Изучение физики в школе. Обучающие программы.

Выберите, пожалуйста,
интересующую Вас тему:

Введение

Атомная физика

Электромагнетизм

Механика

Теплота и молекулярная физика

Волны

Оптика

Теория относительности

Колебания

Астрономия

>> Оптика

Описание программы planck

Скачать эту программу 24 Kb

                        Программа 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.