Содержание
Фізика процесу випромінювання. Приклади випромінювання в побуті і природі
Випромінювання – це фізичний процес, результатом якого є передача енергії з допомогою електромагнітних хвиль. Зворотний випромінювання процес називається поглинанням. Розглянемо це питання детальніше, а також наведемо приклади випромінювання в побуті і природі.
Фізика виникнення випромінювання
Будь-яке тіло складається з атомів, які, в свою чергу, утворені ядрами, позитивно зарядженими, і електронами, які утворюють електронні оболонки навколо ядер і заряджені негативно. Атоми влаштовані таким чином, що вони можуть знаходитися в різних енергетичних станах, тобто володіти як більшою, так і меншою енергією. Коли атом має найменшу енергію, то говорять про його основному стані, будь-яке інше енергетичне стан атома називається збудженим.
Існування різних енергетичних станів атома пов’язано з тим, що його електрони можуть розташовуватися на тих чи інших енергетичних рівнях. Коли електрон переходить з більш високого рівня на більш низький, то атом втрачає енергію, яку він випромінює в навколишній простір у вигляді фотона – частинки-носія електромагнітних хвиль.
Навпаки, перехід електрона з більш низького на більш високий рівень супроводжується поглинанням фотона.
Перевести електрон атома на більш високий енергетичний рівень можна кількома способами, які передбачають передачу енергії. Це може бути як дія на розглянутий атом зовнішнього електромагнітного випромінювання, так і передача йому енергії механічним або електричним способами. Крім того, атоми можуть отримувати, а потім виділяти енергію в результаті хімічних реакцій.
Електромагнітний спектр
Перш ніж переходити до прикладів випромінювання у фізиці, необхідно відзначити, що кожен атом випускає певні порції енергії. Це відбувається тому, що стани, в яких може перебувати електрон в атомі, є не довільним, а суворо визначеними. Відповідно перехід між цими станами супроводжується випромінюванням певної кількості енергії.
З атомної фізики відомо, що фотони, породжувані в результаті електронних переходів в атомі, що володіють енергією, яка прямо пропорційна їх частоті коливань і обернено пропорційна довжині хвилі (фотон – це електромагнітна хвиля, яка характеризується швидкістю поширення, довжиною і частотою).
Оскільки атом речовини може випускати тільки певний набір енергій, значить, довжини хвиль испущенных фотонів теж є конкретними. Набір всіх цих довжин називається електромагнітним спектром.
Якщо довжина хвилі фотона лежить між 390 нм і 750 нм, то говорять про видимому світлі, оскільки його здатний сприймати людина своїми очима, якщо довжина хвилі менше 390 нм, то такі електромагнітні хвилі володіють великою енергією і називаються ультрафіолетовим, рентгенівським або гамма-випромінюванням. Для довжин більше 750 нм характерна невелика енергія фотонів, вони носять назву інфрачервоного, мікро – або радіовипромінювання.
Теплове випромінювання тіл
Всяке тіло, яке має деяку відмінну від абсолютного нуля температури, випромінює енергію, у цьому випадку говорять про тепловий або температурному випромінюванні. При цьому температура визначає як електромагнітний спектр теплового випромінювання, так і кількість испускаемой тілом енергії. Чим більше температура, тим більшу енергію випромінює тіло в навколишній простір, і тим сильніше його електромагнітний спектр зміщується у високочастотну область.
Процеси теплового випромінювання описуються законами Стефана-Больцмана, Планка і Вина.
Приклади випромінювання в побуті
Як вище було сказано, енергію у вигляді електромагнітних хвиль випромінює абсолютно будь-яке тіло, однак бачити неозброєним оком цей процес можна не завжди, оскільки температури оточуючих нас тіл, як правило, дуже маленькі, тому їх спектр лежить в низькочастотній невидимою для людини області.
Яскравим прикладом випромінювання у видимому діапазоні є електрична лампа розжарювання. Проходячи по спіралі, електричний струм розігріває вольфрамову нитку до 3000 К. Така висока температура призводить до того, що нитка починає випромінювати електромагнітні хвилі, максимум яких припадає на довгохвильову частину видимого спектру.
Ще один приклад випромінювання в побуті – мікрохвильова піч, яка генерує мікрохвилі, невидимі для людського ока. Ці хвилі поглинаються об’єктами, що містять воду, тим самим збільшуючи їх кінетичну енергію і, як наслідок, температуру.
Нарешті, прикладом випромінювання в побуті в інфрачервоному діапазоні є радіатор батареї опалення. Його випромінювання ми не бачимо, але відчуваємо це тепло.
Природні об’єкти випромінюють
Мабуть, самим яскравим прикладом випромінювання в природі є наша зірка – Сонце. Температура на поверхні Сонця приблизно 6000 К, тому його максимум випромінювання припадає на довжину хвилі 475 нм, тобто лежить всередині видимого спектру.
Сонце розігріває знаходяться навколо нього планети і їх супутники, які теж починають світитися. Тут слід відрізняти відбите світло і теплове випромінювання. Так, нашу Землю можна бачити з космосу у вигляді блакитної кулі саме завдяки відбитому сонячному світлу. Якщо ж говорити про тепловому випромінюванні планети, то воно також має місце, але лежить в області мікрохвильового спектру (близько 10 мкм).
Крім відбитого світла, цікаво навести ще один приклад випромінювання в природі, який пов’язаний з цвіркунами. Випускається ними видиме світло ніяк не пов’язаний з тепловим випромінюванням і є результатом хімічної реакції між киснем повітря і люциферином (речовина, що міститься в клітинах комах).
Це явище носить назву біолюмінесценції.
Дивіться також:
Уроку «Випромінювання»
Урок 7
Дата:
Клас: 8
Тема: Випромінювання
Мета уроку:
Навчальна. Познайомити учнів з випромінюванням як одним зі способів теплопередачі; установити особливість процесу випромінювання і урахування його специфіки у побуті й техніці.
Розвивальна. Розвивати логічне мислення, розширити кругозір учнів.
Виховна. Викликати цікавість до вивчення предмету.
Тип уроку: вивчення нового матеріалу
Обладнання: навчальна презентація, комп’ютер.
Хід уроку
І. ОРГАНІЗАЦІЙНИЙ ЕТАП
Фронтальне опитування
1. Що називають теплопровідністю?
2.
Як відбувається передача енергії в процесі теплопровідності?
3. У якому стані речовина гірше проводить тепло — у твердому, рідкому чи газоподібному?
4. Чому тварини не замерзають навіть у сильний холод?
5. Які матеріали добре проводять тепло? Де їх застосовують?
6. Назвіть матеріали, які погано проводять тепло. Де їх застосовують?
II. АКТУАЛІЗАЦІЯ ОПОРНИХ ЗНАНЬ ТА ВМІНЬ
Існує три види теплопередачі (теплообміну): теплопровідність, конвекція та випромінювання.
Сьогодні на уроці ми познайомимося з випромінюванням.
Ми вже знаємо, що гази й рідини погано проводять тепло.
Чому ж тоді нагрівається повітря в кімнаті від радіаторів водяного опалення?
Чому нагрівається вода в каструлі, яку поставлено на ввімкнену плиту?
Чому охолоджується напій, якщо в нього покласти кубик льоду?
IІІ.
ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
План
- Поняття випромінювання
- Деякі особливості теплового випромінювання
Випромінювання
Питання класу
- Сонце – джерело тепла на Землі. Земля отримує енергію Сонця з відстані 150 млн км крізь космічний вакуум. Як відбувається передача тепла від Сонця до Землі?
Проведемо дослід
Помістимо біля вогню лист металу. Він надійно захистить від жару незважаючи на те, що метал добре проводить тепло.
А от прозоре скло, хоча воно і є гарним теплоізолятором, захищає від жару менше, ніж непрозорий метал.
Як же відбулася теплопередача?
Випромінювання — це вид теплопередачі, в ході якого енергія передається за допомогою електромагнітних хвиль.
2. Особливості випромінювання
Питання класу
- В якому одязі – світлому чи темному – ви краще почуваєтесь у літню спеку?
- Яку поверхню – світлу чи темну – сильніше нагрівають сонячні промені?
Проведемо дослід
Закріпимо теплоприймач в муфті штатива та сполучимо з рідинним манометром.
З даного досліду можна зробити висновки:
Тіла з темною поверхнею краще поглинають теплове випромінювання, ніж тіла зі світлою або полірованою поверхнею.
Тіла з темною поверхнею активніше випромінюють тепло, а отже, швидше охолоджуються.
Будь-яке тіло водночас і випромінює, і поглинає тепло. (Якщо температура тіла більша за температуру тіл навколо, то воно випромінює енергії більше, ніж поглинає. Якщо ж тіло холодніше за навколишні тіла, то енергія, яку воно поглинає, буде більшою, ніж випромінювана.)
ІV. ЗАКРІПЛЕННЯ НОВИХ ЗНАНЬ ТА ВМІНЬ
Розв’язування задач
1. Чому Сонце не може передавати енергію Землі шляхом конвекції і теплопровідності?
2. Чому в холодному приміщенні у нас, насамперед, мерзнуть ноги?
3.
Чому батареї центрального опалення завжди розташовують у нижній частині приміщення, а кватирки для провітрювання — у верхній?
4. Чому рибалки, що працюють на вітрильних суднах, намагаються іти в море вночі, а повертатися з лову удень?
5. Чи дійсно працюючий вентилятор охолоджує повітря у приміщенні?
6. Який сніг швидше розтане під сонцем — брудний чи чистий?
7. У якій футболці менш спекотно влітку — у білій чи чорній?
8. Чи можна в термосі зберегти холодними продукти?
9. Повітря в класі нагрівається через стіни, через відкрите вікно, через скло (а в зимовий час — від батарей центрального опалення). З яким видом теплопередачі ми стикаємося у кожному випадку?
10. Людина гріється біля багаття. Який із трьох видів теплопередачі відіграє головну роль у передачі тепла від багаття до людини?
V. ПІДБИТТЯ ПІДСУМКІВ УРОКУ
Бесіда за питаннями
1. Що таке конвекція?
2.
Назвіть причини виникнення природної конвекції.
3. Чи можлива конвекція в речовинах, які перебувають у твердому стані?
4. Що називають примусовою конвекцією?
5. Наведіть приклади проявів конвекції в природі та в житті людини.
6. Що таке випромінювання?
7. Тіла якого кольору краще поглинають тепло?
8. Тіла якого кольору гірше поглинають тепло?
9. Що можна сказати про співвідношення поглинання і випромінювання енергії тілом, якщо температура тіла зменшується?
VІ. Домашнє завдання
Вивчити § 7, Вправа № 7 (2,3,5 – усно, 7 – пис)
ЦІКОВО ЗНАТИ
Усі тіла, без винятку, випромінюють теплову енергію (інфрачервоні промені). Сонце, багаття, людина, тварини випромінюють інфрачервоні промені. Лід також випромінює. Але нам здається, що від нього «віє холодом». Це відчуття виникає тому, що рука отримує від льоду менше теплової енергії, ніж сама випромінює.