Выберите, пожалуйста, |
>> Оптика Описание программы planckПрограмма planck Применяется при изучении курса физики повышенного уровня в 11 классе. Наглядно демонстрирует функцию распределения спектральной плотности интенсивности излучения абсолютно черного тела в большом диапазоне температур. Помогает учителю при объяснении законов теп- лового излучения. После запуска программа запрашивает, будет ли рассматриваться узкий или широкий диапазон температур. Для начального знакомства с материалом предпочтительнее первое (видимый участок спектра элект- ромагнитных излучений при этом изображается на кране более широким и детальнее просматривается). Выбор режимов осуществляем так, как требует инструкция на экране. В начале появляются оси координат; на оси абсцисс изображаются длины волн в нм, на оси ординат - в условных единицах - распреде- ление спектральной плотности интенсивности в зависимости от длины волны. Длины волн, воспринимаемые глазом, отмечены соответствующи- ми цветами. Если теперь ввести значение температуры, входящее в выбранный диапазон, то на дисплее появится график, характерный для излучения абсолютно черного тела при заданной температуре, а в правом верхнем углу запоминается температура, для которой он пост- роен. На графике оказывается выделенной длина волны, которой соот- ветствует максимум спектральной плотности интенсивности (в режиме работы с широким диапазоном температур численное значение этой длины волны, рассчитанное по закону Вина, тоже выводится на эк- ран). Задавая новые значения температур, мы получаем на той же картинке соответствующие им графики и можем анализировать получен- ные результаты. Для смены диапазона температур следует вводить cимвол "s", для изменения режима работы - "r", для выхода из программы - "q". Методические рекомендации для учителя, применяющего программу: Если программа используется при объяснении нового материала, то сначала запускают режим узкого диапазона температур и выбирают температуры в пределах 2000 К - 10 000 К. Введя температуру 3500 К, обращаем внимание учащихся, что график начинается с длин волн порядка 300 нм и уходит в бесконечность. Это означает, что при указанной температуре нагретое (черное) тело излучает электромаг- нитные волны всех длин, начиная с близкого ультрафиолета, видимый свет и инфракрасные лучи всех длин волн. Отмечаем неравномерность распределения энергии: график имеет максимум в ближней инфракрас- ной области (максимальная спектральная плотность интенсивности приходится на длину волны 825 нм), значит тело с такой температу- рой является, в основном, источником инфракрасного излучения. В видимой части спектра, как это видно по графику, распределение энергии тоже неравномерное - на красный цвет приходится наибольшая энергия; чем ближе к фиолетовому концу спектра, тем энергия мень- ше. Предлагаем теперь учащимся проанализировать особенности излуче- ния тела, нагретого до более высокой температуры и вводим Т=4000 К. Сравнение графиков показывает, что увеличение температуры всего на 16% привело, во-первых, к сильному увеличению площади под гра- фиком, что объясняется резким ростом интегральной (по всем длинам волн) излучающей способности нагретого тела с повышением темпера- туры (по закону Стефана-Больцмана она пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры). Во-вторых, энергетический макси- мум сдвинулся в сторону более коротких волн. В-третьих, теперь большей оказывается площадь под графиком в области, расположенной за фиолетовым концом спектра, следовательно, такое тело является более мощным источником ультрафиолета. Объясняем ученикам, что приблизительно такую температуру имеет, например, дуговой разряд, который находит широкое применение при сварке и резке металлов на строительных, ремонтных и других работах и который дети, несомнен- но, не раз наблюдали. Здесь уместно подчеркнуть, что ультрафиоле- товое излучение вредно для зрения и поэтому недопустимо смотреть невооруженным глазом на высокотемпературные источники света. Вводя все более высокие температуры, наблюдаем подтверждение найденных закономерностей (увеличение интегральной излучательной способности, сдвиг максимума излучения к коротким волнам, рост до- ли ультрафиолета в излучении). Желательно подробнее проанализиро- вать особенности излучения при температуре 6000 К - температуре Солнца, дарящего всем нам жизнь. Обращаем внимание, что максимум его излучения приходится на желто-зеленый участок спектра; именно к нему приспособился наш глаз и имеет в этом диапазоне наибольшую чувствительность. Отмечаем, что различные цвета в свете нашего светила "неравноправны": максимум спектральной плотности интенсив- ности падает как к красному, так и к фиолетовому краям спектра. Именно такого состава свет мы называем "белым". Отмечая большую площадь под графиком в области ультрафиолета, говорим, что не будь в земной атмосфере спасительного озонового слоя, поглощающего большую часть особо вредного для организмов мощного коротковолнового излучения Солнца, жизнь на Земле была бы невозможна (хотя небольшая доза "мягкого" ультрафиолета, пропущен- ная атмосферой, оказывает благотворное действие, вызывая загар и образование витамина D, укрепляя кости). Космонавты, выходящие в открытый космос, лишены защиты "атмосферного щита" и вынуждены пользоваться специальными фильтрами. Такой фильтр использовал, например, наш земляк А.А. Леонов, первым вышедший в открытый кос- мос. Далее можно предложить ученикам предсказать, каковы будут осо- бенности излучения при температурах 6500 К, 7000 К, а затем, введя эти температуры, проверить правильность их прогнозов. Рассматривая последние графики, можно обратить внимание на следующее: 1) При температурах выше 6000 К максимум излучения сдвинут от зелёного цвета в сторону фиолетового, причем на последний прихо- дится большая спектральная плотность интенсивности, чем на крас- ный; такой свет уже не воспринимается глазом как белый, он имеет голубоватый оттенок. 2) При Т=7000 К общая излучаемая энергия согласно закону Стефа- на-Больцмана столь велика, что программа не в состоянии вместить график на прежнем рисунке (при тех же масштабах); приходится пере- ходить на другие режимы. Так же поступаем и при рассмотрении тем- ператур ниже 3500 К - в этом случае график располагается столь низко (мала излучающая способность!), что трудно просматриваются его детали. Обращаясь к очень высоким температурам (режим 1, вариант 2), прослеживаем межпредметную связь (физика-астрономия). Объясняем, что у звезд с температурой поверхности 20 000 К - 30 000 К макси- мум спектральной плотности интенсивности лежит в ультрафиолетовой части спектра и они почти всю свою энергию излучают в этом диапа- зоне. Среди видимых лучей преобладают фиолетовые и синие, поэтому мы видим такие звезды голубыми. Показав графики, соответствующие сравнительно низким температу- рам (порядка 1000 К, просим учеников объяснить, почему спирали до- машнего электрокамина светятся красным цветом, какого рода из лу- чение в основном испускает этот прибор ? Уместно подчеркнуть, что любое тело (и тело человека, в том числе), поскольку его темпера- тура всегда выше абсолютного нуля, испускает электромагнитное из- лучение (в далеком инфракрасном или радиодиапазонах). Именно на таком принципе работают тепловизоры, способные в полной темноте "видеть" предметы за счет их собственного излучения. Подобные при- боры используют в военном деле для обнаружения военной техники, снабженной тепловыми двигателями, и живой силы противника. Тепло- визоры применяют и представители самой мирной профессии - медики: на снимке тела человека в инфракрасных лучах, им же излучаемых, можно отчетливо увидеть участки с повышенной температурой, указы- вающей на происходящий здесь болезненный процесс. Вызывает интерес у учащихся и предложение учителя подсчитать, используя закон Вина, какой длине волны соответствует максимум излучения тела здорового и больного человека, а потом, используя компьютерную программу, проверить результат. Возможен и другой вариант применения программы, предполагающий большую самостоятельность деятельности учащихся. Он особенно умес- тен, если в школе есть компьютерный класс, когда каждый ученик или небольшая группа может использовать персональный компьютер или от- дельное рабочее место, оборудованное монитором и клавиатурой. В этом случае преподаватель заготавливает систему вопросов (и алго- ритм поиска ответов на них), на которые дети должны получить отве- ты, самостоятельно работая с программой. Обобщая результаты иссле- дования в ходе беседы, учитель подводит класс к пониманию и форму- лировке законов теплового излучения. В любом случае, заканчивая изучение темы, можно предложить контрольные вопросы, подобные следующим (см.сборники задач и уп- ражнений В.П. Демковича, А.П. Рымкевича, П.А. Рымкевича): - Почему черно-белые кинофильмы снимают при любом освещении, а цветные - при солнечном или дуговом освещении (либо на специальную кинопленку)? (Ответ: распределение энергии в спектре дугового раз- ряда близко к таковому в естественном солнечном свете из-за бли- зости температур.) - Каким образом опытный рабочий-кузнец без всяких приборов мо- жет "на глаз" оценить температуру сильно нагретой детали? (Ответ: цвет раскаленной детали зависит распределения энергии в ее спект- ре, а оно, в свою очередь, определяется температурой.) - Почему "световая отдача" лампы накаливания (отношение энер- гии, излучаемой ею в видимом диапазоне к полной энергии) уменьша- ется при понижении питающего напряжения, а цвет становится красно- ватым? (Ответ: при понижении температуры максимум излучения сдви- гается к невидимым инфракрасным лучам, коротковолновая часть спектра исчезает, в видимой части спектра остаются лишь длинновол- новые лучи, близкие к красным.) Ответы предлагается подтвердить или обосновать графиками прог- раммы planck. |