Экспериментальная проверка закона Стефана-Больцмана
Понятие теплового излучения и равновесного излучения. Спектральная плотность энергетической светимости тела. Универсальная функция Кирхгофа. Формулы Рэлея-Джинса и Вина. Способы измерения температуры. Энергетическая светимость абсолютно черного тела.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | лабораторная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 08.09.2015 |
| Размер файла | 402,4 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Лабораторная работа №325
Экспериментальная проверка закона Стефана-Больцмана
Цель работы: исследование зависимости энергетической светимости нити лампы накаливания от температуры нити.
Оборудование: лампа накаливания, термоэлемент, источник напряжения, универсальная установка Cobra 3, цифровой мультиметр, линейка.
Краткая теория
Согласно формуле Планка универсальная функция Кирхгофа - спектральная плотность энергетической светимости абсолютно черного тела:
(1)
где L - энергетическая светимость абсолютно черного тела, л - длина волны теплового излечения, Т - абсолютная температура, c=3•108 м/с - скорость света в вакууме, h=6,63•10-34 Дж с - постоянная Планка, k=1.38•10-23 Дж/К - постоянная Больцмана.
После интегрирования формулы (1) по всем длинам волн от 0 до, получаем:
(2)
или:
, (3)
где у=5,67·10-8 Вт/(м-2 К-4) - постоянная Стефана Больцмана.
Соотношение (3) носит название закона Стефана-Больцмана. Пропорциональность энергетической светимости четвертой степени абсолютной температуры выполняется и для так называемого серого тела, спектральная поглощательная способность которого меньше единицы.
Теория метода
В данной работе в качестве серого тела выступает нить накала лампы. Излучение от нити попадает на термоэлемент; при фиксированном расстоянии между лампой и термоэлементом термоЭДС будет пропорциональна энергетической светимости лампы, а значит, пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры нити. В первом приближении можно записать:
, (4)
где A- коэффициент пропорциональности, не зависящий от температуры. Логарифмируя это выражение, получим:
. (5)
Таким образом, степенную зависимость между термоЭДС и абсолютной температурой можно определить графически: откладывая полученные экспериментальные точки в осях и , проводя затем линейную аппроксимацию, получаем показатель степени по тангенсу угла наклона прямой.
Температуру нити накала можно определить, измеряя ее сопротивление и используя зависимость сопротивления металла от температуры:
, (6)
где - сопротивление при температуре 0?С, К-1, К-2 - температурные коэффициенты сопротивления для вольфрама, t- температура по шкале Цельсия.
Температура T по шкале Кельвина:
. (7)
Используя формулы (6) и (7), получим:
. (8)
Сопротивление нити R можно вычислить, используя закон Ома:
, (9)
где - напряжение на лампе и - сила тока в лампе.
Ход работы и обработка результатов измерений
1. Соберите установку, как показано на Рисунке 1.
Рисунок 1. Экспериментальная установка для изучения закона Стефана-Больцмана
2. Установите лампу на расстоянии 20см от термоэлемента.
3. С помощью кнопки «Mode» мультиметра установите АС-измерения.
4. Соедините универсальную установку Cobra 3 с компьютером через порт USB. Запустите программу «Measure». В разделе «Прибор» выберите модуль «Универсальный измеритель». Используйте вкладку «Быстрое измерение», в которой установите параметры, как показано на Рисунке 2.
Рисунок 2 - Параметры измерения
5. Для установки нуля термоЭДС при выключенной лампе в окне измерений величины (значение термоЭДС термоэлемента снимается с выхода «Analog In 2/S2» универсальной установки Cobra 3) определите среднее значение термоЭДС .
6. Установите силу тока в лампе, равную 2А.
7. Через 1 минуту измерьте амплитуду напряжения на лампе (напряжение на лампе снимается с выхода «Analog In 1/S1»).
8. Измерьте среднее значение термоЭДС при данной силе тока.
9. Рассчитайте эффективное напряжение на лампе по формуле:
.
тепловой излучение светимость спектральный
10. По формуле (9) вычислите сопротивление нити лампы.
11. По формуле (8) определите температуру нити.
12. Изменяя силу тока до 5,5А с шагом 0,5А, повторите пп. 8-12.
13. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу:
|
Utherm 0, мВ |
|||||||||
|
I, А |
|||||||||
|
U0, В |
|||||||||
|
U, В |
|||||||||
|
R, Ом |
|||||||||
|
Т, К |
|||||||||
|
, мВ |
|||||||||
|
, мВ |
|||||||||
|
• |
|||||||||
|
C= |
|||||||||
14. Нарисовать график зависимости .
15. Используя МНК (см. Приложение А) определить показатель степени температуры по формуле:
.
Контрольные вопросы
1. Что называется тепловым излучением?
2. Что такое равновесное излучение?
3. Что называется спектральной плотностью энергетической светимости тела?
4. Что называется спектральной поглощательной способностью?
5. Что такое абсолютно черное тело?
6. Что такое серое тело?
7. Что называют энергетической светимостью?
8. Сформулируйте закон Вина.
9. Сформулируйте закон Стефана-Больцмана.
10. Сформулируйте закон Кирхгофа.
11. Что представляет собой универсальная функция Кирхгофа?
12. Изобразите экспериментальные кривые для энергетической светимости абсолютно черного тела в зависимости от частоты и длины волны.
13. Запишите формулы Рэлея-Джинса и Вина. В каких случаях они справедливы?
14. Используя формулу Планка, получите формулу Стефана-Больцмана.
15. Назовите способы измерения температуры.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Характеристики и законы теплового излучения. Спектральная плотность энергетической светимости. Модель абсолютно черного тела. Закон Кирхгофа, Стефана-Больцмана, смещения Вина. Тепловое излучение и люминесценция. Формула Рэлея-Джинса и теория Планка.
презентация [2,3 M], добавлен 14.03.2016Тепловое излучение как излучение телом электромагнитных волн за счет его внутренней энергии. Закон Кирхгофа и закон Стефана–Больцмана, их сущность. Понятие энергетической светимости и поглощательной способности тела. Формулы Рэлея–Джинса и Планка.
презентация [313,1 K], добавлен 29.09.2011Характеристика особенностей возникновения теплового излучения. Изучение законов теплового излучения черного тела Стефана - Больцмана и Вина. Развитие квантовой теории Эйнштейном. Связь между испускательной и поглощательной способностями черного тела.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 28.03.2013Описание основных понятий и формул теплового излучения. Вычисление спектральной плотности и интегральной энергетической светимости (излучательности). Закон Кирхгофа, законы Стефана-Больцмана и Вина. Формула Рэлея-Джинса и Планка. Оптическая пирометрия.
курсовая работа [892,3 K], добавлен 31.10.2013Понятие абсолютно черного тела. Максвелловская теория электромагнетизма. Релятивистский закон сохранения энергии – массы. Теория относительности А. Эйнштейна. Поглощательная способность тела. Закон теплового излучения Г. Кирхгофа, Стефана-Больцмана.
реферат [748,6 K], добавлен 30.05.2012Ознакомление с основами возникновения теплового излучения. Излучение абсолютно чёрного тела и его излучения при разных температурах. Закони Кирхгофа, Стефана—Больцмана и Вина; формула и квантовая гипотеза Планка. Применение методов оптической пирометрии.
презентация [951,0 K], добавлен 04.06.2014Люминесценция и тепловое излучение. Спектральная поглощательная способность тела, законы Кирхгофа и Стефана-Больцмана. Равновесное излучение в замкнутой полости с зеркальными стенками, формула Рэлея-Джинса. Термодинамическая вероятность, теория Планка.
курс лекций [616,3 K], добавлен 30.04.20121 квантово-механическая гипотеза Планка о квантованности излучения (поглощения) и вывод формулы для спектральной плотности энергетической светимости черного тела - теоретическое обоснование экспериментально наблюдавшихся законов излучения черного тела.
реферат [71,4 K], добавлен 08.01.2009Экспериментальные закономерности теплового излучения. Спектральная плотность излучения. Поток лучистой энергии. Абсолютно черное тело и Закон Кирхгофа. Экспериментальная зависимость излучательной способности от температуры. Закон смещения или закон Вина.
презентация [1,8 M], добавлен 23.08.2013Внутренняя энергия нагретого тела. Источники теплового излучения. Суммарное излучение с поверхности тела. Интегральный лучистый поток. Коэффициент излучения абсолютно черного тела. Степень черноты полного нормального излучения для различных материалов.
реферат [14,7 K], добавлен 26.01.2012
