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
电科专业实验报告实验名称黑体辐射实验班级姓名学号一、实验目的：1.掌握黑体辐射的基本理论。
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：1.黑体辐射基本理论：任何物体都会以电磁辐射的形式发射和接收能量。
辐射能与温度和表面性质都有关系。
辐射体的辐射性质，可以有一定的温度下，辐射体表面单位面积的辐射能量随波长的分布曲线，即单色辐射度曲线表示。
实际物体的单位辐射度依赖于辐射源的组成部分，是辐射波长的连续光谱，人的肉眼只能看到其可见光的部分。
相同温度下的黑体均发出同样的形式的光谱，不受其组成的影响。
有三个辐射定律：斯特藩-波尔兹曼定律、维恩位移定律、普朗克辐射定律。
2.黑体实验装置的原理：主机部分由单色器狭缝、接受单元光学系统以及光栅驱动系统等。
本实验选用硫化铅为光信号接收器，从单色仪出缝射出的单色光信号经过调制器，调制成50HZ的频率信号被PBS接收。
三、实验步骤：1、按要求正确连接电路。
检查无误后，打开溴钨灯电源预热；打开主机电源，连接好USB数据线。
2、建立传递函数曲线。
（1）、将标准光源电流调整为“溴钨灯的色温”表中，色温为2940K 时电流所在位置;（2）、预热20分钟后，在系统上记录该条件下全波段图谱；该光谱曲线包含了传递函数的影响；（3）、点击“验证黑体辐射定律”菜单，选“计算传递函数”命令，将该光谱曲线与已知的光源辐射能量线时，测量结果即扣除了仪器传递的影响。
3、修正为黑体。
任意发光体的光谱能量辐射本领与黑体辐射都有一系数关系，系统软件提供了钨的发射系数，并能通过将菜单栏的“修正成为黑体”点击为选定，进行修正。
测量溴钨灯的辐射能量曲线即自动修正为同温度下黑体的曲线。
4、验证黑体辐射定律。
将菜单栏中的“传递函数”和“修正成为黑体”均点击为选定后，扫描纪录溴钨灯曲线。
设定不同的色温多次测试，并选定不同的寄存器（最多可选择5个寄存器）分别将测试结果存入待用。
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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。
1896年维恩推导出黑体辐射谱的函数形式：
T c T e ac r λβλλ/5
2
),(-=
(4)
式中βα,为常数，该公式与实验数据比较，在短波区域符合的很好，但在长波部分出现系统偏差。
为表彰维恩在热辐射研究方面的卓越贡献，1911年授予他诺贝尔物理学奖。
1900年，英国物理学家瑞利从能量按自由度均分定律出发，推出了黑体辐射的能量分布公式：
KT c
r T 4
),(2λ
πλ=
(5)
该公式被称之为瑞利·金斯公式，公式在长波部分与实验数据较相符，但在短波部分却出现了无穷值，而实验结果是趋于零。
这部分严重的背离，被称之为“紫外灾难”。
1900年德国物理学家普朗克，在总结前人工作的基础上，采用内插法将适用于短波的维恩公式和适用于长波的瑞利·金斯公式衔接起来，得到了在所有波段都与实验数据符合的很好的黑体辐射公式：
1
1
./5
1
),(2
-=
T
c
T e c r λλλ (6)
式中1c ,2c 均为常数，但该公式的理论依据尚不清楚。
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h ν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 = h ν ，称之为能量子。
式中h 是一个用实验来确定的比例系数，被称之为普朗克常数，它的数值是6.62559×10-34焦耳秒。
公式（6）中的1c ,2c 可表述为：212hc c π=,k ch c /2=，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。
【实验器材】
温度控制器、黑体辐射测试架、红外热辐射传感器、光学导轨（60cm ）、红外转换器等。
【实验内容】
一、物体温度对物体辐射能力的影响
1.将黑体辐射测试架，红外热辐射传感器安装在光学导轨上，调整红外热辐射传感器的高度，使其正对模拟黑体（辐射体）中心，然后再调整黑体辐射测试架和红外热辐射传感器的距离为20.00cm ，并通过光具座上的紧固螺丝锁紧。
2.将测试架上的加热输入端口和控温传感器端口分别通过专用连线和温度控制器的相应端口相连；用专用连接线将红外辐射传感器和红外转换器相连；检查连线是否有误，确认无误后，开通电源，对辐射体进行加热。
3.将万用表的两表笔分别插入红外转换器的输出端口，记录不同温度时的辐射强度，填入表1中，并绘制温度-辐射强度曲线图。
表1：黑体温度与辐射强度记录表
二、探究黑体辐射和距离的关系
1.将黑体辐射测试架紧固在光学导轨左端，红外辐射传感器探头紧贴对准辐射体中心，调整辐射体的位置，直至红外辐射传感器底座上的刻线对准光学导轨标尺上的一整刻度，并以此刻度为距离零点。
2.将红外辐射传感器移至导轨另一端，并将辐射体的黑面转动到正对红外辐射传感器。
3.将控温表头设置在90℃，待温度控制好后，移动红外辐射传感器，每移动一定的距离后，记录相应的辐射度，并记录表2中，绘制辐射强度—距离图以及辐射强度—距离的平方图。
4．分析绘制的图形，你能从中得出什么结论，黑体辐射是否具有类似光强和距离的平方成反比的规律。
表2：黑体辐射与距离关系记录表
三、依据维恩位移定律，测绘物体辐射能量与波长的关系图
1．利用实验内容一中测得的不同温度时辐射体的辐射强度，确定辐射强度和辐射体温度的关系。
2.根据公式3，求出不同温度时的max λ。
3.根据不同温度下的辐射强度和对应的max λ，描绘max λ-W 曲线图。
4.分析所描绘图形，并说明原因。
【实验注意事项】
1.实验过程中，当辐射体温度很高时，禁止触摸辐射体，以免烫伤。
2.测量不同辐射表面对辐射强度影响时，辐射温度不要设置太高，转动辐射体时，应带手套。
3.实验过程中，为避免万用表跳字严重，应尽量避免外界环境的影响。
4.辐射体的光面1光洁度较高，应避免其受损。