近代物理学中重大发现的再探索连载——热辐射规律的探究

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1、第29卷第6期大学物理Vo1．29No．62010年6月COLLEGEPHYSICSJune2010《近代物理学中重大发现的再探索》连载①——热辐射规律的探究倪致祥(阜阳师范学院物理与电子科学学院，安微阜阳236041)摘要：以热辐射的经验公式为例，用重新探索的方式来叙述这个物理学史中重大发现所经历的探究过程，具体介绍科学创新的思想和方法，以及相应的数学物理工具，促进大学生创新能力的培养．关键词：物理学史；发现；热辐射中图分类号：O4-09；O413文献标识码：A文章编号：1000—0712(2010)0

2、6—0058—08利的热辐射计进行了不断的改进，能够测出强度非1背景与问题常微弱的热辐射．生命离不开能量传递．从物理学的角度说，做功实验表明，不同材料或表面状态的物体，其辐出与传热是能量传递的基本形式，传热的方式有3种：度也不相同．例如，对钢铁辐出度的测量结果如表1传导、对流和辐射．物体间通过直接接触进行传热的所示．方式称为传导，通过介质流动进行传热的方式称为表1钢铁辐出度肘(单位：kW·m)对流，高温物体直接向外放热的方式称为辐射．热辐射不需要直接接触，不需要任何介质，在真空中也可以传递，太阳向地球辐射

3、光能就是最典型的例子．热辐射现象与人类的生存息息相关，掌握其规律具有重要的意义．实践是认识真理的基本途径，探究热辐射现象背后的规律，应该从实验出发．我们加热一个铁块，最初只能感觉到它在发热．当温度上升到500oC以上，它就变成红色，开始辐射可见光线事物都是一分为二的，一方面物体由于具有温(即电磁波)．随着温度不断上升，光线的颜色就变度会发出热辐射，另一方面物体表面在受到热辐射成橙色，再变成白色，其辐射也越来越强．加热其他时，会发生反射、透射和吸收等现象．由于能量守恒，物体也有类似的现象⋯．物体反射、透射和

4、吸收的能量等于辐射到其表面的为了定量描述物体热辐射的能力，我们把一定能量．我们可以用吸收的能量与输入的能量之比来温度下，单位时间内从物体表面单位面积上所辐射描述物体吸收热辐射的能力，称为吸收率，记为n．出来的电磁波能量称为该物体的辐出度，记为，国同样也可以定义物体对热辐射的反射率r与透射率际单位制单位为W·m～．显然，辐出度是温度的t，它们与吸收率之间满足关系函数，通常写成(T)．1830年，意大利的诺比利(L．Nobili，1784一l835年)利用新发现的温差电效应发a+r+t=1(1a)明了热辐射测

5、量仪．1881年，美国物理学家兰利(s．显然，对于不透明的物体，其透射率t=0．为了P．Langley。1834-1906年)发明了热辐射计，可以简化讨论，以下我们只考虑这种情况．这时，上面的灵敏地测量出物体所辐射的能量．后来，人们又对兰关系成为收稿日期：2009—06—17；修回日期：2009—12—21基金项目：安徽省教学改革示范专业和教育部高等学校特色专业建设点项目资助作者简介：倪致祥(1955一)，男，上海市人，阜阳师范学院物理与电子科学学院教授，主要研究方向为理论物理第6期倪致祥：《近代物理学中

6、重大发现的再探索》连载①59a+r=1(1b)设单位时间辐射到某物体单位表面上的能量为。由上式，只要知道了物体的吸收率，就可以求出其反(T)，被物体吸收的能量为a()。()．在热平衡条射率．件下，它应该等于该物体的辐出度(T)，即人们的日常经验表明，物体的吸收率与其表面a()M。(T)=M(T)(2)性质有关：光滑反光的表面吸收率低，粗糙深色的表虽然辐出度与吸收率都随着物体的不同而变面吸收率高．例如，生活中使用的镜子的吸收率只有化，但是平衡辐射强度。()却与被辐射的物体无1％，而碳黑的吸收率高达99％．我

7、们把能完全吸收关．这说明物体辐出度与吸收率之比()／n(T)=外来辐射的物体称为黑体，其辐出度记为()．黑。()不受物体本身性质的影响，反映了所有被辐体的吸收率a：1，而实际物体的吸收率总是小于1射物体的共同性质，这个结果称为基尔霍夫辐射定的，因此黑体只是一个理想的概念．律．定律表明，同样的温度下，吸收本领大的物体，其更细致的实验测量表明：同样材料不同表面状发射本领也大．态的物体，其吸收率不同(见表2)；同样表面状态不在式(2)中取a(T)=1，即把黑体作为被辐射的同材料的物体，其吸收率也不同(见表3)．

8、物体，得到()=M()，这表明热平衡时，外面表2不同表面状态下电解铜的太阳光吸收率来的辐射强度等于黑体的辐出度．基尔霍夫辐射定律成为(T)／a(T)=M()(3)黑体的辐出度反映了所有辐射物体的共同性质，引起了物理学家的特别重视．表3不同材料的抛光表面的太阳光吸收率可是，黑体是一个理想的物体，实际上不存在．碳黑的吸收率达到99％，一般情况下可以近似地看成黑体，但是对于热辐射问题的定量研究，用碳黑当成黑体来做实验，误差还是太大．