Общие положения. Методическое указание к выполнению лабораторной работы по курсу общей физики для студентов инженерно-технических сп

ФГОУ ВПО «КАЛИНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

КАФЕДРА ФИЗИКИ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 203

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Методическое указание к выполнению лабораторной работы по курсу общей физики для студентов инженерно-технических специальностей

Калининград

Цель работы: Определение интегральной поглощательной способности вольфрамовой нити.

Оборудование: 1. Оптический пирометр.

2. Вольтметр.

3. Амперметр.

4. Блок питания оптического пирометра и лампы.

5. Исследуемая лампа в кожухе.

6. Автотрансформатор.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Электромагнитное излучение, возникающее за счёт внутренней энергии (теплового движения атомов и молекул) излучающего тела и зависящее только от температуры и оптических свойств этого тела, называется тепловым излучением.

Тепловое излучение имеет сплошной спектр, то есть в нём присутствуют все длины волн (l) от 0 до ¥, причём распределение энергии по длинам волн зависит от температуры тела.

Если энергия, расходуемая телом на тепловое излучение, не восполняется за счёт других источников энергии, то его температура постепенно понижается, а излучение уменьшается.

Тепловое излучение – единственное излучение, способное находиться в термодинамическом равновесии с веществом. Такое излучение называется равновесным. При динамическом равновесии энергия, расходуемая каждым из тел системы на тепловое излучение, компенсируется за счёт поглощения этим телом такого же количества энергии падающего на него излучения.

Основными характеристиками теплового излучения являются:

1.1.Энергетическая светимость (интегральная лучеиспускательная способность) тела R_Т. Это поток (мощность) электромагнитной энергии, испускаемый единицей поверхности излучающего тела при температуре Т по всем направлениям во всём диапазоне длин волн .

1.2. Испускательная способность (иначе: излучательная способность, спектральная лучеиспускательная способность тела):

где dR_Т - поток (мощность) энергии с единицы поверхности тела при температуре Т в интервале длин волн dl .

Энергетическая светимость связана с испускательной способностью формулой:

(1)

1.3. Поглощательная способность тела d_l_,_T по определению равна отношению поглощённого потока энергии dФ'_l к падающему на тело потоку dФ_l в одинаковых интервалах длин волн dl:

(2)

Это безразмерная величина, которая не может быть больше единицы. Для тела, полностью поглощающего упавшее на него излучение всех длин волн, a_l_,_T º 1. Такое тело называется абсолютно чёрным. Тело, для которого a_l_,_T º a_T = const < 1, называется серым телом.

Как абсолютно чёрное, так и серое тела являются идеализированной моделью реальных нечёрных тел, для которых a_l_,_T зависит от l и Т.

Для равновесного теплового излучения тел исключительно важную роль играет закон Кирхгофа: отношение испускательной способности к поглощательной способности не зависит от природы тела и является для всех тел одной и той же (универсальной) функцией длины волны и температуры:

(3)

Отсюда следует, что функция Кирхгофа f(l,T) равна испускательной способности абсолютно чёрного тела r*_l_, _T, так как a_l_,_T чёрного тела º 1, то есть f(l,T). Вид функции

(4)

был найден М.Планком (1900г.)

Энергетическая светимость абсолютно чёрного тела определяется по закону Стефана-Больцмана:

, (5)

где s = 5.67×10^-8 Вт/(м²К⁴) - постоянная Стефана – Больцмана:

Как упоминалось выше, излучательные свойства реальных нечёрных тел отличаются от свойств абсолютно чёрного тела, поэтому для этих тел закон Стефана-Больцмана, строго говоря, не выполняется и энергетическая светимость определяется формулой:

(6)

В частности, для серого тела :

где - называется поглощательной способностью.

Реальное тело может быть близко по своим свойствам к серому телу только в узких интервалах длин волн и при определённых температурах. Однако, несмотря на это, мы будем пользоваться формулой (7):

, (7)