PASG。物理组合实验系列 热辐射组合实验 乔卫平编译 TD-8554A Radiation Cube (Leslie's Cube) STEFAOTMAN CAUTION CAUTION:HOT! 49 w7 TD-8555 Stefan Boltzman Lamp TD-8553 Radiation Sensor 上海交通大学物理实验中心
PASCO 物理组合实验系列 热辐射组合实验 乔卫平 编译 上海交通大学物理实验中心
目录 引言 …I 实验1热辐射基础 实验2辐射的反平方定律 3 实验3 Stefan-Boltzmann定律 实验4低温下的Stefan-Bolt忆mann定律…7
1 目 录 引言·································································································································· I 实验 1 热辐射基础······································································································· 1 实验 2 辐射的反平方定律··························································································· 3 实验 3 Stefan-Boltzmann 定律····················································································· 5 实验 4 低温下的 Stefan-Boltzmann 定律····································································· 7
引言 这套热辐射组合实验主要有三部分仪器组成，TD8553辐射传感器，TD8554辐射立方 体和TD8555,Stefan--Boltzmann灯，共组成4个实验。 一辐射传感器 可用来测量入射热辐射的相对强度，感应元件为一热电偶，输出的电压正比于辐射强度， 主要感应红外辐射（λ=0.5μm一40μm),电压可达100WV。（需配置毫伏表） 传感器可手持或固定铁架上。实验时，若不测量热辐射，需将遮光器将其盖上，否则影 响测量精度。 其主要参数为 1.测温区域：-65~80℃ 2.最大入射功率：0.1Wcm2 3.感应范围：0.6-30μm 4.线性范围：10610'W/cm2 二.辐射立方体 辐射立方体，内装有一灯泡，体内温度最大可调至120℃左右。立方体有四个不同表面 可供研究，其温度可用与之相连的传感器（接欧姆表）输出的电阻值查得。对应表见立方体 下部。 三.Stefan-boltzmann灯 此灯主要提供高温热辐射，其原理及主要参数见Stefan-Bolt忆mann实验。 2
2 引言 这套热辐射组合实验主要有三部分仪器组成，TD8553 辐射传感器，TD8554 辐射立方 体和 TD8555，Stefan-Boltzmann 灯，共组成 4 个实验。 一． 辐射传感器 可用来测量λ射热辐射的相对强度，感应元件为一热电偶，输出的电压正比于辐射强度， 主要感应红外辐射（λ=0.5μm——40μm），电压可达 100WV。（需配置毫伏表） 传感器可手持或固定铁架上。实验时，若不测量热辐射，需将遮光器将其盖上，否则影 响测量精度。 其主要参数为 1． 测温区域：-65~80℃ 2． 最大λ射功率：0.1W/cm2 3． 感应范围：0.6~30μm 4． 线性范围：10-6~10-1W/cm2 二． 辐射立方体 辐射立方体，内装有一灯泡，体内温度最大可调至 120℃左右。立方体有四个不同表面 可供研究，其温度可用与之相连的传感器（接欧姆表）输出的电阻值查得。对应表见立方体 下部。 三． Stefan-boltzmann 灯 此灯主要提供高温热辐射，其原理及主要参数见 Stefan-Boltzmann 实验
实验1热辐射基础 实验仪器 热辐射立方体（源） 欧姆表 毫伏表 辐射传感器 实验原理 这里用的辐射传感器对红外线比较敏感。（入=0.5μm一40μm)其感应后的辐射电压 正比于辐射强度，通过对辐射电压的测量可定性地了解不同辐射源的辐射状况。 本实验使用立方辐射体作为辐射源，立方辐射体有四个不同的粗糙面可作研究对象，同时辐 射体的温度可从室温调至120℃。（温度与电阻关系可参见附表对照，立方辐射体上亦有） 实验内容 一.不同表面的辐射率。 1.实验步骤 (1)红外传感器接毫伏表，辐射源 接欧姆表，（参见图1） 传感器 (2) 打开电源，加热辐射体，欧姆 表读的<40K2时，将强度调至 5.0. (3)热平衡后，欧姆表大致不动。 辐射体 毫伏表 用传感器对不同的表面各测 一次，（注意：传感器的前端 欧姆表 与辐射体表面接触，以保证各 表面测量距离相等)。记下电 压及相关数据于表1。 图1 (4) 分别将辐射体强度升至6.5,8.0,10.0，重复(3)工作。 表1 功率 5.0 6.5 8.0 10.0 电阻 温度 表面 输出电压 输出电压 输出电压 输出电压 白面 黑面 光面 粗糙面 3
3 实验 1 热辐射基础 实验仪器 热辐射立方体（源） 毫伏表 欧姆表 辐射传感器 实验原理 这里用的辐射传感器对红外线比较敏感。（λ=0.5μm——40μm）其感应后的辐射电压 正比于辐射强度，通过对辐射电压的测量可定性地了解不同辐射源的辐射状况。 本实验使用立方辐射体作为辐射源，立方辐射体有四个不同的粗糙面可作研究对象，同时辐 射体的温度可从室温调至 120℃。(温度与电阻关系可参见附表对照，立方辐射体上亦有) 实验内容 一． 不同表面的辐射率。 1． 实验步骤 （1） 红外传感器接毫伏表，辐射源 接欧姆表，（参见图 1） （2） 打开电源，加热辐射体，欧姆 表读的<40KΩ时，将强度调至 5.0。 （3） 热平衡后，欧姆表大致不动。 用传感器对不同的表面各测 一次，（注意：传感器的前端 与辐射体表面接触，以保证各 表面测量距离相等）。记下电 压及相关数据于表 1。 （4） 分别将辐射体强度升至 6.5，8.0，10.0，重复（3）工作。 表 1 功率 5.0 6.5 8.0 10.0 电阻 温度 表面 输出电压 输出电压 输出电压 输出电压 白面 黑面 光面 粗糙面 图 1
二.热辐射的吸收和透射 1.实验步骤 (1)传感器置于离幅射体黑面5cm处，读输出电压。 (2)将玻璃置于传感器与幅射体间，看输出电压变化。 (3)掀开辐射体顶盖，用灯泡直接照射传感器，观察插入玻璃前后的变化。 思考题 1.将四个面按幅射大小的顺序排列，这个顺序和温度有关吗？ 2.按常理，吸收好的物体幅射性能也好，你的结果与之相符吗？ 3.温度相近的不同物体幅射量相同吗？ 4.你能找出有效阻挡辐射的物体吗？ 5.关于穿透玻璃时热损失，实验说明什么？
4 二． 热辐射的吸收和透射 1． 实验步骤 （1） 传感器置于离幅射体黑面 5cm 处，读输出电压。 （2） 将玻璃置于传感器与幅射体间，看输出电压变化。 （3） 掀开辐射体顶盖，用灯泡直接照射传感器，观察插入玻璃前后的变化。 思考题 1． 将四个面按幅射大小的顺序排列，这个顺序和温度有关吗？ 2． 按常理，吸收好的物体幅射性能也好，你的结果与之相符吗？ 3． 温度相近的不同物体幅射量相同吗？ 4． 你能找出有效阻挡辐射的物体吗？ 5． 关于穿透玻璃时热损失，实验说明什么？
实验2辐射的反平方定律 实验仪器 Stefan-Boltzmann灯（以下称光源） 电源 传感计 米尺。 实验原理 光源辐射出的是电磁波，属球面波，波幅随距离的平方成反比。 实验内容 一，实验步骤 1.仪器步置见图2。 Align axes of filament and Sensor Top View Power Supply (13 V MAXI) Millivoltmeter Meter Stick Align zero-point of meter stick with center of filament 图2 (1) 在桌子上放置米尺。 (2)光源放置米尺的一端，灯丝中心和米尺0刻度对齐。 (3)调节传感计高度，使其同灯丝处同一轴线上。 (4)连接毫伏计与电源。 2.电源开关先不开，沿米尺移动传感计，每10cm测一数据，求平均值，此为环境辐射， 从后测量值与减去此值。 3.打开电源调至10伏。 4.将以上要测量的数据记录表2。 二.实验要求 1.作热辐射(mv)一X图。 2.作热辐射(mv)一1/X2图
5 实验 2 辐射的反平方定律 实验仪器 Stefan-Boltzmann 灯（以下称光源） 传感计 电源 米尺。 实验原理 光源辐射出的是电磁波，属球面波，波幅随距离的平方成反比。 实验内容 一． 实验步骤 1． 仪器步置见图 2。 （1） 在桌子上放置米尺。 （2） 光源放置米尺的一端，灯丝中心和米尺 0 刻度对齐。 （3） 调节传感计高度，使其同灯丝处同一轴线上。 （4） 连接毫伏计与电源。 2． 电源开关先不开，沿米尺移动传感计，每 10cm 测一数据，求平均值，此为环境辐射， 从后测量值与减去此值。 3． 打开电源调至 10 伏。 4． 将以上要测量的数据记录表 2。 二． 实验要求 1． 作热辐射（mv）——X 图。 2． 作热辐射（mv）——1/X2图。 图 2
表2 环境热辐射(mv) X(cm)总辐射(mv)1/X(cm)单辐射(mv) 2.5 10 3.0 20 3.5 4.0 30 5.0 40 6.0 7.0 50 8.0 60 9.0 10.0 70 12.0 80 14.0 116.0 90 18.0 100 20.0 平均值(mv左 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0 思考题 1.两个图哪一个更接近线性，是否在整个范围线性？ 2.反平方定律指出能流密度与距离平方成反比，实验结果与之符合吗？ 3.S-B灯是点光源吗？如果不是，将如何影响结果？ 6
6 表 2 环境热辐射(mv) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 平均值(mv)= X (cm) 总辐射(mv) 1/X2 (cm-2) 单辐射(mv) 2.5 3.0 3.5 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 12.0 14.0 116.0 18.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0 思考题 1． 两个图哪一个更接近线性，是否在整个范围线性？ 2． 反平方定律指出能流密度与距离平方成反比，实验结果与之符合吗？ 3． S-B 灯是点光源吗？如果不是，将如何影响结果？
实验3 Stefan-Boltzmann定律 实验仪器 辐射传感器 伏特表(012伏) S-B灯 毫伏表 欧姆表安培表(0-3A) 温度计 实验原理 灯温可由电阻 确定： Stefan-Boltzmann灯可提供高温热辐射，其 T= R-Rref+Tref 2aRref 其中：R:温度为T时的电阻。 Tef:室温 Rer室温下的电阻。 a:4.5×103(K1) 注：温度一律用绝对温标。 Stefan--Boltzmann定律将热物体辐射率与绝对温度T联系在一起。g=σT4 (o=5.6703×10-8W/m2.K4) 实验内容 一.实验步骤 1.按图3接线。 Ammeter Power Supply (13 V MAX!) Millivoltmeter Voltmeter 6 cm- 图3 2.打开灯前，先测量Tref,Rref并记录表3。 3.打开电源，使输出电压为1.0伏，2.0伏…12.0伏记录相应电流，热辐射强度，（用毫 伏表)表3
7 实验 3 Stefan-Boltzmann 定律 实验仪器 辐射传感器 S-B 灯 欧姆表安培表（0~3A） 伏特表（0~12 伏） 毫伏表 温度计 实验原理 Stefan-Boltzmann 灯可提供高温热辐射，其 灯温可由电阻 R= ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ I v 确定： Tref R R R T ref ref + − = 2α 其中：R：温度为 T 时的电阻。 Tref：室温 Rref：室温下的电阻。 α：4.5×10-3（K-1） 注：温度一律用绝对温标。 Stefan-Boltzmann 定律将热物体辐射率与绝对温度 T 联系在一起。 4 q =σT （ 8 2 4 = 5.6703×10 W / m ⋅ K − σ ） 实验内容 一． 实验步骤 1． 按图 3 接线。 2． 打开灯前，先测量 Tref，Rref并记录表 3。 3． 打开电源，使输出电压为 1.0 伏，2.0 伏……12.0 伏记录相应电流，热辐射强度，（用毫 伏表）表 3 图 3
表3 a=4.5×103(K-) Tref= 大 Rref= Q 数据 计算 V(V) 1(I) 辐射(mv) R(2) T(K) T(K4) 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 二.要求 1.列表计算不同电压下的电阻R,温度T,T 2.作热辐射率Q(mv)一一T(K4)图 3.计算斜率 思考题 1.Stefan-Boltzmann只是对理想黑体辐射才完全成立，灯丝是理想黑体吗？ 2.除灯丝外，还有哪些辐射源影响精度？ 8
8 表 3 α=4.5×10-3（K-1） Tref= K Rref = Ω 数据 计算 V（V） I（I） 辐射（mv） R（Ω） T（K） T4 （K4 ） 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 二． 要求 1． 列表计算不同电压下的电阻 R，温度 T，T4 2． 作热辐射率 Q（mv）——T4 （K4 ）图 3． 计算斜率 思考题 1． Stefan-Boltzmann 只是对理想黑体辐射才完全成立，灯丝是理想黑体吗？ 2． 除灯丝外，还有哪些辐射源影响精度？
实验4低温下的Stefan-Boltzmann定律 实验仪器 辐射传感器 毫伏表 辐射立方体 欧姆表。 实验原理 当辐射源（本实验用热辐射立方体）温度不是很高时环境作用不可忽略，尤其是传感器 对外也辐射能量，此时，由传感器输出的热辐射强度改写为： Q=S (T4-Trer) Tef为室温 实验内容 1.实验步骤自拟。 2.按实验三的要求讨论
9 实验 4 低温下的 Stefan-Boltzmann 定律 实验仪器 辐射传感器 辐射立方体 毫伏表 欧姆表。 实验原理 当辐射源（本实验用热辐射立方体）温度不是很高时环境作用不可忽略，尤其是传感器 对外也辐射能量，此时，由传感器输出的热辐射强度改写为： Q=S（T4 -Tref 4 ） Tref为室温 实验内容 1． 实验步骤自拟。 2． 按实验三的要求讨论