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物体的辐射发射量的测定物体的辐射发射量的测定【仪器和元器件】【仪器和元器件】热辐射盒，温度控制仪，红外传感器，数据采集卡，微机，数据采集软件等。有关传感器的介绍参见附录 II。【实验设计要求】【实验设计要求】1.用上述仪器和元器件组装一套测量物体辐射发射量的实验装置。2.利用该装置测量不同物体表面的辐射发射量。3.研究物体表面状态对辐射发射量的影响。【设计思路和方案】【设计思路和方案】1、了解热辐射的基本概念和定律 当物体的温度高于绝对零度时，均有红外光向周围空间辐射出来，红外辐射的物理本质是热辐射。其微观机理是物体内部带电粒子不停的运动导致热辐射效应。热辐射的波长和频率在 0.76*100m之间，与电磁波一样具有反射、透射和吸收等性质。设辐射到物体上的能量为 Q，被物体吸收的能量为 Q，透过物体的能量为 Q，被反射的能量为 Q。由能量守恒定律可得：Q=Q+Q+Q 归一化后可得：1=+=+QQQQQQ （1）式中为吸收率，为透射率，为反射率。基尔霍夫定律基尔霍夫定律 基尔霍夫指出：物体的辐射发射量 M 和吸收率的比值 M/与物体的性质无关，都等同于在同一温度下的绝对黑体的辐射发射量 MB，这就是著名的基尔霍夫定律。)(2211TfMMMB=（2）基尔霍夫定律不仅对所有波长的全辐射（或称总辐射）而言是正确的，而且对任意单色波长也是正确的。绝对黑体绝对黑体 能完全吸收入射辐射，并具有最大辐射率的物体叫做绝对黑体。实验室中人工制作绝对黑体的条件是：1）腔壁近似等温，2）开孔面积腔体。比辐射率比辐射率的定义：的定义：物体的辐射发射量与黑体的辐射发射量之比，即=00dMdMMMBBBT黑体辐射发射量物体辐射发射量 （3）由基尔霍夫定律可知，辐射发射量 M 与吸收率的关系：BMM=由能量守恒定律和基尔霍夫定律，即公式（1）和（2）联立求解=+BMM1 可得：)1(=BMM （4）由上述知识可知，若我们测出物体的辐射发射量和黑体的辐射发射量，便可求出物体的吸收率，还可以获得物体反射率和透射率的有关信息。2、实验设计方案、实验设计方案 A)考察给出的仪器和元器件是否能达到实验设计的要求辐射方盒提供了四个不同颜色和表面粗糙度，辐射盒的温度范围从室温到 85 度可调，通过温度控制仪设定和控制辐射盒的表面温度。红外辐射传感器可以测量瞬时热辐射的相对强度。其敏感元件是一个小型热电堆，测量时生成一个和辐射强度成正比例的电压，在实验中所有热源的辐射发射量均用相对辐射强度表示，且自带电压放大电路，增益可选择 1，10 或 100。，用微机采集数据，并可用黑面对其它各表面进行归一化处理。B)组装实验装置 按图 1.1 把温度控制仪与热辐射盒联接起来，测量辐射盒的温度，并控制其温度；将数据采集卡与红外辐射传感器连接起来，测量物体表面的辐射发射量。【实验装置的调试和测量】【实验装置的调试和测量】1、打开温度控制仪电源，设置温度 80 度，注意随时观察温度值。2、当热辐射盒达到了热平衡时（即温度读数为在80 度），此时用辐射传感器测量每一个表面的辐射。要求保证每次都在离盒子表面同样的距离处测量。把测量结果以及此时的温度值记录到表上，每次测量前，必须在同一温度处对传感器调零；可以采集多次测量的数据取平均值。3、改变热辐射盒温度，在每一次达到热平衡时重复上述步骤并记录数据。【数据和结果分析】【数据和结果分析】1 辐射面的辐射出射度辐射面的辐射出射度 在这个实验中我们利用红外线传感器测量的是辐射方盒的总辐射发射量 M。M 是所有波长的电磁波的光谱辐射发射量的总和，数学表达式为：+=0dMM （5）上式被称为斯蒂芬-玻尔兹曼定律。不同的物体，处于不同的温度，辐射发射量都不同，但有一定的规律。在实验中我们利用红外线传感器测量 TD-8554A 辐射方盒各个表面的总辐射发射量，将 图 2 热辐射实验装置示意图 图 1 辐射方盒示意图 黑色表面近似为黑体，其表面的总辐射出射度为 MB，其他表面的总辐射出射度为 M，各表面的辐射出射度如表一所示。表二表二 辐射盒各表面的辐射发射量与温度的关系辐射盒各表面的辐射发射量与温度的关系 表面发射率(mV)温度(C0):温度(C0):温度(C0):温度(C0):温度(C0):黑色面 灰暗面 光亮面 说明：说明：测量在基本恒定的室温环境中进行测量在基本恒定的室温环境中进行 由图 3 和表一可知，各表面辐射出射度的绝对值与辐射表面的颜色和粗糙独有关；各表面出射度的与温度的关系基本呈线性递增，但各条曲线的斜率不同。实验用的辐射盒是用金属材料制成的，所以透射率0，由公式（4）)1(=BMM 可得：BMM=1 （5）对于黑色面：BMM ，所以0，白色面：043.01.231.2211BMM 灰暗面：69.01.230.711BMM 对于光亮面：94.01.234.111BMM【结论】【结论】也就是说，物体表面的反射率越大辐射发射量越小，反之亦然。因此测量物体表面发射量可以获得辐射盒各个面的表面状态、温度、吸收率和反射率的有关信息。【问题与思考】问题与思考】1 把传感器放到离盒子黑的一面 5cm 处，记录数据。再在两者之间放一个玻璃板，玻璃板能否阻止热辐射？2 把辐射盒的盖子拿开（或者直接用溴钨灯），重复上一步骤，但在这里直接用一个灯泡代替黑面，记录和分析测量的数据，你能得出什么结论。图 3 各个表面辐射出射度（从上到下依次为黑、白、灰暗、光亮面）3 用辐射传感器测量身边的各种辐射源，例如光源、人体、显示器等，描述实验现象，记录和分析测量的数据，给出合理的解释。4 一般地，吸收热辐射强的物体也能很好的辐射热。你的结果是否和这个规律一致？试解释！5 在大致相同的温度，是否不同物体有不同的辐射能力呢？6 和温室效应对比，实验的结果说明什么？