热辐射实验演示仪及热辐射规律探究

马洪良，王春涛，张义邴，韩咏梅，易传详

（上海大学 物理实验中心，上海200444）

1 引 言

因热引起的电磁波辐射称为热辐射，一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大，短波成分也愈多.热辐射的光谱是连续谱，一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线传播.由于电磁波的传播无需任何介质，所以热辐射是在真空中唯一的传热方式.物体在向外辐射的同时，还吸收从其他物体辐射来的能量.物体辐射或吸收的能量与它的温度、表面积、黑度等因素有关.黑体是一种特殊的辐射体，它对所有波长电磁辐射的吸收比恒为1.黑体在自然条件下并不存在，它只是一种理想化模型，但可用人工制作接近于黑体的模拟物.

本文介绍了热辐射实验演示仪的制作，并演示方盒温度和辐射表面颜色、粗糙度等对热辐射出射度的影响，探究低温热辐射的斯特藩-玻尔兹曼定律和辐射出射度与距离的平方反比关系.

2 热辐射实验演示仪

热辐射实验演示仪由辐射方盒、红外传感器、导轨、加热电源、数字电压表和指针式电压表等组成（图1）.辐射方盒的4个辐射面是厚度为2mm的铝板，对黑面、白面和粗糙面的外表面分别进行氧化发黑、烤白漆和喷砂处理，构建不同的表面颜色和粗糙度（黑面、白面、光亮面和粗糙面），旋转柄位于顶部上方可以转动辐射面，方盒的中心是功率为100W的白炽灯，通过调节加热功率，辐射方盒中的温度可从室温到约110℃.其内部有温度传感器（热敏电阻）测量温度，红外传感器可以在光学导轨上移动，采用数字电压表或者指针式电压表记录或者观察传感器输出电压幅度.

图1 热辐射实验演示仪

3 实验演示内容

3.1 辐射出射度与温度及辐射表面颜色和粗糙度的关系

一切物体只要其温度T＞0K，都会不断地发射热辐射.当温度较低时，主要以不可见的红外光进行辐射，当温度为300℃时热辐射中最强的波长在红外区.当物体的温度在500～800℃时，热辐射中最强的波长成分在可见光区.

固定红外传感器与辐射方盒的距离（下面数据距离为120mm），通过调节加热功率控制辐射方盒的温度，分别观测方盒4个不同表面的相对辐射出射度M与温度T的关系 （图2）.图2表明对于同一温度，黑面红外辐射最强，白面次之，粗糙面辐射出射度明显降低，而光亮面的热辐射很小、接近本底信号，即M黑面＞M白面＞M粗糙面＞M光亮面.针对方盒黑面作辐射出射度与温度4次方关系图（图3），满足正比关系，说明低温热辐射满足斯特藩-玻尔兹曼定律.

图2 方盒4个表面辐射出射度M与辐射表面状况和温度T的关系

图3 辐射方盒黑面辐射出射度M与T4关系

设Q为辐射到物体上的能量，Qα为物体吸收的能量，Qτ为透过物体的能量，Qρ为被反射的能量，根据能量守恒定律［1］：

3.2 辐射出射度与距离的关系

加热功率置于“5”挡，温度稳定后，显示温度389K，环境温度299K，在有刻度光学导轨上移动探测器，辐射出射度与距离平方反比关系见图4，其中距离表示以灯泡中心作为起点与探测器之间的长度，图4表明当距离大于100mm时辐射出射度M 与距离平方倒数1／x2的关系是线性的，当红外探测器离辐射面比较近即小于100mm左右时，辐射出射度偏离线性规律，这是由于距离较近时不能作为点源考虑.

图4 辐射出射度与距离平方倒数的关系

3.3 温室暖房探究

在辐射方盒与红外探测器之间插入1块玻璃，辐射出射度降至接近本底.玻璃具有透过太阳可见光的“短波太阳辅射”而不透过“长波红外热辅射”的特殊性质.一旦太阳能能够通过玻璃，被房子内的植物、土壤等吸收，而再次发出的热辐射，就不会通过玻璃，而被限制在房间内部，并加以利用.

4 结束语

利用辐射方盒和红外传感器等组成的热辐射演示仪可以直观地演示辐射出射度与温度和辐射表面颜色、粗糙度的关系，对于相同温度，黑面红外辐射最强，白面次之，粗糙面出射度明显降低，而光亮面的热辐射很小、接近本底信号.探究了低温热辐射的斯蒂藩-玻耳兹曼定律和辐射出射度与距离的平方反比关系.若在传感器前插入一块普通玻璃，红外辐射基本上不能透过，太阳可见光可以穿透玻璃，可演示温室暖房原理.

［1］秦允豪.热学［M］.3版.北京：高等教育出版社，2011.

［2］黄淑清，聂宜如，申先甲.热学教程［M］.北京：高等教育出版社，2011.

［3］张开骁，李成翠，朱卫华.《热学》课程论文在教学中的形式与作用［J］.中国校外教育（下旬），2013，（9）：116.

［4］章登宏，钟菊花，房毅，等.温度传感器在热学实验中的应用［J］.实验室研究与探索，2013，32（7）：149-152.