Джерела та приймачі світла Лабораторний практикум Частина I джерела світла




НазваДжерела та приймачі світла Лабораторний практикум Частина I джерела світла
Сторінка1/6
Дата конвертації25.06.2013
Розмір0.52 Mb.
ТипДокументы
skaz.com.ua > Фізика > Документы
  1   2   3   4   5   6

Міністерство освіти і науки України

Ужгородський національний університет


Фізичний факультет

Кафедра оптики



Шуста В.С., Гуранич П.П., Сливка О.Г


Джерела та приймачі світла

Лабораторний практикум

Частина I

Джерела світла

Ужгород – 2006

Джерела та приймачі світла
ЧАСТИНА I

Джерела світла”
Методичні розробки до лабораторних робіт

для студентів спеціальності 7.07.01.10

спеціалізація: оптоелектроніка

Фізичний факультет Ужгородського національного університету

Кафедра оптики

Курс-3

Семестр-5


Автори: кандидат фіз.-мат, наук, доцент Шуста В.С.

кандидат фіз.-мат, наук, доцент Гуранич П.П.

доктор фіз.-мат, наук, професор Сливка О.Г.

Відповідальний за випуск:

Кандидат фіз.-мат, наук, доцент Кедюлич В.М.

Рекомендовано до друку

Редакційно видавничою радою

Кафедри оптики Ужгородського держуніверситету

Протокол N 7 від 16 квітня 2006 р.

ЗМІСТ




1. Лабораторна робота №1 ..........................................................................

^ ВИВЧЕННЯ ЗАКОНІВ ТЕПЛОВОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ

2. Лабораторна робота №2 ........................................................................ 4

Вивчення властивостей випромінювання He-Ne лазера...............................................................................................................12

3. Лабораторна робота №3 ........................................................................

^ Дослідження основних параметрів та характеристик напівпровідникових лазерів......................25

4. Лабораторна робота №4 ........................................................................

^ Вивчення основних характеристик та параметрів

світлодіодів.................................................................................................37

5. Лабораторна робота №5 ........................................................................

^ Вивчення спектральних характеристик абсорб-

ційних світлофільтрів..........................................................................45

Лабораторна робота №1

^ ВИВЧЕННЯ ЗАКОНІВ ТЕПЛОВОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ

Мета роботи: ознайомитися із основними законами теплового випромінювання та пірометричним методом визначення температури нагрітих тіл.
^ Необхідні прилади та матеріали:

Спектрометр, зібраний на базі спектрофотометра СФ-4, лампа розжарювання, лабораторний автотрансформатор, оптичний пірометр ОПИР-09.
^ I. Короткі теоретичні відомості:

Тепловим (температурним) випромінюванням називають електромагнітну хвилю, що випромінюється тілом, речовина якого знаходиться в стані термодинамічної рівноваги і характеризується певною температурою. Теплове випромінювання притаманне будь-якому тілу, температура якого відмінна від нуля. Розглянемо основні закони теплового випромінювання:

Теплове випромінювання визначається температурою тіла, і його характеристики є також функцією від довжини хвилі випромінювання. Для опису законів теплового випромінювання вводиться наступні параметри:

– потік випромінювання, що випускається тілом при температурі Т. Він визначається як енергія випромінювання будь-якого спектрального складу в одиницю часу;

— енергетична світність тіла при температурі Т (тут S – площа поверхні тіла, що випромінює);

— випромінювальна здатність тіла, рівна відношенню енергетичної світності тіла, що припадає на вузький діапазон довжин хвиль від до, до величини цього діапазону ;

— поглинальна здатність тіла, рівна відношенню елементарних потоків поглиненого і падаючого на тіло випромінювання. Випромінювальна і поглинальна здатності тіл залежать від температури тіл і від довжини хвилі випромінювання. Для всіх реальних тіл .

Виходячи із законів термодинаміки, Кірхгоф показав, що для рівноважного теплового випромінювання в замкнутій системі відношення випромінювальної і поглинальної здатності тіл не залежить від їх природи і є для всіх тіл однаковою функцією температури і довжини хвилі:



(1)


Записаний вираз називається законом Кірхгофа.

В теорії теплового випромінювання значну роль відіграє модель реальних тіл, що повністю відповідає вимогам рівноважного випромінювання. Ця модель отримала назву „абсолютно чорного тіла”. Абсолютно чорне тіло - тіло, яке при будь-якій температурі повністю поглинає падаючий на нього потік випромінювання, будь-якого спектрального складу. Для абсолютно чорного тіла вводять спеціальні позначення параметрів і .

Відзначимо найбільш характерні особливості випромінювання абсолютно чорного тіла:

  1. Спектр його випромінювання суцільний і не пов'язаний з характерними особливостями спектрів випромінювання речовин.

  2. Його поглинальна здатність не залежить від температури тіла і довжини хвилі поглинаючого випромінювання, і у всіх випадках * = 1.

Кірхгоф установив цей закон на основі другого принципу термодинаміки, згідно якого теплова рівновага в ізольованій системі не може бути порушена простим обміном тепла між окремими її частинами.

Абсолютно чорне тіло, як і всяке інше, підкоряється закону Кірхгофа і для нього справедлива рівність. Оскільки * = 1 то . Тому закон Кірхгофа для нечорних (сірих) тіл набуває вигляд



(2)


З виразу (2) випливає важливий висновок про те, що дослідження теплового випромінювання тіл в стані термодинамічної рівноваги можна здійснювати за допомогою закону теплового випромінювання абсолютно чорного тіла.

Наслідки закону Кірхгофа:

1. Будь-яке тіло випромінює переважно в тій області спектру, в якій має місце поглинання, т.б. випромінювання тим більше, чим біль­ше поглинання світла речовиною.

2. Для реальних фізичних тіл навіть в умовах рівноважного теплового випромінювання Це означає, що при довільній частоті ν та температурі Т випромінююча здатність нечорних тіл не може бути більшою за випромінюючу здатність абсолютно чорного тіла.

Виходячи з визначення і властивостей абсолютно чорного тіла і на основі введення квантів випромінювання , отримана теоретична залежність його випромінювальної здатності від довжини хвилі, описується законом Планка:



(3)


або



(4)


де с – швидкість світла у вакуумі; - енергія фотона і - характерне відношення енергій фотона і теплового руху частинок тіла.

Закон Стефана-Больцмана.

Відзначимо, що площа, обмежена кривою залежності , характеризує енергетичну світимість абсолютно чорного тіла при даній його температурі:

(5)

Підстановкою формули (4) і (5) і подальшим інтегруванням можна отримати вираз для енергетичної світності

(6)

де - постійна Стефана-Больцмана, постійна Больцмана. Вираз (6) був отриманий до появи формули (3) експериментальним шляхом і носить назву закону Стефана-Больцмана.
Закон Віна.

Випромінююча здатність абсолютно чорного тіла прямо пропорційна кубові частоти і являється функцією відношення ν/Τ:



(7)


де а- постійна величина, F - деяка функція, явний вид якої не був заданий Віном.

Наслідки закону Віна:

1. Правило зміщення. Довжина хвилі λmax, якій відповідає максимальна випромінююча здатність, обернено пропорційна абсолютній температурі тіла:



(8)


де b= 2,8978·103 мкм·К - постійна Віна.

2. Максимальна випромінююча здатність прямо пропорційна п'ятій степені абсолютної температури:



(9)

де a=c4b-5F(c/b)- постійна величина..

Закон Релея-Джинса.

Випромінююча здатність чорного тіла прямо пропорційна квадрату частоти та лінійно пропорційна його абсолютній температурі:



(10)

Цей закон узгоджується із експеримен­тальними результатами лише в області малих частот та великих температур.
^ Пірометричні методи вимірювань температури джерел випромінювання

В перекладі з грецького “pyr” означає “вогонь”, “metreo” – “вимірюю” . Під термином “пірометрія” об'єднують сукупність методів безконтактного (оптичного) вимірювання температури, заснованих на контролі теплового випромінювання тіл. Інтенсивність теплового випромінювання різко падає з температурою, тому при температурах нижче 10000C пірометри застосовуються як допоміжні засоби вимірювання. При більш високих температурах вони стають головними, а при   Т>30000С – практично єдиними засобами вимірювання.

Основна умова застосовності методу пірометрії полягає в тому, що випромінювання тіла повинне бути тепловим, тобто його випромінювання не повинне залежати від природи тіла і описуватися формулою Планка. Як правило, нагріті до високих температур тверді тіла і рідини підкоряються цій умові, що ж до газів, в кожному окремому випадку необхідна перевірка даної умови. Так, випромінювання однорідного шару плазми описуватиметься формулою Планка у разі, коли розподіли молекул, атомів, іонів і електронів плазми по швидкостях – максвелівські, заселеності збуджених рівнів- підкоряються закону Больцмана, причому у всіх розподілах температура одна і та ж. Такий стан плазми називається термічною рівновагою. При цьому, крім вищеперелічених умов, необхідно, щоб плазма была просторово однорідною.

Важливим питанням при дослідженні джерел теплового випромінювання є вимірювання їх робочих температур. Методи вимірювання температур джерел випромінювання на основі законів теплового випромінювання назива­ють оптичною пірометрією, а відповідні прилади - пірометрами.

^ Градуювання стрічкової лампи по яскравісній температурі за допомогою оптичного пірометра

Схема оптичного пірометра зі зникаючою ниткою приведена на рис. 1. Основною його частиною є зорова труба 1, усередині якої знаходиться лампа розжарювання 2 з ниткою 3 у виді петлі (рис.1 б). Для вимірювання яскравісної температури стрічкової лампи потрібно направити зорову трубу пірометра так, щоб у його окуляр 4 була видна розжарена стрічка лампи і на її фоні - нитку лампочки пірометра. Регулюючи струм розжарення лампочки за допомогою реостата 5, домагаються рівності яскравості нитки і стрічки. Це відповідає рівності яскравісних температур нитки і стрічки (=665 нм). Пірометр повинен бути заздалегідь проградуйований по абсолютно чорному тілу, тобто повинно бути відомо, який струм розжарення нитки відповідає її зникненню на фоні чорного тіла заданої температури.
^ II. Експериментальна частина.

1.Ознайомитися із оптичною та електричною схемою, принципом дії та правилами роботи на оптичній установці, зібраній на базі спектрофотометра СФ-4, фотопомножувача, електрометричного підсилювача та вимірювального приладу (див. опис лабораторної роботи № 5).



2.Записати спектри випромінювання лампи розжарювання в області спектрального діапазону 400-1000 нм при двох різних температурах. Температуру нитки лампи розжарювання задавати лабораторним автотрансформатором. Вимірювання температури проводити з допомогою оптичного пірометра.

3.Побудувати у відносних координатах спектри випромінювання лампи розжарювання при різних температурах.

4.Розрахувати спектр випромінювання абсолютно чорного тіла і провести порівняння його із спектром лампи розжарювання.

5.На основі отриманих експериментальних результатів провести аналіз основних законів теплового випромінювання.
  1   2   3   4   5   6

Схожі:

Джерела та приймачі світла Лабораторний практикум Частина I джерела світла iconМіністерство освіти україни ужгородський державний університет кафедра...
Лабораторна робота №1. Вивчення основних властивостей фотоемульсійних приймачів випромінювання
Джерела та приймачі світла Лабораторний практикум Частина I джерела світла iconПрограма мк день Портретна зйомка
Світло, його характеристики (жорсткість, температура). Cвітлотінь та об’єм, логіка використання жорсткого та мякого світла. Природне...
Джерела та приймачі світла Лабораторний практикум Частина I джерела світла iconТема: «дифракція світла»
Дифракцією світла називається сукупність явищ, які спостерігаються під час поширення світла в середовищах з різкими неоднорідностями...
Джерела та приймачі світла Лабораторний практикум Частина I джерела світла iconТема : дослідження законів відбивання та заломлення світла
Мета: експериментально перевірити виконання законів відбивання світла; навчитися досліджувати явище заломлення світла на межі двох...
Джерела та приймачі світла Лабораторний практикум Частина I джерела світла iconТема: «інтерференція світла»
Накладання світлових хвиль. Принцип суперпозиції. Фазова І групова швидкості світла
Джерела та приймачі світла Лабораторний практикум Частина I джерела світла iconПрактично-семінарське заняття № Вплив абіотичних факторів на живий організм
Світло як екологічний фактор. Екологічні групи рослин по відношенню до світла та їхні адаптивні особливості. Значення світла для...
Джерела та приймачі світла Лабораторний практикум Частина I джерела світла iconШвидкість світла у вакуумі
Землі до інших планет, під час керування космічними польотами. Виразити швидкість світла через інші сталі неможливо, її можна тільки...
Джерела та приймачі світла Лабораторний практикум Частина I джерела світла iconА. В. Коваленко Лабораторний практикум
Лабораторний практикум з дисципліни „Матеріалознавство та технологія конструкційних матеріалів” для студентів інженерних спеціальностей...
Джерела та приймачі світла Лабораторний практикум Частина I джерела світла iconЛабораторний практикум
Проектування художніх систем одягу. Лабораторний практикум для студентів спеціальності «Швейні вироби» спеціалізації «Моделювання...
Джерела та приймачі світла Лабораторний практикум Частина I джерела світла iconЛабораторний практикум з генетики
Афанасьєва К. С, Рушковський С. Р., Безруков В. Ф., Демидов С. В. Лабораторний практикум з генетики. Посібник для студентів біологічного...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Школьные материалы


База даних захищена авторським правом © 2015
звернутися до адміністрації
skaz.com.ua
Головна сторінка