Лабораторный практикум по физике оптика

Мы можем даже изучить зависимость лучеиспускательной способности от температуры нити, несмотря на то, что эта температура нам неизвестна. Для этого следует заметить, что эта температура, очевидно, возрастает с ростом мощности, выделяющейся на нити накала, а мощность растет с ростом поданного напряжения. Поэтому график зависимости лучеиспускательной способности от поданного напряжения можно рассматривать как неравномерно растянутый вдоль оси напряжений график зависимости лучеиспускательной способности от температуры нити накала (в относительных единицах). Нетрудно сообразить, что такая деформация может сильно исказить график, но кое-что она испортить не в состоянии - как ни растягивай график, монотонный рост останется монотонным ростом, монотонное убывание – монотонным убыванием, максимум – максимумом, а минимум – минимумом. Кроме того, если одна кривая идет выше другой, то она будет делать это и после растягивания.

Экспериментальная часть

Порядок выполнения работы

Описание установки

Экспериментальная установка изображена на рис. 6. На передней панели расположены:

Рис. 6.

160

1 – мультиметр;

2 – переключатель «накал» - регулировка режимов накала вольфрамовой лампы (позиция «0» - лампа выключена);

3 – тумблер включения лампы – «лампа» с индикацией;

4 - тумблер включения установки «сеть» с индикацией;

5 – в прорезь выведена регулируемая диафрагма со светофильтрами:

поз. 1 – интерференционный с/ф с длиной волны около 600 нм; поз. 2 – интерференционный с/ф с длиной волны около 1000 нм; поз. 3 – интерференционный с/ф с длиной волны около 1300 нм; поз. 4 – интерференционный с/ф с длиной волны около 1600 нм; поз. 5 – интерференционный с/ф с длиной волны около 2000 нм; поз. 6 – нейтральный светофильтр.

161

Упражнение 1. Проверка закона Стефана-Больцмана

Цель упражнения 1 - проверить закон Стефана-Больцмана. Правда, единственное, что можно проверить для не абсолютно черного тела при неизвестной температуре тела – это тот факт, что с ростом температуры тела растет и его интегральная лучеиспускательная способность. Этот факт мы и проверим.

Порядок выполнения упражнения:

Установите диск светофильтров в положение «6». При этом напротив лампочки устанавливается нейтральный светофильтр и мы измеряем (разумеется, в у.е.) интегральную лучеиспускательную способность вольфрама.

Изменяя значения подаваемого на лампочку напряжения, снимите показания мультиметра при разных значениях напряжения и занесите результаты в таблицу 2.

Таблица 2. Проверка закона Стефана-Больцмана.

Постройте график зависимости интегральной лучеиспускательной способности (в у.е.) от подаваемого на лампу напряжения.

Как зависит интегральная лучеиспускательная способность вольфрама от его температуры? (а – при нагревании интегральная лучеиспускательная способность растет; б – при нагревании интегральная лучеиспускательная способность падает; в – при нагревании интегральная лучеиспускательная способность сначала возрастает, а затем, достигнув некоторого максимального значения, начинает уменьшаться).

162

Упражнение 2. Проверка закона излучения Планка и следствий из него

Цель упражнения 2 - проверить закон излучения Планка. Правда, единственное, что можно проверить для не абсолютно черного тела при неизвестной температуре тела – это следующие качественные факты:

- зависимость лучеиспускательной способности вольфрама от длины волны имеет характерный «горбообразный» вид, то есть имеется некоторая длина волны, при которой лучеиспускательная способность максимальна; - эта длина волны уменьшается с ростом температуры тела (закон смещения Вина);

- с ростом температуры вольфрама его интегральная лучеиспускательная способность возрастает;

- при любой длине волны с ростом температуры лучеиспускательная способность вольфрама возрастает;

Порядок выполнения упражнения:

Установите значение подаваемого на лампочку напряжения Uлампы=0 В. Снимите показания мультиметра при использовании светофильтров 1-5 и занесите результаты в таблицу 3.

Установите значение подаваемого на лампочку напряжения Uлампы=2 В. Снимите показания мультиметра при использовании светофильтров 1-5 и занесите результаты в таблицу 3.

Установите значение подаваемого на лампочку напряжения Uлампы=4 В. Снимите показания мультиметра при использовании светофильтров 1-5 и занесите результаты в таблицу 3.

Установите значение подаваемого на лампочку напряжения Uлампы=6 В. Снимите показания мультиметра при использовании светофильтров 1-5 и занесите результаты в таблицу 3.

Установите значение подаваемого на лампочку напряжения Uлампы=8 В. Снимите показания мультиметра при использовании светофильтров 1-5 и занесите результаты в таблицу 3.

Установите значение подаваемого на лампочку напряжения Uлампы=10 В. Снимите показания мультиметра при

163

использовании светофильтров 1-5 и занесите результаты в таблицу 3.

164

Таблица 3. Проверка закона излучения Планка. Данные мультиметра.

Непосредственно показания мультиметра не совпадают с лучеиспускательной способностью (даже в у.е., см. формулу (12)). Поэтому далее следует заполнить таблицу 4, в которой вместо непосредственно показаний мультиметра приведены

(значения параметра (τ λ ) для каждого фильтра следует

взять из таблицы 1).

Таблица 4. Проверка закона излучения Планка. Лучеиспускательные способности.

165

На одном графике постройте графики зависимости лучеиспускательной способности вольфрама (в у.е.) от длины волны излучения (в нм).

Как зависит лучеиспускательная способность вольфрама длины волны излучения? (а – с ростом длины волны лучеиспускательная способность растет; б – с ростом длины волны лучеиспускательная способность падает; в – с ростом длины волны лучеиспускательная способность сначала возрастает, а затем, достигнув некоторого максимального значения, начинает уменьшаться).

Как зависит лучеиспускательная способность вольфрама при фиксированной длине волны от его температуры? (а – при нагревании лучеиспускательная способность растет; б – при нагревании лучеиспускательная способность падает; в – при нагревании лучеиспускательная способность сначала возрастает, а затем, достигнув некоторого максимального значения, начинает уменьшаться).

Для каждого значения напряжения питания лампочки найдите среднее значение длины волны теплового излучения вольфрама по формуле

5

λ ср = iå=15λ ieλ i,T . (13)

iå=1eλ i,T

Результаты занесите в таблицу 5:

Таблица 5. Проверка закона смещения Вина.

Постройте график зависимости среднего значения длины волны теплового излучения (в нм) от подаваемого на лампу

166

напряжения (в В).

Как зависит среднее значение длины волны теплового излучения вольфрама от его температуры? (а – при нагревании среднее значение длины волны теплового излучения вольфрама растет; б – при нагревании среднее значение длины волны теплового излучения вольфрама уменьшается; в – при нагревании среднее значение длины волны теплового излучения вольфрама сначала возрастает, а затем, достигнув некоторого максимального значения, начинает уменьшаться).

Приложение

Значения интегральной степени черноты некоторых веществ при некоторых температурах

Контрольные вопросы:

1.Что такое тепловое излучение? Приведите примеры.

2.Что такое абсолютно черное тело? Встречаются ли абсолютно черные тела в природе?

3.Что такое абсолютно белое тело? Встречаются ли такие тела в природе?

4.Что такое лучеиспускательная способность? В каких единицах она измеряется? По какой формуле можно определить лучеиспускательную способность абсолютно черного тела, если известна его температура?

5.Что такое интегральная лучеиспускательная способность?

167

По какой формуле можно ее рассчитать для абсолютно черного тела, если известна его температура?

6.Что такое лучепоглощательная способность тела? В каких единицах она измеряется? В каких пределах она может изменяться?

7.Что такое интегральная степень черноты тела? В каких единицах она измеряется? В каких пределах она может изменяться?

8.Во сколько раз возрастает интегральная лучеиспускательная способность абсолютно черного тела при удвоении его абсолютной температуры?

9.Во сколько раз возрастает интегральная лучеиспускательная способность реального тела при удвоении его абсолютной температуры?

10.Что такое радиационная температура тела? Она больше или меньше его истинной температуры?

11.Сформулируйте закон смещения Вина. Мы проверяем его или не совсем его?

12.Как зависит средняя длина волны теплового излучения тела от его температуры?

13.Каковы возможные опасности при выполнении данной лабораторной работы? Как их избежать?

168