红外物理75462省名师优质课赛课获奖课件市赛课一等奖课件

第三章热辐射基本规律第1页教学目标：在红外物理（技术）及其应用科学实践和工程设计中，经常会碰到各种形式辐射源发出辐射问题和测量问题，处理这些问题依据就是本章所学习几个基本定律。本章要学习基本规律有基尔霍夫定律、普朗克公式、维恩位移定律、斯特藩-玻耳兹曼定律基本概念、定义及计算。教学方法：面授教学伎俩：板书+多媒体课时分配：14重点、难点：普朗克公式、维恩位移定律、斯特藩-玻耳兹曼定律基本概念及计算。作业布置：第2页3.1发光种类介绍第3页放电

化学发光光致发光电致发光热辐射按能量供给方式物质内部发生了化学改变，如腐木辉光、磷在空气中渐渐氧化辉光等。物体发光由预先照射或不停照射引发。物体发出辉光是由电作用直接引发。物体在一定温度下发出电磁辐射。第4页热辐射几点说明：

概念：物体以本身温度而向外发射能量称热辐射，亦称温度辐射。在光学范围内，在可见光范围内辐射普通称为发光，在红外部分通常称为辐射。红外辐射发射和接收伴随能量交换。红外技术应用都是基于能量交换。第5页普雷夫定则：在单位时间内，假如两个物体吸收能量不一样，则它们发射能量也不一样。即在单位时间内，一个物体发出能量等于它吸收能量。普雷夫定则小试验第6页3.2基尔霍夫定律第7页发射本事：即物体辐射出射度M，通常写成MλT，因M与波长和温度相关。吸收本事：即物体吸收比α，α也与波长和温度相关，故写成αλT

。二者之间关系称为基尔霍夫定律同一物体，同一温度第8页假如有三个物体，则对于黑体

MbλT——黑体辐射出射度

αbλT——黑体吸收比，αbλT=1第9页基尔霍夫定律描述：在给定温度下，对某一波长来说，物体吸收本事和发射本事比值与物体本身性质无关，对于一切物体都是恒量。即MλT/αλT对全部物体都是一个普适函数(即黑体发射本事)，而MλT和αλT二者中每一个都伴随物体而不一样。“发射大物体必吸收大”，或“善于发射物体必善于接收”，反之亦然。第10页基尔霍夫定律另一个表示等温腔内物体在热平衡状态下，物体A发射辐射功率必等于它所吸收辐射功率，M——物体A辐射出射度α——物体A吸收率E——物体A上辐射照度

即物体吸收率越大，则它辐射出射度也越大，即好吸收体必是好发射体。

第11页对于不透明物体，透射率为零，则ρ——物体反射率这表明好发射体必是弱反射体。

第12页关于基尔霍夫定律说明：1．基尔霍夫定律是平衡辐射定律，与物质本身性质无关，当然对黑体也适用；2．吸收和辐射多少应在同一温度下比较，（温度不一样时就没有意义了）；3．任何强烈吸收必发出强烈辐射，不论吸收是由物体表面性质决定，还是由系统结构决定；4．基尔霍夫定律所描述辐射与波长相关，不与人眼视觉特征和光度量相关；5．基尔霍夫定律只适用热辐射，对其它发光不成立。第13页3.3黑体及其辐射定律第14页黑体是一个抽象概念，能够从几方面认识：(理论上讲)ɑ=1物体，全吸收，没有反射和透射。(结构上讲)封闭等温空腔内辐射是黑体辐射。(从应用角度)假如把等温封闭空腔开一个小孔，则从小孔发出辐射能够逼真地模拟黑体辐射。这种装置称为黑体炉。3.3.1黑体第15页现在来证实，密闭空腔中辐射就是黑体辐射。真空腔体中放置物体A是黑体，则由式(3-6)得到空腔在黑体A产生光谱辐射照度所以

等温腔内黑体第16页黑体应用价值（实用意义）：标定各类辐射探测器响应度；标定其它辐射源辐射强度；测定红外光学系统透射比；研究各种物质表面热辐射特征；研究大气或其它物质对辐射吸收或透射特征。第17页

普朗克公式是确定黑体辐射光谱分布公式，也称为普朗克定律

Mbλ——黑体光谱辐射出射度C——真空光速C1——第一辐射常数c1=2πhc2=3.7418×108W·m2C2——第二辐射常数c2=hc/k=1.4388×10-16m·Kh——普朗克常数6.626176×10-34J·sk——波尔兹曼常数1.38×10-23J/K3.3.2普朗克公式第18页不一样温度黑体光谱辐射出射度曲线第19页

曲线说明（黑体辐射特征）：Mbλ随波长连续改变，对应某一个温度就有固定一条曲线，一旦温度确定，则Mbλ在某波优点有唯一固定值。温度越高，Mbλ越大。(全辐射出射度M是曲线下面积)伴随温度T升高，Mbλ峰值波长向短波方向移动。(T再高能够进入可见光)黑体辐射特征只与其温度相关，与其它参数无关。黑体辐射亮度与观察角度无关。第20页普朗克公式两种极限情况：

当c2/(λT）>>1时，即hc/λ>>KT，此时对应短波或低温情形，这就是维恩公式，它仅适合用于黑体辐射短波部分。当c2/(λT)<<1时，即hc/λ<<KT，此时对应波长或高温情形，这就是瑞利-普金公式，它仅适合用于黑体辐射长波部分。第21页3.3.3维恩位移定律

维恩位移定律是描述黑体光谱辐射出射度峰值Mλm所对应峰值波长λm与黑体绝对温度T关系表示式。令x=c2/λT，则第22页X何值时M最大，应即解此方程x=4.9651142即：c2/λT=4.9651142则常数b=c2/x=2898.8±0.4μm·K第23页维恩位移定律表明，黑体光谱辐射出射度峰值对应波长与温度成反比，温度越高，辐射峰值向短波方向移动。图3-3中虚线，就是这些峰值轨迹。知道某一物体温度，就知其辐射峰值波长。比如由维恩位移定律能够计算出：人体（T=310K）辐射峰值波长约为9.4μm；太阳（看作T=6000K黑体）峰值波长约为0.48μm。

第24页维恩最大发射本事定律：描述黑体光谱辐射出射度峰值与温度关系公式。将维恩位移定律代入普朗克公式，得到

其中B=1.2867×10-11W·m-2·μm-1·K-5

（另书1.2866732×10-5W·m-3·K-5

）第25页

维恩定律意义：只先知一个温度T，便知最大辐射出射度Mbλm所在处波长λm及Mbλm值。Mbλm数值随温度升高很快。黑体光谱辐射出射度峰值与绝对温度五次方成正比，即伴随温度增加辐射曲线峰值快速提升。

第26页室温下，绿色玻璃强烈地吸收红光，不过辐射出红光却极少，这是否违反基尔霍夫定律。第27页

描述黑体全辐射出射度与温度关系公式——斯忒藩-玻耳兹曼定律。3.3.4斯忒藩-玻耳兹曼定律令x=c2/λT则λ=c2/xTdλ=－(c2/x2T)dx第28页不同温度黑体光谱辐射出射度曲线第29页试求绝对黑体温度为300K、500K最大辐射时波长位置，以及在对应温度下全辐射出射度。求温度为310K时，黑体辐射峰值波长、最大辐射出射度、全辐射出射度。第30页3.4黑体辐射简易计算第31页1.相对光谱辐射出射度函数表f(λT)表

某温度下、某波长上光谱辐射出射度Mbλ和该温度下、峰值波优点光谱辐射出射度Mbλm之比。即

3.4.1黑体辐射函数第32页2.相对辐射出射度函数表F(λT)表某温度下、某波段辐射出射度M0～λ和该温度下全辐射出射度M0～∞之比。即第33页从0到某波长λ辐射出射度某一波段(λ1～λ2)之间辐射出射度第34页归一化f(λT)和F(λT)函数值第35页例1.已知黑体温度T=1000K，求：(1)峰值波长(2)光谱辐射度峰值(3)在λ=4μm处光谱辐射出射度(4)在λ=3～5μm波段辐射出射度3.4.2计算举例第36页例2.已知人体温度T=310K(假定人体皮肤是黑体)，求

(1)其峰值波长为

(2)全辐射出射度为

(3)处于紫外区，波长(0～0.4μm)辐射出射度为

(4)处于可见光区，波长(0.4～0.75μm)辐射出射度为

(5)处于红外区，波长(0.75～∞)辐射出射度为第37页例3.如太阳温度T=6000K并认为是黑体，求其辐射特征

(1)其峰值波长为

(2)全辐射出射度为

(3)紫外区辐射出射度为

(4)可见光区辐射出射度为

(5)红外区辐射出射度为第38页课堂作业在火箭上将大气层外太阳光谱统计下来，测得它最大辐射波长位置为465nm，假如把太阳作为黑体，计算太阳表面温度。假设从火炉壁小孔用光测辐射法测得辐射出射度为22.8W/cm2，假如把从炉壁小孔发出辐射认为是黑体辐射，计算炉内温度。假如太阳表面温度约为5762K，半径为6.96×105Km，火星与太阳平均距离为2.77×108Km，若把太阳看成黑体，求在火星上产生平均辐射照度。第39页3.5发射率和实际物体辐射第40页1.半球发射率辐射体辐射出射度与同温度下黑体辐射出射度之比称为半球发射率，分为全量和光谱量两种。半球全发射率定义为半球光谱发射率定义为则第41页

2.方向发射率方向发射率，也叫做角比辐射率或定向发射本事。它是在与辐射表面法线成θ角小立体角内测量发射率。方向全发射率定义为

方向光谱发射率定义为法向发射率定义为第42页

物体发射率普通改变规律以下：对于朗伯辐射体，三种发射率εn，ε(θ)和εh彼此相等。金属发射率是较低，但它随温度升高而增高，而且当表面形成氧化层时，能够成10倍或更大倍数地增高非金属发射率要高些，普通大于0.8，并随温度增加而降低。金属及其它非透明材料，涂敷或刷漆表面发射率是涂层本身特征。介质光谱发射率随波长改变而改变第43页各种材料光谱发射率第44页3.6辐射对比度和辐射测温第45页

辐射对比度定义为目标和背景辐射出射度之差与背景辐射出射度之比，即

目标在λ1～λ2波长间隔辐射出射度背景在λ1～λ2波长间隔辐射出射度3.6.1辐射对比度第46页不一样波带对辐射比度比较1.波长从0～∞全波带对比度2.波长从3.5～5μm波带对比度3.波长从8～14μm波带对比度第47页热导数：光谱辐射出射度与温度微分若普朗克公式热导数为辐射出射度与温度微分关系为

第48页波段

（W/m2·K）λ1/μmλ2/μmT=280KT=290KT=300KT=310K351.10×10-1

1.54×10-12.10×10-12.81×10-135.52.10×10-1

2.73×10-13.62×10-14.72×10-13.551.06×10-11.47×10-12.00×10-12.65×10-13.55.51.97×10-12.66×10-13.52×10-14.57×10-1459.18×10-21.26×10-11.69×10-12.23×10-145.51.83×10-12.45×10-13.22×10-14.14×10-18108.47×10-19.65×10-11.091.218121.581.771.972.178142.152.382.622.8610127.341×10-18.08×10-18.81×10-19.55×10-110141.301.421.531.65×10-112145.67×10-16.10×10-16.52×10-16.92×10-1第49页

关系曲线第50页因为所以最大对比度波长λc与辐射峰值波长λm关系满足

300K是通常地面背景温度。其λc近似为8μm，所以，在不考虑其它原因情况下，热像仪观察地面目标时，采取8～14μm波段最为理想。

第51页3.6.2辐射测温辐射温度：若仪器依据物体总辐射量而定温，所得是物体辐射温度Tτ

；色温度：若仪器依据两个或多个特征波长上辐射而定温，则所得到温度是物体色温度Ts；亮温度：若仪器只依据某一个特征波长上辐射而定温，则所得到是物体亮温度Tl。第52页1.辐射温度设有一物体真实温度为T，发射率为ε(T)，辐射出射度为M(T)。当该物体辐射出射度与某一温度黑体辐射出射度相等时，这个黑体温度就叫做该物体辐射温度Tτ。第53页即(3-33)得(3-34)式(3-33)没有考虑物体所反射环境辐射，对于物体温度与周围环境物体温度相近场所，考虑物体反射环境辐射带来影响是很有必要，不然依据式(3-34)求得真实温度T将是不正确。第54页2.亮温度设有一个物体真实温度为T，光谱发射率为ελ(T)，光谱辐射亮度为Lλ(T)。当该物体光谱辐射亮度与某一温度黑体光谱辐射亮度相等时，这个黑体温度就叫该物体亮温度Tl。这时有

第55页而则物体温度低于3000K，在波长0.66μm处，假如已知物体发射率，可由测得物体亮温度计算物体真实温度。第56页3.色温度设有一个物体真实温度为T，在波长λ1和λ2处光谱发射率分别为ελ1(T)和ελ2(T)，光谱辐射亮度分别Lλ1(T)和Lλ2(T)。当该物体在这两个波优点光谱辐射亮度与某一温度黑体光谱辐射亮度相等时，这个黑体温度就叫做该物体色温度Ts（简称色温）。普通所选波长为λ1=0.47μm、λ2=0.66μm。第57页其中将上面两式化简并取对数解出T，得

第58页

比色测温仪是经过测量物体两个（或三个）波段上辐射亮度比值来确定其温度。它工作原理与亮温测温仪截然不一样。使用两个工作波段比色测温仪又称为双色测温仪或二色测温仪。使用三个工作波段称为三色测温仪。比色测温仪与亮温测温仪相比，突出优点是：第59页亮温测温仪和全光谱测温仪(辐射温度测温仪)往往在被测物体ε(T)