GTRH-2 黑体红外辐射实验仪的应用

GTRH-2黑体红外辐射实验仪

可开设的实验

1、物体表面特性对辐射量的影响；

2、 黑体辐射量和距离以及距离平方的关系；

3、 随着辐射强度的变化，辐射红外线波长发生转移的特性；

4、 了解不同物体的防辐射能力；

主要技术特点

1、 卤素灯珠加热，辐射体受热更均匀；

2、 采用PID控温加热，提高了实验的准确度；

3、 采用直线导轨底座，操作方便；

4、 采用精密红外传感器，测量灵敏度更高；

5、 Pt100内置式测温，测量温度更准；

主要技术指标

1、 控温范围：室温～90°，精度0.1°；

2、 直线导轨长度：60cm；

3、 温度控制器带载输出电压：20±2V；

4、 加热灯功率：50W；

5、 四位半数字万用表；

6、 工作电压及频率：220V，50Hz；

 

   热辐射是19世纪发展起来的新学科，至19世纪末该领域的研究达到顶峰，以致于量子论这个婴儿注定要从这里诞生。黑体辐射实验是量子论得以建立的关键性实验之一，也是高校实验教学中一重要实验。物体由于具有温度而向外辐射电磁波的现象成为热辐射，热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0到∞，而一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线。物体在向外辐射的同时，还将吸收从其他物体辐射的能量，且物体辐射或吸收的能量与它的温度、表面积、黑度等因素有关。

【引言】

    热辐射的真正研究是从基尔霍夫（G.R.Kirchhoff）开始的。1859年他从理论上导入了辐射本领、吸收本领和黑体概念，他利用热力学第二定律证明了一切物体的热辐射本领r(ν,T)与吸收本领α(ν,T)成正比，比值仅与频率ν和温度T有关，其数学表达式为：

                                          （1）

式中F(ν,T)是一个与物质无关的普适函数。在1861年他进一步指出，在一定温度下用不透光的壁包围起来的空腔中的热辐射等同于黑体的热辐射。1879年，斯特藩（J.Stefan）从实验中总结出了黑体辐射的辐射本领R与物体绝对温度T 四次方成正比的结论；1884年，玻耳兹曼对上述结论给出了严格的理论证明，其数学表达式为：

                             （2）

即斯特藩-玻耳兹曼定律，其中为玻耳兹曼常数。

1888年，韦伯（H.F.Weber）提出了波长与绝对温度之积是一定的。1893年维恩（wilhelmwien）从理论上进行了证明，其数学表达式为：

                             （3）

式中b＝2.8978×10^-3(m.K )为一普适常数，随温度的升高，绝对黑体光谱亮度的最大值的波长向短波方向移动，即维恩位移定律。

图 1 辐射能量与波长的关系

图 l 显示了黑体不同色温的辐射能量随波长的变化曲线，峰值波长λ_max与它的绝对温度T成反比。1896年维恩推导出黑体辐射谱的函数形式：

                 (4)

式中α,β为常数，该公式与实验数据比较，在短波区域符合的很好，但在长波部分出现系统偏差。为表彰维恩在热辐射研究方面的卓越贡献，1911年授予他诺贝尔物理学奖。

1900年，英国物理学家瑞利（Lord Rayleigh）从能量按自由度均分定律出发，推出了黑体辐射的能量分布公式：

                    (5)

该公式被称之为瑞利·金斯公式，公式在长波部分与实验数据较相符，但在短波部分却出现了无穷值，而实验结果是趋于零。这部分严重的背离，被称之为“紫外灾难”。

1900年德国物理学家普朗克（M.Planck），在总结前人工作的基础上，采用内插法将适用于短波的维恩公式和适用于长波的瑞利·金斯公式衔接起来，得到了在所有波段都与实验数据符合的很好的黑体辐射公式：

                    (6)

式中C₁,C₂均为常数，但该公式的理论依据尚不清楚。

这一研究的结果促使普朗克进一步去探索该公式所蕴含的更深刻的物理本质。他发现如果作如下“量子”假设：对一定频率ν 的电磁辐射，物体只能以hν为单位吸收或发射它,也就是说，吸收或发射电磁辐射只能以“量子”的方式进行，每个“量子”的能量为：E = hν ，称之为能量子。式中h是一个用实验来确定的比例系数，被称之为普朗克常数，它的数值是6.62559×10^-34焦耳秒。公式（6）中的C₁,C₂可表述为：,，它们均与普朗克常数相关，分别被称为第一辐射常数和第二辐射常数。

【实验目的】

1、研究物体的辐射面、辐射体温度对物体辐射能力大小的影响，并分析原因。

2、测量改变测试点与辐射体距离时，物体辐射能量W和距离L以及距离的平方L²的关系，并描绘W-L²曲线。

3、依据维恩位移定律，测绘物体辐射能量与波长的关系图。

4、测量不同物体的防辐射能力，你能够从中得到哪些启发？（选做）

【实验器材】

GTTA-1温度控制器、GTRH-2黑体辐射测试架、红外热辐射传感器、光学导轨（60cm）、GTRH-IFS红外转换器等。

【实验内容】

一、物体温度以及物体表面对物体辐射能力的影响。

1.将GTRH-2黑体辐射测试架，红外热辐射传感器安装在光学导轨上，调整红外热辐射传感器的高度，使其正对模拟黑体（辐射体）中心，然后再调整GTRH-2黑体辐射测试架和红外热辐射传感器的距离为一较合适的距离并通过光具座上的紧固螺丝锁紧。

2.将测试架上的加热输入端口和控温传感器端口分别通过专用连线和GTTA-1温度控制器的相应端口相连；用专用连接线将红外辐射传感器和GTRH-IFS红外转换器相连；检查连线是否无误，确认无误后，开通电源，对辐射体进行加热。

3.将万用表的两表笔分别插入GTRH-IFS红外转换器的输出端口，记录不同温度时的辐射强度，填入表1中，并绘制温度-辐射强度曲线图。

注：本实验可以动态测量，也可以静态测量。静态测量时要设定不同的控制温度，具体如何设置温度见控温表说明书。静态测量时，由于控温需要时间，用时较长，故做此实验时建议采用动态测量。

表1：黑体温度与辐射强度记录表

4.将红外辐射传感器移去，控温表设置在60℃，待温度控制好后，将红外辐射传感器移至靠近辐射体处，转动辐射体（辐射体较热，请带上手套进行旋转，以免烫伤）测量不同辐射表面上的辐射强度，记录表2中。

表2：黑体表面与辐射强度记录表

黑体面

黑面

粗糙面

光面1

光面2

辐射强度

注：光面1比光面2的光洁度好，由于光面1上有通光孔，实验时为避免光照对实验的影响，可以用附带的黑色胶带粘住通光孔。

二、探究黑体辐射和距离的关系

1.将GTRH-2黑体辐射测试架紧固在光学导轨左端，红外辐射传感器探头紧贴对准辐射体中心，调整辐射体的位置，直至红外辐射传感器底座上的可线对准光学导轨标尺上的一整刻度，并以此刻度为距离零点。

2.将红外辐射传感器移至导轨另一端，并将辐射体的黑面转动到正对红外辐射传感器。

3.将控温表头设置在90℃，待温度控制好后，移动红外辐射传感器，每移动一定的距离后，记录相应的辐射度，并记录表3中，绘制辐射强度-距离图以及辐射强度-距离的平方图。

4．分析绘制的图形，你能从中得出什么结论，黑体辐射是否具有类似光强和距离的平方成反比的规律。

表3：黑体辐射与距离关系记录表

距离（mm）

400

380

........

0

辐射强度

注：实验过程中，辐射体温度较高，禁止触摸，以免烫伤。

 

三、依据维恩位移定律，测绘物体辐射能量与波长的关系图

1．按实验一，测量不同温度时，辐射体辐射强度和辐射体温度的关系并记录。

2.根据公式3，求出不同温度时的λmax。

3.根据不同温度下的辐射强度和对应的λmax，描绘W-λmax曲线图。

4.分析所描绘图形，并说明原因。

*四、测量不同物体的防辐射能力（选做）

  1.分别测量在辐射体和红外辐射传感器之间放入物体板之前和之后，辐射强度的变化。

  2.放入不同的物体板时，辐射体的辐射强度有何变化，分析原因，你能得出哪重物质的防辐射能力较好，从中你可以得到什么启发。

【实验注意事项】

1.实验过程中，当辐射体温度很高时，禁止触摸辐射体，以免烫伤。

2.测量不同辐射表面对辐射强度影响时，辐射温度不要设置太高，转动辐射体时，应带手套。

3.实验过程中，为避免万用表跳字严重，应尽量避免外界环境的影响。

4.辐射体的光面1光洁度较高，应避免受损。