Физика. 8 класс. Барьяхтар

Этот учебник можно скачать в PDF формате на сайте тут.

§ 7. Излучение

В основе нашей жизни лежит обмен энергией. Большей частью энергия попадает на Землю от Солнца (рис. 7.1). Такие источники тепловой энергии, как нефть, газ, уголь, «выросли» под солнечными лучами глубокой древности. Листья, распускающиеся весной под солнечным лучами, ветры и течения, возникающие вследствие разности температур прогретых Солнцем участков Земли, «используют» солнечную энергию сегодняшнего дня. Возникает вопрос: как энергия от Солнца попадает на Землю, ведь между этими космическими объектами практически нет молекул, то есть ни о теплопроводности, ни о конвекции не может быть и речи?

Рис. 7.1. Солнце ежесекундно излучает в окружающее пространство колоссальное количество энергии, некоторая часть которой попадает на Землю

1. Знакомимся с излучением

Если стать у открытого огня (костра, печи и т. и.), можно ощутить, что лицо и другие участки тела нагреваются. Это значит, что от огня передается некоторое количество теплоты. А как передается это тепло? Чтобы получить ответ, вспомним основные этапы познания в физических исследованиях: наблюдение, гипотеза, эксперимент.

Мы наблюдаем, что языки пламени устремляются вверх (если это костер) или направляются в трубу (если это печь или камин), следовательно, туда же движется и теплый воздух. Отсюда первый вывод: когда мы стоим около огня, то получаем энергию не благодаря конвекции (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Наблюдения подтверждают, что, стоя возле открытого огня, мы получаем энергию, но не в результате конвекции

Выдвинем гипотезу: возможно, энергия передается благодаря теплопроводности.

Чтобы проверить эту гипотезу, проведем эксперимент: поместим у огня лист металла (рис. 7.3, а). Он надежно защитит от жара несмотря на то, что металл хорошо проводит тепло. А вот прозрачное стекло, хотя и является хорошим теплоизолятором, защищает от жара меньше, чем непрозрачный металл (рис. 7.3, б). Делаем второй вывод: тепло от открытого огня передается не только благодаря теплопроводности.

Рис. 7.3. Металл, который хорошо проводит тепло, лучше защищает от горячего пламени, чем стекло, являющееся плохим теплопроводником

В данном случае мы имеем дело еще с одним видом теплопередачи — излучением.

Излучение — это вид теплопередачи, при котором энергия передается с помощью лучей (электромагнитных волн).

2. Выясняем некоторые особенности теплового излучения

Электромагнитные волны распространяются даже в вакууме, поэтому излучение отличается от других видов теплопередачи тем, что энергия может передаваться через пространство, в котором отсутствует вещество. Например, энергия от Солнца к Земле и другим планетам передается только благодаря излучению. Но неправильно считать, что излучение играет важную роль только в космосе. Излучение — это универсальный вид теплопередачи, оно осуществляется между всеми телами.

Вспомните, в какой одежде — светлой или темной — вы лучше чувствуете себя в летнюю жару. Какую поверхность — светлую или темную — сильнее нагревают солнечные лучи? Предложите гипотезу о том, как от цвета тела зависит его способность поглощать тепловое излучение.

Чтобы проверить истинность вашей гипотезы, воспользуемся теплоприемником (рис. 7.4). Закрепим его в муфте штатива и соединим с жидкостным манометром. К черной поверхности теплоприемника поднесем горячий электрический утюг (рис. 7.5, а). Уровень жидкости в колене манометра, соединенном с теплоприемником, снизится. Это значит, что воздух в коробке нагрелся и расширился.

Рис. 7.4. Теплоприемник: 1 — пустая коробочка; 2 — черная поверхность; 3 — белая или светлая отполированная поверхность; 4 — ручка; 5 — трубка для соединения с жидкостным манометром

Рис. 7.5. Опыт, демонстрирующий, что способность тела поглощать тепло зависит от цвета поверхности тела

Повернем теплоприемник полированной поверхностью к утюгу — разница уровней

жидкости в коленах манометра будет намного меньше (рис. 7.5, б), то есть воздух в теплоприемнике нагреется слабее.

Тела с темной поверхностью лучше поглощают тепловое излучение, чем тела со светлой или полированной поверхностью.

Опытным путем также установлено, что тела с темной поверхностью не только лучше поглощают тепло, но и активнее его излучают.

Следует отметить, что все тела при любой температуре обмениваются энергией благодаря излучению. То есть любое тело одновременно и излучает, и поглощает тепло. Если температура тела больше температуры окружающих тел, то оно излучает энергии больше, чем поглощает. Если же тело холоднее окружающих тел, то поглощаемая им энергия будет больше излучаемой. Следовательно, излучение, как и любой другой вид теплопередачи, в конце концов приводит к тепловому равновесию.

Подводим итоги

Вид теплопередачи, при котором энергия передается с помощью электромагнитных волн, называют излучением.

Излучение — это универсальный вид теплопередачи, оно осуществляется между всеми телами (даже когда тела находятся в вакууме).

Энергия, которую излучает и поглощает тело, зависит от цвета его поверхности: лучше излучают и поглощают энергию тела с темной поверхностью; тела светлых и серебристых цветов, наоборот, излучают и поглощают энергию хуже.

Контрольные вопросы

1. Почему энергия от Солнца к Земле не может передаваться благодаря конвекции и теплопроводности? 2. Опишите опыт, подтверждающий, что энергия от костра может передаваться не только благодаря теплопроводности. 3. Что такое излучение? 4. Тела какого цвета лучше поглощают тепло? Опишите опыт, подтверждающий ваш ответ. 5. Существуют ли условия, при которых тело не излучает и не поглощает энергию? 6. Что происходит с температурой тела, когда оно излучает энергии больше, чем поглощает?

Упражнение № 7

1. Почему батареи отопления лучше покрывать темной краской?

2. Какой краской лучше покрывать фургоны рефрижераторов?

3. Почему весной загрязненный снег тает быстрее, чем чистый?

4. Зимой в неотапливаемом помещении, окна которого выходят на юг, довольно тепло. Когда такое может быть? Почему?

5. Для чего в термосах откачивают воздух между стенками колбы, а поверхность колбы делают зеркальной?

6. Атмосфера Земли прозрачна, поэтому солнечные лучи проходят сквозь атмосферу почти не нагревая ее. А благодаря чему нагревается атмосферный воздух и от чего зависит степень его нагретости?

7. Заполните таблицу*.

Физическая величина

Символ для обозначения

Единица в СИ

m

°C

кг/м3

Количество теплоты

* Надеемся, вы помните, что в таких заданиях таблицы, приведенные в учебнике, следует переносить в тетрадь.