fizpr

С помощью яркостной температуры можно вычислить истинную температуру Т, при этом надо знать поглощательную способность тела при той же частоте излучения и саму частоту ν0.

Методика измерения температуры оптическим пирометром.

С помощью объектива О пирометра (рис. 2) изображение светящейся поверхности S нагретого тела, температуру которого необходимо определить, совмещается с фокальной плоскостью нити накала лампы пирометра Лп. Яркость накала этой нити регулируется реостатом Rn, размещенным в пирометре. Управление реостатом осуществляется с помощью рифленого кольца, расположенного на корпусе пирометра вблизи измерительной шкалы. Светящаяся поверхность S и изображение нити накала лампы Лп наблюдаются через окуляр O1. Для выделения монохроматического излучения, соответствующего длине волны красного света λ0 = 660 нм, вводится красный светофильтр Ф. Вращением рифленого кольца подбирается такое значение силы тока через пирометрическую нить, при котором для длины волны λ0 ее излучательность становится равной излучательности исследуемого тела Л. При удовлетворении этого условия нить пирометра (или ее часть) не будет выделяться на фоне светящейся поверхности тела S (рис. 3).

201

Лп

Рисунок 2.

Миллиамперметр пирометра проградуирован в градусах Цельсия по излучению абсолютно черного тела той же длины волны λ0.Таким образом, пирометр покажет яркостную температуру.

В данной лабораторной работе используется оптический пирометр ОПИР-9. Он имеет шкалу с двумя пределами измерений: 800

		-1400 ° С и 1200 –			2000 оС. При
		измерении температур выше 1400 ° С
		в целях сохранения			неизменности
		характеристик		лампы		пирометра
	Нить
	пирометра
		необходимо	в	оптическую			схему
		пирометра	вводить		ослабляющий
		дымчатый	светофильтр,			а	отсчет

температур при этом производить по шкале 1200 - 2000 ° С.

Рисунок 3

202

Вывод расчетной формулы.

В качестве исследуемого тела в работе используется лампа накаливания Л (рис. 2) с вольфрамовой нитью. Ее излучение близко к излучению а.ч.т.

Мощность излучения Р с площади поверхности S нити при комнатной температуре То согласно закону Стефана-Больцмана (4) и соотношению (5) равна

P = RT·S = Q·S = σ(T4-T0 4)·S

(7)

С другой стороны мощность излучения нити накаливания равна мощности электрического тока Рэл потребляемого ею

Pэл=IU,

(8)

где I -сила тока,

U- напряжение в цепи лампы Л (рис. 2, а).

Приравняем (7) и (8), откуда получим расчетную формулу для определения численного значения постоянной Стефана-Больцмана

σ =		IU		.	(9)
	S (T	4 − T	4 )
		0

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с устройством пирометра.

2.Проверить электрическую цепь исследуемой лампы накаливания Л (рис. 2, а).

203

3.Подготовить оптический пирометр к проведению измерений, для чего:

а) поворачивая рифленое кольцо пирометра влево до упора, ввести все сопротивление пирометра Rn;

б) включить пирометр в сеть;

в) постепенно поворачивая рифленое кольцо пирометра по часовой стрелке довести накал нити пирометра приблизительно до температуры 1000° С по измерительной шкале пирометра;

г) передвигая тубус окуляра О1 добиться резкого изображения нити пирометра.

4.С помощью реостата R в цепи исследуемой лампы накаливания Л установить на амперметре А минимальное значение силы тока (см. на лабораторном стенде).

5.Для получения света одной длины волны ввести красный светофильтр Ф, который имеется в окуляре O1 Еще раз проверить фокусировку нити пирометра.

6.Направить объектив пирометра О на исследуемую раскаленную нить лампы Л. При наблюдении через окуляр пирометра изображения исследуемой нити и нити пирометра должны частично наложиться (рис. 3). Фокусировка изображения исследуемой нити производится вращением тубуса объектива О.

7.Регулируя силу тока пирометрической нити рифленым кольцом, добиться «исчезновения» участка, совмещенного с изображением раскаленной спирали исследуемой лампы (рис. 3). Этот участок кажется темным на светлом фоне спирали лампы Л при

204

меньшей яркости (температуре) и более светлым на темном фоне при большей яркости (температуре) пирометрической нити.

8.Определить по шкале пирометра яркостную температуру нити лампы.

9.Так как исследуемая вольфрамовая нить не является абсолютно черным телом, то для определения действительной

температуры необходимо вводить поправку t. Она определяется по графику в лаборатории. Действительная температура волоска лампочки накаливания t д=(t я + t) 0С, а по шкале Кельвина

Тд = (tд + 273) К

(10)

10. Произвести замеры яркостной (п.7, 8) и вычислить по формуле (10) действительную температуру нити исследуемой лампы накаливания еще для двух значений силы тока (см. указания на лабораторном стенде). Отметить соответствующие значения напряжения на этой лампе. Результаты занести в таблицу1.

11. По формуле (9) рассчитать величину постоянной СтефанаБольцмана, ее среднее арифметическое значение, абсолютную и относительную погрешности измерения.

12. В выводе сравнить полученный результат с табличным значением.

205

	Таблица 1 –				Результаты измерений и вычислений
№
п/	I,		U,		tя ,		t	Тд ,	σ,	Результаты расчета
п	A		B		0C		0C,	К	Вт /(м2К4)	погрешности
1										σср=
2
										Р =
3
										tn,p =
(σср ± Δσ),			Вт /(м2К4)							Δσ =
										ε =

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что представляет собой тепловое излучение тел? В чем заключается и чем обусловлена равновесность теплового излучения?

2.Какое тело называется абсолютно черным, «серым»?

3.Что называется спектральной излучательностью и поглощательной способностью тела?

4.Как связаны интегральная излучательная способность тела и его спектральная излучательность?

5.Как формулируются законы: Кирхгофа, Стефана-Больцмана, законы Вина? Что выражает формула Планка?

6.Какой вид имеет кривая, характеризующая спектр излучения абсолютно черного тела при данной температуре?

206

7.Что понимается под яркостной температурой, равна ли она действительной?

8.В чем состоит принцип измерения температуры оптическим пирометром?

9.Как определить мощность, излучаемую спиралью как абсолютно черным телом, и мощность электрического тока, потребляемую той же спиралью?

10.Получите расчетную формулу для определения постоянной Стефана-Больцмана.

Лабораторная работа № 507

ИССЛЕДОВАНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

Цель работы - изучение законов внешнего фотоэффекта и определение работы выхода электронов.

Приборы и принадлежности: гелий-неоновый лазер;

поляризатор, фотоэлемент Ф-28, источник питания, микроамперметр, вольтметр.

Основные требования к теоретической подготовке: при подготовке к лабораторной работе необходимо проработать разделы курса общей физики "Фотоэффект и его законы" и методические указания к данной работе.

207

Теория метода и описание установки

Электромагнитное излучение имеет двойственную корпускулярно-волновую природу. С одной стороны, оно обладает волновыми свойствами, обусловливающими явление интерференции, дифракции, поляризации, а с другой представляет собой поток локализованных в пространстве дискретных световых квантов - фотонов. По квантовой теории Эйнштейна фотонами, т.е. отдельными порциями энергии, свет излучается, распространяется в пространстве и поглощается веществом. Для монохроматического излучения с частотой ν все фотоны обладают одинаковой энергией

ε = h v ,

(1)

где h = 6,62·10–34 Дж·с - постоянная Планка.

Скорость фотонов равна скорости распространения света в вакууме (с=3·10 8 м/с).

При взаимодействии света с веществом может наблюдаться фотоэлектрический эффект. Существует три вида фотоэффекта:

внешний, который заключается в испускании электронов веществом под действием электромагнитного излучения;

внутренний, в результате которого электроны в полупроводниках и диэлектриках переходят из связанных состояний в свободные без вылета наружу, увеличивая тем самым электропроводность этих материалов;

208

вентильный, результатом которого является возникновение электродвижущей силы на границе двух полупроводников различной проводимости (или металла и полупроводника) при отсутствии внешнего электрического поля.

Внешний фотоэффект можно рассматривать как процесс, происходящий в три этапа:

-поглощение фотона и переход электрона в твердом теле в возбужденное, более высокое энергетическое состояние, причем, каждый фотон поглощается только одним электроном;

-движение возбужденного электрона внутри тела к границе раздела с вакуумом (при этом электрон может потерять часть своей энергии за счет неупругих столкновений);

-переход электрона через границу раздела металл - вакуум.

Если энергия, полученная электроном в результате взаимодействия с фотоном, больше величины, необходимой для его выхода за пределы материала, электрон будет продолжать движение в вакууме с некоторой скоростью относительно поверхности тела. Таким образом, энергия кванта идет на то, чтобы совершить работу по вырыванию электрона из металла, и сообщить ему кинетическую энергию

Уравнение, выражающее закон сохранения энергии для такого процесса, называется уравнением Эйнштейна для внешнего

фотоэффекта

209

			ε = A +	mV2	,	(2)
			вых	2
где ε -			энергия фотона (1);
	Авых		- работа выхода электрона из металла;
	mV2		− кинетическая энергия вылетевшего фотоэлектрона;
2

m и V - масса и скорость фотоэлектрона.

Работа выхода электрона - минимальное значение энергии, необходимой для выхода его из металла. Для предельного случая

фотоэффекта,	когда	скорость	фотоэлектрона	относительно
поверхности покинутого материала равна нулю, можно записать
		hν min	= Aвых,	(3)

Выражение (3) определяет порог фотоэффекта, его «красную границу» - минимальную частоту νmin или максимальную длину волны λmax, при которой возможен фотоэффект. Она равна

ν min	=	Aвых	или	λmax =	ch	.	(4)
		h
					Aвых

Законы внешнего фотоэффекта (законы А.Г.Столетова): 1.Число фотоэлектронов, вылетающих в единицу времени с

единицы поверхности при ν = const, пропорционально интенсивности падающего потока излучения. Этот закон подтверждается увеличением фототока насыщения (смотри ниже, рис. 2).

210