свечение разряженных газов при прохождении через них электрического тока.

1. Тепловое равновесное измерение.

Излучение тела происходит за счет подводимого тепла при его нагреве. Такой вид излучения называется тепловым. Оно является наиболее распространенным излучением.

Тепловое излучение имеет место при любой температуре. Например, при комнатной температуре все тела излучают инфракрасные волны. Окружим излучающее тело непроницаемой оболочкой с идеально отражающими стенками. Удалим из полости воздух. Отраженное оболочкой излучение, попадая на тело частично или полностью поглотится им. Следовательно, будет происходить непрерывный обмен энергией между телом и его излучением. Через некоторое время установится равновесие между телом и его излучателем при котором тело в единицу времени будет излучатьтакое же количество энергии, какое оно поглощает.

Излучение, находящееся в равновесии с излучающим телом, называется равновесным. Опыт показывает, что единственным излучением, которое может находится в равновесии с излучающим телом, является тепловое излучение. Все остальные виды излучений оказываются неравновесными.

Способность теплового излучения находится в равновесии с излучающим телом обусловлена тем, что его интенсивность возрастает с повышением температуры. Допустим, что равновесие между телом и излучателем нарушено. Тело излучает в единицу времени больше энергии, чем поглощает. Тогда внутренняя энергия тела будет убывать, а его температура будет понижаться. При этом будет уменьшаться количество излучаемой энергии, что приведет в конце концов к равновесию между телом и излучением.

Чем выше температура тела по сравнению с температурой окружающей среды, тем больше энергии оно излучает. Кроме того излучение и поглощение тел зависит от свойств тел, которое связано с длинами волн излучения.

Введем в рассмотрение испускательную способность тела, которая должна быть функцией частоты(или длины волны) и температуры.

Испускательная способность тела E(ν,T) определяется количеством энергии, излучаемой телом в единицу времени с единицы его поверхности в единичном интервале частот (длин волн), является спектральной характеристикой излучаемого тела. Зная E(ν,T) легко найти электрическую (интегральную) светимость тела R:

Энергетическая светимость тела есть величина, определяемая количеством энергии, испускаемой с единицы поверхности тела в единицу времени во всем интервале частот (длин волн).

Пусть на единицу поверхности тела падает поток излучения, приходящийся на некоторый интервал частот Ф(ν,T). Часть потока отражается, а другая часть Фа(ν,T) поглощается телом. Отношение поглощенного потока к падающему называется поглощательной способностью тела А(ν,T):

(1)

Тело, для которого А(ν,T)=1, называется абсолютно черным. Между испускательной и поглощательной способностью тел существует универсальная связь, устанавливаемая законом Кирхгофа:

Отношение испускательной способности тела к его поглощательной способности не зависит от природы тел, является универсальной функцией частоты и температуры, равной испускательной способности абсолютно черного тела.

Английские физики Релей и Джинс предприняли попытку определить вид функции ε(ν,T) в (1), опираясь на законы классической электродинамики и исходя из теоремы Больцмана о равномерном распределении энергии по степеням свободы. Они показали, что:

(2)

где С – скорость света

К – постоянная Больцмана

Т – абсолютная температура

Однако, формула Релея-Джинса (2) удовлетворительно согласуется с опытом лишь для малых частот (больших длин волн). Из (2) следует:

Это означает, что: 1) равновесие между телом и излучением возможно при бесконечной энергетической светимости; 2) интенсивность излучения возрастает монотонно с ростом его частоты. Оба вывода противоречат опыту.

Второй вывод получил название "ультрафиолетовой катастрофы".

Опыт показывает, что максимум излучения в спектре абсолютно черного тела приходится на определенную длину волны, в зависимости от температуры тела. Эта зависимость устанавливается законом Вина. Длина волны, на которую приходится максимум излучения в спектре абсолютно черного тела, обратнопропорциональна его абсолютной температуре:

(3)

где β – постоянная, равная 2.9·10^-3 мК.

Вывод формулы Релея-Джинса с классической точки зрения является безупречным. Поэтому расхождение этой формулы с опытом указывало на существование каких-то закономерностей, несовместимых с представлениями классической статистической физики и электродинамики.

В 1900 г. немецкий физик Макс Планк нашел вид функции ε(ν,T), которая точно соответствовала опытным фактам. Для этого пришлось выдвинуть гипотезу, чуждую классическим представлениям. Планк предположил, что электромагнитные излучения испускаются в виде порций энергии, квантами.

Энергия кванта пропорциональна частоте:

где h – постоянная Планка, равная 6.625·10^-34 Дж/сек

Используя распределения Больцмана, Планк нашел, что средняя энергия одного электромагнитного колебания равна:

(4)

Подставим (4) вместо КТ в формулу Релея-Джинса, получим формулу Планка:

(5)

Она выражает испускательную способность абсолютно черного тела в хорошем согласии с опытом. Интегрируя (5) по всем частотам, получим:

(6)

σ=5,67·10^-8 Вт/м²к⁴

Закон Стефана-Больцмана. Он гласит, что энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры. Исследуя (5) на экстремум, получим закон Вина (3).

2. Оптические пирометры.

На основе законов теплового излучения разработаны методы измерения температуры раскаленных тел, где оказываются непригодными обычные меры. Существуют специальные приборы для измерения температуры раскаленных и удаленных тел (например Солнца). Они называются оптическими пирометрами. Их можно разделить на три основные группы: 1) радиационные; 2) яркостные; 3) цветовые.

Радиационные пирометры. Схема радиационного пирометра приведена на рис.3. Прибор наводится на излучатель так, чтобы резкое изображение излучающей поверхности, даваемое объектом полностью перекрывало приемник Пр. Контроль за этим осуществляется с помощью окуляра Ок. В качестве приемника применяется термостолбик. По отклонению стрелки гальванометра Г можно судить о температуре излучателя.

Рис.3

Яркостные пирометры. Наибольшее распространение получил метод определения температуры, основанный на сравнении излучения светящегося тела с излучением абсолютно черного тела на одном и том же фиксированном узком участке спектра Δλ. Обычно используется участок спектра, лежащий близ красной части спектра. Яркостный пирометр обычно называют пирометр с исчезающей нитью (Проминь). Этот тип пирометра используется в данной работе (рис.4).

1 – крышка; 2 – блок питания; 3 – страховочный ремешок; 4 – гнездо; 5 – тубус; 6 – дифрагма; 7 – поворотная обойма; 8 – апланатическая лупа; 9 – пирометрическая лампочка; 10 – ручка; 11 – линза; 12 – поглощающее стекло; 13 – диафрагма; 14 – тубус; 15 – переключатели; 16 – гайка; 17 – узел редуктора; 18 – основание; 19 – микропереключатель; 20 – кнопка включения прибора; 21 – кнопка включения нуль-индикатора.

Конструктивно пирометр "Проминь" выполнен в виде малогабаритного переносного прибора. Корпус пирометра (рис.3) состоит из камеры 1 и рукоятки 2. Камера корпуса закрывается крышкой 3, имеющей ручку 4 для регулирования сопротивления реохордов электроизмерительной схемы прибора. Стрелка 5 указывает направление поворота ручки 4, соответствующее увеличению силы тока пирометрической лампочки.

В верхней части камеры корпуса находится узел переключателя диапазонов 8 с фиксацией каждого положения диапазонов измерений; узел окуляра 6 с светофильтром 7 и узел объектива 9. В нижней части камеры находится нуль-индикатор 11.

Внутри рукоятки пирометра (рис.4) размещен блок питания 2, который закрыт крышкой 1. Здесь же находятся кнопки включения прибора 21 и нуль-индикатора 20. Включение происходит при помощи микропереключателей 19.

В нижней части корпуса в гнезде 4 крепится страховочный ремешок 3. Это же гнездо служит и для установки прибора на штатив при работе пирометра в стационарных условиях.

Окулярная система прибора служит для рассматривания в монохроматических лучах нити пирометрической лампочки на фоне изображения накаленного тела, температура которого измеряем. Упрощенная оптическая схема пирометра представлена на рис.5. Узел окуляра состоит из тубуса 5, в котором установлены апланатическая лупа 8 и поворотная обойма 7. Поворотная обойма служит для ввода красного светофильтра в поле зрения при измерении высоких температур и вывода его из поля зрения при наведении "на резкость" при низких температурах. Тубус заканчивается выходной диафрагмой 6.

Узел объектива состоит из тубуса 14, линзы 15 и гайки 16. Перед объективом в корпусе находится диафрагма 13. При измерении температур в разных диапазонах в поле зрения между объективом и лампочкой 9 вводятся поглощающие стекла 12, размещенные к колодочке 11. Последняя может занимать три фиксированных положения с помощью ручки 10.

Внутри камеры корпуса в виде отдельного законченного узла размещена эдектроизмерительная система пирометра, все составные части которой смонтированы на основании 18, посредством которого весь узел крепится к корпусу.

Механическая связь реохордов, которая имеет между реохордами фотометрирование и измерение осуществляется с помощью узла редуктора 17, представляющего собой планетарный механизм оригинальной конструкции.

Цветовые пирометры. Некоторые типы таких пирометров по своему устройству напоминают радиационные (рис.3) и отличаются от последних тем, что перед объективом устанавливается, способный поворачиваться диск, с вмонтированными в него светофильтрами. Светофильтры пропускают свет в узкой спектральной области. С помощью такого пирометра устанавливают на какую длину волны приходится максимум излучения тела и по закону Винна находят температуру, которая называется цветовой температурой.

В данной работе определяют постоянную s в законе Стефана-Больцмана (5). Излучающим телом является волосок, который нагревается электрическим током от специальной установки, смонтированной на панели, где закреплены вольтметр и амперметр для измерения напряжения и силы тока в лампе накаливания.

При прохождении тока через лампу ее волосок нагревается и начинает светиться. Мощность излучения волоска определяется на основании закона Стефана-Больцмана:

(6)

где T – абсолютная температура волоска;

Т₀ - абсолютная температура окружающей среды;

S – площадь волоска;

А – коэффициент поглощения данного материала на волоске лампы накаливания.

Волосок излучает за счет мощности тока:

N= UI (7)

Приравнивая правые части (6) и (7) находим:

В эту формулу необходимо ввести поправку, учитывающую потери мощности тока вследствие теплопроводности, а также надо учесть, что волосок не является абсолютно черным телом. Расчетную формулу окончательно запишем в виде:

(8)

где К = 0.3 – поправочный коэффициент.

Температура волоска измеряется с помощью оптического пирометра.

рис.3а

Рис.4.

Выполнение работы

1. Устанавливают пирометр на расстояние R = 80см от лампы накаливания.

2. Подключают провода пирометра к клеммам выпрямителя 5В. На пирометре полностью выводят реостат поворотом ручки 4 (рис.3а) против часовой стрелки. Выводят (убирают) светофильтры (7) рис.4.

3. Включают установку питания лампы накаливания. Устанавливают по шкале амперметра силу тока 0.4А. Наводят трубу пирометра на волосок лампы накаливания. Наводка объектива пирометра "на резкость" производится передвижением объектива 9 рис.3а, который следует перемещать плавно поворачивая вокруг продольной оси. Пирометр следует визировать так, чтобы изображение измеряемого участка объекта находилось в центрально части зрения против указателя.

4. Перед наводкой пирометра на объект следует установить необходимый предел измерения поворотом ручки переключения диапазонов 8 рис.3а на верхней части корпуса. Положение ручки переключателя диапазонов против цифры "1" соответствует диапазону измерения 800⁰-1400⁰С; против цифры "2" – 1200⁰-2000⁰С; против цифры "3" - 1800⁰-5000⁰С. Наводку пирометра на объект, особенно если последний имеет небольшие размеры, удобнее производить при выведенном поглощающем фильтре.

5. Перемещением объектива трубы и окуляра добиваются четкого изображения волоска лампы накаливания. Одновременно сводят изображение волоска и нити эталонной лампочки в одну плоскость.

6. Вводят красный светофильтр, поворачивая диск 7 в окуляре пирометра рис.4. Нажатием среднего пальца кнопки 20 рис.4. включают ток в цепь пирометрической лампочки (накаливаемая нить), а поворотом ручки 4 (рис.3а) увеличивают яркость нити, пока нить не станет видимой через красный светофильтр окулярной системы.

Увеличивая яркость накаливаемой нити добиваются такого положения, когда ее изображения исчезнет на фоне изображения волоска накаливаемой нити лампочки. По этой причине прибор называется пирометром с исчезающей нитью. Это означает, что яркость изображения нити и волоска лампы накаливания одинаковы. По шкале пирометра отсчитывают температуры в градусах Цельсия t.

Находят абсолютную температуру волоска:

T = t + 273º, t – показания пирометра

Увеличивают ток через лампочку накаливания, производят измерение температуры волоска лампы накаливания. S=7.2·10^-7м²

Результаты измерения занести в таблицу.

Таблица 1.

Контрольные вопросы

1. Какое излучение называется тепловым?

2. Что такое равновесное излучение?

3. Что называется испускательной способностью тела? Поглощательной способностью? Что такое энергетическая светимость тела?

4. Дайте формулировку основным законам теплового излучения.

5. Сформулируйте квантовую гипотезу Планка.

6. Что выражает формула Планка? Какие следствия из нее получаются?

7. Расскажите об оптических пирометрах. Какой пирометр применяется в данной работе? Как он устроен?

Литература

1. Савельев И.В. Курс общей физики. т.3.

2. Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики. т.3.