Widmo promieniowania ciała doskonale czarnego

Zagadnienia

• Ciało czarne
• Prawo Plancka
• Prawo Wiena
• Promieniowanie elektromagnetyczne
• Mechanika kwantowa
• Astronomia

Opis

Symulacja Widmo promieniowania ciała doskonale czarnego pozwala uczniom zbadać, w jaki sposób temperatura ciała doskonale czarnego wpływa na obiekt. Odkryj związek między temperaturą a długością fali, której odpowiada maksimum promieniowania i promieniowaniem widmowym.

PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, https://phet.colorado.edu Na licencji CC BY 4.0

W opracowaniu niniejszego poradnika wykorzystano materiały PhET: Strona źródłowa symulacji, Teacher Tips (López, sierpień 2023)

W szablonie strony wykorzystano kod html/css: phydemo.app.

Poziom

Szkoła średnia

Przykładowe cele nauczania

• Opisz, co dzieje się z widmem ciała doskonale czarnego, gdy zwiększasz lub zmniejszasz temperaturę. Co dzieje się z kształtem krzywej i jej szczytem?
• Opisz widmo ciała doskonale czarnego żarówki. Dlaczego żarówki się nagrzewają? Czy wydają się wydajne?
• Wyobraź sobie, że widzisz 2 gorące, świecące obiekty — jeden świeci na pomarańczowo, a drugi na niebiesko. Który jest cieplejszy?
• Znajdź zależność między temperaturą a długością fali, której odpowiada szczyt krzywej.

Przykładowe materiały teoretyczne

• Promieniowanie ciała doskonale czarnego (ZPE)
• Ciało doskonale czarne (AGH)
• Promieniowanie ciała doskonale czarnego (OpenStax)
• Ciało doskonale czarne (Wikipedia)

Sterowanie symulacją

Ekran symulacji

Jak ma się widmo promieniowania termicznego Słońca do światła widzialnego? Dowiedz się więcej o widmach ciał traktowanych jako doskonale czarne, takich jak Syriusz A, Słońce, żarówka, piekarnik czy Ziemia. Reguluj temperaturę, żeby zobaczyć jaki ma wpływ na rozkład natężenia w widmie. Zobacz długość fali (kolor), której odpowiada maksymalne natężenie (maksimum krzywej spektralnej).

Opcje dostosowywania

Poniższe parametry query umożliwiają dostosowanie symulacji i można je dodać, dołączając znak '?' do adresu URL symulacji i oddzielając każdy parametr query znakiem '&'. Ogólny wzorzec adresu URL to: …html?queryParameter1&queryParameter2&queryParameter3

Na przykład, jeśli w aplikacji Widmo promieniowania ciała doskonale czarnego chcesz włączyć tryb projektora (colorProfile=projector), z wyłączonymi linkami zewnętrznymi (allowLinks=false), użyj: https://www.edukator.pl/tik_edukator/blackbody-spectrum_all.html?colorProfile=projector&allowLinks=false

Aby uruchomić to w języku polskim (locale=pl), adres URL będzie wyglądał następująco: https://www.edukator.pl/tik_edukator/blackbody-spectrum_all.html?locale=pl&colorProfile=projector&allowLinks=false

Wskazuje, że dostęp do tego dostosowania można uzyskać też z menu Preferencje w symulacji.

Parametr query i opis	Przykłady
locale - określa język symulacji przy użyciu kodów ISO 639-1. Dostępne wersje językowe można znaleźć na stronie symulacji w zakładce Tłumaczenia. Uwaga: działa to tylko wtedy, gdy adres URL symulacji kończy się na “_all.html”.	locale=pl (polski) locale=fr (francuski)
colorProfile - zmienia kolory symulacji dla łatwiejszej projekcji.	colorProfile=projector
allowLinks - jeśli false, wyłącza linki, które prowadzą uczniów do zewnętrznego adresu URL. Domyślnie jest true.	allowLinks=false

Ułatwienia dostępu

Tryb projektora i tryb pełnoekranowy

Po kliknięciu logo PhET (na dole po prawej) pojawia się okno zawierające informacje dotyczące symulacji. Możemy tu zmienić sposób jej wyświetlania.

Klikając Pełny ekran przechodzimy do trybu pełnoekranowego (powrót - klawisz escape).

Klikając Opcje… w pojawiającym się oknie możemy zaznaczyć Tryb projektora, aby ułatwić projekcję. Następuje wtedy odwrócenie kolorów, tak jak na zrzucie ekranu poniżej.

Wersje offline, niewymagające połączenia z internetem

Dostępne są również wersje symulacji niewymagające połączenia z internetem.

Aplikacja PhET Desktop zawiera wszystkie symulacje HTML5 i Java, w tym ich tłumaczenia, do użytku offline w systemach Windows i macOS (dostępne po zalogowaniu tu). Symulacje HTML5 nie wymagają dodatkowego oprogramowania, natomiast do uruchamiania dowolnych symulacji Java w aplikacji komputerowej jest wymagany Java SE Development Kit 8.

Za symboliczną opłatą możemy pobrać w postaci jednej aplikacji wszystkie materiały PhET, które zostały opublikowane w html5. Telefony, tablety i Chromebooki (z systemem Android): Google Play. iPhone'y i iPady (aplikacja na iOS): App Store

Darmową wersję desktopową tej aplikacji pobierzemy bezpośrednio klikając tu - wersja _pl zawiera polską (domyślną) i angielską wersję językową i tu - wersja _all zawiera angielską (domyślną) i wszystkie inne dostępne wersje językowe lub ze strony PhET (klikając przycisk ze strzałką przy wybranej wersji językowej):

Uproszczenia modelu

• Natężenie promieniowania ciała jest obliczane jako całka radiancji spektralnej po długości fali od zera do nieskończoności, a wartość ta nie zmienia się, gdy uczniowie powiększają obraz. Mimo że oś x zaczyna się od 0 μm, najmniejsza długość fali, z którą można wchodzić w interakcje w symulacji, wynosi 0,001 μm. Z tego powodu pole wyboru nazwy wyświetli ultrafiolet z najkrótszą długością fali w widmie elektromagnetycznym.

Sugestie dotyczące wykorzystania

Wskazówki dotyczące wszystkich symulacji zawarte są w informacjach ogólnych.

Więcej porad dotyczących korzystania z symulacji z uczniami można znaleźć na stronach PhET w sekcji Wskazówki dotyczące korzystania z PhET.

Przykładowe polecenia

• Porównaj widmo ciała doskonale czarnego Słońca ze światłem widzialnym.
• Opisz widmo ciała doskonale czarnego żarówki. Gdzie znajduje się maksimum widma? Dlaczego żarówki się nagrzewają? Czy wydają się efektywne?
• Opisz, co dzieje się z kształtem i wartością maksymalną krzywej widmowej promieniowania w miarę zmiany temperatury.
• Wyobraź sobie, że widzisz na niebie dwie gwiazdy, z których jedna świeci na pomarańczowo, a druga na niebiesko. Która z nich jest gorętsza?
• Określ zależność między szczytową długością fali (odpowiadającą maksimum natężenia promieniowania) a temperaturą ciała doskonale czarnego.

Zobacz wszystkie opublikowane na stronach PhET aktywności dla Widmo promieniowania ciała doskonale czarnego tutaj (dostęp do materiałów wymaga zalogowania).