黑体辐射出射度曲线绘制
黑体辐射实验-学生讲义
近代物理实验 黑体辐射任何物体都有辐射和吸收电磁波的本领。
物体所辐射电磁波的强度按波长的分布与温度有关，称为热辐射。
处于热平衡状态物体的热辐射光谱为连续谱。
一切温度高于0K 的物体都能产生热辐射。
黑体是一种完全的温度辐射体，能吸收投入到其面上的所有热辐射能，黑体的辐射能力仅与温度有关。
任何普通物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；其辐射能力不仅与温度有关，还与表面的材料的性质有关。
所有黑体在相同温度下的热辐射都有相同的光谱，这种热辐射特性称为黑体辐射。
黑体辐射的研究对天文学、红外线探测等有着重要的意义。
黑体是一种理想模型，现实生活中是不存在的，但却可以人工制造出近似的人工黑体。
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。
[实验目的]1. 理解黑体辐射的概念。
2. 验证普朗克辐射定律。
3. 验证斯特藩一玻耳兹曼定律。
4. 验证维恩位移定律。
5. 学会测量一般发光光源的辐射能量曲线。
[实验原理]1. 黑体辐射的光谱分布—普朗克辐射定律德国物理学家普朗克1900年为了克服经典物理学对黑体辐射现象解释上的困难， 推导出一个与实验结果相符合的黑体辐射公式，他创立了物质辐射（或吸收）的能量只能是某一最小能量单位（能量量子）的整数倍的假说，即量子假说，对量子论的发展有重大影响。
他利用内插法将适用于短波的维恩公式和适用于长波的瑞利—金斯公式衔接，提出了关于黑体辐射度的新的公式—普朗克辐射定律，解决了“紫外灾难”的问题。
在一定温度下，单位面积的黑体在单位时间、单位立体角内和单位波长间隔内辐射出的能量定义为单色辐射度，普朗克黑体辐射定律为：式中：第一辐射常数)(1074.3221621m W hc C •⨯==-π 第二辐射常数)(104398.122K m k hc C •⨯==- 其中，h 为普朗克常数，c 为光速，k 为玻耳兹曼常数。
黑体光谱辐射亮度由下式给出：图1-1给出了T L λ随波长变化的图形。
ht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实验报告姓名：学号：班级：黑体辐射出射度曲线绘制一、 实验目的：学习和巩固黑体辐射定律，验证普朗克辐射定律、斯蒂芬—玻尔兹曼定律、维恩位移定律；了解单色仪的工作原理及基本结构。
二、 实验内容：按照实验指导书的要求和步骤操作仿真黑体实验的装置，验证黑体相关定律。
三、 实验设备：WHS-型黑体实验装置，计算机，打印机等。
四、 实验原理：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作用，占据十分重要的地位。
自然界中不存在绝对黑体，用人工的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 ，充气钨灯丝的光谱辐射分布和黑体十分相近，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 的完全辐射题的辐射，即标准照明体A 。
本次试验所用的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：1)exp(1),(2510-=Tc c T M λλλ (1) 其中第一辐射常数21621m W 107418.32⋅⨯==-hc c π；第二辐射常数K m 104388.122⋅⨯==-khc c ，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：1)e x p (1),(2510-=T c c T L λπλλ (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：)m W()(240T T M σ= （3） 式（3）中，)K m W (106696.5154-2-84241⋅⋅⨯==-c c πσ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：)K m (⋅=μλb T m （4） 式（4）中，常数K m 28989651.42⋅==μc b 。
2 实验二 黑体辐射实验
实验二黑体辐射实验概述WGH-10型黑体实验装置专门用于进行黑体辐射能量的测量和任意发射光源的辐射能量的测量。
可以记录出发光源的辐射能量曲线。
在实验时，通过改变光源的温度，分别进行扫描，可以从记录的光谱辐射曲线直接看到维恩位移定律的现象，并能够对普朗克定律、斯忒藩-波尔兹曼定律进行较精确的验证。
WGH-10型黑体实验装置的控制系统采用WINDOWS界面，在WINDOWS 95/98系统下均能适用，功能强大、操作简便。
控制软件中，根据普朗克公式可以计算出任意温度下的绝对黑体的理论曲线，用户可以根据需要提取。
WGH-10型黑体实验装置所配的光源是溴钨灯，溴钨灯的谱线大致类似于黑体，但是由于钨的发射系数不是1，所以需要进行修正。
软件可以对不同温度下溴钨灯的曲线进行发射系数 （仅限于溴钨灯）的修正。
此外WGH-10型黑体实验装置还可作为光谱区间在800-2500nm范围的光栅光谱仪使用，进行其它实验。
1．规格与主要技术指标1.1 规格、参数：相对孔径 D/F=1/7焦距 302.5 mm色散元件 300L光栅狭缝 0-2 mm连续可调，示值精度0.01mm/格，最大高度20mm主机尺寸 360×300×160mm1.2 主要技术指标：波长范围 800—2500nm波长精度±6 nm波长重复性 3 nm杂散光≤0.3%T2．黑体的基本理论2.1 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，而且与表面的材料的性质有关。
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。
2.2黑体辐射定律2.2.1 黑体辐射的光谱分布——普朗克辐射定律此定律用光谱辐射度表示，其形式为：)1(251-=TC e C E T λλλ（瓦特/米3）式中：第一辐射常数C 1 = 3.74×10-16 （瓦×米2）第二辐射常数C 2 = 1.4398⨯10-2（米×开尔文）黑体光谱辐射亮度由下式给出：πλλT T E L =（瓦特/米3.球面角）图2-1 给出了T L λ随波长变化的图形。
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。
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
中国石油大学近代物理实验实验报告成绩：班级：姓名：同组者：教师：黑体辐射实验【实验目的】1、了解黑体辐射实验现象，掌握辐射研究方法。
2、学会仪器调整与参数选择，提高物理数量关系与建模能力。
3、通过验证定律，充实物理假说与思想实验能力。
【实验原理】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。
事实上当然不存在绝对黑体，但有些物体可以近似地作为黑体来处理，比如，一束光一旦从狭缝射入空腔体内，就很难再通过该狭缝反射回来，那么，这个开着的狭缝空腔体就可以看作是黑体。
1、黑体辐射的光谱分析实验测出黑体的辐射强度在不同温度下与辐射波长的关系曲线。
维恩假定辐射能量按频率的分布类似于麦克斯韦的分子速率分布，导出如下公式E(λ,T)=bλ−5e−a/λT(1)式中E(λ,T)称为单色辐出度，它表示单位时间内，在黑体的单位面积上单位波长间隔内所辐射出的的能量，单位是瓦特/米2 ，T表示绝对温度，a,b是与波长和温度无关的常数。
这个分布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推导得到单色辐出度E(λ,T)=2πCλ4kT（2）式中，C为真空中的光速，k为玻尔兹曼常量。
它在波长很长，温度较高时与实验结果相符合，但在短波段偏离非常大，当频率趋于无穷大时引起发散，这就是当时有名的“紫外灾难”。
普朗克提出：电磁辐射的能量只能是量子化的。
他认为黑体是由多个带点谐振子组成，这些谐振子处于热平衡状态，每个振子具有一个固有的谐振频率ν，可以发出与吸收相同频率的电磁波，每个谐振子只能吸收或发射不连续的一份一份的能量，这个能量是一个最小能量ε0 =hν的整数倍，即谐振子能量为E=nhν,n为正整数，h为普朗克常量。
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）。
光纤光谱仪绝对光谱辐射定标新技术
文章编号:1002-2082(2011)01-0101-05光纤光谱仪绝对光谱辐射定标新技术张 芳,高教波,王 军,肖相国,张 磊(西安应用光学研究所,陕西西安710065)摘 要:在700nm ～900nm 波段范围内,用1000℃黑体标定光纤光谱仪(200nm ～1100nm),获得其在该波段范围内的绝对光谱响应函数。
通过测量光纤光谱仪对不同色温下卤钨灯的光谱响应,将700nm ～900nm 波段的响应函数推延至400nm ～700nm 波段范围,最终得到400nm ～900nm 波段内的绝对光谱响应函数。
光纤光谱仪对不同色温下卤钨灯的5次测量结果表明:在550nm ～900nm 范围内,所获得的绝对光谱响应合成不确定度小于3.53%。
关键词:光纤光谱仪;色温;绝对辐射标定中图分类号:T N 25 文献标志码:AAbsolute spectral radiation calibrationof fiber spectrometerZHANG Fang ,GAO Jiao -bo ,WANG Jun ,XIAO Xiang -g uo ,ZHANG Lei(Xi ’an I nstitute of A pplied O ptics,Xi ’an 710065,China)Abstract :As a referenced spectral detector ,the accurate calibration of fiber spectrometer is veryimportant .The absolutely spectral response function of the fiber spectro meter w ithin 550nm -900nm w as obtained w ith a new technique ,w hich av oids using a high temperature blackbody ,and the uncer tainty of the respo nse function is less than 3.53%.Besides,a novel metho d is used to o btain the colo r temperature of the light source w ith characteristic of g ray bo dy.Key words :fiber spectro meter ;co lor temperature ;absolute r adiation calibr ation引言光谱成像技术[1]是一种集光学、光谱学、精密机械、电子技术及计算机技术于一体的新型遥感技术。
1.3 黑体辐射实验规律
大学物理——量子物理
黑体辐射实验规律
一. 绝对黑体
若一个物体在任何温度下，对于任何频率（波长）电磁
波的单色吸收比都等于 1, α(λ,T ) 1
则称它为绝对黑体,简称黑体。
根据基尔霍夫定侓
M1 M2
1( ) 2( )
I(,T )
黑体是完全的吸收体，也是理想的辐射体
绝对黑体的单色辐出度
M0 λ (T
)
M0 λ (T ) α0 ( λ,T )
I(λ,T )
谢谢
--- 研究热辐射的中心问题
如何寻找黑体呢？
研究热辐射时，太阳被看成黑体。
人造绝对黑体模型 — 带有小孔就可以得到不同温度下黑体的
单色幅出度随波长（频率）变化的关
吸收
系曲线。
发射 给空腔体加热
二. 黑体辐射的基本规律
1. 斯特藩—玻耳兹曼定律
M0
0
M0 d
T4
斯特藩常数 5.67051108 W（ / m2 K4）
2. 维恩位移定律
黑体辐射出的光谱中辐射最强
的波长 m与黑体温度T之间满足：
mT b
维恩常数
b 2.897756103m K
黑体辐射应用：高温遥感和红外追踪 高温比色测温仪 估算表面温度
1964年，彭齐亚斯和威尔逊接 收到一种在空间均匀分部的微波 信号噪声，称为宇宙背景辐射。 这一结论与宇宙大爆炸理论预言 的结果一致。
基于图形的黑体辐射三大基本定律关系阐述
ｓ ｔ ｇ ａ ’Ｔｉ ’Ｅ ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ０ １ ， ２ ｅ（ｃ ， Ｘ ｃ ，０ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １ ， １ １ ， ｋ
ｌ ，４ １］ ３ １ ，５ ） ｘａ ｅ（ ｌ ｄ ｌｂｌ＇ ａ ＼ ｍｂ ａ／＼ ｍ’ ｍｕ ）
ｙａ ｅ （Ｍ ｌｂ ｌ ’
一
设 置 横 坐 标 点 横 坐 标 名 称 及 单 位 纵 坐 标 名 称 及 单 位
让 学生 了解 普 朗克 辐 射 公 式 ， 面 通 过 编 程 作 图 下 来 阐 明． 面 已说 明 普 朗 克 辐 射 公 式 所 表 达 的 是 前 黑 体 的光谱 辐射 出射 度 ， 此 以 波长 为横 坐 标 ， 为
某 一温 度 目标 的 光谱 辐 射 出射 度 分 布 曲线 、 给定波 段辐射 出射 度 、 总辐 射 出射 度 、 给定 波 段辐 射 出射 度与 总 辐 射 出射 度 比、 定 波 长辐 射 出射 指 度 、 值辐 射 波 长及 峰 值 辐 射 出射 度 等 这 些 光 电 峰
探测 系统 设 计 过 程 中 ， 探 测 对 象—— 目标 热 辐 对
相关 课题研 究 成 果 ， 有 关 课 程 中讲 述 三 大 定 律 在 时， 从普 朗克 辐射公 式作 图 出发 ， 结合 图形 阐述 三
大 定律 的物 理 含 义 、 此 间 的 相互 关 系 以及 在 工 彼 程 实践 中灵 活应用 的 问题．
基 金 项 目 厦 门 理工 学 院高 层 次 引 进 人 才 科 技 项 目（ ． １０ ８ ． Ｙ ＫＪ０ ０ Ｒ）
摘 要 运用 Ｍａｌｂ可 视化语 言编 程 ， 制 了表 征 普朗克辐 射公 式物理 意义 的 图形 ． 过对 该 ｔ ａ 绘 通 图形 曲线的深 入分析 ， 直观 地 阐 明 了维 恩位 移 定律 和 斯 忒 藩一 尔 兹 曼定 律 与普 朗克 玻 辐 射公 式的关 系及这 两个定 律 的物理含 义 ； 从 图形 又 出发 ， 采用 数值 计算 方法 ， 解得 求
黑体辐射
式中：W0 为黑体总辐射通量密度，单位（W²cm-2）；σ为斯忒藩-玻耳兹曼常量，（σ=（5.6697±0.0029）³10-2W²cm-2²k-4）式（2-7）为斯忒藩-玻耳兹曼定律，即黑体总辐射通量密度随温度的增加而迅速增大，它与温度的四次方成正比。
因此，温度只要有微小变化，就会引起辐射通量密度很大的变化，在用红外装置测定温度时，就是根据此定律作为理论依据的。
从图 2-10 中可以看到黑体辐射均有个极大值，它所对应的波长λmax，若对（2-6）式的 Wλ（λ，T）求波长的偏微分，并求极值，即可得到λmax。
?W? (?，T) ? 0??经整理可得：λmax²T=b（2 - 8）式中：λmax 为辐射通量密度的峰值波长；b 为常数，b=2897.8±0.4（μm²k）。
（2-9）式称为维恩位移定律，它说明随着温度的升高，辐射最大值对应的峰值波长向短波方向移动，表 2-4 给出不同温度时λmax 的数值。
表 2-4 不同温度时黑体辐射的峰值波长T(K) 273 300 310 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000λ maxμm 10.61 9.66 9.34 2.90 1.45 0.97 0.72 0.58 0.48 0.41上述讨论的是黑体辐射，自然界一般物体不是黑体，但在某一确定温度T 时，物体最强辐射所对应的波长λmax，也可以用维恩位移公式计算出近似值。
如：人体表面平均温度为37°（即 310K），其发射到空间的电磁辐射的峰值波长为外波段。
9.34即人体辐射的峰值波长位于热红二、地物的发射光谱特性任何地物当温度高于绝对温度OK 时，组成物质的原子、分子等微粒，在不停地做热运动，都有向周围空间辐射红外线和微波的能力。
通常地物发射电磁辐射的能力是以发射率作为衡量标准。
地物的发射率是以黑体辐射作为基准。
黑体辐射实验
相对误差=1.97%
选择 选择
4、将以上所测辐射曲线与绝对黑体的理论曲线进行
比较并分析之 （在同一色温下）。
六、思考题
1、实验为何能用溴钨灯进行黑体辐射测量并进行黑体辐射
定律验证？
单击
2、实验数据处理中为何要对数据进行归一化处理？
3、实验中使用的光谱分布辐射度与辐射能量密度有何关系？
软件中存了一条色温为2940K的溴钨灯的标准能量线
5、点击“传递函数”、“修正为黑体”√为
6．在表1中任选一工作电流，点击黑体扫描，输入相对 应的色温，记录溴钨灯光源在传递函数修正和黑体修正 后的全谱存于寄存器－内 ，然后归一化，如图所示。
7、改变溴钨灯工作电流，在表1中任选4个选电选择择流归值一，化分别
A
L1
B1
P L2
B2
C
A为黑体 B1PB2为分光系统
C为热电偶
测定黑体辐出度的实验简图
实验曲线
M 0 ( T )/W (c 2 m m 1 )
/m
01 234 5
绝对黑体的辐出度按波长分布曲线
3. 普朗克量子假设
问题：如何从理论上找到符合实验曲线的函数式
M 0 (T )f(,T )
维恩经验公式
大学物理实验
黑体辐射实验
一、实验目的
1、了解和掌握黑体辐射的光谱分布——普朗克辐射 定律
2、了解和掌握黑体辐射的积分辐射——斯忒藩玻尔 兹曼定律
3、了解和掌握维恩位移定律
重点：WGH—10黑体实验仪的原理和使用方法 难点：通过实验掌握黑体辐射的光谱分布规律
二、实验原理
1. 热辐射现象
固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长的 电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发而 发射电磁波的现象称为热辐射。所辐射电磁波的特 征仅与温度有关。
实验一黑体红外辐射实验
温度(℃)
30
35
40
.......
60
辐射强度(mV)
波长(nm)
表2：黑体表面与辐射强度数据记录表距离：20 mm
黑体面
黑面
粗糙面
光面1
光面2
辐射强度(mV)
表3：黑体辐射与距离关系数据记录表t= 80℃
距离(mm)
0
50
........
实验组号：同组成员：
实验地点：近代物理实验室实验时间：指导教师：陈伟华
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大小的影响，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L2的关系，并描绘W-L2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。
4.测量不同物体的防辐射能力，你能够从中得到哪些启发？
实验仪器：
DHTA-1温度传感器、DHRH-2黑体辐射测试架、红外热辐射传感器、光学导轨、滑块、DHRH-IFS红外转换器、三芯连接线、51康尼线、双鼠标头连接线、数字万用表等。
实验原理：
热辐射的真正研究是从基尔霍夫(G.R.Kirchhoff)开始的。1859年他从理论上导入了辐射本领、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M(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：
这一研究的结果促使普朗克进一步去探索该公式所蕴含的更深刻的物理本质。他发现如果作如下“量子”假设：对一定频率ν的电磁辐射，物体只能以hν为单位吸收或发射它，也就是说，吸收或发射电磁辐射只能以“量子”的方式进行，每个“量子”的能量为：E=hν，称之为能量子。式中h是一个用实验来确定的比例系数，称为普朗克常数，它的数值是 。公式(6)中的C1、C2可表述为： ， ，它们均与普朗克常数相关，分别被称为第一辐射常数和第二辐射常数。
近代-1-黑体辐射-1
式中
∫0
∞
M Bλ (T ) d λ = σ T 4
σ = 5.67×10−8 W⋅ m−2 ⋅ K−4
辐出度与 T 4 成正比. (2). 维恩位移定律 峰值波长 λ m 与温度 T 成反比
5
5000K
Tλm = b
4000K 3000K
b = 2.897 ×10−3 m ⋅ K
叶企孙 （1898－1977）
沿用了16年。
25
普朗克不满足“侥幸猜到”的半经验公式，要 “不惜任何代价” 地去揭示真正的物理意义。 普朗克认为：空腔内壁的分子、原子的振动 可以看成是许多带电的简谐振子，这些简谐振 子可以辐射和吸收能量，并与空腔内的辐射达 到平衡。从空腔小孔辐射出的电磁波，就是由 这些空腔内壁的简谐振子辐射出的。 普朗克大胆地假设：频率为 ν 的简谐振子的 能量值，只能取 ε = hν 的整数倍。即，简谐振 子的能量是量子化的（quantization），只能取 下面的一系列特定的分立值 ☆ ε , 2ε , 3ε , L 26
1986年推荐值： = 6.6260755 × 10 −34 J⋅ s h 1998年推荐值： = 6.62606876 × 10 −34 J⋅ s h 一般取： h ≈ 6.63 × 10 −34 J⋅ s
24
中国科学院学部委员 清华大学首任物理系 主任（1926）、首任 理学院院长（1929） 用X 射线方法测定普 朗克常量，在国际上
棱镜 空腔 电炉
频率不同折 射率不同 折射角不同。
转动平
行光管
热电偶 测得不同频 G 率的辐射功 率。
测量黑体辐射谱的实验装置
对黑体加热，放出热辐射； 把辐射按频段分开； 用热电偶测各频段辐射强度。
18-(1-2-3)黑体辐射
实验表明：吸收与反射的能量与物体温度有关、与辐射能 的波长范围有关。
9
定义：一束波长为+，强度为E入的电磁辐射入射到温度 为T的物体上时，若反射光的强度为E反(,T)，吸收光的强度为 E吸(,T)，则定义： E
反射
单色吸收率：
( , T )
E吸 ( , T ) E 入 ( , T )
14
e1 ( , T ) α1 ( , T )
e2 ( , T ) α2 ( , T )
e B ( , T )
e B ( λ, T ) α B ( λ,T )
真空
M2
M1
e B ( , T ) 为黑体的单色辐出度
αB ( , T ) 为黑体的单色吸收率
e( , T )
13
模型：
N个不同的物体置于一绝热 恒温体内，经过热辐射交换能量， 达到热平衡态。 -- 物体与容器具 有相同温度且保持不变。 要维持温度不变，则物体吸 收的辐射能必须等于辐射出去的 能量。 因此要维持平衡热辐射 ，只 有辐射能量较多的物体吸收能量 也多，反之亦然。
真空
M2
M1
MN
绝热恒温体T=C
1800K
1600K
火 炉
m
峰值波长
10
1.0 2.0
T：绝对温度
3.0 4.0
(nm) 5.0
注意：(1)以上两规律只适用于黑体，对非黑体只近似成立。
21
(2) 热辐射规律在现代技术中有广泛的应用 -- 高温测量、遥感、遥测、红外跟踪等。 测量黑体温度 -- 光测高温计
在实验室或工厂的高温炉子上开一小孔，小孔可看作 黑体，由小孔的热辐射特性，就可以确定炉内的温度。
黑体辐射
2h 3
e(T) c2 eh/kT1
(1)
(2)
• 但要从理论上论证这个公式，就必须假设
谐振子的能量只能取某个基本单元ε0=hν
整倍数 精品课件
• 对①求导后计算极值点，hνmax=2.82kT , 其中 ，h=6.626 ×10-23 J·s ，
k=R/N0≈1.38 ×10-23 J/ K =8.6 ×10-5
此时物体具有固定的温度。 我们只讨论平衡热辐射的情况。
热辐射的情况与物体种类及其表面有关， 情况太复杂了！ 怎么去研究热辐射的规律呢？
提出 “理想模型”的方法受：基尔霍夫定律的启发
e
(T
)/
a(T
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
)
与材料无关的普适函数 精品课件
二.黑体和黑体辐射的基本规律
1.黑体
能完全吸收照射到它上面 的各种频率电磁波的物体，称为黑体。
e2(λ,T)、…，
e0(λ,T) 、e1(λ,T)、
相应地各物体的单色吸收率分别为
a1(λ, T )、…，
a0(λ, T)、a1(λ, T )、
其中绝对黑体，a0(λ, T ) = 1；则等于绝对黑体在同一温度下
对同一波长的发射本领。
精品课件
★平衡热辐射
物体辐射的能量等于在同一时间内所吸收 的能量时，热辐射过程达到热平衡，称为 平衡热辐射。
• 黑体就是一个模型,实际上自然界并没有黑体。
精品课件
• 设某物体的透射率、反射率和
吸收率分别为t、r和a，且t +r +a =1，
• 则当t =1时该物体为理想透射
体；
• 当r =1时该物体为理想反射体； • 当a =1时该物体为理想吸收体，
遥感物理讲座 第五章 地物热辐射
1 M b ( , T ) 2hc hc 1 kT e
2 5
图 绝对黑体的模型 图 不同温度的绝对黑体的辐射光谱曲线
式中c是光速，K是玻耳兹曼恒量，e是自然对数的底，h是普朗 克常数，量值为：h=6.627*10-34J· S
简化普朗克公式：
M b ( , T )
5 (eC
《遥感物理》课程讲座-5 ----地物热辐射特性
内 容
引 言
绝对黑体 与基尔霍夫定律
绝对黑体的辐射定律 维恩位移定律 斯忒藩—玻耳兹曼定律 色温-辐射温度-亮温
比辐射率-发射率
热惯量
一、引 言
物体只要不处于绝对零度（-273°C），组成它的原子、分子等微粒就在不停地做热 运动，从而发射出电磁辐射。 处于不同温度的物体，发出的电磁辐射的强弱及其按波长的分布是不相同的。通常 将这种辐射强弱及其按波长的分布，都决定于物体温度的辐射，称为热辐射。也称为 温度辐射。 如果物体因热辐射消耗掉的能量，等于从外界获取的能量，物体的热辐射过程达到 平衡，称为平衡热辐射。这种状态下，物体的温度为一个确定的值。 通常讨论的遥感热辐射问题限于平衡热辐射。 宇宙中的各种物体，如太阳、各种星体、一定厚度的大气层、人造飞行器、地球及 地球上各种生物、非生物都是热辐射源
nb ( , T ) 2c
(e
4
hc / kT
1)
2C1
(e
4
C2 / T
1)
' 3
n b(λ ，T)的单位是光子数／m 3· sr · s。；σ’=1.52*1015m-2s-1T-3， 故黑体每秒辐射光子的光子数随其绝对温度的三次方变化。对于T=300K的黑体， 辐射的光子数目是4*1022个光子/m2/s。
黑体辐射单色出射度 - 北京师范大学物理学系
b b2 A 1− 2 − r r
A2 d (x + 2 ) 4b = A2 A 2 1+ 2 − (x + ) 2b 4b
A x+ 2b y= A2 1+ 2 4b
这样可以导出瞄准距离和散射角之间的关系:
ϕ 2 Ze b= cot 2 2 4πε 0 mv
db b
2
dϕ
dN 定义散射截面 n dN是散射到ϕ ~ ϕ + dϕ范围内的α粒子数, 是单位时间单位面积上的α粒子数. dσ =
1909年, 卢瑟福,盖革和马斯顿做α粒子散射实验
汤姆孙模型解释α粒子散射时的困难 “葡萄干布丁” 模型中, 正电荷Ze均匀地分布在半径为R的球内. 由例题17-3-1可知, 电场在空间中的分布:
α粒子 R
⎧ Ze ⎪ ⎪ 4πε 0 r 2 E=⎨ Zer ⎪ 3 ⎪ ⎩ 4πε 0 R
(r > R) (r < R)
卢瑟福α粒子散射实验
b:瞄准距离
α粒子
θ
r
R
ϕ
散射角
由角动量守恒得: 由能量守恒得:
dθ mrr = mbv dt
1 ⎛ dr ⎞ 1 2 ⎛ dθ ⎞ 2 Ze 2 1 2 m⎜ ⎟ + mr ⎜ ⎟ + = mv 2 ⎝ dt ⎠ 2 ⎝ dt ⎠ 4πε 0 r 2
2
2
dθ mrr = mbv dt
氢光谱
氦光谱
汞,铀原子光谱
汞光谱
铀光谱
氢原子光谱的实验规律
巴尔末系. 1885年, 瑞士的一位中学教师巴尔末氢原子的可见光区的 光谱可以表示成以下关系:
4 λ=B 2 n −4
其中:
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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
∗理论值。
为保证显示值不偏辐出度数值为：辐出度显示值=波长扫描探测器实测值
标定值
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；
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），1.5A（对应2674K），1.4A
（对应2548K），1.3A（对应2544K），1.2A（对应2303K），1.1A（对应
2208K），1.0A（对应2101K），0.9A（对应2001K），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。
6.实验结果如下：
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：
图4. 维恩位移定律验证界面
图3. 斯蒂芬-玻尔兹曼定律验证界面
注意事项
图4. 维恩位移定律验证界面
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。