Изучение закона Стефана—Больцмана

Оптический пирометр ¾ прибор, предназначенный для измерения температуры тел по их излучению в оптическом диапазоне (см. рисунок).

Оптический пирометр состоит из зрительной трубы, в фокусе которой находится эталонная лампа накаливания Л. Наведя трубу на исследуемый источник излучения, реостатом r изменяют ток в лампе накаливания Л, добиваясь исчезновения изображения нити лампы на фоне предмета (т. е. добиваются одинаковой яркости источника и лампы). В этом случае температуры нити накала лампы и исследуемого предмета будут одинаковыми. Миллиамперметр, включенный в цепь накала лампы пирометра, предварительно проградуирован по шкале Цельсия по излучению абсолютно черного тела.

Определяемая таким образом (т. е. путем сравнения яркостей) температура тела называется яркостной Т _я. С истинной температурой она связана соотношением

(1)

где a — коэффициент исследуемого в данной работе тела (вольфрамовая спираль кинолампы), a = 3,66 10^­–5 К^–1.

Порядок выполнения работы

1. Включить питание кинолампы и пирометра.

2. Передвигая трубки окуляра и объектива пирометра, добиться четкого изображения нити пирометра и спирали лампы.

3. Установить первое из заданных преподавателем значение силы тока в цепи кинолампы.

4. Изменяя сопротивление реостата пирометра, добиться исчезновения изображения нити на фоне спирали кинолампы. Определить температуру по шкале пирометра.

Примечание. Фильтр Ф (см. рисунок) предназначен для предварительного ослабления яркости исследуемого тела в случае, если его температура превышает 1400 °С. Включение фильтра Ф осуществляется поворотом винта на тубусе трубы пирометра. При включенном ослабляющем фильтре измерения проводятся по шкале 1200 ¾ 2000 °С, при выключенном ¾ по шкале 800 ¾1400 °С.

5. Повторить измерения температуры при других значениях тока накала кинолампы.

6. Рассчитать истинные температуры по формуле (1).

7. Вычислить значение постоянной Больцмана по формуле:

где I и U ¾ показания амперметра и вольтметра, включенных в цепь кинолампы; S ¾ площадь излучающей поверхности, равная 0,66 см².

8. Определить значения энергетической светимости R*, соответствующие установленным температурам по формуле:

R ^*₁ = s₁ T ₁ ⁴ =

R ^*₂ = s₂ T ₂ ⁴ =

R ^*₃ = s₃ T ₃ ⁴ =

9. Данные измерений и вычислений занести в таблицу.

10. Построить график R^* = f (T ⁴).

11. Определить среднее значение s и сравнить его с табличным значением (т. е. определить абсолютную и относительную погрешности измерений).

s_ср = (s₁ + s₂ + s₃)/3 =

Ds = ês_ср – s_табл÷ =

ds = (Ds/s_ср)×100% =

Контрольные вопросы

1. Что называют тепловым излучением?

2. Дать определение абсолютно черного тела.

3. Что может служить моделью абсолютно черного тела?

4. Дать формулировку закона Стефана — Больцмана.

5. Описать принцип действия оптического пирометра.

Учебное издание

Составители:

ВАГАН Владимир Алексеевич

ДЖУЖУК Игорь Иванович