Урок по теме: «Тепловое излучение. Законы Стефана-Больцмана и Вина. Люминесценция»

План-конспект урока по физике 9 класса

Тема: Тепловое излучение. Законы Стефана-Больцмана и Вина. Люминесценция.
Цель: объяснение нового материала
Задачи:
Образовательная – изучить тепловое излучение, закон Стефана-Больцмана, закон смещения Вина, правило Стокса, что называется испускательной и поглощательной способностью, абсолютно черным телом, люминесценцией;
Развивающая – развить внимание, способность к анализу, развитие мышления, формирование умений самостоятельно приобретать и применять знания;
Воспитательная – воспитание дисциплинированности, а также воспитание добросовестности и ответственности у детей.
Тип урока: комбинированный.
Оборудование: доска, мел, губка, проектор, указка.
План урока:
Побуждение (организационный момент);
Реализация (объяснение нового материала);
Рефлексия (решение задач);
Домашнее задание.
Ход урока.
«Здравствуйте, дети! Садитесь! Дежурный, кого нет в классе? Итак, начнем урок. Поставьте цифру 1 и запишите вопросы по нашей теме (т.е. что Вы хотите узнать на уроке). (Ответы учеников).
II. Перейдем к рассмотрению нового материала. В 6 главе мы рассмотрим ряд явлений, таких, как тепловое излучение, фотоэффект, эффект Комптона и т.д.
Тепловое излучение
Из повседневных наблюдений известно, что тела, нагретые до высоких температур, начинают светиться. Излучение тел, обусловленное нагреванием, называется тепловым, или температурным излучением. Тепловое излучение является самым распространенным в природе, оно совершается за счет энергии теплового движения атомов и молекул вещества, т.е. за счет внутренней энергии тел.
Любое тело может не только испускать, но и поглощать тепловое излучение. Поместим излучающее тело в полость с идеально отражающей поверхностью (рис.1) и удалим из нее воздух.
Излучение тела отражается от стенок полости и, упав на тело, частично или полностью поглотится им. Следовательно, между телом и заполняющим полость излучением будет происходить непрерывный обмен энергий. По истечении некоторого времени наступит равновесие, т.е. тело в единицу времени будет излучать столько же энергии, сколько и поглощать. Тепловое излучение – единственный вид излучения, который является равновесным.
Равновесие теплового излучения обусловлено тем, что его интенсивность возрастает с повышением температуры. Допустим, что равновесие между телом и излучением нарушено и тело испускает больше энергии, чем поглощает. Тогда температура тела понижается, и оно начинает излучать менее интенсивно. Таким образом, температура тела, а значит и количество излучаемой им энергии уменьшается до тех пор, пока опять не наступит тепловое равновесие.
Интенсивность теплового излучения можно характеризовать его мощностью. Мощность излучения единицы поверхности излучающего тела по всем направлениям (в пределах телесного угла 413 EMBED Equation.3 1415) называется интегральной энергетической светимостью тела. Эту величину будем обозначать буквой R, она является функцией температуры. Интенсивность теплового излучения в разных диапазонах частот (длин волн) разная. Поэтому вводят понятие спектральная плотность энергетической светимости, или испускательная способность тела:
13 EMBED Equation.3 1415,
где 13 EMBED Equation.3 1415 - мощность излучения с единицы поверхности тела в интервале частот шириной 13 EMBED Equation.3 1415.
Испускательной способностью тела называется мощность излучения с единицы площади поверхности тела в интервале частот единичной ширины. Испускательная способность тела также сильно зависит от температуры.
Способность тел поглощать падающее на них излучение характеризуется спектральной поглощательной способностью, определяемой как отношение потока поглощенной телом энергии к потоку падающей лучистой энергии. Если на единицу поверхности тела падает поток лучистой энергии 13 EMBED Equation.3 1415, обусловленный электромагнитными волнами в интервале частот 13 EMBED Equation.3 1415, то часть этой энергии 13 EMBED Equation.3 1415 поглощается. Спектральная поглощательная способность тела определяется как
13 EMBED Equation.3 1415
Поглощательная и испускательная способности тела являются функциями температуры и частоты.
Тело, полностью поглощающее упавшее на него излучение всех частот, называется абсолютно черным. Для абсолютно черного тела 13 EMBED Equation.3 1415, для всех остальных тел а<1.
Закон Кирхгофа.
Пусть внутри полости находятся несколько тел (рис. 2). Воздух внутри полости откачали, температура Т поддерживается постоянной. Тела будут обмениваться энергией между собой и стенками полости путем испускания и поглощения электромагнитных волн. В результате через некоторое время наступит тепловое равновесие – все тела будут иметь температуру Т. Поскольку в дальнейшем температура тел меняться не будет, то тело, испускающее больше энергии (обладающее большей испускательной способностью r), должно и поглощать больше энергии (обладать большей поглощательной способностью а). Другими словами, чем больше испускательная способность тела, тем больше его поглощательная способность. Поэтому можно записать 13 EMBED Equation.3 1415, где индексы 1, 2, 3, означают, что соотношения относятся к телам 1, 2 и 3.
Таким образом, отношение лучеиспускательной способности тела к его поглощательной не зависит от материала тела и является универсальной функцией частоты и температуры для всех тел. Этот закон был установлен Кирхгофом в 1895 г. и называется законом Кирхгофа. Закон Кирхгофа можно записать в виде:
13 EMBED Equation.3 1415
Для абсолютно черного тела а=1, поэтому 13 EMBED Equation.3 1415, т.е. универсальная функция Кирхгофа 13 EMBED Equation.3 1415 есть испускательная способность абсолютно черного тела.
Абсолютно черных тел в природе не существует.
Законы Стефана-Больцмана и Вина.
Австрийский физик и. Стефан в 1879 г., анализируя экспериментальные данные, пришел к выводу, что энергетическая светимость любого тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры. Однако Л. Больцман в 1884 г. на основе термодинамических соображений теоретически получил такую же зависимость для энергетической светимости абсолютно черного тела. Выводы Стефана для любых тел оказались справедливыми лишь для абсолютно черного тела. Итак, соотношение между энергетической светимостью абсолютно черного тела и термодинамической температурой получило название закона Стефана-Больцмана:
13 EMBED Equation.3 1415,
где 13 EMBED Equation.3 1415=5,67*10-8 Вт/м2*К4 – постоянная Стефана-Больцмана.
Из закона Стефана-Больцмана следует, что энергетическая светимость абсолютно черного тела зависит от температуры. Но этот закон не дает ответа на вопрос о спектральном составе его излучения. Распределение энергии в спектре абсолютно черного тела было изучено сначала экспериментально. Графики зависимости спектральной плотности энергетической светимости (испускательной способности) абсолютно черного тела от частоты представлены на рис. 3.
Из рисунка видно, что распределение энергии в спектре излучения абсолютно черное тела является неравномерным. Все кривые имеют явно выраженный максимум, который с ростом температуры смещается в сторону более коротких волн (в область больших частот). Именно поэтому кусок раскаленного металла, к примеру, сначала становится красным, затем оранжево-желтым и, наконец, желтовато-белым. Площадь, ограниченная каждой кривой и осью абсцисс, определяет интегральную энергетическую светимость 13 EMBED Equation.3 1415 при данной температуре. В соответствии с законом Стефана-Больцмана эта площадь (т.е. 13 EMBED Equation.3 1415) растет с увеличением температуры пропорционально 13 EMBED Equation.3 1415.
Немецкий физик В. Вин установил зависимость частоты, соответствующей максимуму испускательной способности абсолютно черного тела 13 EMBED Equation.3 1415, от температуры:
13 EMBED Equation.3 1415.
Частота, соответствующая максимальному значению спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела, прямо пропорциональна его абсолютной температуре. Это- закон смещения Вина.
Обычно закон смещения Вина записывают в другой форме – через длину волны, соответствующую максимуму:
13 EMBED Equation.3 1415,
где 13 EMBED Equation.3 1415=2,9*10-3 м*К – постоянная Вина.
Дать теоретическое обоснование спектральных закономерностей излучения абсолютно черного тела впервые удалось немецкому ученому Максу Планку. Для этого ему пришлось ввести так называемую квантовую гипотезу, совершенно чуждую классической физике. В классической физике предполагается, что энергия любой системы может изменяться непрерывно, принимая ряд любых близких значений. Согласно квантовой гипотезе Планка, излучение энергии происходит дискретно, «порциями». «Порцию» энергии назвали квантом. Энергия кванта пропорциональна частоте:
13 EMBED Equation.3 1415,
где 13 EMBED Equation.3 1415 - универсальная постоянная, получившая название постоянной Планка: 13 EMBED Equation.3 1415=6,626*10-34 Дж*с.
Заметим, что постоянная Планка является одной из фундаментальных констант, например, таких, как скорость света с или элементарный заряд е.
Закон Стефана-Больцмана используется для измерения температуры раскаленных тел, эти методы называются оптической пирометрией, а приборы для измерения температуры нагретых тел – пирометрами.
Люминесценция.
Люминесценцией называется неравновесное излечение тел, избыточное над тепловым при данной температуре и имеющее большую длительность, чем период световых колебаний. По определению С.И. Вавилова, люминесценция – это излучение без нагревания. В зависимости от способов возбуждения различают катодолюминесценцию (под действием бомбардировки тел электронами), электролюминесценцию (под действием электрического поля), хемилюминесценцию (при химических реакциях); фотолюминесценцию (под действием света) и т.д. По длительности свечения условно различают: флуоресценцию (13 EMBED Equation.3 141510-8) и фосфоресценцию (примерно от 10-4 c до нескольких минут).
Электролюминесценция вызывается электрическим разрядом в газах. Хемилюминесценция наблюдается в результате протекания некоторых химических реакций в веществе. Яркость хемилюминесценции может на несколько порядков превышать яркость теплового излучения данного вещества при температуре опыта.
Фотолюминесценция возбуждается электромагнитным излучением видимого или ультрафиолетового диапазона. Фотолюминесценцию изучал еще Д. Стокс, который в 1852 г. установил, что длина волны люминесцентного излучения всегда больше длины волны света, возбудившего его. Это правило Стокса, оно объясняется квантовой теорией на основе закона сохранения энергии. Квант энергии падающего излучения частично расходуется на какие-то неоптические процессы, например, на нагревание:
13 EMBED Equation.3 1415,
Отсюда 13 EMBED Equation.3 1415 или 13 EMBED Equation.3 1415, что и соответствует правилу Стокса. Следует отметить, что иногда правило Стокса нарушается, и фотолюминесцентное излучение имеет длину волны меньшую, чем длина волны возбуждающего излучения (так называемое антиксовоизлучение). В данном случае к энергии 13 EMBED Equation.3 1415 кванта возбуждающего излучения добавляется энергия теплового движения атомов люминесцирующего вещества, поэтому 13 EMBED Equation.3 1415.
Люминесцентное излучение можно наблюдать в природе: свечение некоторых насекомых, минералов, гниющего дерева, северное сияние.
На явлении люминесценции основан люминесцентный анализ состава вещества. Этот метод очень чувствителен. По интенсивности спектральных линий люминесценции можно определить ничтожно малые примеси порядка 10-11 г в 1 г исследуемого вещества.
Следующее применение люминесценции – люминесцентные источники света, которые не требуют нагрева, дают излучение в сравнительно узкой области и являются очень экономичными.
III. 1) Абсолютно черное тело имеет температуру Т1=2900 К. В результате остывания тела длина волны, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости, изменилась на 13 EMBED Equation.3 1415=9 мкм. До какой температуры Т2 охладилось тело?
Дано: Решение:
Т1=2900 К Согласно первому закону Вина 13 EMBED Equation.3 1415 (1) и 13 EMBED Equation.3 1415 (2).
13 EMBED Equation.3 1415=9 мкм =9*10-6 м Изменение длины волны, на которую приходится
13 EMBED Equation.3 1415=2,9*10-3 м*К максимум спектральной плотности энергетической
светимости, 13 EMBED Equation.3 1415 (3). Подставляя (1) и (2) в (3),
Т2 -? получаем 13 EMBED Equation.3 1415, откуда 13 EMBED Equation.3 1415.
13 EMBED Equation.3 1415.
Ответ: Т2 =290 K.
IV. Домашнее задание: § 47-48, упр 37, упр 38

Root EntryEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation Native