Ottica - LD Didactic
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1. 0706 Wit A N a L LEYBOLD ra Ottica Intensit luminosa Leggi della radiazione LEYBOLD Schede di fisica Obiettivi dell esperimento Legge di Stefan Boltzmann misura dell intensit di radiazione di un corpo nero in funzione della temperatura BM Misurare l intensit di radiazione emessa da un corpo nero riscaldato in un forno elettrico nell intervallo di temperatura 300 750 K utilizzando la termopila di Moll E Rappresentare graficamente la relazione tra l intensit di radiazione e la temperatura assoluta per confermare la legge di Stefan Boltzmann Principio fisico Tutti i corpi emettono calore L energia termica corrisponden te genera radiazioni elettromagnetiche la cui intensit dipen de dalla superficie del corpo ed aumenta con la temperatura A parit di lunghezza d onda ad una maggiore quantit di calore che un corpo in grado di irradiare corrisponde anche un maggiore potere assorbente Un corpo in grado di assorbire completamente e trasformare in calore radiazioni di qualsiasi lunghezza d onda viene chia mato corpo nero E stato Kirchhoff che per primo ha propo sto un corpo nero virtualmente ideale utilizzando una cavit Ad una determinata temperatura e ad una data lunghezza d onda il corpo nero possiede contemporaneamente il pi elevato potere di emissione e di assorbimento La legge di Stefan Boltzmann stabilisce che la radiazione totale emessa2. ate alla quarta potenza Secondo quanto previsto dalla legge di Stefan Boltzmann l andamen to ottenuto risulta con buona approssimazione lineare Os servando il diagramma con attenzione si nota una leggera deviazione dall andamento perfettamente lineare ci dovu to alle seguenti cause la misura eseguita con la termopila risente delle perdite per convezione ed irraggiamento verso l ambiente esterno in modo particolare quando si toglie la finestrella di protezione in vetro Inoltre possibile che al l aumentare della temperatura del forno aumenti anche la temperatura dei punti che forniscono alla termopila la condi zione di riferimento LEYBOLD S p A Divisione Didattica Via Trasimeno 8 20128 Milano Resp di Divisione 02 27223215 Ufficio Commerciale 02 27223216 Servizio Tecnico 02 27223207 Fax 02 27203037 E mail leybold didattica leybolad it http www leybold it
3. da un corpo nero aumenta proporzionalmente alla quarta potenza della temperatura assoluta T Pi preci samente la radiazione M prodotta cio la potenza totale irradiata dall unit di superficie data da M 07 1 8 W 4 0 5 67 10 n costante di Stefan Boltzmann In modo analogo il corpo nero assorbe dallambiente circo stante la stessa energia che in grado di emettere Per questo motivo una misura non tiene conto della radiazione totale M emessa ma piuttosto dell energia M sottratta al corpo nero per radiazione La radiazione che il corpo assor be dall ambiente circostante data da Mo oT I Quindi si deduce che M o 74 7 111 In questo esperimento per realizzare il corpo nero si utiliz za un forno elettrico ed un apposito accessorio Tale acces sorio consiste in un cilindro di ottone brunito e di uno scher mo Il cilindro di ottone chiuso ad un estremo va inserito nel forno elettrico dove viene riscaldato alla temperatura desiderata Lo schermo che eventualmente pu essere raf freddato ad acqua va collocato di fronte al forno elettrico in modo da misurare soltanto le radiazioni termiche emesse dal cilindro brunito ed eliminare gli effetti dovuti alle pareti calde del forno Per misurare la temperatura del cilindro di ottone si utilizza un sensore di temperatura NiCr Ni La radiazione termica viene misurata con una termopila di Moll collegata ad un microvoltmetro La termopila contiene un cer
4. di misura con del cartone In caso di necessit lavorare in ambienti al buio Le radiazioni di disturbo possono essere causate da radiazioni dirette del corpo caldo sulla termopila radiazioni riflesse su una superficie per esempio la luce colorata degli indumenti radiatori luce solare ed altre sorgenti luminose Norme di sicurezza C il pericolo di scottature le pareti del forno elet trico possono superare i 200 C E Fare attenzione a non procurarsi delle scottature con il forno elettrico durante il riscaldamento MB Utilizzare il forno elettrico solo dopo averlo fissato agli appositi supporti BM Leggere con attenzione le istruzioni d uso del forno elettrico ed osservarle scrupolosamente L acqua penetrando nel motore della pompa ad im mersione pu provocare un corto circuito MB La profondit dell immersione non deve superare i 17 cm E Asciugare l estremit della pompa ad immersione dopo il funzionamento BM Leggere con attenzione le istruzioni d uso della pompa ad immersione ed osservarle scrupolosamente Lasciare scaldare il microvoltmetro per almeno 10 minuti pri ma di iniziare l esperimento Alimentare il microvoltmetro chiudendo l interruttore che si trova sul pannello posteriore dello strumento La Fig 1 mostra la disposizione delle apparecchiature utiliz zate per l esperimento Quando si utilizza l acqua di raffreddamento Collegare il tubo al silicone alla pompa ad immersione
5. ed allo schermo in modo da fa entrare l acqua dal connettore inferiore dello schermo e farla uscire dal connettore supe riore Riempire d acqua il recipiente ed agganciare la pompa ad immersione al bordo del recipiente con l apposito morsetto di fissaggio facendo in modo che l apertura d immissione sia completamente sommersa e che il livello d immersio ne non sia superiore a 17 cm vedere Fig 2 per una ulteriore possibilit di montaggio fare riferimento al Fo glio Istruzioni Fase successiva Disporre il forno elettrico lo schermo l accessorio per il corpo nero e la termopila come indicato in Fig 1 facendo in modo che l asta di sostegno della termopila si trovi a circa 15 cm di distanza dall apertura del forno elettrico Lo schermo dell accessorio per il corpo nero va collocato a circa 5 10 mm dal forno elettrico la parte metallica deve essere rivolta verso la termopila Nota La finestrella di protezione in vetro della termopila assorbe maggiormente le radiazioni con lunghezza d onda maggiore e questo altera sistematicamente la misura dell intensit di ra diazione al variare della temperatura Togliere la finestrella di protezione in vetro della termopila Collegare il termometro digitale al sensore di temperatura NiCr Ni ed inserirlo completamente nel piccolo foro cen trale del cilindro di ottone brunito Posizionare il sensore di temperatura con la pinza univer sale e chiudere l
6. interruttore di alimentazione del termo metro digitale campo di misura gt 200 C Allineare le aperture del forno elettrico lo schermo l ac cessorio per il corpo nero e la termopila in modo che il calore irradiato possa incidere direttamente sull apertura della termopila Se si utilizza il raffreddamento ad acqua chiudere l inter ruttore della pompa ad immersione Collegare la termopila al microvoltmetro come mostrato in Fig 1 campo di misura 1074 V collegare la boccola rossa della termopila alla boccola rossa del microvoltmetro Regolare l offset pigiando il tasto auto comp eventual mente eseguire la regolazione fine con il potenziometro di azzeramento del display digitale vedere il Foglio Istruzio ni del microvoltmetro LEYBOLD Schede di fisica P5 5 2 1 Fig 1 Esperimento per la verifica della legge di Stefan e Boltzmann sulla radiazione La posizione dei morsetti Leybold sono riferiti all estremo di sinistra del banco ottico Fig 2 Esempio di montaggio della pompa ad immersione nel recipiente d acqua Esecuzione dell esperimento Prima fase Misurare la temperatura del cilindro di ottone ed il valore iniziale della tensione di uscita U della termopila riportare questi valori nella tabella Seconda fase Chiudere l interruttore del forno elettrico aumentare la temperatura e ad intervalli di 25 C riportare nella tabel la i valo
7. ri di ed U ottenuti dalla misura Quando la temperatura ha raggiunto un valore compreso tra 400 C e 500 C Aprire l interruttore di alimentazione del forno elettrico diminuire la temperatura e ad intervalli di 25 C riportare nella tabella i valori di ed U ottenuti dalla misura Quando la temperatura ha raggiunto un valore compreso tra 100 C e la temperatura ambiente togliere il sensore di temperatura dal forno elettrico misurare la temperatu ra ambiente e riportare questo valore nella tabella Schermare la termopila con del cartone verificare l azzeramento del voltmetro e riportare questo valore nella tabella P5 5 2 1 LEYBOLD Schede di fisica Esempio di misura e valutazione dei risultati Tabella 1 Risultati della misura durante il riscaldamento ed il raffreddamento 325 598 12 01 250 246 350 623 14 29 293 290 375 648 16 85 342 338 400 673 19 74 395 392 425 698 22 96 453 450 450 723 26 55 517 517 La Li e __l 0 10 20 a pa K4 Fig 3 Diagramma della tensione di uscita U in funzione di T T Ai cerchietti corrispondono i valori ottenuti durante il riscaldamento ai triangoli i valori ottenuti durante il raffreddamento La Fig 3 mostra la tensione d uscita U della termopila in funzione della differenza tra la temperatura assoluta T all in terno del forno ed il valore assoluto T della temperatura ambiente entrambe elev
8. to numero di termocoppie collegate in serie La misura tiene conto dei punti sui quali viene dissipata quasi comple tamente la radiazione incidente avendo come riferimento i punti che si trovano alla temperatura ambiente In questo modo dall uscita della termopila si preleva una tensione pro porzionale alla radiazione emessa M P5 5 2 1 LEYBOLD Schede di fisica Apparecchiature 1 Forno elettrico 230 V 555 81 1 Accessorio per il corpo nero 389 43 1 Supporto per forno elettrico 555 84 1 Termometro digitale con un ingresso 666 190 1 Sensore di temperatura NiCr Ni 666 193 1 Termopila di Moll 557 36 1 Microvoltmetro 532 13 1 Piccolo banco ottico 460 43 1 Piede di appoggio a V grande 300 01 4 Morsetti Leybold 301 01 1 Pinza universale 666 555 Cavetti di collegamento Si raccomanda inoltre 1 Pompa ad immersione per liquidi 306 98 2 Tubi al silicone 7 x 1 5 mm 1m 667 194 1 Recipiente d acqua circa 10 Configurazione del sistema di misura Note L intensit della radiazione molto piccola per questo motivo il risultato della misura dipende molto dai disturbi ambientali Durante la misura la termopila non va mai toccata con le mani Non lavorare chinato sopra la termopila e soprattutto non mettersi di fronte ad essa Durante l esperimento evitare correnti d aria e variazioni della temperatura ambiente Evitare l interferenza di radiazioni esterne eventualmente schermare il sistema
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