近代物理实验 黑体辐射

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

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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：

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

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

1、了解黑体福射实验现象，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

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

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:

黑体是指能够完全吸收所有外来幅射的物体，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，本实验用铐丝作为辐射体，通过•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，疣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一维恩公式。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，物理学历史匕中现了•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

量份额值必须是能最单元hv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Cl=2兀hc2=3.74X10—16(Wm2)

第二辐射常数C2=hc/k=L4388X10-2(mK)

图2黑体辐射能量分布曲线

黑体光谱辐射亮度由此式给出：

2.黑体的积分辐射一一斯忒藩一玻耳兹快定律

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：（Wm-2）式中T为黑体的绝对温度，5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。由于黑体辐射是各向相同的，所以其辐

射亮度与辐射度的关系为：于是，斯忒藩一玻耳兹曼定律的辐射亮度表达式为：（Wm—

2sr）

3.维恩位移定律

诺贝尔奖获得者维恩于1893年通过实验与理论分析，得到光谱亮度的最大值的波长与黑体

的绝对温度成反比：

式中:A为常数,A=2.896X10-3（）。

光谱亮度的最大值为：

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。

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波氏（微米）

分析图中曲线可发现该曲线有如下特征:

（1）在任何确定的温度下，黑体对不同波长的辐射本领是不同的.

（2）在某一波长标处有极大值，说明黑体对该波长具有最大的单色辐出度.

（3）当温度升高时,极大值位置向短波方向移动，曲线向上抬高并变得更为尖锐.

1.2.3黑体辐射的光谱分布一一普朗克辐射定律

在实验测得黑体单色辐出度之后，摆在人们面前的•个饶有兴趣的问题是：

怎样来解释实验上测得的M0（入，T）曲线？

怎样从理论上求得绝对黑体单色辐出度的数学表达式？

为此，在19世纪末许多物理学家作了巨大努力，从经典热力学、统计物理学和电磁学的基础

上去寻求答案，但始终没有获得完全成功。1896年维恩根据经典热力学理论导出的公式只是在

短波波长与实验曲线相符；1900年瑞利和琼斯根据统计物理学和经典电磁学理论导出的公式只

是在波长很长时不偏离实验曲线。他们的共同结论是，在波长比Jmax短时，辐射能量将趋于

无穷大。这显然是荒谬的结果，在物理学历史上，这一个难题被称为“紫外灾难二“紫外灾难”

表明经典物理学在解释黑体辐射的实验规律上遇到了极大的困难，是19世纪末经典物理学大

厦上的两朵乌云之一。显然，如果事实不能被理论说明，那么理论存在缺陷，必须获得重建。

1900年，对热力学有长期研究的德国物理学家普朗克综合了维恩公式和瑞利-琼斯公式，

利用内插法，引入了一个自己的常数，结果得到一个公式，而这个公式与实验结果精确相符，

它就是普朗克公式，即普朗克辐射定律。此定律用光谱辐射度表示，其形式为：

—

M0（X,T）=牙（e"-1）（瓦特/米3）

式中：第一辐射常数C1=2Jihc2=3.74X10-16（瓦X米2）

第二辐射常数C2=hc/X=l.439840-2（米X开尔文）

事实上，我们不难从普朗克公式推导出维恩公式和瑞利-琼斯公式。可是，这个公式的理论

在什么地方？“紫外灾难”的真正原因是什么？正是这个理论，导致了量子物理学的产

生。

在经典理论中，空腔器壁上的分子、原子被看作是辐射或吸收电磁波的“振子”，这是经

典物理学最基本的前提之一，其能量可以连续变化，就是说，振子与电磁波之间的能量交换

可以无限制地减少或增大。普朗克坚信振子吸收电磁辐射的规律、能量连续辐射的传统观念一

定存在问题，提出了一个与经典理论格格不入的全新观点,那就是普朗克假设：

物体在发射或吸收频率为v的电磁辐射时，只能以£=hv为单位进行，电磁辐射能量只能

是£的整数倍，即E=n£=nhu,其中h就是普朗克常数，h=6.6260755X10-34J.s。按照这个

假设，他成功地从理论上推导出普朗克公式。

三、实验仪器：

WGH-10型黑体实验装置，由光栅单色仪，接收单元，扫描系统，电子放大器，A/D采集单元,

电压可调的稳压溟铝灯光源，计算机及打印机*组成。该设备集光学、精密机械、电子学、计

算机技术于一体。

主机部分有以下几部分组成：单色器，狭缝，接收单元，光学系统以及光栅驱动系统

等。

Ml反射镜、M2准光镜、M3物镜，M4反射镜、M5深椭球镜、Z转光镜、G平面衍射光栅、

S1入刖狭缝、S2,S3出射狭缝、T调制器

入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围0—2.5mm连续可调，光源发出的光束进入入

射狭缝SI,S1位于反射式在光镜M2的焦面上，通过SI射入的光束经M2反射成平行光束投向

平面光栅G上，衍射后的平行光束经物镜M3成象在S2上。经M4,M5会聚在光电接受器D上。

M2、M3焦距302.5mm

光栅G每亳米刻线300条闪耀波长1400nm

滤光片工作区间：第一片800-1000nm第二片1000-1600nm第三片1600-2500nm

光学原理图

a.扫描结构b.光栅转台/

本实验装置采用稳压澳铐灯作光源，澳铝灯的灯丝是用铝丝制成，铝是难熔金属，它的熔点

为3665°K。鸨丝灯是一种选择性的辐射体，它产生的光谱是连续的它的总辐射本领RT可由下

式求出。

式中为温度T时的总辐射系数，它是给定温度鸨丝的辐射强度与绝对黑体的辐射强度

之比，因此或式中B为常数，1.47X10-4

鸽丝灯的辐射光谱分布R入T为

X5(eZT-1)

四、实验内容和步骤：

1.打开黑体辐射实验系统电控箱电源及澳鸨灯电源开关。

2.打开显示器电源开关及计算机电源开关启动计算机。

3.双击“黑体”图标进入黑体辐射系统软件主界面，设置：

“工作方式”一一“模式”为“能量”、“间隔”为“2〃W

“工作范围”一一“起始波长”为“800.0nm"、“终止波长”为“2500.Onm”、

“最大值”为“10000.0”、“最小值”为“0.0”“传递函数”为，“修正为

黑体”为

4.调节浪鸨灯工作电流为表2.5,即色温为2940，点击“单程”计算传递函

数。

5.点击“传递函数”、“修正为黑体”为

6.点击黑体扫描无录浪鸨灯光源在传递函数修正和黑体修正后的全谱存于

寄存器一1内。

7.改变浸鸨灯工作电流，在表1中任选5个电流值，分别进行黑体扫描记录,

输入相应的体漫并分别存于5个寄存器内

8.分别对各个寄存器内的数据进行归一化。

9.验证普朗克辐射定律(取五个点)。

10.验证斯忒藩一玻耳兹曼定律。

11.验证维恩位移定律。

12.将以上所测辐射曲线与绝对黑体的理论曲线进行比较并分析之。

五、数据记录与处理

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图五、五个不同电流值对应黑体记录

注明：有上到下曲线分别对应2600K,2400K,2200K,2770E,2500K。

在曲线中取5个点验证普朗克辐射定律:

图六、验证普朗克辐射取点1

图七、验证普朗克辐射定律取点5

波长nm光源色温K理论值实测值误差

123826001493.01492.40.04%

155226001211.21150.55.01%

139227701760.21711.32.77%

139225001167.11127.83.37%

表一、验证普朗克定律所取的五个点

图八、验证斯忒藩―玻耳兹曼定律

维恩位移定律一结果

起始波长:800nm终止波长：|25UU_nm重定最大值波长|

寄存存寄存器2寄存器3寄存器4寄存器5

XHIax10501162116212161440

T27702600250024002200

A2.9093.0212.9052.9183.168

AJ2.984

为常数，

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图九、验证维恩位移定律

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