Описание установки

Схема установки приведена на рис. 1. Объектом исследования является вольфрамовая нить , температура которой может регулироваться реостатом R. При помощи амперметра и вольтметра измеряют ток и напряжение на зажимах лампы. Световой поток падает на фотоэлемент Ф, закрываемый светофильтром.

Рис.1

Возникающий фототок измеряется гальванометром Г. Температура нити лампы измеряется оптическим пирометром ОП. В работе используется пирометр с исчезающей нитью (рис. 2).

Рис.2

Основной его частью является фотометрическая лампа 3 с дугообразной нитью, расположенной в фокусе объектива 1. Этот же объектив фокусирует лучи, идущие от исследуемого объекта, расположенного достаточно далеко. Поэтому можно считать, что в фокальной плоскости объектива изображение исследуемой нагретой поверхности накладывается на изображение нити фотометрической лампы.

Наблюдая через окуляр 5 совмещенные изображения нити и объекта, регулируют силу тока в нити реостатом R₁ пока не исчезнет нить на фоне изображения тела. В этом случае яркость нити и исследуемого тела на спектральном участке, пропускаемом светофильтром 4, одинакова. Это означает равенство их спектральных плотностей энергетической светимости.

Предварительной градуировкой установлено, каким температурам соответствует сила тока нити пирометра в моменты совпадения яркостей нити и абсолютно черного тела. Поэтому мы получаем возможность судить, какой температуре абсолютно черного тела Т_ соответствует излучение наблюдаемого тела.

Если бы наблюдаемое тело было абсолютно черным, то найденная температура была бы его истинной температурой. Так как наблюдаемое тело (нить лампы накаливания) не является абсолютно черным, то Т_ представляет собой температуру такого абсолютно черного тела, которое имеет в наблюдаемом участке спектра  яркость, одинаковую с яркостью исследуемого тела, температура которого Т_ист., . Поэтому пирометр называется яркостным. Связь между яркостной истинной температурой выражается соотношением

,

где С₁  1,432  10^-2 м  К ; коэффициент В для вольфрама в области температур от 900 до 200⁰ С равен 0,45;

  6,5  10^-7 м - средняя длина волны спектрального участка, пропускаемого светофильтром пирометра;

ln 0,45  - 0,8.

Для расширения пределов измерения температур пирометр имеет ослабляющий нейтральный (то есть ослабляющий в одинаковой степени все длины волн) светофильтр.

Использование этого светофильтра позволяет при изменении температур от 1400 до 2000⁰ С ослабить излучение измеряемого тела и пользоваться более низкими температурами нити пирометра, что увеличивает его долговечность.

Измерение и обработка результатов

1. Включите установку и подайте на лампу напряжение 50 В (лампа начинает излучать свет).

2. Установите белую нулевую отметку на поворотном кольце реостата против такой же отметки на корпусе пирометра (стрелка прибора при этом должна стоять на нулевой отметке шкалы).

3. Поворотом кольца реостата по часовой стрелке измените накал нити фотометрической лампы так, чтобы цвет нити приблизительно совпадал с цветом нити лампы накаливания. Взявшись рукой за накатанный конец трубки окуляра, медленно перемещайте его вдоль оси до тех пор, пока нить фотометрической лампы не будет видна совершенно отчетливо.

4. Введите в поле зрения красный светофильтр, который пропускает узкую полосу спектра с   6,5  10^-7 м. Ослабляющий светофильтр должен быть введен. Поворотом кольца добейтесь, чтобы средний участок нити фотометрической лампы слился с фоном раскаленного тела. Произведите отсчет температуры в градусах Цельсия по шкале больших температур. Данные измерений занесите в таблицу 1.

5. После окончания измерений поворотом кольца установите стрелку пирометра на минимум.

6. Установите поочередно синий и зеленый светофильтры перед выходным излучением лампы накаливания. Измерьте значения фототоков и . Измерения проведите для пяти значений U. Данные измерений занесите в таблицу 1.

7. Рассчитайте истинную температуру Т_ист. нити накаливания по формуле

,

где С = 1,432  10^-2 мК;   6,5  10^-7 м - средняя длина волны спектрального участка, пропускаемого светофильтром пирометра; Т_ - измеренная яркостная температура, В - коэффициент (для вольфрама в области температур Т  900 - 2000 он равен 0,45, следовательно lnB  ln 0,45   0,8).

8. Найдите мощность, излучаемую с 1 м² поверхности нити лампы при измеренных температурах по формуле

,

где U - напряжение на лампе накаливания, I - соответствующее значение силы тока, площадь поверхности нити лампы S  0,88  10 ^-4 м².

9. По формуле Стефана-Больцмана

,

где   5,67  10^-3 Вт/(м²  К⁴) - постоянная Стефана-Больцмана, найдите значение R_e для полученных в опыте значений Т_ист. . Данные вычислений занесите в таблицу 1.

Таблица 1.

№	U, В	I, А	t,0С	Т	Тист.,К	Р, Вт/м2	Re , Вт/м2
1. 2 3 4 5 6	50 60 70 80 90 100

10. Постройте график зависимости .

11. На тех же координатных осях постройте график зависимости .

При выборе масштаба осей графика поступите следующим образом: если значения , рассматриваемые в работе, лежат в пределах (27 - 8,5)10 ^-4 , а значение R для этих температур находится в пределах (25 - 18)  10 ^-4 , то на оси абсцисс в качестве нуля возьмите 8 (минимальное значение), а за конечное значение - 27 (максимальное).

12. Для проверки закона Вина найдите отношение фототоков и постройте график зависимости

.

13. Сравните графики и данные, полученные в опыте, с теоретическими данными.

П р и м е ч а н и е :

По закону Вина максимум спектральной плотности энергетической светимости с повышением температуры смещается в сторону более коротких длин волн. В этом случае соотношение r_,T для нити лампы при переходе от красной части спектра к синей (или от зеленой к синей) будет возрастать с повышением температуры. Величина фототоков в цепи фотоэлемента пропорциональны r_,T, поэтому в данной работе

заменяется