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1、1黑体辐射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
2、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： WkSNlnWilhelm Equation： TaebR/5),(Rayleigh-Jeans formula： dkcdE238Planck 提出：电磁辐射的能量只能是量子化的。他认为以频率 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 整数倍，即 E=nh,n=1,2,3,在此
3、能量量子化的假定下，他推导出了著名的普朗克公式：2黑体辐射18),(/3kThedcdTE因为 2,/所以 18)(/5kThcedd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（ ，T ）与单色辐射度 R（，T ）之间的关系：),(4),(RcTE此式还可以写成如下形式 12),(/5kThceddPlanck 公式经过微分后得到 Wilhelm 位移定律：96.4TkhcmPlanck 公式经积分后可以得到 Stefan-Boltzmann Law40),()(TdE不同的人提出的辐射理论表达为公式曲线之后的图形
4、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。（3） 打开计算机，点击计算机运行黑体软件，点击屏幕，显示操作平面，重新进行初始化（4） 绘制基线图调节溴钨灯电流为 1.76A点击：工作方式-基线-寄存器 1-修正为黑体-传递函数-单程此时，屏幕出现动态扫描绘制基线图，越 6min 后停止。（5） 绘制三条不同温度的黑体辐射能量 检查溴钨灯电流为 1.76A点击：工作方式-基线
5、-寄存器 1-修正为黑体-传递函数-黑体-色温、3黑体辐射此时，屏幕出现正在检索提示，稍等后，动态扫描绘制 2580K 色温下的黑体辐射能量图，约 6min 后停止。点击：归一化 调节溴钨灯电流为 1.90A点击：寄存器 3-黑体-色温此时，屏幕出现正在检索提示，稍等后，动态扫描绘制 2670K 色温下的黑体辐射能量图，约 6min 后停止。点击：归一化 调节溴钨灯电流为 1.47A点击：寄存器 4-黑体-色温此时，屏幕出现正在检索提示，稍等后，动态扫描绘制 2410K 色温下的黑体辐射能量图，约 6min 后停止。点击：归一化 点击绝对黑体的理论谱线。此时屏幕上，展示着三条不同温度的黑体辐射
6、能量曲线和一条溴钨灯的基线，绘图完毕。 打印绘制的能量图，标识能量图。（6） 验证普朗克辐射定律点击：验证普朗克辐射定律，屏幕出现光标。 光标对准某一温度黑体辐射能量线，屏幕的左上角会出现告知数据，该数据表示波长 值和能量值 E 实测 ，记录该数据。 再将光标对准同一波长位置的绝对黑体理论线，屏幕的左上角会出现告知数据，该数据表示一波长 值和决定黑体理论值 E 实测 ，记录该数据。分别取三条不同色温能量线的四个不同点记录。（7） 点击维恩位移定律屏幕出现维恩位移定律的数据表格，记录并与理论值对比验证，计算误差。（8） 点击斯特藩-玻尔兹曼定律屏幕出现斯特藩-玻尔兹曼定律的数据表格，记录并与理论
7、值对比验证，计算误差。3、 注意事项：A. 软件运行时由于误操作，可能会出现“死机”现象，一旦发生误操作，必须首先断掉电控箱电源，再重新启动计算机系统，接着关闭计算机片刻，然后进行实验操作 3B. 实验操作过程中，请将手机关闭，避免因收、发信号时干扰软件运行而发生软件失效，导致重新安装软件的麻烦。4黑体辐射Extra：Wihelm 二维位移曲线：5黑体辐射原始数据、 数据处理及误差计算：实验中获得的数据表见附页， 下列数据位数据表上读得的数据； 并用它们来验证三个黑体辐射上的定理1， Planck 定理n T/K /nm Er Eth % %average1 810 601.36 678.46
8、 -77.1 -11.364%2 1170 1042.7 1046.57 -3.87 -0.36978%3 1838 635.01 721.95 -86.94 -12.0424%4 2054 510.96 592.53 -81.57 -13.7664%524102390 344.75 430.49 -85.74 -19.9168%-11.49187329%n T/K /nm Er Eth % %average6 864 1402.08 1228.47 173.61 14.13221%7 1090 1447.22 1471.04 -23.82 -1.61926%8 1492 1053.85 12
9、36.31 -182.46 -14.7584%9 2024 621.05 748.94 -127.89 -17.0761%1025802446 385.26 487.42 -102.16 -20.9593%-8.056190976%n T/K /nm Er Eth % %average11 866 1730.87 1531.84 199.03 12.99287%12 1088 1670.65 1749.8 -79.15 -4.52337%13 1622 1026.9 1248.96 -222.06 -17.7796%14 2160 580.31 716.44 -136.13 -19.0009%
10、1526702482 400.98 511.84 -110.86 -21.6591%-9.994020186%除去个别数据偏差带来的影响， 能够看到随着溴钨灯色温的升高， 测得的辐射曲线与普朗克的理论曲线差别越大， 误差越明显。 误差的主要原因是本实验中被等效为黑体的灯箱实际上开有很多散热孔， 导致了溴钨灯的热量流失， 从而使得辐射曲线幅值下降， 偏离了理论标准。 2， Stefan-Boltzmman 定理storage2 3 4T/K 2580 2670 2410Et/W 2.3508 2.6622 1.8132T4/e13K4 4.4308 5.0821 3.3734/e-14.mm-2
11、.K-4 5.3056 5.2383 5.375% -6.43% -7.61% -5.20%avg/e-14.mm-2.K-4 5.3063E-14th/e-14.mm-2.K-4 5.6700E-14%avg -6.4145%如表可见，随着溴钨灯色温的升高， 测得的辐射曲线与理论曲线差别越大， 误差越明显。但总体误差在可以承受的范围内。而且实际值是小于理论值的， 说明模拟黑体的灯箱确实有能量泄露， 并且影响了实验结果。 6黑体辐射3， Wiehlm 定理storage2 3 4max/nm 984 950 1182T/K 2580 2670 2410A/mm.K 2.539 2.537 2.
12、849%avg -12.33% -12.40% -1.62%Aavg/mm.K 2.641Ath/mm.K 2.896% -8.8052%结论与之前的两个类似，随着溴钨灯色温的升高， 测得的辐射曲线与理论曲线差别越大， 误差越达。实际值是小于理论值， 说明模拟黑体的灯箱确实有能量泄露， 并且影响了实验结果， 带来了误差。 思考题， 实验感想， 疑问与建议：实验体会： 通过该实验， 我了解了黑体辐射问题在历史上被众多人攻克的历史， 认识到了要正确表述一个物理现象， 所需要花费的精力和毅力。建议： 本实验全程通过计算机软件控制， 因此过程上没有什么问题值得改进； 只是软件和外部硬件的耦合上似乎比较容易受到干扰， 而导致软件输出的数据都是有偏离的， 并且需要重装软件来解决； 这个问题希望能够在程序编写的层面上给予解决， 增强程序的稳定性。 原始记录及图表粘贴处：（见附页）
