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) STEFATOOZMAN CAUTION 好 CAUTION:HOT PAISCO TD-8555 Stefan Boltzman Lamp 00 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 言 验 1 热 辐 射 基1 础 验 2 辐 射 的 反 平 方 定3 律 验 3 Stefan-Boltzmann 定5 律 实 验 低 温下 的 Stefan-Boltzmann 定7 律
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
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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(入=0.5μm一一40μm),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:0.1W/cm2 3.感应范围:0.6-30μm 4.线性范围:10-610-1W/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
3 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20℃。(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<40KQ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
4 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?
5 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)一一X图。 2.作热辐射(mv)一一1/X2图。 6
6 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/X2(cm2) 单辐射(mv) 2.5 10 3.0 30 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)= 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?
7 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(0~12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R 确定: Stefan-Boltzmann灯可提供高温热辐射,其 T= R-Rne+Tref 2aRref 其中:R:温度为T时的电阻。 Te:室温 Rref:室温下的电阻。 a:4.5×103(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。g=cT4 (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 MAXI) o Millivoltmeter Voltmeter cm 图3 2.打开灯前,先测量Tef,Rcf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
8 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 + − = 2 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 =T ( 8 2 4 = 5.670310 W /m K − ) 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-1) Tref K Rref= 0 数据 计算 V(V) 1(I) 辐射(mv) R(Q) 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 l.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? 9
9 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) T 4(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 4 2. 作热辐射率 Q(mv)——T 4(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?