Приборы и принадлежности: пирометр с источником питания, кинолампа с регулируемым источником питания, амперметр, вольтметр.
Цель работы: изучение законов излучения черного тела и измерение температур с помощью оптического пирометра.
1. Краткая теория
Тепловое излучение является равновесным излучением, т.е. таким излучением, которое находится в состоянии термодинамического равновесия с веществом при данной температуре. При изучении теплового излучения в физике впервые обнаружились его квантовые свойства.
Рассмотрим поток равновесного излучения через единицу площади поверхности тела. Обозначим dR1 и dR2 соответственно приходящий и уходящий потоки в интервале от λ до λ+dλ, а dRr, dRa, dR0 соответственно излученный, поглощенный и отраженный потоки. Тогда dR1 = dRr + dR0, dR2=dRa+dR0.
В условиях термодинамического равновесия должно соблюдаться равенство dR1 = dR2 для любого интервала длин волн.
Следовательно, dRr = dRa. Разделив почленно это равенство на dR1 dλ, получим
Здесь – спектральная плотность энергетической светимости (испускательная способность) тела,
– поглощательная способность тела. Величина dR1 / dλ есть испускательная способность тела, для которого
aλ = 1. Для такого тела dR0 = 0, т.е. излучение полностью поглощается.
Это тело называется абсолютно черным телом.Обозначим испускательную способность черного тела
rλ, тогда равенство (20-1) примет вид
Оно выражает закон Кирхгофа: отношение испускательной способности к поглощательной способности
для любого тела в условиях термодинамического равновесия есть величина постоянная и равная испускательной способности
черного тела при данной температуре. Таким образом, испускательная способность черного тела есть некоторая универсальная
функция только температуры и длины волны, не зависящая от его конкретных физических свойств. В рамках классической физики
эта функция была получена на основе представлений о непрерывном характере испускания и поглощения света и
о равномерном распределении энергии по степеням свободы в виде формулы Рэлея–Джинса
Отсюда следует, что с ростом частоты (λ→0) rλ неограниченно возрастает. Но это означает, что энергетическая светимость черного тела тоже возрастает до бесконечности. Таким образом, формула Рэлея–Джинса приводит к утверждению, что термодинамическое равновесие может наступить только при условии, что вся тепловая энергия тела перейдет в излучение, но это находится в явном противоречии с экспериментом.