黑体辐射实验
黑体辐射综合实验
实验目的
了解红外成像的基本原理和方法 学会使用本实验系统进行扫描成像实验
实验仪器
热辐射源的控制电源和温控装置、热辐射源样品、 温度传感器、位移传感器、红外传感器、 二维电动扫描系统、磁性光学导轨、多功能数据采集系统、 虚拟红外扫描成像仪、微机 图像分析与数据处理软件
实验内容
1.用上述仪器和元器件组装一套红外扫描 成像的实验装置
实验简介
1790年皮克泰（M.A.Pictet）认识到了热辐射 问题，1800年赫谢耳（F.W。Herschel）发现 了红外线；1850年，梅隆尼（M.Melloni）提 出在热辐射中存在可见光部分；1860年基尔霍 夫从理论上导入了辐射本领、吸收本领和黑体 概念，证明了一切物体的热辐射本领和吸
实验4.13
黑体辐射综合实验
❖实验简介 ❖实验目的 ❖实验原理 ❖实验仪器
❖实验内容 ❖注意事项 ❖数据处理
实验简介
任何物体均具有一定温度，它们都是“热”的
热辐射（包括黑体和红外辐射）探测技术及相关的 定律在现代国防、科研、航天、天体的演化、 医学、考古、环保、工农业生产等各个领域中均有 广泛应用。
收本领之比等于同一温度下黑体的辐射本领， 黑体的辐射本领只由温度决定。在1861年进一 步指，在一定温度下用不透光的壁包围起来 的空腔中的热辐射等同于黑体的热辐射；1879 年，斯特藩（J.Stefan）从实验中总结出了物 体热辐射的总能量与物体绝对温度四次方成正 比的结论；1884年，玻耳兹曼对上述结论给出 了严格的理论证明；1888年，韦伯.F.Weber） 提出了波长与绝对温度之积是一定的，维恩 （W.Wien）从理论上进行了证明
制作：黄 勇 武汉理工大学物理实验中心
实验内容
3.红外成像系统数据处理
黑体辐射实验
实验十 黑体辐射实验实验者：头铁的小甘引言：任何物体，只要温度大于绝对零度，就会向周围发生辐射，这称为温度辐射。
黑体是指能够完全吸收所有外来辐射的物体，处于热平衡时，黑体吸收的能量等 于辐射的能量，由于黑体具有最大的吸收本领，因而黑体也就具有最大的辐射本 领。
这种辐射是一种温度辐射，辐射的光谱分布只与辐射体的温度有关，而与辐 射方向及周围环境无关。
6000o K5000o K4000o K3000o K图 1 黑体辐射能量分布曲线黑体辐射 p lanck 公式 十九世纪末，很多著名的科学家包括诺贝尔奖获得者，对黑体辐射进行了大量实验研究和理论分析，实验测出黑体的辐射能量在不同温度下与辐射波长的 关系曲线如图 1 所示，对于此分布曲线的理论分析，历上曾引起了一场巨大的风 波，从而导致物理世界图像的根本变革。
维恩试图用热力学的理论并加上一些特 定的假设得出一个分布公式－维恩公式。
这个分布公式在短波部分与实验结果符 合较好，而长波部分偏离较大。
瑞利和金斯利用经典电动力学和统计物理学也得 出了一个分布公式，他们得出的公式在长波部分与实验结果符合较好，而在短波 部分则完全不符。
如图 2。
因此经典理论遭到了严重失败，物理学历史上出现了 一个变革的转折点。
实验原理：Planck 提出：电磁辐射的能量只能是量子化的。
他认为以频率ν做谐振动 的振子其能量只能取某些分立值，在这些分立值决定的状态中，对应的能量应该 是某一最小能量的 h ν整数倍，即 E=nh ν,n=1,2,3,…，h 即是普朗克常数。
在 此能量量子化的假定下，他推导出了著名的普朗克公式)()1(3512--=Wm eC E TC T λλλπ第一辐射常数C 1＝8πhc ＝3.74×10-16（Wm 2）,第二辐射常数C 2=1.4388×10－2（mK ）。
它与实验结果符合得很好。
Planck 提出的能量量子假说具 有划时代的意义，标志了量子物理学的诞生。
黑体辐射
黑体辐射【实验目的】1．学习使用实验装置测量黑体辐射曲线的原理和方法2．测定黑体辐射曲线【实验仪器】黑体灯及电源1套，光谱扫描装置1套（含光强传感器和旋转传感器），750型数据转换器一套，Datastudio科学软件一套。
【实验原理】1．利用光谱扫描装置和相应的传感器和转换器，对不同温度黑体灯源的辐射进行扫描，测定相应的黑体辐射曲线并验证维恩位移律.下图为光谱扫描装置示意图：2．黑体灯源的温度由以下公式确定：Temp.(K) = 300 + ((voltage/current)/0.84 - 1/.0045).式中(voltage/current)分别为由黑体灯源上的传感器测得的电压和电流，其比值为灯丝的电阻。
3．不同位置上光辐射波长的确定式中θ为某一波长光谱的方位角；Init 和Ratio分别为光谱扫描装置的初始角和转动比；Angle为传感器测量的转动角。
方位角的确定见下图：实验中，根据电压和电流传感器测出的灯丝电阻确定黑体灯的温度，温度的数值可由Datastudio根据经验公式和传感器测出的数据直接读出。
根据旋转传感器测得的数据确定不同方位光谱的波长，并由光强传感器记下相应的相对光强，对整个光谱进行扫描，在光强—波长坐标系中由Datastudio绘出相应的黑体辐射曲线。
【实验步骤】在安装好光谱扫描装置上打开黑体灯源和750转换器，并打开Datastudio窗口：0 打开“信号发生器”窗口，设定电压为9v，并将电源打开.1 测量转动比Ratio：打开Intencity-Angular position 窗口，将光谱扫描盘转动一周，记下传感器转过的角度A，则Raito=A/2π.2 测量初始角Init：打开Intencity-Angular position 窗口，从停止点开始均匀地扫描辐射光谱，记下第二个光强峰值点的角度位置，测量5次求出平均值，即初始角Init.3 打开“计算器”窗口，将测得的参数Ratio 和Init 输入并接受。
黑体辐射实验
黑体测量实验【实验目的】1、理解和掌握黑体辐射的基本规律，加深对能量量子性的理解；2、验证斯忒藩—波尔兹曼定律；3、验证维恩—位移定律。
【实验仪器】WGH-10型黑体实验装置【实验原理】1、黑体辐射任何物体，只要其温度在绝对零度以上，就向周围发射辐射，这称为温度辐射。
黑体是一种完全的温度辐射体，即任何非黑体所发射的辐射通量都小于同温度下的黑体发射的辐射通量；并且非黑体的辐射能力不仅与温度有关，而且与表面的材料性质有关。
而黑体的辐射能力则仅与温度有关。
黑体的辐射亮度在各个方向都相同，即黑体是一个完全的余弦辐射体。
辐射能力小于黑体，但辐射的光谱分布与黑体相同的温度辐射体称为灰体。
2、黑体辐射定律（1）黑体辐射的光谱分布—普朗克辐射定律 黑体的光谱辐射出射度为：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=1251T C T eC M λλλ式中：第一辐射常数：2161m w 1074.3⋅⨯=-C第二辐射常数：K w 104396.122⋅⨯=-C（2）黑体的全辐射出射度—忒藩—波尔兹曼定律黑体的全辐射出射度为：40T d M M T b δλλ⎰∞==T 为黑体的绝对温度，δ为 忒藩—波尔兹曼常数，()4282345K m w/10670.5152⋅⨯==-c h k πδk 为波尔兹曼常数，h 为普朗克常数，c 为光速。
（3）维恩—位移定律光谱亮度的最大值的波长λmax 与它的绝对温度T 成反比，Tb =max λ b 为常数，K m 10896.23⋅⨯=-b【实验步骤】1、将WGH-10型黑体实验装置电源的电压凋节旋钮凋节至最小值，然后打开电源和接收器的电源，过1~2分钟后，可以打开桌面上WGH-10型黑体实验系统的软件。
2、根据溴钨灯工作电流--色温对应表，凋节光源的驱动电流（不能超过2.5A ！）。
3、实验中要测量两个温度下的黑体辐射曲线。
学生可任意测两个温度（不要高过2940K ，即不能使光源的驱动电流超过2.5A ）下的黑体辐射曲线。
黑体辐射_精品文档
黑体辐射实验19世纪末，物理学晴朗的天空中飘着两朵乌云，其中之一被称为“紫外灾难”，即瑞利和金斯用经典的能量均分定理并不能完全解释热辐射现象。
1900年，普朗克提出金属空腔壁以与振子频率成正比的能量子为基本单元来吸收或发射能量，得到著名的普朗克公式，从理论上解释了黑体辐射频谱分布。
这一贡献引起物理学的一场革命，对量子理论的建立起到了重要作用。
本实验利用WGH ——10型黑体实验装置测量黑体的辐射能量曲线，从而验证普朗克公式，唯恩位移定律以及斯特藩——玻耳兹曼定律，并进一步研究黑体与一般发光体辐射强度的关系，学会测量一般发光光源的辐射能量曲线。
一、实验原理1、热辐射，黑体任何物体都具有不断辐射、吸收、发射电磁波的本领。
辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，也就是具有一定的谱分布。
这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关，因而被称之为热辐射。
为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律，物理学家们定义了一种理想物体——黑体(black body)，以此作为热辐射研究的标准物体。
黑体的特点：1、热辐射与辐射体材料的具体性质无关。
2、黑体辐射仅与温度有关。
3、黑体是为理论研究方便假想出来的，世界上不存在真正的黑体。
2、描述热体辐射的几个物理量单色辐出度()T M λ：在单位时间内物体从表面单位面积上发射的波长界于λ和λd 之间的辐射电磁波能量λE d 则λE d 与λd 之比称为单色辐出度()T M λ 即()T M λ=λE d /λd （与辐射体的温度和辐射波长有关）。
（1）辐出度()T M ：在单位时间内物体从单位表面积上发射的所有各种波长的电磁波能量总和为辐出度()T M 即()()λλd M T M =T ⎰∞（1）2）单色吸收率()T λa ：当辐射从外界入射到物体表面时，被物体吸收的能量与入射总能量之比称为吸收率A ，其中波长在λ到λ+λd 之间的吸收率A d 与λd 之比为单色吸收率()T λa 即()λλd d a A=T （2）3、黑体辐射定律（1）斯特藩——玻耳兹曼定律此定律首先由斯特藩于1879年从实践数据的分析中发现。
实验七 黑体辐射
实验七 黑体辐射Black-body Radiation任何物体，只要其温度在绝对零度以上，就向周围发射辐射，这称为温度辐射；只要其温度在绝对零度以上，也要从外界吸收辐射的能量。
处在不同温度和环境下的物体，都以电磁辐射形式发出能量，而黑体是一种完全的温度辐射体，即任何非黑体所发射的辐射通量都小于同温度下的黑体发射的辐射通量；并且，非黑体的辐射能力不仅与温度有关，而且与表面的材料的性质有关，而黑体的辐射能力则仅与温度有关。
在黑体辐射中，存在各种波长的电磁波，其能量按波长的分布与黑体的温度有关。
实验目的(experimental purpose)1.了解黑体实验的发展历史，明确光谱辐射曲线的广泛应用；2.了解黑体实验仪器组件，明确测量过程与分析要素；3.明确黑体实验设计思想,掌握黑体辐射原理与定律。
实验原理(experimental principle)任何物体都具有不断辐射、吸收、发射电磁波的本领。
辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，也就是具有一定的谱分布。
这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关，因而被称之为热辐射。
为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律，物理学家们定义了一种理想物体——黑体(black body)，以此作为热辐射研究的标准物体。
所谓黑体是指入射的电磁波全部被吸收，既没有反射，也没有透射( 当然黑体仍然要向外辐射)。
显然自然界不存在真正的黑体，但许多地物是较好的黑体近似( 在某些波段上)。
黑体不仅仅能全部吸收外来的电磁辐射，且发射电磁辐 射的能力比同温度下的任何其它物体强。
黑体辐射指黑体发出的电磁辐射。
黑体辐射能量按波长的分布仅与温度有关。
对于黑体的研究，使得自然现象中的量子效应被发现。
我们换一个角度来说：所谓黑体辐射其实就是当地的状态光和物质达到平衡所表现出的现象：物质达到平衡，所以可以用一个温度来描述物质的状态，而光和物质的交互作用很强，而如此光和光之间也可以用一个温度来描述（光和光之间本身不会有交互作用，但光和物质的交互作用很强）。
黑体辐射实验
黑体辐射实验实验十八黑体辐射实验一、实验目的1.了解黑体和一般发光体辐射强度的关系；2.掌握测量一般发光光源的辐射能量曲线的方法3.验证普朗克辐射定律；4.验证斯忒藩一波耳兹曼定律；5.验证维恩位移定律；二、黑体辐射和实验基本理论1．黑体辐射任何物体，只要绝对不为零，就会向周围发射辐射，这称为热辐射。
黑体是一种完全的热辐射体，即，任何非黑体所发射的辐射通量都小于同温度下的黑体发射的辐射通量。
在热平衡下，黑体的辐射能力则仅与温度有关。
黑体的辐射亮度在各个方向都相同，即黑体是一个完全的余弦辐射体。
辐射能力小于黑体，但辐射的光谱分布与黑体相同的温度辐射体称为灰体。
2．黑体辐射定律（1）黑体辐射的光谱分布——普朗克辐射定律普朗克提出，在空腔辐射体中电磁辐射的能量是量子化的。
根据这一假定，在某一温度下达到平衡时，黑体的光谱辐射度可表示为： )1e (C )1e (1hc 2E T 2C kT hc 51552T -λ=-λλπ=λλλ（瓦/米3）（18-1）式中c 为光速，h 为普朗克常数，C 1 = 3.74×10-16 （瓦米2）、常数C 2 = 1.4398⨯10-2（米开尔文）。
黑体光谱辐射亮度由下式给出： π=λλT TE L （瓦/米3球面度） （18-2）图18-1 黑体的频谱亮度L λT 随波长变化图2-1 给出黑体的频谱亮度随波长的变化，其中每一条曲线上都标出黑体的绝对温度。
与诸曲线的最大值相交的对角直线表示维恩位移定律。
（2）黑体的积分辐射——斯忒藩—波尔兹曼定律此定律用辐射度表示为，40T T T d E E δ=λ=⎰∞λ（瓦特/米2）（18-3）T 为黑体的绝对温度，δ为斯忒藩—波尔兹曼常数，δ =2345c h 15k 2π= 5.670×10-8 （瓦/米2•开尔文4） （18-4）其中，k 为波尔兹曼常数，h 为普朗克常数，c 为光速。
由于黑体辐射是各向同性的，所以其辐射亮度与辐射度有关系π=TE L（18-5）于是，斯忒藩—波尔兹曼定律也可以用辐射亮度表示为4T L πδ=（瓦特/米2•球面度）（18-6）（3）维恩位移定律光谱亮度的最大值的波长 λmax 与它的绝对温度T 成反比，T Amax =λ（18-7）A 为常数，A=2.896⨯10-3 （米×开尔文）。
黑体辐射实验
黑体辐射1900年普朗克发表的黑体辐射公式在物理学上是一项划时代的成就。
在此以前黑体辐射的波长分布虽然已经有了相当可靠的实验数据，但经典物理学的理论解释却导致了非常尖锐的矛盾。
这一问题在经典物理学的范畴内是无法合理地解决的，普朗克引进了量子化的假设，推导出黑体辐射波长分布公式。
量子化假设已成为当代物理学的基石，对当代科学技术的发展产生了深远的影响。
【实验目的】1、研究物体的辐射面、辐射体温度对物体辐射能力的影响，并分析原因。
2、测量改变测试点与辐射体距离时，物体辐射能量W 和距离L 以及距离的平方的关系，并描绘W -2L 曲线。
3、依据维恩位移定律，测绘物体辐射能量与波长的关系图。
【实验原理】热辐射的真正研究是从基尔霍夫开始的。
1859年他从理论上引入了辐射本领、吸收本领和黑体概念，他利用热力学第二定律证明了一切物体的热辐射本领r (ν,T )与吸收本领α(ν,T )成正比，比值仅与频率ν和温度T 有关，其数学表达式为：),(),(),(T F T T r νναν= （1） 式中F (ν,T )是一个与物质无关的普适函数。
1861年他进一步指出，在一定温度下用不透光的壁包围起来的空腔中的热辐射等同于黑体的热辐射。
1879年，斯特藩从实验中总结出了黑体辐射的辐射本领R 与物体绝对温度T 四次方成正比的结论；1884年，玻耳兹曼对上述结论给出了严格的理论证明，其数学表达式为：4T R T σ= （2）即斯特藩-玻耳兹曼定律，其中4212/10673.5K cm w -⨯=σ为玻耳兹曼常数。
1888年，韦伯提出了波长与绝对温度之积是一定的。
1893年维恩从理论上进行了证明，其数学表达式为：b T =max λ （3）式中b ＝2.8978×10-3( m.K )为一普适常数，随温度的升高，绝对黑体光谱亮度的最大值的波长向短波方向移动，即维恩位移定律。
图 1 辐射能量与波长的关系图 l 显示了黑体不同色温的辐射能量随波长的变化曲线，峰值波长λmax与它的绝对温度T成反比。
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普朗克的量子假说 普郎克公式
问题：如何从理论上找到符合实验的函数式
M (T ) ？
瑞利(Rayleigh)--金斯(Jeans)经验公式
M (T )d 2c kTd
4
维恩(Wien)经验公式
e0 ( , T ) c1 e
（下一页）
5 c2 T
M (T )
实验值
1. 黑体、黑体辐射
普朗克量子假设
热辐射 实验表明：一切物体在任何温度下都 以电磁波的形式向外辐射能量。辐射 的能量与温度有关，∴称之为热辐射。
平衡热辐射 辐射和吸收的能量相等时称为热平衡。 此时物体具有稳定温度
发射电磁辐射能量
相等
吸收电磁辐射能量
（下一页）
绝对黑体 如果一个物体能全部吸收投射在它 上面的辐射而无反射，这种物体称 为绝对黑体，简称黑体。
M (T ) 2c h
2
5
1 e
hc kT
c ——光速
1
k 1.38 10 J/K
23
——玻尔兹曼恒量
e ——自然对数的底
（下一页）
这一公式称为普朗克公式,它和实验符合得很好。
e0 ( , T )
实验值
8h d 3 c
3
1 e
h 1 kT
d
绝对黑体—— 一个理想模型
实例
?
空腔
用不透明材料制成一空心容器，壁上 开一小孔，该小孔可看成绝对黑体
绝对黑体的辐出度
0
M 0 (T ) M 0 ( , T )d
（下一页）
绝对黑体的辐射定律
绝对黑体单色辐出度按波长分布实验
实验装置 T
绝对黑体
绝对黑体的单色辐出度按波长分布曲线
M (T )
, 2 , 3 , , n
（n为正整数）
对于频率为 的谐振子最小能量为 h h 称为普朗克常数， 正整数 n 称为量子数。
h 6.63 10
34
Js
（下一页）
振子在辐射或吸收能量 时，从一个状态跃迁 到另一个状态。 在能量子假说基础上，从理论上推导，普朗克得到了 黑体辐射公式：
0
1
2
3
4
5
6
λ
(μm)
绝对黑体的单色辐出度按波长分布曲线
M (T )
0
1
Hale Waihona Puke 2345
6
λ
(μm)
物体辐射总能量及能量按波长分布决定于温 度 固体在温度升高时颜色的变化
800 K
1000 K
1200 K
1400 K
例子：低温火炉辐射能集中在红光。 高温物体辐射能集中在蓝、绿色。
应用：光测高温计，测量发电厂炉内温度。
维恩
o
1
2
3 4
5
6 7
8 9 λ (μ m)
M (T )
实验值
紫 外 灾 难 瑞利--金斯
o
1
2
3 4
5
6 7
8 9 λ (μ m)
M (T )
实验值
紫 外 灾 难 瑞利--金斯
维恩
o
1
2
3 4
5
6 7
8 9 λ (μ m)
普朗克量子假说
问题：如何从理论上找到符合实验的函数式 M (T ) ？ 能量子假说：辐射物质中具有带电的线性谐振 子，它和周围电磁场交换能量。这些谐振子只能处 于某种特殊的状态，它的能量取值只能为某一最小 能量 （称为能量子）的整数倍，即：
普朗克
o
1
2
3
4
5
6
7
8
9 λ (μ m)
普朗克能量子假说的意义： 首次提出了能量不连续的假设， 成功的解决了黑体辐射的理论问题。 开量子之先河。所以人们称普朗克为 “量子力学之父”。
（下一页）
1918诺贝尔物理学奖
• M.V.普朗克
• 研究辐射的量子 理论，发现基本 量子，提出能量 量子化的假设