Задание 1. Экспериментальное подтверждение закона Малюса
1. Убрать с оптической скамьи все приборы, кроме линзы. Установить на оптической скамье поляризатор и анализатор. Закрепить на экране люксметр.
2. Включить источник света и, перемещая линзу, добиться на датчике люксметра четкое изображение нити накала лампочки.
3. Установить шкалу анализатора на 90°. Поворачивая поляризатор добиться минимальной освещенности.
4. Включить люксметр и измерить освещенность помещения 
.
4. Поворачивая анализатор с шагом 
от 90° до 0° измерить величину освещенности 
. Записать в таблицу 11 величину освещенности, равную 
.
5. Построить график зависимости освещенности Е экрана от угла поворота j анализатора. Сравнить с теоретической зависимостью (1). В качестве принять освещенность света при 
.
Таблица 11. Проверка закона Малюса
| j, ° | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 |
| Е, клк |
Задание 2. Исследование поляризации преломленного света
1. Убрать с оптической скамьи все приборы, кроме линзы. Установить стопу стеклянных пластин так, чтобы их поверхность была перпендикулярно световому лучу. Повернуть стопку пластин на 30°.
2. Установить за стопой пластин анализатор. Вращая анализатор в плоскости перпендикулярной лучу, добиться минимальной интенсивности света на экране.
3. Поворачивая стопку пластин добиться полного гашения света. Зафиксировать значение угла 
. Сравнить с теоретическим значением по формуле (2).
|
|
|
Задание 3. Исследование искусственной оптической анизотропии
1. Убрать с оптической скамьи все приборы, кроме линзы. Установить на оптической скамье поляризатор и анализатор.
2. Вращая анализатор добиться полного гашения световых лучей на экране. Установить между ними органическое стекло, находящееся под механическим напряжением.
3. Вращая анализатор от 0° до 180° убедиться в отсутствии полного гашения света.
Требования к содержанию и оформлению отчета
После выполнения лабораторной работы студент представляет отчёт в следующей форме:
1. Сведения о лабораторной работе:
· номер лабораторной работы;
· название лабораторной работы;
· цель и задачи работы;
· приборы и принадлежности.
2. Методика эксперимента:
· схема установки;
· расчётные формулы.
3. Результаты измерений:
· номер таблицы;
· название таблицы;
· таблица с указанием в графах физических величин, единиц их измерения, погрешностей полученных величин.
4. Графическое представление результатов:
· указать физические величины, отложенные по осям координат, и единицы их измерения;
· построить графики.
5. Выводы:
· краткое изложение полученных результатов;
|
|
|
· результаты, полученные из графиков;
Критерии результативности лабораторной работы
Лабораторная работа считается выполненной, если студент:
· получил экспериментальные и расчетные данные, соответствующие действительным результатам лабораторной работы;
· выполнил все расчеты согласно требованиям таблиц экспериментальных данных;
· правильно оценил погрешности измерений;
· сформулировал выводы о проделанной работе;
· представил индивидуальный письменный отчет, оформленный в соответствии с предъявляемыми к нему требованиями;
· подготовил ответы на все контрольные вопросы данной лабораторной работы.
Контрольные вопросы
1. Какой свет называется поляризованным, плоскополяризованным, частично поляризованным, поляризованным по кругу?
2. Выведите и объясните закон Малюса.
3. В чем состоит явление двойного лучепреломления?
4. Объясните явление интерференции линейно-поляризованного света.
5. Объясните явление фотоупругости. Как проявляется внутреннее напряжение при растяжении и сжатии твердых тел?
Список литературы
1. Детлаф А. А. Яворский Б.М. Курс физики: учебное пособие. – 8-е изд., стер. – М.: Академия, 2009. – 720 с.
2. Савельев И. В. Курс общей физики. В 5 т. Т. 1. Механика: учебное пособие. – СПб.: Издательство «Лань», 2011. – 352 с.
|
|
|
3. Трофимова Т. И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 2012.
4. Трофимова Т. И. Физика в таблицах и формулах: учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по техническим специальностям. – 3-е изд., испр. – М.: Академия, 2009. – 448 с.
Лабораторная работа № 7
Изучение законов теплового излучения
Цель работы
– Ознакомление студентов с изучением законов теплового излучения.
7 .2. Задачи работы:
– Изучить пирометрический метод измерения высоких температур.
– Определить постоянную Стефана-Больцмана.
– Определить зависимость энергетической светимости вольфрама от температуры.
Введение
Измерения температуры тел, нагретых до температуры выше 1500 °С, при помощи термоэлементов, болометров не особенно достоверны. Для этих целей используют способы, в основе которых лежат законы теплового излучения. Методы определения температуры тела, основанные на измерении его интенсивности теплового излучения, называется пирометрией, а приборы, бесконтактно измеряющие температуру тела, называются пирометрами.
Пирометры используются в электроэнергетике для диагностики контактных соединений и линий электропередач, а также в теплоэнергетике для температурного контроля теплотрасс, определения места поломки и обнаружения утечек тепла. Хорошо зарекомендовали себя высокоточные стационарные пирометры в промышленности при производстве металлов, полупроводников и стекломассы. Бесконтактный способ измерения температуры великолепно подошел для контроля над металлургическими процессами – ковке, прессовке и плавке.
|
|
|
В последнее время всё большее применение в промышленности находят инфракрасные пирометры, которые измеряют низкие температуры для контроля низкотемпературных технологических процессов при производстве полиэтилена, полиуретана, полистирола, полипропилена и т. д.
7.4. Компетенции, формируемые в результате выполнения
лабораторной работы
В результате выполнения лабораторной работы формируются следующие компетенции:
· способность демонстрировать базовые знания в области общенаучных дисциплин и готовность использовать основные законы в профессиональной деятельности;
· способность проводить эксперименты по заданной методике, обработку результатов, оценку погрешности и достоверности их результатов;
· способность сопоставлять экспериментальные данные с теоретическими положениями;
· способность оформлять, представлять и докладывать результаты выполненной работы.
Перечисленные компетенции формируются через умения:
· работать с измерительными приборами;
· рассчитывать физические величины по экспериментальным данным;
· анализировать результаты опыта;
· оформлять отчет;
а также владения:
· теоретическим материалом;
· навыками измерения физических величин по приборам;
· технологией обработки экспериментальных данных.
Теоретическая часть
Любой поток световой (электромагнитной) энергии, падающий на поверхность тела, в общем случае частично отражается от нее, частично проходит через тело, а остальная часть поглощается. Поглощенная энергия преобразуется чаще всего в энергию теплового движения молекул и атомов, поэтому тела, поглощающие лучи, нагреваются. В свою очередь, все тела испускают лучистую энергию в виде электромагнитных волн различной длины.
Интенсивность излучения возрастает с повышением температуры. Кроме того, в спектре излучения наблюдается неравномерное распределение энергии по длинам электромагнитных волн. Доля энергии, приходящаяся на различные участки спектра, зависит от температуры излучающего тела. Например, при температуре 900 – 1000 К наибольшая энергия излучения приходится на инфракрасные и красные участки спектра. При дальнейшем нагревании увеличивается доля энергии, приходящейся на видимые лучи.
Электромагнитное излучение, испускаемое веществом и возникающее за счет его внутренней энергии, называется тепловым или температурным излучением. Тепловое излучение имеет сплошной спектр, положение максимума которого зависит от температуры вещества. Это излучение является равновесным, в отличие от других видов излучения, например, люминесценции.
Основными характеристиками теплового излучения являются спектральная плотность энергетической светимости (излучательности), энергетическая светимость (интегральная излучательность) и спектральная поглощательная способность тела.
Поток энергии излучения F (мощность излучения) – количество энергии, излучаемое телом в единицу времени:
.
Спектральная плотность энергетической светимости тела 
– это поток энергии, излучаемой единицей площади поверхности тела в интервале частот от ν до 
.
Энергетическая светимость тела 
(интегральная плотность излучения) – поток энергии, испускаемой единицей поверхности излучающего тела по всем направлениям:
.
Зная спектральную плотность энергетической светимости тела в каждом спектральном участке, можно вычислить энергетическую светимость тела, просуммировав по всем частотам:
 .
| (1) |
Опыт показывает, что излучательная способность тела зависит от длины волны (частоты) и температуры тела.
Спектральная поглощательная способность тела 
– это безразмерная величина, которая показывает, какая доля потока энергии 
падающая на тело поглощается им в интервале частот от ν до :
.
Она характеризует способность тел поглощать падающее на них излучение.
Величины 
и зависят от природы тела, его термодинамической температуры, состояния поверхности и при этом являются функцией частоты и температуры. Тела, для которых 
для всех частот и температур, называют абсолютно черными телами. Тело, для которого поглощательная способность меньше единицы, но одинакова для всех частот и зависит только от температуры, материала и состояния поверхности, называют серым. Следовательно, для серого тела 
.
Тепловое излучение, являющееся равновесным излучением, подчиняется законам теплового излучения, получаемые из принципов термодинамики и квантовой механики. Рассмотрим законы теплового излучения: закон Кирхгофа, Стефана-Больцмана и закон смещения Вина.
Закон Кирхгофа.
Отношение спектральной лучеиспускательной способности тела к его спектральной поглощательной способности не зависит от природы тела, оно является для всех тел универсальной функцией частоты и температуры
 .
| (2) |
Для абсолютно черного тела 
, и, следовательно, 
, т.е. универсальная функция Кирхгофа есть спектральная плотность энергетической светимости абсолютно черного тела.
Попытки найти универсальную функцию Кирхгофа в рамках классической физики не привело к желаемым результатам. Только в 1900 году М. Планком была найдена универсальная функция Кирхгофа, которая блестяще согласовалась с экспериментальными данными. Для этого ему пришлось отказаться от установившегося положения классической физики, согласно которому энергия любой системы может изменяться непрерывно. Согласно выдвинутой Планком квантовой гипотезе, атомные осцилляторы излучают энергию не непрерывно, а определенными порциями – квантами, причем энергия кванта пропорциональна частоте колебания
,
где 
– постоянная Планка.
Используя законы математической статистики, Планк получил универсальную функцию Кирхгофа в спектре равновесного излучения
 ,
| (3) |
где 
– скорость света, 
– постоянная Больцмана.
Энергетическую светимость тела (1), учитывая закон Кирхгофа (2), можно записать в виде:
 .
|
Для серого тела спектральная поглощательная способность не зависит от частоты, поэтому
,
где
 .
| (4) |
энергетическая светимость абсолютно черного тела, зависящая только от температуры.
Закон Стефана-Больцмана.
Закон, устанавливающий зависимость энергетической светимости абсолютно черного тела от температуры, сформулирован на основании экспериментальных данных австрийским физиком Стефаном. Больцман, применяя термодинамический метод, получил теоретическую зависимость энергетической светимости абсолютно черного тела от температуры, решив задачу частично. Согласно закону Стефана-Больцмана
 ,
| (5) |
т.е., энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его термодинамической температуры, где 
– постоянная Стефана-Больцмана.
Для серых тел характер распределения излучения подобен спектру абсолютно черного тела и выражается формулой:
.
где 
– степень черноты тела, равная отношению суммарных испускательных способностей данного тела и абсолютного черного тела, зависит от природы тела, температуры, состояния его поверхности и всегда меньше единицы.
Закон смещения Вина.
Закон Стефана-Больцмана отвечает на вопрос лишь о энергетической светимости абсолютно черного тела и ничего не говорит о спектральном распределении энергии. Из экспериментальных кривых зависимости спектральной плотности излучения от длины волны при различных температурах следует, что распределение энергии в спектре абсолютно черного тела является неравномерным (рис. 19). Все кривые имеют максимум, который с увеличением температуры смещается в сторону более коротких волн.
В 1893 году немецкий физик Вин установил зависимость длины волны 
, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела от температуры Т:
 ,
| (6) |
|
| Рис. 19. Зависимость спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела от длины волны |
где 
– постоянная Вина.
Выражения (5) и (6) также можно получить из формулы Планка (3).
Таким образом, формула Планка не только хорошо согласуется с экспериментальными данными, но и содержит в себе частные законы теплового излучения, а также позволяет вычислить постоянные в законах теплового излучения. Следовательно, формула Планка является полным решением основной задачи теплового излучения, поставленной Кирхгофом, а его гипотеза совершила революцию в физике и привела к созданию новой квантовой физики.
Основываясь на законах теплового излучения, можно определять температуру раскаленных тел. Оптическая пирометрия – методы измерения высоких температур, использующие зависимость спектральной плотности энергетической светимости тел от температуры. Наиболее распространенный способ оптического определения температуры основывается на сравнении яркости нагретого тела в одном определенном спектральном интервале с яркостью черного тела с той же длиной волны. Сравнение производится при помощи пирометра с исчезающей нитью, проградуированному по абсолютно черному телу. Температура 
, определенная по пирометру, ниже истинной термодинамической температуры тела. Яркостная температура – это температура черного тела, при которой его спектральная плотность энергетической светимости равна спектральной плотности энергетической светимости исследуемого тела для той же длины волны, т.е.
,
где Т – истинная температура тела. С учетом закона Кирхгофа 
, получим
.
Поскольку для нечерных тел 
, то 
и, следовательно, яркостная температура всегда меньше истинной температуры T.
Между истинной температурой исследуемого тела и яркостной существует зависимость:
.
Данная зависимость представлена на рисунке 30 (см. приложение 4), предназначенная для определения истинной температуры Т по измеренным значениям яркостной температуры .
Мощность 
, идущая на нагревание нити накала, поверхность которой равна S, почти полностью передается в окружающее пространство в виде теплового излучения. Тогда светимость нити
,
откуда можно экспериментально определить постоянную Стефана-Больцмана:
 .
| (6) |
Описание установки
|
| Рис. 20. Схема экспериментальной установки: 1 – ЛАТР; 2 – блок амперметр-вольтметр; 3 – оптическая скамья; 4 – источник света; 5 – линза; 6 – пирометр |
В данной работе объектом исследования является вольфрамовая спираль источника света 4 соединенная с лабораторным трансформатором (ЛАТР) 1. Потребляемая лампой мощность определяется по показаниям вольтметра и амперметра 2. Для измерения яркостной температуры используется пирометр «ПРОМИНЬ» 6 (рис. 20). Линза 5 предназначена для получения изображения нити накала в фокальной плоскости, в котором расположена нить пирометра. Источник света, линза и пирометр расположены на оптической скамье ФОС-17 3.
Основной частью пирометра является пирометрическая лампа накаливания с дугообразной нитью 1, расположенная вблизи фокуса объектива 2 (рис. 21) .Объектив 2 дает действительное изображение спирали исследуемой лампы в плоскости, где расположена нить пирометрической лампы. Изображение спирали и нити одновременно рассматриваются через окуляр 3. За нитью находится красный светофильтр 7 с длиной воны 656 нм. С помощью рифленого кольца 6 регулируют силу тока через нить 1 и, следовательно, ее яркость. При измерении яркостной температуры регулируют ток в нити до тех пор, пока она не исчезнет на фоне изображения спирали исследуемой лампы. В этот момент производят отсчет температуры по шкале прибора 8 имеющий три шкалы: одну для измерений в интервале температур 800 – 1400°С, другую – для интервала 1200 – 2000°С при введении поглощающего стекла 5, третью – для интервала 1800 – 5000°С при введении дополнительного поглощающего стекла 5.
|
| Рис. 21. Устройство пирометра: 1 – лампа с нитью накала; 2 – объектив; 3 – окуляр; 4 – ручка переключателя измерения диапазона температур; 5 – поглощающее стекло; 6 – ручка регулировки яркости нити; 7 – светофильтр; 8 – шкала прибора |
Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 407; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!