Курс лекций. Курс лекций ОЭФ(Кв) 14 (копия). Курс лекций по дисциплине Общая и экспериментальная физика для студентов ВлГУ
 Скачать 7.12 Mb.
|
Основные параметры ФЭУ:Световая анодная чувствительность (отношение анодного фототока к вызывающему его световому потоку при номинальных потенциалах электродов), составляет 1—104 А/лм Спектральная чувствительность (равная спектральной чувствительности фотокатода, умноженной на коэффициент усиления умножительной системы, лежащий обычно в пределах 10³—108) (до 1011)[1]; Темновой ток (ток в анодной цепи в отсутствие светового потока), как правило, не превышает 10−9—10−10 А. Лекция 5. Давление света. План лекции. Опыты Лебедева. Величина давления света. Применение светового давления.  Опыты по обнаружению и измерению величины светового давления проводил Лебедев. Объяснить причину светового давления можно, как с точки зрения волновой физики (по Максвеллу), так и с точки зрения корпускулярных предсталений. На рисунке представлена принципиальная схема установки к опыту Лебедева по измерению светового давления. На тонкой невесомой нити подвешено коромысло, на концах которого закреплены два диска – черный и белый. При облучении светом, коромысло поворачивается и нить закручивается. Вращение коромысла легко можно понять, если учесть разную величину давления света на белую и черную поверхность. Лебедев рассчитал величину светового давления по углу закручивания нити. Объясним и рассчитаем величину светового давления с точки зрения квантовых представлений. Световое давление объясняется тем, что каждый фотон обладает импульсом. Величина светового давления численно равна изменению импульсов фотонов, падающих на единицу площади поверхности за единицу времени. Импульс фотона равен  . Величина светового давления. Рассчитаем световое давление, производимое на разные поверхности. Поглощающая (черная) поверхность. Пусть на единицу площади поверхности падает световая энергия равная произведению количества фотонов на энергию одного фотона.  Давление Рпогл на поглощающую поверхность:  , где  –изменение импульса одного фотона при поглощении . Таким образом, давление света на поглощающую поверхность  .Отражающая (белая) поверхность. Аналогично рассуждая, получим величину светового давления:  . Величина светового давления на белую поверхность оказалась в 2 раза больше, чем на черную. Таким образом эта разность давлений создает вращательный момент коромысла в опыте Лебедева.Реально не существует идеально поглощающих и идеально отражающих поверхностей. Поэтому каждая поверхность характеризуется своим коэффициентом отражения  , где Nотр- отраженное количество фотонов, N - падающее на поверхность количество фотонов. Число поглощенных фотонов равно: .Рассчитаем световое давление на поверхность, с коэффициентом отражения ρ:       - общая формула для любой поверхности. В частных случаях, имеем:поглощающая поверхность  отражающая поверхность  Рассчитаем величину светового давления для разных случаев. Определите давление лучей Солнца: а) на поверхность черного тела; б) на зеркальную поверхность; в) на поверхность стеклянной пластинки, поглощающей 6% энергии солнечных лучей и отражающей 4% этой энергии. Тела находятся на поверхности Земли, угол падения во всех случаях равен нулю, интенсивность солнечной радиации I0= I.35∙103 Дж м-2 с-1. Решение С  ветовое давление на поверхность тела с коэффициентом отражения ρ рассчитывается по формуле: где I - интенсивность светового потока. а) ρ = 0; ра = I0/c; б) ρ = 1; рб = 2(I0/c). в)Давление на стеклянную пластинку возникает в результате отражения и поглощения света; свет, проходящий через пластинку, давления не создаёт. Следовательно, рв = р1 + р2 , где р1 - давление, оказываемое при отражении света, а р2 -давление, оказываемое при поглощении света.  Вычисления дают: рв = 6,3∙10-7 Н/м2. Световое давление по величине мало по сравнению с атмосферным давлением в 1010 раз, но есть случаи, когда с ним приходится считаться. Из астрономии известно, что давление света отклоняет газопылевой хвост комет в сторону «от Солнца». Классификацию кометных хвостов предложил в XIX в. замечательный русский астроном Ф.А. Бредихин. Хвосты I типа – прямые, направленные от Солнца. По современным представлениям они образованы ионизированными молекулами кометной атмосферы, которые Хвосты II типа изогнуты и по отношению к орбите кометы отклоняются назад. солнечным ветром уносятся прочь от ядра. Образуются они непрерывно истекающими из ядра частичками пыли. Хвосты III типа – короткие, почти прямые, заметно отклоняющиеся от линии «Солнце – ядро кометы». Такие хвосты образуются при единовременных «извержениях» из ядра целого облака пылинок различных размеров, растягивающихся поэтому в полоску под действием светового давления.
Лекция 6. Тепловое излучение. План лекции. Рассмотреть законы излучения абсолютно черного тела. Пусть излучающая системой является атом. Излучение (эмиссия) любого электромагнитного излучения и света происходит в результате переходов атомов из состояния с большей энергией (возбужденные состояния) в состояние с меньшей энергией (см. рисунок).  Если атом находится в состоянии с минимальной энергией – это устойчивое невозбужденное состояние. Время жизни атома в этом состоянии стремится к бесконечности. Если атом поглотил энергию равную разности двух состояний  , то он перешел в возбужденное состояние – атом возбудили.Время жизни в возбужденном состоянии мало  . Атом самопроизвольно переходит из состояния с энергией Е2 в состояние Е1. Любая система стремится перейти в состояние с минимальной энергией, излучая квант энергии  – закон сохранения и превращения энергии. Таким образом, чтобы атом излучал его надо возбудить. Способы возбуждения могут быть различны. В зависимости от способа возбуждения меняется вид излучения. Рассмотрим тепловое излучение. Т  епловое излучение – электромагнитное излучение, которое возбуждается собственным (тепловым) движением атомов, молекул или их систем. Тело излучает при любой температуре. С увеличением температуры спектр излучения смещается в область коротких длин волн. Тепловое излучение в отличие от холодного (люминесцентного) может быть равновесным, при котором температура тела не меняется. На рисунке показаны процессы излучения и поглощения энергии телом, находящемся в адиабатической оболочке в состоянии теплового равновесия (Т = const) – равновесное излучение. Введем основные характеристики теплового излучения. Пусть тело нагрели до температуры Т с единицы площади поверхности 1  за единицу времени 1 с тело излучает энергию  ;  в интервале длин волн   - спектральная излучательная (лучеиспускательная) способность тела или спектральная плотность энергетической светимости как функция длин волн или частоты и температуры.Физический смысл: спектральная излучательная способность тела – величина численно равная энергии излучаемой телом с единицы площади поверхности за единицу времени в единичном интервале длин волн. Единицей измерения является:  Поглощательная способность  , если на тело падает энергия , то часть энергии отражается, а часть – поглощается. Величина показывает, какую долю поглощающей энергии  составляет от всей падающей энергии.  Maксимальное значение  –для абсолютно черного тела.В природе не существует абсолютного черных тел, существуют близкие к ним (например, сажа и черный бархат). Абсолютно черное тело можно смоделировать как полость с отверстием, размеры которого значительно меньше размеров полости (см. рисунок). Отношение спектральной излучательной способности к поглощательной не зависит от природы тела, оно является для всех тел одной и той же функцией  или  . (закон Кирхгофа). Если  (абсолютное черное тело), то из закона Кирхгофа  ,где - спектральная излучательная способность абсолютно черного тела, а - спектральная излучательная способность серого тела.Законы излучения абсолютно черного тела Экспериментально законы излучения черного тела изучались в конце 19 в. Результаты экспериментального распределения энергии в спектре излучения черного тела для разных температур представлены графически (см. рисунок).  Выводы: Спектральная излучательная способность абсолютно черного тела увеличивается с возрастанием температуры для каждой длины волны. Кривые имеют один максимум. Чем больше температура, тем максимум более острый. С увеличением температуры максимум смещается в область коротких длин волн. Кривые не пересекаются. Теоретически, эти результаты объясняли Вин, Релеей, Джинс, Планк. Ими получены следующие законы: 1). Закон смещения Вина:  -температура тела,  = (постоянная Вина). Закон Вина читается: длина волны, на которую приходится максимум спектральной излучательной способности, обратно пропорциональна температуре.2). Закон Стефана-Больцмана:  , где  , – энергетическая светимость (интегральная лучеиспускательная способность тела). - равна энергии, излучаемой с единицы площади поверхности за единицу времени во всем интервале длин волн и вычисляется как интеграл, то есть численно равна площади под графиком функции ε (λ,Т). (постоянная Стефана-Больцмана).Основной задачей теории теплового излучения является объяснение экспериментального распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела, т.е. получение аналитического выражения для функции , .Исходя из классической (волновой) физики Релей, Джинс получили зависимость:   Сравнение этих результатов с экспериментом показывает, что выводы теории хорошо совпадают с экспериментом в области малых частот (больших длин волн), а в области больших частот (малых длин волн) кривая уходит в бесконечность, что противоречит законам равновесного излучения. Эту ситуацию Эренфест назвал ультрафиолетовой катастрофой. Эту же проблему решает Вин и получает результаты:  которые дают хорошее совпадение с экспериментом в области больших частот (малых длин волн), но не совпадают в области малых частот, то есть больших длин волн. Вывод: законы классической физики не объясняют эксперимента во всей области излучения черного тела. М. Планк, решая ту же проблему, в 1900году высказывает предположение о том, что энергия излучается не непрерывно ( в соответствии с волновой физикой), а дискретно, т.е. в виде порций энергии  , где  - частота излучения,  - постоянная Планка, h =  Планком была получена формула для которой теоретические и экспериментальные данные совпадают. Формула Планка запишется:  , где k - постоянная Больцмана = c = – скорость света в вакууме.Анализ формулы Планка прост:  , но при T=const ,  зависит только от частоты. Но уже в механика зависимость энергии от частоты колебаний определялась линейной функцией, а значит и  , т.е. энергия излучения отдельного молекулярного осциллятора зависит только от частоты.Таким образом, молекулы в полости А.Ч.Т. излучают на частоте ν энергию равную hν, где h = const, а поэтому при фиксированной частоте эта энергия не может быть изменена. Записанную как hν ,порцию энергии назвали квантом энергии, а затем уже возникла необходимость отыскать и её материального переносчика. Так был открыт фотон. С 1900 года начинает развиваться квантовая физика, в основе которой лежит идея Планка о квантовании энергии. Новая физика не перечеркивает старую, а включает ее результаты как предельные. Бор сформулировал принцип дополнительности: ни волны, ни частицы никогда не проявляют одновременно в одном эксперименте и волновые и корпускулярные свойства. В каждом случае, для полного описания явления необходимо использовать и волновую и корпускулярную модель и каждая имеет свою границу применимости. Излучению присущ корпускулярно-волновой дуализм. Чем короче длина волны, тем больше проявление корпускулярных свойств частиц, чем больше длина волны – волновые свойства излучения. |
2004 году лидером в практическом воплощении работ по созданию космических аппаратов с солнечным парусом становится Япония .Теперь же главная цель японских инженеров — демонстрация маневрирования и значительных изменений орбиты при помощи солнечного паруса в ходе его полёта к Венере. 