Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Отчет о лабораторной работе №71
«Изучение законов теплового излучения»
Принимал: Осипов В.С.
Цель работы:
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 El,T – количество энергии электромагнитного излучения данной длины волны l (или частоты n), испускаемого за единицу времени по всем направлениям единицей поверхности тела, имеющего температуру Т,
El,T = (2);
3) поглощательная способность Аl,Т - величина, показывающая, какая часть энергии излучения с длиной волны l, достигающая за единицу времени поверхности тела, имеющего температуру Т, поглощается им (коэффициент поглощения),
Аl,Т = (3).
В теории теплового излучения вводится понятие абсолютно черного тела – тела, которое полностью поглощает весь падающий на него поток излучения. Коэффициент поглощения Аl,Т 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 El,T тел к их поглощательной способности Аl,Т не зависит от природы излучающего тела, а зависит только от длины волны излучения l и абсолютной температуры Т и равно излучательной способности абсолютно черного тела e0( l, Т):
(4);
2) Закон Стефана-Больцмана: энергетическая светимость абсолютно черного тела Rэ прямо пропорциональна четвертой степени температуры Т,
Rэ = d*Т4 (5), где d = 5,71*10-8 Вт*м-2*град-4 – постоянная Стефана-Больцмана;
3) I-й закон Вина (закон смещения): длина волны lmax, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости, обратно пропорциональна величине температуры,
lmax = (6), где b = 2,398*10-3 м*К;
4) II-й закон Вина: максимальное значение излучательности абсолютно черного тела e0( l, Т) пропорционально пятой степени температуры,
e0( l, 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:
e0( l, Т) = (8), где h – постоянная Планка, с – скорость света в вакууме, k – постоянная Больцмана, l - длина волны излучения.
Формула Планка позволяет теоретически вывести законы излучения абсолютно черного тела и связать постоянную Планка h с экспериментальной постоянной Стефана-Больцмана d, постоянными b и b| Вина и постоянной Больцмана k.
Экспериментальная часть.
1. Приборы и принадлежности:
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 = a0*d**S (11), где S – площадь поверхности вольфрамовой нити, a0 - коэффициент поглощения (поскольку нить не является абсолютно черным телом a0<1).
Мощность W2, которую излучает нить в окружающее пространство, согласно закону Стефана-Больцмана, определяется как:
W2 = a1*d**S (12), где Т2 – температура нити, a1 = const.
Тогда из (10), (11) и (12) получаем:
I*U = d(a1 - a0)S (13).
Поскольку <<, то (13) можно приближенно записать в виде:
W = I*U = a1*d*S* (14),
откуда d = (15), где a1 = 0,43 (для вольфрамовой нити),
S = 2,5*10-5 м2.
2.Результаты измерений и расчетов.
Таблица 1
|
№ |
I, mA |
U, В |
W, Вт |
Iпир, mA |
Тя, К |
Тяср, К |
DТ, К |
Т, К |
|
1 |
70 |
1 |
0.07 |
305 |
1245 |
1226 |
52.8 |
1278.8 |
|
273 |
1207 |
|||||||
|
290 |
1226 |
|||||||
|
2 |
80 |
12.5 |
1 |
310 |
1250 |
1256 |
53.2 |
1309.2 |
|
308 |
1247 |
|||||||
|
325 |
1270 |
|||||||
|
3 |
90 |
30 |
2.7 |
380 |
1336 |
1307 |
55.4 |
1362.4 |
|
330 |
1277 |
|||||||
|
355 |
1308 |
|||||||
|
4 |
110 |
80 |
8.8 |
425 |
1395 |
1419 |
60.8 |
1479.8 |
|
445 |
1418 |
|||||||
|
465 |
1444 |
|||||||
|
5 |
125 |
123 |
15.375 |
515 |
1505 |
1498 |
64.6 |
1562.6 |
|
500 |
1488 |
|||||||
|
510 |
1500 |
|
№ |
d, Вт/К4м2 |
dср, Вт/К4м2 |
h, Дж*c |
hср, Дж*с |
lm, м |
|
1 |
2.43*10-9 |
18.91*10-34 |
2.27*10-6 |
||
|
2 |
31.66*10-9 |
8.04*10-34 |
2.21*10-6 |
||
|
3 |
72.9*10-9 |
103.5*10-9 |
6.09*10-34 |
8.34*10-34 |
2.13*10-6 |
|
4 |
170.71*10-9 |
4.58*10-34 |
1.96*10-6 |
||
|
5 |
239.89*10-9 |
4.09*10-34 |
1.85*10-6 |
Погрешности для d и h:
Dd = 4.5*10-9 Вт/К4м2, Dh = 0.42*10-34 Дж*с.
Окончательный результат:
h = (8.34 ±0.42)*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.
4