Экспериментальная установка и методика измерений

Рис. 5.3.4

Объектом исследования является раскаленная нить 1 лампы Л (рис.5.3.4). Лампа помещена в защитный кожух 2, в котором имеется прямоугольное окно 3. Проходя через это окно, излучаемый лампой свет попадает на объектив 4 яркостного пирометра П – специального прибора для бесконтактного (осуществляемого на расстоянии) измерения высоких температур.

Схема питания лампы Л от выпрямителя В изображена на рис. 5.3.5. Подаваемое на лампу напряжение регулируется с помощью потенциометра Р ₁ и измеряется вольтметром V ₁; для измерения силы тока, протекающего по нити накала 1, служит амперметр А. Основной частью пирометра П является вмонтированная внутри прибора пирометрическая эталонная лампа Э. Эталонная лампа питается от внешней аккумуляторной батареи Б по схеме, изображенной на рис. 5.3.6. Цепь замыкается тумблером К, расположенным у основания пирометра. Потенциометр Р ₂ служит для регулирования подаваемого на лампу Э напряжения; на практике это осуществляется вращением кольца 6 на корпусе прибора. Температура нити накала эталонной лампы однозначно связана с подаваемым на нее напряжением; шкала 7 измеряющего его вольтметра V ₂ проградуирована в градусах Цельсия.

Рис. 5.3.5

Рис. 5.3.6

Рис. 5.3.7

Рис. 3

Попадающий на объектив 4 свет от исследуемой лампы Л проходит через систему линз оптической трубы пирометра (рис. 5.3.4), позволяющую наблюдать в окуляр 5 совмещенные в одной плоскости изображения нитей накала исследуемой (Л) и эталонной (Э) ламп. Расположенный в оптической трубе красный светофильтр КФ пропускает в окуляр практически монохроматический свет с длиной волны l = 660 нм; поэтому изображения нитей имеют красную окраску.

Изменяя напряжение, подаваемое на эталонную лампу, можно добиться одинаковой яркости обеих нитей. Рисунок 5.3.7 показывает наблюдаемую в окуляр картину в случаях, когда яркость нити Э меньше (а), больше (б) и равна (в) яркости нити Л. В последнем случае эталонная нить становится незаметной на фоне исследуемой (поэтому приборы такого типа называют пирометрами с исчезающей нитью).

При высокой температуре лампы Л предусмотрено введение нейтрального светофильтра НФ с помощью рычажка 8 на корпусе пирометра. Нейтральный светофильтр уменьшает яркость изображения нити Л и позволяет уравнять яркости наблюдаемых в окуляр нитей при меньшем напряжении на лампе Э. При введенном светофильтре НФ показания пирометра снимаются с его нижней шкалы, а при выведенном (низкие температуры) – с верхней.

Так как обычные тела излучают не так, как чёрное тело, то данная температура не будет истинной. Её называют яркостной температурой тела. Действительная температура находится либо при помощи таблиц, прилагаемых к описанию пирометра, либо по графику.

В условиях реального эксперимента обычно измеряемая температура  и температура окружающей среды  отличаются не менее чем в 3 раза, поэтому можно считать, что в (5.3.20) , и

.                                    (5.3.21)

Порядок выполнения работы

1. Ознакомьтесь с лабораторной установкой и измерительными приборами. Запишите № установки. Определите цену деления вольтметра V ₁ и амперметра А в цепи питания лампы Л; научитесь снимать показания этих приборов.

2. Увеличивайте подаваемое на эталонную лампу Э напряжение до тех пор, пока в окуляр не будет видна нить этой лампы (имеющая форму дуги). Если это изображение наблюдается не в красном свете, то введите красный светофильтр КФ. При переключении светофильтров руководствуйтесь подсказками программы.

3. Ознакомьтесь с верхней и нижней шкалами пирометра и научитесь снимать их показания.

4. Убедитесь в том, что нейтральный светофильтр НФ выведен. Включите в сеть цепь питания исследуемой лампы Л.

5. Запишите в таблицу рекомендуемые значения напряжения U. Действуя потенциометром Р ₁ и наблюдая за показаниями вольтметра, установите наименьшее из этих значений.

6. Посмотрите в окуляр пирометра и убедитесь в том, что нить лампы Л видна в поле зрения.

7. Снимите показания амперметра А и запишите значение силы тока в таблицу 5.3.1.

8. Наблюдая в окуляр пирометра изображения обеих нитей и вращая кольцо 6 потенциометра Р ₂, добейтесь их одинаковой яркости (см. рис. 5.3.7). По шкале пирометра определите яркостную температуру нити и занесите её значение (в ° С) в таблицу 5.3.1.

9. Не глядя в окуляр, поверните кольцо 6 против часовой стрелки, тем самым сбив настройку пирометра.

10. Повторите измерения по пунктам 8 и 9 еще дважды. Рассчитайте и занесите в таблицу среднее из трех значений температуры t _ср. Переведите это значение из ° С в кельвины и заполните следующий столбец таблицы (Т _ярк).

11. Увеличивая напряжение U на лампе Л согласно рекомендациям, выполните измерения по пунктам 7-10 ещё пять раз. Когда показания пирометра будут близки к концу его верхней шкалы, введите нейтральный светофильтр НФ; после этого считывайте показания с нижней шкалы.

12. Зная яркостную температуру нити исследуемой лампы, найдите по градуировочному графику (рис. 5.3.8) её действительную температуру; все данные занесите в табл. 5.3.1.

13. По формуле (5.3.21) вычислите постоянную Стефана-Больцмана в каждом опыте. Принять  – коэффициент черноты для вольфрама;  – площадь излучающей поверхности.

14. Найдите среднее значение σ_ср. и рассчитайте случайную погрешность:

.

Здесь  – коэффициент Стьюдента для числа опытов  и доверительной вероятности α =0.95;  – отклонения от среднего в каждом опыте. Оцените относительную погрешность .

Таблица 5.3.1

№	U	I	t	Т ярк	Т дейст
	B	A	^0C	К
1			t 1 = t 2 = t 3 = t ср.=
2			t 1 = t 2 = t 3 = t ср.=
3			t 1 = t 2 = t 3 = t ср.=
4			t 1 = t 2 = t 3 = t ср.=
5			t 1 = t 2 = t 3 = t ср.=
6			t 1 = t 2 = t 3 = t ср.=
						=….	…	=….

15. Из формулы (5.3.17) выразите постоянную Планка, и, воспользовавшись значением σ_ср., вычислите экспериментальное значение h. Сравните с табличным. Сделайте выводы.

Расчеты:

Пример расчета постоянной Стефана-Больцмана (примите  – коэффициент черноты для вольфрама;  – площадь излучающей поверхности)

=