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原來太陽表面溫度這麼算?《張朝陽的物理課》複習黑體輻射公式

如何計算太陽表面的溫度?宇宙大爆炸後殘留的遺蹟有什麼?12月10日12時,《張朝陽的物理課》第十期開播。搜狐創始人、董事局主席兼CEO張朝陽坐鎮搜狐影片直播間,結合第八、九課提到的瑞利-金斯公式和普朗克公式,繼續介紹維恩公式,據此計算出太陽表面溫度,並指出人體輻射為何晝夜有別。由此,《張朝陽的物理課》嘗試探討更多黑體輻射案例。

原來太陽表面溫度這麼算?《張朝陽的物理課》複習黑體輻射公式

知識學習重在消化 複習物理學史上的“紫外災難”

在八、九兩期的物理課上,張朝陽依據經典統計力學匯出的輻射公式,完成了“瑞利-金斯公式”的推導,該公式計算的結果與實驗資料在高頻段存在嚴重偏離,物理學史上稱作“紫外災難”,它深刻揭露了經典物理的侷限性,從而對黑體輻射理論和近代物理學的發展起了重要的推動作用。

考慮到網友們能否消化,今天直播一開場,張朝陽決定先複習重點內容。他介紹說,1900年左右,瑞利、金斯用經典力學理論,計算出空腔內諧振子的黑體輻射曲線。但是,這條曲線在低頻區跟實驗符合得非常好,在高頻區卻差別很大,造成著名的紫外災難。

原來太陽表面溫度這麼算?《張朝陽的物理課》複習黑體輻射公式

(張朝陽畫出黑體輻射曲線,講解可見光區域。)

而後,他向大家介紹了量子力學中的黑體輻射公式,引入普朗克常數h,提出了關於能級的假定,使得計算結果在短波長區域時,輻射強度也不會無限增加,而是呈現下降的趨勢,與實驗結果完美符合。

數學運算是《張朝陽的物理課》的最大特色。邊說邊算邊畫,小白板上再次出現瑞利-金斯公式和普朗克黑體輻射公式。提到為何在計算中使用圓頻率,張朝陽解釋,“因為諧振波是按照三角函式規律變化的,物理上使用圓頻率更加直觀、方便,也易於計算。”他說,“頻率的2π倍叫圓頻率,即ω=2πf=2π/T。”圓頻率是描述物體振動快慢的物理量,與振動系統的固有屬性有關,常用符號ω表示。

他還提醒網友,“普朗克常數非常小,只有6。62×10−34 (J·s)”,但它深刻影響了微觀尺度下世界的執行規律。

黑體輻射公式應用案例有哪些 維恩公式計算出太陽表面溫度

根據普朗克黑體輻射公式,張朝陽畫出太陽的黑體輻射曲線,區分出紅光區、藍光區、及其外側的紅外區和紫外區。對人類而言的可見光,即從紅橙到藍紫,恰好覆蓋太陽光譜中間的這部分割槽域。

“黑體輻射非常普遍,太陽發出的電磁波自然也是按照這個曲線分佈,但為什麼紅光和藍紫光恰好卡住可見光呢?”他適時與網友互動,“因果關係要搞清楚,是先有了太陽和地球,然後才有了人類……地球上的動物需要對太陽光中主體頻率範圍的那部分光比較敏感,才能適應白天的活動,更好地生存下來。”

“人體的黑體輻射在紅外區,到了可見光區基本上就沒有了。所以,夜視鏡能看見黑夜中的人體,是因為人體輻射出紅外線。”他也指出,“白天眼睛直接觀察人體表面,看到的就不是黑體輻射了,而是反射光”。一番講解分析,讓網友們大讚漲知識。

那麼,發出白色光芒的太陽,表面溫度有多少呢?張朝陽將普朗克黑體輻射公式簡化,以推導溫度與峰值波長之間的關係。求峰值波長的話,讓函式的導數等於0就可以了。透過演算,他得出結論,“對於任何黑體輻射,峰值波長與其溫度的乘積等於一個常數,數值為2。898乘以10的-3次方。”,這就是維恩定律(維恩位移定律)。1893年,德國物理學家威廉·維恩透過對實驗資料的經驗總結提出該定律,它是更為廣義的普朗克黑體輻射定律的一個直接推論。

原來太陽表面溫度這麼算?《張朝陽的物理課》複習黑體輻射公式

(張朝陽引入維恩公式,計算普適常數。)

利用維恩公式,即可算出太陽表面溫度約在5500℃左右。他推論說,“太陽看起來是白色的,如果你看到某星體偏紅色,就可以推測它的表面溫度可能比太陽低,比如4000℃。”

第十課的重點在於複習黑體輻射公式,為接下來講解該公式的應用奠定基礎,比如宇宙大爆炸後殘留的背景輻射要如何理解?張朝陽預告,在週日的課程中,《張朝陽的物理課》將針對黑體輻射公式的應用,再講更多案例。

搜狐影片發力知識直播 不僅傳播知識更訓練科學素養

自11月5日至今,《張朝陽的物理課》已直播十期。在第一、二課中,張朝陽科普了“力”和“速度”,算出馬斯克的飛船和中國空間站每日繞地飛行圈數;第三、四課的內容則和“振動”相關,科普了可見光的基本知識,解釋了早中晚的太陽顏色為何不一樣,以及藍色天空的秘密。第五、六課引發了關於音速和溫度的大討論。第七、八、九期則重溫經典力學的兩朵烏雲,帶領網友觸控量子力學。第十課則重點回顧黑體輻射曲線,試圖重回137億年前的宇宙。

觀察生活現象+解釋背後原理+推導演算公式,結合十期物理課可以看出,《張朝陽的物理課》是從日常現象引入,幫助網友理解現象,提升興趣,再“透過現象看本質”,解釋知識點,推演過程,反過來解決生活中的問題。

“物理是算出來的,玄乎其玄的科幻概念和實證有區別。”張朝陽認為學習物理並不輕鬆,但每個人不要覺得可能學不會而不去學,恰恰相反,聰明在於過程,看起來枯燥的物理知識,經過分解後再理解,不比生活中的其他事更困難。張朝陽鼓勵網友打破思維的邊界,科學學習,希望每個人對這個世界,充滿更多的好奇心與勇氣。

顯然,《張朝陽的物理課》不僅僅是知識的傳播,更在於對知識獲得過程的數學推演,把解決問題的方法教給使用者,而不是直接給答案。這樣做,還能訓練和提升使用者的科學素養。這些正是課程價值所在,也是搜狐影片知識直播與眾不同的特色之一。

更多通識類播主入駐搜狐影片 科普知識一起玩轉科學

觀看直播的網友發現,透過“直播白板”,可直觀瞭解學習重點。另有“課代表”將課堂筆記,釋出在搜狐新聞客戶端“關注流”上,方便查漏補缺。筆記內容的可追溯性和可分享性,也大大釋放了搜狐影片的內容活力和傳播價值。

在後續的課程中,張朝陽將進一步解釋宇宙大爆炸相關問題。透過網友最熟悉的話題,深入淺出,解釋現象,探尋物質世界的原理。達到專業人士認可,普通人能聽懂的效果,並藉此激發科學學習的熱潮。該課程於每週週五、週日12時在搜狐影片直播。

除了《張朝陽的物理課》,搜狐影片還邀請更多通識類播主,科普知識,傳遞價值。北京交通大學理學院教師陳徵博士玩起了“奇趣的科學實驗”,走進“光的波粒二象性”;康奈爾大學物理化學博士包坤,化身“包大人玩科學”,教普通人看懂2021年諾貝爾獎;還有天體物理博士劉博洋科普“日全食是怎麼產生的”等。未來,還將有更多知識播主入駐,一起玩轉科學。