Studiekompasset.dkKlasse: STX 3.g · Fag: Fysik B
STX 3.g
Side 1 af 24
STX 3.g
2008
Rapport: Varmestråling
Eftervisning af Stefan-Boltzmanns lov
Anders Fogh, Jeppe Nielsen, Anders Bramming, Kaare Byskov
Side 2 af 24
Indhold
Indledning .......................................................................................................................................................... 3
Historie .............................................................................................................................................................. 4
Teori .................................................................................................................................................................. 5
Apparatur ........................................................................................................................................................... 7
Strålingsdetektor: ........................................................................................................................................... 7
Varmestrålingskube: ...................................................................................................................................... 7
Stefan Boltzmanns lampe: ............................................................................................................................. 8
Forsøg 1: Afstandsloven .................................................................................................................................... 9
Formål: .......................................................................................................................................................... 9
Teori: ............................................................................................................................................................. 9
Apparatur: ...................................................................................................................................................... 9
Udførelse: ...................................................................................................................................................... 9
Resultater: .................................................................................................................................................... 10
Delkonklusion: ............................................................................................................................................ 12
Forsøg 2: Stefan-Boltzmanns lov, høj temperatur ........................................................................................... 13
Formål: ........................................................................................................................................................ 13
Teori: ........................................................................................................................................................... 13
Apparatur: .................................................................................................................................................... 13
Udførelse: .................................................................................................................................................... 13
Resultater: .................................................................................................................................................... 13
Delkonklusion: ............................................................................................................................................ 14
Forsøg 3: Stefan-Boltzmanns lov, lav temperatur ........................................................................................... 16
Formål: ........................................................................................................................................................ 16
Teori: ........................................................................................................................................................... 16
Apparatur: .................................................................................................................................................... 16
Udførelse: .................................................................................................................................................... 16
Resultater: .................................................................................................................................................... 17
Delkonklusion: ............................................................................................................................................ 18
Konklusion ...................................................................................................................................................... 19
Litteraturliste ................................................................................................................................................... 20
Bilag 1 ............................................................................................................................................................. 21
Bilag 2 ............................................................................................................................................................. 22
Bilag 3 ............................................................................................................................................................. 23
Bilag 4 ............................................................................................................................................................. 24
Side 3 af 24
Indledning
Denne rapport vil undersøge varmestråling og de love og teorier der gælder. Ved hjælp af tre
eksperimenter vil vi undersøge og eftervise afstandsformlen og Stefan-Boltzmanns lov ved høje og
lave temperaturer. Vi vil gøre rede for historien bag opdagelsen af formlerne og fysikerne der
opdagede dem, samt lidt generel teori om varmestråling. Det apparatur vi har brugt til forsøgene har
vi desuden studeret og gjort rede for.
Rapporten indeholder 3 delforsøg, med deres tilhørende grafer. Disse forsøg vil blive konkluderet
og diskuteret og til sidst vil en sammenfattende konklusion samle op på det vi gennem forsøgene
har fundet ud af.
Side 4 af 24
Historie
Stefan-Boltzmanns lov blev først opdaget af Josef Stefan, der levede fra 1835 til 1893. Han kom fra
en familie der boede i Østrig men kom oprindelig fra Slovenien, hvor hans far var mel-møller og
bager og hans mor arbejde som en tjenestepige. Familien var stærk analfabetiske og de var ikke gift.
Men på trods af at være bundet af denne negative sociale arv, formåede han i grundskolen at vise at
han var egnet til gymnasiet. Dette blev imidlertid ikke til noget, da det ikke var lovligt for ’uægte’
børn, at blive optaget på gymnasiet. Dette gjorde hans familie dog bod på ved at blive gift, så de
kunne sikre deres søn en ordentlig skolegang.
I 1853 dimitterede han fra gymnasiet med bedste udmærkelse og var den bedste elev i klassen. Han
havde i dette stadie i hans liv mange interesser bl.a. skrev han en del slovenske digte som han
udgav, for at styrke hans nationale følelse. Men han endte med at læse fysik og matematik på
universitetet i Wien. Efter han havde fået universitetsgraden, rullede hans karriere på skinner og der
gik ikke mange år før han blev udnævnt som leder af det fysiske institut i Wien (1866). I 1879 viste
han empirisk at den totale stråling fra et sortlegeme er proportional med den absolutte temperatur
opløftet i fjerde. Dette som vi senere kender som Stefan-Boltzmanns lov.
Josef Stefan havde viet hele hans liv til videnskaben, og der var ikke megen tid tilovers til at mænge
sig socialt. Han levede næsten i hans laboratorium, hvor han kunne tilbringe flere dage i træk. Det
eneste sociale liv han havde, var gennem de elever han havde. Man kunne umiddelbart tro at han
ville være en sær videnskabsmand, som var utrolig svær at arbejde sammen med, men det var han
ikke. Hans elever har udtalt at han var yderst god til at formidle hans viden, på en måde der både
var humoristisk og indholdsrigt på samme tid.
Det skulle også senere vise sig at hans arbejde med at brede hans viden bar frugt. Det var nemlig en
af hans elever Ludvig Boltzmann der i 1884 matematisk beviste teorien om sortlegeme stråling.
Ludvig Boltzmann kom fra Østrig og hans familie var, ligesom Josef Stefan, heller ikke særligt
lærde. Hans liv var meget labilt og han oplevede op til flere gange dybe depressioner. Dette
forhindrede ham dog ikke i at levere store fysiske og matematiske præstationer, da han har leveret
mange gode bevise og teorier, der senere er blevet arbejdet videre med.
Opsummering: Stefan-Boltzmanns lov er den lov der i 1879 blev eksperimenteret af Josef Stefan
som en hypotese og i 1884 blev realiseret som Stefan-Boltzmanns lov af Ludwig Boltzmann.
Side 5 af 24
Teori
Varmestråling kaldes også for infrarød stråling. Det er fordi at, strålingen kan frembringes ved
atomers og molekylers varmebevægelser.
Varmestråling frembringes når molekyler og atomer bevæger sig i et stof på grund af stoffets
temperatur. Dele af molekylerne kan være negativt ladede imens andre er positivt ladede selv om
hele molekylet er neutralt udadtil. Når molekylerne i stoffet vibrerer på grund af
varmepåvirkningen, vil der blive udsendt elektromagnetisk stråling. For det meste vil bølgelængden
af denne stråling ligge over grænsen af det synlige spektrum, altså være infrarødt. Når stoffets
temperatur stiger, vil molekylerne vibrere hurtigere og frekvensen af varmestrålingen vil øges,
hvorved strålingens fordeling på forskellige bølgelængder forskydes mod det synlige spektrum ved
formlen
c
f
hvor lysets hastighed c, er konstant.
Figur 1 viser sammenhængen mellem intensitet og bølgelængde ved forskellige
temperaturer for en absolut sort genstand.
Varmestrålingen afhænger også af genstandens farve og materiale. Det er derfor et varmt stykke
metal vil udsende et rødligt lys. Strålingen kan også opfattes som strålingskvanter, der kan
absorberes når de rammer et andet stof og øge temperaturen af det absorberende stof. Jo bedre et
stof er til at absorbere strålingen, jo bedre vil det også kunne emittere strålingen igen. En absolut
sort genstand vil absorbere al stråling der rammer den og dermed også emittere mere stråling end
nogen anden genstand med samme temperatur. Der findes ikke absolut sorte genstande, men mange
er næsten absolut sorte, og man kan derfor benytte de forholdsvis simple love, der gælder for en
Side 6 af 24
absolut sort genstand. For en absolut sort genstand, gælder Stefan-Boltzmanns lov:
4
sort
FT

hvor T er den absolutte temperatur, F
sort
er den totale strålingseffekt pr. areal og
er Stefan-
Boltzmanns konstant
8
24
5,67 10
W
mK

. Sammenhængen er altså lineær. Varmestrålingens
intensitet er størst ved en bølgelængde der kaldes
maks
, som forskydes mod lavere værdier når
temperaturen af genstanden stiger. For en absolut sort genstand gælder Wiens forskydningslov:
.
Side 7 af 24
Apparatur
Strålingsdetektor:
Strålingsdetektoren som vi anvender i dette forsøg måler den relative intensitet af varmestrålingen
som rammer den, vha. en lille følsom termocelle. Denne giver en spænding der er proportional med
intensiteten af strålingen. Detektoren måler spændingen i bølgelængdeområdet 0,5 – 40μm, dvs. det
infrarøde område. Til at måle spændingen med benytter man detektorens bananstik og tilslutter dem
til et voltmeter. Detektoren er hængt op i et stativ, hvorpå den kan indstilles i højde med
strålingskilden. På detektoren sidder en metalring, samt en metalkappe, der beskytter termocellen
mod stråling når der ikke laves målinger. Ellers vil det resultere i temperaturændringer i termocellen
der får spændingen fra detektoren til at være ustabil. Når ringen skydes hen ad detektorens
metalkappe synliggøres termocellen af et lille hul i metalkappen og detektoren kan derved måle
strålingen. Detektoren har desuden to stænger foran som beskytter termocellen mod at komme for
tæt på strålingskilden.
Varmestrålingskube:
Varmestrålingskuben, også kaldet Leslies kube, har fire forskellige overflader på de fire sider med
hver deres varmestrålingsevne, hvoraf den hvide og den sorte er de bedste. Kuben bliver opvarmet
af en 100W pære, som kan opvarme kuben til en temperatur på ca. 120
o
C dvs. de lavere
temperaturer i dette forsøg. Kuben tilsluttes en almindelig stikkontakt på 220V og har desuden
indgang til bananstik til et ohmmeter. På omskifteren på kuben kan man desuden skrue op og ned
for spændingen over lampen. Vha. nedenstående tabel kan man ved at måle resistansen på det
tilsluttede ohmmeter finde ud af hvad temperaturen i kuben er.
Side 8 af 24
Stefan Boltzmanns lampe:
Til at måle strålingen ved høje temperaturer anvendte vi Stefan Boltzmanns lampe, som kan opnå
en temperatur på 3000
o
C. Det er dog vigtigt at spændingen over lampen aldrig kommer over 13V
og 3A, da dette kan resultere i en afbrænding af pærens glødetråd. Denne lampe har desuden
indgange til bananstik, så man kan tilslutte lampen til en strømforsyning. For Stefan Boltzmanns
lampe tilknyttes formlen:
st
st
st
RR
TT
R

Ved temperaturændringer i vores forsøg kan ovenstående ligning benyttes til at udregne tungsten-
glødetrådens temperatur, hvor T er temperaturen, R er resistansen ved temperaturen T, T
st
er
resistansen ved stuetemperatur og α er temperaturkoefficienten for glødetrådens resistivitet (
31
4,5 10 K


).
Side 9 af 24
Forsøg 1: Afstandsloven
Formål:
Formålet med denne øvelse er at undersøge afstandsloven ved varmestråling.
Teori:
Afstandsloven siger at, effekten per areal (vinkelret på strålingen) fra en punktformig strålingskilde
aftager med kvadratet på afstanden fra kilden.
Apparatur:
Strålingsdetektor, Stefan-Boltzmanns lampe, millivoltmeter, målebånd og strømforsyning.
Udførelse:
Vi startede med at opstille forsøgsopstillingen ved at forbinde strømforsyningen med Stefan-
Boltzmanns lampe, og derefter forbinde strålingsdetektoren med millivoltmeteret. Herefter lagde vi
et målebånd ud på bordet og tapede det fast så vi var sikre på at det ikke ville rykke sig under
forsøget. Så stillede vi lampen ved 0cm på målebåndet sådan at 0cm linjen flugtede lodret med
glødetråden i lampen og tapede også denne fast. Derefter justerede vi højden på vores
strålingsdetektor så højden var den samme som glødetråden og stillede denne ned til den anden
ende af målebåndet. Vi satte desuden et stykke tape på foden af strålingsdetektoren som flugtede
lodret med vinduet på detektoren, så vi kunne aflæse afstanden på målebåndet med en mindre
usikkerhed. Det var desuden smart at anbringe detektoren ved den største afstand på 1m til de første
målinger, for derefter at rykke tættere på, da vi så undgik at detektoren blev varmet op allerede
under starten af forsøget og ville give os afvigende resultater.
Vi startede med at lave målinger af omgivelsernes udstråling af varme stråling fra f.eks. radiatorer,
vinduer osv., ved at lade lampen være slukket og lave målinger med detektoren i intervaller på
10cm og så aflæse spændingen på millivoltmeteret. Disse tal skulle lægges sammen og tages
gennemsnittet af, så denne middelværdi kunne trækkes fra de tal vi fik under målingerne med
lampen tændt. Det ville give os målinger udelukkende for lampen.
Da satte vi detektoren tilbage til 1m-mærket på målebåndet igen, tændte for lampen og satte
spændingen til 10V. Derefter lavede vi målinger i intervaller, der svarer til dem opgivet i
øvelsesvejledningen og noterede spændingen ned som millivoltmeteret målte svarende til den
aktuelle afstand. Det var vigtigt at vores målinger var meget korte, dvs. lige indtil den spænding
Side 10 af 24
som millivoltmeteret viste stabiliserede sig, og derefter lukkede beskyttelseskappen ned igen eller
helt fjernede detektoren ved de mindre afstande efter ca. halvdelen af målingerne, så selve
detektoren ikke blev opvarmet for meget. Ellers ville en opvarmning af detektoren resultere i en
varmeskærm mellem detektoren og lampen og det ville give os en relativ konstant temperatur af
detektoren.
Resultater:
Gennem forsøget fik vi følgende resultater:
x (cm)
Strålingsintensitet (mV)
1/X^2 (cm^-2)
korrigeret (mV)
2,50
104,4
0,0
104,4
3,00
73,3
0,1
73,3
3,50
52,8
0,3
52,8
4,00
42,8
0,0
42,8
4,50
39,4
0,6
39,4
5,00
34,7
0,0
34,7
6,00
26
0,8
26
7,00
18,3
0,3
18,3
8,00
13,5
0,0
13,5
9,00
10,4
0,9
10,4
10,00
8,8
0,0
8,8
12,00
6,6
0,4
6,6
14,00
5,2
0,1
5,2
16,00
3,9
0,0
3,9
18,00
3,3
0,0
3,3
20,00
2,5
0,0
2,5
25,00
1,6
0,0
1,6
30,00
1
0,1
1
35,00
0,8
0,7
0,8
40,00
0,6
0,0
0,6
45,00
0,4
0,7
0,4
50,00
0,3
0,0
0,3
60,00
0,2
0,8
0,2
70,00
0,1
0,2
0,1
Som tabellen viser, har vi målt sammenhængende værdier mellem strålingsintensiteten og afstanden
fra kilden. I den tredje kolonne har vi udregnet den reciprokke værdi af x opløftet i anden. Dette vil
senere vise sig nyttigt når vi skal lave regression på dataet. I den fjerde kolonne har vi trukket
baggrundsstrålingen fra den oprindelige strålingsintensitet.
De målte data vil vi nu lave regression over, for at få eftervist afstandsloven.
Side 11 af 24
Denne graf, se bilag 1 for stor udgave, viser sammenhængen mellem den målte afstand og den
korrigerede strålingsintensitet. Vi har lavet en potensregression, da man tydeligt kan se den ikke er
lineær. Regressionskoefficienten viser at linjen gennem punkterne passer rigtigt godt. Potensen er
næsten lig med 2, og det betyder at grafen passer godt til vores teori, der sagde at effekten aftager
med kvadraten på afstanden fra kilden.
For at vise at strålingsintensiteten er proportional med
2
1
x
, laver vi nu en graf med kolonne 3 og 4:
y = 786,277406x
-1,976512
R² = 0,991243
0
20
40
60
80
100
120
140
0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00
Strålingsintensitet / mV
x / cm
Serie1
Potens (Serie1)
y = 677,02703x
R² = 0,98687
0
20
40
60
80
100
120
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18
Strålingsintensitet mV
1/x^2 cm^-2
Serie1
Lineær (Serie1)
Side 12 af 24
På denne graf har vi tvunget tendenslinjen gennem (0,0), for at få eftervist den ønskede
proportionalitet. Desuden har vi fjernet de data hvor sensoren var tættest på lampen, da sensoren
selv blev varmet op og pålagde vores forsøg en stor usikkerhed.
Men selvom tendenslinjen ikke ser helt ud til at passe, skal man tænke på at de fleste data er samlet
ved origo, og derfor ser de data, der er tættest på lampen ud til at falde uden for tendenslinjen.
Delkonklusion:
Gennem dette forsøg har vi fået eftervist at effekten eller strålingsintensiteten aftager med kvadratet
på afstanden fra lampen. Dette har vi eftervist ved at lave en række målinger og derefter lavet
regression på dataet. Her har vi opnået nogle gode regressionskoefficienter, trods de store
usikkerheder der er bundet til dette forsøg.
Side 13 af 24
Forsøg 2: Stefan-Boltzmanns lov, høj temperatur
Formål:
I dette eksperiment, laver man en relativ måling af effekten per arealenhed fra en varm
strålingskilde, nemlig Stefan-Boltzmanns lampe, ved forskellige temperaturer. Ud fra data vil man
kunne undersøge, om de er i overensstemmelse med Stefan-Boltzmanns lov.
Teori:
Stefan-Boltzmanns lov forbinder R, effekten af den udsendte stråling fra en strålingskilde per areal
enhed , med T, den absolutte temperatur af strålingskilden. Dette sammenhæng er givet ved
følgende ligning:
4
RT
hvor er givet ved
8
24
5,6703 10
W
mK
og T
4
er temperaturen opløftet i 4.
Det meste af den stråling, der udsendes fra lampen, kommer fra glødetråden i lampen. Glødetrådens
temperatur kan bestemmes ved at bruge den procedure.
Apparatur:
Strålingsdetektor, Ohmmeter, voltmeter (0-12V), Stefan-Boltzmanns lampe. Amperemeter (0-3A),
millivoltmeter termometer.
Udførelse:
Før man tænder lampen måles stuetemperaturen i kelvin og resistansen i glødetråden ved
stuetemperatur. Vi opstiller forsøget som vist på figuren nedenfor. Sensoren skal være i samme
højde som glødetråden og ca. 6 cm væk. Strømforsyningen tændes og spændingen varieres mellem
ca. 1 V og ca. 12 V. for hver spænding måles der strømstyrken på amperemeteret og
strålingsintensiteten på voltmeteret.
Mellem målingerne er det vigtigt at afskærme sensoren for varmen fra pæren med en varmeskærm,
med den sølvfarvede og reflekterende overflade mod lampen. Dette medvirker at vores resultater
bliver mere præcise, da sensoren ikke selv bliver opvarmet.
Resultater:
Gennem forsøget har vi fået
følgende resultater:
Figur 2: opstilling over forsøg
Side 14 af 24
Data
Udregninger
V (volt)
I (amp)
Rad (mV)
R (ohm)
T (K)
T^4 (K^4)
1,06
0,92
0,1
1,15217
899,509
6,54669E+11
2,03
1,15
0,4
1,76522
1338,97
3,21424E+12
3,05
1,37
1
2,22628
1669,48
7,7682E+12
4,06
1,56
2,1
2,60256
1939,22
1,41418E+13
5,02
1,73
2,8
2,90173
2153,67
2,15139E+13
6,04
1,9
3,8
3,17895
2352,39
3,06224E+13
7,02
2,06
4,9
3,40777
2516,42
4,0099E+13
8,06
2,21
6,2
3,64706
2687,96
5,22022E+13
9,06
2,34
7,6
3,87179
2849,06
6,58878E+13
10,08
2,48
9
4,06452
2987,21
7,96274E+13
11,11
2,58
10,2
4,3062
3160,46
9,97704E+13
11,96
2,69
11,6
4,4461
3260,74
1,13049E+14
Vi opstiller nu en graf der viser at varmestrålingen fra pæren er proportional med temperaturen i 4.
potens.
Som man kan se på diagrammet, også vist på bilag 3, kan man se at vi har fået en god
proportionalitetsgraf. Dette kan jeg se på regressionsligningen, der viser at den skærer næsten i
origo. Endvidere kan det underbygges med at vi har fået en god regressionskoefficient.
Delkonklusion:
Vi kan konkludere at der er en lineær sammenhæng mellem udstrålingen og temperaturen opløftet i
4. potens. Dette viser at vi har fået eftervist Stefan-Boltzmanns ved høje temperaturer. Vi har opnået
en god præcision, men de afvigelser der kan være, kan forklares ved, at da vi skulle aflæse
y = 1,02381E-13x + 4,65534E-01
R² = 9,91304E-01
0
2
4
6
8
10
12
14
0 5E+13 1E+14 1,5E+14
Rad (mV)
T^4 (K^4)
Serie1
Lineær (Serie1)
Side 15 af 24
målingerne skulle vi aflæse 3 værdier på én gang. En anden usikkerhed kan være da vi har udregnet
temperaturen har vi brugt ligningen
st
st
st
RR
TT
R

som kan være upræcis ved høje
temperaturforskelle. Men vores graf ser ud til at passe godt, så derfor mener vi ikke at det har været
noget problem.
Side 16 af 24
Forsøg 3: Stefan-Boltzmanns lov, lav temperatur
Formål:
Formålet med denne øvelse er at undersøge Stefan-Boltzmanns lov ved lav temperatur.
Teori:
I det foregående eksperiment undersøgte vi Stefan-Boltzmanns lov ved høje temperaturer. De høje
temperaturer gjorde muligt at lade være med at tage højde for den omgivelsernes varmestråling.
Men i dette forsøg, hvor vi skal undersøge loven ved lave temperaturer, bliver vi nødt til at tage
højde for varmestrålingen fra omgivelserne. Til dette forsøg anvender vi varmestrålingskuben, som
gør det muligt at undersøge Stefan-Boltzmanns lov ved lavere temperaturer.
Hvis detektoren havde temperaturen svarende til det absolutte nulpunkt, vil den give en spænding,
der var proportional med intensiteten af den stråle, der rammer den. Imidlertid er detektorens
temperatur ikke lig med det absolutte nulpunkt, derfor vil den også udsende varmestråling. Ifølge
Stefan-Boltzmanns lov udsender den en stråling med intensiteten
4
det det
RT

. Spændingen der
dannes i detektoren er proportional med den stråling, der rammer detektoren minus
strålingsniveauet, der udsendes. Detektorens spænding er proportional med
44
det detnet rad
R R R T T
. Hvis man er omhyggelig med at afskærme strålingsdetektoren fra
kuben når man ikke laver målinger, vil T
det
være meget tæt på stuetemperatur T
st
.
Apparatur:
Strålingsdetektor, millivoltmeter, termisk kube og ohmmeter.
Udførelse:
Vi stillede forsøget op ved at sætte Leslies kube til en almindelig 220V stikkontakt og desuden
tilslutte et ohmmeter til kuben. Herefter satte vi strålingsdetektoren til et millivoltmeter og
placerede den så den pegede ind på kubens hvide side, hvilken er én af de bedre strålingsoverflader
på kuben udover den sorte side. Detektoren blev placeret 3-4cm fra kuben og imellem kuben og
detektoren satte vi en varmeskærm med en speciel reflekterende side på den ene side. Denne side
vendte vi ind imod kubens hvide overflade for at reflektere mest mulig varmestråling. Før vi tændte
for kuben målte vi resistansen ved stuetemperatur og noterede denne.
Før målingerne kunne begynde skulle kuben først varmes op og dette gjorde vi ved at fjerne
varmeskærmen, samt detektoren fra kuben og indstille spændingen over pæren på det højest mulige,
Side 17 af 24
dvs. 10 på omskifteren. Derefter lod vi kuben varme op indtil resistansen på ohmmeteret havde
stabiliseret sig. Så stillede vi detektoren hen til kuben igen ved samme afstand og med
varmeskærmen imellem. Så slukkede vi for kuben og afmålte resistansen for hver gang den steg ca.
1Ω og aflæste desuden varmestrålingens spænding ved samme resistans ved at fjerne
varmeskærmen og aflæse den sammenhørende spænding med resistansen. Vi havde desuden også
skudt ringen helt frem på detektoren, så termocellen var synlig hele tiden pga. varmeskærmen som
beskyttede den. Igen lavede vi meget korte målinger for at termocellen ikke blev opvarmet særlig
meget.
Resultater:
Ud fra vores målinger fik vi følgende resultater:
Som man kan se har vi fundet temperaturen ved den tabel vi har opgivet under apparaturafsnittet.
Denne temperatur har vi brugt til at udregne
4
T
og sidenhen har vi trukket stue temperaturen fra.
data
udregninger
R (y)
Rad (mV)
temperatur
T (K)
44
/ K
k
T
4 4 4
/ K
k st
TT
3,20
19,40
118
391
161
077
4,00
17,30
110
383
721
625
5,00
15,20
103
376
376
280
6,00
13,80
97,8
370,8
054
958
7,00
12,60
92,8
365,8
757
661
8,06
11,70
88,8
361,8
033
37
9,03
10,90
85,2
358,2
836
40
10,04
10,10
81
354
856
60
11,22
9,40
79
352
216
20
12,03
9,00
77
350
000
04
13,03
8,50
74,9
347,9
404
08
14,05
8,10
72,7
345,7
182
86
15,05
7,70
70,8
343,8
218
22
16,02
7,30
69
342
296
00
17,03
7,00
67,3
340,3
261
65
18,05
6,70
65,8
338,8
236
40
19,01
6,50
63,8
336,8
804
08
20,20
6,10
63
336
816
20
21,00
5,90
60,4
333,4
519
23
23,00
5,50
58,5
331,5
610
14
25,20
5,10
57
330
000
04
27,00
4,80
54,5
327,5
164
68
29,00
4,50
52,5
325,5
475
79
Side 18 af 24
Disse data har vi plottet ind i et koordinatsystem for at eftervise at strålingens intensitet er
proportional med temperaturen opløftet i 4.
dette kan vi se der gælder, da vi har fået en lineær sammenhæng der næsten går gennem (0,0) og
ikke nok med det, vi har også opnået en meget god regressionskoefficient på 0,9994.
Delkonklusion:
Vi har nu eftervist Stefan-Boltzmanns lov ved lave temperaturer. Dette har vi gjort med en meget
god sikkerhed, selvom der ved forsøget er en del fejlkilder. Dette kan være at man ikke har været i
stand til at afskærme detektoren tilstrækkeligt eller at man ikke har fået den termiske ligevægt helt
på plads inden man startede forsøget.
y = 0,12x - 0,06
R² = 0,32
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
0 5E+09 1E+10 1,5E+10 2E+10
Rad (mV)
T^4-T(stue)^4 / (K^4)
Serie1
Lineær…
Side 19 af 24
Konklusion
Formålet med denne rapport var at undersøge og eftervise afstandsformlen og Stefan-Boltzmanns
lov. Dette har vi gjort gennem en række forsøg. Først efterviste vi afstandsformlen, at
varmestrålingen aftager med kvadratet på afstanden fra kilden. Dernæst viste vi at sammenhængen
4
sort
FT

gælder ved både høje og lave temperaturer, da der var en god lineær sammenhæng
mellem temperaturen i fjerde potens og den målte udstråling i sensoren. Alt i alt har vores data
passet godt ind i graferne og korrelationskoefficienterne har været rigtig gode, omkring 0,99.
Derfor kan vi konkludere at forsøget har været vellykket, efter vi havde fundet ud af hvordan
varmestrålingskuben fungerede.
Side 20 af 24
Litteraturliste
Fysikkens verden 2, Finn Elvekjær og Børge Degn Nielsen, Gads forlag 2. udgave 1995
Fysikkens verden 3, Finn Elvekjær og Børge Degn Nielsen, Gjellerup og Gad 1990
Instruction manual and experiment guide for the PASCO scientific model… Thermal Radiation System.
(Kompendium med forsøgsvejledninger og teori, kan findes på:
http://www.fen.bilkent.edu.tr/~butun/manuals/exp1_thermalradiation.pdf
http://en.wikipedia.org/wiki/Ludwig_Boltzmann
http://www-history.mcs.st-and.ac.uk/Biographies/Boltzmann.html
http://www-history.mcs.st-and.ac.uk/Biographies/Stefan_Josef.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Stefan-Boltzmann_law
Side 21 af 24
Bilag 1
y = 786,277406x
-1,976512
R² = 0,991243
0
20
40
60
80
100
120
140
0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00
Strålingsintensitet / mV
x / cm
Serie1
Potens (Serie1)
Side 22 af 24
Bilag 2
y = 655,21099x + 1,91907
R² = 0,99063
0
20
40
60
80
100
120
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18
Strålingsintensitet mV
1/x^2 cm^-2
Serie1
Lineær (Serie1)
Side 23 af 24
Bilag 3
y = 1,02381E-13x + 4,65534E-01
R² = 9,91304E-01
0
2
4
6
8
10
12
14
0 5E+13 1E+14 1,5E+14
Rad (mV)
T^4 (K^4)
Serie1
Lineær (Serie1)
Side 24 af 24
Bilag 4
y = 0,12x - 0,06
R² = 0,32
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
0 5E+09 1E+10 1,5E+10 2E+10
Rad (mV)
K^4
Serie1
Lineær (Serie1)