GTRH-2 黑體紅外輻射實驗儀的應用

2020-11-24 中國教育裝備採購網

GTRH-2黑體紅外輻射實驗儀

可開設的實驗

1、物體表面特性對輻射量的影響；

2、 黑體輻射量和距離以及距離平方的關係；

3、 隨著輻射強度的變化，輻射紅外線波長發生轉移的特性；

4、 了解不同物體的防輻射能力；

主要技術特點

1、 滷素燈珠加熱，輻射體受熱更均勻；

2、 採用PID控溫加熱，提高了實驗的準確度；

3、 採用直線導軌底座，操作方便；

4、 採用精密紅外傳感器，測量靈敏度更高；

5、 Pt100內置式測溫，測量溫度更準；

主要技術指標

1、 控溫範圍：室溫～90°，精度0.1°；

2、 直線導軌長度：60cm；

3、 溫度控制器帶載輸出電壓：20±2V；

4、 加熱燈功率：50W；

5、 四位半數字萬用表；

6、 工作電壓及頻率：220V，50Hz；

 

   熱輻射是19世紀發展起來的新學科，至19世紀末該領域的研究達到頂峰，以致於量子論這個嬰兒註定要從這裡誕生。黑體輻射實驗是量子論得以建立的關鍵性實驗之一，也是高校實驗教學中一重要實驗。物體由於具有溫度而向外輻射電磁波的現象成為熱輻射，熱輻射的光譜是連續譜，波長覆蓋範圍理論上可從0到∞，而一般的熱輻射主要靠波長較長的可見光和紅外線。物體在向外輻射的同時，還將吸收從其他物體輻射的能量，且物體輻射或吸收的能量與它的溫度、表面積、黑度等因素有關。

【引言】

    熱輻射的真正研究是從基爾霍夫（G.R.Kirchhoff）開始的。1859年他從理論上導入了輻射本領、吸收本領和黑體概念，他利用熱力學第二定律證明了一切物體的熱輻射本領r(ν,T)與吸收本領α(ν,T)成正比，比值僅與頻率ν和溫度T有關，其數學表達式為：

                                          （1）

式中F(ν,T)是一個與物質無關的普適函數。在1861年他進一步指出，在一定溫度下用不透光的壁包圍起來的空腔中的熱輻射等同於黑體的熱輻射。1879年，斯特藩（J.Stefan）從實驗中總結出了黑體輻射的輻射本領R與物體絕對溫度T 四次方成正比的結論；1884年，玻耳茲曼對上述結論給出了嚴格的理論證明，其數學表達式為：

                             （2）

即斯特藩-玻耳茲曼定律，其中為玻耳茲曼常數。

1888年，韋伯（H.F.Weber）提出了波長與絕對溫度之積是一定的。1893年維恩（wilhelmwien）從理論上進行了證明，其數學表達式為：

                             （3）

式中b＝2.8978×10-3(m.K )為一普適常數，隨溫度的升高，絕對黑體光譜亮度的最大值的波長向短波方向移動，即維恩位移定律。

圖 1 輻射能量與波長的關係

圖 l 顯示了黑體不同色溫的輻射能量隨波長的變化曲線，峰值波長λmax與它的絕對溫度T成反比。1896年維恩推導出黑體輻射譜的函數形式：

                 (4)

式中α,β為常數，該公式與實驗數據比較，在短波區域符合的很好，但在長波部分出現系統偏差。為表彰維恩在熱輻射研究方面的卓越貢獻，1911年授予他諾貝爾物理學獎。

1900年，英國物理學家瑞利（Lord Rayleigh）從能量按自由度均分定律出發，推出了黑體輻射的能量分布公式：

                    (5)

該公式被稱之為瑞利·金斯公式，公式在長波部分與實驗數據較相符，但在短波部分卻出現了無窮值，而實驗結果是趨於零。這部分嚴重的背離，被稱之為「紫外災難」。

1900年德國物理學家普朗克（M.Planck），在總結前人工作的基礎上，採用內插法將適用於短波的維恩公式和適用於長波的瑞利·金斯公式銜接起來，得到了在所有波段都與實驗數據符合的很好的黑體輻射公式：

                    (6)

式中C1,C2均為常數，但該公式的理論依據尚不清楚。

這一研究的結果促使普朗克進一步去探索該公式所蘊含的更深刻的物理本質。他發現如果作如下「量子」假設：對一定頻率ν 的電磁輻射，物體只能以hν為單位吸收或發射它,也就是說，吸收或發射電磁輻射只能以「量子」的方式進行，每個「量子」的能量為：E = hν ，稱之為能量子。式中h是一個用實驗來確定的比例係數，被稱之為普朗克常數，它的數值是6.62559×10-34焦耳秒。公式（6）中的C1,C2可表述為：,，它們均與普朗克常數相關，分別被稱為第一輻射常數和第二輻射常數。

【實驗目的】

1、研究物體的輻射面、輻射體溫度對物體輻射能力大小的影響，並分析原因。

2、測量改變測試點與輻射體距離時，物體輻射能量W和距離L以及距離的平方L2的關係，並描繪W-L2曲線。

3、依據維恩位移定律，測繪物體輻射能量與波長的關係圖。

4、測量不同物體的防輻射能力，你能夠從中得到哪些啟發？（選做）

【實驗器材】

GTTA-1溫度控制器、GTRH-2黑體輻射測試架、紅外熱輻射傳感器、光學導軌（60cm）、GTRH-IFS紅外轉換器等。


【實驗內容】

一、物體溫度以及物體表面對物體輻射能力的影響。

1.將GTRH-2黑體輻射測試架，紅外熱輻射傳感器安裝在光學導軌上，調整紅外熱輻射傳感器的高度，使其正對模擬黑體（輻射體）中心，然後再調整GTRH-2黑體輻射測試架和紅外熱輻射傳感器的距離為一較合適的距離並通過光具座上的緊固螺絲鎖緊。

2.將測試架上的加熱輸入埠和控溫傳感器埠分別通過專用連線和GTTA-1溫度控制器的相應埠相連；用專用連接線將紅外輻射傳感器和GTRH-IFS紅外轉換器相連；檢查連線是否無誤，確認無誤後，開通電源，對輻射體進行加熱。

3.將萬用表的兩表筆分別插入GTRH-IFS紅外轉換器的輸出埠，記錄不同溫度時的輻射強度，填入表1中，並繪製溫度-輻射強度曲線圖。

註：本實驗可以動態測量，也可以靜態測量。靜態測量時要設定不同的控制溫度，具體如何設置溫度見控溫表說明書。靜態測量時，由於控溫需要時間，用時較長，故做此實驗時建議採用動態測量。

表1：黑體溫度與輻射強度記錄表

溫度（℃）

20

25

30

.......

80

輻射強度（mV）

 

 

 

 

 

4.將紅外輻射傳感器移去，控溫表設置在60℃，待溫度控制好後，將紅外輻射傳感器移至靠近輻射體處，轉動輻射體（輻射體較熱，請帶上手套進行旋轉，以免燙傷）測量不同輻射表面上的輻射強度，記錄表2中。

表2：黑體表面與輻射強度記錄表

註：光面1比光面2的光潔度好，由於光面1上有通光孔，實驗時為避免光照對實驗的影響，可以用附帶的黑色膠帶粘住通光孔。


二、探究黑體輻射和距離的關係

1.將GTRH-2黑體輻射測試架緊固在光學導軌左端，紅外輻射傳感器探頭緊貼對準輻射體中心，調整輻射體的位置，直至紅外輻射傳感器底座上的可線對準光學導軌標尺上的一整刻度，並以此刻度為距離零點。

2.將紅外輻射傳感器移至導軌另一端，並將輻射體的黑面轉動到正對紅外輻射傳感器。

3.將控溫表頭設置在90℃，待溫度控制好後，移動紅外輻射傳感器，每移動一定的距離後，記錄相應的輻射度，並記錄表3中，繪製輻射強度-距離圖以及輻射強度-距離的平方圖。

4．分析繪製的圖形，你能從中得出什麼結論，黑體輻射是否具有類似光強和距離的平方成反比的規律。

表3：黑體輻射與距離關係記錄表

距離（mm）

400

380

........

0

輻射強度





註：實驗過程中，輻射體溫度較高，禁止觸摸，以免燙傷。

 

三、依據維恩位移定律，測繪物體輻射能量與波長的關係圖

1．按實驗一，測量不同溫度時，輻射體輻射強度和輻射體溫度的關係並記錄。

2.根據公式3，求出不同溫度時的λmax。

3.根據不同溫度下的輻射強度和對應的λmax，描繪W-λmax曲線圖。

4.分析所描繪圖形，並說明原因。


*四、測量不同物體的防輻射能力（選做）

  1.分別測量在輻射體和紅外輻射傳感器之間放入物體板之前和之後，輻射強度的變化。

  2.放入不同的物體板時，輻射體的輻射強度有何變化，分析原因，你能得出哪重物質的防輻射能力較好，從中你可以得到什麼啟發。

【實驗注意事項】

1.實驗過程中，當輻射體溫度很高時，禁止觸摸輻射體，以免燙傷。

2.測量不同輻射表面對輻射強度影響時，輻射溫度不要設置太高，轉動輻射體時，應帶手套。

3.實驗過程中，為避免萬用表跳字嚴重，應儘量避免外界環境的影響。

4.輻射體的光面1光潔度較高，應避免受損。

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