第二章 光辐射的传播 2.1 光辐射的电磁理论 光辐射是电磁波，它服从电磁场基本规律。由于引起生理视觉效应、光化学 效应以及探测器对光频段电磁波的响应主要是电磁场量中的E 矢量，因此，光辐 射的电磁理论主要是应用麦克斯韦方程求解光辐射场量E 的变化规律。 1. 光辐射的波动方程 在无源（ρ=0）非磁性介质中，运用麦克斯韦方程并经一系列数学运算可以 得到场量E 所满足的微分方程 t J t P t E E ??-??-=??+???? μμμε22220 (2.1-1) 这就是光辐射普遍形式的波动方程。 方程右边两项反映物质对光辐射场量的影响，起“源”的作用，分别由极化电荷与传导电流引起。 对导体，t J ??- μ项起主要作用。 对绝缘体（J =0），22t P ??- μ项起主要作用 对于半导体，两项都起重要作用。 2. 光辐射场的亥姆霍兹方程 对于简谐波场，场量可表示为 t i e r E t r E ω=)(),( ， 则(2.1-1)式中场量E 的时 间因子可以消去，得到 0)()()(0002 =--????r E i r E r r r σμωμεμεμω (2.1-2) 引入复相对介电系数 r r r r i i εεωεσ εε'-=-=0 ~ (2.1-3) (2.1-2) 式可改写为 0)(~)(02=-????r E r E r εμεω (2.1-4) 这就是光辐射满足的亥姆霍兹方程。
3. 均匀介质中的平面波和球面波 对于各向同性的无吸收介质， 0=??E ，利用矢量恒等式E E E 2 ?-???=????，亥姆霍兹方程可改写为 0)(~)(022 =+?r E r E r εμεω (2.1-5) 上式平面波解的一般形式为 ) (00),(?ω+?-=r k t i e E t r E (2.1-6) 球面波解的一般形式为 ) (00),(?ω+?-=r k t i e r E t r E (2.1-7) 式中k 为波矢量，?0为初相。 5. 电磁场的边界条件 在光电子技术的许多实际应用中，经常涉及在两种或多种物理性质不同的介质交界面（在该处ε、μ发生突变）处光辐射场量之间的关系。这时，求解麦克斯韦方程需要考虑边界条件。 如图1所示，光辐射场的边界条件可以直接由麦克斯韦方程推得： ? ?? =-=-02121t t s n n E E D D σ (2.1-8) 式中σs 为界面面电荷密度。 在光学波段经常遇到的情况是σs 等于零，这时，界面两侧E 的切向分量以及D 的法向分量均连续。 σ2 图1 界面上电场的法向和切向分量
传热学课程自学辅导资料 （热动专业） 二○○八年十月
传热学课程自学进度表 教材：《传热学》教材编者：杨世铭陶文铨出版社：高教出版时间：2006 1
注：期中（第10周左右）将前半部分测验作业寄给班主任，期末面授时将后半部分测验作业直接交给任课教师。总成绩中，作业占15分。 2
传热学课程自学指导书 第一章绪论 一、本章的核心、重点及前后联系 （一）本章的核心 1、导热、对流、辐射的基本概念。 2、传热过程传热量的计算。 （二）本章重点 1、导热、对流、辐射的基本概念。 2、传热过程传热量的计算。 （三）本章前后联系 简要介绍了热量传递的三种基本方式和传热过程 二、本章的基本概念、难点及学习方法指导 （一）本章的基本概念 1、热传导 导热（Heat Conduction）：物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称为导热。 特点：从宏观的现象看，是因物体直接接触，能量从高温部分传递到低温部分，中间没有明显的物质迁移。 从微观角度分析物体的导热机理： 气体：气体分子不规则运动时相互碰撞的结果。 导电固体：自由电子不规则运动相互碰撞的结果，自由电子的运动对其导热起主导作用。 非导电固体：通过晶格结构振动所产生的弹性波来实现热量传递，即院子、分子在其平衡位置振动。 液体：第一种观点类似于气体，只是复杂些，因液体分子的间距较近，分子间的作用力对碰撞的影响比气体大；第二种观点类似于非导电固体，主要依靠弹性波（晶格的振动，原子、分子在其平衡位置附近的振动产生的）的作用。 热流量：单位时间传递的热量称为热流量，用Ф表示，单位为W。 3
课程： 专业班号：姓名：学号： 同组者： 一、实验目的 1.了解辐射度学的一些基本概念； 2.了解光源的光谱特性及标准光源、二级标准光源的概念； 3.了解单色仪、光电倍增管的结构、工作原理和方法； 4.学习测定光源的光谱特性—辐射能谱曲线的原理和方法； 5.对计算机在物理实验中的应用有较好的了解。 二、实验原理 1.基本概念 (1) 光源辐射通量、辐射度及辐射能谱 辐射通量（功率）：光源在单位时间辐射出的辐射 能量，其单位为瓦特。 辐射度：光源上单位面积在单位时间辐射出的辐 射能量，其单位为瓦特每平方米。 辐射能谱：给定光源只能辐射出一定波长范围内 的光，且所辐射出的不同波长的光的辐射通量亦不同， 光源辐射通量随波长的分布称为光源的辐射能谱 （亦称光谱能量分布），记为E(λ)。图1 黑体及钨带灯的相对辐射能谱 (2) 标准光源及其辐射能谱 标准光源：已知辐射能谱分布的光源称为标准光源，理相的标准光源是绝对黑体。其相对辐射能谱如图1所示。 (3) 光源的发射率、二级标准光源及其辐射能谱 发射率：其它光源和物体都是非黑体，它们的辐射本领都小于黑体。通常把非黑体光源 ε。 在一定温度下的辐射度与黑体的辐射度之比称为该光源的发射率，记为） （λ二级标准光源及其辐射能谱：作为标准光源的黑体其制作和使用都比较复杂。钨丝是非黑体，它在某一温度下的辐射能谱与同一温度下黑体的辐射能谱形式相同，只是辐射度比黑体小，其相对辐射能谱如图1所示。因此，在要求不高的情况下，通常用温度等于2800K
的钨带灯作为二级标准光源。 二级标准光源—钨带灯的辐射能谱：）（钨λE 之值可由黑体的辐射能谱） （黑体λE 及钨带灯的光谱发射率） （钨λε求得，即 ） （）（）（钨黑体钨λελλ?=E E （1） 或给标定过的钨带灯通以额定电流，由钨带灯出厂时附带的数表直接查得。 2. 测定给定光源的辐射能谱 (1) 测量装置 实验装置框图如图2所示。光栅单 色仪作为分光仪；光电倍增管作为光探 测器；电控系统在计算机软件的控制下， 为单色仪的扫描系统及光电倍增管提供 驱动电压及负高压，并将光电倍增管所 探测的光电压信号进行处理后送 图2 实验装置框图 入A/D 转换系统；计算机的软件系统与A/D 转换系统一起完成数据采集、处理及控制整个系统的工作。 光栅单色仪 光栅单色仪是能将复色光分解成一系列独立单色光的分光仪器。其原理光路图如图3所示。入射到光栅单色仪的复色光经入射狭缝S 1后投射到球面反射镜M 1上，S 1处于M 1的焦平面上，因此，经球镜M 1反射后的光束为平 行光束，这平行光束经平面光栅G 分光后，分 成不同波长的平行光束以不同的衍射角投向球 面反射镜M 2，球镜M 2起照相物镜的作用，将 这些平行光束经平面镜M 3反射后成像于它的焦 平面上，从而得到一系列的光谱。出射狭缝位于 球镜M 2的焦平面上，根据它开启的宽度大小， 允许波长间隔非常狭窄的一部分光束射 图 3 光栅单色仪原理光路图 出狭缝 S 2，当光栅按顺时针方向旋转时（在本实验中光栅的旋转是由计算机来控制的），可以在狭缝S 2处得到光谱纯度高的不同波长的单色光。这样单色仪就起到了将入射的复色光分解成一系列独立单色光的作用。 光电倍增管 光电倍增管是利用外光电效应制 成的能将光信号转变为电信号的光电 器件。其结构及工作电路如图4所示。
光电检测常用光源调研报告 光信092 黄坚保0911030005 前言 由于生产技术的发展和对产品质量的保证，对产品进行检测就成了一个必须的环节。检测技术发展到今天，已经是种类繁多技术全面了。这里主要是以光电检测为对象进行调研的。 重点词汇光电检测光源LED LD 正文 在光电检测领域，比较关键的就是光源的选取。光的产生可以分为电致发光、光致发光、化学发光、热发光、生物发光和阴极射线发光。常用光源有热辐射光源（如太阳光、白炽灯、卤素灯等）、气体放电光源、金属卤化物灯、电致发光光源（如EL型和TFEL型、半导体发光器件）以及激光光源。 对光源选择的基本要求包括：对光源发光光谱特性的要求，对光源发光强度的要求，对光源稳定性的要求和其他方面的要求。 光源的基本参数有发光效率（单位lm/W），寿命（单位h），光谱功率谱分布，空间光强分布特性，光源光辐射的稳定性以及光源的色温和显色性。 以下是个常用光源的产生原理、特性以及应用 一、热辐射光源 1、太阳光太阳光是热核聚变辐射产生的光，是复色光，其照度值在不同光谱区不同，紫外光约占6.46%，可见光占46.25%和红外光区占47.29%。太阳光因为是很好的照明光源，所以它是被动光电测量的主要光源，又是很好的平行光源。 2、白炽灯它靠电能将灯丝加热至白炽而发光，主要的灯丝材料为钨。钨的蒸发率随温度不同而改变，而使用时间随工作温度升高而变短。 3、卤素灯溴、碘、氯、氟各种卤素都能产生钨的再生循环，就可以使灯的光效和寿命大大增加。国内生产的主要是碘钨灯和溴钨灯，一般用作一般照明、投影仪照明、放映照明、汽车前灯照明、舞台灯光影视照明等。 二、气体放电光源 这类光源是利用气体放电原理来发光的。将氢、氘、氪等气体或汞、钠、硫等金属蒸汽充入灯内，在电场等能源的激励下，从灯的阴极发射出电子，电子将奔向阳极，由于阴阳极之间充满的气体或金属蒸汽因为激发辐射而发光。 气体放电光源的特点有： 1、发光效率高，比白瓷灯高2-10倍； 2、结构尺寸较大； 3、寿命长，大约为白炽灯的2-啊10倍； 4、光色范围宽； 5光源的功率稳定性较差 由于以上特点，气体放电灯主要用于工程照明，在光电测量中主要用于对光源稳定性要求不太高的强光主动测量场合。
实验3 热辐射成像实验 热辐射是19世纪发展起来的新学科，至19世纪末该领域的研究达到顶峰，以致于量子论这个婴儿注定要从这里诞生。黑体辐射实验是量子论得以建立的关键性实验之一，也是高校实验教学中一重要实验。物体由于具有温度而向外辐射电磁波的现象成为热辐射，热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0到∞，而一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线。物体在向外辐射的同时，还将吸收从其他物体辐射的能量，且物体辐射或吸收的能量与它的温度、表面积、黑度等因素有关。 【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，物体辐射强度P 和距离S 以及距离的平方S 2的关系，并描绘P-S 2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？（选做） 5、了解红外成像原理，根据热辐射原理测量发热物体的形貌（红外成像）。 【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= （3-1） 式中F (ν,T )是一个与物质无关的普适函数。在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（J.Stefan ）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= （3-2） 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（H.F.Weber ）提出了波长与绝对温度之积是一定的。1893年维恩（wilhelmwien ）从理论上进行了证明，其数学表达式为：
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
光源原理考题答案
考试信息 ?时间：1月19日上午8:30~10:30 ?地点：HGX210 ?题型：判断, 选择, 填空, 名词解释, 简答, 计算 ?答疑：1月18日下午1:30~4:30, 电光源楼207 2009-01-08 源原理与设计, 复习要点 第一章光源的特性参量 1. 光波长的划分区域（P1） 2. 辐射度量和光度量, 以及它们之间的关系（辐射度量P1~4，光度量P8~12） (一)辐射度量 1.辐射能量Q e 定义：光源辐射出来的光(包括红外线、可见光和紫外线)的能量称为光源的辐射能量。 单位：J焦耳。
2.辐射通量(辐射功率)P e 定义：在单位时间内通过某一面积的辐射能量称为经过该面积的辐射通量，而光源在单位时 间内辐射出去的总能量就叫做光源的辐射通量。辐射通量也可称为辐射功率。单位：W瓦。 3.辐射强度I e 定义：光源在某一方向上的辐射强度I e是指光源在包含该方向的立体角Ω内发射的辐射通 量P e与该立体角Ω之比：I e=P e/Ω 单位：W/sr 当光源在空间各个方向发出的辐射通量均匀分布时，I e=P e/4π 4.辐射出(射)度M e 和辐照度E e M e 定义：一个有一定面积的光源，如果它表面上的一个发光面积S在各个方向(在半个空间内)的总辐射通量为P e，则该发光S超的辐射出(射)度为M e=P e/S 单位：W/m2 E e 定义：表示物体被辐射程度的量称为辐照度E e 。它是每单位面积上所接收到 的辐射通量数，即E e=dP e/dS’(s’表示接收器的面积元) 5.辐射量度L e 定义：光源在给定方向上的辐射亮度L e(φ，θ)是光源在该方向上的单位投影面积、在单位立体角中的辐射通量即L e(φ，θ)= P e（φ，θ）/（S*cosθ*Ω）S代表发光面的面积，θ是在给定方向和发光面法线之间的夹角，Ω是给定方向的立体角，P e（φ，θ）是在该立体角内的辐射通量。
崇明县新光中学课堂教案设计表课题 热在固体中和真空中的传递 授课 时间 课时 教学目标知识目标：通过热在金属中的传递实验，知道热在固体以传导的方式传递。 能力目标：初步学会运用理论推测的方法揭示固体的热传递方式 情感目标：通过辐射传递热的实验，知道热在空气中除通过对流方式外还可以通过辐射等方式传递。 重点难点教学重点：1．热在固体中以传导的方式传递。 2．辐射传热不需要介质。 教学难点：1．通过粒子理论解释传导现象。 2．辐射传热的现象以及辐射与传导、对流传热的根本差异 学情 教情 分析 教学 准备 铜棒、隔热板、氯化钴试纸、酒精灯\温度计2支，100瓦灯泡、灯座、接线板。 教学过程设计 教学 过程 教师活动学生活动设计意图 导入新课在屏幕上投出物质的三态粒 子构成模式图以及相关表 格。 让学生明确热在固体中不 可能通过对流传递。 ◆回顾物质的三态特性， 并复习热在气体和液体 中的传递方式——对 流。 明确热在固体中不可能通过 对流传递。 教学 过程 教师活动学生活动设计意图 教授新课实验1 ◆提问：为什么要将氯化 钴试纸能湿？ ◆提问：为什么在铜棒靠 近酒精灯一侧加隔热 板。 ◆提问：为什么A氯化钴 试纸最先变绿？最先A 变绿然后B变绿最后C 变绿的实验结果可以得 出什么结论？ ◆注视教师的实验操作过 程并思考教师提出的问 题。 通过实验现象知道热在固体 中从高温的一端传递到低温 的一端的方式称为传导 说明：隔热板可使用 泡沫塑料制作但在靠 近火焰一侧需加硬纸 板。
教授新课2.屏幕上投出实验装置或使 用教材中的图片作参考。 要求思考为什么两支温度计 的安装位置不同？ ◆预测实验结果。 ◆为什么要记录两支温度 计的起始温度 ◆实验结果的分析。 ①要对实验结果进行 比较分析。 ②两支温度计升温幅度不 同的原因是由于热在空气中 可以通过对流和辐射等方式 传递。 ◆观看图片并安装实验 装置。 ◆思考：为什么两支温 度计的安装位置不 同？ ◆预测实验结果，并填 写工作纸。 ◆记录两支温度计的起 始温度。 ◆记录5分钟后两支温 度计温度。 组内分析实验结果。 列举辐射传递热的 例子 小结 热在固体中从高温的一端传递到低温的一端的方式称为传导 热在空气中可以通过对流和辐射等方式传递。 作业 反思 与重 建
黑体红外热辐射实验 热辐射是19世纪发展起来的新学科，至19世纪末该领域的研究达到顶峰，以致于量子论这个婴儿注定要从这里诞生。黑体辐射实验是量子论得以建立的关键性实验之一，也是高校实验教学中一重要实验。物体由于具有温度而向外辐射电磁波的现象成为热辐射，热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0到∞，而一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线。物体在向外辐射的同时，还将吸收从其他物体辐射的能量，且物体辐射或吸收的能量与它的温度、表面积、黑度等因素有关。 1. 1862年，基尔霍夫根据实验提出了理想黑体的概念 2. 1896年，维恩把热力学考察和多普勒原理结合起来，应用到空腔辐射的压缩。他指出，在一定温度下的辐射密度可以通过反射壁包围辐射区域的绝热收缩或绝热膨胀，转变到另一温度的辐射，从而得出了黑体辐射的能量按波长（或频率）分布的公式，又称维恩公式。这个公式的短波部分同实验数据很好符合，并足以解释为什么光谱的极大强度在黑体的温度升高时愈来愈向短波方向移动。 3. 1900年，瑞利应用经典统计力学和电磁理论来计算一个封闭腔的热辐射。他指出，随着封闭腔被加热，那么腔中将建立一个电磁场，这个电磁场可分解成为一个具有不同频率和不同方向的驻波系统，每一个这样的驻波就是电磁场的一个基本状态。于是在一定频率间隔内的场能的计算变为去导出基元驻波的个数，由此得到一个新的热辐射公式。可是瑞利在推导中错了一个因数8，这个错误为英国当时只有27岁的金斯所发现。他于1905年给《自然》杂志的一封信中加以修正，即把原来的瑞利公式用8去除，得到了现在称之为瑞利-金斯公式。这是企图用古典理论来处理黑体辐射的又一重要尝试。这个公式表明，辐射能量密度的频率分布正比于频率的平方。于是在长波部分与实验数据基本相符，但在短波部分却完全不相符合，因此此时按公式计算而得到的辐射能量将变成无穷大，显然这是不可能的。古典理论与实验事实产生了很大的矛盾，这种情况曾被荷兰物理学家埃伦菲斯特称为“紫外灾难”。事实上，维恩公式与瑞利—金斯公式，各从一个侧面反映出物体辐射中的部分规律，但在解释全部热辐射现象却产生了矛盾和“灾难”，这就充分暴露了经典物理学本身的缺陷。 4. 1900年，普朗克指出，为了得到和实验符合的黑体辐射公式（普朗克公式），必须抛弃经典物理学中关于物体可以连续辐射或吸收能量的概念，而代之以新的概念。他认为可以将构成黑体腔壁的物质看作带电的线性谐振子，它们和腔内的电磁场交换能量（辐射或吸收能量）。而这些微观谐振子只能处于某些特定的状态，在这些状态中它们的能量是最小能量ε0的整数倍。它辐射或吸收能量时只能由一个可能状态跃迁到另一可能状态，即能量只可一份一份地改变，而不能连续地变化。这最小能量ε0称为能量子，它与振子的振动频率v成正比，比例系数就是h （普朗克常数），ε0=hv根据这些假设可以成功地导出普朗克黑体辐射公式。 普朗克的能量子假说，突破了经典物理学的旧框架，首次提出了微观系统的量子特性，从而打开了认识微观世界的大门，是现代物理学史上又一次革命性的发现。【实验目的】 1.了解黑体辐射的历史并明白它在近代物理学发展中的重要地位。 2.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。 3.研究物体辐射能量和距离之间的关系。 【实验器材】
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
第七章热辐射的基本定律 在工程技术中，在日常生活中，辐射换热现象是屡见不鲜的。太阳对大地的照射是最常见的辐射现象。高炉中灼热的火焰会烘烤得人们难以忍受‘太阳对人造卫星的辐射，会使卫星的朝阳面的温度明显地高于卫星背阳面的温度；高温发动机部件与飞机机体之间的辐射换热严重地影响着飞机的结构与强度设计，等等。特别是近年来，人类对太阳能的利用，都大大地促进了人们对辐射换热的研究。 本章首先介绍辐射的基本特性和基本规律；然后重点讨论物体之间的辐射换热规律；最后对气体辐射换热的特点作扼要的介绍。 第一节基本概念 1－1 热辐射的本质和特征 由于不同的原因，物体能够向其所在的空间发射各种不同波长的电磁波；不同波长的电磁波具有不同的效应，人们可以利用不同波长的电磁波效应达到一定的目的。比如，人们可以利用无线电波传送信息，利用x射线穿透物质的能力进行零件探伤，利用热射线传递热能，等等。人们根据电磁波不同效应把电磁波分成若干波段。波长λ＝0.38一0.76μm的电磁波段称为可见光波段λ＝0.76—1000 μm的电磁波段称为红外波段(一般将红外波段范围又分为近红外波段和远红外波段，近红外波段为λ＝0.7—25μm，远红外波段为λ＝25—1000μm)；波长大于1000μm的电磁波段称为无线电波段(根据其波长的不同又可分为雷达、视频和广播三个波段)；波长小于0.4μm的电磁波依次分为紫外线、x射线和Y射线等。可见光和红外线以及紫外线的一部分被物体吸收后产生热效应，即波长λ＝0.1—1000 μm范围内的电磁技能被物体吸收变为热能，因此，这一波长范围的电磁波称为热射线。因为在一般常见的工业温度条件下，其辐射波长均在这一范围，所以本课程所感兴趣的将是热射线，下面将专门讨论这一波长范围内电磁波的发射、传播和吸收的规律。 一、热辐射的本质和特点 1、发射辐射能是各类物质的固有特性。当原子内部的电子受温和振动时，产生交替变化的电场和磁场，发出电磁波向空间传播，这就是辐射。由于自身温度或热运动的原因面激发产生的电磁波传播，就称热辐射。显然，热辐射是电磁波，电磁波的波长范围可从几万分之一微米到数千米，它们的名称和分类如图所示。通常把λ＝0.1—100μm范围的电磁波称热射线，其中包括可见光线、部分紫外线和红外线具有波动和量子特性。 2、特点 热辐射的本质决定了热辐射过程有如下三个特点：
热辐射的研究 热辐射是19世纪发展起来的一门新学科，它的研究得到了热力学和光 谱学的支持，同时用到了电磁学和光学的新兴技术，因此发展很快。到19世纪末，这个领域已经达到这样的高峰，以致于量子论这个婴儿注定要从这里诞生。 热辐射实际上就是红外辐射。1800年，赫谢尔（W.Herschel）在观察太阳光谱的热效应时首先发现了红外辐射，并且证明红外辐射也遵守折射定律和反射定律，只是比可见光更易于被空气和其他介质吸收。1821年，塞贝克（T.J. Seebeck）发现温差电现象并用之于测量温度。1830年，诺比利（L. Nobili）发明了热辐射测量仪。他用温差电堆接收包括红外辐射在内的热辐射能量，再用不同材料置于其间，比较它们的折射和吸收作用。他发现岩盐对热辐射几乎是完全透明的，后来就用岩盐一类的材料做成了各种适用于热辐射的“光学”器件。 与此同时，别的国家也有人对热辐射进行研究。例如：德国的夫琅和费在观测太阳光谱的同时也对光谱的能量分布作了定性观测；英国的丁铎尔（J. Tyndall）、美国的克罗瓦（A.P.P. Crova）等人都测量了热辐射的能量分布曲线。 其实，热辐射的能量分布问题很早就在人们的生活和生产中有所触及。例如：炉温的高低可以根据炉火的颜色判断；明亮得发青的灼热物体比暗红的温度高；在冶炼金属中，人们往往根据观察凭经验判断火候。因此，很早就对热辐射的能量分布问题发生了兴趣。 美国人兰利（https://www.doczj.com/doc/8b7364194.html,ngley）对热辐射做过很多工作。1881年，他发明了热辐射计，可以很灵敏地测量辐射能量。图19.13就是兰利的热辐射计。他用四个铂电阻丝组成电桥，从检流计测出电阻的温度变化。为了测量热辐射的能量分布，他设计了很精巧的实验装置，用岩盐作成棱镜和透镜，仿照分光计的原理，把不同波长的热辐射投射到热辐射计中，测出能量随波长变化的曲线，从曲线可以明显地看到最大能量值随温度增高向短波方向转移的趋势（图19.14）。1886年，他用罗兰凹面光栅作色散元件，测到了相当精确的热辐射能量分布曲线。 兰利的工作大大激励了同时代的物理学家从事热辐射的研究。随后，普林舍姆（E. Pringsheim）改进了热辐射计；波伊斯（C. V. Boys）创制了微量辐射计；帕邢（F. Paschen）又将微量辐射计的灵敏度提高了多倍。这些设备为热辐射的实验研究提供了极为有力的武器。 与此同时，理论物理学家也对热辐射展开了广泛研究。1859年，基尔霍夫证明热辐射的发射本领和吸收本领的比值与辐射物体的性质无关，并提出了黑体
第8章 热辐射基本定律和辐射特性 课堂讲解 课后作业 【8-10】一等温空腔的内表面为漫射体，并维持在均匀的温度。其上有一个面积为0.022 m 的小孔，小孔面积相对于空腔内表面积可以忽略。今测得小孔向外界辐射的能量为70W ，试确定空腔内表面的温度。如果把空腔内表面全部抛光，而温度保持不变，问这一小孔向外的辐射有何影响？ 【解】小孔可以当做黑体来处理，4T A Φσ= 498.4496K 02 .01067.570 484 b =??==-A E T σ 小孔的黑体特性与空腔的内表面的性质无关，故不影响小孔向外的辐射。 【8-18】暖房的升温作用可以从玻璃的光谱穿透比变化特性解释。有一块厚为3mm 的玻璃，经测定，其对波长为0.3～2.5μm 的辐射能的穿透比为0.9，而对其他波长的辐射能可以认为完全不穿透。试据此计算温度为5800K 的黑体辐射及温度为300K 的黑体辐射投射到该玻璃上时各自的总穿透比。 【解】 ()()()()()()()() [] 12212 1 2 1 2 1 2 2 1 1 ~0b ~0b ~b b b b b b b b b b b b b b 0 b 9.09.0d 9 .0d 9.0d d d d d λλλλλλ λλλλλλ λλ λλλλλλλλ λ λλτλ λτλ λτλλτλλττF F F E E E E E E E E E E E E E E -==== = + + ==???????∞ ∞ T 1=5800K ，K m 174058003.011?=?=μλT ，K m 1450058005.212?=?=μλT ()0.032854 1~0b =λF ，()0.9660652~0b =λF ()()[][]0.8398899032854 .0966065.09.09.01 2 ~0b ~0b =-=-=λλτF F T 2=300K ，K m 903003.011?=?=μλT ，K m 0573005.212?=?=μλT ()0.0000288 1~0b =λF ，()0.000242~0b =λF ()()[][]0.000190080.0000288 0.000249.09.01 2 ~0b ~0b =-=-=λλτF F 【8-21】温度为310K 的4个表面置于太阳光的照射下，设此时各表面的光谱吸收比随波 长的变化如附图所示。试分析，在计算与太阳能的交换时，哪些表面可以作为灰体处理？为什么？ 【解】太阳辐射能的绝大部分集中在2μm 以下的区域，温度为310K 的物体辐射能则绝大部分在6μm 以上的红外辐射，由图可见，第一种情形与第三种情形，上述波段范围内单色吸收率相同，因而可以作为灰体处理。
第七章
印刷光源与光度学
光源（light source）是制版工艺中的重要设备之一，尤其 是制版过程中必须有一定的光源，才能使感光材料发生化学反 应，形成一定的密度分布。感光材料上色调的深浅变化，印刷 品的质量及效果，都是与光源密切相关。光源是制版过程中， 能量和颜色的来源，光源的能量也直接的影响到了最后的烤版 工艺。
第一节:概述
光源是一种能发出一定波长范围电磁波（包括可见光、紫外线、红 外线等）的物体，通常指能发出可见光的发光体。 在印刷制版中所用的光源一般均使用电光源，它是由电能转变为光 能。根据能量的转换方式不同又分为:热辐射光源和气体放电光源、激 光光源。 1、热辐射光源:白炽灯、红外线灯、卤钨灯; 2、气体放电光源:氙[xiān]灯、金属卤素灯； 3、激光器：是一种新型光源 激光具有放射方向集中、亮度高、相干性优、单色性好等特点，印 刷工业广泛应用于电子分色、激光照排，油墨干燥等制版印刷设备中。
在印刷制版过程领域中对光源的光谱、能量、温度、均匀 度、漫射性等都有特定的要求： （1）发光强度大:
因照像时光量通过滤色片、网屏等，都会使光的亮度降低，使到达感光 材料上的光强度明显减弱，所以要用强光源。
（2）光源光谱应与感光材料的光谱灵敏度相适应：
制版光源应适应所使用感光材料的感光度，具光源的光谱功率分布，必 须与感光材料的光谱灵敏度相适应，才能提高成品质量，提高实用效率。
（3）发光的稳定性高:
发光的稳定性，指发光强度和光谱功率分布恒定，每一次曝光和数次曝 光之间的变化极小。
（4）光能量分布均匀性好:
制版的每个工艺过程，对光源光能量分布的均匀性都有很高的要求。软 原稿上的光能量密度，应该是中央和四角均匀一致，要求各点的照度之差不 超过15%。
光与光源的认识 光与光源的认识 一、光的产生 1、光的辐射 光是从实物中发射出来的，是以电磁波传播的物质。因为实物是由大量的带电粒子组成的，粒子在不断地运动，当它们的运动受到骚扰时就可能发射出电磁波。 我们用比较简单的孤立原子来说明这个问题。原子内有若干电子围绕原子核不断运动，其运动有多种可能状态，都是稳定的且有一定的能量。不同运动状态的电子具有不同能量，常用“能级”一词来代表电子绕原子核的运动状态。在原子内，这些能级的能量是不连续的，或者说是一系列分立的能级，能量大的称为高能级，小的则为低能级，最低能级称为“基态”。如果有外来的激励，把适合的能量传给电子，电子就可能从低能级进入较高的能级。这个过程是瞬时完成的，称它为“跃迁”。电子受激励“跃迁”到较高能级（激发态）只能维持很短的一段时间，很快就要回到低能级。这个从激发态向下回到低能级的过程中，必然释放出多余的能量。在极大多数情况下，释放的能量是以光子的形式发射出来的。 下图代表电子的两个运动状态 E0为基态，电子受激获得一定能量而跃迁到激发态E1，当电子从激发态回到基态时，能量E1从变到E0，此时发射光子的频率为： 式中h为普朗克常数，h= 6.62 X 10-27尔格·秒=4.13 X 10-15电子伏·秒。因为原子中有很多可能的能级，因此原子受激后可发射出多种频率的光。这些频率是分立的，分立的线光普称为“原子光谱”，其中每一条谱线代表一个频率的光。 为“原子光谱”，其中每一条谱线代表一个频率的光。 气体或汽态物质可看成是由许多孤立原子组成，每个原子受激后都可能发射出光子。各个原子发射光子过程基本上是互相独立的，即使是完全相同的两个能级之间的跃迁，光子发射的时间也有先后，发射的方向也不尽相同，电场振动的方向也有各种可能，即光子发射的时间、方向、电场相位和偏振方向都是随机的，这样的光就是非连续的“自然光”。 在固体中，情况就不同了，固体包含着大量互相紧密连系的原子，原子之间相互作用使能级发生迁移。从整体上看，固体中电子的能级是一片能量连续的能带。电子在两个能量连续的能带之间的跃迁，其跃迁能量也必然是连续的。所以固体受激后发射出来的光具有连续的光谱，而不是分离的谱线。同样，固体发射出来的光也是风非相干的自然光。
第二章普通白炽灯 白炽灯是将电能转化为光能的，以提供照明的设备，其工作原理是：电流通过灯丝（钨丝，熔点达3000多摄氏度）时产生热量，螺旋状的灯丝不断将热量聚集，使得灯丝的温度达2000摄氏度以上，灯丝在处于白炽状态时，就象烧红了的铁能发光一样而发出光来。灯丝的温度越高，发出的光就越亮。故称之为白炽灯。 2．热辐射的定义（温度辐射）18 3．黑体辐射的定义黑体是一种理想的物质；它能百分百吸收射在它上面的辐射而没有任何反射；使它显示成一个完全的黑体。在某一特定温度下。黑体辐射出它的最大能量。称为黑体辐射。 白炽灯的发光原理 白炽灯是将电能转化为光能以提供照明的设备。其工作原理是：电首先被转化成了热，将灯丝加热至极高的温度（钨丝，熔点达3000℃多），这时候组成灯丝的元素的原子核外电子会被激发，从而使得其向较高能量的外层跃迁，当电子再次向低能量的电子层跃迁时，多余的能量便以光的形式放出来了。同时产生热量，螺旋状的灯丝不断将热量聚集，使得灯丝的温度达2000℃以上，灯丝在处于白炽状态时，就象烧红了的铁能发光一样而发出光来。灯丝的温度越高，发出的光就越亮。故称之为白炽灯 白炽灯是由发光用的金属钨丝、与外界电源相通的电极，尾部的密封部分组成。一般将灯泡里面抽成真空或充入其它惰性气体，利用钨的熔点高的特点，将其制造成丝状，通入电流后，钨丝便发光，并有一部分电能转化为热能。在使用白炽灯时，注意不要去处接触灯泡，第一，灯泡表面温度很高，容易烫着手；第二，灯泡在工作时，钨丝在很高的温度下变软，如果晃动灯泡，容易使灯泡损坏。在刚开关刚闭合时钨丝最容易烧断。 灯丝材料 做灯丝的材料要求具有一定的电阻率、机械强度、化学稳定性和低挥发(即高熔点)。钨满足以上这些基本要求，当然这并不是说只有这一种材料，事实上还有铼，钼，钽，锇以及金属碳化物 第五章低压水银荧光灯 1．汞的物理与化学性质汞是一种化学元素，俗称水银(汞亦可写作銾)。它的化学符号是Hg，它的原子序数是80。它是一种很重、银白色的液态过渡金属。因着这特性，水银被用于制作温度计。汞导热性能差，而导电性能良好。汞很容易与几乎所有的普通金属形成合金，包括金和银，但不包括铁。这些合金统称汞合金(或汞齐)。该金属同样有恒定的体积膨胀系数，其金属活跃性低于锌和镉，且不能从酸溶液中置换出氢。通常的汞化合物中，它的化合价是 +1 或者 +2。很少有 +3 价的汞化物存在。纯汞是有毒的，但它的化合物和盐的毒性非常高，口服、吸入或接触后可以导致脑和肝的损伤。因此，今天的温度计大多数使用酒精取代汞。一些医用温度计仍然使用汞因为它的精确度高。在标准气压和温度下，纯汞最大的危险是它很容易氧化而产生氧化汞，氧化汞容易形成小颗粒从而加大它的表面面积。虽然纯汞比其化合物的毒性低，但它依然是一种很危险的污染物因为它在生物体内形成有机化合物。最危险的汞有机化合物是C2H6Hg，仅数微升接触在皮肤上就可以致死。汞是一种可以在生物体内积累的毒物，它很容易被皮肤以及呼吸和消化道吸收。水俣病是汞中毒的一种。汞破坏中枢神经组织，对口、粘膜和牙齿有不利影响。长时间暴露在高汞环境中可以导致脑损伤和死亡。尽管汞的沸点很高，但在室内温度下饱和的汞蒸气已经达到了中毒计量的数倍 2．荧光灯的特性和应用 无极荧光灯即无极灯由高频发生器、耦合器和三部分组成。它是通过高频发生器的电磁场以感应的方式耦合到灯内，使灯泡内的气体雪崩电离，形成。等离子受激原子返回基态时辐射出紫外线。灯泡内壁的荧光粉受到紫外线激发产生可见光。 LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。近年来，世界上一些经济发达国家围绕LED的研制展开了激烈的技术竞赛。 一、简述光源的应用。 电光源 - 光源应用 利用电光源照明，称为：电照明按发光的方法不同可分为电阻发光、电弧发光、气体发光和荧光粉发光四类；按照明使用的性质分为一般照明、局部照明和装饰照明三类：按照明使用的方式分为连续照明和间断照明两类；按电光源的起动方式分为电压自适应和辅助触发两类等。
热辐射实验报告 组员：丁博G012012297 郝景龙G012012311郭有信G012012115 何思文G012012297付光顺G012012297 一、 实验原理 理论研究表明处于热平衡时，物体的辐射强度由下式确定：4I=T εσ 上式中的σ=5.6703*-81024W m K 是斯特藩-玻尔兹曼常数；T 是物体 的绝对温度，ε 是物体表面的吸收率，一般ε≤1，对于理想辐射体，ε=1。 最大光强度对应的波长由下式确定： max c 0.002898m K ==T T λ? T 是物体的绝对温度。 二、 仪器安装：实验平台线路已连接 三、 实验内容 1、 当立方体处于热平衡时，旋转立方体将其有洞的一面正对红外光传感器，并使两者间距2cm 。 2、 用导轨上的夹子确定转动传感器的起始位置，将红外传感器放置在立方体左侧开始扫描。 3、 按红外传感器上的清零键“TARE ”，点击数据处理软件的“START ”。移动转动传感器使红外光传感器完整扫描立方体。点击“STOP ”。 4、 记录腔体温度。
5、将黑色一面正对红外传感器，重复扫描。按红外传感 器的清零键“TARE”，从同一位置开始扫描。 6、将光滑面正对红外传感器，再次扫描。将白色面正对 红外传感器，再次扫描。 四、注意事项： 1在加热立方腔过程中，注意红外传感器不要正对立方体。 2在移动转动传感器时注意移动速度不要太慢，防止红外传感器过热损坏。 3试验线路不要乱接，防止损坏仪器。 五、实验结果
六、实验反思： 1在实验过程中，不要乱改线路。由于我们组实验时盲目按照
课本接线，致使实验无法进行。 2熟练应用软件是实验成功的另一必然要求。当打开软件时，感觉对其都不了解，定义各个接口就花费了我们很长时间。3熟练掌握实验内容，首先应熟识各个实验仪器，如转动传感器、红外光传感器、温度传感器。
第一章 光辐射与发光源 1. 辐射量、光度量及其单位 1）了解辐射量、光度量的定义及其单位（辐射通量、光通量、发光 强度、亮度） 2）掌握视见函数的定义和规律 辐射度量:只与辐射客体有关,适用于电磁波全波段。 基本量: 辐射通量(即辐射功率） 基本单位:瓦特(W) 光度量: 反映人眼对不同波长电磁波的视觉灵敏度，只适用于可见光 波段。 基本量: 发光强度 基本单位: 坎德拉(cd) 用下标“e ”表示辐射度量，下标“v ”表示光度量。 辐射通量（辐射功率）: 单位：瓦特（W ） 含义：为单位时间内流过某面积的辐射能量 光通量: d =Id 单位：lm=cd sr 发光强度：I(基本量) 单位：cd (光)亮度：L=dI/(dScos ) 单位：nt=cd/m2 dt dQ e e =Φ683 λλλK K K V m ==
光视效率(视见函数)V ：是归一化的光视效能: ＝555nm 的单色光视效率V =1, 为最大值. 光通量(lm )与辐射通量(辐射功率,W)的换算： )()/(683)(,,W W lm V lm e λλλνΦ??=Φ 例题： 点光源均匀发光( =500nm), 发光强度I ν=100cd,则总光通量ν = ,总辐射功率为e, = 解：总光通量ν = I νd =4I ν =400(lm ), 总辐射功率e,=ν,/683V =400/(683 =(W) 2. 光源的分类 了解光源器件的分类，相干光源与非相干光源的区别（激发机制 与特点）。 光源器件的分类：3大类 热辐射光源（卤钨灯）；气体放电光源（低压和高压,自吸收）；电致 发光源（LED ） 3. 热辐射描述与热辐射光源 （1）掌握黑体辐射特点，色温与相关色温的概念