黑体辐射出射度曲线绘制实验报告

黑体辐射出射度曲线绘制

一、目的：学习和巩固黑体辐射定律，验证普朗克辐射定律、斯蒂芬-玻尔兹曼等

定律；了解单色仪的工作原理及基本结构。

二、内容：按照实验指导书的要求和步骤操作仿真黑体实验装置，验证黑体相

关定律。

三、设备：WHS-型黑体实验装置，计算机，打印机等。

四、原理：

黑体是一个能完全吸收并向外完全辐射入射在它上面的辐射能的理想物体。黑体的光谱辐射量和温度之间存在精确的定量关系，确定了黑体的温度，就可以确定其他的辐射量，因此黑体辐射定律在辐射度学中起了基准的作用，占据十分重要的地位。

自然界不存在绝对黑体，用人工的方法可以制成尽可能接近绝对黑体的辐射源。钨的熔点约为3695K，充气钨丝灯的光谱辐射分布和黑体十分接近，因此可以用来仿真黑体。CIE规定分布温度2856K的充气钨丝灯作为标准A光源，以此实现绝对温度为2856K的完全辐射体的辐射，即标准照明体A。本次实验所用的WHS-1黑体实验装置就是以溴钨灯模拟黑体的辐射源，通过改变灯丝的电流来模拟改变黑体的色温。

描述黑体辐射定律的普朗克公式以波长表示的形式为：

M0(λ,T)=c1

λ5

1

exp(c2λT

⁄)−1

(1)

式(1)中，第一辐射常数c1=2πℎc2=3.7418∗10−16W•m2；第二辐射常数c2=ℎc k⁄=1.4388∗10−2m•K；k为玻尔兹曼常数；c为光速。

由于黑体是朗伯辐射体，因此可以得到黑体的光谱辐亮度表示式如下：

L0(λ,T)=c1

πλ5

1

exp(c2λT

⁄)−1

(2)

斯蒂芬-玻尔兹曼定律描述的是黑体的辐射出射度与温度之间的关系：

M0(T)=σT4 (W m2

⁄)(3)式(3)中，σ=c1π415c24=5.6696∗10−8(W•m2•K−4)

⁄称为斯蒂芬-玻尔兹曼常数。

黑体光谱辐射是单峰函数，其峰值波长满足维恩位移定律：

λm T=b (μm•K)(4)式(4)中，常数b=c2 4.9651

⁄=2898 μm•K。

实验就是要验证黑体辐射的上述定律。

WHS-1型黑体实验装置的工作过程为：调整灯丝电流为某一数值，如1.7A，

停留几分钟待光源稳定；单色仪光栅机构复位，从800nm至2500nm以一定的间隔(如1nm)进行扫描，将数据存进内存(即软件中所指“寄存器_1”等)，显示的

辐出度数值为：辐出度显示值= 波长扫描探测器实测值

标定值

*理论值为保证显示值不偏离

理论值太多，除了要保证光栅扫描机构的精度外，溴钨灯的稳定性也十分重要。因此溴钨灯的预热，以及调整电流后，应有充足的稳定时间。

五、实验步骤：

1.正确连接计算机、单色仪、接收单元、电控箱、溴钨灯电源、溴钨

灯；

2.打开计算机、电控箱及溴钨灯电源，使机器预热20分钟；

3.按照软件的提示，确认反射镜拨杆的位置置于位置“1”，即把拨杆拨

向出射狭缝方向（拨向相反方向用于“观察窗查看二级谱线”实验）；

4.将溴钨灯电源的电流调节为1.7A（即对应黑体色温2999K）扫描一条

从800~2500nm的曲线，得到在色温2999K时的黑体辐射曲线；

验证热辐射定律

注意：测试完一条曲线后，可以点击主菜单的“验证热辐射定律”下的“普朗克辐射定律(W)”进行验证。输入800~2500nm之间不同的波长值，验证测量值和理论值的符合程度。如果相差太大，此时应点击“工作”下的“修正黑体辐射系数参数(Y)”的“选择计算(Z)”进行标定。标定步骤参照“使用说明书”20~22页的说明进行。

5.依次改变溴钨灯的电源为1.6A（对应2889K），可得到相应色温的黑体

辐射曲线，分别存入各寄存器，最多可以存9条曲线。由于测量过程

较长，测量时间有限，故我们只测量1.7A和1.6A两条辐射曲线，其

他值的测量过程相同，只需要把电流调至相应大小重复4-5操作即可。

1.6A时辐射曲线

验证热辐射定律

进行完步骤5，且每次验证普朗克定律误差较小，则可以验证斯蒂芬-玻尔兹曼定律和维恩位移定律。

实验结果如下：

斯蒂芬-玻尔兹曼定律

六、注意事项：

1. 日常使用时黑体辐射系数参数已标定好，因此一般情况下不要调整入射和出射狭缝的大小；

2. 如果因测试环境发生变化（狭缝大小变化）或实验数据误差过大，则需要参照软件提示和“使用说明书”20~22页的说明对黑体辐射系数参数进行修正。

七、参考文献：

[1]. 金伟其，胡威捷. 辐射度、光度与色度及其测量[M]. 北京理工大学出版

社. 2006

[2]. 吴继宗,叶关荣. 光辐射测量[M]. 机械工业出版社

. 1992

图4. 维恩位移定律验证界面