- •23.Дифракция Фраунгофера на одной щели
- •24. Дифракция Френеля на круглом отверстии
- •25.Дифракция на нескольких щелях (дифракционная решетка)
- •26. Угловая дисперсия дифракционной решетки
- •27. Линейная дисперсия
- •Применение полного внутреннего отражения.
- •32. Дисперсия света
- •35. Двойное лучепреломление
- •Закон Малюса
- •37. Эллиптическая и круговая поляризация
- •0,7 Мкм) при таких температурах имеет слишком малую энергию и не может быть обнаружено невооруженным глазом.
0,7 Мкм) при таких температурах имеет слишком малую энергию и не может быть обнаружено невооруженным глазом.
Так как в сторону неба система наземных тел не является замкнутой, то равновесия между телами у поверхности Земли и их излучением не устанавливается. Поэтому все тела, температура которых несколько больше, чем температура земной поверхности, могут быть зафиксированы в микроволновом диапазоне как излучающие объекты. Увидеть такие источники инфракрасного излучения можно только с помощью специальных приборов, в которых микроволновое невидимое глазом излучение регистрируется специальными датчиками инфракрасного излучения и преобразуется в модулированные электрические сигналы, которые управляют электронным пучком, дающим на экране кинескопа видимое изображение предметов.
В конце XX в. произошло качественное изменение техники ночного видения, связанное с созданием электронно-оптических преобразователей нового типа. С помощью современных биноклей и прицелов ночного видения наблюдатель может получить в темноте видимое изображение достаточно высокого качества человека на расстоянии нескольких сот метров или движущегося танка на расстоянии нескольких километров. А пилотажные очки ночного видения позволяют эксплуатировать вертолеты в условиях ограниченной видимости практически круглые сутки.
Задача 1.1. Покажите, что если излучение происходит в объеме достаточно толстого слоя из любого вещества, имеющего на единицу толщины испускательную способность и поглощательную способность , то поверхность этого слоя излучает как абсолютно черное тело. При расчетах ограничиться рассмотрением излучения, распространяющегося в направлении, перпендикулярном поверхности слоя.
Решение: Пусть слой вещества, занимающего полупространство , имеет температуру (рис. 1.6). Выделим тонкий слой этого вещества с координатами от до . На частоте этот тонкий слой излучает по направлению к поверхности поток энергии с единицы площади .
|
Рис. 1.6. |
До выхода с поверхности слоя это излучение проходит слой поглощающего вещества толщиной . При этом по закону Бугера поток энергии излучения уменьшается экспоненциально и при выходе на поверхность становится равным
.
Суммируя излучение от всех слоев, находим испускательную способность поверхности слоя
.
Но по закону Кирхгофа , где - испускательная способность абсолютно черного тела. Поэтому , и мы тем самым доказали, что поверхность слоя излучает как абсолютно черное тело.
Этот важный вывод поясняет, например, почему излучение с поверхности достаточно большого объема высокотемпературной плазмы и, в частности, с поверхности Солнца, близко по спектральному составу к излучению абсолютно черного тела.
Задача 1.2. Максимум испускательной способности Солнца приходится на длину волны мкм. Считая излучение Солнца близким к излучению абсолютно черного тела, оцените суммарную площадь панелей солнечной батареи мощностью кВт на орбитальной околоземной космической станции. К.п.д. солнечной батареи принять равным . Астрономические величины взять из таблиц.
Решение: Из закона смещения Вина по формуле (1.11) определим температуру поверхности Солнца
.
Теперь по закону Стефана-Больцмана находим энергетическую светимость Солнца и полную мощность излучения с его поверхности
.
Здесь м - радиус Солнца.
Считая, что Солнце излучает по всем направлениям изотропно, находим солнечную постоянную , равную потоку энергии излучения через единицу поверхности сферы, радиус которой равен среднему расстоянию от Солнца до Земли м. При этом
.
Итак, в космическом пространстве вблизи Земли на каждый квадратный метр поверхности, перпендикулярной солнечным лучам, за одну секунду падает 1,6 кДж энергии солнечного излучения. Часть этой энергии в солнечной батарее превращается в электрическую энергию. С учетом к.п.д. солнечной батареи, находим ее электрическую мощность
.
Отсюда определяем площадь панелей солнечной батареи
.
1) Звездочкой в дальнейшем мы будем отмечать характеристики теплового излучения абсолютно черного тела.
Излучательная способность нагретых тел пропорциональна их поглощательной способности при той же температуре. Размышляя над формулой для спектра абсолютно черного тела, Макс Планк пришел к выводу, что энергия излучения Еизл пропорциональна его частоте V: E = hv, где h — коэффициент пропорциональности, называемый постоянной Планка (постоянная Планка равна 6,626-1034 Джс). Планк пришел к выводу о том, что запас энергии колебательной системы, находящейся в равновесии с электромагнитным излучением, не может принимать любые значения. Энергия элементарных систем, поглощающих и излучающих электромагнитные волны, обязательно должна быть равна целому кратному некоторого определенного количества энергии. Минимальное количество энергии, которое система может поглотить или излучить, называется квантом энергии и определяется приведенной выше формулой. Следующим шагом в объяснении закономерностей фотоэффекта, не укладывающихся в рамки классической теории, было расширение Альбертом Эйнштейном гипотезы Планка об излучении света в виде отдельных порций — квантов с энергией, пропорциональной частоте света. Эйнштейн в 1905 году высказал предположение о том, что фотоэффект свидетельствует о дискретном строении света, т.е. о том, что излучаемая электромагнитная энергия распространяется и поглощается подобно частице (названной затем фотоном). Интенсивность падающего света при этом определяется числом световых квантов, падающих на один квадратный сантиметр освещаемой плоскости в секунду. Отсюда число фотонов, которые испускаются единицей поверхности в единицу времени, должно быть пропорционально интенсивности освещения. Идеи применения светового давления в космонавтике были высказаны еще Ф.А. Цандером. По его мнению, движение летательных аппаратов в космическом пространстве возможно не только по ракетодинамическому и баллистическому (под действием сил всемирного тяготения) принципам полета. Вполне реально использование «солнечного паруса» — устройства, обеспечивающего перемещение космического аппарата световым давлением солнечных лучей (солнечного ветра). Солнечный парус представляет собой устанавливаемую на аппарат и развертываемую в полете непрозрачную пленку (например, металлизированную полимерную) большой площади, способную сообщить значительную скорость за достаточно большое время благодаря действию на нее солнечного излучения. Ограничением в применении солнечного паруса является то, что космический аппарат с подобным движителем может двигаться только в одном направлении (от Солнца), а сила солнечного давления мала и убывает пропорционально квадрату расстояния от Солнца.
40. Абсолютно Черное Тело — это тело, поглощающее электромагнитное излучение любой длины волны. Спектр излучения такого тела определяется его температурой. Наиболее точно абсолютно черному телу соответствует замкнутое непрозрачное полое тело с отверстием. Любой кусок вещества при нагревании светится и при дальнейшем повышении температуры становится сначала красным, а затем — белым. Цвет от вещества почти не зависит, для абсолютно черного тела он определяется исключительно его температурой. Примером абсолютно черного тела является обычная или мартеновская печь. В печи любое тело не только нагревается и излучает само, но также поглощает и отражает излучение других тел, находящихся там же. Если в эту печь поместить два равных по величине шара, но сделанных из разного материала, то можно увидеть два совершенно одинаковых шара. Это происходит потому, что если шар, сделанный из одного материала, сильнее излучает «свои» лучи, то он, соответственно, и больше поглощает «чужие», в то время как другой шар, излучая меньше «своих» лучей, одновременно больше отражает «чужих». Таким образом, общий поток лучей от обоих шаров одинаков, и их нельзя отличить ни друг от друга, ни от стенок печи. Это явление носит название закона Кирхгофа.