Рабочая программа дисциплины 1. Тепловое излучение 2. Лектор К.ф.-м.н., ст. преп., Сергеева Ирина Александровна, кафедра молекулярной физики физического факультета МГУ, [email protected], 8(495)9391088. 3. Аннотация дисциплины. В данном курсе содержатся основы теории равновесного излучения. Изучаются оптические характеристики излучающих поверхностей и веществ (газов, нагретых тел, жидкостей и твердых поверхностей). Рассматриваются различные формы закона Кирхгофа для равновесного излучения, приведены современные модели черного тела. Приводятся классические работы Лебедева по доказательству существования давления света. Рассматривается закон смещения Вина и использование этого закона для оценки температуры нагретых тел, адиабатические инварианты (Голицына) в черном излучении. Рассматриваются статические методы в теории теплового излучения: формула Вина, Релея-Джинса, Планка, а также тепловое излучение реальных тел и явления переноса (тепловая радиация реальных поверхностей, тепловое излучение в пространстве между телами с различной температурой). Подробно излагаются методы оптической пирометрии (яркостная, цветовая, радиационная), которые имеют прикладное значение для студентов кафедры (работа с тепловизором), а также перенос энергии излуением и радиационный теплообмен. 4. Цели освоения дисциплины. Освоение данной дисциплины подробно знакомит студентов с историей развития теории теплового излучения, основными законами равновесного излучения, статистическими методами в теории теплового излучения, излучением реальных тел, явлениями переноса. Основные понятия курса важны для квантовой физики и квантовой электродинамики. 5. Задачи дисциплины. В результате освоения дисциплины обучающийся должен знать основные законы равновесного изучения (различные формы законы Кирхгофа, Стефана-Больцмана, закон смещения Вина), статистические методы в теории теплового излучения (формулы Вина, Релея-Джинса, Планка). Изучить свойства излучения высокотемпературных газов (квантовые законы поглощения и испускания в атомах и молекулах, коэффициент поглощения в газах, вероятность спонтанных и вынужденных переходов и т.д.), а также тепловое излучение реальных тел и методы оптической пирометрии. 6. Компетенции. 7.1. Компетенции, необходимые для освоения дисциплины. ПК-1; ОНК-5; ОНК-6 7.2. Компетенции, формируемые в результате освоения дисциплины. ПК-2 7. Требования к результатам освоения содержания дисциплины В результате освоения дисциплины студент должен знать основные законы термодинамики и статистической физики; уметь применять полученные знания для решения прикладных задач; владеть необходимым математическим аппатратом; иметь опыт деятельности 8. Содержание и структура дисциплины. Вид работы Семестр Всего Стр. 1 из 7 Общая трудоёмкость, акад. часов Аудиторная работа: Лекции, акад. часов Семинары, акад. часов Лабораторные работы, акад. часов Самостоятельная работа, акад. часов Вид итогового контроля (зачёт, зачёт с оценкой, экзамен) 6 … … … … … … … 7 36 … 36 … … 36 экзамен 8 … … … … … … … 72 … … … … … … Стр. 2 из 7 N раздела Наименование раздела Трудоёмкость (академических часов) и содержание занятий Аудиторная работа Семинары Лекции 1 Законы равновесного излучения Самостоятельная работа Лабораторные работы 2 часа. История развития теплового излучения. Характеристика поля излучения. … … 2 часа. Оптические характеристики вещества. Оптические характеристики поверхностей. … … 2 часа. Законы Кирхгофа для равновесного излучения. Различные формы закона Кирхгофа. Современные модели черного тела. … … 2 часа. … Давление света. Давление лазерного излучения. Решающий эксперимент в физике – доказательство существования давления света. Опыт Лебедева. 2 часа. Закон Стефана-Больцмана. Следствия закона Стефана-Больцмана. … Тепловое излучение реальных тел. Явления переноса излучения 2 часа. Формула Вина. Формула РелеяДжинса. 2 часа. Планковский излучатель. Формула Планка. 2 часа. Энтропия и вероятность. Статистический вывод формулы Планка. … … 2 часа. Решение задач на определение интенсивности излучения и объемной плотности энергии излучения и потока энергии 2 часа. Решение задач на определение коэффициентов злучения, рассеяния и поглощения вещества; излучательной и поглощательной способностей поверхности. 2 часа. Работа с лекционным материалом. Законы Кирхгофа для равновесного излучения. Различные формы закона Кирхгофа. Современные модели черного тела. 2 часа. Работа с лекционным материалом. Решение задач на определение светового давления. ДЗ, КР, Р, Об. 2 часа. Работа с лекционным материалом. Закон Стефана-Больцмана. Следствия закона Стефана-Больцмана. 2 часа. Решения задач, используя адиабатические инварианты. 2 часа. Закон смещения Вина. Адиабатические инварианты в черном излучении. 2 Форма текущего контроля … … 2 часа. Работа с лекционным материалом. Формула Вина. Формула РелеяДжинса. 2 часа. Изучить предельные случаи формулы Планка. 2 часа. Работа с лекционным материалом. Энтропия и вероятность. Статисти- ДЗ, КР, Р, Об. Стр. 3 из 7 2 часа. Решающий эксперимент в физике, подтверждающий формулу Планка. Опыты Рубенса и Курльбаумана. Статистика фотонного газа. … 2 часа. … Квантовые законы поглощения и испускания в атомах и молекулах. Вероятности спонтанных и вынужденных переходов. … 2 часа. Спонтанное и индуцированное излучение. Коэффициенты Эйнштейна. Лазеры. … … 2 часа. … Интенсивность спектральных линий. Коэффициент поглощения излучения в газах. … 2 часа. Тепловая радиация реальных поверхностей. Тепловое излучение в пространстве между телами с различной температурой. 2 часа. Методы яркостной температуры (яркостная пирометрия). Метод цветовой пирометрии. Радиационная температура. Радиационный пирометр. 2 часа. Локальное термодинамическое равновесие. Уравнение переноса излучения. Некоторые частные случаи решения уравнения переноса излучения. 2 часа. Радиационная теплопроводность. Особенности излучения во Вселен- ческий вывод формулы Планка. 2 часа. Работа с лекционным материалом Решающий эксперимент в физике, подтверждающий формулу Планка. Опыты Рубенса и Курльбаумана. Статистика фотонного газа. 2 часа. Работа с лекционным материалом Квантовые законы поглощения и испускания в атомах и молекулах. Вероятности спонтанных и вынужденных переходов. 2 часа. Решение задач на определение плотности энергии излучения при статистическом равновесии. Изучить предельные случаи: при T→∞, Uν→∞ и ν→0 2 часа. Решение задач на оценку поперечного сечения фотона σν для соответствующих переходов: связанносвязанных, связанно-свободных, свободно-свободных 2 часа. Решение задач на вычисление излучательной (Eν) и поглощательной (Aν) способности металлов. 2 часа. Работа с лекционным материалом Методы яркостной температуры (яркостная пирометрия). Метод цветовой пирометрии. Радиационная температура. Радиационный пирометр. 2 часа. Работа с лекционным материалом. Изучить некоторые частные случаи решения уравнения переноса излучения. 2 часа. Работа с лекционным материалом. Радиационная теплопроводность. Стр. 4 из 7 ной. Реликтовое излучение, его свойства. 2 часа. Гипотеза происхождения реликтового излучения. Гипотеза большого взрыва. Особенности излучения во Вселенной. Реликтовое излучение, его свойства. 2 часа. Работа с лекционным материалом. Гипотеза происхождения реликтового излучения. Гипотеза большого взрыва. Стр. 5 из 7 9. Место дисциплины в структуре ООП ВПО 1. Обязательная дисциплина. 2. Вариативная часть, блок В-ПД, дисциплина профиля, ПК-2. 3. Знания профильного курса необходимы для работы на современном экспериментальном оборудовании кафедры молекулярной физики, используемом для научноисследовательской работы и в межкафедральном практикуме. 3.1. Необходимы знания термодинамики и статистической физики, молекулярной физики, математического анализа, дифференциальных уравнений. 3.2. Приобретенные знания необходимы для правильной интерпретации полученных экспериментальных данных и постановке новых научных задач. 10. Образовательные технологии включение студентов в проектную деятельность, психологические и иные тренинги, дискуссии, применение компьютерных симуляторов, 11. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации Пример домашнего задания: 1. Рассчитать величину светового давления, испытываемого земной поверхностью, которая рассматривается как совершенно поглощающая и расположенная перпендикулярно солнечным лучам. 2. Лазерный луч с λ~0,5 мкм, мощностью 1 Вт фокусируется в пятно с r≈λ. На зеркальную частицу, помещенную в это пятно, будет действовать сила f≈10-3 дин. При плотности частиц, равной 1 г/см3, m=10-12 г рассчитать ускорение частицы относительно ускорения свободного падения. 3. Определить температуру верхних слоев солнечной атмосферы, если максимум энергии излучения в спектре Солнца соответствует 5500 Å. 4. Оценить величину σν в газах для соответствующих переходов: связанно-связанных и связанно-свободных. Примеры контрольных вопросов: 1. Дайте определение спекральной интенсивности поля излучения (в каком объеме может распространяться). 2. Дайте определение оптических характеристик вещества (коэффициенты поглощения, излучения и рассеяния, индикатрисы рассеяния). 3. Определите разницу между поглощательной способностью поверхности и коэффициентом поглощения вещества (в каких единицах измеряются). 4. Сформулируйте закон Кирхгофа для равновесного излучения и его основные формы. 5. Приведите примеры различных моделей черного тела (области применимости). Примеры тем рефератов: 1. Давление света. Давление лазерного излучения. 2. Решающий эксперимент в физике – доказательство существования давления света. Опыт Лебедева. 3. Термография. Тепловизоры. 4. Гипотеза происхождения реликтового излучения. Гипотеза большого взрыва. Стр. 6 из 7 12. Учебно-методическое обеспечение дисциплины Основная литература: 1. 2. 3. 4. 5. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М. Наука.1970. Планк М. Теория теплового излучения. Л. М. ОНТИ ГРОТЛ. 1935. Гарбуни М. Физика оптических явлений. М. Энергия. 1967. Бурдаков В.П. и др. Термодинамика. В 2-х ч. М.: Дрофа. 2009. Квасников И.А. Термодинамика и статистическая физика. Учебное пособие. В 2-х ч. М. Едиториал УРСС, 2002. 6. Голицын Б.Б. Избр. тр. Т.I. М.: изд-во АН СССР. 1960. 7. Эшкин А. Даление лазерного излучения. УФН. 1973. т.II0, вып. I. 8. Ахманов С. А., Никитин С. Ю. Физическая оптика. Изд-во МГУ. Наука. 2004. 9. Магунов А.Н. Спектральная пирометрия. М. Физматлит. 2012. 10. Мирошниченко В.И. Методы и средства оптической пирометрии. М. Изд-во МЭИ. 2004. 11. Ельяшевич М.А. Атомная и молекулярная спектроскопия. М. Физ.мат. гиз. 1962. 12. Гордов А.Н. Основы пирометрии. М. Металлургия. 1971. 13. Адрианов В.Н. Основы радиационного и сложного теплообмена. М. Энергия, 1972. 30. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М.: Наука. 1966. 14. Филиппов Л.П. Исследование теплопроводности жидкостей. М.: Изд-во МГУ. 1970. 15. Аллен Л., Джонс Д. Современные проблемы физики. Основы физики газовых лазеров. Наука. 1970. Дополнительная литература: 1. Ллойд Дж. Системы тепловидения. М. Мир. 1978. 2. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. М. Мир. 1988. 3. Богомолов П.А., Сидоров В.И., Усольцев И.Ф. Приемные устройства ИК-систем.М. Радио и связь. 1987. 4. Красильников Н.Н. Теория передачи и восприятия изображений. М. Радио и Связь. 1986. 5. Логвиненко А.Д. Чувственные основы восприятия пространства. М. МГУ. 1985. 6. Abraham Pais. “SUBTLE is the LORD. The science and the life of Albert Einstein”. Oxford Univercity Press. 1982. Интернет-ресурсы: 1.Материалы курса доступны на сайте кафедры молекулярной физики http://molphys.phys.msu.ru в разделе Файловый архив -> Список кафедральных курсов 2. http://allphysics.ru/phys 13. Материально-техническое обеспечение В соответствии с требованиями п.5.3. образовательного стандарта МГУ по направлению подготовки «Физика». Аудитория 2-44. В наличии есть проектор и компьютер для презентации. Стр. 7 из 7