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）。而描述这关系的便是普朗克分布(Plank distribution)。 而在现实上黑体辐射是不存在的，只有非常近似（好比在一颗恒星之中）。
举例来说，我们观测到宇宙背景辐射(CMBR)，对应到一个约3K 的黑体辐射，
这暗示宇宙早期光是和物质达到平衡的。而随著时间演化，温度慢慢降了下来，但function 的form 却留了下来（还是blackbody ）。（频率和温度的效应抵销）
1.黑体的积分辐射——斯忒藩-波尔兹曼定律
1879年约瑟福. 斯特藩通过对实验数据的分析，提出了物体绝对温度为T 、面积为S
的表面，与单位时间所辐射的能量（辐射功率或辐射能通量）E 成正比。
5年后，鲁德维格. 波尔兹曼从理论上推导了这个公式，这就是斯特藩-波尔兹
曼定律。对应于一种理想的辐射源---绝对黑体,可得单位面积的单色辐射度：
（瓦特/米2） (1)
δ为斯特藩-波尔兹曼常数： 54
8322 5.6701015k h c
πδ-==?（瓦/米2.开尔文4） (2) k 为波尔兹曼常数，h 为普朗克常数，c 为光速。此式表明,绝对黑体的总辐射度与黑体温度的四次方成正比,即黑体的辐射度(即曲线下的面积)随温度的升高而急剧增大。
由于黑体辐射是各向通行的，所以其辐射亮度L 与辐射度有关系：
(3) 于是，斯忒藩-波尔兹曼定律也可以用辐射亮度表示为：
（瓦特/米2
.球面度） (4)
2. 维恩位移定律
λ越短,即从红色向蓝紫色光移动。这对应于高温物体温度T越高,辐射最强的波长
max
的颜色由暗红逐渐转向蓝白色的事实. 在研究工作中,可以从实验上测量不同温度下的波长
λ与温度T之间的定量关系,也可以利用经典热力学从理论上进行推导。历史上德国物max
λ与T之间的关系如果用数学形式描述这一实验规律,则有：理学家维恩于1893年找到了
max
λ∞T (5) 1/
max
λ与它的绝对温度T成反比：
即光谱亮度的最大值的波长
max
(6)
而A为一常数，即维恩常数，A=2.896×10-3 （米×开尔文）。随温度的升高，
图2.黑体的频谱亮度随波长的变化关系曲线图。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线。
绝对黑体光谱亮度的最大值的波长向短波方向移动。由于辐射光谱的性质依赖于它的温度，我们可以用分析辐射光谱的办法来估计诸如恒星或炽热的钢水等一类炽热物体的温度。热辐射是连续谱，眼睛看到的是可见光区中最强的辐射频率.某种物质在一定温度下所辐射的能量如何分布在光谱的各种波长上，它给人们提供了某一辐射体用作光源或加热元件的功能,但它们本身并非黑体。请注意，一般辐射源所辐射的光谱(能量按波长分布曲线)依赖于辐射
源的组成成分，但对于黑体，不论它们的组成成分如何，它们在相同温度下均发出同样形式的光谱。
分析图中曲线可发现该曲线有如下特征:
(1)在任何确定的温度下,黑体对不同波长的辐射本领是不同的.
λ处有极大值,说明黑体对该波长具有最大的单色辐出度.
(2)在某一波长
max
(3)当温度升高时,极大值位置向短波方向移动,曲线向上抬高并变得更为尖锐.
小结：
以上两定律将黑体辐射的主要性质简洁而定量地表示了出来,很有实用价值。根据斯特藩-波尔兹曼定律,热辐射能量随温度迅速增大。如果热力学温度加倍,例如从273K增到546K,辐射能量就增大16倍.因此,要达到非常高的温度,必须提供相应的能量以克服热辐射所造成的能量损失。反之,在氢弹爆炸中可以出现3×107K以上的温度,在这么高的温度下,读者可算一算,一种物质1cm2表面的能量将是该物质在室温下所固守能量的多少倍呢?
λ，则可得到辐射体的温度。例如太利用维恩位移定律可以测定辐射体的温度,如测定了
max
阳表面发出的辐射在0.5μm附近有一个极大值，我们可估算太阳的表面为6000K左右。还可以比较辐射体表面不同区域的颜色变化情况,来确定辐射体表面的温度分布,这种以图形表示出的热力学温度称之为热象图。热象图技术已在宇航、医学、军事等方面广为应用。如利用热象图的遥感技术可以监测森林火警,也可以用来监测人体某些部位的病变等。
3. 黑体辐射的光谱分布——普朗克辐射定律
在实验测得黑体单色辐出度之后，摆在人们面前的一个饶有兴趣的问题是：
1.怎样来解释实验上测得的M0（λ，T）-λ曲线？
2.怎样从理论上求得绝对黑体单色辐出度的数学表达式？
为此，在19世纪末许多物理学家作了巨大努力，从经典热力学、统计物理学和电磁学的基础上去寻求答案，但始终没有获得完全成功。1896年维恩根据经典热力学理论导出的公式只是在短波波长与实验曲线相符；1900年瑞利和琼斯根据统计物理学和经典电磁学理论导
λ短时，辐出的公式只是在波长很长时不偏离实验曲线。他们的共同结论是，在波长比
max
射能量将趋于无穷大。这显然是荒谬的结果，在物理学历史上，这一个难题被称为“紫外灾难”。“紫外灾难”表明经典物理学在解释黑体辐射的实验规律上遇到了极大的困难，是19世纪末经典物理学大厦上的两朵乌云之一。显然，如果事实不能被理论说明，那么理论存在缺陷，必须获得重建。
1900年，对热力学有长期研究的德国物理学家普朗克综合了维恩公式和瑞利-琼斯公式，利用内插法，引入了一个自己的常数，结果得到一个公式，而这个公式与实验结果精确相符，它就是普朗克公式，即普朗克辐射定律。此定律用光谱辐射度表示，其形式为： 215(1)T C T C E e λλλ=
-（瓦特/米3） (7) 式中：第一辐射常数C 1 =2πhc 2= 3.74×10-16 （瓦×米2）
第二辐射常数C 2 =hc/λ=1.4398′10-2（米×开尔文）
事实上，我们不难从普朗克公式推导出维恩公式和瑞利-琼斯公式。可是，这个公式的理论在什么地方？“紫外灾难”的真正原因是什么？正是这个理论，导致了量子物理学的产生。
在经典理论中，空腔器壁上的分子、原子被看作是辐射或吸收电磁波的“振子”，这是经典物理学最基本的前提之一，其能量可以连续变化，就是说，振子与电磁波之间的能量交换可以无限制地减少或增大。普朗克坚信振子吸收电磁辐射的规律、能量连续辐射的传统观念一定存在问题，提出了一个与经典理论格格不入的全新观点，那就是普朗克假设：
物体在发射或吸收频率为γ的电磁辐射时，只能以h εγ=为单位进行，电磁辐射能量只能是ε的整数倍，即E n nh εγ==，其中h 就是普朗克常数，h =6.6260755×10-34J.s 。按照这个假设，他成功地从理论上推导出普朗克公式。
普朗克假设也称普朗克能量子假设，最小的能量单位就是能量子。能量子假说的提出，给经典物理学打开了一个缺口，为量子物理学安放了一块基石，宣告了量子物理学的诞生。但是，1900年12月24日，普朗克在德国物理学会上报告了自己的研究结果的时候，没有人认为他的这个假设是正确的，也没有人认同他的假设有什么意义，他的能量子假设遭到冷遇。直到 1905年，年轻的物理学家爱因斯坦应用普朗克能量子概念，成功地解释了光电效应，才正式确立了普朗克能量子假设正确地位，使量子物理学得到正确的发展。 仪器介绍 (introduction of experimental instrument)
1.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
图3.黑体辐射实验装置
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e（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。
2.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360×300×160mm
3.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%T
实验任务和要求(experimental assignment and method)
1、建立传递函数曲线；
2、修正为黑体；
3、测量溴钨灯的辐射能量曲线；
4、研究黑体和一般发光体辐射强度的关系；
5、验证普朗克辐射定律；
6、验证斯忒藩－波耳兹曼定律；
7、验证维恩－波耳兹曼定律。
实验步骤(experimental step)
1.打开两个仪器的电源；
2.不选传函和黑体，如没有初始化，则需要检索，使波长为800nm；
3.选择模式-基线－单程，开始画曲线，若出现溢出，则需要减小狭缝宽度，重复单程操
作；
4.基线在每次测量时都需要绘制，如测量进行时，只须改变色温，则下次无须重绘基线；
5.验证黑体－计算传函；
6.选择传函、黑体，改模式基线为能量；
7.选择黑体，输入色温（调整电流，在说明书中找到对应的色温），确定；
8.若出现溢出，则需要减小缝宽（缝宽最好调节入射光，即前面的狭缝，最好不要调节出
射光），重新检索，再进行步骤7；
9.验证黑体，做归一化，可以不换寄存器1；
10.换寄存器2，验证理论曲线；寄存器数据也可以保存在硬盘中，也可以隐藏一个寄存器；
11.验证普朗克辐射定律，选取最高点，进行计算；
12.验证斯忒藩－波耳兹曼定律，选择寄存器1，得到实际值；
13.验证维恩－波耳兹曼定律，选择寄存器1，得到实际值。
光电效应测普朗克常数-实验报告
综合、设计性实验报告 年级 ***** 学号********** 姓名 **** 时间********** 成绩 _________
一、实验题目 光电效应测普朗克常数 二、实验目的 1、通过实验深刻理解爱因斯坦的光电效应理论，了解光电效应的基本规律； 2、掌握用光电管进行光电效应研究的方法； 3、学习对光电管伏安特性曲线的处理方法，并用以测定普朗克常数。 三、仪器用具 ZKY—GD—3光电效应测试仪、汞灯及电源、滤色片（五个）、光阑（两个）、光电管、测试仪 四、实验原理 1、光电效应与爱因斯坦方程 用合适频率的光照射在某些金属表面上时，会有电子从金属表面逸出，这种现象叫做光电效应，从金属表面逸出的电子叫光电子。为了解释光电效应现象，爱因斯坦提出了“光量子”的概念，认为对于频率为的光波，每个光子的能量为 式中，为普朗克常数，它的公认值是= 。 按照爱因斯坦的理论，光电效应的实质是当光子和电子相碰撞时，光子把全部能量传递给电子，电子所获得的能量，一部分用来克服金属表面对它的约束，其余的能量则成为该光电子逸出金属表面后的动能。爱因斯坦提出了著名的光电方程： （1）式中， 为入射光的频率，m为电子的质量，v为光电子逸出金属表面的初
速度， 为被光线照射的金属材料的逸出功，2 21mv 为从金属逸出的光电子的最 大初动能。 由（1）式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能必然也越大，所以即使阴极不加电压也会有光电子落入阳极而形成光电流，甚至阳极电位比阴极电位低时也会有光电子落到阳极，直至阳极电位低于某一数值时，所有光电子都不能到达阳极，光电流才为零。这个相对于阴极为负值的阳极电位0 U 被称为 光电效应的截止电压。 显然，有 （2） 代入（1）式，即有 （3） 由上式可知，若光电子能量W h <γ，则不能产生光电子。产生光电效应的最 低频率是h W = 0γ，通常称为光电效应的截止频率。不同材料有不同的逸出功， 因而 0γ也不同。由于光的强弱决定于光量子的数量，所以光电流与入射光的强 度成正比。又因为一个电子只能吸收一个光子的能量，所以光电子获得的能量与光强无关，只与光子γ的频率成正比，，将（3）式改写为 （4） 上式表明，截止电压 U 是入射光频率γ的线性函数，如图2，当入射光的频 率 γγ=时，截止电压 0=U ，没有光电子逸出。图中的直线的斜率 e h k = 是一 个正的常数： （5）
光电效应测普朗克常数-实验报告要点
光电效应测普朗克常数-实验报告要点
综合、设计性实验报告 年级***** 学号********** 姓名**** 时间********** 成绩_________
一、实验题目 光电效应测普朗克常数 二、实验目的 1、通过实验深刻理解爱因斯坦的光电效应理论，了解光电效应的基本规律； 2、掌握用光电管进行光电效应研究的方法； 3、学习对光电管伏安特性曲线的处理方法，并用以测定普朗克常数。 三、仪器用具 ZKY—GD—3光电效应测试仪、汞灯及电源、滤色片（五个）、光阑（两个）、光电管、测试仪 四、实验原理 1、光电效应与爱因斯坦方程 用合适频率的光照射在某些金属表面上时，会有电子从金属表面逸出，这种现象叫做光电效应，从金属表面逸出的电子叫光电子。为了解释光电效应现象， 爱因斯坦提出了“光量子”的概念，认为对于频率为的光波，每个光子的能 量为 式中，为普朗克常数，它的公认值是=6.626 。 按照爱因斯坦的理论，光电效应的实质是当光子和电子相碰撞时，光子把全部能量传递给电子，电子所获得的能量，一部分用来克服金属表面对它的约束，其余的能量则成为该光电子逸出金属表面后的动能。爱因斯坦提出了著名的光电方程： （1） 式中， 为入射光的频率，m为电子的质量，v为光电子逸出金属表面的初 速度，为被光线照射的金属材料的逸出功， 2 2 1 mv 为从金属逸出的光电子的
最大初动能。 由（1）式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能必然也越大，所以即使阴极不加电压也会有光电子落入阳极而形成光电流，甚至阳极电位比阴极电位低时也会有光电子落到阳极，直至阳极电位低于某一数值时，所有光电子都不能到达阳极，光电流才为零。这个相对于阴极为负值的阳极电位0 U 被称为光电效应的截止电压。 显然，有 （2） 代入（1）式，即有 （3） 由上式可知，若光电子能量W h <γ，则不能产生光电子。产生光电效应的最 低频率是h W = 0γ，通常称为光电效应的截止频率。不同材料有不同的逸出功， 因而 0γ也不同。由于光的强弱决定于光量子的数量，所以光电流与入射光的强 度成正比。又因为一个电子只能吸收一个光子的能量，所以光电子获得的能量与光强无关，只与光子γ的频率成正比，，将（3）式改写为 （4） 上式表明，截止电压 U 是入射光频率γ的线性函数，如图2，当入射光的频 率 0γγ=时，截止电压00=U ，没有光电子逸出。图中的直线的斜率 e h k = 是一 个正的常数： （5） 由此可见，只要用实验方法作出不同频率下的 γ -0U 曲线，并求出此曲线的 斜率，就可以通过式（5）求出普朗克常数h 。其中 是电子的电 量。
黑体辐射实验
黑体辐射实验 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。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。
黑体辐射实验
黑体辐射实验 （一）、实验目的要求 1、掌握黑体基本理论 2、掌握黑体辐射能量的测量和任意发射光源的辐射能量的测量 3、学会利用相同的装置验证黑体的辐射定律 （二）、实验原理与设备 黑体的基本理论 物体在一定的温度下发出电磁辐射，如果理想热辐射体表面温度已知，那么其辐射特性就可以完全确定。 黑体在温度T时的光谱辐射出射度M等于普适函数。1900年，普朗克根据他提出的量子理论建立了的准确表达式，得到了与实验完全相同的结果。这就是著名的普朗克辐射公式。 式中：＿＿第一辐射常量，其值为3.7418 ＿＿＿第二辐射常量，其值为1.4388； M＿＿单位为. 普朗克公式是光辐射的一个重要的基本公式。从这个公式出发，可以推导出其他有关的辐射公式。 根据基尔霍夫定律可知，绝对黑体的总辐射出射度只是温度的函数，1879年斯忒藩根据实验得到一条经验定律：绝对黑体的积分辐射出射度与其热力学温度的四次方成正比。1884年，玻尔兹曼根据热力学理论推导出了与斯忒藩经验定律相一致的结果，因此，称为斯－玻定律。 将上式对所有波长积分，就得到绝对黑体的积分辐射出射度， 即＝
此式为斯忒藩－玻耳兹曼定律，其中称为斯忒藩－玻尔兹曼常量。斯忒藩－玻尔兹曼定律表明，黑体的全辐射出射度与热力学温度的四次方成正比。因此，温度T微小的变化，就会引起辐射出射度很大的变化。 凡温度在绝对零度以上的物体均能够发出红外辐射，其辐射的峰值波长与物体的温度有确定的关系： 式中λm ——物体辐射的峰值波长 T——物体的温度 B——常数（2898μm·K） 此为辐射度学中的维恩位移定律，意为只要物体有温度，则一定有固定波长的辐射，自然界的物体温度如果在 -40℃～3000℃（233K～3273K）范围，则根据上述公式，峰值辐射波长在0.88～12μm之间，即人们通常所说的红外波段。 2．实验装置及工作原理 WGH–10性黑体实验装置,油光栅单色仪,接受单元,扫描系统,电子放大器,A/D采集单元,电压可调的稳压溴钨灯光源,计算机及打印机组成.该设备集光学,精密机械,电子学，计算机技术与一体. 溴钨灯光源，可调溴钨灯供电源，红外光栅单色器，红外滤光片，硫化铅（PbS）光接收器，光调制器，信号采集单元，数据采集与单色仪控制软件及计算机等。 主机部分有以下几部分组成：单色器，狭缝，接收单元，光学系统以及光栅驱动系统等。红外单色器光路采用C －T型，如图1。
光电效应实验报告书
光电效应测普朗克常量 姓名：梁智健 学院：材料成型及控制工程166班 学号：5901216163 台号：22 时间：2017-10-16 实验教室：309 【实验目的】 1、验证爱因斯坦光电效应方程，并测定普朗克常量h。 2、了解光电效应规律，加深对光的量子性的理解。 3、学会用作图法处理数据。 4、研究光电管的伏安特性及光电特性。 【实验仪器】 1.光电效应测定仪 2.光电管暗箱 3.汞灯灯箱以及汞灯电源箱。 【实验原理】 1、当光照射在物体上时，光的能量只有部分以热的形式被 物体所吸收，而另一部分则转换 为物体中某些电子的能量，使这 些电子逸出物体表面，这种现象 称为光电效应。在光电效应这一 现象中，光显示出它的粒子性， 所以深入观察光电效应现象，对 认识光的本性具有极其重要的意 义。普朗克常数h是1900年普朗克 为了解决黑体辐射能量分布时提 出的“能量子”假设中的一个普
适常数，是基本作用量子，也是粗略地判断一个物理体系是否需要用量子力学来描述的依据。 1905年爱因斯坦为了解释光电效应现象，提出了“光量子”假设，即频率为v 的光子其能量为h v ?。当电子吸收了光子能量h v ?之后，一部分消耗与电子的逸出功W ，另一部分转换为电子的动能212 m v ?，即爱因斯坦光电效应方程 212m hv mv W =+(1) 2、光电效应的实验示意图如图1所示，图中GD 是光电管， K 是光电管阴极，A 为光电管阳 极，G 为微电流计，V 为电压表， E 为电源，R 为滑线变阻器，调 节R 可以得到实验所需要的加 速电位差AK U 。不同的电压AK U ，回路中有不同的电流I 与之对 应，则可以描绘出如图2所示的 AK U -I 伏安特性曲线。 （1）饱和电流的强度与光强成 正比 加速电压AK U 越大，电流I 越大，当AK U 增加到一定值后，电流达到最大值H I ，H I 称为饱和电流，而且H I 的大小只与光强成正比。 （2）遏制电压的大小与照射光的频率成正比 如图3所示，电源E 反向连接，即当加速电压AK U 变为负值时，电流I 会迅速较少，当加速电压AK U 负到一定值Ua 时，电流0I =，这个电压Ua 叫做遏制电压，4所示。 212 a mv e U =?(2)
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 K 5000o K 4000o K 3000o 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(35 1 2--= Wm e C E T C T λλλ
大学物理实验报告
实验五、光电效应测普朗克常量 普朗克常量是量子力学当中的一个基本常量，它首先由普朗克在研究黑体辐射问题时提 出,其值约为s J h ??=-34 10626069 .6，它可以用光电效应法简单而又较准确地求出。 光电效应是这样一种实验现象，当光照射到金属上时，可能激发出金属中的电子。激发方式主要表现为以下几个特点：1、光电流与光强成正比2、光电效应存在一个阈值频率（或称截止频率），当入射光的频率低于某一阈值频率时，不论光的强度如何，都没有光电子产生3、光电子的动能与光强无关，与入射光的频率成正比4、光电效应是瞬时效应，一经光线照射，立刻产生光电子（延迟时间不超过9 10-秒），停止光照，即无光电子产生。传统的电磁理论无法对这些现象对做出解释。 1905年，爱因斯坦借鉴了普朗克在黑体辐射研究中提出的辐射能量不连续观点，并应用于光辐射，提出了“光量子”概念，建立了光电效应的爱因斯坦方程，从而成功地解释了光电效应的各项基本规律，使人们对光的本性认识有了一个飞跃。1916年密立根用实验验证了爱因斯坦的上述理论，并精确测量了普朗克常数，证实了爱因斯坦方程。因光电效应等方面的杰出贡献，爱因斯坦与密立根分别于1921年和1923年获得了诺贝尔奖。 实验目的 1、 通过实验理解爱因斯坦的光电子理论，了解光电效应的基本规律； 2、 掌握用光电管进行光电效应研究的方法； 3、 学习对光电管伏安特性曲线的处理方法、并以测定普朗克常数。 实验仪器 GD-3型光电效应实验仪（GD Ⅳ型光电效应实验仪）
图1 光电效应实验仪 实验原理 1、 光电效应理论：爱因斯坦认为光在传播时其能量是量子化的，其能量的量子称为光子，每个 光子的能量正比于其频率，比例系数为普朗克常量，在与金属中的电子相互作用时，只表现为单个光子： h εν= (1) 2 12 h mv W ν= + (2) 上式称为光电效应的爱因斯坦方程，其中的W 为金属对逃逸电子的束缚作用所作的功，对特定种类的金属来说，是常数。 2、实验原理示意图 图2 图3
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：???? ?? -=1251 T C T e C 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： 40 T 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， () 428234 5K m w/10670.5152??==-c h k πδ
k 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， T b =m a x 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。过高 的温度，对溴钨灯的工作寿命有很大的 影响，建议测量在2.5A 以下进行。 4、以驱动电流为2.5A ，对应溴钨灯（近 似为黑体）的色温为2940K 为例。先测 量一组仪器的基线，参数设置如图所示
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-=T c 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??==-k hc 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)
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。
04111202 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： (1) M 0(λ,T)= c 1 λ51 exp (c 2λT )?1式(1)中，第一辐射常数；第二辐射常数c 1=2π?c 2=3.7418?10?16W ?m 2 ；；为光速。 c 2=?c k =1.4388?10?2 m ?K k 为玻尔兹曼常数c 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： (2) L 0(λ,T)= c 1 πλ51 exp (c 2λT )?1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： (3) M 0(T )=σT 4 (W m 2)式(3)中， 称为斯蒂芬-玻尔兹曼常σ=c 1π415c 42=5.6696?10?8(W ?m 2?K ?4 )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： (4) λm T =b (μm ?K)式(4)中，常数。 b = c 24.9651=2898 μm ?K 保护层查所有复杂设况进行自
黑体辐射定律.
基尔霍夫热辐射定律 基尔霍夫热辐射定律（Kirchhoff热辐射定律），德国物理学家古斯塔夫·基尔霍夫于1859年提出的传热学定律，它用于描述物体的发射率与吸收比之间的关系。 简介一般研究辐射时采用的黑体模型由于其吸收比等于1（α=1），而实际物体的吸收比则小于1（1>α>0）。基尔霍夫热辐射定律则给出了实际物体的辐射出射度与吸收比之间的关系。 ?M为实际物体的辐射出射度，M b为相同温度下黑体的辐射出射度。 而发射率ε的定义即为 所以有ε=α。 所以，在热平衡条件下，物体对热辐射的吸收比恒等于同温度下的发射率。 而对于漫灰体，无论是否处在热平衡下，物体对热辐射的吸收比都恒等于同温度下的发射率。 不同层次的表达式 对于定向的光谱，其基尔霍夫热辐射定律表达式为 对于半球空间的光谱，其基尔霍夫热辐射定律表达式为 对于全波段的半球空间，其基尔霍夫热辐射定律表达式为 ?θ为纬度角，φ为经度角，λ为光谱的波长，T为温度。
参考文献 ?杨世铭，陶文铨。《传热学》。北京：高等教育出版社，2006年：356-379。 ?王以铭。《量和单位规范用法辞典》。上海：上海辞书出版社 普朗克黑体辐射定律 普朗克定律描述的黑体辐射在不同温度下的频谱 物理学中，普朗克黑体辐射定律（也简称作普朗克定律或黑体辐射定律）（英文：Planck's law, Blackbody radiation law）是用于描述在任意温度T下，从一个黑体中发射的电磁辐射的辐射率与电磁辐射的频率的关系公式。这里辐射率是频率 的函数[1]： 这个函数在hv=2.82kT时达到峰值[2]。 如果写成波长的函数，在单位立体角内的辐射率为[3]
1-2 黑体辐射 实验报告
近代物理实验报告 指导教师： 得分： 实验时间： 2010 年 06 月 02 日， 第 十四 周， 周 三 ， 第 5-8 节 实验者： 班级 材料0705 学号 200767025 姓名 童凌炜 同组者： 班级 材料0705 学号 200767007 姓名 车宏龙 实验地点： 综合楼 505 实验条件： 室内温度 ℃， 相对湿度 %， 室内气压 实验题目： 黑体辐射 实验仪器：（注明规格和型号） WGH-10型黑体实验装置（光栅单色仪、接收单元、扫描系统、电子放大器、转换采集、电流可调的溴钨灯光源、计算机及打印机组成）试验装置的光学系统如图所示。 实验目的： 通过测量黑体辐射的能量分布曲线及普朗克常量，加深对黑体辐射问题的理解。 实验原理简述： 历史上很多物理学家都企图用经典理论解释黑体辐射规律。如Kirchhoff 、Boltzzman 、Wilhelm 、Rayleigh 等。他们得到了一些与之有关的公式： Boltzzman Equation ：W k S N ln = Wilhelm Equation ： T a e b T R λλλ/5),(--= Rayleigh-Jeans formula ： ννπννd kT c d T E 2 38),(=
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,…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 8),(/33-=kT h e d c h d T E νν νπνν 因为λλννλd c d c 2,/= = 所以 18),(/5-= kT hc e d hc d T E λλ λπλλ 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。 考虑到单色辐射能密度E （λ，T ）与单色辐射度R （λ，T ）之间的关系： ),(4 ),(T R c T E λλ= 此式还可以写成如下形式 12),(/5 2-= kT hc e d hc d T R λλλπλλ Planck 公式经过微分后得到Wilhelm 位移定律： 965.4=T k hc m λ Planck 公式经积分后可以得到Stefan-Boltzmann Law 40 ),()(T d T E T E σλλ==?∞ 不同的人提出的辐射理论表达为公式曲线之后的图形如右所示， 可见还是存在一定的差别的。 实验步骤简述： 1、 实验内容 1 绘制不同温度下的黑体辐射能量曲线 2 验证普朗克辐射定律 3 验证维恩位移定律 4 验证斯特藩-玻尔兹曼定律 2、 实验步骤 （1） 检查仪器连线，调节狭缝宽度。 （2） 打开溴钨灯电源，打开控制箱电源，预热。
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)=2πC λ4 kT （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。在此能量量子化的假定下，他推导出了如下黑体辐射公式： E(λ,T)=2πhc2 λ5 1 e hc/λkT?1（3）
黑体实验报告
近代物理实验报告 黑体辐射实验 学院 班级 姓名 学号 时间 2014年4月4日
黑体辐射实验 实验报告 一、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 二、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。一般辐射体其辐射本领和吸收本领都小于黑体，并且辐射能力不仅与温度有关，而且与表面材料的性质有关，实验中对于辐射能力小于黑体，但辐射的光谱分布与黑体相同的辐射体称为灰体。由于标准黑体的价格昂贵，本实验用钨丝作为辐射体，通过一定修正替代黑体进行辐射测量及理论验证。 1、黑体辐射的光谱分布 十九世纪末，很多著名的科学家包括诺贝尔奖获得者，对于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2所示，对于此分布曲线的理论分析，历史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。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。普朗克研究这个问题时，本着从实际出发，并大胆引入了一个史无前例的特殊假设：一个原子只能吸收或者发射不连续的一份一份的能量，这个能量份额正比于它的振荡频率。并且这样的能量份额值必须是能量单元h ν的整数倍，即能量子的整数倍。h 即是普朗克常数。由此得到了黑体辐射的光谱分布辐射度公式：)/() 1(E 35 1 2 米瓦特-= T C t e C λλλ 式中：第一辐射常数C 1＝2πhc 2 ＝3.74×10－16 （Wm 2 ） 第二辐射常数C 2＝hc ／k ＝1.4388×10－2 （mK ）
光电效应测普朗克常量实验报告
光电效应测普朗克常量实验报告 以下是为大家整理的光电效应测普朗克常量实验报告的相关范文，本文关键词为光电效应,普朗克,常量,实验,报告,，您可以从右上方搜索框检索更多相关文章，如果您觉得有用，请继续关注我们并推荐给您的好友，您可以在工作报告中查看更多范文。 篇一：光电效应测普朗克常量实验报告 广东第二师范学院学生实验报告 1 2 3 4 5 篇二：光电效应测普朗克常数-实验报告 普朗克常量的测定 【摘要】 本文介绍了大学物理实验中常用的光电效应测普朗克常量实验的基本原理及实验操作过程，验证了爱因斯坦光电效应方程并精确测
量了普朗克常量，通过对实验得出的数据仔细分析比较，探讨了误差现象及其产生的原因，根据实验过程中得到的体会和思索，提出了一些改进实验仪器和条件的设想。 【关键字】 爱因斯坦光电方程；光电流；普朗克常量 【引言】 在文艺复兴和工业革命后，物理学得到了迅猛的发展，在实际应用中也发挥了巨大的作用。此刻人们感觉物理学的大厦已经建成，剩下只是一些补充。直到19世纪末，物理学领域出现了四大危机：光电效应、固体比热、黑体辐射、原子光谱，其实验现象用经典物理学的理论难以解释，尤其对光电效应现象的解释与理论大相径庭。 光电效应最初是赫兹在1886年12月进行电磁波实验研究中偶然发现的，虽然是偶然发现，但他立即意识到它的重要性，因此在以后的几个月中他暂时放下了手头的研究，对这一现象进行了专门的研究。虽然赫兹没能给出光电效应以合理的解释，但赫兹的论文发表后，光电效应成了19世纪末物理学中一个非常活跃的研究课题。勒纳是赫兹的学生和助手，很早就对光电效应产生了兴趣。1920年他发表论文介绍了他的研究成果，勒纳得出，发射的电子数正比于入射光所带的能量，电子的速度和动能与发射的电子数目完全无关，而只与波长有关，波长减少动能增加，每种金属对应一特定频率，当入射光小于这一频率时，不发生光电效应。虽然勒纳对光电效应的规律认识很清楚，但其解释却是错误的。
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 hc 5155 2T -λ=-λλπ=λλ（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 T E 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， 40 T 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 =2 345c 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 = T E 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 4 T L π δ= （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 A max = λ （18-7） A 为常数，A=2.896?10-3 （米×开尔文）。 这一波长对应的黑体光谱辐射亮度由式（18-1）、（18-2）和（18-7），有 ) 1e (C 1E L T max 2 C max 5max 1 T max -λ π= π = λλ=4.10T 5?10-6（瓦特/米3?球面角?开尔文5 ） 随着温度的升高，绝对黑体光谱亮度的最大值的波长向短波方向移动。 三、实验装置和测量 1．实验仪器 本实验主要仪器为WGH-10型黑体实验装置，其由光栅单色仪，接收单元，扫描系统，电子放大器，A/D 采集单元，电压可调的稳压溴钨灯光源，以及计算机组成。
光电效应测普朗克常量实验报告
光电效应测普朗克常量实验报告 一、实验题目 光电效应测普朗克常数 二、实验目的 1、通过实验深刻理解爱因斯坦的光电效应理论，了解光电效应的基本规律； 2、掌握用光电管进行光电效应研究的方法； 3、学习对光电管伏安特性曲线的处理方法，并用以测定普朗克常数。 三、仪器用具 ZKY—GD—3光电效应测试仪、汞灯及电源、滤色片（五个）、光阑（两个）、光电管、测试仪 四、实验原理 1、光电效应与爱因斯坦方程 用合适频率的光照射在某些金属表面上时，会有电子从金属表面逸出，这种现象叫做光电效应，从金属表面逸出的电子叫光电子。为了解释光电效应现象，爱因斯坦提出了“光量子”的概念，认为对于频率为的光波，每个光子的能量
为 式中， 为普朗克常数，它的公认值是 =6.626 。 按照爱因斯坦的理论，光电效应的实质是当光子和电子相碰撞时，光子把全部能量传递给电子，电子所获得的能量，一部分用来克服金属表面对它的约束，其余的能量则成为该光电子逸出金属表面后的动能。爱因斯坦提出了著名的光电方程： （1） 式中，γ为入射光的频率，m 为电子的质量，v 为光电子逸出金属表面的初 速度， 为被光线照射的金属材料的逸出功，2 21 mv 为从金属逸出的光电子的 最大初动能。 由（1）式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能必然也越大，所以即使阴极不加电压也会有光电子落入阳极而形成光电流，甚至阳极电位比阴极电位低时也会有光电子落到阳极，直至阳极电位低于某一数值时，所有光电子都不能到达阳极，光电流才为零。这个相对于阴极为负值的阳极电位0U 被称为光电效应的截止电压。 显然，有 （2） 代入（1）式，即有 （3） 由上式可知，若光电子能量W h <γ，则不能产生光电子。产生光电效应的最
热辐射实验
1.实验题目：热辐射与红外扫描成像系列实验 2.实验目的 1） 学习热辐射的背景知识及相关定律，理解科学家们创造性的思维方法和相关实验技术。 2） 学习用虚拟仪器研究热辐射基本定律，测量Planck 常数。 3） 了解红外扫描成像的基本原理，掌握扫描成像的实验方法和技术。 4） 培养学生运用热辐射的基本原理和相关技术进行基础研究和应用设计的能力。 3.实验内容 1） 验证热辐射基本定律，用黑体辐射公式测量Planck 常数 2） 研究和测定物体不同表面状态的辐射发射量 3） 研究辐射发射量与距离的关系 4） 红外扫描成像实验研究 5） 红外无损探伤实验研究 6） 红外温度计的设计与材料热性质的研究 7） 运用热辐射基本定律和本实验装置进行自主应用设计性实验 4.实验原理 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?100μ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 α，透过物体的能量为Q τ，被反射的能量为Q ρ。 由能量守恒定律可得： Q=Q α+Q τ+Q ρ归一化后可得： +1Q Q Q Q Q Q βαταβτ+=++= （1） 式中α为吸收率，τ为透射率，ρ为反射率。 1.1 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α的比值M/α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M B ，这就是著名的基尔霍夫定律。
1 212()B M M M f t αα====L （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λ也是正确的。 1.2 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。 本实验中我们利用红外传感器测量辐射方盒表面的总辐射发射量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： M M d λλ∞ =∫ （3） 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。 比辐射率ε的定义：物体的辐射发射量与黑体的辐射发射量之比，即 00d =d B B T B M M M M λλλελελ ∞∞??==????∫∫物体辐射发射量黑体辐射发射量 （4） 由基尔霍夫定律可知，辐射发射量M与吸收率α的关系：B M M α= 由能量守恒定律和基尔霍夫定律，即公式（1）和（2）联立求解 1B M M αβτα++=??=? 可得: ()1B M M τρ=?? （5） 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. 空气中热辐射的传播规律研究 我们知道，许多物理量都与距离 r 的反平方成正比。现代物理学认为，这很大程度上是由空间的几何结构决定的。以天体辐射为例，如果距离 r 的指数比 2 大或者比 2 小，就会影响太阳的辐射场，使地球温度过低或者过高，从而不适合碳基生命形式的存在。那么热源的辐射量与距离的关系是否也遵循这一规律呢？对于球形均值热源和各种不同形状和不同材料构成的热源的辐射量在空气中的衰减规律及其分布是否都遵循反平方定律呢？ 我们首先引进几个概念。辐射功率 P ：单位时间内传递的辐射能 W ，即