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
