новая папка 1 / 357334

регулируется с помощью автотрансформатора T3. Нагрев пластинки производят

током, падение напряжения на пластинке и силу тока в ней фиксируют

вольтметром и амперметром . Это позволяет определить мощность,

выделяющуюся в пластинке за счет прохождения тока:

(16)

При стационарном нагреве тела ( ), согласно формуле (13),

количество тепла, излучаемого с поверхности пластинки за единицу времени, определяется следующим образом:

(17)

где — площадь пластинки (в уравнении , т.к. пластинка излучает

электромагнитные волны в обе стороны).

Считая, что подводимая энергия расходуется в основном на излучение, т.е.

, получим

(18)

Для окиси никеля, покрывающей поверхность пластинки, в исследуемом

интервале температур = 0,85.

12

Учитывая, что температура в расчетной формуле возводится в четвертую степень, а также значительную разницу температур нагретой пластинки и

окружающей среды, величиной

можно пренебречь как при определении

искомой величины , так и при расчете погрешности.

В расчётной формуле необходимо также учесть переход от градусов

Цельсия на шкале пирометра к градусам Кельвина ( = + 273 ):

(19)

Схема оптического пирометра представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема оптического пирометра Объектив пирометра 1 проектирует изображение участка исследуемой

поверхности в плоскость расположения нити накала 3. Нить накала и даваемое объективом изображение исследуемого объекта рассматриваются наблюдателем через окуляр 4, в котором расположен красный светофильтр 5, выделяющий из спектров излучения пластинки и нити накала лампы излучение с одинаковой

длиной волны ( =6.5·10-7 м). Красный светофильтр всегда необходим при

измерениях, но он может выводиться из поля зрения окуляра при наводке объектива пирометра на объект измерения для удобства фокусировки его в

13

белом цвете. Введение и выведение этого светофильтра в поле зрения окуляра осуществляется вращением рифленого кольца на окуляре.

Кроме красного светофильтра в пирометре имеется ещё один дымчатый ослабляющий светофильтр 2 (показан в трубе пирометра пунктиром). Он предназначен для предварительного ослабления яркости излучения исследуемых тел в тех случаях, когда их температура превышает 1400°C.

Нить лампы нежелательно нагревать выше этого значения, так как она начинает распыляться, изменять своё свечение и затемнять стенки баллона лампы. При наличии светофильтра 5, ослабляющего яркость нагретого тела,

пирометром можно измерять температуру до 2000°C. Включение и выключение ослабляющего фильтра осуществляется с помощью поворотной головки, находящейся на тубусе трубы пирометра.

Нить накала лампы подключена к вакуумметру 8. Ток накала регулируется реостатом 7, вмонтированным в стойку пирометра. Изменение сопротивления реостата в процессе измерения осуществляется вращением рифленого кольца, расположенного перед шкалой пирометра.

Шкала гальванометра 6, включенного в цепь накала лампы,

проградуирована в градусах Цельсия по излучению абсолютно чёрного тела. Так как источник света (нагреваемая пластинка) отличается от абсолютно

чёрного тела, то определяемая в данной работе яркостная температура отличается от истинной.

Яркостная температура тела — это такая температура абсолютно чёрного тела, при которой его лучеиспускательная способность (точнее, спектральная плотность энергетической яркости для определения длины волны) равна лучеиспускательной способности данного тела для той же длины волны.

В данной работе отличие яркостной и истинной температур не будет учитываться.

Для проведения измерений и расчетов по формуле (19) подготовьте таблицу экспериментальных данных.

14

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1)Уяснив цель работы и ознакомившись с установкой, с разрешения преподавателя или лаборанта, включают её.

2)Медленно вращая ручку автотрансформатора, доводят пластинку до раскаленного состояния. Во избежание перегрева обмоток трансформатора и токопроводящих проводов, необходимо следить за показаниями вольтметра, включенного в первичную цепь трансформатора 2. Напряжение в первичной обмотке не должно превышать 240 В.

3)Включают батарею накала нити лампы пирометра. Измеряют

температуру раскаленной никелевой пластинки 1 и заносят её в таблицу 1.

При измерении температуры ток в цепи накала нити лампы с помощью реостата подбирают таким, чтобы её яркость совпала с яркостью изображения излучателя (нить «исчезает», т.е. становится неразличимой на фоне исследуемой поверхности). В этом случае будут одинаковыми лучеиспускательные способности нити и поверхности.

4) Записывают показания амперметра и вольтметра

, включенных во

вторичную обмотку трансформатора.

5)Измерения проделывают не менее трёх раз, изменяя в небольших пределах силу тока (около 5 А) во вторичной цепи.

6)После того как измерения закончены, выключают установку и, подождав,

пока никелевая пластинка остынет, измеряют с помощью штангенциркуля её

нагретую поверхность, т.е. величину .

15

Таблица 1

N

I

∆I

U

∆U

t°

∆t°

S

∆S

a

∆a

измерений

А

В

°С

м2

—

1

2

3

…

Ср.

7)Заносят в таблицу результатов погрешности измерений и средние значения величин.

8)По полученным результатам, используя формулу (19), вычисляют

величину постоянной Стефана-Больцмана .
9)	Определяют погрешность	найденной величины .
10)	Дополнительное задание: воспользовавшись полученными значениями
и , вычислить постоянную Планка		и её погрешность	.
11)	Сравните вычисленные значения и с табличными данными и

объясните причины возможных расхождений.

16

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчет по работе должен содержать:

1)Тему, цель, список приборов и принадлежностей.

2)Краткую теорию, включая расчётную формулу и формулу погрешности.

3)Схему оптического пирометра.

4)Таблицу экспериментальных данных.

5)Результаты вычислений и сравнений

6)Выводы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1)Что такое тепловое излучение? Как его спектр зависит от температуры?

2)Поясните физический смысл основных характеристик теплового излучения.

3)В чём различие между абсолютно чёрным и серым телами? Примеры.

4)Сформулируйте закон Кирхгофа и объясните график функции Кирхгофа.

5)Поясните понятие «ультрафиолетовой катастрофы».

6)В чём состоит гипотеза Планка и зачем она принята?

7)Сформулируйте закон Стефана-Больцмана. Как он получается из опыта и теории?

8)Сформулируйте закон Вина. Как он получается из опыта и теории?

9)Как в работе определяется постоянная Стефана-Больцмана?

10)Найдите формулу определения погрешности постоянной Стефана-Больцмана.

11)Начертите и поясните принципиальную схему яркостного оптического пирометра.

12)Для чего в яркостном пирометре применяются красный и дымчатый светофильтры?

17

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Савельев, И.В. Курс общей физики: учеб. пособие. В 5 т. Т. 5. / И.В. Савельев. – 5-е изд., испр. – Москва: Лань, 2011. – 48 с.

2.Стафеев, С.К. Основы оптики: учеб. пособие для вузов по направлениям

"Физика"(510400), "Прикладная математика и физика"(511600), "Оптотехника"(551900), "Приборостроение"(551500) и другим физическим и техническим направлениям / С.К. Стафеев, К.К. Боярский, Г.Л. Башнина. – Санкт-Петербург: Питер, 2006. – 336 с.

3.Янг, М. Оптика и лазеры, включая волоконную оптику и оптические волноводы / М. Янг. – Москва: Мир, 2005. — 541 с.

4.Сивухин, Д.В. Общий курс физики: учеб. пособие для вузов. В 5 т. Т. 4. Оптика / Д.В. Сивухин. – 3-е изд., стереот. – Москва: ФИЗМАТЛИТ, 2005. –

792с.

5.Гершензон, Е. М. Курс общей физики. Оптика и атомная физика: учеб.

пособие для студентов физ.-мат. фак. пед. ин-тов / Е.М. Гершензон, Н.Н. Малов, А. Н. Мансуров. – 2-е изд., перераб. – Москва: Просвещение, 1992. –

320 с.

18

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ СТЕФАНА-БОЛЬЦМАНА

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОПТИЧЕСКОГО ПИРОМЕТРА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторной работе №47 по физике

Составители: Пономарев Андрей Сергеевич, Пыльнев Виктор Григорьевич, Заблодский Артем Вячеславович

Редактор О.И. Попова

Подписано в печать . Формат 60x80 1/16. Бумага офсетная. 1 Ризография. Печ. л. 0,9. Тираж 100 экз. Заказ №

Издательство Липецкого государственного технического университета. Полиграфическое подразделение Издательства ЛГТУ

398600 Липецк, ул. Московская, 30.