Информация по физике для 10 класса Учитель физики: Нуршанова а к. Законы теплового излучения электромагнитное излучение icon

Информация по физике для 10 класса Учитель физики: Нуршанова а к. Законы теплового излучения электромагнитное излучение



НазваниеИнформация по физике для 10 класса Учитель физики: Нуршанова а к. Законы теплового излучения электромагнитное излучение
Дата конвертации22.11.2012
Размер92.62 Kb.
ТипЗакон
источник



Информация по физике для 10 класса

Учитель физики: Нуршанова А К


. ЗАКОНЫ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

1. Электромагнитное излучение

2. Абсолютно черное тело.

3. Законы Вина и Стефана-Больцмана.

2. Электромагнитное излучение.

Пока знания человечества таковы, что практически вся информация от звезд, туманностей, галактик и других астрономических объектов поступает к нам в виде электромагнитного излучения. Как известно, видимый свет также является электромагнитным излучением. Уже сто лет мы знаем, что оно испускается не непрерывно, а отдельными порциями (квантами), характеризующимися своей энергией. Совокупность всех видов излучения, т.е. квантов с энергиями, перекрывающими весь возможный диапазон называется спектром электромагнитного излучения.

За единицу измерения энергии квантов обычно принимают электрон-вольт (эВ) – это энергия, которую приобретает свободный электрон, ускоренный электрическим полем с разностью потенциалов в 1 вольт. 1эВ = 1,6 10-19КлВ = 1,6 10-19Дж. Фотоны (кванты видимого света) обладают энергией 2-3 эВ и занимают очень маленькую область исследуемого в астрофизике электромагнитного спектра, который простирается от значений энергии порядка Мэв для гамма-излучения до одной миллионной доли электронвольта для метровых радиоволн. Между этими крайними видами электромагнитного излучения последовательно располагаются рентгеновское, ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучения.

Электромагнитное излучение обладает и волновыми свойствами, проявляющихся в таких явлениях, как интерференция и дифракция. Поэтому, как и всякие волны, электромагнитное излучение часто описывают на языке теории колебаний, т.е. характеризуют длиной волны  и частотой , произведение которых равно скорости распространения колебаний: с=. У электромагнитных волн любых частот скорость распространения в вакууме одинакова и составляет 299792 км/сек или приближенно с=3108 м/с.

Энергия квантов пропорциональна частоте  электромагнитных колебаний  = h - закон Планка. Коэффициентом пропорциональности является знаменитая постоянная Планка h= 6,610-34 Джс. Воспользовавшись формулой с= для энергии кванта, получим выражение:  = hс/ или = hс/. Из нее следует, что кванту с энергией =2 эВ соответствует длина волны =630нм – это красный цвет, а кванту с энергией 3 эВ соответствует длина волны 410нм – это фиолетовый цвет.


^ 2. Абсолютно черное тело.

Всякое, даже слабо нагретое тело излучает электромагнитные волны (тепловое излучение). При низких температурах не превышающих 1000 К, существует главным образом инфракрасное излучение и радиоволны. По мере дальнейшего нагревания спектр теплового излучения меняется: во-первых, увеличивается общее количество излучаемой энергии, во-вторых, появляется излучение все более коротких длин волн – видимое (от красного до фиолетового), ультрафиолетовое, рентгеновское и т.д.

При каждом данном значении температуры нагретое тело излучает сильнее всего в некоторой области спектра, определяющей видимый цвет объекта, если эта область попадает на оптический диапазон. Так, например, при температуре 3000 К, как правило, наиболее интенсивно красное излучение, при 6000 К – желто-зеленое, а при более высоких температурах (10000-20000 К) – голубое, синее, фиолетовое. Однако точное распределение энергии и точный вид спектра в общем случае зависят не только от температуры, но и от химического состава и физического состояния светящегося тела.

В одном особом (идеальном) случае, законы теплового излучения имеют наиболее простой вид. Это случай теплового или термодинамического равновесия. Он возможен, если тело полностью изолировать от окружающей среды идеально теплонепроницаемыми стенками и дождаться пока температура станет одинаковой во всем теле. В этом случае излучение определяется только температурой тела и называется равновесным. Такое тело не может терять своей тепловой энергии, оно полностью поглощает всякое излучение, которое само производит, и называется абсолютно черным телом (АЧТ).

Распределение энергии в спектре абсолютно черного тела при определенных температурах показано на графике и описывается формулой Планка: , где λ – длина волны, е – основание натурального логарифма, ελ – спектральная плотность(интенсивность) потока энергии, с1 и с2 константы. Волнистая линия – реальный спектр Солнца, гладкие линии - кривые Планка для различных температур. Видно, что спектр излучения Солнца близок к спектру АЧТ.


^ 2. Законы Вина и Стефана-Больцмана.

На рисунке видно, что планковские кривые для всех температур имеют максимум. Взяв производную от функции Планка и приравняв ее к нулю, мы найдем значение λmax, при котором для данной температуры излучается максимум энергии. Он приходится на длину волны λmax=0,0029/Т. Это соотношение называют законом смещения максимума излучения Вина: с увеличением температуры максимум излучения абсолютно черного тела смещается в коротковолновую область спектра. Так, для Солнца Т = 5 800 К, и максимум приходится на длину волны λmax ≈ 500 нм, что соответствует желтому цвету в оптическом диапазоне. Именно поэтому мы видим наше Солнце желтым. Если бы температура поверхности Солнца была равна 5550 К, то мы бы видели наше светило зеленым.

От температуры зависит не только цвет излучения, но и его мощность. ^ Мощность излучения абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени температуры (закон Стефана-Больцмана). Каждый квадратный метр поверхности тела за одну секунду излучает по всем направлениям на всех длинах волн энергию ε=σТ4, σ – постоянная Стефана-Больцмана. Энергия ε численно равна площади, ограниченной кривой Планка и осью абсцисс. Получить выражение закона Стефана-Больцмана можно, проинтегрировав формулу Планка по λ от 0 до ∞



Нагретые тела излучают энергию в виде электромагнитных волн различной длины. Когда мы говорим, что тело «раскалено докрасна», это значит, что его температура достаточно высока, чтобы тепловое излучение происходило в видимой, световой части спектра. На атомарном уровне излучение становится следствием испускания фотонов возбужденными атомами (см. Излучение черного тела). Закон, описывающий зависимость энергии теплового излучения от температуры, был получен на основе анализа экспериментальных данных австрийским физиком Йозефом Стефаном и теоретически обоснован также австрийцем Людвигом Больцманом (см. Постоянная Больцмана).

Чтобы понять, как действует этот закон, представьте себе атом, излучающий свет в недрах Солнца. Свет тут же поглощается другим атомом, излучается им повторно — и таким образом передается по цепочке от атома к атому, благодаря чему вся система находится в состоянии энергетического равновесия. В равновесном состоянии свет строго определенной частоты поглощается одним атомом в одном месте одновременно с испусканием света той же частоты другим атомом в другом месте. В результате интенсивность света каждой длины волны спектра остается неизменной.

Температура внутри Солнца падает по мере удаления от его центра. Поэтому, по мере движения по направлению к поверхности, спектр светового излучения оказывается соответствующим более высоким температурам, чем температура окружающий среды. В результате, при повторном излучении, согласно закону Стефана—Больцмана, оно будет происходить на более низких энергиях и частотах, но при этом, в силу закона сохранения энергии, будет излучаться большее число фотонов. Таким образом, к моменту достижения им поверхности спектральное распределение будет соответствовать температуре поверхности Солнца (около 5 800 К), а не температуре в центре Солнца (около 15 000 000 К).

Энергия, поступившая к поверхности Солнца (или к поверхности любого горячего объекта), покидает его в виде излучения. Закон Стефана—Больцмана как раз и говорит нам, какова излученная энергия. Этот закон записывается так:

    E = σT 4

где Т — температура (в кельвинах), а σ — постоянная Больцмана. Из формулы видно, что при повышении температуры светимость тела не просто возрастает — она возрастает в значительно большей степени. Увеличьте температуру вдвое, и светимость возрастет в 16 раз!

Итак, согласно этому закону любое тело, имеющее температуру выше абсолютного нуля, излучает энергию. Так почему, спрашивается, все тела давно не остыли до абсолютного нуля? Почему, скажем, лично ваше тело, постоянно излучая тепловую энергию в инфракрасном диапазоне, характерном для температуры человеческого тела (чуть больше 300 К), не остывает?

Ответ на этот вопрос, на самом деле, состоит из двух частей. Во-первых, с пищей вы получаете энергию извне, которая в процессе метаболического усвоения пищевых калорий организмом преобразуется в тепловую энергию, восполняющую потери вашим телом энергии в силу закона Стефана—Больцмана. Умершее теплокровное весьма быстро остывает до температуры окружающей среды, поскольку энергетическая подпитка его тела прекращается.

Еще важнее, однако, тот факт, что закон распространяется на все без исключения тела с температурой выше абсолютного нуля. Поэтому, отдавая свою тепловую энергию окружающей среде, не забывайте, что и тела, которым вы отдаете энергию, — например, мебель, стены, воздух, — в свою очередь излучают тепловую энергию, и она передается вам. Если окружающая среда холоднее вашего тела (как чаще всего бывает), ее тепловое излучение компенсирует лишь часть тепловых потерь вашего организма, и он восполняет дефицит за счет внутренних ресурсов. Если же температура окружающей среды близка к температуре вашего тела или выше нее, вам не удастся избавиться от избытка энергии, выделяющейся в вашем организме в процессе метаболизма посредством излучения. И тут включается второй механизм. Вы начинаете потеть, и вместе с капельками пота через кожу покидают ваше тело излишки теплоты.

В вышеприведенной формулировке закон Стефана—Больцмана распространяется только на абсолютно черное тело, поглощающее всё попадающее на его поверхность излучение. Реальные физические тела поглощают лишь часть лучевой энергии, а оставшаяся часть ими отражается, однако закономерность, согласно которой удельная мощность излучения с их поверхности пропорциональна Т 4, как правило, сохраняется и в этом случае, однако постоянную Больцмана в этом случае приходится заменять на другой коэффициент, который будет отражать свойства реального физического тела. Такие константы обычно определяются экспериментальным путем.

Комментарии (1) 










<<Назад | Дальше>>








^ Йозеф СТЕФАН
Josef Stefan,  1835–93


Австрийский физик-экспериментатор. Родился в г. Клагенфурт (Klagenfurt). По окончании Венского университета продолжил свою карьеру там же — с 1863 года в качестве профессора кафедры высшей математики и физики, а с 1866 года — по совместительству в качестве директора Института экспериментальной физики при Венском университете. Исследования Стефана затронули целый ряд разделов физики, включая явления электромагнитной индукции, диффузии, молекулярно-кинетическую теорию газов. Однако своей научной репутацией он обязан, прежде всего, работе по исследованию теплопередачи посредством излучения. Именно он экспериментально нашел формулу закона Стефана—Больцмана путем измерения теплоотдачи платиновой проволоки при различных температурах; теоретическое же обоснование закона дал его ученик Людвиг Больцман. Используя свой закон, Стефан впервые дал достоверную оценку температуры поверхности Солнца — около 6000 градусов по абсолютной шкале.


С 1896 г. Макс Планк заинтересовался измерениями, производившимися в

Государственном физико-техническом институте в Берлине, а также проблемами

теплового излучения тел. Любое тело, содержащее тепло, испускает

электромагнитное излучение. Если тело достаточно горячее, то это излучение

становится видимым. При повышении температуры тело сначала раскаляется

докрасна, затем становится оранжево-желтым и, наконец, белым. Излучение

испускает смесь частот (в видимом диапазоне частота излучения соответствует

цвету). Однако излучение тела зависит не только от температуры, но и до

некоторой степени от таких характеристик поверхности, как цвет и структура.

В качестве идеального эталона для измерения и теоретических исследований

физики приняли воображаемое абсолютное черное тело. По определению,

абсолютно черным называется тело, которое поглощает все падающее на него

излучение и ничего не отражает. Излучение, испускаемое абсолютно черным

телом, зависит только от его температуры. Хотя такого идеального тела не

существует, неким приближением к нему может служить замкнутая оболочка с

небольшим отверстием (например, надлежащим образом сконструированная печь,

стенки и содержимое которой находятся в равновесии при одной и той же

температуре). Одно из доказательств чернотельных характеристик такой

оболочки сводится к следующему. Излучение, падающее на отверстие, попадает

в полость и, отражаясь от стенок, частично отражается и частично

поглощается. Поскольку вероятность того, что излучение в результате

многочисленных отражений выйдет через отверстие наружу, очень мала, оно

практически полностью поглощается. Излучение, берущее начало в полости и

выходящее из отверстия, принято считать эквивалентным излучению,

испускаемому площадкой размером с отверстие на поверхности абсолютно

черного тела при температуре полости и оболочки. Подготавливая собственные

исследования, Планк прочитал работу Кирхгофа о свойствах такой оболочки с

отверстием. Точное количественное описание наблюдаемого распределения

энергии излучения в этом случае получило название проблемы черного тела.



Похожие:

Информация по физике для 10 класса Учитель физики: Нуршанова а к. Законы теплового излучения электромагнитное излучение iconСоставитель: старший учитель, учитель физики Батаева А. С. 2009 г. Пояснительная записка к программе с углубленным изучением физики
Данная программа курса физики по углубленному изучению физики в 9 классе составлено на основе программы Физика, для 8-9 классов общеобразовательной...
Информация по физике для 10 класса Учитель физики: Нуршанова а к. Законы теплового излучения электромагнитное излучение iconКонсультацию проводит учитель физики 1 категории Стрекмит Зоя Александровна Как решать задачи на применение законов Ньютона
Перечитайте второй урок. В нем изложены основные принципы решения задач по физике
Информация по физике для 10 класса Учитель физики: Нуршанова а к. Законы теплового излучения электромагнитное излучение iconКонсультацию проводит учитель физики 1 категории Стрекмит Зоя Александровна
Не существует универсального метода решения задач по физике, но существует универсальный подход к решению задач. Когда грамотный...
Информация по физике для 10 класса Учитель физики: Нуршанова а к. Законы теплового излучения электромагнитное излучение iconАттестационный лист
Образование 1989 г., Усть-Каменогорский педагогический институт по специальности учитель математики с дополнительной специальностью...
Информация по физике для 10 класса Учитель физики: Нуршанова а к. Законы теплового излучения электромагнитное излучение iconДокументи
1. /Законы для поступления на госслужбу по состоянию на 05-10-2011/K950001000__KAZ_02_02_2011.doc
Информация по физике для 10 класса Учитель физики: Нуршанова а к. Законы теплового излучения электромагнитное излучение iconУрока в 11 классе. Тема: «Радиоактивные излучения и их биологическое действие на организм человека»
Цели: Формировать у учащихся понятий поглощенной и эквивалентной дозы излучения, для их ознакомления с биологическим действием радиоактивных...
Информация по физике для 10 класса Учитель физики: Нуршанова а к. Законы теплового излучения электромагнитное излучение iconЗадания по русскому языку и математике для 3 класса на осенние каникулы учитель Мельникова Н. А
В трёх классах 77 человек. В первом 28 человек, во втором 25. Сколько человек в третьем классе?
Информация по физике для 10 класса Учитель физики: Нуршанова а к. Законы теплового излучения электромагнитное излучение iconЦель: Повторить с учащимися 10 классов материал по молекулярной физике
Развивать умение на основе знаний по физике объяснить наблюдаемые явления и события
Информация по физике для 10 класса Учитель физики: Нуршанова а к. Законы теплового излучения электромагнитное излучение iconСценарий вечера. Учитель: Семёнова Н. И
Ведущий: “ Добрый вечер, друзья. Сегодня лучшие агенты сыска и их помощники будут решать труднейшие задачи, требующие знаний физики...
Информация по физике для 10 класса Учитель физики: Нуршанова а к. Законы теплового излучения электромагнитное излучение iconУрок на город по английскому языку в 6 классе Учитель английского языка сош №10 Есимканова А. Д. тема «Countable and uncountable nouns.»
Учебные пособия и оборудование: умк по английскому языку для 6 класса Аяпова Т., АбильдаеваЗ., компьютерная презентация, раздаточный...
Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©kzgov.docdat.com 2000-2014
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы