新型熱輻射實驗裝置的設計與應用

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A

傳熱作為物理學的一個核心領域，其重要性不容忽視。傳熱主要涉及三種機制：傳導、對流和輻射。其中，熱輻射與其他兩者存在顯著區別，它不依賴于物質媒介，而是通過電磁波的形式進行能量傳遞。而熱輻射在中學物理教學中存在一定的空白。很多學生只能通過理論學習，缺乏直觀的實驗體驗來加深對熱輻射原理的理解。本研究著力于解決這一問題，通過搭建實驗裝置，驗證了熱輻射的相關規律，為中學教學提供了一個方便的教學工具，使學生能夠更加直觀、深入地理解熱輻射的原理和應用。

1高中熱輻射內容教學的困難

高中教材（2019年人教版選擇性必修三）在與熱輻射有關的一節內容中只簡單說明了黑體及黑體輻射的概念，并介紹了普朗克黑體理論公式的發現歷程以及能量子的概念。而經調查訪問發現，大部分學生在學習完這一節后往往感到抽象，難以理解熱輻射的一些相關性質。對于這一問題有以下幾點原因：

（1）由于熱輻射在高中不是高考重點考查的文章編號：1003-6148（2025）4-0058-5內容，教師在教授這一節時常常一筆帶過，學生對該內容也不夠重視，所以出現不理解的現象。

（2）熱輻射這一內容，教科書上并沒有具體的實驗來定性或定量地驗證相關的實驗規律。即使熱輻射與生活很貼近，學生學習起來仍會感到抽象、晦澀難懂。

（3）學生在學習熱輻射的過程中，并未了解一些更直觀的熱輻射規律，如四次方定律、平方反比定律，只了解普朗克黑體輻射定律，不能幫助其理解熱輻射的一些性質。

鑒于此，筆者自主搭建了一套基于人工黑體爐的新型熱輻射實驗儀，可以進行熱輻射規律的驗證，能更好地完成熱輻射教學，進一步提升學生的綜合素質。

2 實驗原理

2.1 普朗克定律

本實驗基于普朗克定律，描述了任何物體在一定溫度下以電磁波形式發射熱輻射能量。對于絕對溫度為 T 的黑體，單位表面積在波長附近向半球空間輻射的光譜輻射出射度

收稿日期：2025-02-27

基金項目：教育部產學協同育人項目“熱輻射實驗儀器及教學內容的設計與開發\"（240900532195200）;重慶市中小學創新人才培養工程項目計劃研究項目“基于人工黑體爐的新型熱輻射實驗儀的設計與開發\"（CY240211）；西南大學實驗技術研究項目“基于人工黑體爐的新型熱輻射實驗儀的設計與開發\"（SYJ2025033）。

作者簡介：文憲璽 （ 2 0 0 2 - ），男，主要從事中學物理教學工作。

*通信作者：張健（1972-），男，中學高級教師，主要從事中學物理教學工作。

其中 為光譜輻射出射度，單位 ： 為第一輻射常數； 為第二輻射常數； h 為普朗克常數； 為玻爾茲曼常數。

2.2 斯特藩-玻爾茲曼定律

通過對普朗克定律在波長上的積分，可以得到黑體的全輻射出射度 與黑體溫度的四次方成正比

其中， σ 為黑體輻射常數， 為黑體輻射系數。

2.3 擴展漫輻射源的輻射量計算原理[1]

在環境條件、輻射面、熱電堆溫度傳感器以及兩者相對距離均不變的情況下， 為常量， 為熱電堆溫度傳感器的電壓， 為輻射面表面溫度，有

即熱電堆溫度傳感器的電壓與輻射面表面溫度的四次方成正比。

在環境條件、輻射面、熱電堆溫度傳感器以及輻射面溫度均不變的情況下， 為一常量， d 為熱電堆溫度傳感器與輻射面之間的距離，有

即熱電堆溫度傳感器的電壓與兩者距離的平方成反比。但考慮到熱電堆溫度傳感器自身有視場角，當其本身的視場角小于它所在測量位置的接收角時，即熱電堆溫度傳感器靠近輻射面，其探測的輻射強度近似為定值[2-3]

3 實驗裝置設計

3.1 裝置設計思路

實驗裝置由加熱模塊、信號測量與處理模塊、控制與顯示模塊三部分組成，總體設計邏輯如圖1所示。

（1）加熱模塊

該模塊由人工黑體爐、加熱圓盤、可更換加熱面三部分組成?？刂茍A盤旋轉該模塊，為傳感器提供不同輻射源。

（2）輻射信號測量與處理模塊

該模塊由B7F55熱電堆溫度傳感器、AD620信號放大器兩部分組成[4]。熱電堆傳感器對輻射信號變化敏感，可將其轉化為電壓信號輸出，經信號處理電路后準確讀取。

（3）控制與顯示模塊

該模塊由導軌、圓盤、ArduinoUNOR3控制器、降壓器、步進電機、PID溫控儀、電壓表、紅外距離探測器組成。實現對加熱的溫度控制、傳感器離輻射面的距離控制與顯示、電壓的顯示與讀取。

3.2 實驗裝置

實驗裝置模型如圖2所示，實驗裝置如圖3、圖4所示。裝置經模塊化、可視化，具有操作簡單、現象直觀的特性。

1.激光測距模塊 6.距離顯示器

2.鋁合金框架 7.42步進電機

3.DF3-D電壓表 8.B7F55熱輻射傳感器

4.PID溫控儀 9.加熱臺

5.ADKey控制模塊 10.人工黑體爐

人工黑體爐[5]：

本實驗使用拋光打磨后內部化學鍍銀的黃銅半球殼為主體（反射率 ），半球底部半徑 R=7 5 . 0 m m ，頂部中心開孔半徑 r=7 . 5 m m 。配有底部圓環、高發射率陶瓷加熱片、云母保溫隔熱底座。整體發射率可達 0 . 9 9 。

4實驗教學方法與數據處理

本實驗需要完成的實驗內容有：

（1）驗證輻射體輻射強度與輻射體表面溫度

的四次方成正比；（2）驗證輻射體輻射強度與輻射距離的平方

成反比。由教師帶領學生按以下步驟完成實驗。

4.1 輻射強度與溫度的關系

（1）打開電源，控制導軌移動，使傳感器距離

輻射面 8 c m 。（2）記錄環境溫度，打開電壓表，記錄背景輻

射。（3）將黑色陶瓷面放置于加熱臺上，開啟PID

溫控箱，調節控溫面板，使溫度上升。每隔

記錄溫度值與穩定后的電壓值。（4）將表中電壓與溫度的四次方數據作出曲

線，再進行擬合得到擬合直線，計算直線斜率理

論值，并與擬合結果進行對比分析。（5）之后可更換不同材質的輻射面（黑色陶

瓷面、光滑黃銅面、氧化黃銅面）進行上述步驟，

對電壓與溫度四次方擬合得到圖線，并進行對比。

4.2 輻射強度與距離的關系

（1）打開電源，打開電壓表，記錄背景輻射與環境溫度。

（2）將黑色陶瓷面放于加熱臺上，打開PID溫控箱，設定溫度為 。（3）控制導軌移動使傳感器距輻射面 2 0c m 。（4）溫度升至 后，記下此時距離與電壓數據，然后按 1c m 等間距向下調節傳感器，記錄數據，直到距離輻射面 4 cm 。（5）將表中電壓與距離平方的倒數數據作出曲線，再進行擬合得到擬合直線，計算直線斜率理論值，并與擬合結果進行對比分析。

4.3 數據處理

（1）輻射強度與溫度的關系（表1）

從圖5中可以看出，輸出電壓和輻射表面溫度的四次方之間呈線性關系。

其 值為0.9990，擬合程度很高。說明環境條件、輻射面、熱電堆溫度傳感器以及兩者相對距離均不變的情況下，物體表面的輻射強度和物體表面溫度的四次方成正比，符合（3）式。

利用MATLAB將三種表面的擬合曲線合并（圖6?？梢钥吹?，黑色陶瓷面的直線斜率最大，粗糙黃銅面次之，光滑黃銅面的斜率最小。說明物體表面發射率越大，相應擬合曲線斜率越大。

（2）輻射強度與距離的關系（表2、圖7）

從圖8中可以看出，輸出電壓和距離的平方反比之間呈線性關系。

其 值為0.9990，擬合程度很高。說明輻射體輻射強度與輻射距離的平方成反比的規律，符合（4）式。而當熱電堆溫度傳感器在近距離范圍（靠近輻射面時），其輸出電壓逐漸趨于定值。即表示在環境條件、輻射面、熱電堆溫度傳感器以及輻射面溫度均不變的情況下，較遠距離處物體表面的輻射功率和物體表面與接收面的距離的平方成反比。

5 結論與展望

本研究設計并搭建了基于人工黑體爐的熱輻射實驗裝置，旨在彌補高中物理教學中熱輻射內容的不足，并通過實驗幫助學生更好地理解熱輻射的基本規律。實驗結果表明，溫度四次方與輻射強度之間存在良好的線性關系，輻射強度與距離的平方成反比。實驗數據與理論值的對比顯示，裝置測量結果的探測器在合理范圍內，表明該實驗裝置的設計具有極高的準確性和可靠性。

通過該實驗裝置，學生能夠更深人地了解熱輻射的基本規律，增強了他們對熱輻射原理的理解。整個實驗操作設定合理，適合高中物理教學中的實際應用，為教師提供了更加豐富的教學手段和材料。

參考文獻：

[1]鹿博，薛玉琪，何振輝.低溫熱輻射實驗設計及教學方法[J].物理實驗，2021，41（4）：11-16.

[2]王楷群.熱電堆紅外探測器的設計與性能測試[D].太原：中北大學，2010.

[3]武學占，雷程，梁庭，等.圓形熱電堆紅外探測器的結構優化與仿真分析[J].電子測量技術，2021，44（13）：17-22.

[4]侯海港.CMOS-MEMS熱電堆紅外探測器設計及關鍵技術研究[D].鎮江：江蘇大學，2020.

[5]姚成才，葛新石，程曙霞，等.一種新型人工黑體輻射源的理論和實驗研究[J].工程熱物理學報，1991（2）：164-168.

（欄目編輯 劉榮）