太阳表面温度的简易测量

1、 太阳表面温度的简易测量 早期人类测量太阳温度是通过计算太阳辐射到地球的热量 来实现的， 随着近代科学技术的发展， 科学家确定了物体温度和 颜色的关系并通过了验证，从而可以使用光学的方法测量温度。 一般来说，恒星的有效温度决定了其光谱类型（光谱型），每种 光谱型对应相应的温度， 因此可以通过测量恒星的光谱型来测量 恒星的温度 1 。在测量过程中，我们将太阳看作黑体，根据不 同温度下黑体辐射谱的不同比较实际测量到的光谱和标准公式 计算光谱拟合。 再由普朗克公式计算出太阳的表面温度。 但是在 具体实验操作中有许多需要关注的影响，在此给出一定的分析， 以供参考。 一、测量原理 比较理想的太阳表面温度

2、测量使用天文望远镜获取太阳光 谱，考虑到试验设计低成本、易推广应用的初衷，本试验利用光 栅分光的原理， 使用普通民用材料构造简易暗室并配合高像素数 码相机以获取太阳光谱。 光谱图像使用计算机软件加以处理和分 析，运用部分波动光学和量子力学基础公式计算， 间接得到太阳 表面温度。 （一）黑体辐射定律及维恩位移定律 1.黑?w辐射 I ：辐射率，在单位时间内从单位表面积和单位立体角内以 单位频率间隔或单位波长间隔辐射出的能量。 h： 普朗克常数 C：光速 k：玻尔兹曼常数 v：电磁波的频率 T：黑体的温度 2. 维恩位移定律 维恩位移定律是物理学上描述黑体电磁辐射能流密度的峰 值波长与自身温度之间

3、反比关系的定律，其数学表示为 3 ： 入max：辐射的峰值波长 T：黑体的绝对温度 b:维恩常数 （二）计算机软件处理 二、光谱获取 （一）测量装置 材料：纸盒、光栅（ 161 LPI ）、银色遮光胶带、剃须刀片 X 2。 设计：纸盒两侧开洞，一侧装光栅，另一侧将两片剃须刀片 对齐，中间留缝以作狭缝。外侧用银色遮光胶带包裹，保证仪器 不透光。 示意图：图中黑色粗线表示用银色遮光胶带包裹。 图 2-3 太阳光谱拍摄示意图 拍摄的重点是外来光线的干扰问题， 实验中使用遮光幕布完 整包围实验装置， 尽量减少外来光线的影响。 光源通过狭缝进入 暗室，相机镜头近距离拍摄光栅外围边框表示遮光布， 减少进入

4、 镜头的外来光线以保障拍摄质量。 相机选用 1200 万像素数码相机，分别以太阳和荧光灯管为 光源获取太阳光谱。 三、光谱分析 （一）软件应用 实际实验中可以获取到多段荧光灯管和太阳光谱图像， 相机 捕捉到的光谱是一个彩色的图片，使用 ImageJ 软件截取其中一 段完整的太阳光谱，对太阳光谱做灰度处理和 RGB分离处理得到 结果，同样地对荧光灯管光谱做灰度处理和RGB分离处理。 （二）分析 荧光灯管的温度为5000K，荧光灯管内部为强光源，在较近 的距离， 外部光线对内部的影响可以忽略不计， 可以近似地视为 黑体。由于暗室已被银色遮光胶带包裹， 除狭缝外的部分可近似 地认为不透光，装置内部为

5、黑体。 由维恩位移定律得： T* 入 max-1 由于光谱灰度正比于波长，得 T* Grey-1 代入数据，得到太阳表面光球层温度为 5312.5K。 （三）空气分子吸收问题 空气分子对太阳光具有选择性的吸收作用。 高层大气所含氧 原子、平流层所含臭氧吸收波长小于0.175卩m的紫外线，对流 层所含H2O CO2分子吸收红外线并散射可见光。 空气分子的吸收使实测温度低于实际温度， 为本次研究结果 误差的主要来源。 四、结语 实验中使用了在生活中可以取得的简单材料制造了实验装 置，使用民用数码相机和家用电脑安装的开源软件进行图像分析 和数据处理， 测量出了太阳表面温度。 本次实际测量测定太阳表 面光球层温度为5312.5K，而太阳光球层实际温度为 5770K，误 差小于 8%，作为一种使用简易材料自制实验装置的测量太阳表 面温度的方法，测量结果还是可行可信的。 影响结果的实验缺陷主要有： 地球大气层空气分子吸收使得 光谱有部分损失； 实验装置内部不可能做到完全无光， 也就是暗 室还不够完美； 狭缝设计从理论上要求应该尽量窄， 但为了使观 测清晰， 本事实验事例中狭缝所设略宽； 光栅采用低成本方案使 得光栅品质不够高，且在装配过程中可能受到了肉眼难见的刮