新型热辐射实验装置的设计与应用

中图分类号：G633.7 文献标识码：A

传热作为物理学的一个核心领域，其重要性不容忽视。传热主要涉及三种机制：传导、对流和辐射。其中，热辐射与其他两者存在显著区别，它不依赖于物质媒介，而是通过电磁波的形式进行能量传递。而热辐射在中学物理教学中存在一定的空白。很多学生只能通过理论学习，缺乏直观的实验体验来加深对热辐射原理的理解。本研究着力于解决这一问题，通过搭建实验装置，验证了热辐射的相关规律，为中学教学提供了一个方便的教学工具，使学生能够更加直观、深入地理解热辐射的原理和应用。

1高中热辐射内容教学的困难

高中教材（2019年人教版选择性必修三）在与热辐射有关的一节内容中只简单说明了黑体及黑体辐射的概念，并介绍了普朗克黑体理论公式的发现历程以及能量子的概念。而经调查访问发现，大部分学生在学习完这一节后往往感到抽象，难以理解热辐射的一些相关性质。对于这一问题有以下几点原因：

（1）由于热辐射在高中不是高考重点考查的文章编号：1003-6148（2025）4-0058-5内容，教师在教授这一节时常常一笔带过，学生对该内容也不够重视，所以出现不理解的现象。

（2）热辐射这一内容，教科书上并没有具体的实验来定性或定量地验证相关的实验规律。即使热辐射与生活很贴近，学生学习起来仍会感到抽象、晦涩难懂。

（3）学生在学习热辐射的过程中，并未了解一些更直观的热辐射规律，如四次方定律、平方反比定律，只了解普朗克黑体辐射定律，不能帮助其理解热辐射的一些性质。

鉴于此，笔者自主搭建了一套基于人工黑体炉的新型热辐射实验仪，可以进行热辐射规律的验证，能更好地完成热辐射教学，进一步提升学生的综合素质。

2 实验原理

2.1 普朗克定律

本实验基于普朗克定律，描述了任何物体在一定温度下以电磁波形式发射热辐射能量。对于绝对温度为 T 的黑体，单位表面积在波长附近向半球空间辐射的光谱辐射出射度

收稿日期：2025-02-27

基金项目：教育部产学协同育人项目“热辐射实验仪器及教学内容的设计与开发"（240900532195200）;重庆市中小学创新人才培养工程项目计划研究项目“基于人工黑体炉的新型热辐射实验仪的设计与开发"（CY240211）；西南大学实验技术研究项目“基于人工黑体炉的新型热辐射实验仪的设计与开发"（SYJ2025033）。

作者简介：文宪玺 （ 2 0 0 2 - ），男，主要从事中学物理教学工作。

*通信作者：张健（1972-），男，中学高级教师，主要从事中学物理教学工作。

其中 为光谱辐射出射度，单位 ： 为第一辐射常数； 为第二辐射常数； h 为普朗克常数； 为玻尔兹曼常数。

2.2 斯特藩-玻尔兹曼定律

通过对普朗克定律在波长上的积分，可以得到黑体的全辐射出射度 与黑体温度的四次方成正比

其中， σ 为黑体辐射常数， 为黑体辐射系数。

2.3 扩展漫辐射源的辐射量计算原理[1]

在环境条件、辐射面、热电堆温度传感器以及两者相对距离均不变的情况下， 为常量， 为热电堆温度传感器的电压， 为辐射面表面温度，有

即热电堆温度传感器的电压与辐射面表面温度的四次方成正比。

在环境条件、辐射面、热电堆温度传感器以及辐射面温度均不变的情况下， 为一常量， d 为热电堆温度传感器与辐射面之间的距离，有

即热电堆温度传感器的电压与两者距离的平方成反比。但考虑到热电堆温度传感器自身有视场角，当其本身的视场角小于它所在测量位置的接收角时，即热电堆温度传感器靠近辐射面，其探测的辐射强度近似为定值[2-3]

3 实验装置设计

3.1 装置设计思路

实验装置由加热模块、信号测量与处理模块、控制与显示模块三部分组成，总体设计逻辑如图1所示。

（1）加热模块

该模块由人工黑体炉、加热圆盘、可更换加热面三部分组成。控制圆盘旋转该模块，为传感器提供不同辐射源。

（2）辐射信号测量与处理模块

该模块由B7F55热电堆温度传感器、AD620信号放大器两部分组成[4]。热电堆传感器对辐射信号变化敏感，可将其转化为电压信号输出，经信号处理电路后准确读取。

（3）控制与显示模块

该模块由导轨、圆盘、ArduinoUNOR3控制器、降压器、步进电机、PID温控仪、电压表、红外距离探测器组成。实现对加热的温度控制、传感器离辐射面的距离控制与显示、电压的显示与读取。

3.2 实验装置

实验装置模型如图2所示，实验装置如图3、图4所示。装置经模块化、可视化，具有操作简单、现象直观的特性。

1.激光测距模块 6.距离显示器

2.铝合金框架 7.42步进电机

3.DF3-D电压表 8.B7F55热辐射传感器

4.PID温控仪 9.加热台

5.ADKey控制模块 10.人工黑体炉

人工黑体炉[5]：

本实验使用抛光打磨后内部化学镀银的黄铜半球壳为主体（反射率 ），半球底部半径 R=7 5 . 0 m m ，顶部中心开孔半径 r=7 . 5 m m 。配有底部圆环、高发射率陶瓷加热片、云母保温隔热底座。整体发射率可达 0 . 9 9 。

4实验教学方法与数据处理

本实验需要完成的实验内容有：

（1）验证辐射体辐射强度与辐射体表面温度

的四次方成正比；（2）验证辐射体辐射强度与辐射距离的平方

成反比。由教师带领学生按以下步骤完成实验。

4.1 辐射强度与温度的关系

（1）打开电源，控制导轨移动，使传感器距离

辐射面 8 c m 。（2）记录环境温度，打开电压表，记录背景辐

射。（3）将黑色陶瓷面放置于加热台上，开启PID

温控箱，调节控温面板，使温度上升。每隔

记录温度值与稳定后的电压值。（4）将表中电压与温度的四次方数据作出曲

线，再进行拟合得到拟合直线，计算直线斜率理

论值，并与拟合结果进行对比分析。（5）之后可更换不同材质的辐射面（黑色陶

瓷面、光滑黄铜面、氧化黄铜面）进行上述步骤，

对电压与温度四次方拟合得到图线，并进行对比。

4.2 辐射强度与距离的关系

（1）打开电源，打开电压表，记录背景辐射与环境温度。

（2）将黑色陶瓷面放于加热台上，打开PID温控箱，设定温度为 。（3）控制导轨移动使传感器距辐射面 2 0c m 。（4）温度升至 后，记下此时距离与电压数据，然后按 1c m 等间距向下调节传感器，记录数据，直到距离辐射面 4 cm 。（5）将表中电压与距离平方的倒数数据作出曲线，再进行拟合得到拟合直线，计算直线斜率理论值，并与拟合结果进行对比分析。