Качественная проверка законов излучения абсолютно черного тела

Лабораторная работа №22

Порядок выполнения работы

1. Включить выключатель S₁ и установить с помощью потенциометра напряжение на вольтметре 0,5 В.

2. Перемещая зонд С в направлении от А к В, а затем в направлении, перпендикулярном указанному, найти точки равного потенциала.

3. Найденные точки занести в тетрадь на аналогично построенную координатную сетку и построить линию равного потенциала.

4. Аналогичную операцию (как в п. 4) проделать и при напряжении 1; 1,5; 2;... 6 В.

5. Пользуясь ортогональностью линий напряженности по отношению к эквипотенциальным линиям, представляющим собой сечения эквипотенциальных поверхностей, построить линии напряженности поля.

6. Аналогичную операцию проделать при наличии тела в поле.

Контрольные вопросы

1. Что называется потенциалом? Биопотенциалом? Единицы измерения этих величин. 2. Что называется напряжением? Единицы его измерения. 3. Как доказать ортогональность эквипотенциальных поверхностей и силовых линий? 4. Какие поверхности называются эквипотенциальными? 5. Чему равна работа при перемещении заряда вдоль эквипотенциальной поверхности? 6. Чем отличается потенциал покоя от потенциала действия? 7. Для каких целей используется потенциал в медицине?

Приборы и принадлежности: электрическаялампа 12В, источник постоянного тока, вольтметр, амперметр, универсальный монохроматор УМ-2, фотоэлектронное сопротивление (ФЭС), микроамперметр.

Цель работы: изучение основных законов излучения абсолютно черного тела, качественная проверка закона смещения Вина.

Излучение электромагнитных волн может происходить в результате различных внутриатомных процессов: фотолюминесценции, хемилюминесценции, прохождения тока в газах и т.д. Все перечисленные типы излучения существенно отличаются от теплового излучения. Тепловым излучением называется излучение электромагнитных волн телами, температура которых выше температуры окружающей среды.

При исследовании теплового излучения необходимо установить спектральный состав электромагнитных волн, излучаемых нагретым телом, т.е. зависимость энергии излучения от длины волны и температуры.

Для характеристики теплового излучения используются следующие параметры: лучеиспускательная способность , поглощательная способность тела , интегральная светимость .

Лучеиспускательная способность - это лучистая энергия, испускаемая единицей поверхности тела за единицу времени при данной длине волны. Индексы при r означают, что рассматривается излучение на данной длине волны l при температуре Т. Размерность лучеиспускательной способности [] =Вт/м². Зависимость лучеиспускательной способности от длины волны l и температуры Т показана на рис.1.

Нагретое тело может излучать электромагнитные волны различной длины. Энергию, излучаемую с единицы поверхности в единицу времени в интервале длин волн от l до l+ dl, можно выразить следующим образом:

.

При суммировании по всем возможным длинам волн, испускаемым нагретым телом, получается величина мощности излучения, называемая интегральной светимостью:

.

Размерность [R_T]=Вт/м².

При анализе процессов излучения необходимо учитывать и поглощение лучистой энергии, которое всегда происходит независимо от излучения энергии данным телом.

Поглощательная способность тела характеризуется величиной численно равной отношению плотности мощности, поглощенной телом лучистой энергии , с длиной волны к плотности мощности, падающей на поверхность тела лучистой энергии , с той же длиной волны, т.е.

.

Величина всегда меньше единицы, так как поглощаемая телом энергия не может быть больше падающей на это тело энергии.

Поглощательная способность, как и лучеиспускательная способность, является сложной функцией длины волны и температуры.

Тело, полностью поглощающее все падающее на него излучение, называется абсолютно черным телом. Для абсолютно черного тела =1. При освещении такого тела посторонним источником света оно ничего не будет отражать и представится нам черным. Для сажи =0,99, что и обуславливает ее черный цвет.

В природе не существует абсолютно черных тел, но существует модель абсолютно черного тела, которая была предложена В.А. Михельсоном. Такой моделью является маленькое отверстие в стенке полости, сделанной из любого материала (рис.2). Луч, падающий извне на отверстие, попадает внутрь полости и, прежде чем выйти обратно наружу, испытывает многократное отражение от стенок. Так как при каждом отражении луча всегда будет происходить частичное поглощение его энергии, то интенсивность выходящего луча будет практически равной нулю.

На основании вышеизложенного можно сказать, что отверстие будет практически полностью поглощать все падающее на него лучи и является абсолютно черным телом.

Тело, поглощательная способность которого меньше единицы, но одинакова для всех длин волн (=const<1), называется серым. На основании закона, установленного Кирхгофом, отношение лучеиспускательной способности для любых тел при одинаковой их температуре Т и для одной и той же длины волны к лучепоглощательной способности тела при тех же параметрах одинаково и не зависит от природы этих тел.

Это отношение является универсальной функцией длины волны и температуры и равно лучеиспускательной способности абсолютно черного тела , т.е.

Для абсолютно черного тела распределение излучательной способности по длинам волн имеет вид кривой, показанной на рис.1. Кривые для более высоких температур при всех длинах волн лежат выше кривых для более низких температур, т.е. излучательная способность черного тела при всех длинах волн тем больше, чем больше температура тела. Площадь, ограниченная кривой излучения и осью длин волн, численно равна интегральной светимости черного тела:, которая увеличивается с ростом температуры. Определение осуществляется согласно формуле Планка:

,

где k, h - постоянные Больцмана, Планка, с - скорость света.

Стефан на основании приближенных экспериментальных данных, а Больцман из термодинамических соображений получили первый закон излучения абсолютно черного тела, согласно котором суммарная лучистая энергия, испускаемая единицей поверхности тела в единицу времени (интегральная светимость), пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры:

, (1)

где σ – постоянная Стефана-Больцмана.

Закон Стефана-Больцмана (1) справедлив лишь для излучения абсолютно черного тела. Для серых тел, к которым можно отнести кожу человека, одежду и т.д., указанный закон примет вид: ,где - приведенный коэффициент излучения.

Попытка теоретически установить связь между положением максимума кривой излучения и температурой была сделана Михельсоном. Вин теоретически обосновал второй закон излучения абсолютно черного тела и показал, что произведение температуры тела на длину волны, соответствующую максимуму функции излучения, есть величина постоянная при всех температурах, т.е.

, (где b₁=const) (2)

Из формулы (2) следует, и как это видно из рис.1, что при увеличении температуры максимум функции излучения сдвигается в сторону коротких волн. Для серых тел этот закон может быть применен лишь с большим приближением.

Максимальная излучательная способность тела тем выше, чем выше температура тела (рис.1). Максимальная излучательная способность абсолютно черного тела возрастает пропорционально пятой степени абсолютной температуры:

, (где b₂=const) (3)

Это утверждение носит название третьего закона излучения. На основании квантовых представлений о природе теплового излучения энергии с использованием формулы Планка можно получить строгий вывод выражений (1), (2), (3).

Теплообмен животных и человека с окружающей средой определяется взаимоотношениями между образованием тепла в организме в результате его жизнедеятельности и отдачей или получением тепла из внешней среды. Одним из основных механизмов приспособления организма к изменениям температуры является изменение его теплопродукции в результате изменения обмена веществ, т.е. химической терморегуляции, основу которой составляет теплопродукция, обусловленная поступающими в организм и включаемыми в тканевый метаболизм пищевыми веществами, их количеством и качеством. Способность биообъекта отдавать в окружающую среду излишнее количество тепла в большей части определяются процессами физической терморегуляции, что следует из уравнения теплового баланса:

,

где М - образование тепла в организме, R - отдача тепла организмом путем радиации, С - отдача тепла организмом путем конвекции и теплопроводности, Е - отдача тепла путем испарения пота, Q - характеристика запаса тепла в организме. Знаки «+» и «-» перед R и С свидетельствуют о том, что организм путем конвекции и радиации может не только отдавать, но и получать тепло из внешней среды. Знаки перед Q показывают - нагревается или охлаждается организм. Анализ показывает, что через кожу в результате действия физических факторов отводится порядка 80% отводимого от организма тепла, при этом излучение играет немаловажную роль. Регистрация излучения разных участков поверхности тела человека и определение их температуры является диагностическим методом. Такой метод называется термографией, а прибор, с помощью которого осуществляется термографирование называется тепловизором.

Дата добавления: 2014-01-04