Лабораторный практикум по физике оптика

адиабатически сжимаются и существенно повышают свою температуру (до 104 С ). Часть этой тепловой энергии передается

ближайшим слоям воды, что в свою очередь способствует испарению. Таким образом, ультразвуковой испаритель преобразует энергию волны в тепловую энергию паров, причем интенсивное распыление протекает при достаточно низкой средней температуре воды.

Z

Распыляемые частицы из ячейки 2 вылетают в вертикальном направлении и распределяются в стеклянной трубке 1. Концентрация частиц воды на различных высотах измеряется по

130

степени ослабления света, проходящего через цилиндр 1 в поперечном направлении.

Для этого служит оптоэлектронная пара, состоящая из излучателя света – лампы 5 и приемника - фотодиода 6. Фотодиод подключен к измерительному прибору – мультиметру 7, который используется как вольтметр и позволяет измерять ослабление света лампы на различных высотах при прохождении пучка света через стеклянную трубку, заполненную частицами, концентрация которых определяет прозрачность столба 1.

Положение оптоэлектронной пары определяется по измерительной линейке 8.

Рис. 2.

131

Внешний вид экспериментальной установки изображен на рис. 2. На передней панели расположены:

1 – мультиметр;

2 – тумблер включения осветителя – «лампа»;

3 – тумблер включения установки – «сеть» с индикацией;

4 – тумблер включения генератора – «сеть» с индикацией; 5 – ручка «выход» - регулировка количества частиц в потоке; 6 – линейка для отсчета положения измерительного блока;

7 – ячейка для исследуемой жидкости со стеклянной трубкой.

Порядок выполнения работы

1.Проверить наличие воды в ячейке генератора. Ячейка должна быть наполнена примерно наполовину, т.к. при малом уровне воды уменьшается продолжительность работы установки, при большом уровне – уменьшается эффективность «испарения».

2.Включить электронный блок кнопкой «сеть», но не включать генератор частиц (малый блок).

3.Включить осветитель.

4.Включить мультиметр на режим измерения 2000 мВ.

5.С целью исключения ошибок, рекомендуется до начала исследования проверить показания мультиметра вдоль всего цилиндра (Uon) и убедиться в отсутствии больших отклонений (> 2mV ) показаний, которые могут обуславливаться локальными загрязнениями стекла, остатками водяных паров и росы, неучтенными тепловыми и световыми источниками и так далее. Если промеры «прозрачности» установки неудовлетворительны, то для продолжения работы необходимы сушка, разборка, протирка установки, что делается под непосредственным

руководством лаборанта. Значение Uon необходимо записать, т.к. оно потребуется при расчетах.

6.Включить ультразвуковой генератор. Вращая ручку «выход», убедиться в появлении тумана.

7.Перемещая оптоэлектронную измерительную систему, убедиться в изменениях показаний мультиметра.

132

Перед проведением измерений необходимо отрегулировать интенсивность работы «испарителя». При чрезмерно интенсивном испарении плотность паров увеличивается, при недостаточной интенсивности – плотность падает. При стационарном состоянии показания вольтметра не зависят от времени. Если туман «клубится», то измерения проводить не следует. Стабильный «столб» как правило, бледный, едва наблюдаемый. В качестве иллюстрации на рис. 3 представлены две кривые, одна из которых близка к прямой (кривая 1) и получена для стабильного состояния; другая (кривая 2) – описывает нестационарное состояние.

После стабилизации процесса целесообразно «не мешкая» промерить столб три раза и занести данные в таблицу (в первые три строки). Результаты расчетов записать в оставшиеся две строки.

Рис. 3.

133

Таблица:

Обращаем внимание на то, что для расчетов целесообразно наличие инженерного калькулятора, способного вычислять логарифмы. В противном случае, даже с использованием подробных таблиц логарифмов, процесс обработки результатов будет более трудоемким и длительным.

По результатам измерений и расчетов построить график зависимости величины S от высоты z . Наличие прямой

зависимости в специальных координатах S(z) подтверждает

правомерность закона Больцмана.

С учетом погрешности отдельных измерений массу частиц целесообразно оценивать по усредненному наклону построенной кривой:

а радиус частиц согласно (9).

Контрольные вопросы

1.Опишите явление ультразвуковой кавитации.

2.Как получить равновесное распределение взвешенных частиц по высоте?

3.По какому закону связаны концентрация и высота для малых частиц в поле тяготения земли?

4.В чем состоит закон Ламберта-Бугера?

135

5.Какие процессы может описывать уравнение Фоккера-Планка?

6.Физический смысл коэффициента диффузии.

7.От каких факторов зависит средняя масса взвешенных частиц?

8.Получите выражение для среднего радиуса малых частиц.

9.Как должен выглядеть график зависимости η (z) при нестационарном распределении частиц?

10.Какие требования техники безопасности необходимо учитывать в данной лабораторной работе?

136

Лабораторная работа № 23

ЗАКОНЫ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ВОЛЬФРАМА

Цель работы

Изучение законов теплового излучения.

Основы теории

Электромагнитное излучение всех длин волн связано с колебаниями электрических зарядов, входящих в состав вещества и сопровождается потерей энергии. Для того, чтобы обеспечить возможность длительного излучения энергии, необходимо какимлибо способом пополнять ее убыль. Эти способы могут быть весьма разнообразны, поэтому и характер свечения тел может быть различен.

Одной из наиболее простых и практически важных является ситуация, когда тело заставляют светиться, просто сообщая ему необходимую энергию нагреванием. Этот вид свечения наиболее распространен и называется тепловым излучением. Тепловое излучение можно выделить среди всех прочих видов излучения (хемолюминисценция, фотолюминисценция, электролюминисценция и т.д.), поскольку только тепловое излучение может быть равновесным, то есть может находиться в состоянии теплового равновесия с веществом.

Для равновесного теплового излучения установлен ряд законов теплового излучения, из которых важнейшими являются закон Кирхгофа и закон излучения Планка. Чтобы сформулировать эти законы, следует предварительно ввести некоторые важные понятия.

Лучепоглощательной способностью тела aλ ,T называется отношение мощности поглощенного телом излучения Nпогл к мощности падающего на поверхность тела излучения Nпад :

137

Разумеется, это отношение зависит от материала тела1 и от его температуры, а также от длины волны излучения. Поэтому в обозначении лучепоглощательной способности имеются индексы

λ ,T (правильнее было бы писать их в качестве аргументов

функции; в виде индексов их пишут по исторически сложившейся традиции). Лучепоглощательная способность любого тела находится в интервале от нуля (когда тело отражает всё падающее на него излучение данной длины волны) до единицы (когда тело поглощает все падающее на него излучение данной длины волны).

По лучепоглощательной способности выделяют два предельных (идеализированных) случая - абсолютно черное и абсолютно белое тело. Абсолютно черным называют тело, лучепоглощательная способность которого при любой длине волны равна единице, а абсолютно белым - тело, лучепоглощательная способность которого при любой длине волны равна нулю. Происхождение этих названий в бытовом смысле очевидно - черное тело потому и черно, что почти весь падающий на него свет поглощается, а белое тело бело потому, что при освещении белым светом (содержащим в определенной пропорции излучение со всеми длинами волн) оно отражает почти все падающее на него излучение и отраженное излучение содержит в той же пропорции излучение со всеми длинами волн.

Разумеется, абсолютно черных или абсолютно белых тел в природе не существует. В оптическом диапазоне неплохим приближением к абсолютно черному телу является сажа ( aλ ,T ≈ 0,9) или платиновая чернь (aλ ,T ≈ 0,93− 0,97). В

экспериментах в качестве модели абсолютно черного тела обычно используют излучение из небольшого отверстия в замкнутой полости. Для того, чтобы понять, почему это пустое отверстие так черно, достаточно заметить, что падающее на него излучение выходит наружу только после достаточного количества переотражений от стенок полости, в процессе которых оно

1 Все знают, что темные поверхности поглощают излучение (и при этом нагреваются) сильнее светлых. Особенно это заметно весной, когда пятна грязи на снегу протаивают. Часто в городе (где много копоти) уже практически нет снега, а поля за городом (на которые копоти садится существенно меньше, чем на «городской» снег) еще почти полностью под снегом.

138

существенно ослабляется даже в том случае, когда коэффициент поглощения при одном отражении невелик2. Вероятно, все видели «непроглядную черноту» входа в неосвещенный подъезд. Этот вход - неплохая модель абсолютно черного тела, как, кстати, и открытое окно в комнате - это ведь тоже относительно небольшое отверстие в замкнутой полости комнаты.

Теперь пора вспомнить, что тело (в том числе и абсолютно черное) может не только отражать падающее на него излучение, но и испускать свое собственное. Эта способность тела и называется его лучеиспускательной способностью. Итак, лучеиспускательной способностью тела называется количество лучистой энергии, испускаемое (во всех направлениях) в единицу времени с единицы площади поверхности тела в единичном спектральном интервале, то есть

Подчеркнем, что лучеиспускательная способность (в отличие от лучепоглощательной) является размерной величиной и измеряется в Вт/м3. Формулу (2) можно переписать в виде dN = eλ ,T dSdλ . Теперь видно, что эта формула просто

показывает, что мощность излучения dN в диапазоне длин волн от λ до λ + dλ с площадки площадью dS пропорциональна ширине диапазона длин волн dλ и площади площадки dS , а

коэффициент пропорциональности eλ ,T называется

лучеиспускательной способностью тела. Разумеется, лучеиспускательная способность тела зависит от его материала, от длины волны (на разных длинах волн тело излучает поразному) и от температуры тела (ясно, что горячее тело излучает сильнее холодного). Это обстоятельство и отражают нижние

индексы λ ,T (которые на самом деле логичнее было бы считать

просто аргументами функции, как и у лучепоглощательной способности).

2 По той же причине внутренние покрытия в концертных залах имеют волнистую или ребристую поверхность, а часто вообще выглядят «дырчато» - при этом стена по отношению к отражению звуковых волн слегка «чернеет», чего и добиваются строители, озабоченные акустическими свойствами помещения.

139