Загальна інформація
Застосування
Рис. 1: установка досліду
Теплове випромінювання - це один зі способів теплопередачі, так само як теплопровідність і конвекція. Тепло передається електромагнітними хвилями. Поглинання теплового випромінювання залежить від стану поверхні тіла.
Тому влітку люди охоче носять світлий одяг, щоб поглинати менше теплового випромінювання Сонця. Для цистерн чи рефрижераторів вибирають світлі й гладкі поверхні, щоб вони не так сильно нагрівалися.
Інша інформація (1/2)
Попередні знання
Учні мають володіти попередніми знаннями про теплове випромінювання. Учні мають також знати, які чинники можуть впливати на поглинання теплового випромінювання
Принцип
Є три види теплопередачі, якими теплова енергія передається від гарячого тіла до холоднішого. Для теплопровідності й конвекції потрібна речовина, за допомогою якої відбувається це перенесення. Тепловому випромінюванню речовина не потрібна. Так само й із випромінюванням Сонця, яке доходить до нас крізь космос. Скільки енергії поглинає предмет, залежить від кольору його поверхні.
Інша інформація (2/2)
Навчальна мета
У досліді «Теплопровідність у воді» (P1429400) вже досліджували теплопровідність води, причому за перенесення тепла відповідала вода. У цьому досліді тепер досліджують вплив теплового випромінювання на перенесення тепла. Можна буде спостерігати, що чорні тіла нагріваються значно швидше за білі.
Завдання
У цьому досліді учні мають порівняти температуру чорних і білих тіл, щоб точніше зрозуміти поглинання теплового випромінювання.
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Теорія
Для теплового випромінювання речовина не потрібна. Теплове випромінювання потрапляє на поверхню тіла і залежно від кольору й стану поверхні відбивається, поглинається або проходить крізь тіло.
Поглинання теплового випромінювання залежить:
- від речовини, з якої складається тіло,
- від товщини шару тіла і
- від стану поверхні тіла.
Темні поверхні поглинають теплове випромінювання краще за світлі. Світлі поверхні відбивають теплове випромінювання сильніше за темні.
Обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Магнітна демонстраційна дошка PHYWE зі штативом, демо з фізики | 02150-00 | 1 |
| 2 | Затискний тримач, d = 28..36 мм, магнітний | 02151-06 | 2 |
| 3 | Тримач із затискачем для демонстраційної дошки | 02164-00 | 2 |
| 4 | Штативний стрижень, нерж. ст., l=500 мм | 02032-00 | 1 |
| 5 | Фетр, листовий, 100x100 мм | 04404-20 | 2 |
| 6 | Ламповий патрон E27, з відбивачем, перемикачем, запобіжником | 06751-01 | 1 |
| 7 | Лампа розжарювання з рефлектором, 230 В/ 120 Вт | 06759-93 | 1 |
| 8 | Пробірка, Duran®, d = 30 мм, l = 200 мм, чорна, SB 29 | 36294-06 | 1 |
| 9 | Пробірка, Duran®, d = 30 мм, l = 200 мм, біла, SB 29 | 36294-05 | 1 |
| 10 | Мензурка, низька, 250 мл, пластмаса | 36013-01 | 1 |
| 11 | Мірний циліндр, 100 мл | 36629-00 | 1 |
| 12 | Занурювальний зонд, NiCr-Ni, нержавіюча сталь, -50...400°C | 13615-03 | 2 |
| 13 | Струбцина | 02014-01 | 2 |
| 14 | Демонстраційний універсальний вимірювальний прилад, ADM3 | 13840-00 | 2 |
Складання та виконання
Складання (1/3)
Рис. 2: Обладнання
1. З'єднай штекер давача температури з ADM 3.
2. Закріпи давач температури на магнітній дошці за допомогою магнітного тримача і ввімкни його вимикачем живлення.
3. Закріпи біля нижнього краю демонстраційної дошки муфту на тримачі по центру.
4. Встав штативний стрижень 500 мм так, щоб він повністю виступав уперед.
Збирання (2/3)
Складання (2/3)
Рис. 3: схема досліду
5. Закріпи на кінці штативного стрижня патрон із рефлекторною лампою так, щоб він освітлював ділянку в нижній третині дошки.
6. Постав тепер магнітні тримачі спершу посередині дошки.
7. Для теплоізоляції обмотай чорну і білу пробірки у верхній частині (місце під корок) кожну повстяною пластиною і встав їх у тримачі.
Збирання (3/3)
Складання (3/3)
8. Пересунь тепер тримачі з пробірками так, щоб у досліді нижня половина пробірок була добре освітлена, але лампу для перевірки вмикай лише ненадовго!
9. Вирівняй обидві пробірки якомога однаково (середня відстань лампа - пробірка, напр. близько 15 см; за більшої відстані зміна температури слабшає). За потреби вирівняй і лампу за допомогою штативного стрижня.
Рис. 4: Схема досліду
Виконання (1/3)
Рис. 5
1. Наповни склянку на 250 мл водою кімнатної температури. Вона слугує запасною посудиною і має постояти вже деякий час до досліду, щоб гарантувати кімнатну температуру.
2. Відміряй тепер мірним циліндром по 50 мл води і налий її в обидві пробірки.
3. Занур тепер давачі температури в обидві пробірки. За певних обставин має сенс затиснути давачі температури в тримачі. Так забезпечують, щоб давач температури не впирався в стінку пробірки і не вимірював таким чином температуру стінки, а не води.
Виконання (2/3)
4. Обережно перемішай воду давачами температури і виміряй початкову температуру води та внеси її в таблицю при часі t = 0 хв.
5. Увімкни тепер одночасно світло і секундомір.
6. Регулярно перемішуй воду і щохвилини вимірюй та записуй температури води і .
7. Заверши вимірювання через 10 хвилин.
Виконання (3/3)
Примітка
Температури води можна вимірювати і з більшими проміжками часу, що особливо доречно за більших відстаней лампа - пробірка. Тоді вимірювання можна виконувати й довше. Важливо регулярно добре перемішувати, бо інакше пробірки тепліші за воду і результати вимірювання виходять неточними.
Протокол
Результати вимірювань
| t [хв] | [°C] | [°C] | [°C] | [°C] |
| 0 | 22,0 | 22,0 | 0 | 0 |
| 1 | 23,4 | 22,8 | 1,4 | 0,8 |
| 2 | 24,5 | 23,7 | 2,5 | 1,7 |
| 3 | 26,0 | 24,3 | 4,0 | 2,3 |
| 4 | 27,1 | 25,0 | 5,1 | 3,0 |
| 5 | 28,5 | 25,7 | 6,5 | 3,7 |
| 6 | 29,8 | 26,4 | 7,8 | 4,4 |
| 7 | 31,1 | 27,0 | 9,1 | 5,0 |
| 8 | 32,1 | 27,9 | 10,1 | 5,9 |
| 9 | 33,2 | 28,6 | 11,2 | 6,6 |
| 10 | 34,3 | 29,4 | 12,3 | 7,4 |
Приклад серії вимірювань наведено в таблиці 1. Для при цьому справджується
Таблиця 1: Приклад виміряних значень
Опрацювання результатів (1/2)
Виміряні значення чітко показують, що світлом (тепловим випромінюванням) лампи розжарення можна нагрівати предмети. Між підвищенням температури і часом існує лінійна залежність (пор. рис. 6).
Якщо розглянути при цьому різницю температур між виміряним значенням і початковою температурою, впадає в око, що через 10 хв різниця для чорної пробірки помітно більша, ніж для білої.
Рис. 6: Поглинання теплового випромінювання: вимірювання температури при нагріванні 50 мл води в чорній і білій пробірках
Опрацювання результатів (2/2)
Це видно й на графічному відкладанні виміряних значень проти часу, як на рис. 6. Виміряні значення лежать кожні на своїй прямій, причому пряма для чорної пробірки має більший нахил, тобто йде крутіше.
Звідси можна зробити висновок, що тіла з темною поверхнею помітно краще поглинають теплове випромінювання, ніж тіло зі світлою поверхнею.
Зауваження
1. Результати вимірювань дуже сильно залежать від орієнтації обох пробірок відносно лампи. За великих відстаней до лампи нагрівання помітно менше.
2. Тепловим випромінюванням називають інфрачервону ділянку спектра, довжина хвилі якої більша за видиме світло. У досліді замість теплового випромінювача (04036.93) використовують лампу розжарення, щоб зробити освітлення пробірок видимим для учнів. Світло лампи розжарення поряд із видимим світлом має велику частку в інфрачервоній ділянці.
Завдання
Питання