熱輻射成像實(shí)驗(yàn)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上重 慶 大 學(xué) 物 理 實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告 物理學(xué)院 2015 級(jí) 物理學(xué) 專業(yè) 姓名 高曉君 學(xué)號(hào) 開課學(xué)院、實(shí)驗(yàn)室: 物理學(xué)院、DS1208試驗(yàn)時(shí)間：2016年4月18日課 程名 稱近代物理實(shí)驗(yàn)1實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名 稱熱輻射成像實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目類型驗(yàn)證演示綜合設(shè)計(jì)其他指 導(dǎo)老 師劉安平成 績(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、 研究物體的輻射面、輻射體溫度對(duì)物體輻射能力大小的影響，并分析原因。2、 測(cè)量改變測(cè)試點(diǎn)與輻射體距離時(shí)，物體輻射強(qiáng)度P和距離S以及距離的平方S2的關(guān)系，并描繪P-S2曲線。3、 依據(jù)維恩位移定律，測(cè)繪物體輻射能量與波長的關(guān)系圖。4、 測(cè)量不同物體的防輻射能力，你能夠從中得到哪些啟

2、發(fā)？（選做）5、 了解紅外成像原理，根據(jù)熱輻射原理測(cè)量發(fā)熱物體的形貌（紅外成像）。實(shí)驗(yàn)原理：熱輻射的真正研究是從基爾霍夫（G.R.Kirchhoff）開始的。1859年他從理論上導(dǎo)入了輻射本領(lǐng)、吸收本領(lǐng)和黑體概念，他利用熱力學(xué)第二定律證明了一切物體的熱輻射本領(lǐng)r(,T)與吸收本領(lǐng)(,T)成正比，比值僅與頻率和溫度T有關(guān)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： （3-1）式中F(,T)是一個(gè)與物質(zhì)無關(guān)的普適函數(shù)。在1861年他進(jìn)一步指出，在一定溫度下用不透光的壁包圍起來的空腔中的熱輻射等同于黑體的熱輻射。1879年，斯特藩（J.Stefan）從實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出了黑體輻射的輻射本領(lǐng)R與物體絕對(duì)溫度T 四次方成正比的結(jié)論；1

3、884年，玻耳茲曼對(duì)上述結(jié)論給出了嚴(yán)格的理論證明，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： （3-2）即斯特藩-玻耳茲曼定律，其中為玻耳茲曼常數(shù)。1888年，韋伯（H.F.Weber）提出了波長與絕對(duì)溫度之積是一定的。1893年維恩（wilhelmwien）從理論上進(jìn)行了證明，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： （3-3）式中b2.8978×10-3( m.K )為一普適常數(shù)，隨溫度的升高，絕對(duì)黑體光譜亮度的最大值的波長向短波方向移動(dòng)，即維恩位移定律。1900年，英國物理學(xué)家瑞利（Lord Rayleigh）從能量按自由度均分定律出發(fā)，推出了黑體輻射的能量分布公式： (3-5)該公式被稱之為瑞利·金斯公式，公式在長

4、波部分與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較相符，但在短波部分卻出現(xiàn)了無窮值，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果是趨于零。這部分嚴(yán)重的背離，被稱之為“紫外災(zāi)難”。1900年德國物理學(xué)家普朗克（M.Planck），在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，采用內(nèi)插法將適用于短波的維恩公式和適用于長波的瑞利·金斯公式銜接起來，得到了在所有波段都與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合的很好的黑體輻射公式： (3-6)式中,均為常數(shù)，但該公式的理論依據(jù)尚不清楚。這一研究的結(jié)果促使普朗克進(jìn)一步去探索該公式所蘊(yùn)含的更深刻的物理本質(zhì)。他發(fā)現(xiàn)如果作如下“量子”假設(shè)：對(duì)一定頻率 的電磁輻射，物體只能以h為單位吸收或發(fā)射它,也就是說，吸收或發(fā)射電磁輻射只能以“量子”的方式進(jìn)行，每個(gè)“量子”的能

5、量為：E = h ，稱之為能量子。式中h是一個(gè)用實(shí)驗(yàn)來確定的比例系數(shù)，被稱之為普朗克常數(shù)，它的數(shù)值是6.62559×10-34焦耳秒。公式（3-6）中的,可表述為：,，它們均與普朗克常數(shù)相關(guān)，分別被稱為第一輻射常數(shù)和第二輻射常數(shù)。 實(shí)驗(yàn)儀器：DHRH-1測(cè)試儀、黑體輻射測(cè)試架紅外成像測(cè)試架、紅外熱輻射傳感器半自動(dòng)掃描平臺(tái)、光學(xué)導(dǎo)軌（60cm）計(jì)算機(jī)軟件以及專用連接線等實(shí)驗(yàn)步驟：一、 物體溫度以及物體表面對(duì)物體輻射能力的影響。1、將黑體熱輻射測(cè)試架，紅外傳感器安裝在光學(xué)導(dǎo)軌上，調(diào)整紅外熱輻射傳感器的高度，使其正對(duì)模擬黑體（輻射體）中心，然后再調(diào)整黑體輻射測(cè)試架和紅外熱輻射傳感器的距離為

6、一較合適的距離并通過光具座上的緊固螺絲鎖緊。2、將黑體熱輻射測(cè)試架上的加熱電流輸入端口和控溫傳感器端口分別通過專用連接線和DHRH-1測(cè)試儀面板上的相應(yīng)端口相連；用專用連接線將紅外傳感器和DHRH-I面板上的專用接口相連；檢查連線是否無誤，確認(rèn)無誤后，開通電源，對(duì)輻射體進(jìn)行加熱，見圖3-2所示。3、記錄不同溫度時(shí)的輻射強(qiáng)度，填入表1中，并繪制溫度-輻射強(qiáng)度曲線圖。表1：黑體溫度與輻射強(qiáng)度記錄表溫度t（）202530.80輻射強(qiáng)度P（V）4、將紅外輻射傳感器移開，控溫表設(shè)置在60，待溫度控制好后，將紅外輻射傳感器移至靠近輻射體處，轉(zhuǎn)動(dòng)輻射體（輻射體較熱，請(qǐng)帶上手套進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以免燙傷）測(cè)量不同輻射

7、表面上的輻射強(qiáng)度（實(shí)驗(yàn)時(shí)，保證熱輻射傳感器與待測(cè)輻射面距離相同，便于分析和比較），記錄表2中。表2：黑體表面與輻射強(qiáng)度記錄表黑體面黑面粗糙面光面1光面2（帶孔）輻射強(qiáng)度（V）二、 探究黑體輻射和距離的關(guān)系1、按照實(shí)驗(yàn)一的步驟2把線連接好，連線圖同圖3-2。2、將黑體熱輻射測(cè)試架緊固在光學(xué)導(dǎo)軌左端某處，紅外傳感器探頭緊貼對(duì)準(zhǔn)輻射體中心，稍微調(diào)整輻射體和紅外傳感器的位置，直至紅外輻射傳感器底座上的刻線對(duì)準(zhǔn)光學(xué)導(dǎo)軌標(biāo)尺上的一整刻度，并以此刻度為兩者之間距離零點(diǎn)。3、將紅外傳感器移至導(dǎo)軌另一端，并將輻射體的黑面轉(zhuǎn)動(dòng)到正對(duì)紅外傳感器。4、將控溫表頭設(shè)置在80，待溫度控制穩(wěn)定后，移動(dòng)紅外傳感器的位置，每移

8、動(dòng)一定的距離后，記錄測(cè)得的輻射強(qiáng)度，并記錄在表3中，繪制輻射強(qiáng)度-距離圖以及輻射強(qiáng)度-距離的平方圖,即P-S和P-S2圖。5、分析繪制的圖形，你能從中得出什么結(jié)論，黑體輻射是否具有類似光強(qiáng)和距離的平方成反比的規(guī)律？ 實(shí)驗(yàn)記錄：一、物體溫度以及物體表面對(duì)物體輻射能力的影響（1）黑體溫度與輻射強(qiáng)度記錄表（2）黑體表面與輻射強(qiáng)度記錄表黑體面黑面粗糙面光面1光面2(帶孔)輻射強(qiáng)度(mV)0.9980.7020.6830.665二、探究黑體輻射和距離的關(guān)系（3）黑體輻射與距離關(guān)系記錄表距離S（mm）340320300280260240220輻射強(qiáng)度P(mV)0.640.6520.6630.6710.67

9、80.6850.697距離S（mm）20018016014012010080輻射強(qiáng)度P(mV)0.7020.7090.7260.7860.8450.9111.024距離S（mm）6040200輻射強(qiáng)度P(mV)1.1081.2141.2411.247數(shù)據(jù)處理：一、物體溫度以及物體表面對(duì)物體輻射能力的影響（1）黑體溫度與輻射強(qiáng)度記錄表溫度39.91743.09145.16648.27950.35453.52855.725輻射強(qiáng)度0.6370.6410.6470.6520.6540.6590.663溫度58.89960.97463.1165.24768.48170.61872.815輻射強(qiáng)度0.6730.6760.6830.6880.7010.710.717黑體溫度與輻射強(qiáng)度關(guān)系圖：擬合后得到關(guān)系式：T=0.53614+0.00238P。溫度與輻射強(qiáng)度滿足線性關(guān)系。（2）黑體表面與輻射強(qiáng)度關(guān)系：黑體面黑面粗糙面光面1光面2(帶孔)輻射強(qiáng)度(V)0.9980.7020.6830.665物體的輻射面對(duì)熱能吸收越大，表面的輻射強(qiáng)度越大，所以可以看到黑面輻射最大，隨著輻射面越來越光滑，顏色越來越白，輻射強(qiáng)度也越來越小。二、探究黑體輻射和距