Качественное исследование видимой части спектра Элементы земного магнетизма Законы сохранения в механике Интерференция света Естественный и поляризованный свет Оптическая пирометрия Полярные и неполярные диэлектрики

Физика лабораторные работы

Оптическая пирометрия

Для измерения температуры раскаленных, а также самосветящихся тел, удаленных от наблюдателя (например, звезд), используются методы оптической пирометрии. Приборы для измерения температуры нагретых тел по интенсивно­сти их теплового излучения в оптическом диапазоне спектра называют пирометрами. Принцип действия этих приборов основан на использовании зависимости испускательной способности и энергетической светимости тел от температуры. В зависимости от того, какой закон теплового излучения используется при измере­нии температуры тел, различают радиационный, цветовой и яркостный методы.

Рис. 3

Радиационный метод основан на использовании закона Стефана -Больцмана. На рис. 3 приведена схема радиационного пирометра. При измерениях температуры прибор наводят на более или менее отдаленный источник света S при помощи объектива Об, позволяющего получать четкое изображение этого источника на приемнике Пр. (В данном случае источником света S служит лампа, питающаяся от трансформатора Тр). Резкость изображения контролируется при помощи окуляра Ок. В качестве приемника в радиационных пирометрах приме­няются термопары с поглощательной способностью аvT, близкой к единице. Один спай термопары нагревается за счет энергии, поступающей от источника S, другой выведен на внешнюю часть прибора и находится при комнатной темпера­туре. Температура нагрева приемника и термоток в цепи термопары, измеряемый гальванометром С, зависят от энергетической светимости Rэ исследуемого тела.

Шкала G градуируется как температурная по излучению абсолютно черного тела. Поэтому для произвольного излучателя пирометр позволяет определить лишь так называемую радиационную температуру Трад, при которой энергети­ческая светимость абсолютно черного тела R*э(Трад) равна энергетической свети­мости Rэ исследуемого тела при его истинной температуре Т

R*э(Трад) = Rэ(Т) (13)

Найдем связь между радиационной температурой нечерного тела и его ис­тинной температурой. Обозначим через ест отношение энергетических светимостей данного тела Rэ и абсолютно черного тела R*э, взятых при одной и той же температуре. Тогда

Rэ(Т) = αT R*э(Т) (14) 

 или

 R*э(Трад) = αT R*э(Т) (15)

С учетом закона Стефана-Больцмана уравнение (15) можно представить в виде

σT4 рад = αT σT4 (16)

Из уравнения (16) следует связь между истинной Т и радиационной Трад температурами тела

  (17)

Так как для нечерных тел αT < 1, истинная температура тела всегда больше ра­диационной. Величину αT для различных веществ можно найти в специальных справочниках.

2. Цветовой метод основан на использовании закона смещения Вина (рис. 5):

λm = b/T (5)

Этот закон применим не только к абсолютно черным, но и к серым телам, так как распределение энергии в спектре излучения серого тела такое же, как и в спектре черного тела, имеющего ту же температуру. Длину волны λm , на которую прихо­дится максимум испускательной способности серого тела, определяют из спек­тральной характеристики исследуемого тела. Найденная таким образом температура называется цветовой, Тцв. Для серых тел цветовая температура совпадает с истинной. Для тел, сильно отличающихся от серых, понятие цветовой температуры теряет смысл. С помощью цветового метода определяют температуру на поверхности Солнца (Тцв = 6500 К) и звезд.

3. Яркостный метод основан на зависимости энергетической светимости абсолютно черного тела от температуры (формула (3)). В качестве яркостного пи­рометра обычно используется пирометр с исчезающей нитью. В основу дейст­вия этого прибора положено сравнение и уравнивание яркости излучения нагре­того тела с яркостью откалиброванной нити пирометра в узком спектральном ин­тервале (определение понятия яркости см. [3]).

Схема пирометра с исчезающей нитью приведена на рис. 4. Прибор представляет собой зрительную трубу с подвижными (для регулировки четкости изо­бражения) объективом Об и окуляром Ок. Внутри трубы имеются эталонная лам­па накаливания Л с дугообразной нитью, расположенной в плоскости изображе­ния исследуемого тела, а также серый светофильтр Ф; и темно-красный фильтр Ф1 (λ = 660 нм), которые можно сдвигать при настройке пирометра. В окуляре Ок одновременно наблюдается изображение исследуемого тела S и нить лампы Л. Поглощательная способность аvT материала нити лампы Л близка к единице.

 Рис. 4

Регулируя ток накала нити Л с помощью реостата К, мы можем добиться того, что нить перестанет быть видимой, исчезнет на фоне нагретого тела. Это будет иметь место, когда яркости тела и нити для используемой длины волны сравняются. Шкалу гальванометра G предварительно градуируют по абсолютно черному телу, нанося на деления шкалы соответствующие значения температуры.

При одинаковой температуре и определенной длине волны нечерные тела имеют меньшую яркость, чем абсолютно черные. Для таких тел яркостный пиро­метр измеряет так называемую яркостную температуру Тярк , при которой яр­кость абсолютно черного тела Л (при введенном светофильтре Ф2) равна яркости исследуемого тела S при истинной температуре Т. Очевидно, что истинная темпе­ратура тела Т > Тярк Разность между Т и Тярк зависит от длины волны и температу­ры, и ее значение для различных веществ можно найти в справочниках.

Лабораторная работа 313

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ СТЕФАНА-БОЛЬЦМАНА С ПОМОЩЬЮ ОПТИЧЕСКОГО ПИРОМЕТРА С ИСЧЕЗАЮЩЕЙ НИТЬЮ ТИПА ОППИР-09

Цель работы - ознакомиться с законами теплового излучения, изучить ра­боту оптического пирометра, измерить с его помощью температуру нагретого те­ла, определить величину постоянной Стефана-Больцмана.

Принципиальная схема оптического пирометра с исчезающей нитью приведена на рис. 4. Исследуемым телом S служит нить кинолампы при разных значениях подводимой к ней мощности.

При температуре окружающей среды Т0 энергетическая светимость нити может быть выражена формулой (4);

RTo = σTo4

 При пропускании электрического тока через кинолампу температура нити повысится до Т. При этом энергетическая светимость станет равной

RT = σT4

 Из определения энергетической светимости (с.З) следует, что мощность, затрачиваемая на поддержание температуры Т нити в среде с температурой Т0 равна (RT - RTo)S, где S- площадь поверхности излучения нити кинолампы. При высокой температуре эта мощность будет равна мощности тока накала и может быть определена по показаниям вольтметра 5 и амперметра 6 (рис.6):

(RT - RTo)S = IU,

или

σ(To - To4)S = IU

где I - сила тока в кинолампе; U - падение напряжения на кинолампе. Отсюда 

  (23)

Поскольку температура накала Т нити кинолампы в несколько раз превышает температуру Т0 окружающей среды, формулу (23) можно представить в виде

  (24)

Описание установки

Общий вид установки для измерения температуры тела оптическим пирометром представлен на рис. 6, где 1 - пирометр типа ОППИР-09; 2 – блок питания эталонной лампы накаливания Л пирометра (см. рис. 4); 3 - кинолампа, нить которой служит исследуемым телом; 4 - автотрансформатор ЛАТР, питающий кинолампу; 5 - вольтметр, измеряющий напряжение U, подаваемое на кинолампу; 6 - амперметр для измерения тока накала I кинолампы; 7 – рифленое кольцо; 8 - шкала измерительного гальванометра G, вмонтированного внутрь пирометра; 9 - оправа окуляра; 10 - ручка красного светофильтра Ф2 ; 11 -объектив.

 В корпус пирометра вмонтирован реостат, регулирующий силу тока в цепи эталонной нити накаливания. Движок реостата в виде рифленого кольца 7 расположен на передней стенке корпуса. Ток накаливания увеличивается поворотом этого кольца по часовой стрелке.

 Рис. 5

Шкала 8 измерительного гальванометра G проградуирована в градусах Цельсия. Температуры ниже 1200°С измеряют по верхней шкале гальванометра. Температуры выше 1200°С измеряют по нижней шкале, предварительно введя в поле зрения серый светофильтр Ф1; (см, рис. 4) с помощью накатанной головки, расположенной на корпусе гальванометра позади шкалы. Светофильтр введен, если белая указательная точка на головке совпадает с индексом «20» на корпусе;

светофильтр не введен, если индекс и точка смещены на 1/4 оборота. Красный светофильтр Ф2 расположен в оправе окуляра 9.

Порядок выполнения работы

1. Включить ЛАТР в сеть 127 В, предварительно установив указатель рукоятки ЛАТРа на нулевую отметку.

2. Вывести оба светофильтра пирометра для удобства фокусировки.

3. Вращением кольца реостата 7 пирометра довести накал эталонной нити пирометра примерно до 1000°С (по шкале 8). При этом в окуляре 9 должна наблюдаться раскаленная дугообразная нить пирометра.

4. Продольным перемещением окуляра сфокусировать нить так, чтобы она была отчетливо видна в поле зрения окуляра.

5. Постепенно вращая рукоятку ЛАТРа по часовой стрелке, довести нить кинолампы до красного накала.

6. Направить пирометр на кинолампу и продольным перемещением объектива 11 добиться четкого изображения спирали кинолампы. Обе нити должны быть четко видны в окуляр. Расстояние между пирометром и кинолампой должно составлять примерно 50 см.

7. Рукояткой ЛАТРа установить напряжение на кинолампе равным 20 В.

8. Вращая кольцо реостата 7 пирометра при введенном красном свето­фильтре Ф2 добиться полного исчезновения эталонной нити накаливания на фоне изображения нити кинолампы. Этот опыт повторить несколько раз, подходя к этому положению поочередно от большей яркости, когда эталонная нить кажется светлой на темном фоне, и от меньшей яркости, когда эталонная нить кажется темной на светлом фоне.

9. Отсчитать по верхней шкале 8 прибора значение яркостной температуры tярк нити кинолампы, перевести это значение в градусы Кельвина (Тярк ) и по графику на лабораторном столе или на рис. 7 определить температуру Т.

10. Полученные значения температур и соответствующие показания вольтметра 5 и амперметра 6 занести в табл. 2.

11. Измерить температуру Т при напряжениях 30 и 40 В, следуя указаниям в пунктах 8-10.

12. После измерений повернуть кольцо реостата пирометра против часовой стрелки до упора и отключить ЛАТР от сети.

13. По формуле (24) подсчитать величину постоянной Стефана-Больцмана для каждого отсчета температуры (S = 1,4 •10-4 м2).

 

Рис.7

По окончании вычислений произвести оценку ошибок полученных результатов для постоянной Стефана - Больцмана о", по следующей схеме:

1. Вычислить среднее арифметическое значение измеряемой величины:

где п -число измерений.

2. Найти остаточные ошибки отдельных измерений:

3. Вычислить среднюю квадратичную ошибку среднего значения;

 

4. При заданной доверительной вероятности δ = 0,95 по таблице Стьюдента найти коэффициент Стьюдента для п измерений, tδ(п).

5. Оценить границы доверительного интервала результата измерений:

 

6. Вычислить относительную погрешность:

 

7. Окончательный результат записать в виде

8. Сравнить полученное значение постоянной Стефана - Больцмана   с табличным σT = 5,7*10-8 Вт/(м2*К4)

 

Лабораторная работа № 4-4

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

Цель работы: изучить устройство, работу электронного осциллографа и генератора звуковой частоты и их применение к исследованию электрических колебаний звуковой частоты.

Оборудование: электронный осциллограф, звуковые генераторы известной и неизвестной частот, соединительные провода.

Введение

Электронный осциллограф – электроизмерительный прибор, предназначен для наблюдения и исследования электрических процессов. С помощью осциллографа можно исследовать форму кривых, описывающих процесс, сравнивать амплитуду и частоту различных сигналов и т.д. Применяя специальные преобразователи, с помощью осциллографа можно также исследовать быстрые неэлектрические процессы, например механические колебания.

В настоящей работе с помощью осциллографа исследуются процессы сложения колебаний одного направления и сложения взаимно перпендикулярных колебаний. В качестве источников колебаний применяют стандартный генератор звуковой частоты (ГЗ), с помощью которого можно получить колебания в широком диапазоне частот, и генератор Гх, частота которого постоянна.

Электронно-лучевая трубка – основной элемент электронного осциллографа (рис. 1). Основные части: 1 – оксидный катод; 2 – электрод, управляющий яркостью изображения, наложением больших или меньших отрицательных напряжений по отношению к катоду; 3 – фокусирующий катод (первый анод), выделяющий узкий электронный пучок; 4 –ускоряющий анод (второй анод), от потенциала которого зависит чувствительность трубки; 5 – две пары вертикально и горизонтально отклоняющих, пластин; 6 – ускоритель (третий анод) усиливает яркость изображения и представляет собой проводящий слой на боковой поверхности экрана; 7 – экран с флюоресцирующим слоем. Попадая на этот слой, электроны вызывают свечение в точке удара.

Генератор развертки. Для получения на экране трубки картины электрического процесса в координатах "напряжение – время" к одной паре пластин подводится линейно меняющееся со временем (пилообразное) напряжение (рис. 2). Электронный луч под действием пилообразного напряжения прочерчивает горизонтальную линию, пробегая за равные отрезки времени равные расстояния. В течение некоторого времени луч возвращается в исходное положение (обратный ход).

Наклон пилообразного напряжения и, следовательно, скорость движения луча можно изменять. При этом будет меняться временной масштаб развертки.

Определение частоты сигналов методом фигур Лиссажу. Если подключить к горизонтальному входу осциллографа источник переменного (синусоидального) тока, то светящаяся точка будет совершать гармоническое колебание вдоль оси Х: . При подключении к вертикальному входу осциллографа источника синусоидального колебания светящаяся точка совершает колебание вдоль оси Y: , где a и b – амплитуды соответствующих смещений,  и  – циклические частоты колебаний вдоль осей X и Y, a – разность фаз колебаний. Траектория движения точки – результат сложения двух взаимно перпендикулярных колебаний. Если частоты взаимно перпендикулярных колебаний неодинаковы, то траектории результирующего движения имеют вид довольно сложных кривых.

Если отношение частот  выражается рациональной дробью, то результирующее движение имеет форму кривой, называемой фигурой Лиссажу. Их вид зависит от соотношения амплитуд, частот и фазы a складываемых взаимно перпендикулярных колебаний. Фигуры Лиссажу вписываются в прямоугольник, центр которого совпадает с нулевым положением луча, а стороны параллельны осям X и Y. В качестве примера для нескольких значений   и разности фаз a фигуры Лиссажу приведены на рис. 3. Чем ближе к единице рациональная дробь, выражающая отношение частот колебаний, тем сложнее фигура Лиссажу.

Порядок выполнения работы

Специальным кабелем или соединительными проводами подключить осциллограф к генератору.

Включив осциллограф и звуковой генератор, получить устойчивую картину сигнала.

Изменяя частоту сигнала звукового генератора получить и зарисовать фигуры Лиссажу для соотношения частот 3:2; 2:1; 1:2; 2:3; 3:1.

Определить для каждого случая частоту колебаний неизвестного генератора, используя формулу , где и  – число точек касания фигуры соответственно с горизонтальной и вертикальной линиями.

Контрольные вопросы

Каково назначение осциллографа?

Из каких основных блоков состоит осциллограф? Каково их назначение?

Как устроена электронно-лучевая трубка? Каким образом формируется в ней электронный луч?

Что получается в результате сложения двух колебаний одинакового направления и при сложении двух взаимно перпендикулярных колебаний?

Как с помощью осциллографа определяется истинное значение амплитуды измеряемого сигнала?

Рекомендательный библиографический список

Бутковский О.Я, Бухарова О.Д., Кузнецов А.А. Лабораторный практикум по физике. Электростатика и постоянный ток / Владим. политехн. ин-т. – Владимир, 1993. – 44 с.

Лабораторный практикум. Колебания и волны: Учеб. пособие /Под ред. В.А. Шилова. – М: МИФИ, 1989. – 56 с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Изучение цепи переменного тока