基于Pasco的低溫熱腔輻射實驗的探究

吳夏芝 劉曉偉

摘 要：Leslie輻射源是PASCO熱腔輻射實驗中的一個熱源裝置，它是一個具有四個不同側面的鋁質正方體。本文通過實驗研究了Leslie輻射源不同側面紅外輻射量強度的關系，證實了熱腔輻射紅外光強可以在短距離內聚集的結論。同時對四個側面的可見光的反射與吸收現象做了研究，得出的實驗結果與理論有較好的吻合。并對峰值光強出現的位置和溫度的關系做了進一步的探究。使得這些對熱腔輻射實驗具有一定的參考意義。

關鍵詞：Leslie輻射源; 輻射光強度; 熱腔; 可見光

中圖分類號：O4-33? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1006-3315（2019）05-197-001

1.引言

本熱腔輻射實驗采用的是美國PASCO公司生產的以傳感器為數據采集，以電腦軟件為數據處理的實驗系統。該系統通過計算機控制各種傳感器，能夠實時采集實驗中各種變化的物理量;數據采集處理軟件有中英文版本，并且實驗數據的顯示和處理功能強大;而且不同類型的配件套組可拆卸搭配組合，十分適合開設綜合性、創新性、設計性物理實驗的需要。

2.Leslie輻射源的結構

Leslie輻射源為一個鋁質正方體，四面分別為黑面、白面、拋光面、帶有熱腔的粗糙面，其中鋁質正方體中央開了一個約Φ 15mm的柱腔，并且在粗糙面上開了一個5mm×10mm的小孔。正方體下方通過外插電源線和850一號端口連接的熱敏電阻相連，控制電腦PASCO軟件中的信號發生器模塊，使之處于開關打開（或者是自動狀態），控制850內自帶的直流電壓傳感器，使之達到電壓10V為最大，相應加熱溫度可達90℃，7V可達70℃，5V可達40℃左右，并使溫度一度穩定以便進行測量，熱敏電阻可以直接用來測量達到的溫度。

3.實驗測量和分析

3.1加熱鋁質四方體四個不同側面的紅外輻射情況

將裝有轉動傳感器的線性運動附件安置在60CM導軌基座的一端，將安裝了光闌底架的紅外光傳感器插于轉動傳感器上的夾槽中。將熱輻射實驗裝置（Leslie輻射源）安裝在導軌上，并使之靠近光闌大約1CM左右的距離，光闌選用4號狹縫。最后，調整紅外光傳感器的高度，使之與腔體熱輻射實驗儀上腔體中心高度相匹配。等待15分鐘左右，使溫度穩定在60.5℃，后旋轉鋁質四方體，使之四個不同的側面分別面對紅外光傳感器，推動轉動傳感器帶動紅外光感應器可以沿著線性運動附件方向掃描過立方體的一個側面，比較不同側面的紅外輻射情況。

縱坐標表示紅外光傳感器測量的光強大小（%），由于是在暗室中進行的實驗，所以光強為負值，但這并不影響我們觀察幾個側面的圖像。橫坐標表示紅外光傳感器沿著線性運動附件方向掃描過立方體的一個側面的相對位置（m），在相同溫度下，鋁質四方體四個不同側面的紅外光強的比較中，黑面的熱輻射量最大，而且覆蓋面積較寬，白面次之，拋光鋁面最小，其中當掃描過磨砂鋁面（帶有熱腔）時，熱輻射在此處快速聚集并達到極大值，可以明顯看出，熱輻射在有熱腔的一個很小的區域內有聚集效應。

3.2鋁質四方體四個不同側面的可見光反射的情況

將紅外光傳感器取下換成可見光傳感器，本實驗可以在室內開燈時完成。盡管如此，要保證沒有窗戶或其他的光源正對著可見光傳感器，通過比較不同側面的對可見光的反射情況，掃描可見光譜可以證實小孔吸收可見光，比周圍側面更暗。同時還可以比較不同顏色的表面對可見光的反射強度情況。

在相同溫度下，鋁質四方腔體四個不同側面對可見光的反射強度的比較中，黑面對可見光的反射最弱，大部分可見光都被黑面吸收掉了，可見光強度只占原來的40%左右，而且這部分面積較寬，白面和拋光鋁面幾乎完全反射可見光，它們的可見光相對光強度是100%，而當掃描過磨砂鋁面（帶有熱腔）時，熱腔和黑面性質基本一致，對可見光的反射強度相對較弱，其中在腔體部分更弱，并且呈現出一個短距離內聚集的效應，從而說明熱腔部分對可見光的吸收能力也是很強的。

3.3具體溫度下達到峰值光強度和位置關系

讓帶有紅外傳感器的線性掃描裝置掃描過熱腔，在40℃，70℃和90℃的溫度下每升高0.5℃各比較了10次出現最大峰值的紅外光強的位置，綜合30次的峰值光強出現的位置，可以看出40℃-70℃之間，出現峰值紅外光強的位置比較接近，當溫度達到90℃以上時，出現峰值光強的位置相距較遠，由此推斷熱腔部分在不同溫度下不同的位置熱輻射的強度是不一樣的。

4.總結

通過對熱腔輻射實驗中加熱Leslie輻射源的四個側面的表面特性、溫度、相對位置等主要影響因素的研究，發現在相同溫度下，鋁四方腔體四個不同側面在紅外光強的比較中，黑面的熱輻射量最大而寬，白面次之，拋光鋁面最小，其中的洞磨砂鋁面的中心有一個小洞（俗稱熱腔），熱輻射在此處聚集并達到極大值;在對可見光的反射實驗中可以看出情況正好相反，黑體和熱腔幾乎具有相似的性質，它們是對可見光完美的吸收體，從而證實了一個完美的吸收體同時也是完美的輻射體的結論。熱源呈對稱的幾何形狀時，其掃描過整個熱源區域的熱輻射曲線也相對其中心位置呈對稱分布，并且在溫度升高時，出現峰值光強的位置較低溫時遠。

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