🌡️

Lab 94 — รังสีวัตถุดำ: กฎการกระจัดของวีนและกฎสเตฟาน–โบลต์ซมันน์ (3D)

ให้ความร้อนไส้หลอดทังสเตน วัดอุณหภูมิจากความต้านทาน · หมุนแขนเทอร์โมไพล์หลังเกรตติงหาความยาวคลื่นที่ความเข้มสูงสุด · λmaxT = b · กำลังรวม ∝ T⁴ · หาอุณหภูมิของแหล่งกำเนิดปริศนา

3D · three.js KP Science simulation
🎯 สิ่งที่ต้องวัด: ความต่างศักย์ V และกระแส I ของไส้หลอด (เพื่อหา R → T) · สัญญาณเทอร์โมไพล์ที่มุมเกรตติงต่าง ๆ เพื่อหา λ ที่ความเข้มสูงสุด · และกำลังรวมเมื่อถอดเกรตติงออก — รายละเอียดวัตถุประสงค์อยู่ในแท็บ 📋 วิธีการทดลอง
🖐 จับ แขนเทอร์โมไพล์ แล้วลากให้หมุนรอบเกรตติง
🖱 ลากที่ว่าง = หมุนภาพ · ล้อ = ซูม · Shift+ลาก = เลื่อน
📱 1 นิ้ว = ลาก/หมุน · 2 นิ้ว = ซูม/เลื่อน
⚠️ โหลดไลบรารี 3D (three.js) ไม่สำเร็จ หรือเบราว์เซอร์นี้ไม่รองรับ WebGL
จึงอ่านสเกลในภาพ 3D ไม่ได้ — เปลี่ยนเป็นโหมด ⚡ อัตโนมัติ ในแผงด้านข้างเพื่อให้ระบบอ่านค่าให้
📝 บันทึกผลการวัด
โหมดการทดลอง
ตารางบันทึกผลและอุณหภูมิของแหล่งปริศนาไม่เปลี่ยน
🧭 ตอนนี้ต้องทำอะไร
💡 แหล่งกำเนิดรังสี
🔥 ระดับกำลังของไส้หลอด
อุณหภูมิของไส้หลอดหาได้จากความต้านทาน: R = V/I · R/R₀ สัมพันธ์กับ T ตามตารางของทังสเตน (R₀ = 0.85 Ω ที่ 293 K · ใช้ R/R₀ = (T/293)^1.20)
🔲 เกรตติงและแขนเทอร์โมไพล์
เกรตติง 300 เส้น/mm · ใส่เกรตติง = วัดสเปกตรัม (λ = d sin θ) · ถอดออก = เทอร์โมไพล์รับรังสีทั้งหมด ใช้ตรวจกฎสเตฟาน
สัญญาณเทอร์โมไพล์
—
จุดที่บันทึกแล้ว
0
📊 ผลที่บันทึกล่าสุด
ยังไม่มีการบันทึก — วัด V, I แล้วหามุมที่สัญญาณสูงสุด
📋 ตารางบันทึกผล
① สเปกตรัม: λ ที่ความเข้มสูงสุด
② กำลังรวม (ถอดเกรตติง)
📈 กราฟจากข้อมูลที่บันทึก
🎯 ตรวจคำตอบ
ค่าคงตัวของวีน b = ×10⁻³ m·K
เลขชี้กำลังของ T ในกฎสเตฟาน =
อุณหภูมิของแหล่งปริศนา = K
b: คลาดไม่เกิน 5% · เลขชี้กำลัง: คลาดไม่เกิน 0.5 · อุณหภูมิ: คลาดไม่เกิน 5% · โหมดวัดเองไม่แสดงค่าจริง

วัตถุประสงค์

เมื่อจบการทดลองนี้ นักเรียนสามารถ

  1. หาอุณหภูมิของไส้หลอดจากความต้านทาน (R = V/I) โดยใช้ความสัมพันธ์ระหว่างความต้านทานกับอุณหภูมิของทังสเตน
  2. ใช้เกรตติงและเทอร์โมไพล์หาความยาวคลื่นที่ความเข้มสูงสุด λmax ของรังสีที่แผ่ออกมา
  3. ตรวจสอบกฎการกระจัดของวีน λmax T = b และหาค่า b เปรียบเทียบกับ 2.898 × 10⁻³ m·K
  4. ตรวจสอบกฎสเตฟาน–โบลต์ซมันน์ P ∝ T⁴ จากความชันของกราฟ log P – log T
  5. ใช้ λmax หาอุณหภูมิของแหล่งกำเนิดปริศนา (เทียบเคียงวิธีหาอุณหภูมิผิวดาวฤกษ์)

อุปกรณ์ (เสมือนจริง)

ขั้นตอน

ตอน ก: อุณหภูมิของไส้หลอด

  1. เลือก ไส้หลอดทังสเตน ระดับกำลังที่ 3 · กด 🎛 แผงวัด อ่าน V และ I
  2. R = V/I → T = 293 × (R/R₀)1/1.20 (ตารางคำนวณให้)

ตอน ข: หา λ ที่ความเข้มสูงสุด

  1. ใส่ เกรตติง แล้วหมุนแขนเทอร์โมไพล์ทีละ 1° เพื่อหาช่วงที่สัญญาณมาก จากนั้นปรับทีละ 0.1° จนสัญญาณสูงสุด
  2. อ่านมุมและสัญญาณ บันทึก — ระบบคำนวณ λmax = d sin θ ให้ (d = 1/300 mm)
  3. เปลี่ยนระดับกำลังเป็น 1, 2, 4, 5 แล้วทำซ้ำ (อย่างน้อย 4 ระดับ)
  4. กราฟ λmax – 1/T ต้องเป็นเส้นตรงผ่านจุดกำเนิด ความชัน = b

ตอน ค: กฎสเตฟาน

  1. ถอดเกรตติง ตั้งแขนที่ 0° (ตรงลำแสง) อ่านสัญญาณรวมของแต่ละระดับกำลัง แล้วบันทึก
  2. กราฟ log P – log T ความชันควรเป็น 4

ตอน ง: แหล่งปริศนา

  1. เปลี่ยนเป็น ❓ แหล่งปริศนา (วัด V, I ไม่ได้) ใส่เกรตติงแล้วหา λmax
  2. ใช้ b ที่หาได้คำนวณอุณหภูมิ T = b / λmax แล้วกรอกคำตอบในกรอบ 🎯
⚠️ เทอร์โมไพล์ตอบสนองช้าเล็กน้อยและมีสัญญาณรบกวน ±0.01 mV ควรอ่านค่าเมื่อเข็มนิ่ง · ที่อุณหภูมิต่ำสัญญาณจะน้อยมาก (รังสีส่วนใหญ่อยู่ในช่วงอินฟราเรดไกล)

ตารางบันทึกผล (ตัวอย่างหัวตาราง)

ระดับ | V (V) | I (A) | R = V/I (Ω) | T (K) | θ (°) | λ_max = d sin θ (nm) | λ_max·T (m·K) | P (mV)

คำถามท้ายการทดลอง

  1. เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น λmax เปลี่ยนไปทางใด และสีของไส้หลอดเปลี่ยนอย่างไร
  2. ค่า b ที่ได้เท่าใด ต่างจาก 2.898 × 10⁻³ m·K กี่ %
  3. ทำไมกำลังที่แผ่จึงเพิ่มเร็วมากเมื่ออุณหภูมิเพิ่มเพียงเล็กน้อย
  4. ดาวฤกษ์สีน้ำเงินกับสีแดง ดวงใดร้อนกว่า เพราะเหตุใด
  5. ทฤษฎีคลื่นแบบดั้งเดิมทำนายสเปกตรัมวัตถุดำผิดอย่างไร (หายนะอัลตราไวโอเลต) และพลังค์แก้ด้วยสมมติฐานใด

1. สเปกตรัมของวัตถุดำ

วัตถุร้อนแผ่รังสีทุกความยาวคลื่น แต่มีความเข้มสูงสุดที่ความยาวคลื่นหนึ่ง ซึ่งเลื่อนไปทางสั้นลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น

กฎการกระจัดของวีน: λmax T = b = 2.898 × 10⁻³ m·K
กฎสเตฟาน–โบลต์ซมันน์: P = σ A T⁴ (σ = 5.67 × 10⁻⁸ W/m²K⁴)

สูตรของพลังค์อธิบายรูปร่างทั้งเส้นได้ โดยสมมติว่าพลังงานของการสั่นมีค่าเป็นชั้น ๆ (E = nhf)

I(λ,T) = (2π h c²/λ⁵) · 1/( e^{hc/λkT} − 1 )

2. การวัดอุณหภูมิจากความต้านทาน

ความต้านทานของทังสเตนเพิ่มตามอุณหภูมิ ในช่วง 1,000 – 3,000 K ใช้ความสัมพันธ์โดยประมาณ

R / R₀ = ( T / T₀ )1.20 , R₀ = 0.85 Ω ที่ T₀ = 293 K
→ T = T₀ ( R/R₀ )1/1.20 , R = V / I

3. หา λ ด้วยเกรตติง

d sin θ = λ (ลำดับที่ 1) , d = 1/300 mm = 3333 nm
λmax ของ 2,000 K ≈ 1,449 nm (อินฟราเรดใกล้) → θ ≈ 25.8°
🔬 กด 🔬 ระดับอะตอม ที่มุมล่างซ้ายของภาพ 3D — เห็นว่าทำไมของร้อนถึงเปล่งแสง:
• ซ้าย: อะตอมในไส้หลอดสั่น — ยิ่งร้อนยิ่งสั่นแรง · ประจุที่มีความเร่งแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาเป็นโฟตอน ที่มีพลังงานเป็นก้อน ๆ (E = hf ตามสมมติฐานพลังค์) · สีของโฟตอนสุ่มตามการแจกแจงของพลังค์ที่อุณหภูมินั้นจริง ๆ
• ขวา: เส้นโค้งพลังค์ของระดับที่เลือก (เส้นจาง = ระดับอื่น ๆ) — เปลี่ยนระดับแล้วดูยอดเลื่อนไปทางสีน้ำเงิน (กฎของวีน) และพื้นที่ใต้กราฟโตเร็วมาก (กฎสเตฟาน–โบลต์ซมันน์ ∝ T⁴)
⚠️ กราฟไม่ใส่ตัวเลขบนแกน และฉากไม่บอก T หรือ λ_max — ทั้งคู่เป็นค่าที่ต้องวัดเองจากการทดลอง
💡 แบบจำลอง: ใช้สูตรพลังค์เต็มรูปในการคำนวณสัญญาณเทอร์โมไพล์ ณ ความยาวคลื่นที่แขนชี้อยู่ · สัญญาณรบกวน ±0.01 mV · ถอดเกรตติงแล้วสัญญาณ ∝ σT⁴ · อุณหภูมิแหล่งปริศนาสุ่มต่อการเปิดหน้า (2,600 – 5,800 K) · ไส้หลอดจริงไม่ใช่วัตถุดำสมบูรณ์ ค่า b ที่วัดได้จึงอาจคลาดไปเล็กน้อย