熱輻射實驗演示儀及熱輻射規(guī)律探究

馬洪良，王春濤，張義邴，韓詠梅，易傳詳

（上海大學 物理實驗中心，上海200444）

1 引 言

因熱引起的電磁波輻射稱為熱輻射，一切溫度高于絕對零度的物體都能產(chǎn)生熱輻射，溫度愈高，輻射出的總能量就愈大，短波成分也愈多.熱輻射的光譜是連續(xù)譜，一般的熱輻射主要靠波長較長的可見光和紅外線傳播.由于電磁波的傳播無需任何介質(zhì)，所以熱輻射是在真空中唯一的傳熱方式.物體在向外輻射的同時，還吸收從其他物體輻射來的能量.物體輻射或吸收的能量與它的溫度、表面積、黑度等因素有關(guān).黑體是一種特殊的輻射體，它對所有波長電磁輻射的吸收比恒為1.黑體在自然條件下并不存在，它只是一種理想化模型，但可用人工制作接近于黑體的模擬物.

本文介紹了熱輻射實驗演示儀的制作，并演示方盒溫度和輻射表面顏色、粗糙度等對熱輻射出射度的影響，探究低溫熱輻射的斯特藩-玻爾茲曼定律和輻射出射度與距離的平方反比關(guān)系.

2 熱輻射實驗演示儀

熱輻射實驗演示儀由輻射方盒、紅外傳感器、導軌、加熱電源、數(shù)字電壓表和指針式電壓表等組成（圖1）.輻射方盒的4個輻射面是厚度為2mm的鋁板，對黑面、白面和粗糙面的外表面分別進行氧化發(fā)黑、烤白漆和噴砂處理，構(gòu)建不同的表面顏色和粗糙度（黑面、白面、光亮面和粗糙面），旋轉(zhuǎn)柄位于頂部上方可以轉(zhuǎn)動輻射面，方盒的中心是功率為100W的白熾燈，通過調(diào)節(jié)加熱功率，輻射方盒中的溫度可從室溫到約110℃.其內(nèi)部有溫度傳感器（熱敏電阻）測量溫度，紅外傳感器可以在光學導軌上移動，采用數(shù)字電壓表或者指針式電壓表記錄或者觀察傳感器輸出電壓幅度.

圖1 熱輻射實驗演示儀

3 實驗演示內(nèi)容

3.1 輻射出射度與溫度及輻射表面顏色和粗糙度的關(guān)系

一切物體只要其溫度T＞0K，都會不斷地發(fā)射熱輻射.當溫度較低時，主要以不可見的紅外光進行輻射，當溫度為300℃時熱輻射中最強的波長在紅外區(qū).當物體的溫度在500～800℃時，熱輻射中最強的波長成分在可見光區(qū).

固定紅外傳感器與輻射方盒的距離（下面數(shù)據(jù)距離為120mm），通過調(diào)節(jié)加熱功率控制輻射方盒的溫度，分別觀測方盒4個不同表面的相對輻射出射度M與溫度T的關(guān)系 （圖2）.圖2表明對于同一溫度，黑面紅外輻射最強，白面次之，粗糙面輻射出射度明顯降低，而光亮面的熱輻射很小、接近本底信號，即M黑面＞M白面＞M粗糙面＞M光亮面.針對方盒黑面作輻射出射度與溫度4次方關(guān)系圖（圖3），滿足正比關(guān)系，說明低溫熱輻射滿足斯特藩-玻爾茲曼定律.

圖2 方盒4個表面輻射出射度M與輻射表面狀況和溫度T的關(guān)系

圖3 輻射方盒黑面輻射出射度M與T4關(guān)系

設Q為輻射到物體上的能量，Qα為物體吸收的能量，Qτ為透過物體的能量，Qρ為被反射的能量，根據(jù)能量守恒定律［1］：

3.2 輻射出射度與距離的關(guān)系

加熱功率置于“5”擋，溫度穩(wěn)定后，顯示溫度389K，環(huán)境溫度299K，在有刻度光學導軌上移動探測器，輻射出射度與距離平方反比關(guān)系見圖4，其中距離表示以燈泡中心作為起點與探測器之間的長度，圖4表明當距離大于100mm時輻射出射度M 與距離平方倒數(shù)1／x2的關(guān)系是線性的，當紅外探測器離輻射面比較近即小于100mm左右時，輻射出射度偏離線性規(guī)律，這是由于距離較近時不能作為點源考慮.

圖4 輻射出射度與距離平方倒數(shù)的關(guān)系

3.3 溫室暖房探究

在輻射方盒與紅外探測器之間插入1塊玻璃，輻射出射度降至接近本底.玻璃具有透過太陽可見光的“短波太陽輔射”而不透過“長波紅外熱輔射”的特殊性質(zhì).一旦太陽能能夠通過玻璃，被房子內(nèi)的植物、土壤等吸收，而再次發(fā)出的熱輻射，就不會通過玻璃，而被限制在房間內(nèi)部，并加以利用.

4 結(jié)束語

利用輻射方盒和紅外傳感器等組成的熱輻射演示儀可以直觀地演示輻射出射度與溫度和輻射表面顏色、粗糙度的關(guān)系，對于相同溫度，黑面紅外輻射最強，白面次之，粗糙面出射度明顯降低，而光亮面的熱輻射很小、接近本底信號.探究了低溫熱輻射的斯蒂藩-玻耳茲曼定律和輻射出射度與距離的平方反比關(guān)系.若在傳感器前插入一塊普通玻璃，紅外輻射基本上不能透過，太陽可見光可以穿透玻璃，可演示溫室暖房原理.

［1］秦允豪.熱學［M］.3版.北京：高等教育出版社，2011.

［2］黃淑清，聶宜如，申先甲.熱學教程［M］.北京：高等教育出版社，2011.

［3］張開驍，李成翠，朱衛(wèi)華.《熱學》課程論文在教學中的形式與作用［J］.中國校外教育（下旬），2013，（9）：116.

［4］章登宏，鐘菊花，房毅，等.溫度傳感器在熱學實驗中的應用［J］.實驗室研究與探索，2013，32（7）：149-152.