Методические указания. Исходя из законов классической физики - термодинамики и электродинамики, энергетическая светимость абсолютно черного тела

Исходя из законов классической физики - термодинамики и электродинамики, энергетическая светимость абсолютно черного тела, т.е. энергия, излучаемая в одну секунду единицей поверхности абсолютно черного тела, определяется законом Стефана-Больцмана

R₃=σT⁴ (1)

где Т- истинная температура излучающей поверхности, К;

σ - постоянная Стефана-Больцмана.

Если излучающее тело не является абсолютно черным и излучение происходит в среде, имеющей температуру Т_о, то:

R_з=Аσ(Т⁴-Т₀⁴), (2)

где А - коэффициент нечерноты (А < 1), зависящий от материала излучающей поверхности.

В данной работе в качестве излучающей поверхности используют раскаленную вольфрамовую спираль N кинолампы (здесь и далее см. описание), для нагревания которой ее включают в цепь переменного напряжения. Полагая, что электрическая мощность Р_эл, которую потребляет спираль кинолампы, расходуется не только на лучеиспускание, но часть ее отводится в виде тепла, вследствие теплопроводности, конвекции в окружающую среду, мощность, расходуемую на излучение можно вычислить как Р=к Р_эл,(где к < 1 коэффициент, учитывающий потери мощности и определяется опытным путем). Приравнивая эту мощность, мощности теряемой ежесекундно вольфрамовой спиралью кинолампы, площадью поверхности S, получим:

P =k Р_эл = Аσs(T⁴-T₀⁴) (3)

Отсюда постоянная Стефана-Больцмана равна

(4)

Определение температуры раскаленной вольфрамовой спирали N кинолампы в данной работе производится с помощью оптического пирометра, путем сравнения яркости раскаленной спирали кинолампы в некотором спектральном интервале длин волн Δλ (красный светофильтр λ = 650 нм) с яркостью спирали фотометрической лампы пирометра. Регулируя реостатом величину тока фотометрической лампы пирометра L, можно добиться исчезновения видимости ее нити на фоне вольфрамовой спирали N кинолампы, т.е. совпадения их яркостей. Шкала прибора предварительно проградуирована по температуре искусственного абсолютно черного тела. Если бы излучаемая поверхность (вольфрамовая спираль кинолампы) была поверхностью абсолютно черного тела, а не серого, то отсчитываемая по шкале пирометра температура Т_λ была бы истинной ее температурой Т. Так как наблюдаемый объект не абсолютно черный, то Т_λ представляет собой температуру такого абсолютно черного тела, при которой его испускательная способность равна испускательной способности исследуемого тела в наблюдаемом спектральном участке Δλ, температура которого Т истинная T_λ носит название яркостной температуры. Связь между яркостной T_λ и истинной Т температурами дается соотношением:

(5)

Коэффициент нечерноты А для вольфрама в области температур от 900 до 2000 °С принимает значения, принадлежащие интервалу 0,45 ± 0,005 для λ = 650 нм средней длины волны спектрального участка, пропускаемого при введении красного светофильтра пирометра. Подставляя в формулу (5) эти постоянные и проводя соответствующие преобразования и вычисления, получаем более удобное выражение для расчета истинной температуры в нашем случае:

(6)

где B = -0,36•10^-4

Задание 1

Порядок проведения эксперимента.

1. Ознакомьтесь с устройством установки на рабочем месте.

2. Поверните кольцо реостат до совмещения нулевых отметок на нем и корпусе измерительного прибора.

3. Установите пирометр на расстоянии 90 – 100 см от кинолампы.

4. Включите источник питания фотометрической лампы пирометра и поворотом кольца реостата по часовой стрелке постепенно доведите накал до 1000-1300⁰С (отсчет ведите по шкале с приделом 1400⁰С).

5. Включите источник питания кинолампы.

6. Определите цену деления ваттметра.

7. Вращая ручку ЛАТРа, доведите показания ваттметра до 40-45 Вт.

8. Введите в поле зрения красный светофильтр.

9. Плавно перемещая подвижную часть окуляра добейтесь четкого изображения нити фотометрической лампы на фоне спирали кинолампы. Это изображение должно быть в той же плоскости что и нить фотометрической лампы пирометра.

10. Поворотом кольца реостата пирометра добейтесь, чтобы яркость нити фотометрической лампы пирометра и кинолампы стали одинаковые, т.е. чтобы средний участок нити фотометрической лампы сливался с фоном раскаленной спирали кинолампы. (рис.3). Произведите отсчет температуры t ⁰C три раза. Значения мощности и температуры занесите в таблицу 1.

11. Произведите еще 2 измерения, увеличивая мощность каждый раз на 5 - 10 Вт. Результаты зафиксируйте в таблице 1.

12. Выразить яркостную температуру, К по формуле:

К

Результаты занесите в таблицу 1.

Таблица 1.