摘 要：熱輻射是一種電磁波，低溫物體的熱輻射主要靠不可見(jiàn)光傳播。利用PASCO熱輻射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究了不同顏色物體對(duì)低溫?zé)彷椛涞淖璧K影響。

關(guān)鍵詞：熱輻射 阻礙 PASCO熱輻射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TK121 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）11（a）-0080-01

1 研究背景

如今內(nèi)衣的顏色各異，但是不同顏色、相同材質(zhì)的內(nèi)衣的保溫效果是不一樣的。目前保暖內(nèi)衣主要分為兩種：保溫織物—— 單向溫度調(diào)節(jié)保溫材料、調(diào)溫織物—— 雙向溫度調(diào)節(jié)保溫材料。保暖內(nèi)衣是通過(guò)阻隔人體熱量散發(fā)從而起到保溫作用。研究不同顏色的物體對(duì)熱傳遞的阻礙作用，對(duì)保暖內(nèi)衣保溫效果的研究有重要意義。

2 熱輻射理論與研究條件的確定

熱輻射是物體由于具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象，是熱量傳遞的三種方式之一。一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都能產(chǎn)生熱輻射，溫度愈高，輻射出的總能量就愈大，短波成分也愈多。熱輻射的光譜是連續(xù)譜，波長(zhǎng)覆蓋范圍理論上可從0直至∞，一般的熱輻射主要靠波長(zhǎng)較長(zhǎng)的可見(jiàn)光和紅外線(xiàn)傳播。溫度較低時(shí)，主要以不可見(jiàn)的紅外光進(jìn)行輻射，當(dāng)溫度為300 ℃時(shí)熱輻射中最強(qiáng)的波長(zhǎng)在紅外區(qū)。當(dāng)物體的溫度在500 ℃以上至800 ℃時(shí)，熱輻射中最強(qiáng)的波長(zhǎng)成分在可見(jiàn)光區(qū)。物體在向外輻射的同時(shí)，還吸收從其他物體輻射來(lái)的能量。物體輻射或吸收的能量與它的溫度、表面積、黑度等因素有關(guān)。

一個(gè)物體在某環(huán)境里最終都會(huì)達(dá)到熱平衡，那么這時(shí)它接受環(huán)境的熱輻射率也就與它的放射熱輻射的速度是相同的，這樣它的熱量才會(huì)平衡。所以，接受輻射的能量越強(qiáng)，它的輻射能力也就越強(qiáng)，而黑顏色的面是最容易吸收熱輻射的。

本實(shí)驗(yàn)利用PASCO熱輻射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[1，2]進(jìn)行研究：由于黑色的熱輻射能力最強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)中紅外輻射源選取該系統(tǒng)中加熱立方體中黑色面為基準(zhǔn)面，采取控制變量法，控制溫度和所測(cè)研究對(duì)象的熱輻射面積，在溫度較低的情況下，研究不同顏色物體對(duì)研究的熱輻射體發(fā)出熱輻射的阻礙程度。實(shí)驗(yàn)中所提到的熱輻射均為低溫?zé)彷椛?，溫度范圍大致?7 °C～100 °C。本實(shí)驗(yàn)材料選取3種不同顏色的卡紙作為阻擋物，每種卡紙有兩種厚度，其中對(duì)應(yīng)卡紙的厚度相同。實(shí)驗(yàn)中將卡紙剪裁成腔體大小，并且將卡紙與熱輻射立方體的黑色面完全貼合，在距離卡紙2 cm處放置紅外光傳感器，對(duì)預(yù)熱后立方體進(jìn)行熱輻射的測(cè)定。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

本實(shí)驗(yàn)材料選取3種不同顏色（分別為藍(lán)色，綠色，橙色）的卡紙作為阻擋物，每種顏色的卡紙有兩種厚度。根據(jù)顏色和厚度不同分為6塊，并將卡紙剪裁成腔體大小，折疊邊緣使之能與熱輻射立方體的黑色面完全貼合，如圖1所示右邊一列為厚紙片（平均厚度為0.230 mm）左邊一列為薄紙片（平均厚度為0.111 mm）。

（1）研究厚度不同的相同顏色的紙片對(duì)紅外輻射的阻隔影響。

如圖2所示，圖中橫坐標(biāo)表示紅外光傳感器掃描過(guò)整個(gè)加熱的立方體黑色側(cè)面時(shí)運(yùn)動(dòng)的距離；縱坐標(biāo)表示紅外光傳感器探測(cè)到的紅外光的強(qiáng)度大小。圖中三條曲線(xiàn)從上到下分別為無(wú)阻隔紙片，阻隔綠色薄紙片，阻隔綠色厚紙片的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從無(wú)阻隔紙片的空白曲線(xiàn)可以看出，這個(gè)曲線(xiàn)形狀稱(chēng)呈現(xiàn)類(lèi)似正態(tài)分布的形式，中間正對(duì)熱源時(shí)輻射量大，越往兩邊輻射量越少。紙片厚度阻隔不會(huì)影響紅外曲線(xiàn)的分布形式，只是不同厚度的紙片阻擋效果大小不同，在原有的空白曲線(xiàn)的基礎(chǔ)上輻射量有所衰減。由此可見(jiàn)，阻隔輻射能力厚卡紙強(qiáng)于薄卡紙。

（2）研究厚度相同的不同顏色的紙片對(duì)紅外輻射的阻隔影響。

如圖3所示，圖中四條曲線(xiàn)從上到下分別為無(wú)阻隔紙片，阻隔藍(lán)色、綠色、橙色紙片的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從無(wú)阻隔紙片的空白曲線(xiàn)可以看出，這個(gè)曲線(xiàn)形狀稱(chēng)呈現(xiàn)類(lèi)似正態(tài)分布的形式，中間正對(duì)熱源時(shí)輻射量大，越往兩邊輻射量越少。紙片阻隔不會(huì)影響紅外曲線(xiàn)的分布形式，只是不同顏色的紙片阻擋效果大小不同，在原有的空白曲線(xiàn)的基礎(chǔ)上輻射量有所衰減。由此可見(jiàn)，阻隔輻射能力橙色卡紙>綠色卡紙>藍(lán)色卡紙。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論與探討

本實(shí)驗(yàn)利用PASCO熱輻射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究了不同顏色物體對(duì)低溫?zé)彷椛涞淖璧K影響。實(shí)驗(yàn)中的紅外光傳感器測(cè)量時(shí)會(huì)受到環(huán)境溫度和外界光線(xiàn)的影響，實(shí)驗(yàn)條件盡量控制環(huán)境溫度和外界光線(xiàn)保持相同，熱源控制在80 °C的熱穩(wěn)定情況下測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)中可能由于以下原因產(chǎn)生的誤差：（1）不同顏色紙片的厚度不一定完全一樣；（2）實(shí)驗(yàn)中為了控制室溫使用空調(diào)，空調(diào)風(fēng)向可能造成影響；（3）由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，紙片與加熱立方體的貼合程度不同，可能造成影響（4）由于所選的顏色對(duì)照不夠鮮明，色差較小，卡紙的顏色不夠純正對(duì)于區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)差異、得到結(jié)論可能產(chǎn)生影響。

根據(jù)目前實(shí)驗(yàn)情況，得到波長(zhǎng)越長(zhǎng)的可見(jiàn)光對(duì)應(yīng)顏色的材料阻礙低溫輻射的能力強(qiáng)，可以推斷，相同材料、相同溫度、相同輻射面積時(shí)，各色材料的保溫能力由橙、綠、藍(lán)依次減弱。因此從阻礙低溫?zé)彷椛浞矫婵紤]，對(duì)熱量散發(fā)的阻礙更為顯著的顏色更為適合作為保暖內(nèi)衣的顏色。

參考文獻(xiàn)

[1]熊永紅，李偉斌.熱輻射基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)[J].物理實(shí)驗(yàn)，2003（1）：9-17.

[2]高宏，郭文閣，李蘭，等.PASCO實(shí)驗(yàn)儀在物理探究性實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[C].//應(yīng)用光學(xué)，2008（12），29：240-242.