МУ - К-2 (1003913)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Государственный комитет СССР по народному образованию.Московское ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового КрасногоЗнамени высшее техническое училище имени Н. Э. Баумана.И. Н. ФЕТИСОВ, П. В. ГРАМЕНИЦКИЙТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕМетодические указания к лабораторной работе К-2 по курсу общей физикиПод редакцией Л. К. МартинсонаМосква, 1988ВВЕДЕНИЕЛюбое тело с температурой T >0 K испускает электромагнитное излучение, называемое тепловым (температурным). В энергию излучения превращается внутренняя энергия тела: хаотическое тепловое движение возбуждает атомы и молекулы, которые при переходе в основное энергетическое состояние испускают кванты электромагнитного поля. Из всех излучений толькотепловое может находиться в термодинамическом равновесии с веществом. С увеличениемтемпературы мощность излучения резко возрастает, а спектр излучения (сплошной) сдвигаетсяв область коротких волн.Тепловое излучение имеет место в основном в оптическом диапазоне λ=0,01…1000 мкм, который подразделяют на три части: видимое излучение (0,4...0,76 мкм), ультрафиолетовое (УФ) короче 0,4 мкм и инфракрасное (ИК) - длиннее 0,76 мкм.

Тела при T≈ 300 K испускают ИК излучение (λ≈3...50 мкм), а при T > 1000 К появляется также видимый глазом свет.Помимо теплового часто встречается другой механизм свечения тел – люминесценция, например испускание света некоторыми веществами (люминофорами) под действием УФ излученияили быстрых электронов. Люминесценция не связана с нагревом тел до высокой температуры,так как излучающие атомы возбуждаются непосредственно УФ излучением или электроннымударом.Цель работы - изучение законов теплового излучения и методики его измерения.ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯРазличают интегральные и спектральные энергетические характеристики излучения. Спектральные величины, в отличие от интегральных, рассматривают распределение энергии на различных частотах.

Рассмотрим сначала интегральные характеристики оптического излучения.Поток излучения (мощность) Φ =W/t- где W- энергия излучения за время t. Φ измеряется вваттах, (Вт).Излучательность (энергетическая светимость) R- величина, равная потоку излучения, испускаемого с единицы площади тела по всем направлениям в полусферу R = Φ /S, где Φ- потокизлучения с площади S. R измеряется в ваттах на метр в квадрате (Вт/м2).

Следовательно, поток излучения с площади S равенΦ=RS(1)а испущенная за время t энергия W = Φt = R S t .Рассмотрим теперь угловую характеристику излучения - зависимость излучения от угла θ меж-!nду направлением света и нормальюк поверхности (рис. 1а). Пусть с площади S под углом θиспускается в телесном угле dΩ поток излучения dΦ (рис. 1б).

Лучистость (энергетическая яркость) поверхности есть величинаB = dΦ/(S cosθ dΩ )n(2)ndΦΦθθdΩΩS cosθθSθSa)б)Рис. 1θ - "кажущаяся площадь" излучателя под углом наблюдения θ. BИз рис. 1б видно, что S cosθизмеряется в ваттах на стерадиан метр в квадрате (Вт/(ср м2)).Распределение энергии излучения по спектру может быть представлено в виде некоторыхфункций частоты или длины волны излучения (мы будем пользоваться зависимостями от длиλ испускается поток dΦΦ, то величины волны). Например, если в интервале длин волн λ, λ+dλΦ/dλλ называется спектральной плотностью потока излучения. Φλ измеряется в ваттахна Φλ=dΦна метр (Вт/м).

Она зависит от λ и численно равна мощности в единичном интервале длинволн.Аналогичная характеристика, но с единицей площади, есть испускательная способность (спектральная плотность излучательности)Rλ =1 dΦdR=S dλdλ(3)Rλ измеряется в ваттах на метр в кубе (Вт/м3).λ , поток излучения равенВ интервале длин волн от λ до λ+dλλ2∫Φλdλλ1полный потокΦ =∞∫Φλdλ0Аналогично соотношениеR=∞∫Rλdλ0Вернемся к интегральным характеристикам. Для большинствасветящихся тел яркость (лучистость) зависит от угла наблюдения: B = B(θθ).Для некоторых тел (молочное стекло и др.) яркость примерно одинаковая в различных направленияхB(θ) = const(4)dΦ = BS cosθ dΩ = dΦmax cosθгде dΦmax = BSdΩ - поток в направлении нормали.(5)Тогда поток излучения пропорционален косинусу угла θ. (см.

формулу (2)):dΦ=dΦmax cosθθSdΦmaxРис.2Зависимость (5), изображенную в полярных координатах(рис. 2), называют законом Ламберта (а соответствующиеизлучатели - ламбертовскими или косинусными). Этотзакон выполняется точно лишь для маленького излучающего отверстия в стенке равномерно раскаленной полости- так называемого «черного тела», играющего важнуюроль в физике теплового излучения.Для ламбертовского источника излучательность R и лучистость B связаны соотношениемR = πB(6)которое можно получить интегрированием потока излучения (5) по различным направлениям в полусферу (вπ стерадиан).пределах телесного угла 2πОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТЕЛ.Падающий на тело поток излучения Φ делится на три части - отраженную (Φотр), поглощенную(Φпогл) и пропущенную сквозь тело (Φпроп):Φ=ΦΦотр+ΦΦпогл+ΦΦпроп(7)Для монохроматического излучения спектральными коэффициентами отражения, поглощения ипропускания называют отношенияρλT=ΦΦотр/ΦΦ ; aλT=ΦΦпогл/ΦΦ ; τλT=ΦΦпроп/ΦΦ(8)Эти безразмерные коэффициенты, изменяющиеся от 0 до 1, зависят от вещества, состояния поверхности, длины волны, температуры тела.

Коэффициент поглощения aλT - называют такжепоглощательной спрсобностью тела. Из (7), (8) следует соотношениеρλT+ aλT+ τλT=1Тело, поглощающее весь падающий на него поток излучения, независимо от длины волны итемпературы, называется абсолютно черным теломЧЕРН=1.(АЧТ). Для него aλTСтрого говоря, АЧТ - научная абстракция, таких тел нетв природе. Однако в ограниченном спектральном интервале многие тела близки к АЧТ, особенно маленькое отверстие в стенке большой замкнутой полости, стенкикоторой непрозрачны и имеют одинаковую температуру(рис.

3). Только незначительная часть проникшего в полость излучения выйдет наружу. Отверстие в полостислужит экспериментальной моделью АЧТ ( для краткоРис.3сти, черное тело) и используется в оптике.Наряду с понятием АЧТ используют понятие серого тела, поглощательная способность которого меньше единицы, но примерно одинакова для всех длин волн ( в некоторой, существенной для данногосеррассмотрения области спектра): аλТ = аТ<1 . Для серого тела аТ зависит от материала, состояния поверхности и температуры.ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЧЕРНОГО ТЕЛА.Согласно теоретическому выводу Кирхгофа, испускательная способность абсолютно черноготела зависит только от его температуры и длины волны.

Это означает, что излучение из маленького отверстия нагретой полости не зависит от свойств вещества стенок полости. Это обстоятельство - принципиальное и ставит излучение АЧТ в выделенное положение и в теории, и напрактике. Излучение АЧТ описывается более простыми и точными законами, чем излучениедругих тел. Модели АЧТ используются в качестве эталонного источника с известными свойствами.Закон излучения Планка (основной закон теплового излучений):испускательная способность АЧТ (rλT ) зависит от длины волны и температуры следующимобразом:rλT2 πc 2 h1=λ5e hc kT − 1(9)где с - скорость света в пустоте, k - постоянная Больцмана, h - постоянная Планка.При выводе (9) Планк выдвинул квантовую гипотезу, согласно которой атомные осцилляторыизлучают энергию не непрерывно, а определенными порциями - квантами, причем энергияνкванта пропорциональна частоте излучения E.

= hνЗависимость rλT от λ при T=const описывает спектр излучения. На рис. 4 представлены спектры при значениях температуры, характерных для данной лабораторной работы. Мощность излучения с единичной площади в узкой спектральной полосе ширины dλ, т.е. величина rλT dλ,имеет максимум при некотором значении λ=λmax , которое уменьшается с увеличением температуры.Хотя спектр изменяется с изменением температуры, он имеет общие закономерности, не зависящие от T, если выразить волны в безразмерной единице xλ = λ/λmax . Тогда доля излучаемойэнергии в различных участках не зависит от температуры (доля в % от полной энергии приведена на рис.

5). Полезно запомнить, что примерно 90% энергии приходится на спектральныйинтервал xλ= 0,5 … 3,0, т.е. от λmax/2 до 3λmax .Формула (9) и закон Ламберта (5) полностью описывают излучение АЧТ. Из (9) можнополучить ряд полезных следствий, например закон Стефана-Больцмана и закон смещения Вина(открыты ранее закона излучения Планка).Закон смещения Вина. Длина волны λmax, соответствующая максимальной спектральнойплотности излучательности АЧТ, обратно пропорциональная температуре:λmax = C/T(10)где C - постоянная.-3Формулу (10) и значение C=hc/(4,965K)=2,9·10 K·м можно получить, если продифференцировать функцию (9) по λ и приравнять производную нулю:drλT /dλ=0Закон Стефана-Больцмана.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов книги