Описание установки. Блок-схема экспериментальной установки изображена на рис

Блок-схема экспериментальной установки изображена на рис. 3. Конструктивно вся установка выполнена в одном блоке (см. рис. 4). Внутри него находится лампочка (с вольфрамовой нитью накаливания, которая и является телом, тепловое излучение которого Вам предстоит изучать), светофильтр (предназначенный для выделения из общего излучения лампочки определенных участков спектра), фотоэлемент (предназначенный для измерения мощности теплового излучения, прошедшего через светофильтр) и мультиметр (предназначенный для того же самого, потому что сам по себе фотоэлемент просто вырабатывает фото-ЭДС, пропорциональную падающему на него световому потоку, а мультиметр измеряет это фото-ЭДС).

В принципе мультиметр – это просто вольтметр, который измеряет фото-ЭДС фотоэлемента (в вольтах, милливольтах или других единицах для измерения напряжения). Но нас интересует не фото-ЭДС фотоэлемента как таковая, а мощность излучения с единицы площади поверхности нити накаливания (в Вт/м²). Ясно, что эти две величины пропорциональны друг другу (если в 2 раза увеличится лучеиспускательная способность, а все остальное не изменится, то и фото-ЭДС возрастет в 2 раза), но чему равен коэффициент пропорциональности – неясно.

Вычислить его теоретически можно, но очень сложно (для этого следует проследить весь путь света от нити лампы до фотоэлемента, учесть все потери световой энергии и знать чувствительность фотоэлемента). Измерить его экспериментально гораздо легче – надо просто вставить вместо нашей лампочки в установку специальную лампу с хорошо известными (то есть измеренными кем-то заранее) излучательными свойствами и посмотреть, что показывает мультиметр. Если, например, при заранее известной мощности излучения с единицы поверхности в 30 Вт/см² наш мультиметр показывает 1,285 единиц мультиметра (е.м.), то 1 е.м.=(30/1,285) Вт/см². Если после этого для другой (неисследованной) лампочки мультиметр показывает 2,435 е.м., то это означает, что ее мощность излучения с единицы площади поверхности равна 2,435 (30/1,285) Вт/см². Этот путь называется градуировкой прибора; он гораздо проще и потому используется гораздо чаше. А самый простой (и потому самый распространенный) путь (которым будем пользоваться и мы при выполнении лабораторной работы) – это вообще не интересоваться, чему равна одна единица мультиметра и измерять все в этой (пусть нам и неизвестной, но существующей в природе) единице измерения. Это – так называемые относительные (а не абсолютные) измерения. Именно результаты таких измерений записываются в «отн. ед.» (относительные единицы) или в «пр. ед.» (произвольные единицы). Не следует думать, что относительные измерения не имеют смысла. Конечно, они менее информативны, чем абсолютные. Тем не менее и они представляют интерес. Если, например, показания мультиметра изменились с 1,34 е.м. до 2, 68 е.м., то мы можем с уверенностью сказать, что лучеиспускательная способность нити возросла в 2 раза (хотя и не можем, увы, сказать, чему именно она была равна и чему именно она стала равна).

В данной лабораторной работе мы будем изучать тепловое излучение раскаленного тела – вольфрамовой нити накала лампы накаливания. Номинальная мощность лампочки – 50 Вт, номинальное напряжение питания – 12 В. Реальное напряжение питания регулируется ступенями по 2 В (переключатель установлен на передней панели установки и позволяет изменять напряжение питания от 0 В до 10 В). В данной установке не предусмотрено измерение реальной температуры нити накаливания – вероятно, оно составляет около 2000 градусов Цельсия. Очевидно, что чем больше подведенное к лампочке напряжение, тем больший ток протекает через ее нить накала и тем горячее нить.

Излучение лампочки пропускается через один из шести светофильтров, установленных на общем диске, край которого расположен на передней панели установки. Этот диск можно поворачивать, устанавливая напротив лампочки один из светофильтров (номер установленного при данном положении диска светофильтра указан на выступающем из ящика краю диска). Параметры светофильтров приведены в таблице 1.

Таблица 1. Параметры светофильтров.

Номер светофильтра	Центральная длина волны , нм	, нм
		2,93
		3,67
		1,6
		1,65
		2,67
	Нейтральный светофильтр	-

В первом столбце этой таблицы приведены номера светофильтров (которые указаны на барабане светофильтров), во втором столбце - их центральные длины волн (то есть те длины волн, на которых коэффициент пропускания светофильтра максимален), в третьем – произведение коэффициента пропускания данного светофильтра на центральной длине волны на ширину его полосы пропускания по уровню половины от максимума (см. рис. 5). Обычно это произведение отождествляется с площадью под кривой пропускания, то есть с (то есть площадь под кривой приблизительно заменяется на площадь затемненного на рисунке прямоугольника).

Нейтральный светофильтр не селективен по частоте и предназначен для измерения интегрального по частоте (общего) светового потока. В идеале он не имеет центральной частоты и его ширина бесконечна.

Поскольку фотоэлемент измеряет (в «единицах мультиметра») мощность падающего на него светового потока (перед этим прошедшего через светофильтр), то на самом деле он измеряет величину . Если предположить, что в пределах полосы пропускания светофильтра лучеиспускательная способность вещества изменяется незначительно (а это действительно так), то под знаком интеграла можно заменить на постоянную величину и вынести эту постоянную величину из-под знака интеграла. В результате имеем

,

откуда следует

. (12)

Это означает, что, поделив показания мультиметра для данного светофильтра (с заданным значением центральной частоты , ширины полосы пропускания и коэффициента пропускания в центре полосы пропускания ) на произведение , мы получаем значение лучеиспускательной способности вещества на данной частоте в относительных (или условных, или произвольных – кому как нравится) единицах (у.е. = е.м./нм).

Теперь ясно, как мы можем измерить (в у.е.) зависимость лучеиспускательной способности вольфрама от длины волны. Для этого достаточно при одной и той же температуре вольфрамовой нити измерить показания мультиметра при разных светофильтрах и поделить эти показания на параметры соответствующих светофильтров , приведенные в таблице 1.

Мы можем даже изучить зависимость лучеиспускательной способности от температуры нити, несмотря на то, что эта температура нам неизвестна. Для этого следует заметить, что эта температура, очевидно, возрастает с ростом мощности, выделяющейся на нити накала, а мощность растет с ростом поданного напряжения. Поэтому график зависимости лучеиспускательной способности от поданного напряжения можно рассматривать как неравномерно растянутый вдоль оси напряжений график зависимости лучеиспускательной способности от температуры нити накала (в относительных единицах). Нетрудно сообразить, что такая деформация может сильно исказить график, но кое-что она испортить не в состоянии - как ни растягивай график, монотонный рост останется монотонным ростом, монотонное убывание – монотонным убыванием, максимум – максимумом, а минимум – минимумом. Кроме того, если одна кривая идет выше другой, то она будет делать это и после растягивания.