ВНИМАНИЕ! Включать эталонную лампочку только в крайнем левом положении реостата!

 

5. Ввести красный светофильтр и, изменяя ток накала эталонной лампы, добиться, чтобы нить «исчезла» на фоне исследуемой спирали. По верхней шкале пирометра определить яркостную температуру Т_я. Измерение температуры повторить не менее трех раз, изменяя накал нити лампы пирометра и вновь отыскивая условие ее исчезновения. Из трех значений температуры взять среднее и записать в табл. 1.2.

6. Аналогичные измерения провести для четырех-пяти различных температур. Выключить ток накала исследуемой спирали и эталонной лампочки.

7. Для каждой температуры, используя зависимость поглоща-тельной способности вольфрама от температуры (см. рис.1.6) и метод аппроксимации, определить значение натурального логарифма lnA_l,T. По формуле (1.15) рассчитать истинные температуры Т. Результаты занести в табл.1.2.

8. По формуле (1.16) вычислить мощность, подводимую к исследуемой лампе. Построить график зависимости Р от (T ⁴ – T_к⁴), определить тангенс угла наклона полученного графика к оси абсцисс. Используя уравнение (1.18) вычислить постоянную Стефана-Больцмана, которая будет равна:

s = tga/S (1.19)

 

9. Сравнить полученные в опыте и теоретически рассчитанные для постоянной Стефана-Больцмана значения. По формуле оценить отклонение s от его табличного значения s_T.

1.3. Лабораторная работа 3.02. Изучение теплового излучения

 

Цель работы: изучение закона Стефана-Больцмана для реального тела.

Принадлежности: установка для изучение закона Стефана-Больцмана для реального тела, комнатный термометр.

 

1.3.1. Описание установки и методики измерений

Электрическая схема установки представлена на рис.1.8. Источник переменного тока (ИПТ) 1 с помощью ключа 2 подключается к лампе накаливания 3 и эталонному сопротивлению R_o – 4. Изменяя сопротивление реостата R – 5, можно менять ток в цепи накала лампы, а, следовательно, и температуру лампы. При каждом положении движка реостата вольтметром измеряется падение напряжения на эталонном сопротивлении (U_o) и исследуемой лампе (U_л). Величина тока в цепи лампы определяется по закону Ома I_o=U_o/R_o, сопротивление вольфрамовой нити R_T = U_л/I_л , а мощность излучения лампы согласно закону Джоуля - Ленца Р_л = I_л×U_л.

Энергетическая светимость реальных тел определяется формулой:

R_э^* = sTⁿ, (1.20)

где s – постоянная Стефана-Больцмана, T – абсолютная термодинамическая температура тела, А_* < 1 – степень черноты, равная коэффициенту монохроматического поглощения, n – показатель степени, который у реальных тел зависит от многих факторов: химического состава, состояния поверхности и т. д. и отличается от (1.23).

В данной работе в качестве излучающего тела используется вольфрамовая нить накала электрической лампы. Нить находится в вакууме, поэтому вся подводимая энергия излучается в окружающее пространство. Температуру нити можно определить из закона изменения электросопротивления:

R_Т = R_K [1+a(T - T_K)], (1.21)

где R_T – электросопротивление лампы в нагретом состоянии (при температуре Т), R_K – электросопротивление лампы при комнатной температуре T_K, a – температурный коэффициент электросопротивления. Из (1.21) температура нити равна:

T = T_K + (R_T - R_K) / aR_К . (1.22)

Энергетическая светимость нити по определению будет равна мощности (излучаемой энергии с единицы площади поверхности):

R_э^* = P_л/S, (1.23)

где P_л– мощность, подводимая к лампе, S – площадь боковой поверхности нити.

Из (1.20) и (1.23) получается соотношение P_л/S= А^*sTⁿ, прологарифмировав, которое получим уравнение, выражающее зависимость мощности лампы от температуры нити накала:

lnP_л = ln(А^*sS) + nlnT = lnP_o + nlnT. (1.24)

График зависимости lnP_л от lnT будет представлять прямую линию (рис.1.9), тангенс угла наклона к оси абсцисс которой определяет значение показателя степени n и равен:

n = tga = D(lnP_л)/D(lnT). (1.25)

Если lnT = 0, то прямая пересекает ось ординат в точке lnP_o, где P_o=А^*sS, откуда легко найти поглощательную способность или степень черноты вольфрамовой спирали:

А^* = P_o/sS. (1.26)

 

1.3.2. Порядок выполнения работы

1. Определить по термометру комнатную температуру Т_к. При этой температуре измерить сопротивление нити накала.