Тепловое излучение. (Абсолютно черное тело. Закон Стефана- Больцмана.) Трудности в объяснении явления теплового излучения тел. Гипотеза Планка о световых квантах. Формула Планка

Дата: Класс: 9 Утверждаю:

Тема:

Тепловое излучение. Абсолютно черное тело. Гипотеза Планка о световых квантах.

Цель урока:

дать понятия об абсолютно черном теле и теории Планка

Ожидаемый результат

Проверить знания по усвоению темы звездное небо;

Развивать самостоятельность, усидчивость, внимательность учащихся;

Деятельность учителя

Деятельность обучающихся

наглядности

3 мин.

I. Организационный момент.Приветствует учеников, проверяет готовность к уроку, желает  успеха.

Ученики осмысливают поставленную цель.

5 мин.

II. Проверка домашней работы.

отвечают на вопросы учителя.

20 мин.

III. Актуализация знаний

Свет - это электромагнитные волны с длиной волны 4-10⁷ м и 810⁷ м. Электромагнитные волны излучаются при условии уско­ренного движения частиц. Эти заряженные частицы входят в состав атомов, из которых состоит вещество. Внутри атома нет света. Для того чтобы атом начал излучать, ему необходимо передать энергию. Излучая, атом теряет полученную энергию и для свечения вещества необходим приток энергии к атомам извне.

Тепловое излучение

При столкновении быстрых атомов (или молекул) друг с другом часть их кинетической энергии превращается в энергию возбужде­ния атомов, которые затем излучают свет (Солнце, лампа накалива­ния, пламя и др.).

Электролюм инесценция

При разряде в газе электрическое поле увеличивает Е электро­нов. Быстрые электроны возбуждают атомы в результате неупругого соударения с ними. Возбужденные атомы отдают энергию в виде световых волн (трубки для рекламных надписей, северное сияние идругие).

Катодолюминесценция

Свечение твердых тел, вызванное бомбардировкой этих тел элек­тронами (электронно-лучевые трубки телевизоров).

Хемилюминесценция

Электроны возбуждаются от химических реакций (светлячки и другие живые организмы, бактерии, насекомые, многие рыбы).

Фотолюминесценция

Падающий на вещество свет возбуждает атомы вещества, после чего они излучают свет (светящиеся краски).

В конце XIX в. многие ученые считали, что развитие физики за­вершилось по следующим причинам:

1. Больше 200 лет существуют законы механики, теория всемир­ного тяготения.

2. Разработана молекулярно-кинетическая теория.

3. Подведен прочный фундамент под термодинамику.

4. Завершена максвелловская теория электромагнетизма.

5. Открыты фундаментальные законы сохранения (энергии, им­пульса, момента импульса, массы и электрического заряда).

В конце XIX - начале XX вв. открыты:

В. Рентгеном - Х-лучи;

А. Беккерелем - явление радиоактивности;

Дж. Томсоном - электрон.

Однако классическая физика не сумела объяснить эти явления.

Теория относительности А. Эйнштейна потребовала коренного пересмотра понятий пространства и времени. Специальные опыты доказали справедливость гипотезы Д. Максвелла об электромагнит­ной природе света. Можно было предположить, что излучение элек­тромагнитных волн нагретыми телами обусловлено колебательным движением электронов. Но это предположение нужно было подтвер­дить сопоставлением теоретических и экспериментальных данных.

Для теоретического рассмотрения законов излучений использо­вали модель абсолютно черного тела, т. е. тела, полностью погло­щающего электромагнитные волны любой длины. Австрийские фи­зики И. Стефан и Л. Больцман экспериментально установили, что полная энергия, излучаемая за 1 с абсолютно черным телом с едини­цы поверхности пропорциональная четвертой степени абсолютной температуры:

Е = оТ\

Закон был назван законом Стефана-Больцмана. Он позволил вы­числить энергию излучения абсолютно черного тела по известной температуре. По заданным значениям температуры интенсивность излучения черного тела максимальна и соответствует определенному значению длины волны.

Немецкий физик В. Вин обнаружил, что при изменении темпера­туры длина волны, на которую приходится

Используя законы термодинамики В. Вин получил закон распре­деления энергии в спектре черного тела, который совпадает с экспе­риментальными результатами.

Английский физик Дж. Рэлей сделал попытку более строгого тео­ретического вывода закона распределения энергии. Его закон приво­дит к хорошему совпадению с опытами в области малых частей. По этому закону интенсивность излучения должна возрастать на ~v². Следовательно, в тепловом излучении должно быть много ультрафио­летовых и рентгеновских лучей, чего на опыте не наблюдалось. За­труднения в согласовании теории и результатов эксперимента полу­чили название ультрафиолетовой катастрофы. Законы, полученные Максвеллом, оказались не в состоянии объяснить форму кривой рас­пределения интенсивности в спектре абсолютно черного тела.

В самом конце прошлого века Макс Планк (1858-1947), как и мно­гие до него, искал универсальную формулу для спектральной функции абсолютно черного тела. Ему повезло больше, чем другим - вначале он ее просто угадал, хотя появилась она не вдруг: два года напря­женных размышлений потребовались Планку, чтобы объединить в одной формуле разрозненные куски единой картины явления тепло­вого излучения.

19 октября 1900 г. происходило очередное заседание Немецкого физического общества, на котором экспериментаторы Генрих Рубенс (1885-1922) и Фердинанд Курлбаум (1857-1927) докладывали о но­вых, более точных измерениях спектра абсолютно черного тела. По­сле доклада состоялась дискуссия, в ходе которой экспериментаторы сетовали на то, что ни одна теория не может объяснить их результа­ты. Планк предложил воспользоваться своей формулой. В ту же ночь Рубенс сравнил свои измерения с формулой Планка и убедился, что она правильно, до мельчайших подробностей, описывает спектр аб­солютно черного тела. На утро он сообщил это коллеге и близкому Другу Планку и поздравил его с успехом.

Однако План был теоретик и потому ценил не только оконча­тельные результаты теорий, но и внутреннее их совершенство. К тому же он и не знал, что открыл новый закон природы, и верил, что его можно вывести из ранее известных. Поэтому он стремился тео­ретически обосновать закон излучения, исходя из простых посылок кинетической теории материи и термодинамики. Последовали два месяца непрерывной работы и предельного напряжения сил. Ему это удалось. Но какой ценой! В процессе вычислений он предположил, что энергия испускается порциями (или квантами), которые опреде­ляются формулой:

E = hv,

гдеv-частота излучения; h- постоянная Планка.

15мин.

IV. Закрепление урока.

1.Космический корабль массой 8 т приблизился к орбитальной космической станции массой 20 т на расстояние 100 м. Найти силу их взаимного притяжения. (Ответ: 1 мкН.)

2.Оценить порядок значения силы взаимного тяготения двух кораблей, удален­ных друг от друга на 100 м, если масса каждого из них 10 000 т. (Ответ:порядка 1Н.)

3.Среднее расстояние между центрами Земли и Луны равно 60 земным ради­усам, а масса Луны в 81 раз меньше массы Земли. В какой точке отрезка, соеди­няющего центр Земли и Луны, тело будет притягиваться ими с одинаковой си­лой? (Ответ:В точках, отстоящих на 6 земных радиусов от центра Луны).

обсуждают, отвечают на вопросы своих одноклассников.

Оценивают работу своих одноклассников, пишут телеграммы.

стикеры

2 мин.

VI. Домашнее задание. Объясняет особенности выполнения домашней работы.

Записывают домашнюю работу в дневниках.