實(shí)驗(yàn)八黑體實(shí)驗(yàn)(已修改)

1、應(yīng)用物理一班 張利宏 2013326690025黑體實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、了解黑體輻射實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，掌握輻射研究方法；    2、學(xué)會(huì)儀器調(diào)整與參數(shù)選擇，提高物理數(shù)量關(guān)系與建模能力；    3、通過驗(yàn)證定律，充實(shí)物理假說與思想實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α緦?shí)驗(yàn)原理】黑體是指能夠完全吸收所有外來輻射的物體，處于熱平衡時(shí)，黑體吸收的能量等于輻射的能量，由于黑體具有最大的吸收本領(lǐng)，因而黑體也就具有最大的輻射本領(lǐng)。這種輻射是一種溫度輻射，輻射的光譜分布只與輻射體的溫度有關(guān)，而與輻射方向及周圍環(huán)境無關(guān)。一般輻射體其輻射本領(lǐng)和吸收本領(lǐng)都小于黑體，并且輻射能力不僅與溫度有關(guān)

2、，而且與表面材料的性質(zhì)有關(guān)，實(shí)驗(yàn)中對(duì)于輻射能力小于黑體，但輻射的光譜分布與黑體相同的輻射體稱為灰體。由于標(biāo)準(zhǔn)黑體的價(jià)格昂貴，本實(shí)驗(yàn)用鎢絲作為輻射體，通過一定修正替代黑體進(jìn)行輻射測(cè)量及理論驗(yàn)證。1黑體輻射的光譜分布十九世紀(jì)末，很多著名的科學(xué)家包括諾貝爾獎(jiǎng)獲得者，對(duì)于黑體輻射進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，實(shí)驗(yàn)測(cè)出黑體的輻射能量在不同溫度下與輻射波長(zhǎng)的關(guān)系曲線如圖2所示，對(duì)于此分布曲線的理論分析，歷史上曾引起了一場(chǎng)巨大的風(fēng)波，從而導(dǎo)致物理世界圖像的根本變革。維恩試圖用熱力學(xué)的理論并加上一些特定的假設(shè)得出一個(gè)分布公式維恩公式。這個(gè)分布公式在短波部分與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好，而長(zhǎng)波部分偏離較大。瑞利和金斯利用

3、經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)也得出了一個(gè)分布公式，他們得出的公式在長(zhǎng)波部分與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好，而在短波部分則完全不符。因此經(jīng)典理論遭到了嚴(yán)重失敗，物理學(xué)歷史上出現(xiàn)了一個(gè)變革的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。普朗克研究這個(gè)問題時(shí)，本著從實(shí)際出發(fā)，并大膽引入了一個(gè)史無前例的特殊假設(shè)：一個(gè)原子只能吸收或者發(fā)射不連續(xù)的一份一份的能量，這個(gè)能量份額正比于它的振蕩頻率。并且這樣的能量份額值必須是能量單元h的整數(shù)倍，即能量子的整數(shù)倍。h即是普朗克常數(shù)。由此得到了黑體輻射的光譜分布輻射度公式：式中：第一輻射常數(shù)C12hc23.74×1016（Wm2）第二輻射常數(shù)C2hck1.4388×102（mK）黑體光譜輻射亮度由

4、此式給出：2黑體的積分輻射斯忒藩玻耳茲曼定律斯忒藩和玻耳茲曼先后（1879年）從實(shí)驗(yàn)和理論上得出黑體的總輻射通量與黑體的絕對(duì)溫度T的四次方成正比，即：（Wm-2）式中T為黑體的絕對(duì)溫度，為斯忒藩玻耳茲曼常數(shù)：式中k為玻耳茲曼常數(shù)，h為普朗克常數(shù)，c為光速。由于黑體輻射是各向相同的，所以其輻射亮度與輻射度的關(guān)系為：于是，斯忒藩玻耳茲曼定律的輻射亮度表達(dá)式為：（Wm2sr）3維恩位移定律諾貝爾獎(jiǎng)獲得者維恩于1893年通過實(shí)驗(yàn)與理論分析，得到光譜亮度的最大值的波長(zhǎng)與黑體的絕對(duì)溫度成反比： 式中：A為常數(shù)，A2.896×103（）。光譜亮度的最大值為： 隨溫度的升高，絕對(duì)黑體光譜亮度的最大值

5、的波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。1.2.3  黑體輻射的光譜分布普朗克輻射定律在實(shí)驗(yàn)測(cè)得黑體單色輻出度之后，擺在人們面前的一個(gè)饒有興趣的問題是：        怎樣來解釋實(shí)驗(yàn)上測(cè)得的M0（，T）-曲線？       怎樣從理論上求得絕對(duì)黑體單色輻出度的數(shù)學(xué)表達(dá)式？為此，在19世紀(jì)末許多物理學(xué)家作了巨大努力，從經(jīng)典熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理學(xué)和電磁學(xué)的基礎(chǔ)上去尋求答案，但始終沒有獲得完全成功。1896年維恩根據(jù)經(jīng)典熱力學(xué)理論導(dǎo)出的公式只是在短波波長(zhǎng)與實(shí)驗(yàn)曲線相符；19

6、00年瑞利和瓊斯根據(jù)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)和經(jīng)典電磁學(xué)理論導(dǎo)出的公式只是在波長(zhǎng)很長(zhǎng)時(shí)不偏離實(shí)驗(yàn)曲線。他們的共同結(jié)論是，在波長(zhǎng)比lmax短時(shí)，輻射能量將趨于無窮大。這顯然是荒謬的結(jié)果，在物理學(xué)歷史上，這一個(gè)難題被稱為“紫外災(zāi)難”?！白贤鉃?zāi)難”表明經(jīng)典物理學(xué)在解釋黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律上遇到了極大的困難，是19世紀(jì)末經(jīng)典物理學(xué)大廈上的兩朵烏云之一。顯然，如果事實(shí)不能被理論說明，那么理論存在缺陷，必須獲得重建。   1900年，對(duì)熱力學(xué)有長(zhǎng)期研究的德國(guó)物理學(xué)家普朗克綜合了維恩公式和瑞利-瓊斯公式，利用內(nèi)插法，引入了一個(gè)自己的常數(shù)，結(jié)果得到一個(gè)公式，而這個(gè)公式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確相符，它就是普朗克公式，

7、即普朗克輻射定律。此定律用光譜輻射度表示，其形式為：M0(,T)=（瓦特/米3）式中：第一輻射常數(shù)C1 =2hc2= 3.74×10-16 （瓦×米2）第二輻射常數(shù)C2 =hc/=1.4398´10-2（米×開爾文）     事實(shí)上，我們不難從普朗克公式推導(dǎo)出維恩公式和瑞利-瓊斯公式?？墒牵@個(gè)公式的理論在什么地方？“紫外災(zāi)難”的真正原因是什么？正是這個(gè)理論，導(dǎo)致了量子物理學(xué)的產(chǎn)生。在經(jīng)典理論中，空腔器壁上的分子、原子被看作是輻射或吸收電磁波的“振子”，這是經(jīng)典物理學(xué)最基本的前提之一，其能量可以連續(xù)變化，就是說，振

8、子與電磁波之間的能量交換可以無限制地減少或增大。普朗克堅(jiān)信振子吸收電磁輻射的規(guī)律、能量連續(xù)輻射的傳統(tǒng)觀念一定存在問題，提出了一個(gè)與經(jīng)典理論格格不入的全新觀點(diǎn)，那就是普朗克假設(shè)：物體在發(fā)射或吸收頻率為的電磁輻射時(shí)，只能以=h為單位進(jìn)行，電磁輻射能量只能是的整數(shù)倍，即E=n=nh，其中h就是普朗克常數(shù)，h=6.6260755×10-34J.s。按照這個(gè)假設(shè)，他成功地從理論上推導(dǎo)出普朗克公式?！緦?shí)驗(yàn)儀器】WGH-10型黑體實(shí)驗(yàn)裝置，由光柵單色儀，接收單元，掃描系統(tǒng)，電子放大器，A/D采集單元，電壓可調(diào)的穩(wěn)壓溴鎢燈光源，計(jì)算機(jī)及打印機(jī)*組成。該設(shè)備集光學(xué)、精密機(jī)械、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體。

9、    主機(jī)部分有以下幾部分組成：?jiǎn)紊?，狹縫，接收單元，光學(xué)系統(tǒng)以及光柵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。            M1反射鏡、M2準(zhǔn)光鏡、M3物鏡，M4反射鏡、M5 深橢球鏡、Z轉(zhuǎn)光鏡、G平面衍射光柵、S1入射狹縫、S2，S3出射狹縫、T調(diào)制器   入射狹縫、出射狹縫均為直狹縫，寬度范圍02.5mm連續(xù)可調(diào)，光源發(fā)出的光束進(jìn)入入射狹縫S1，S1位于反射式準(zhǔn)光鏡M2的焦面上，通過S1射入的光束經(jīng)M2反射成平行光束投向平面光柵G上，衍射后的平行光束 經(jīng)物

10、鏡M3成象在S2上。經(jīng)M4、M5會(huì)聚在光電接受器D上。    M2、M3 焦距302.5mm    光柵G 每毫米刻線300條 閃耀波長(zhǎng)1400nm    濾光片工作區(qū)間： 第一片 8001000nm 第二片 10001600nm 第三片 16002500nm                     

11、;    光學(xué)原理圖本實(shí)驗(yàn)裝置采用穩(wěn)壓溴鎢燈作光源，溴鎢燈的燈絲是用鎢絲制成，鎢是難熔金屬，它的熔點(diǎn)為3665°K。鎢絲燈是一種選擇性的輻射體，它產(chǎn)生的光譜是連續(xù)的它的總輻射本領(lǐng)RT可由下式求出。 式中為溫度T時(shí)的總輻射系數(shù)，它是給定溫度鎢絲的輻射強(qiáng)度與絕對(duì)黑體的輻射強(qiáng)度之比，因此  或 式中B為常數(shù)，1.47×10-4鎢絲燈的輻射光譜分布RT為【實(shí)驗(yàn)過程】1.打開黑體輻射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電控箱電源及溴鎢燈電源開關(guān)。2.打開顯示器電源開關(guān)及計(jì)算機(jī)電源開關(guān)啟動(dòng)計(jì)算機(jī)。3.雙擊“黑體”圖標(biāo)進(jìn)入黑體輻射系統(tǒng)軟件主界面，設(shè)置：“工作方式”“模式”為“

12、能量”、“間隔”為“”“工作范圍”“起始波長(zhǎng)”為“800.0nm”、“終止波長(zhǎng)”為“2500.0nm”、“最大值”為“10000.0”、“最小值”為“0.0” “傳遞函數(shù)”為 , “修正為黑體”為4. 調(diào)節(jié)溴鎢燈工作電流為表2.5,即色溫為2940，點(diǎn)擊“單程”計(jì)算傳遞函數(shù)。5點(diǎn)擊“傳遞函數(shù)”、“修正為黑體”為6點(diǎn)擊黑體掃描記錄溴鎢燈光源在傳遞函數(shù)修正和黑體修正后的全譜存于寄存器1內(nèi)。7改變溴鎢燈工作電流，在表1中任選5個(gè)電流值，分別進(jìn)行黑體掃描記錄，輸入相應(yīng)的體漫并分別存于5個(gè)寄存器內(nèi)8分別對(duì)各個(gè)寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化。9驗(yàn)證普朗克輻射定律（取五個(gè)點(diǎn)）。10驗(yàn)證斯忒藩玻耳茲曼定律。11驗(yàn)證

13、維恩位移定律。12將以上所測(cè)輻射曲線與絕對(duì)黑體的理論曲線進(jìn)行比較并分析之。【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)】數(shù)據(jù)記錄與處理 圖五、五個(gè)不同電流值對(duì)應(yīng)黑體記錄注明：有上到下曲線分別對(duì)應(yīng)2600K，2400K,2200K,2770K,2500K。在曲線中取5個(gè)點(diǎn)驗(yàn)證普朗克輻射定律： 圖六、驗(yàn)證普朗克輻射取點(diǎn)1 圖七、驗(yàn)證普朗克輻射定律取點(diǎn)5波長(zhǎng)nm光源色溫K理論值實(shí)測(cè)值誤差123826001493.01492.40.04%155226001211.21150.55.01%139227701760.21711.32.77%139225001167.11127.83.377836.45.99% 表一、驗(yàn)