基于Pasco的低溫?zé)崆惠椛鋵?shí)驗(yàn)的探究

吳夏芝 劉曉偉

摘 要：Leslie輻射源是PASCO熱腔輻射實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)熱源裝置，它是一個(gè)具有四個(gè)不同側(cè)面的鋁質(zhì)正方體。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了Leslie輻射源不同側(cè)面紅外輻射量強(qiáng)度的關(guān)系，證實(shí)了熱腔輻射紅外光強(qiáng)可以在短距離內(nèi)聚集的結(jié)論。同時(shí)對(duì)四個(gè)側(cè)面的可見(jiàn)光的反射與吸收現(xiàn)象做了研究，得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論有較好的吻合。并對(duì)峰值光強(qiáng)出現(xiàn)的位置和溫度的關(guān)系做了進(jìn)一步的探究。使得這些對(duì)熱腔輻射實(shí)驗(yàn)具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：Leslie輻射源; 輻射光強(qiáng)度; 熱腔; 可見(jiàn)光

中圖分類(lèi)號(hào)：O4-33? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1006-3315（2019）05-197-001

1.引言

本熱腔輻射實(shí)驗(yàn)采用的是美國(guó)PASCO公司生產(chǎn)的以傳感器為數(shù)據(jù)采集，以電腦軟件為數(shù)據(jù)處理的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)控制各種傳感器，能夠?qū)崟r(shí)采集實(shí)驗(yàn)中各種變化的物理量;數(shù)據(jù)采集處理軟件有中英文版本，并且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的顯示和處理功能強(qiáng)大;而且不同類(lèi)型的配件套組可拆卸搭配組合，十分適合開(kāi)設(shè)綜合性、創(chuàng)新性、設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)的需要。

2.Leslie輻射源的結(jié)構(gòu)

Leslie輻射源為一個(gè)鋁質(zhì)正方體，四面分別為黑面、白面、拋光面、帶有熱腔的粗糙面，其中鋁質(zhì)正方體中央開(kāi)了一個(gè)約Φ 15mm的柱腔，并且在粗糙面上開(kāi)了一個(gè)5mm×10mm的小孔。正方體下方通過(guò)外插電源線和850一號(hào)端口連接的熱敏電阻相連，控制電腦PASCO軟件中的信號(hào)發(fā)生器模塊，使之處于開(kāi)關(guān)打開(kāi)（或者是自動(dòng)狀態(tài)），控制850內(nèi)自帶的直流電壓傳感器，使之達(dá)到電壓10V為最大，相應(yīng)加熱溫度可達(dá)90℃，7V可達(dá)70℃，5V可達(dá)40℃左右，并使溫度一度穩(wěn)定以便進(jìn)行測(cè)量，熱敏電阻可以直接用來(lái)測(cè)量達(dá)到的溫度。

3.實(shí)驗(yàn)測(cè)量和分析

3.1加熱鋁質(zhì)四方體四個(gè)不同側(cè)面的紅外輻射情況

將裝有轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器的線性運(yùn)動(dòng)附件安置在60CM導(dǎo)軌基座的一端，將安裝了光闌底架的紅外光傳感器插于轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器上的夾槽中。將熱輻射實(shí)驗(yàn)裝置（Leslie輻射源）安裝在導(dǎo)軌上，并使之靠近光闌大約1CM左右的距離，光闌選用4號(hào)狹縫。最后，調(diào)整紅外光傳感器的高度，使之與腔體熱輻射實(shí)驗(yàn)儀上腔體中心高度相匹配。等待15分鐘左右，使溫度穩(wěn)定在60.5℃，后旋轉(zhuǎn)鋁質(zhì)四方體，使之四個(gè)不同的側(cè)面分別面對(duì)紅外光傳感器，推動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器帶動(dòng)紅外光感應(yīng)器可以沿著線性運(yùn)動(dòng)附件方向掃描過(guò)立方體的一個(gè)側(cè)面，比較不同側(cè)面的紅外輻射情況。

縱坐標(biāo)表示紅外光傳感器測(cè)量的光強(qiáng)大?。?），由于是在暗室中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，所以光強(qiáng)為負(fù)值，但這并不影響我們觀察幾個(gè)側(cè)面的圖像。橫坐標(biāo)表示紅外光傳感器沿著線性運(yùn)動(dòng)附件方向掃描過(guò)立方體的一個(gè)側(cè)面的相對(duì)位置（m），在相同溫度下，鋁質(zhì)四方體四個(gè)不同側(cè)面的紅外光強(qiáng)的比較中，黑面的熱輻射量最大，而且覆蓋面積較寬，白面次之，拋光鋁面最小，其中當(dāng)掃描過(guò)磨砂鋁面（帶有熱腔）時(shí)，熱輻射在此處快速聚集并達(dá)到極大值，可以明顯看出，熱輻射在有熱腔的一個(gè)很小的區(qū)域內(nèi)有聚集效應(yīng)。

3.2鋁質(zhì)四方體四個(gè)不同側(cè)面的可見(jiàn)光反射的情況

將紅外光傳感器取下?lián)Q成可見(jiàn)光傳感器，本實(shí)驗(yàn)可以在室內(nèi)開(kāi)燈時(shí)完成。盡管如此，要保證沒(méi)有窗戶或其他的光源正對(duì)著可見(jiàn)光傳感器，通過(guò)比較不同側(cè)面的對(duì)可見(jiàn)光的反射情況，掃描可見(jiàn)光譜可以證實(shí)小孔吸收可見(jiàn)光，比周?chē)鷤?cè)面更暗。同時(shí)還可以比較不同顏色的表面對(duì)可見(jiàn)光的反射強(qiáng)度情況。

在相同溫度下，鋁質(zhì)四方腔體四個(gè)不同側(cè)面對(duì)可見(jiàn)光的反射強(qiáng)度的比較中，黑面對(duì)可見(jiàn)光的反射最弱，大部分可見(jiàn)光都被黑面吸收掉了，可見(jiàn)光強(qiáng)度只占原來(lái)的40%左右，而且這部分面積較寬，白面和拋光鋁面幾乎完全反射可見(jiàn)光，它們的可見(jiàn)光相對(duì)光強(qiáng)度是100%，而當(dāng)掃描過(guò)磨砂鋁面（帶有熱腔）時(shí)，熱腔和黑面性質(zhì)基本一致，對(duì)可見(jiàn)光的反射強(qiáng)度相對(duì)較弱，其中在腔體部分更弱，并且呈現(xiàn)出一個(gè)短距離內(nèi)聚集的效應(yīng)，從而說(shuō)明熱腔部分對(duì)可見(jiàn)光的吸收能力也是很強(qiáng)的。

3.3具體溫度下達(dá)到峰值光強(qiáng)度和位置關(guān)系

讓帶有紅外傳感器的線性掃描裝置掃描過(guò)熱腔，在40℃，70℃和90℃的溫度下每升高0.5℃各比較了10次出現(xiàn)最大峰值的紅外光強(qiáng)的位置，綜合30次的峰值光強(qiáng)出現(xiàn)的位置，可以看出40℃-70℃之間，出現(xiàn)峰值紅外光強(qiáng)的位置比較接近，當(dāng)溫度達(dá)到90℃以上時(shí)，出現(xiàn)峰值光強(qiáng)的位置相距較遠(yuǎn)，由此推斷熱腔部分在不同溫度下不同的位置熱輻射的強(qiáng)度是不一樣的。

4.總結(jié)

通過(guò)對(duì)熱腔輻射實(shí)驗(yàn)中加熱Leslie輻射源的四個(gè)側(cè)面的表面特性、溫度、相對(duì)位置等主要影響因素的研究，發(fā)現(xiàn)在相同溫度下，鋁四方腔體四個(gè)不同側(cè)面在紅外光強(qiáng)的比較中，黑面的熱輻射量最大而寬，白面次之，拋光鋁面最小，其中的洞磨砂鋁面的中心有一個(gè)小洞（俗稱(chēng)熱腔），熱輻射在此處聚集并達(dá)到極大值;在對(duì)可見(jiàn)光的反射實(shí)驗(yàn)中可以看出情況正好相反，黑體和熱腔幾乎具有相似的性質(zhì)，它們是對(duì)可見(jiàn)光完美的吸收體，從而證實(shí)了一個(gè)完美的吸收體同時(shí)也是完美的輻射體的結(jié)論。熱源呈對(duì)稱(chēng)的幾何形狀時(shí)，其掃描過(guò)整個(gè)熱源區(qū)域的熱輻射曲線也相對(duì)其中心位置呈對(duì)稱(chēng)分布，并且在溫度升高時(shí)，出現(xiàn)峰值光強(qiáng)的位置較低溫時(shí)遠(yuǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]丁林超.低溫標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源用熱管溫度均勻性研究[D]中國(guó)科學(xué)院研究生院（工程熱物理研究所），2016

[2]陳昱卓，王景輝，張喜和等.氟利昂熱管黑體輻射源性能實(shí)驗(yàn)研究[J]工業(yè)計(jì)量，2016（6）：56-59

[3]趙億坤，王景輝，原遵東等.低溫標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源的性能研究[J]計(jì)量學(xué)報(bào)，2017，38（5）