WWW.DIS.KONFLIB.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 
<< HOME
Научная библиотека
CONTACTS

Pages:     || 2 | 3 |

«1 Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана И.Н. ФЕТИСОВ ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПО ТЕПЛОВОМУ ИЗЛУЧЕНИЮ ТЕЛА Методические указания к лабораторной работе ...»

-- [ Страница 1 ] --

1

Московский государственный технический университет

имени Н.Э. Баумана

И.Н. ФЕТИСОВ

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

ПО ТЕПЛОВОМУ ИЗЛУЧЕНИЮ ТЕЛА

Методические указания к лабораторной работе К-61

по курсу общей физики Москва, 2010

ВВЕДЕНИЕ

Тепловое излучение представляет собой электромагнитные волны, испускаемые при температуре выше абсолютного нуля всеми телами за счет их внутренней энергии [1-4].

Для твердых и жидких тел излучение имеет непрерывный спектр в широкой области длин волн. С повышением температуры энергия излучения сильно возрастает, а максимум спектра смещается в область более коротких волн.

Тело не только испускает собственное тепловое излучение, но и отражает падающее на него излучение других тел. Например, глядя на освещенное солнцем тело при комнатной температуре, мы видим отраженный солнечный свет. Однако при этом тело испускает также тепловое излучение в невидимом инфракрасном диапазоне. Если тело нагреть до высокой температуры, то оно будет испускать не только инфракрасное, но и видимое излучение.

Кроме теплового излучения, существует люминесценция - свечение вещества, вызванное внешними источниками энергии - ультрафиолетовым излучением (люминесцентные лампы), потоком быстрых заряженных частиц (экран электронно-лучевой трубки) и др. Люминесценция не связана с нагревом вещества. Люминофоры испускают видимый свет при низкой температуре.

Видимый свет имеет длины волн = 0,4, …, 0,76 мкм; волны длиннее 0,76 мкм (до 1000 мкм) называются инфракрасными (ИК), а короче 0,4 мкм (до 0,01 мкм) - ультрафиолетовыми (УФ). Все эти волны вместе взятые образуют оптический диапазон.

Методы измерения температуры подразделяют на контактные, когда термометр находится с объектом в тепловом равновесии, т.е. имеет с ним одинаковую температуру, и бесконтактные (оптические).

Бесконтактные термометры основаны на измерении параметров теплового излучения, зависящих от температуры – интенсивности излучения или спектра. При этом тела могут находиться как вблизи, так и на большом расстоянии от прибора.

Оптические термометры используются для измерения температуры в печах, расплавленных металлов, а также в астрофизике. В настоящее время эти методы распространяются на случаи невысоких температур, например, измерения температуры земной поверхности со спутников.

Оптические методы измерения температуры требуют хорошего знания законов теплового излучения.

Цель работы – ознакомиться с законами теплового излучения и с оптическим термометром; в экспериментальной части - измерить температуру тел двумя методами, контактным и бесконтактным, и сравнить результаты измерений.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Характеристики излучения Энергетические характеристики излучения подразделяют на интегральные (суммарно на всех длинах волн) и спектральные.

К интегральным характеристикам относятся:

* энергия излучения W, Дж;

dW * поток излучения (мощность) =, Вт;

dt dW, Вт/м2, где dW – энергия * энергетическая светимость (излучательность) R = dSdt излучения за время dt с поверхности тела площади dS.

Спектральные характеристики служат для описания распределения энергии излучения по длинам волн или частотам.

В пространстве, заполненном излучением, * спектральной объемной плотностью энергии называется величина dW, Дж/м4, u,T = dVd где dW – энергия излучения в объеме dV в интервале длин волн от до +d.

* Спектральная плотность энергетической светимости (испускательная способность) тела равна d r,T =, dSd где dФ – поток излучения с площади dS в интервале длин волн от до + d.

Испускательная способность есть мощность излучения с единицы площади в единичном интервале длин волн; единица измерения - Вт/м3.

Для иллюстрации испускательной способности рассмотрим численный пример. Пусть при некоторых условиях r, T = 109 Вт/м3. Тогда тело площадью dS = 10-4 м2 в узком интервале длин волн (при d = 0,1 мкм = 10-7 м) испускает поток излучения dФ = r, T dS d= 10-2 Вт.

Энергетическая светимость и спектральная плотность энергетической светимости связаны соотношением R = r,T d.

Поток излучения с площади S в интервале длин волн от 1 до 2 равен интегралу с пределами от от 1 до 2:

= S r,T d.

Тепловое излучение тела зависит от его способности поглощать излучение. Пусть на непрозрачное тело c температурой T падает поток Ф монохроматического излучения с длиной волны, из которого телом поглощается поток Фпогл, а поток Фотр - отражается: Ф = Фпогл + Фотр.

Спектральным коэффициентом поглощения (поглощательной способностью) называется отношение поглощенного потока к падающему потоку погл a,T =.

Коэффициент поглощения a, T – безразмерная величина в пределах от 0 (идеальное зеркало) до 1. Она различна для разных веществ, зависит от длины волны и температуры тела, а также в сильной степени - от состояния поверхности тела (окислы, шероховатость, ржавчина, грязь и т.д.).

В теории теплового излучения важную роль играет понятие абсолютно черного тела, для которого для любых длин волн и температур.

а - модель абсолютно черного поглощающего тела; б – полость, заполненная равновесным тепловым излучением; в – отверстие в полости в качестве источника равновесного излучения АЧТ.



Для краткости, абсолютно черное тело будем называть также АЧТ или черным телом.

Хорошим приближением к АЧТ является модель, представляющая собой замкнутую непрозрачную и достаточно большую полость с небольшим отверстием в стенке (рис. 1, а).

Если излучение падает на отверстие снаружи, оно практически полностью поглощается внутри полости в результате многократных отражений, в каждом из которых часть энергии света поглощается. Само отверстие снаружи является черным телом.

Рассмотрим тепловое излучение в полости, равномерно нагретой до температуры T (рис.1, б). Внутренние стенки полости излучают и поглощают электромагнитные волны, которые заполняют полость с некоторой объемной плотностью энергии u*, T. Величина u*, T зависит от длины волны и температуры, но не зависит от материала полости. В стационарном состоянии излучение в полости называют равновесным тепловым излучением при температуре T. Вследствие независимости характеристик равновесного теплового излучения от вещества, оно играет фундаментальную роль в физике.

Если в полости сделать небольшое отверстие, как показано на рис. 1, в, то через отверстие будет выходить излучение, называемое равновесным тепловым излучением абсолютно черного тела.

Испускательная способность АЧТ (отверстия) r *,T связана с объемной плотностью энергии в полости u*, T соотношением где c - скорость света.

Закон Кирхгофа. Рассмотрим произвольные тела с одинаковой температурой T. На одинаковой длине волны обозначим их испускательную и поглощательную способность r, T и a, T.

Кирхгоф теоретически установил, что их отношение одинаково для всех тел и равно испускательной способности АЧТ (все величины для АЧТ отмечены знаком *) Следовательно, реальные тела, коэффициент поглощения которых меньше единицы, излучают меньше, чем АЧТ при той же температуре и на одинаковой длине волны:

Из закона Кирхгофа следует, что чем больше тело поглощает на некоторой длине волны, тем больше оно испускает собственного излучения на данной длине волны.

Закон излучения Планка. Макс Планк теоретически нашел (1900 г.) формулу, описывающую зависимость r *, T от длины волны и температуры абсолютно черного тела. Ее называют законом излучения Планка.

Спектральная плотность энергетической светимости АЧТ является следующей универсальной (не зависящей от вещества) функцией длины волны и температуры:

где h - постоянная Планка; c - скорость света в вакууме; k - постоянная Больцмана. Это осr*, Т новной закон теплового излучения АЧТ.

При постоянной температуре T зависимость (3) описывает спектр теплового излучения АЧТ, т.е. распределение энергии излучения по длинам волн (рис. 2). Излучение имеет сплошной протяженный спектр с максимумом на некоторой длине волны m. Полезно запомнить, что примерно 90% энергии излучается в интервале от 0,5m до 3m.

Квантовая природа света. Создавая теорию теплового излучения АЧТ, Планк выдвинул квантовую гипотезу, согласно которой атомные осцилляторы испускают электромагнитные волны не непрерывно, как следовало из теории Максвелла, а порциями, квантами, энергия которых пропорциональна частоте излучения:

Постоянная Планка, как следует из опытов, равна h = 6,63.10 –34 Джс.

Только с помощью квантовой гипотезы удалось объяснить спектр (3) теплового излучения АЧТ.

В дальнейшем квантовая гипотеза получила подтверждение и развитие в работах Эйнштейна по объяснению внешнего фотоэффекта и Комптона по рассеянию рентгеновских лучей на электронах. Было установлено, что кванты, называемые также фотонами, импульс которых равен в процессах взаимодействия с электроном ведут себя подобно другим частицам. Для фотонов выполняются те же законы сохранения релятивистской энергии и импульса, что и для частиц вещества.

Таким образом, электромагнитное излучение имеет и волновые, и корпускулярные свойства. Волновые свойства проявляются при распространении волны в явлениях интерференции и дифракции, а корпускулярные – в процессах испускания и поглощения фотонов.

Закон смещения Вина. Как видно из рис. 3, спектральная плотность энергетической светимости r *, T максимальна на некоторой длине волны m, зависящей от температуры.

Вин теоретически установил, что для АЧТ эта длина волны обратно пропорциональна температуре:

где b = 2,910 –3 К.м есть постоянная Вина. Например, при T = 290 К (“комнатная” температура) m = 10 мкм. Следовательно, многие окружающие нас тела и мы сами при комнатной температуре излучают примерно 90% энергии в диапазоне от 5 мкм до 30 мкм, т.е. в ИКдиапазоне. На поверхности Солнца температура примерно в 20 раз больше, а длина волны m = 0,5 мкм, она соответствует зеленому свету.

Закон Стефана-Больцмана: энергетическая светимость абсолютно черного тела R* (мощность излучения с единицы площади на всех длинах волн) пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры тела Коэффициент пропорциональности = 5,6710 –8 Втм –2 К –4 называют постоянной Стефана-Больцмана.

Поток излучения с площади S черного тела равен Например, при температуре 295 К поток излучения с одного квадратного метра поверхности АЧТ равен 430 Вт, а при температуре 2950 К - он в 10 000 раз больше.

Законы смещения Вина и Стефана-Больцмана, открытые ранее закона излучения Планка, следуют из последнего. Так, закон Стефана-Больцмана может быть получен интегрированием функции (3) по длине волны от нуля до бесконечности [1, 2]:

где постоянная Стефана-Больцмана связана с другими физическими константами соотношением Излучение реальных тел отличается от излучения АЧТ. Это связано с тем, что их спектральный коэффициент поглощения a, T не равен единице, зависит от вещества, длины волны, температуры и состояния поверхности [6, 7].

Согласно закону Кирхгофа (2), спектральная плотность энергетической светимости реального тела есть некоторая часть аналогичной величины АЧТ:

Тела, для которых a, T зависит от, называются телами с селективным поглощением.

К ним относятся, прежде всего, различные металлы с неокисленной поверхностью (см. кривую 1 на рис. 4).

Тела, для которых величина a, T 1, но примерно постоянна в некоторой существенной области длин волн, называются серыми телами (прямая 2 на рис. 4). Спектральное распределение r, T для серого тела подобно спектральному распределению r *, T черного тела.



Pages:     || 2 | 3 |

Похожие работы:

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Амурский государственный университет Кафедра физики Кафедра химии и естествознания УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ Основной образовательной программы по специальности 010101.65 - Математика Благовещенск 2012 2 СОДЕРЖАНИЕ Стр. 1. Рабочая программа учебной дисциплины 2. Краткое изложение...»

«Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования МАТИ – Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского Кафедра Высшая математика Решение систем линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами Устойчивость решений Методические указания для студентов и преподавателей Составитель: Заварзина И.Ф. Кулакова Р.Д. Москва PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com...»

«Литература специальности: Лечебное дело, Педиатрия, Медико-профилактическое дело, Стоматология Основная 1. Антонов В.Ф., Коржуев А.В. Физика и биофизика : курс лекций для студентов медицинских вузов : учебное пособие. – 3-е изд., перераб. и доп. – М. : ГОЭТАР-Медиа, 2010. – 240 с. 2. Антонов В.Ф., Коржуев А.В. Физика и биофизика : курс лекций для студентов медицинских вузов : учебное пособие. – 3-е изд., перераб. и доп. – М. : ГОЭТАР-Медиа, 2007. – 240 с. 3. Антонов В.Ф., Коржуев А.В. Физика и...»

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ МАМИ Кафедра Правоведение Одобрено методической комиссией по гуманитарным и социальноэкономическим дисциплинам Методические указания по дисциплине ЗАЩИТА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ Для студентов инженерных специальностей Москва, 2009 2 Авторский коллектив Е. В. Медянкова, к.ю.н., доцент © МГТУ МАМИ, 2009 © Е. В. Медянкова, 2008 3 ВВЕДЕНИЕ Деятельность инженера заключается в создании, совершенствовании и обеспечении функционирования в...»

«МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ухтинский государственный технический университет (УГТУ) Проверка статических гипотез при решении задач геофизики Методические указания Ухта, УГТУ, 2013 УДК 550.8.053:512.2.(075.8) ББК 26.2Я7 Д 31 Демченко, Н. П. Д 31 Проверка статических гипотез при решении задач геофизики [Текст] : метод. указания / Н. П. Демченко, А. А. Тебеньков. – Ухта : УГТУ, 2013. – 35 с. Методические...»

«Белорусский государственный университет Химический факультет Кафедра физической химии Л.А.Мечковский Л.М.Володкович Развернутая программа дисциплины “Физическая химия” с контрольными вопросами и заданиями Учебно-методическое пособие для студентов химического факультета специальности Н 03.01.00—химия Минск 2004 1 УДК. ББК. Рецензенты Кандидат химических наук доцент Г.С. Петров Кандидат химических наук доцент А.Ф. Полуян Мечковский Л.А., Володкович Л.М. Развернутая программа дисциплины...»

«Академия труда и социальных отношений Кафедра высшей и прикладной математики Потемкин Александр Владимирович Эйсымонт Инна Михайловна ТЕОРИЯ ВЕРОЯТНОСТЕЙ И МАТЕМАТИЧЕСКАЯ СТАТИСТИКА УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС для подготовки бакалавров по направлению 080100 - Экономика, очная форма обучения Москва - 2012 г. 1 Теория вероятностей и математическая статистика: учебно-методический комплекс. Сост. Потемкин А.В., Эйсымонт И.М.: АТиСО, 2012 В учебно-методическом комплексе приводятся рекомендации по...»

«Министерство образования Российской Федерации РОСТОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Бойко К.В., Нойкин Ю.М., Заргано Г.Ф. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к выполнению специального лабораторного практикума “Нелинейные твердотельные устройства СВЧ” (специальность 071500, радиофизика и электроника) Часть XVI МАЛОШУМЯЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ НА ПТШ Ростов-на-Дону 2001 2 ОГЛАВЛЕНИЕ 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ 1.1 Энергетические характеристики шумовых сигналов 1.2 СВЧ четырёхполюсники 2. ОБЩИЕ...»

«Электронный архив УГЛТУ Т.С. Выдрина ХИМИЯ И ФИЗИКА ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ Екатеринбург 2014 Электронный архив УГЛТУ МИНОБРНАУКИ РОССИИ ФГБОУ ВПО УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра технологии переработки пластмасс Т.С. Выдрина ХИМИЯ И ФИЗИКА ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ Методические указания для выполнения лабораторного практикума по дисциплине Химия и физика высокомолекулярных соединений студентами очной, заочной и ускоренной форм обучения по направлениям...»

«П ПРАКТИКУМ В ДЛЯ ВУЗОВ ПРАКТИКУМ ПО БИОФИЗИКЕ Учебное пособие для студентов высших учебных заведений Издание второе, исправленное и дополненное Москва 2004 ББК 28.071я73 П69 А в т о р ы: В.Ф. Антонов, А.М. Черныш, В.И. Пасечник, С.А. Вознесенский, Е.К. Козлова Практикум по биофизике: Учеб. пособие для студ. высш. П69 учеб. заведений. — М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2001. — 352 с. ISBN 5 691 00698 3. Пособие является составной частью учебного комплекта Био физика и служит практическим...»




 
© 2013 www.dis.konflib.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.