實驗八黑體實驗(已修改)

1、應(yīng)用物理一班 張利宏 2013326690025黑體實驗【實驗?zāi)康摹?、了解黑體輻射實驗現(xiàn)象，掌握輻射研究方法；    2、學(xué)會儀器調(diào)整與參數(shù)選擇，提高物理數(shù)量關(guān)系與建模能力；    3、通過驗證定律，充實物理假說與思想實驗?zāi)芰Α緦嶒炘怼亢隗w是指能夠完全吸收所有外來輻射的物體，處于熱平衡時，黑體吸收的能量等于輻射的能量，由于黑體具有最大的吸收本領(lǐng)，因而黑體也就具有最大的輻射本領(lǐng)。這種輻射是一種溫度輻射，輻射的光譜分布只與輻射體的溫度有關(guān)，而與輻射方向及周圍環(huán)境無關(guān)。一般輻射體其輻射本領(lǐng)和吸收本領(lǐng)都小于黑體，并且輻射能力不僅與溫度有關(guān)

2、，而且與表面材料的性質(zhì)有關(guān)，實驗中對于輻射能力小于黑體，但輻射的光譜分布與黑體相同的輻射體稱為灰體。由于標(biāo)準(zhǔn)黑體的價格昂貴，本實驗用鎢絲作為輻射體，通過一定修正替代黑體進(jìn)行輻射測量及理論驗證。1黑體輻射的光譜分布十九世紀(jì)末，很多著名的科學(xué)家包括諾貝爾獎獲得者，對于黑體輻射進(jìn)行了大量實驗研究和理論分析，實驗測出黑體的輻射能量在不同溫度下與輻射波長的關(guān)系曲線如圖2所示，對于此分布曲線的理論分析，歷史上曾引起了一場巨大的風(fēng)波，從而導(dǎo)致物理世界圖像的根本變革。維恩試圖用熱力學(xué)的理論并加上一些特定的假設(shè)得出一個分布公式維恩公式。這個分布公式在短波部分與實驗結(jié)果符合較好，而長波部分偏離較大。瑞利和金斯利用

3、經(jīng)典電動力學(xué)和統(tǒng)計物理學(xué)也得出了一個分布公式，他們得出的公式在長波部分與實驗結(jié)果符合較好，而在短波部分則完全不符。因此經(jīng)典理論遭到了嚴(yán)重失敗，物理學(xué)歷史上出現(xiàn)了一個變革的轉(zhuǎn)折點。普朗克研究這個問題時，本著從實際出發(fā)，并大膽引入了一個史無前例的特殊假設(shè)：一個原子只能吸收或者發(fā)射不連續(xù)的一份一份的能量，這個能量份額正比于它的振蕩頻率。并且這樣的能量份額值必須是能量單元h的整數(shù)倍，即能量子的整數(shù)倍。h即是普朗克常數(shù)。由此得到了黑體輻射的光譜分布輻射度公式：式中：第一輻射常數(shù)C12hc23.74×1016（Wm2）第二輻射常數(shù)C2hck1.4388×102（mK）黑體光譜輻射亮度由

4、此式給出：2黑體的積分輻射斯忒藩玻耳茲曼定律斯忒藩和玻耳茲曼先后（1879年）從實驗和理論上得出黑體的總輻射通量與黑體的絕對溫度T的四次方成正比，即：（Wm-2）式中T為黑體的絕對溫度，為斯忒藩玻耳茲曼常數(shù)：式中k為玻耳茲曼常數(shù)，h為普朗克常數(shù)，c為光速。由于黑體輻射是各向相同的，所以其輻射亮度與輻射度的關(guān)系為：于是，斯忒藩玻耳茲曼定律的輻射亮度表達(dá)式為：（Wm2sr）3維恩位移定律諾貝爾獎獲得者維恩于1893年通過實驗與理論分析，得到光譜亮度的最大值的波長與黑體的絕對溫度成反比： 式中：A為常數(shù)，A2.896×103（）。光譜亮度的最大值為： 隨溫度的升高，絕對黑體光譜亮度的最大值

5、的波長向短波方向移動。1.2.3  黑體輻射的光譜分布普朗克輻射定律在實驗測得黑體單色輻出度之后，擺在人們面前的一個饒有興趣的問題是：        怎樣來解釋實驗上測得的M0（，T）-曲線？       怎樣從理論上求得絕對黑體單色輻出度的數(shù)學(xué)表達(dá)式？為此，在19世紀(jì)末許多物理學(xué)家作了巨大努力，從經(jīng)典熱力學(xué)、統(tǒng)計物理學(xué)和電磁學(xué)的基礎(chǔ)上去尋求答案，但始終沒有獲得完全成功。1896年維恩根據(jù)經(jīng)典熱力學(xué)理論導(dǎo)出的公式只是在短波波長與實驗曲線相符；19

6、00年瑞利和瓊斯根據(jù)統(tǒng)計物理學(xué)和經(jīng)典電磁學(xué)理論導(dǎo)出的公式只是在波長很長時不偏離實驗曲線。他們的共同結(jié)論是，在波長比lmax短時，輻射能量將趨于無窮大。這顯然是荒謬的結(jié)果，在物理學(xué)歷史上，這一個難題被稱為“紫外災(zāi)難”?！白贤鉃?zāi)難”表明經(jīng)典物理學(xué)在解釋黑體輻射的實驗規(guī)律上遇到了極大的困難，是19世紀(jì)末經(jīng)典物理學(xué)大廈上的兩朵烏云之一。顯然，如果事實不能被理論說明，那么理論存在缺陷，必須獲得重建。   1900年，對熱力學(xué)有長期研究的德國物理學(xué)家普朗克綜合了維恩公式和瑞利-瓊斯公式，利用內(nèi)插法，引入了一個自己的常數(shù)，結(jié)果得到一個公式，而這個公式與實驗結(jié)果精確相符，它就是普朗克公式，

7、即普朗克輻射定律。此定律用光譜輻射度表示，其形式為：M0(,T)=（瓦特/米3）式中：第一輻射常數(shù)C1 =2hc2= 3.74×10-16 （瓦×米2）第二輻射常數(shù)C2 =hc/=1.4398´10-2（米×開爾文）     事實上，我們不難從普朗克公式推導(dǎo)出維恩公式和瑞利-瓊斯公式?？墒牵@個公式的理論在什么地方？“紫外災(zāi)難”的真正原因是什么？正是這個理論，導(dǎo)致了量子物理學(xué)的產(chǎn)生。在經(jīng)典理論中，空腔器壁上的分子、原子被看作是輻射或吸收電磁波的“振子”，這是經(jīng)典物理學(xué)最基本的前提之一，其能量可以連續(xù)變化，就是說，振

8、子與電磁波之間的能量交換可以無限制地減少或增大。普朗克堅信振子吸收電磁輻射的規(guī)律、能量連續(xù)輻射的傳統(tǒng)觀念一定存在問題，提出了一個與經(jīng)典理論格格不入的全新觀點，那就是普朗克假設(shè)：物體在發(fā)射或吸收頻率為的電磁輻射時，只能以=h為單位進(jìn)行，電磁輻射能量只能是的整數(shù)倍，即E=n=nh，其中h就是普朗克常數(shù)，h=6.6260755×10-34J.s。按照這個假設(shè)，他成功地從理論上推導(dǎo)出普朗克公式?！緦嶒瀮x器】WGH-10型黑體實驗裝置，由光柵單色儀，接收單元，掃描系統(tǒng)，電子放大器，A/D采集單元，電壓可調(diào)的穩(wěn)壓溴鎢燈光源，計算機及打印機*組成。該設(shè)備集光學(xué)、精密機械、電子學(xué)、計算機技術(shù)于一體。

9、    主機部分有以下幾部分組成：單色器，狹縫，接收單元，光學(xué)系統(tǒng)以及光柵驅(qū)動系統(tǒng)等。            M1反射鏡、M2準(zhǔn)光鏡、M3物鏡，M4反射鏡、M5 深橢球鏡、Z轉(zhuǎn)光鏡、G平面衍射光柵、S1入射狹縫、S2，S3出射狹縫、T調(diào)制器   入射狹縫、出射狹縫均為直狹縫，寬度范圍02.5mm連續(xù)可調(diào)，光源發(fā)出的光束進(jìn)入入射狹縫S1，S1位于反射式準(zhǔn)光鏡M2的焦面上，通過S1射入的光束經(jīng)M2反射成平行光束投向平面光柵G上，衍射后的平行光束 經(jīng)物

10、鏡M3成象在S2上。經(jīng)M4、M5會聚在光電接受器D上。    M2、M3 焦距302.5mm    光柵G 每毫米刻線300條 閃耀波長1400nm    濾光片工作區(qū)間： 第一片 8001000nm 第二片 10001600nm 第三片 16002500nm                     

11、;    光學(xué)原理圖本實驗裝置采用穩(wěn)壓溴鎢燈作光源，溴鎢燈的燈絲是用鎢絲制成，鎢是難熔金屬，它的熔點為3665°K。鎢絲燈是一種選擇性的輻射體，它產(chǎn)生的光譜是連續(xù)的它的總輻射本領(lǐng)RT可由下式求出。 式中為溫度T時的總輻射系數(shù)，它是給定溫度鎢絲的輻射強度與絕對黑體的輻射強度之比，因此  或 式中B為常數(shù)，1.47×10-4鎢絲燈的輻射光譜分布RT為【實驗過程】1.打開黑體輻射實驗系統(tǒng)電控箱電源及溴鎢燈電源開關(guān)。2.打開顯示器電源開關(guān)及計算機電源開關(guān)啟動計算機。3.雙擊“黑體”圖標(biāo)進(jìn)入黑體輻射系統(tǒng)軟件主界面，設(shè)置：“工作方式”“模式”為“

12、能量”、“間隔”為“”“工作范圍”“起始波長”為“800.0nm”、“終止波長”為“2500.0nm”、“最大值”為“10000.0”、“最小值”為“0.0” “傳遞函數(shù)”為 , “修正為黑體”為4. 調(diào)節(jié)溴鎢燈工作電流為表2.5,即色溫為2940，點擊“單程”計算傳遞函數(shù)。5點擊“傳遞函數(shù)”、“修正為黑體”為6點擊黑體掃描記錄溴鎢燈光源在傳遞函數(shù)修正和黑體修正后的全譜存于寄存器1內(nèi)。7改變溴鎢燈工作電流，在表1中任選5個電流值，分別進(jìn)行黑體掃描記錄，輸入相應(yīng)的體漫并分別存于5個寄存器內(nèi)8分別對各個寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化。9驗證普朗克輻射定律（取五個點）。10驗證斯忒藩玻耳茲曼定律。11驗證

13、維恩位移定律。12將以上所測輻射曲線與絕對黑體的理論曲線進(jìn)行比較并分析之?！緦嶒灁?shù)據(jù)】數(shù)據(jù)記錄與處理 圖五、五個不同電流值對應(yīng)黑體記錄注明：有上到下曲線分別對應(yīng)2600K，2400K,2200K,2770K,2500K。在曲線中取5個點驗證普朗克輻射定律： 圖六、驗證普朗克輻射取點1 圖七、驗證普朗克輻射定律取點5波長nm光源色溫K理論值實測值誤差123826001493.01492.40.04%155226001211.21150.55.01%139227701760.21711.32.77%139225001167.11127.83.377836.45.99% 表一、驗