Определение постоянной Стефана – Больцмана

 

В работе в качестве исследуемого тела применяется вольфрамовая спираль накала электрической лампы. Потребляемая лампой электрическая мощность  равна:

                                               (4)

где  – сила тока в лампе;  – напряжение на лампе.

Приближенно считая вольфрамовую спираль серым телом, найдем мощность теплового излучения спирали:

                                             (5)

где S – площадь излучаемой поверхности спирали.

Считая, что потребляемая лампой электрическая мощность преобразуется в мощность теплового излучения , получим:

.                                                  (6)

 

Порядок выполнения работы

 

1. Проверьте электрическую схему установки, включите источник питания и измерительные приборы, руководствуясь прилагаемой инструкцией по работе с приборами.

2. Реостатом  установите необходимый накал спирали исследуемой лампы. Снимите отсчёт с приборов, измеряющих силу тока и напряжение в исследуемой лампе.

3. Перемещая объектив и окуляр пирометра относительно корпуса, добейтесь получения резких изображений нити накала фотометрической лампы пирометра и спирали исследуемой лампы (рис. 93). Ориентируя тубус пирометра, совместите изображения.

Рис. 93. Изображения нити накала фотометрической лампы пирометра и спирали исследуемой лампы

 

4. Регулируя силу тока в цепи пирометра, добейтесь слияния изображения нити накала пирометра с фоном исследуемого тела (в точках совмещения нити накала и исследуемой спирали они должны иметь одинаковые яркости). Снимите отсчет тока пирометра  и определите яркостную температуру по градуировочному графику , прилагаемому к пирометру.

5. По соотношению

определите температуру термодинамическую (истинную) температуру  спирали накала исследуемой лампы. По графику зависимости  определите  для данной температуры и по формуле

рассчитайте постоянную Стефана - Больцмана.

6. Изменяя 5–6 раз ток накала исследуемой лампы, проведите измерения по пунктам 2–5 предыдущего задания. Данные занесите в табл. 1.

7. Найдите среднее значение , по формуле Стьюдента рассчитайте случайную погрешность . Оцените правильность выполненных измерений, сравнив полученный результат с табличным значением .

Таблица 1

 

№

 

Контрольные вопросы:

1. Что понимают под тепловым излучением?

2. Спектральные и интегральные характеристики теплового излучения. Как они связаны между собой?

3. Что понимают под черными и серыми телами?

4. Закон Стефана - Больцмана для черного и серого тела.

5. Как формулируется закон Кирхгофа? Как зависят излучательные и поглощательные свойства тел от степени их черноты?

6. Распределение мощности по спектру излучения черного тела. Закон смещения Вина. Как можно объяснить изменение цвета свечением тела при его нагревании?

7. Что такое оптическая пирометрия? Какие виды пирометров существуют?

8. Что такое яркостная температура тела? Как по яркостной температуре можно определить истинную?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 19.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОТОЭФФЕКТА

Цель работы: изучение внешнего фотоэффекта, определение постоянной Планка.

Приборы и принадлежности: компьютер с установленной программой.

 

Методика измерений

 

Перед началом работы ознакомьтесь с теорией фотоэффекта, настоящим описанием и программой modfot, моделирующей явление фотоэффекта на различных материалах.

 

Порядок выполнения работы

 

Задание №1. Измерение постоянной Планка

1. Включите компьютер используя личные логин и пароль.

2. Запустите с рабочего стола компьютера файл modfot.

3. В открывшемся окне имитируется работа вакуумного фотоэлемента (рис. 94). Изменяя интенсивность падающего света, ускоряющее или задерживающее напряжение проверьте справедливость законов фотоэффекта: закона Столетова, зависимость кинетической энергии электронов от частоты света, существование красной границы.

Рис.94. Работа вакуумного фотоэлемента

 

4. Для трёх разных металлов катода (металлы задает преподаватель) снимите зависимость запирающего напряжения от длины волны падающего света. Число значений длин волн должно быть не менее пяти. Данные занесите в таблицу.

Таблица 1

 

Металл 1				Металл 2				Металл 3
Цвет				Цвет				Цвет

 

5. По данным таблицы постройте зависимости  для выбранных материалов катода и убедитесь в том, что зависимости линейные и прямые параллельны друг другу.

6. Экстраполируя прямые  на ось  и ось  определите граничную частоту  и работу выхода .

7. Сравните полученные значения с табличными.

 

Задание №2. Определение постоянной Планка

1. Постоянная Планка:

,

где  граничная частота. Используя полученные в задании 1 графики, рассчитайте , для нескольких значений  (не менее трёх), найдите среднее и рассчитайте погрешность по формуле Стьюдента.

2. Сравните полученное значение  табличным. Результат запишите в формате:

 

Контрольные вопросы

1. В чем принципиальное отличие внешнего фотоэлектрического эффекта от других механизмов освобождения электронов из твердых тел под действием электромагнитного излучения (образование электрон-позитронной пары, эффект Комптона)?

2. Что такое кванты света и каковы их основные характеристики?

3. В чём заключается явление внешнего фотоэффекта? Сформулируйте основные законы фотоэффекта.

4 Чем определяется числовое значение граничной частоты или красной границы фотоэффекта?

5. Нарисуйте типичные вольтамперные зависимости вакуумного фотоэлемента при неизменной частоте и при неизменном световом потоке.

6. Чем объясняется то, что спад силы фототока с возрастанием тормозящего поля не наблюдается резким?

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 20.

ОПРЕДЕЛНИЕ ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА

Цель работы: Изучение законов внешнего фотоэффекта, определение красной границы фотоэффекта, работы выхода электрона и постоянной Планка.

Приборы и принадлежности: зеркальный монохроматор SPM-2, вакуумный фотоэлемент ЦЗ-3, 2 универсальных блока питания, источник света; наноамперметр (вольтметр В7-27)