У вас вопросы?
У нас ответы:) SamZan.net

Лабораторна робота 45 ВИЗНАЧЕННЯ СТАЛОЇ СТЕФАНАБОЛЬЦМАНА Мета роботи-ознайомитися з фізичними

Работа добавлена на сайт samzan.net: 2016-03-13

Поможем написать учебную работу

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Предоплата всего

от 25%

Подписываем

договор

Выберите тип работы:

Скидка 25% при заказе до 25.2.2025

Розробка: Степанчиков Д.М., Польща В.О., Курак В.В., Гоголева Т.П.

Лабораторна робота № 4-5

ВИЗНАЧЕННЯ СТАЛОЇ СТЕФАНА-БОЛЬЦМАНА

Мета роботи: ознайомитися з фізичними основами пірометричних методів вимірювання температури, експериментально визначити сталу Стефана-Больцмана.

Обладнання: оптичний пірометр ОППИР-017, лабораторна установка у складі електричної лампи з вольфрамовою ниткою розжарення, випрямляча, регулятора напруги (ЛАТРу), вольтметра, амперметра.

Теоретичні відомості

З усього різноманіття електромагнітних випромінювань, які сприймаються або не сприймаються людським оком, можна виокремити одне, яке властиве усім тілам. Це випромінювання нагрітих тіл, або інакше теплове випромінювання. Воно обумовлено тепловим рухом – кінетичною енергією частинок тіла.

Фізичний механізм цього випромінювання залежить від температури і агрегатного стану речовини. При низьких температурах (Т < 500-600 К) випромінювання обумовлено коливально-обертальним рухом молекул, а також коливаннями атомів або іонів тіла. Енергія, яка випромінюється при цьому є малою і тому практично увесь спектр випромінювання тіл при низьких температурах знаходиться у інфрачервоній невидимій області.

Із зростанням температури тіла енергії стає достатньо, щоб перевести атоми або молекули у збуджені електронні стани. Енергія випромінювання з цих станів є значно більшою, ніж коливально-обертальна, тому з підвищенням температури увесь спектр випромінювання зміщується у бік коротких довжин хвиль, тобто у видиму область.

Механізм теплового випромінювання металів має певні особливості. В металах є багато вільних електронів, які належать не окремим атомам, а всій кристалічній решітці. При нагріванні середня швидкість теплового руху цих електронів зростає. Але оскільки вільні електрони рухаються у кристалічній решітці, то відбувається їх зіткнення з іонами, які знаходяться у вузлах. В результаті такого гальмування електронів відбувається випромінювання електромагнітних хвиль. Крім цього, метали також випромінюють за рахунок механізмів, описаних вище.

Основні характеристики теплового випромінювання:

  1.  Спектральна випромінювальна здатність або спектральна густина енергетичної світності () – енергія, що випромінюється одиницею поверхні тіла при температурі Т за секунду в одиничному спектральному інтервалі. Звичайно використовують спектральні шкали частот або довжин хвиль. Отже слід розрізняти спектральну випромінювальну здатність за шкалою довжин хвиль і частот: ці функції мають різну розмірність (= Дж/м2 = Втс/м2, = Вт/м3) і значення, що відповідають максимумам цих функцій при однаковій температурі, не співпадають.
    1.  Інтегральна випромінювальна здатність або енергетична світність (R, Вт/м2) – енергія, яка випромінюється одиницею поверхні тіла при температурі Т за секунду по усьому спектральному діапазоні від 0 до :

 (1)

  1.  Спектральна поглинаюча здатність () – частка енергії одиничного спектрального діапазону, що поглинається одиничною площадкою за секунду. Оскільки тіло не може поглинути енергії більше, ніж воно отримало, то  або .
    1.  Відношення спектральної випромінювальної здатності до спектральної поглинаючої здатності не залежить від природи тіла і є універсальною функцією температури і частоти або довжини хвилі (закон Кірхгофа):

 (2)

це означає, що чим більшою є поглинаюча здатність тіла, тим більшою буде й випромінювальна здатність тіла – будь-яке тіло при даній температурі випромінює переважно промені тих частот (довжин хвиль), які воно при цій температурі поглинає.

Серед різноманіття тіл окреме місце займає таке тіло, поглинаюча здатність якого для усіх частот (довжин хвиль) при будь-якій температурі дорівнює одиниці  – таке тіло називають абсолютно чорним (АЧТ), це модель, яка повною мірою в природі не реалізується. Із закону Кірхгофа (2) стає очевидним, що для АЧТ універсальна функція Кірхгофа є спектральною випромінювальною здатністю , яка визначається формулою Планка:

 (3)

 (4)

де  Джс – стала Планка,  Дж/К – стала Больцмана,   м/с – швидкість світла.

Поняття абсолютно чорного тіла не пов’язане з так званим “чорним кольором”, оскільки абсолютно чорним може бути й тіло білого накалювання, якщо його поглинаюча здатність дорівнює одиниці (Сонце – майже абсолютно чорне тіло).

Хоча АЧТ випромінює усі частоти (довжини хвиль), але спектральна густина випромінювання не є однаковою для різних частот (довжин хвиль). Наприклад, функція Планка (4) має вигляд як на рис.1: на певній довжині хвилі спостерігається максимум, положення якого визначається лише температурою тіла (згідно закону Віна):

 (5)

де  мК – стала Віна.

Отже, при підвищенні температури максимум спектральної густини випромінювання зміщується у короткохвильову область спектру.

Якщо перейти до шкали частот, то закон Віна приймає вигляд

 (6)

де  (сК)-1 – стала Віна.

Таким чином, закон Віна стверджує, що для абсолютно чорного тіла існує така частота, для якої величина його випромінювальної здатності сягає максимуму і ця частота прямо пропорційна абсолютній температурі тіла.

Прояв закону Віна відомий з повсякденних спостережень. При кімнатній температурі теплове випромінювання тіл в основному припадає на інфрачервону область і людським оком не сприймається. Якщо температура підвищується, то тіла починають світитися темно-червоним світлом, а при більш високій температурі – білим з блакитним відтінком.

Для АЧТ залежність інтегральної випромінювальної здатності від температури визначається законом Стефана-Больцмана, згідно з яким інтегральна випромінювальна здатність АЧТ пропорційна четвертому ступеню абсолютної температури тіла:

, (7)

де  Вт/(м2К4) – стала Стефана-Больцмана.

Закон Стефана-Больцмана можна якісно проілюструвати на різних тілах (піч, електроплитка, металева болванка): по мірі їх нагрівання відчувається все більш інтенсивне випромінювання.

Якщо випромінювання відбувається у середовищі з температурою , то закон Стефана-Больцмана запишеться у вигляді

. (8)

Монохроматична (4) та інтегральна (7) інтенсивності випромінювання будь-якого фізичного тіла завжди є меншими за такі для АЧТ при однаковій температурі. Для фізичних тіл маємо

 (9)

де  – коефіцієнт монохроматичного випромінювання (монохроматичний коефіцієнт чорності тіла),  – коефіцієнт інтегрального випромінювання (інтегральний коефіцієнт чорності тіла). Значення  і  для різних фізичних тіл є різними і залежать від багатьох факторів, які важко врахувати: від складу речовини, стану поверхні тіла, температури тіла, тощо. На рис. 2 показано як залежить коефіцієнт  від температури для вольфраму.

Опис експериментальної установки

Пірометри – прилади для вимірювання температури, принцип їх роботи ґрунтується на використанні енергії випромінювання нагрітих тіл. Переваги цих приладів полягають у тому, що вони не спотворюють температурне поле об’єкту вимірювання і мають більш широкий діапазон вимірюваних температур у порівнянні з контактними методами. Градуювання пірометрів проводять за випромінюванням АЧТ.

Оптичний пірометр ОППИР-017 із зникаючою ниткою (рис.3) відноситься до пірометрів часткового випромінювання. У цьому пірометрі яскравість досліджуваного тіла порівнюється з яскравістю нитки фотометричної лампи 4. Яскравість нитки лампи регулюється реостатом  і контролюється вольтметром . Фотометричну лампу вбудовано у телескоп, який має об’єктив 2 і окуляр 5. При вимірюванні температури телескоп спрямовують на досліджуване тіло 1, і при цьому пересуванням об’єктиву і окуляру отримують чітке зображення тіла і нитки фотометричної лампи у одній площині.

Змінюючи струм у фотометричній лампі шляхом повороту рифленого кільця на корпусі приладу, яке з’єднано з реостатом R, домагаються однакової яскравості нитки і досліджуваного тіла (середня частина дуги фотометричної лампи повинна зникнути на фоні зображення досліджуваної вольфрамової нитки). Відлік показів відбувається за шкалою вольтметру, який проградуйовано у градусах температури АЧТ. Пірометр має дві шкали: верхню для температур 8001400С і нижню для температур 12002000С.

Нитку фотометричної лампи 4 можна накалювати до певної температури (1400С), тому для розширення межі вимірюваних температур у пірометрі є послаблюючий нейтральний (димчастий) світлофільтр 3, який зменшує яскравість досліджуваного тіла у певне число разів. Для встановлення димчастого світлофільтру білу точку на головці світлофільтру 3 слід сумістити з червоною точкою на корпусі пірометру, після чого здійснити відлік температури за верхньою шкалою вольтметру пірометру (при вимірюваннях без димчастого світлофільтру температуру відраховують за нижньою шкалою).

Красний світлофільтр 6 пропускає промені з довжиною хвилі  мкм (максимум пропускання відповідає довжині хвилі 0,66 мкм). Око людини є чутливим до променів з довжиною хвилі до 0,73 мкм. Таким чином, порівняння інтенсивності випромінювання відбувається практично у вузькому спектрі 0,620,73 мкм. Світлофільтр 6 завжди необхідно використовувати при вимірюваннях температури, але він може виводитися з полю зору при наведенні об’єктиву пірометра на ризьке зображення досліджуваної вольфрамової нитки. Керування красним світлофільтром здійснюється обертанням диску збоку на окулярі.

Внаслідок неповноти випромінювання реальних тіл яркісні пірометри вимірюють не дійсну температуру тіла , а так звану яркісну температуру . Співвідношення між цими температурами дається виразом

, (10)

де = 0,66 мкм, =0,014 мК.

У даній лабораторній роботі для дослідів з тепловим випромінюванням використовується лампа з вольфрамовою ниткою розжарення. Напругу на цій лампі змінюють за допомогою лабораторного автотрансформатору (ЛАТРу). Потужність, що йде на нагрівання вольфрамової нитки з площею поверхні , визначається вольтметром і амперметром. В реальних умовах ця потужність майже повністю передається в оточуюче середовище у вигляді теплового випромінювання. Тоді маємо

 (11)

Це рівняння дає можливість експериментального визначення сталої Стефана-Больцмана:

 (12)

для окисленої поверхні вольфраму , площа випромінюючої поверхні досліджуваної спіралі  см2.

Порядок виконання роботи

Увага! Перед проведенням експерименту обов’язково ознайомитися з правилами з техніки безпеки (див. с.7).

  1.  Визначити кімнатну температуру .
  2.  Вивести регулятор ЛАТРу  на ліву межу. Підключити установку до електромережі. Відрегулювати  ЛАТРом  початкову напругу U = 100 В живлення вольфрамової нитки розжарення лампи.
  3.  Розташувати оптичний пірометр на відстані приблизно (0,71) м від досліджуваної лампи.
  4.  Увімкнути пірометр, обертанням рифленого кільця встановити температуру нитки фотометричної лампи 800С.
  5.  Вивести з поля зору димчастий і красний світлофільтри.
  6.  Поздовжнім переміщенням об’єктиву пірометра отримати ризьке зображення нагрітого тіла – вольфрамової спіралі досліджуваної лампи.
  7.  Сумістити середню частину нитки розжарення фотометричної лампи пірометра з вольфрамової спіраллю досліджуваної лампи (рис.4).
  8.  Увести у поле зору красний світлофільтр.
  9.  Регулювати потенціометром пірометра струм через нитку розжарення фотометричної лампи пірометра так, аби  неможливо було відрізнити обидві нитки розжарення на ділянках, де вони перетинаються, в окулярі пірометра. Нитка розжарення фотометричної лампи пірометра повинна «зникнути» на фоні вольфрамової нитки розжарення лампи.
  10.  Виміряти яркісну температуру, силу струму та напругу.
  11.  Дослід повторити не менш 5 разів, кожен раз збільшуючи рівень розжарення нитки лампи.
  12.  Результати вимірювань занести у таблицю № 1.

Обробка результатів

  1.  За графіком (рис.2) визначити монохроматичний коефіцієнт чорності  вольфраму для кожної виміряної яркісної температури .
  2.  За формулою (10) визначити дійсну температуру вольфрамової нитки розжарення в кожному досліді.
  3.  Розрахувати за формулою (12) значення сталої Стефана-Больцмана в кожному досліді.
  4.  Визначити середнє значення , абсолютну  та відносну  похибки вимірювань сталої Стефана-Больцмана відповідно за формулами:

 (13)

 (14)

 (15)

  1.  Результати розрахунків занести у таблицю № 1.
  2.  Побудувати градуїровочний графік пірометру ОППИР-017: залежність дійсної температури тіла від яркісної температури .
  3.  Зробити висновки по роботі.

Таблиця № 1

I, А

U, В

tЯР,ºС

ТЯР,К

Т,К

АТ

,

Вт/(м2К4)

ср,

Вт/(м2К4)

,

Вт/(м2К4)

Контрольні  питання

  1.  Який фізичний механізм теплового випромінювання тіл при різних температурах?
  2.  Назвіть основні характеристики теплового випромінювання. У чому полягає фізичний зміст закону Кірхгофа?
  3.  Сформулюйте та поясніть закон Віна.
  4.  У чому полягає сутність поняття абсолютно чорне тіло. Що таке монохроматичний та інтегральний коефіцієнти чорності тіла?
  5.  Сформулюйте та поясніть закон Стефана-Больцмана.
  6.  Будова та принцип роботи оптичного пірометра ОППИР – 017. Що таке яркісна температура? Який зв’язок яркісної і дійсної температури?

Література

  1.  Бушок Г.Ф., Венгер Є.Ф. Курс фізики, т.2. – К.: Либідь, 2001.
  2.  Кучерук І.М., Дущенко В.П., Загальна фізика. Оптика. Квантова фізики. – К.: Вищашкола, 1991.
  3.  Савельев И.В. Курс общей физики, Т. 3, - М.: Наука, 1989.
  4.  Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики, Т. 3, - М.: Наука, 1987.
  5.  Элементарный учебник физики, т.3, Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика. – М.: Наука, 1985.
  6.  Трофимова Т.И. Оптика и атомная физика. – М.: Высш. шк., 1999.
  7.  Ландсберг Г.С. Загальний курс фізики, т.3, Оптика. – К: Рад.школа,1961.

Правила з техніки безпеки

Дослідження, яке проводиться у даній роботі, пов’язане із застосуванням електрики та високих напруг. Тому, виконуючи лабораторну роботу, необхідно дотримувати правил з техніки безпеки:

  1.  перед початком роботи необхідно ознайомитися з джерелами електропостачання, способами їх вмикання та вимикання;
  2.  перед початком роботи всі потенціометри вивести у крайнє ліве положення;
  3.  після складання схеми викладач або лаборант повинен її перевірити і дати дозвіл на вмикання джерел живлення;
  4.  забороняється торкатися руками контактів, які знаходяться під напругою; наявність напруги на контактах елементів схеми слід перевіряти тільки вимірювальним приладом;
  5.  всі зміни у схемі або усунення причин несправностей можна проводити тільки після її повного відключення від джерел живлення та під наглядом викладача або лаборанта;
  6.  після завершення вимірювань отримані результати слід показати викладачу і, отримавши дозвіл, вимкнути лабораторну установку.

стор. 1 з 6


Рис.
3.

Рис.1.

Рис. 2. Температурна залежність монохроматичного коефіцієнта чорності вольфраму (для довжини хвилі = 0,66 мкм).

Рис. 4.




1. К1
2. Общетеоретические вопросы
3. Реферат- Планирование участка и производственные расчеты
4. практикума Пайнс Э
5. религия имеет несколько распространенных значений
6. Всемирные экономические отношения
7. История судебной экспертизы
8. Тема 9 ГЛОБАЛІЗАЦІЯ СУСПІЛЬНОГО ВІДТВОРЕННЯ
9. вещества вырабатываемые клетками низших растений и выполняющие защитную функцию
10. Ленинградский государственный университет имени А