3B Scientific Bolometer User Manual [en, de, fr, it, es]
3B SCIENTIFIC
Bedienungsanleitung
07/08 ALF
®
PHYSICS
Bolometer U8461300
1 Bohrung für Thermometer
2 Hartpapierrohr
3 Endplatte
1. Beschreibung
Das Bolometer dient zur Messung der Wärmestrahlung der Sonne.
Das Gerät besteht aus einem massiven Aluminiumzylinder mit geschwärzter Stirnseite in einem innen
geschwärzten Hartpapierrohr und zwei Endplatten
aus Plastik. Das Rohr und der Zylinder sind mit je
einer Bohrung zur Aufnahme eines Thermometers
versehen.
Die Schwärzung des Aluminiumzylinders verhindert
Reflexion der Wärmestrahlung, das Hartpapierrohr
dient zur Abschirmung von Streustrahlung.
2. Technische Daten
Aluminiumzylinder: ca. 30 mm x 40 mm Ø
Hartpapierrohr: ca. 195 mm x 50 mm Ø
Masse: ca. 350 g
3.Versuchsbeispiele
Zur Durchführung der Experimente sind folgende
Geräte zusätzlich erforderlich:
1 Thermometer +10 ... +30 °C U8451700
1 Stativfuß U13270
1 Stativstange, 470 mm U15002
1 Universalklemme U13261
1 Universalmuffe U13255
1 Digitale Stoppuhr U11902
1 Messschieber U10071
1 Elektronische Waage U42058
1 Tropfpipette
3.1 Bestimmung der durch Sonnenstrahlung
übertragenen Wärmemenge auf einen Aluminiumkörper
Die Übermittlung der Sonnenwärme auf die Erde
geschieht durch Wärmestrahlung. Die abgestrahlte
Wärmemenge ist abhängig vom Stand der Sonne
über dem Horizont und der Klarheit der Luft. Die
Erdatmosphäre „schluckt“ einen Teil der Sonnenstrahlung und zwar umso weniger je klarer das Wetter ist und je höher die Sonne steht.
1
•
A
⋅
=
Bolometer in Stativmaterial aufbauen (Fig. 1).
• Bolometer so ausrichten, dass die Sonne genau
in Achsenrichtung einstrahlt. Der Schatten der
vorderen Endplatte fällt dann genau auf die hintere Platte.
• Bevor das Thermometer in die Bohrung des
Aluminiumzylinders gesteckt wird, einige Tropfen Wasser hinein geben, um den Wärmeübergang zu verbessern.
• Thermometer in die Bohrung stecken, Anfangs-
temperatur ablesen und in Tabelle notieren.
• In einer Messreihe von 10 Minuten alle 60 Se-
kunden Temperatur ablesen und notieren.
• Hintere Endplatte abziehen, Aluminiumzylinder
abschrauben und durch Wägung seine Masse m
bestimmen.
• Durchmesser d der geschwärzten Fläche mit dem
Messschieber messen und die Fläche A errechnen.
• Erwärmung des Aluminiumzylinders in einem
Temperatur-Zeit-Diagramm darstellen. Durch
die Messpunkte eine Ausgleichsgerade legen.
Die Temperaturerhöhung ΔT pro Minute ergibt sich
aus der Steigung der Gerade.
Die Wärmemenge Q, die der geschwärzten Fläche des
Aluminiumzylinders in der Minute zugeführt wird,
lässt sich aus der Temperaturerhöhung pro Minute
ΔT, der Masse m des Aluminiumzylinders und der
spezifischen Wärmekapazität von Aluminium
c
Al
berechnen.
TmcQ
Δ⋅⋅= (1)
Al
Die spezifische Wärmekapazität von Aluminium
J
896c
beträgt
• Die Strahlungsleistung S pro Flächeneinheit (je
cm
S =
=
Al
2
und min) mittels Gleichung 2 berechnen.
Q
(2)
°
Ckg
⋅
Luft ist ein schlechter Wärmeleiter, so dass Wärmeleitung in diesem Versuch nur eine untergeordnete
Rolle spielt. Da die erwärmte Luft nach oben strömt
und nicht in Richtung auf den „schwarzen Körper“,
trägt auch die Wärmeströmung nicht zur Erwärmung
des Aluminiumzylinders bei.
• Glühlampe in Lampenfassung drehen und mit
der Stromversorgung verbinden.
• Hartpapierrohr abnehmen und Aluminiumzylin-
der mit Endplatte in Stativmaterial aufbauen
(Fig. 2).
• Aluminiumzylinder im Abstand l von ca. 4 cm
vom Glühfaden der Lampe positionieren.
• Analog zu Experiment 3.1 Wärmemenge und
Strahlungsleistung pro Flächeneinheit bestimmen.
Denkt man sich die Strahlungsquelle als punktförmig
und um diese herum eine Kugel mit dem Radius
r = l, so ergibt sich die Gesamtstrahlungsleistung S
G
der Glühlampe aus dem Produkt der berechneten
Strahlungsleistung S und der Kugeloberfläche A
SAS
G
0
:
O
°
C
Fig. 1 Messung der Wärmestrahlung der Sonne
3.2 Bestimmung der Strahlungsleistung einer
Glühbirne
Zusätzlich erforderlich:
°C
1 Lampenfassung E14 U8495320
1 Glühlampe 12 V, 25 W, E14 als Verbrauchsmaterial
1 Transformator mit Gleichrichter (230 V, 50/60 Hz)
U33300-230
oder
1 Transformator mit Gleichrichter (115 V, 50/60 Hz)
U33300-115
Experimentierkabel
Fig. 2 Bestimmung der Strahlungsleistung einer Glühbirne
Elwe Didactic GmbH • Steinfelsstr. 6 • 08248 Klingenthal • Deutschland • www.elwedidactic.com
3B Scientific GmbH • Rudorffweg 8 • 21031 Hamburg • Deutschland • www.3bscientific.com
Technische Änderungen vorbehalten
© Copyright 2008 3B Scientific GmbH
3B SCIENTIFIC
Instruction sheet
07/08 ALF
®
PHYSICS
Bolometer U8461300
1 Hole for thermometer
2 Cardboard tube
3 End-plate
1. Description
A bolometer is used for measuring the heat radiation
from the sun.
The instrument consists of a solid aluminium
cylinder with a blackened end surface inside a
cardboard tube, which is blackened on its inner
surface and has two plastic end-plates. A hole is
provided in the tube and the cylinder for inserting a
thermometer.
The blackened surface of the aluminium cylinder
prevents reflection of the incoming heat radiation,
and a blackened cardboard tube screens the cylinder
from ambient background radiation.
2. Technical data
Aluminium cylinder: ≈ 30 mm × 40 mm Ø
Cardboard tube: ≈ 195 mm × 50 mm Ø
Weight: 350 g approx.
3. Sample experiments
To carry out the experiments the following
equipment is required in addition:
1 Thermometer +10 ... +30 °C U8451700
1 Tripod stand, 150 mm U13270
1 Stand rod, 470 mm U15002
1 Universal jaw clamp U13261
1 Universal clamp U13255
1 Digital stopwatch U11902
1 Set of Vernier callipers, 150 mm U10071
1 Electronic scale, 2500 g U42058
1 Pipette dropper
3.1 Measuring the quantity of heat transferred to
an aluminium body by solar radiation
Heat from the sun is transmitted to the earth by
thermal radiation. The intensity of the thermal
radiation depends on the position of the sun above
the horizon and the clarity of the atmosphere. The
earth’s atmosphere “swallows up” a fraction of the
solar radiation. That fraction may be smaller
according to how clear the weather is and how high
the sun is in the sky.
1
•
A
⋅
=
Set up the bolometer as shown in Figure 1, using
the stand, rod and clamps.
• Adjust the bolometer so that the sunlight shines
exactly along its axis. The shadow of the front
end-plate should then fall exactly onto the rear
end-plate.
• Before inserting the thermometer into the hole
in the aluminium cylinder, put in a few drops of
water to improve the transfer of heat.
• Insert the thermometer into the hole, read the
initial temperature, and record it in a table.
• In a series of measurements over a period of 10
minutes, read the temperature at intervals of 60
seconds and record the values.
• Remove the rear end-plate, unscrew the
aluminium cylinder, and determine its mass m
by weighing.
• Using the callipers, measure the diameter d of
the blackened surface and calculate the area A.
• Plot a graph of temperature against time to
show the heating-up of the aluminium cylinder.
Draw a line of best fit through the data points.
The temperature rise per minute, ΔT, is obtained
from the gradient of the line.
The quantity of heat Q received by the blackened
Air is a poor conductor of heat, and therefore
thermal conduction makes only a very small
contribution in this experiment. Furthermore, as the
heated air near the lamp flows upward and not
towards the “black body”, thermal convection also
makes no significant contribution to the heating of
the aluminium cylinder.
• Screw the filament lamp into the lamp socket
and connect to the power supply.
• Remove the cardboard tube and support the
aluminium cylinder with one end-plate using a
stand and clamp (Fig. 2).
• Position the aluminium cylinder so that its
distance l from the lamp filament is about 4 cm.
• Determine the quantity of heat per minute and
the radiation power per unit area in the same
way as in Experiment 3.1.
If the lamp filament is regarded as a point source of
radiation, the total radiation power S
by the lamp is the amount received by a sphere of
radius r = l. Therefore it is the product of the
calculated radiation power per unit area, S, and the
surface area of the sphere A
SAS
G
0
:
O
surface of the aluminium cylinder in one minute can
be calculated from the temperature rise per minute
ΔT, the mass m of the cylinder, and the specific heat
capacity of aluminium
TmcQ
Δ⋅⋅= (1)
Al
c :
Al
The specific heat capacity of aluminium is
J
896c
=
Al
• Using Equation 2, calculate the radiation power
per unit area (heat input per cm
Q
(2)
S =
3.2 Measuring the radiation power of a filament
.
°
Ckg
⋅
2
per minute).
Fig. 1 Measuring the radiation power of the sun
lamp
Additional equipment needed:
1 E14 lamp socket U8495320
1 Filament lamp 12 V, 25 W, type E14 as sold for
°C
domestic use
1 Transformer with rectifier (230 V, 50/60 Hz)
U33300-230
or
1 Transformer with rectifier (115 V, 50/60 Hz)
U33300-115
Experiment leads
Fig. 2 Measuring the radiation power of a filament lamp
that is emitted
G
°
C
Elwe Didactic GmbH • Steinfelsstr. 6 • 08248 Klingenthal • Germany • www.elwedidactic.com
3B Scientific GmbH • Rudorffweg 8 • 21031 Hamburg • Germany • www.3bscientific.com
Subject to technical amendments
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