Порядок виконання роботи

1. Виміряти омметром опір нитки розжарення лампочки при кімнатній температурі. Оскільки , то .

2. Під’єднати, слідкуючи за полярністю, пірометр до акумулятора.

3. Скласти коло живлення лампочки при 1 (рис. 3) і включити лампочку.

4. Кільцем 4 (вказано на приладі) ввести в поле зору червоний фільтр. Навести зорову трубу на лампочку і за допомогою витяжного об’єктива (Об) одержати чітке зображення нитки розжарення.

5. Обертаючи кільце реостата 2, добитись вирівнювання яскравостей ниток досліджуваного джерела і еталонної лампочки. Записати значення яскравісної температури, а також покази амперметра і вольтметра.

6. Змінюючи яскравість досліджуваної лампочки за допомогою латра, аналогічно вимірювати , та . Далі, натиснувши і повернувши кнопку 3, ввести послаблюючий фільтр і продовжити виміри по верхній шкалі.

7. За таблицею 1 знайти дійсні температури нитки розжарення.

8. Обчислити значення опору нитки R та .

9. Дані вимірювань і обчислень занести в таблицю 1.

Таблиця 1.

№№ п/п	, (В)	, (А)	, (Ом)

10. Побудувати графік залежності R(t).

Контрольні запитання

1. Модель абсолютно чорного тіла.

2. Диференціальна випромінювальна здатність тіла.

3. Інтегральна випромінювальна здатність.

4. Поглинальна здатність тіла.

5. Формула Планка.

6. Закон Кірхгофа.

7. Формула, на використанні якої основана дія радіаційних пірометрів.

8. Формула, на використанні якої основана дія кольорових пірометрів.

9. Формула для визначення опору нитки розжарення лампочки.

10. Формула для визначення температурного коефіцієнта опору.

Лабораторна робота №57 Вивчення законів теплового випромінювання

МЕТА РОБОТИ:	дослідити залежність енергетичної світності тіл від їх температури.
ОБЛАДНАННЯ:	муфельна піч з термопарою, термобатарея, мілівольтметри.

Теоретичні відомості

Атоми та молекули речовини прагнуть зайняти стани з мінімумом потенціальної енергії (основні стани). Якщо атому надати додаткової енергії, він перейде в збуджений стан.

Збуджений стан нестійкий. Атом перебуває в ньому на протязі c, а потім знову переходить в основний стан. Надлишок енергії збуджений атом або віддає сусідньому атому, або випромінює у вигляді електромаґнетних хвиль.

Випромінювання атомів поділяють на теплове та люмінесценцію. Теплове випромінювання відрізняється від інших лише способом переходу випромінюючих систем у збуджений стан. В явищах теплового випромінювання такий перехід відбувається внаслідок теплового руху атомів та молекул.

Електромаґнетні хвилі переносять енергію. Її густиною називають енергію випромінювання, що знаходиться в одиниці об’єму. Розмірність густини енергії – Дж/м³.

Електромґанетне випромінювання поширюється в просторі з швидкістю . Добуток густини енергії на швидкість її перенесення в просторі, називають густиною потоку енергії:

. (1)

Потоком називають енергію, яку хвиля переносить через поверхню за одиницю часу:

. (2)

Розмірність потоку енергії – Вт.

Спектральною характеристикою випромінювання тіла є випромінювальна здатність. Випромінювальна здатність – це той потік енергії випромінювання , який випускається одиницею поверхні S тіла в інтервалі частот від до , приведений до ширини цього інтервалу:

. (3)

Розмірність випромінювальної здатності – .

Електромаґнетні хвилі не лише випромінюються, а й поглинаються речовиною. Спектральною характеристикою поглинання є поглинальна здатність. Поглинальна здатність – це та частина падаючого потоку з частотами від до , яка поглинається тілом:

. (4)

Поглинальна здатність – величина безрозмірна.

Тіло може поглинати світло одних частот і не поглинати світло інших частот. Такі речовини називають кольоровими. Якщо поглинальна здатність для всіх частот однакова, тіло називають сірим.

Чим більшу частину світла поглинає сіре тіло, тим темнішим воно виглядає. Якщо тіло поглинає все падаюче на нього світло, то таке тіло називають абсолютно чорним. Для абсолютно чорного тіла:

. (5)

Білим називають тіло, яке відбиває все падаюче на нього світло.

Термодинамічну систему характеризують рядом параметрів стану. Стан динамічної рівноваги в системі наступає тоді, коли всі макроскопічні параметри (тиск, температура і т.д.) усіх частин системи однакові.

Якщо в системі протікають оборотні процеси, то в стані динамічної рівноваги може встановитись і детальна рівновага. Детальна рівновага характеризується однаковою ймовірністю протікання в системі довільного мікропроцесу в прямому та зворотному напрямах. У такому випадку й енергія електромаґнетних хвиль, що випромінюється атомами, дорівнюватиме енергії, яка ними поглинається. Останнє випромінювання називають рівноважним, тобто таким, яке перебуває в стані динамічної рівноваги з речовиною.

Рівноважне випромінювання:

• однорідне – густина його енергії однакова в усіх точках системи;

• ізотропне – всі напрями його поширення рівноймовірні;

• н еполяризоване – напрями коливань світлового вектора в кожній точці простору хаотично змінюються в часі.

Чим більше енергії поглинає тіло, тим більше воно й випромінює. Абсолютно чорне тіло за однакових умов випромінює найбільше. Г.Р.Кірхгоф показав, що при рівноважних процесах відношення випромінювальної та поглинальної здатностей не залежить від роду поверхні тіла:

. (6)

Функцію називають функцією Кірхгофа, або випромінювальною здатністю абсолютно чорного тіла. М.Планк встановив хід функції Кірхгофа:

. (7)

Вираз (7) носить назву формули Планка. Тут – квант дії, а – швидкість світла у вакуумі. Графічно хід функції (7) наведено на рис.1. Максимум її спостерігається на частоті , яка задовольняє умову:

. (8)

Залежно від температури Т максимум випромінювання припадає на різні довжини хвиль. В. Він експериментально отримав залежність довжини хвилі, на яку припадає максимум випромінювання абсолютно чорного тіла:

. (9)

Залежність (9) називають законом зміщення Віна.

Енергетичною світністю (інтегральною випромінювальною здатністю) R(T) називають потік Ф випромінювання з одиниці поверхні тіла (на всіх частотах ):

. 10)

Д. Стефан експериментально, а Л. Больцман теоретично довели, що для абсолютно чорного тіла:

. (11)

Тут – коефіцієнт Стефана-Больцмана.

Якщо всередині тіла, нагрітого до температури , є порожнина, то електромаґнетні хвилі, які її заповнюють, будуть перебувати у динамічній рівновазі з тепловим випромінюванням стінок. Середнє число фотонів, що заповнюють цю порожнину, дорівнюватиме:

. (12)

Наприклад, в 1м³ темного приміщення при температурі 300К є в середньому 5,510¹⁴ фотонів теплового випромінювання. Через 1см² отвору муфельної пічки при температурі 1000К щосекунди виходить біля 10²⁰ фотонів. Саме велика їх кількість дозволяє розглядати не кожен фотон окремо, а використовувати до аналізу теплового випромінювання статистичні методи.