近代物理实验-黑体辐射

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 khcC •⨯==- 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。

黑体辐射的理论和实验研究黑体受热以电磁波的形式向外辐射能量，是一种理想物体的热辐射。

所谓黑体是指能够全部吸收入射的任何频率的电磁波的理想物体，实际上黑体是不存在的。

但可以用某种装置近似地代替黑体。

如图1所示是一个带有小孔的空腔，并且小孔对于空腔足够小，不会妨碍空腔内的平衡。

通过小孔射入空腔的所有频率的电磁波经腔内壁多次反射后，几乎全部被吸收，再从小孔射出的电磁波极少。

所以，可以将空腔上的小孔近似地看成黑体。

在温度T 下，空腔壁也跟其他固体一样，不断辐射电磁波，腔内形成一辐射场，经过一定时间，腔内的辐射场与腔壁达到了热平衡。

这时平衡辐射的性质只依赖于温度，与腔壁的其他性质无关。

由于小孔是腔上的一部分，也处于同样的温度，因此，小孔的辐射性质就代表了空腔内的辐射性质。

1、黑体辐射的经验定律19世纪初，天文学家赫谢耳（F ．W ．Herschel ，1739～1822）用灵敏温度计测试太阳光谱各部分的热效应，结果发现在红外光谱以外的区域温度升得最高，他认为在可见的红光之外还有不可见的辐射，这就是通常所指的热辐射。

以后，物理学家们对于热物体发射的辐射感到有兴趣，为了研究谱线的可见光部分，使用了照像的方法，对于红外区域即热辐射部分用热电偶测量。

在实验发现的基础上，理论研究也活跃起来了，总结实验发现的经验规律也就相继地提出来了。

1859年，德国物理学家基尔霍夫（G ．R ．Kirchhoff ，1824～1887）得到如下结论：“在相同的温度下同一波长的辐射本领与吸收系数之比对于所有物体都是相同的，是一个取决于波长和温度的函数。

”如果这一函数用Φ（λ，T ）表示，物体的辐射本领，即从物体表面单位面积上所发射的波长在λ附近的单位波长间隔的辐射功率用e （λ，T ）表示，物体的吸收系数，即物体在波长λ和λ＋d λ范围内吸收的能量与入射能量的比率用α（λ，T ）表示，则当物体处在辐射平衡时有：),(),(),(T T T e λλαλΦ= 当物体的吸收系数α=1时，Φ（λ，T ）就是该物体的辐射本领。

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）。

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1 黑体辐射实验1.1 实验目的通过测量假想黑体的辐射曲线，了解黑体辐射的基本规律和普朗克的能量子假设，掌握扫描光栅单色仪的工作原理及使用方法。

1.2实验原理1.2.1 辐射测量的基本术语介绍黑体:是一种理想的辐射能源，是一种辐射仅取决于它的温度的辐射体，它在给定的温度下比在同样温度下的任何实际物体辐射出更多的能量。

故也称之为“完全辐射体”或“理想的温度辐射体”或“普朗克辐射体”。

辐射度:也称为“辐射出射度”简称“辐出度”。

表面上一点的辐射度为该点表面元发出的辐射通量除以该表面元的面积的商，单位是（瓦/米）。

辐亮度:表示光源的表面元发出的，在给定方向的基准所确定的方向传播的辐射通量，除以锥的立体角和表面元在垂直于给定方向的平面上的投影面积的乘积的商，单位是（瓦特/米·球面度）。

色温:一个光源的色温就是辐射同一色谱光的黑体温度，单位是（开尔文）。

1.2.2 黑体辐射指黑体发出的电磁辐射。

任何物体只要其温度在绝对零度以上就可以向周围发射辐射，称之为温度辐射。

黑体是一种完全的温度辐射体，它吸收全部的入射光辐射而一点也不反射。

黑体辐射能量的效率最高，仅与温度有关，它的发射率是1，任何其它物体的发射率都小于1。

1.2.3黑体辐射定律黑体辐射的经典解释:瑞利—金斯公式: 222()M T k T cνπν= （1）错误！未找到引用源。

黑体辐射的光谱分布:普朗克定律,普朗克定律叙述了黑体辐射的光谱分布。

此定律用光谱辐射出射度（简称辐出度或辐射度）表示，其形式为：()()32/2e x p 1h k T h MT c ννπν=- （2）错误！未找到引用源。

其中λ是波长（m ），ν是频率（Hz ），3426.625610h W s -=⨯是普朗克常数，8310/c m s =⨯是光速，T 是绝对温度（K ）,231.380610/k W s K -=⨯是波尔兹曼常数。

黑体光谱辐射亮度()L T λ由下式给出：()()M T L T λλπ= （3）错误！未找到引用源。

黑体辐射实验
黑体辐射实验是一种物理实验方法，旨在研究和测量黑体辐射现象。

黑体是指对所有波长的辐射都是完全吸收的理想物体，不会反射或透射任何辐射。

在实验中，最常用的方法是通过热源来产生黑体辐射。

实验者通常会使用一块特定材料制成的黑色物体作为热源，将其加热到一定温度，使其达到热平衡状态。

然后，实验者使用光谱仪或其他光学设备来测量黑体辐射的光谱分布和强度。

通过对黑体辐射的测量和分析，可以得到黑体辐射的性质和规律，如普朗克辐射定律和斯蒂芬-玻尔兹曼定律等。

这些定律
对于理解物体的热辐射和能量转换等过程具有重要意义，并在热力学、量子力学、天体物理学等领域中得到广泛应用。

需要注意的是，实际中并不存在完全符合理想黑体特性的物体，但可以通过逼近方法来模拟黑体辐射现象。

三、数据处理1、电流为1.4A 时，色温为2380K ，数据如下： （1）普朗克辐射定律：%9.8%1005.9755.9758.888%100E E E 975.5W/mmE W/mm8.888)1()1144(107418.3)1(E 2380,1144T T T 3T 323801144104388.1521251T 72≈⨯-=⨯-=∴=≈-⨯⋅⨯=-=∴==⨯⋅⨯-理论理论理论相对误差：；理论值：；λλλλλλγλλK nm Knm T C e nm cmW e C K T nm%8.3%1004.8074.8078.776%100E E E 807.4W/mmE W/mm8.776)1()1648(107418.3)1(E 2380,1648T T T 3T 323801648104388.1521251T 72≈⨯-=⨯-=∴=≈-⨯⋅⨯=-=∴==⨯⋅⨯-理论理论理论相对误差：理论值：λλλλλλγλλK nm Knm TC e nm cmW eC K T nm%1.12%1001.6991.6996.614%100E E E 699.1W/mmE W/mm 6.614)1()1826(107418.3)1(E 2380,1826T T T 3T 323801826104388.1521251T 72≈⨯-=⨯-=∴=≈-⨯⋅⨯=-=∴==⨯⋅⨯-理论理论理论相对误差：理论值：λλλλλλγλλKnm Knm TC enm cmW eC KT nm%2.6%1002.6682.6686.626%100E E E 668.2W/mmE W/mm 6.626)1()1878(107418.3)1(E 2380,1878T T T 3T 323801878104388.1521251T 72≈⨯-=⨯-=∴=≈-⨯⋅⨯=-=∴==⨯⋅⨯-理论理论理论相对误差：理论值：λλλλλλγλλKnm K nm TC enm cmW eC K T nm%5.4%1007.5617.5618.586%100E E E W/mm8.586E W/mm 7.615E 2070T T T 3T 3T ≈⨯-=⨯-=∴===理论理论理论相对误差：；实测值：；理论值：λλλλλγλnm（2）斯忒藩-玻耳兹曼定律：%6.3%1005.6705.6705.3103%100-)K mmW/10670.5)K mmW/103103.5K102085.3W/mm 7038.1,W/mm7038.1 ,K 102085.30K 238421442144132424134≈⨯-=⨯=∴⋅⨯=⋅⨯≈⨯==∴=⨯=⇒=--理论理论理论相对误差：（理论值：（波尔兹曼常数：又δδδγδδTE E T T T T(3)维恩位移定律%38.0%1002.896896.2885.2%100A A A Kmm 896.2A K2.885mm2380K m 1212T A TA 1212,0K 238max max max ≈⨯-=⨯-=∴⋅=⋅≈⨯=⋅=⇒=∴==理论理论理论相对误差：理论值：由维恩位移定律：γλλλn nm T2、电流为1.5A 时，色温为2420K ，数据如下： （1）普朗克辐射定律：%2.7%1001.10151.10158.941%100E E E W/mm1.0151E W/mm8.941)1()1036(107418.3)1(E 2420,1036T T T 3T 324201036104388.1521251T 72≈⨯-=⨯-=∴=≈-⨯⋅⨯=-=∴==⨯⋅⨯-理论理论理论相对误差：；理论值：；λλλλλλγλλK nm Knm T C e nm cmW e C K T nm%2.2%1003.10703.10704.1047%100E E E W/mm3.1070E W/mm4.1047)1()1200(107418.3)1(E 2420,1200T T T 3T 324201200104388.1521251T 72≈⨯-=⨯-=∴=≈-⨯⋅⨯=-=∴==⨯⋅⨯-理论理论理论相对误差：；理论值：；λλλλλλγλλK nm Knm T C e nm cmW e C K T nm%9.2%1007.8417.8419.816%100E E E W/mm7.841E W/mm9.816)1()1674(107418.3)1(E 2420,1674T T T 3T 324201674104388.1521251T 72≈⨯-=⨯-=∴=≈-⨯⋅⨯=-=∴==⨯⋅⨯-理论理论理论相对误差：；理论值：；λλλλλλγλλK nm Knm T C e nm cmW e C K T nm%9.3%1003.7823.7820.752%100E E E W/mm3.782E W/mm0.752)1()1762(107418.3)1(E 2420,1762T T T 3T 324201762104388.1521251T 72≈⨯-=⨯-=∴=≈-⨯⋅⨯=-=∴==⨯⋅⨯-理论理论理论相对误差：；理论值：；λλλλλλγλλK nm Knm T C e nm cmW e C K T nm%5.3%1008.6468.6467.669%100E E E W/mm8.646E W/mm7.669)1()1974(107418.3)1(E 2420,1974T T T 3T 324201974104388.1521251T 72≈⨯-=⨯-=∴=≈-⨯⋅⨯=-=∴==⨯⋅⨯-理论理论理论相对误差：；理论值：；λλλλλλγλλK nm Knm T C e nm cmW e C K T nm（2）斯忒藩-玻耳兹曼定律：%4.3%1005.6705.6705.4237%100-)K mmW/10670.5)K mmW/104237.5K104297.3W/mm 8602.1,W/mm8602.1 ,K 104297.3K 2420421442144132424134≈⨯-=⨯=∴⋅⨯=⋅⨯≈⨯==∴=⨯=⇒=--理论理论理论相对误差：（理论值：（波尔兹曼常数：又δδδγδδTE E T T T T(3)维恩位移定律%3.1%1002.896896.2933.2%100A A A Kmm 896.2A K2.933mm2420K m 1212T A TA 1212,K 2420max max max ≈⨯-=⨯-=∴⋅=⋅≈⨯=⋅=⇒=∴==理论理论理论相对误差：理论值：由维恩位移定律：γλλλn nm T3、电流为1.6A 时，色温为2470K ，数据如下： （1）普朗克辐射定律：%2.6%1007.11377.11375.1067%100E E E W/mm7.1137E W/mm 5.1067)1()1032(107418.3)1(E 2470,1032T T T 3T 324701032104388.1521251T 72≈⨯-=⨯-=∴=≈-⨯⋅⨯=-=∴==⨯⋅⨯-理论理论理论相对误差：；理论值：；λλλλλλγλλKnm Knm T C enm cmW e C K T nm%0.2%1001.11841.11843.1160%100E E E W/mm1.1184E W/mm3.1160)1()1200(107418.3)1(E 2470,1200T T T 3T 324701200104388.1521251T 72≈⨯-=⨯-=∴=≈-⨯⋅⨯=-=∴==⨯⋅⨯-理论理论理论相对误差：；理论值：；λλλλλλγλλK nm Knm T C e nm cmW e C K T nm%1003.9263.9263.926%100E E E W/mm3.926E W/mm 3.926)1()1648(107418.3)1(E 2470,1648T T T 3T 324701648104388.1521251T 72=⨯-=⨯-=∴=≈-⨯⋅⨯=-=∴==⨯⋅⨯-理论理论理论相对误差：；理论值：；λλλλλλγλλKnm Knm T C enm cmW e C K T nm%2.6%1000.7910.7918.741%100E E E W/mm0.791E W/mm8.741)1()1828(107418.3)1(E 2470,1828T T T 3T 324701828104388.1521251T 72≈⨯-=⨯-=∴=≈-⨯⋅⨯=-=∴==⨯⋅⨯-理论理论理论相对误差：；理论值：；λλλλλλγλλK nm Knm T C e nm cmW e C K T nm%8.5%1006.7016.7014.742%100E E E W/mm6.701E W/mm 4.742)1()1956(107418.3)1(E 2470,1956T T T 3T 324701956104388.1521251T 72≈⨯-=⨯-=∴=≈-⨯⋅⨯=-=∴==⨯⋅⨯-理论理论理论相对误差：；理论值：；λλλλλλγλλKnm K nm T C enm cmW e C K T nm（2）斯忒藩-玻耳兹曼定律：%8.2%1005.6705.6705.5137%100-)K mmW/10670.5)K mmW/105137.5K107221.3.0523W/mm 2,W/mm0523.2 ,K 107221.3K 2470421442144132424134≈⨯-=⨯=∴⋅⨯=⋅⨯≈⨯==∴=⨯=⇒=--理论理论理论相对误差：（理论值：（波尔兹曼常数：又δδδγδδTE E T T T T(3) 维恩位移定律%4.3%1002.896896.2994.2%100A A A Kmm 896.2A K2.994mm2470K m 1212T A TA 1212,K 2470max max max ≈⨯-=⨯-=∴⋅=⋅≈⨯=⋅=⇒=∴==理论理论理论相对误差：理论值：由维恩位移定律：γλλλn nm T4、电流为1.7A 时，色温为2500K ，数据如下： （1）普朗克辐射定律：%2.6%1000.12190.12199.1143%100E E E W/mm0.1219E W/mm9.1143)1()1034(107418.3)1(E 2500,1034T T T 3T 325001034104388.1521251T 72≈⨯-=⨯-=∴=≈-⨯⋅⨯=-=∴==⨯⋅⨯-理论理论理论相对误差：；理论值：；λλλλλλγλλK nm Knm T C e nm cmW e C K T nm%2.4%1007.12217.12218.1169%100E E E W/mm7.1221E W/mm 8.1169)1()1038(107418.3)1(E 2500,1038T T T 3T 325001038104388.1521251T 72≈⨯-=⨯-=∴=≈-⨯⋅⨯=-=∴==⨯⋅⨯-理论理论理论相对误差：；理论值：；λλλλλλγλλKnm Knm T C enm cmW e C K T nm%6.5%1008.8718.8712.823%100E E E W/mm8.871E W/mm2.823)1()1766(107418.3)1(E 2500,1766T T T 3T 325001766104388.1521251T 72≈⨯-=⨯-=∴=≈-⨯⋅⨯=-=∴==⨯⋅⨯-理论理论理论相对误差：；理论值：；λλλλλλγλλK nm Knm T C e nm cmW e C K T nm%1008.7778.7778.777%100E E E W/mm8.777E W/mm 8.777)1()1888(107418.3)1(E 2500,1888T T T 3T 325001888104388.1521251T 72=⨯-=⨯-=∴=≈-⨯⋅⨯=-=∴==⨯⋅⨯-理论理论理论相对误差：；理论值：；λλλλλλγλλKnm K nm T C enm cmW e C K T nm%8.5%1004.7104.7105.751%100E E E W/mm4.710E W/mm5.751)1()1982(107418.3)1(E 2500,1982T T T 3T 325001982104388.1521251T 72≈⨯-=⨯-=∴=≈-⨯⋅⨯=-=∴==⨯⋅⨯-理论理论理论相对误差：；理论值：；λλλλλλγλλK nm Knm T C e nm cmW e C K T nm（2）斯忒藩-玻耳兹曼定律：%6.1%1005.6705.6705.5820%100-)K mmW/10670.5)K mmW/105820.5K109063.3.0523W/mm 2,W/mm1808.2 ,K 109063.3K 2500421442144132424134≈⨯-=⨯=∴⋅⨯=⋅⨯≈⨯==∴=⨯=⇒=--理论理论理论相对误差：（理论值：（波尔兹曼常数：又δδδγδδTE E T T T T(3) 维恩位移定律%6.4%1002.896896.2030.3%100A A A Kmm 896.2A Kmm 030.32500K m 1212T A TA 1212,K 2500max max max ≈⨯-=⨯-=∴⋅=⋅≈⨯=⋅=⇒=∴==理论理论理论相对误差：理论值：由维恩位移定律：γλλλn nm T误差分析： 本次实验本不需要对仪器进行调整，只需按照步骤来操作软件。

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，物体辐射能量和距离以及距离的平方的关系，并描绘-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：（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：（2）即斯特藩-玻耳兹曼定律，其中为玻耳兹曼常数。

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：（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：(4)式中为常数，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。

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）。

黑体辐射特性测量一、实验目的1、通过实验验证维恩位移定律与斯特藩—玻尔兹曼定律2、学会使用黑体辐射实验的操作软件3、了解黑体辐射的发展二、实验仪器及用具WGH—10型红外光谱仪、稳压溴钨灯三、实验原理1、维恩位移定律由普朗克公式的极值定出黑体辐射能量的谱密度的峰位λM就得到维恩位移定律：λMT=b（b=2.898*10^(-3)mK）2、斯特藩—玻尔兹曼定律1879年，奥地利物理学家斯特藩根据实验结果总结出一条关于黑体辐射本领与温度之间关系的规律：黑体的总辐射能量与绝对温度的四次方成正比。

1884年玻尔兹曼根据电磁学和热力学的理论，导出这个关系，这就是斯特藩定律，可表述为：黑体辐射的总辐射本领R0与绝对温度T的四次方成正比，即：R0(T)=σT⁴四、实验方案及注意事项1、实验方案用WGH-10型外光谱仪记录福射体在80Onm——2500nm波段的相对辐射谱密度曲线，研究其辐射特性。

采用溴钨灯经过修正来代替黑体，结合实验软件提供的各遍度下绝对黑体的理论辐射谱密度曲线，验证普朗克辐射定律、斯特藩玻耳兹曼定律和维恩位移定律。

进行此验证时可使用实验软件提供的黑体理论辐射曲线作为验证对象，但要注意测得数据只具有相对意义。

软件中提供了归一化功能，该项功能的作用是将测得的数据曲线来以一一个系数，使谈曲线的峰值高度与理论曲线的峰值高度相同。

若实验数据符合理论值的话，归一化之后二者在定的波长范围内重合得较好。

在己知色温的电流下对溴钨灯的辐射谱进行扫描，扫描前选中“传递函数””修正为黑体”两项，对扫描所得的的数据进行归一化处理，使用软件中内置的功能取得该温皮下的理论黑体辐射请线，在若干个波长处(位置大致平均分布在曲线上:)算出实测值与理论值的相对误差δ=ΔE/E。

,然后计算平均相对误差。

根据平均相对误差的大小来确定实验结果是否支持普朗克辐射定律，由于实验仪器的精度限制，一般来来说平均相对误差在5%以内，即可认为实验结果支持普朗克辐射定律。

深圳大学实验报告课程名称：近代物理实验实验名称：黑体辐射的研究学院：物理科学与技术学院组号指导教师：报告人：学号：实验地点实验时间：实验报告提交时间：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，单位时间所辐射的能量（辐射功率或辐射能通量）E 存在如下关系： E=adST45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。

A 是辐射系数，它表征辐射源表面（如粗糙程度等）的辐射性质却与物体的材质无关；б是斯特藩-波尔兹曼常数，是对所有物体均相同的常数。

令a=1，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出度：M(T)=4T d E E T T δλλ==⎰∞（瓦特/米2） 斯忒藩—波尔兹曼常数d 为：d =2345152ch k π= 5.670×10-8 （瓦/米2.开尔文4）其中，k 为波尔兹曼常数，h 为普朗克常数，c 为光速。

此式表明,绝对黑体的总辐出度与黑体温度的四次方成正比,即黑体的辐出度(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：πTE L =于是，斯忒藩—波尔兹曼定律也可以用辐射亮度表示为：4TL πδ=（瓦特/米2.球面度） L max=4.10T5´10-6（瓦特/米3.球面角.开尔文5）维恩位移定律对应一定温度T 的M0(λ,T)曲线有一最高点,位于波长lmax 处.温度T 越高,辐射最强的波长λm 越短,即从红色向蓝紫色光移动.这对于高温物体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M0(λ,T)曲线峰值所对应的波长lmax 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. 历史上德国物理学家维恩于1893年找到了lmax 与T 之间的关系如果用数学形式描述这一实验规律,则有： 1/lmax∝T即光谱亮度的最大值的波长 lmax 与它的绝对温度T 成反比：T A =max λ而A 为一常数，即维恩常数，A=2.896´10-3 （米×开尔文）。

深圳大学实验报告课程名称：大学物理实验实验名称：黑体辐射学院：专业：班级：组号：指导教师：报告人：学号：实验地点实验时间：年月日星期实验报告提交时间：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hν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：式中：第一辐射常数C1＝2πhc2＝3.74×10－16（Wm2）第二辐射常数C2＝hc／k＝1.4388×10－2（mK）黑体光谱辐射亮度由此式给出：2．黑体的积分辐射—－斯忒藩－玻耳兹曼定律斯忒藩和玻耳兹曼先后（1879年）从实验和理论上得出黑体的总辐射通量与黑体的绝对温度T的四次方成正比，即：40 T d E E T T ⋅==⎰∞δλλ（Wm-2）式中T 为黑体的绝对温度，δ为斯忒藩－玻耳兹曼常数：式中k 为玻耳兹曼常数，h 为普朗克常数，c 为光速。