Методика изучения «закона абсолютного излучения черного тела» в курсах физики академических лицеев

DOI:

Изучение “Законов излучения абсолютно черного тела” имеет особое значение в разделах квантовой физики курсов физики академических лицеев, входящих в систему дополнительного образования. В качестве обоснования значимости данного раздела отметим следующие положения:

• 1.    В результате экспериментально-теоретического изучения “Абсолютных законов излучения черного тела” был сделан революционный вывод о том, что взаимодействие теплового излучения с веществом, т. е. поглощение излучения в веществах и обмен энергией в процесс излучения, имеет дискретный характер.

• 2.    В процессе излучения и поглощения при дискретном характер энергонесущих частиц определено равенство энергии и импульса кванта энергии.

• 3.    Было доказано, что тепловое излучение представляет собой только низкоэнергетические электромагнитные волны.

В конце XIX начале XX-го века предпринимались попытки физического объяснения кривой излучения на основе результатов экспериментального изучения распределения энергии в энергетическом спектре излучения абсолютно черного тела на основе представлений классической физики, термодинамики, классической статистической физики и электродинамики, но эти попытки не увенчались успехом.

Следует отметить, что экспериментально полученные физические законы (закон Стефана-Больцмана, закон сдвига Винна, закон Релея-Джинcа) объясняли определенную часть спектра излучения. В данной статье уделено внимание описанию исследований, проводившихся в этом направлении в физике того времени с соблюдением исторической последовательности, что важно в образовании школьников.

По теме «Возникновение квантовой физики» даются частичные сведения о кризисе в физике в начале XX века, приводится и кратко поясняется формула закона смещения Вина, а также идея М. Планка и представлена формула кванта энергии, краткая информация о законе Рэлея-Жинса. На основе идеи, введенной М. Планком, дается понимание закона распределения энергии излучения по длине волны, но изображение кривой закона распределения в данном источнике не приводится и не поясняется [1]. Основное значение идеи и формулы Планка связаны с объяснением закона распределения экспериментально определенной энергии. Этим вопросам не уделяется достаточного внимания в учебниках, поэтому несколько страниц информации, представленные в книге, не связаны друг с другом, поэтому очевидно, что учащиеся не понимают этот учебный материал.

Принимая во внимание, что работы, проделанные Планком и другими учеными в этом направлении, связаны с объяснением графика зависимости спектральной плотности энергии излучения абсолютно черного тела от температуры, подчеркнем необходимость учета приведенного графика в учебнике физики для академических лицеев и кратко поясним его согласно формуле Планка [1].

Гипотеза “Квант света” была выдвинута А. Эйнштейном в 1905 г. при изучении фотоэффекта [2, 3]. В первом абзаце этого раздела [2] дается определение для понятия “Тепловое излучение” и отмечается, что оно было введено Кирхгофом на основе понятия “Абсолютно черное тело” и таких понятий, как светоизлучающая и светопоглощающая способность тел [3].

Планк только ввел понятие “Квант энергии” или “Квант”. Словом, эта тема несколько подробнее изучается в академических лицейских учебниках, но мы считаем, что для учащихся было бы хорошо, если бы авторы учебника использовали конкретные данные из литературы при изложении фактов об история физики [4].

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ

Известно, что существуют определенные требования к изучению этого предмета в курсах физики академических лицеев, но основная цель состоит в том, чтобы установить требования к последовательности и этапности в изучении данного предмета. На каждом этапе познания учащихся математическая подготовка, организация обучения с учетом уровня логического мышления и усиление стремления и интереса учащихся к познанию тайн физики служит повышению качества образования и подготовке более зрелых специалистов.

На старших курсах академических лицеях, желательно раскрыть законы излучения абсолютно черного тела глубже, при этом важно раскрыть физическое содержание на основе математических доказательств, обосновать необходимость преподавания данного предмета при подготовке специалистов.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Первоначально внимание было сосредоточено на объяснении модели абсолютно черного тела, причем модель представлялась полой полостью, окруженной абсолютно непроницаемыми стенками.

При этом, если в стенке рассматриваемого резонатора открыть достаточно малую щель ( d * Я ), то даже при выходе излучения через эту щель баланс внутри резонатора не будет нарушен, и излучение, введенное в резонатор через щель, будет полностью поглощаться из-за многократного отражения. Внутри полости устанавливается статистическое равновесие. Таким образом, отверстие с очень маленькой щелью называется моделью абсолютно черного тела. Излучение абсолютно черного тела представляет собой сбалансированное излучение и систему стоячих волн, поляризованных в определенном направлении и имеющих разные частоты. Каждая стоячая волна, как и колеблющийся осциллятор при E = kT имеет соответствующую энергию. В этом случае получается выражение закона Рэлея-Джинса. На основе аналогичных соображенияй получается формула Вина, дающая правильные результаты в области высоких частот [5, 6].

Рисунок 1. Внешний вид спектра излучения абсолютно черного тела при разных температурах.

Figure 1. Appearance of the radiation spectrum of a black body at different temperatures.

Для объяснения кривой зависимости спектральной плотности р_м(Т) абсолютно черного тела от частоты (длины волны) необходимо введение новых представлений, принципиально отличных от представлений классической физики [5, 6] (см. рисунок 1).

Планк решает проблему излучения абсолютно черного тела, используя модель осцилляторов, которые взаимодействуют с излучением и колеблются вокруг равновесного состояния механизма, создающего равновесие теплового излучения. При теоретическом определении и обосновании спектральной плотности излучения абсолютно черного тела Планк, исходя из дискретности энергетического спектра, предположил, что энергетическое распределение числа осцилляторов соответствует распределению Больцмана, и получил следующую формулу:

Все формулы и законы теплового излучения абсолютно черного тела, т.е. формула Рэлея-Джинса, формула Вина, законы Стефана-Больцмана выводятся и доказываются из формулы Планка [5].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, анализ литературы, используемой для преподавания в академических лицеях, показывает, что авторы учебной литературы не следовали последовательности в преподавании этого предмета на других (более ранних) образовательных ступенях. Для совершенствования условий преподавания нами вносятся следующие предложения:

• •    в академических лицеях необходимо формирование математической базы на основе доступной литературы, пригодной как для возраста, так и умственных способностей учащихся;

• •    для отражения физической природы изучаемых материалов считаем уместным сосредоточиться на разработке требований и обеспечении того, чтобы новая литература по данному предмету создавалась в соответствии с вышеуказанными требованиями.