Жылулық сәулелену. Стефан – Больцман және Винн заңы. Ультракүлгін апаты. Планк формуласы. Фотондар. Фотоэффект. Физика, 11 сынып, дидактикалық материал.

Сабақ жоспарына методикалық ұсыныс

РазделБөлім : Атомдық және кванттық физика

Сабақтың тақырыбы: Жылулық сәулелену. Стефан-Больцман және Винн. Ультракүлгін апаты. Планк формуласы.Фотондар.Фотоэффект.

Электромагниттік спектрдегі температура мен шыңның толқын ұзындығы арасындағы байланыс пен әртүрлі температурадағы заттардың қара денелік қисықтарын салу үшін Планк теңдеуі қалай қолданылады? Фотон энергиясы мен оның толқын ұзындығының арасындағы байланыс қандай? Оқушыларды ынталандыру үшін сіз визуализация әдісін қолданасыз. Бұл жаттығуда сұрақтарды визуализациялау үшін Phetcolorado модельдеулерін қолдануға болады. Осыдан кейін оларға сындарлы пікір білдіріңіз.

Мұнда келтірілген типтік жағдай - ыстық заттан оның суық ортаға сәулеленуі, Стефан-Больцман заңы бұл жағдайда шектелмейді. Егер қоршаған орта температурасы жоғарырақ болса (TC> T), сіз объектіге таза сәулелену берілуін білдіретін теріс жауап аласыз. Винның ығысу туралы заңы .

Қара түсті денеің температурасы жоғарылағанда, жалпы сәулеленетін энергия өседі және сәулелену қисық шыңы қысқа толқын ұзындығына ауысады. Планк сәулелену формуласын қолдана отырып максимумды есептегенде, толқын ұзындығы мен температураның шыңы көбейтіндісіне тең болады

Талдау

Бұл байланыс Виннің ығысу заңы деп аталады және сәулеленіп тұрған ыстық дененіңтемпературасын анықтауға ыңғайлы, жұлдыздар тәрізді,сонымен қатар кез келген қызған дене температурасын, айнала температурасынан анағұрлым жоғары температураға ие болатын. Wien қатынасындағы радиациялық қисықтың шыңы қарқындылық толқын ұзындығының функциясы ретінде көрсетілгендіктен ғана шың болатынын атап өткен жөн. Егер көлденең осьте жиілік немесе басқа айнымалы мән қолданылса, шың басқа толқын ұзындығында болады. Стефан-Больцман заңы

Қара денеден шығарылатын жылу энергиясы бірлік секундына абсолютті температураның төртінші дәрежесіне пропорционал және осылай анықталады.

Ыстық денелер үшін идеал қыздырғыштан өзгеше, заң былай жазылады

мұнда е – денеің сәуле шығару қабілеті (е = 1 идеал сәуле шығарушы үшін). Егер ыстық дене салқындау аймақта шығаратын болса температурасы Tc, шығын коэффициенті Стефан-Больцман заңының өрнегіне айналады,сонымен қатар берілген кеңістік көлем бірлігіндегі энергия тығыздығына тәуелді болады.

Ультракүлгін апаты

Винн және Стефан-Больцман заңын меңгеру.

Стефан-Больцман заңын, Винн заңын және Планк формуласын ,қара дененің жылу сәулесін сипаттау және ультракүлгін апаттың себебін түсіндіру үшін оқушылар жұптасып жұмыс жасайды. Бұл жаттығуда біз осы спектрлер мен температура арасындағы байланысты түсіну үшін жұлдыздардың жылу спектрін зерттеу үшін ФЭТ моделін қолданамыз. Бұл байланыс осы спектрлерді сипаттайтын екі заңға - Винн заңы мен Стефан-Больцман заңына қалай әкелетінін көреміз.

Оқытушы студенттерге қиындық туындаған кезде көмектесу. Бұл сабақ 3 бөлімнен тұрады:

1-бөлім: Графиканы түсіну,

бөлім2: Винн заңы

Бөлім 3: Стефан-Больцман заңы

Стефан-Больцман заңының, Винн заңының және Планктың сәулелену формуласының нәтижелерін талқылау үшін студенттер пайдалы сілтемелерден немесе физика оқулығынан алынған pptx материалдары мен басқа ресурстарды қолдана алады. Егер сіздің студенттеріңізде оқулықтар болмаса, оларға теориялық материалдар мен үлестірмелерді басып шығарыңыз.

Қалыптастырушы бағалау

Оқушылар бұл әрекетті үйрене отырып, оны тең-теңімен бағалай алады. Бұрын бітіргендер Workheet 2-нің сұрақтарына жауап беруге тырысуы мүмкін. Сонымен, 2-парақ дарынды және дарынды студенттер үшін қосымша жұмыс парағы болады немесе сіз оларды үй тапсырмасы ретінде пайдалана аласыз. Мұғалім студенттерге көмектеседі. Қиындық туындаған жағдайда мұғалім оқушыларға сараланған тақтайшаларды ұсына алады.

Сараптама нәтижелері бойынша;

Мұғалім кері байланыс береді

Жетістік критерийлері:

жасай біледі:

- Винн және Стефан-Больцман заңдары туралы түсініктерді әр түрлі контексте қолдана білу;

- Винн және Стефан-Больцман заңдары туралы сұрақтарға жауап беру үшін өз біліміңізді қолданыңыз;

- ультракүлгін апатты түсіндіріңіз;

- жұмыс парағындағы сұрақтардың 80% жауап беру;

Саралаудың қосымша мәселелері:

(Жұмыс парағы 2)

Тұрақты СБ: 5.67 x 10-8Wm-2K-4

Винн заңы: 2897

Толқын ұзындығы мен жиілік арасындағы байланыс сипаттаңыз.

Ұзындығы 1380 нм электрмагниттік толқын жиілігі қандай (Гц)?

Жиілігі 5,4 х 1011 кГц электромагниттік толқын ұзындығы қандай (м(?

Какой части спектра (по имени) соответствует вышеуказанная длина волны (Q3)?

3 сұрақтағы толқының энергиясы қандай (Дж)?

Егер Күн температурасы жобамен 5778 ° К болса, сәуленәң толқын ұзындығы қандай болады (нм)?

Жердің сәулеленетін энергиясының жалпы мөлшері 4,412 х 102 Вт / («М2») екенін ескерсек, Жердің қоршаған ортасының температурасын табыңыз. Жауабыңызды Цельсий градусымен көрсетіңіз. Ескерту: Цельсий градусы = Кельвин - 273.15Төмендегі спектрлік таралуды қолдана отырып, Жердің ең көп сәуле шығаратын ауданын анықтаңыз? Спектрдің қай бөлігі осы аймаққа сәйкес келеді?

Стефан-Больцман және Винның ығысу заңдарының қашықтықтан зондтауға қатысты маңыздылығын түсіндіріңіз (5pt).

10. Күн сәулесінен шығатын шыңның толқын ұзындығын есептеңіз, егер оның беткі температурасы 6000 К болса.

11. Қызыл гигант Betelgeuse, толқынның максималды ұзындығы - 828 нм, ал толқын ұзындығы - 263 нм болатын көк сергек Ригель Orion шоқжұлдызында. Осы жұлдыздардың беттік температурасын есептеңіз.

12. Өте үлкен қара дененің жылу температурасы 2,7К құрайды. Оның максималды толқын ұзындығын есептеңіз.

13. Күннің шығу қуатын есептеңіз, егер оның диаметрі 1,39 х 106 км, ал беткі температурасы 5800 К болса.

14. Егер оның жарықтығы 4,09 х 1031 Вт, ал беткі температурасы 3500 К болса, Бетельгеуз радиусын есептеңіз.

жауаптары

10. Предполагая, что Солнце является излучателем черного тела, применяя закон смещения Вейна:

λmax T = 0,0029 мК

λmax x 6000K = 0,0029 мК

λmax = 0,0029 / 6000

Пиковая длина волны = 4,83 х 10-7 м (483 нм)

11. Закон Вейна о перемещении:

λmax T = 0,0029 мК

будет выглядеть так:

Т = 0,0029 мкК / λмакс

Для Бетельгейзе:

Т = 0,0029 мК / 828 нм

= 0,0029 мк / 8,28 х 10-7 м

= 3500 К

Для Ригеля:

Т = 0,0029 мК / 2,63 х 10-7 м

= 11 000 К12. Закон Вейна о смещении:

λmax T = 0,0029 мК

λmax x 2,7K = 0,0029 мК

λmax = 0,0029 / 2,7

Пиковая длина волны

= 0,0011 м

(1,1 мм)

13. Площадь сферы: A = 4π R2

A = 4π x (1,39 x 106 км / 2) 2

= 4π x (1,39 x 109 м / 2) 2

= 4π x (6,95 x 108) 2

A = 6,070 x 1018 м2

Предполагая, что Солнце является излучателем черного тела, применяя закон Стефана:

P = σ A T4

P = (5,67 x 10-8 Вт м-2 K-4) x (6,070 x 1018 м2) x (5800 К) 4

= (5,67 x 10-8) x (6,070 x 1018) x (1,132 x 1015)

Выходная мощность Солнца = 3,89 х 1026 Вт

Это также называется светимостью Солнца

и это близко согласуется с расчетом яркости, выполненным ранее на основе данных интенсивности солнечного света 1360 Вт / м2.

14. Предполагая, что Бетельгейзе является черным телом, применяя закон Стефана:

P = σ A T4

4,09 x 1031 W = (5,67 x 10-8 W m-2 K-4) x A x (3500K) 4

A = (4,09 x 1031) / [(5,67 x 10-8) x (3500) 4]

= (4,09 х 1031) / [(5,67 х 10-8) х (1,501 х 1014)]

= (4,09 х 1031) / (8,509 х 106)

Площадь поверхности Бетельгейзе = 4,81 х 1024 м2

Площадь сферы: A = 4π R2

R = √ (A / 4π) = √ (4,81 x 1024 / 4π)

= √ (3,825 x 1023)

R = 6,18 х 1011 м

Радиус Бетельгейзе = 6,18 х 1011 м (618 000 000 км)

Это примерно в 4 раза больше радиуса орбиты Земли, примерно ¾ орбиты Юпитера. Вот почему Бетельгейзе называют СУПЕР-ГИГАНТОМ.

Сабақ соңында

Сабақты аяқтамас бұрын, оқу мақсаттарыңызға оралып, оқушылардың жетістіктері туралы түсінік беріңіз. Оларға сындарлы кері байланыс беріңіз. Сабақтың соңында оқушылар бағдаршам әдісін қолдана отырып, олардың оқуы туралы ойланады.

Студенттерде бағдаршамдар жиынтығы бар, олар толық түсінетінін (жасыл), ортасында (сары) немесе күресіп жатқанын (қызыл) көрсетеді. Оқытуды жақсартудың себептері мен шешімдерін түсіндіруі керек.

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hframe.html

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/stefan.html

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/wien.html#c2

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/mod6.html#c5

https://www.youtube.com/watch?v=rM23pcV4SNI