黑体测量实验

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1、黑体测量实验从某种意义上来说，由于我们生活在一个辐射能的环境中，我们被天然的电磁能源所包围，就产生了测量和控制辐射能的要求。随着科学技术的发展，辐射度量的测量对于航空、航天、核能、材料、能源卫生及冶金等高科技部门的发展越来越重要。而黑体辐射源作为标准辐射源,广泛地用作红外设备绝对标准。它可以作为一种标准来校正其他辐射源或红外整机。另外，可利用黑体的基本辐射定律找到实体的辐射规律,计算其辐射量。【实验目的】1.通过实验了解和掌握黑体辐射的光谱分布。2.验证普朗克(Planck)辐射定律。3.验证斯忒藩——波耳兹曼定律。4.验证维恩(Wien)位移定律。5.研究

2、黑体和一般发光体辐射强度的关系。6.学会一般发光源的辐射能量的测量，记录发光源的辐射能量曲线。【实验仪器】WGH—10型黑体实验装置，电控箱，溴钨灯及电源，计算机等【实验原理】1.热辐射与基尔霍夫(Kirchhoff)定律基尔霍夫(Kirchhoff)定律是描述热辐射体性能的最基本定律。任何物体，只要其温度在绝对零度0K以上，就向周围发射辐射，这种由于物体中的原子、分子受到热激发而发射电磁波的现象称为热辐射。只要其温度在绝对零度以上，也要从外界吸收辐射的能量。描述物体辐射规律的物理量是辐射出射度和单色辐射出射度，它们之间的关系为：（1）16实验表明，热辐射具

3、有连续的辐射谱，波长自远红外区延伸到紫外区，并且辐射能量按波长的分布主要决定于物体的温度。处在不同温度和环境下的物体，都以电磁辐射形式发出能量。所谓黑体是指入射的电磁波全部被吸收，既没有反射，也没有透射(当然黑体仍然要向外辐射)。显然自然界不存在真正的黑体，但许多的物体是较好的黑体近似(在某些波段上)。黑体是一种完全的温度辐射体，即任何非黑体所发射的辐射通量都小于同温度下的黑体发射的辐射通量；并且，非黑体的辐射能力不仅与温度有关，而且与表面的材料的性质有关，而黑体的辐射能力则仅与温度有关。在黑体辐射中，存在各种波长的电磁波，其能量按波长的分布与黑体的温度有关

4、。早在1859年，德国物理学家基尔霍夫在总结当时实验发现的基础上，用理论方法得出一切物体热辐射所遵从的普遍规律：在热平衡状态的物体所辐射的能量与吸收的能量之比与物体本身物性无关,只与波长和温度有关。即在相同的温度下，各辐射源的单色辐出度（辐射本领）（，）与单色吸收率（吸收本领）（，）的比值与物体的性质无关。其比值对所有辐射源（=1，2，┄）都一样，是一个只取决于波长和温度的普适函数。（，）与单色吸收率（，）两者中的每一个都随物体的不同而差别非常大。基尔霍夫定律可以表示为：（2）对于所有波长，=1，这种物体成为绝对黑体，由此得到：（3）式中为该温度下黑体对同一

5、波长的单色辐射度。由此可见，基尔霍夫的普适函数正是绝对黑体的光谱辐射度。而=1的辐射体就是绝对黑体，简称黑体(blackbody)16。黑体的辐射亮度在各个方向都相同，即黑体是一个完全的余弦辐射体。辐射能力小于黑体，若，并且对于所有波长，各种温度都是常数，称为灰体（greybody）。灰体的辐射光谱分布与同一温度下黑体的辐射光谱分布相似。自然界并不存在一种物体其固有特性与灰体丝毫不差，但对于有限的波长区域而言，物体可近似于灰体。所有既不是黑体也不是灰体的实际物体，我们称之为选择性辐射体。其吸收本领，且随波长及温度而变，同时也随光线偏振情况以及光线的入射角而变

6、，在这些物体的光谱分布曲线与普朗克曲线不同。自然界中很少有严格意义下的黑体与灰体，一般的热辐射体都是选择性辐射体。2.黑体辐射规律黑体辐射遵循如下三条规律：（1）斯忒藩—波尔兹曼定律（Stefan-Boltzmannlaw）（2）维恩(Wien)位移定律（3）普朗克辐射定律2.1斯忒藩—波尔兹曼定律（Stefan-Boltzmannlaw）斯忒藩—波尔兹曼定律（Stefan-Boltzmannlaw）是热力学中的一个著名定律。1879年约瑟福·斯忒藩（Stefan）通过对实验数据的分析，提出了物体绝对温度为T、面积为S的表面，单位时间所辐射的能量（辐射功率或

7、辐射能通量）存在如下关系：              =曲线下面积5年后，鲁德维格·波尔兹曼（Boltzmann）从理论上推导了这个公式：（4）这就是斯忒藩-波尔兹曼定律。5.670是斯忒藩-波尔兹曼常数，是对所有物体均相同的常数。此式表明,绝对黑体的总辐出度与黑体温度的四次方成正比,即黑体的辐出度(即曲线下的面积)随温度的升高而急剧增大。16由于黑体辐射是各向同性的，所以其辐射亮度与辐射度有关系,斯忒藩—波尔兹曼定律也可以用辐射亮度表示为：(5)2.2 维恩(Wien)位移定律 对应一定温度的曲线有一最高点,位于波长处。温度越高,辐射最强的波长越短,即从红

8、色向蓝紫色光移动.这对于高温物体的颜色由暗红逐渐转向