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《张朝阳的物理课》继续玩转黑体辐射公式 原来太阳表面温度可以这么算

如何计算太阳表面的温度?宇宙大爆炸后残留的遗迹有什么?12月10日12时,《张朝阳的物理课》第十期开播。搜狐创始人、董事局主席兼CEO张朝阳坐镇搜狐视频直播间,结合第八、九课提到的瑞利-金斯公式和普朗克公式,继续介绍维恩公式,据此计算出太阳表面温度,并指出人体辐射为何昼夜有别。由此,《张朝阳的物理课》尝试探讨更多黑体辐射案例。

知识学习重在消化 复习物理学史上的“紫外灾难”

在八、九两期的物理课上,张朝阳依据经典统计力学导出的辐射公式,完成了“瑞利-金斯公式”的推导,该公式计算的结果与实验数据在高频段存在严重偏离,物理学史上称作“紫外灾难”,它深刻揭露了经典物理的局限性,从而对黑体辐射理论和近代物理学的发展起了重要的推动作用。

考虑到网友们能否消化,今天直播一开场,张朝阳决定先复习重点内容。他介绍说,1900年左右,瑞利、金斯用经典力学理论,计算出空腔内谐振子的黑体辐射曲线。但是,这条曲线在低频区跟实验符合得非常好,在高频区却差别很大,造成著名的紫外灾难。

(张朝阳画出黑体辐射曲线,讲解可见光区域。)

而后,他向大家介绍了量子力学中的黑体辐射公式,引入普朗克常数h,提出了关于能级的假定,使得计算结果在短波长区域时,辐射强度也不会无限增加,而是呈现下降的趋势,与实验结果完美符合。

数学运算是《张朝阳的物理课》的最大特色。边说边算边画,小白板上再次出现瑞利-金斯公式和普朗克黑体辐射公式。提到为何在计算中使用圆频率,张朝阳解释,“因为谐振波是按照三角函数规律变化的,物理上使用圆频率更加直观、方便,也易于计算。”他说,“频率的2π倍叫圆频率,即ω=2πf=2π/T。”圆频率是描述物体振动快慢的物理量,与振动系统的固有属性有关,常用符号ω表示。

他还提醒网友,“普朗克常数非常小,只有6.62×10−34 (J·s)”,但它深刻影响了微观尺度下世界的运行规律。

黑体辐射公式应用案例有哪些 维恩公式计算出太阳表面温度

根据普朗克黑体辐射公式,张朝阳画出太阳的黑体辐射曲线,区分出红光区、蓝光区、及其外侧的红外区和紫外区。对人类而言的可见光,即从红橙到蓝紫,恰好覆盖太阳光谱中间的这部分区域。

“黑体辐射非常普遍,太阳发出的电磁波自然也是按照这个曲线分布,但为什么红光和蓝紫光恰好卡住可见光呢?”他适时与网友互动,“因果关系要搞清楚,是先有了太阳和地球,然后才有了人类……地球上的动物需要对太阳光中主体频率范围的那部分光比较敏感,才能适应白天的活动,更好地生存下来。”

“人体的黑体辐射在红外区,到了可见光区基本上就没有了。所以,夜视镜能看见黑夜中的人体,是因为人体辐射出红外线。”他也指出,“白天眼睛直接观察人体表面,看到的就不是黑体辐射了,而是反射光”。一番讲解分析,让网友们大赞涨知识。

那么,发出白色光芒的太阳,表面温度有多少呢?张朝阳将普朗克黑体辐射公式简化,以推导温度与峰值波长之间的关系。求峰值波长的话,让函数的导数等于0就可以了。通过演算,他得出结论,“对于任何黑体辐射,峰值波长与其温度的乘积等于一个常数,数值为2.898乘以10的-3次方。”,这就是维恩定律(维恩位移定律)。1893年,德国物理学家威廉·维恩通过对实验数据的经验总结提出该定律,它是更为广义的普朗克黑体辐射定律的一个直接推论。

(张朝阳引入维恩公式,计算普适常数。)

利用维恩公式,即可算出太阳表面温度约在5500℃左右。他推论说,“太阳看起来是白色的,如果你看到某星体偏红色,就可以推测它的表面温度可能比太阳低,比如4000℃。”

第十课的重点在于复习黑体辐射公式,为接下来讲解该公式的应用奠定基础,比如宇宙大爆炸后残留的背景辐射要如何理解?张朝阳预告,在周日的课程中,《张朝阳的物理课》将针对黑体辐射公式的应用,再讲更多案例。

搜狐视频发力知识直播 不仅传播知识更训练科学素养

自11月5日至今,《张朝阳的物理课》已直播十期。在第一、二课中,张朝阳科普了“力”和“速度”,算出马斯克的飞船和中国空间站每日绕地飞行圈数;第三、四课的内容则和“振动”相关,科普了可见光的基本知识,解释了早中晚的太阳颜色为何不一样,以及蓝色天空的秘密。第五、六课引发了关于音速和温度的大讨论。第七、八、九期则重温经典力学的两朵乌云,带领网友触摸量子力学。第十课则重点回顾黑体辐射曲线,试图重回137亿年前的宇宙。

观察生活现象+解释背后原理+推导演算公式,结合十期物理课可以看出,《张朝阳的物理课》是从日常现象引入,帮助网友理解现象,提升兴趣,再“透过现象看本质”,解释知识点,推演过程,反过来解决生活中的问题。

“物理是算出来的,玄乎其玄的科幻概念和实证有区别。”张朝阳认为学习物理并不轻松,但每个人不要觉得可能学不会而不去学,恰恰相反,聪明在于过程,看起来枯燥的物理知识,经过分解后再理解,不比生活中的其他事更困难。张朝阳鼓励网友打破思维的边界,科学学习,希望每个人对这个世界,充满更多的好奇心与勇气。

显然,《张朝阳的物理课》不仅仅是知识的传播,更在于对知识获得过程的数学推演,把解决问题的方法教给用户,而不是直接给答案。这样做,还能训练和提升用户的科学素养。这些正是课程价值所在,也是搜狐视频知识直播与众不同的特色之一。

更多通识类播主入驻搜狐视频 科普知识一起玩转科学

观看直播的网友发现,通过“直播白板”,可直观了解学习重点。另有“课代表”将课堂笔记,发布在搜狐新闻客户端“关注流”上,方便查漏补缺。笔记内容的可追溯性和可分享性,也大大释放了搜狐视频的内容活力和传播价值。

在后续的课程中,张朝阳将进一步解释宇宙大爆炸相关问题。通过网友最熟悉的话题,深入浅出,解释现象,探寻物质世界的原理。达到专业人士认可,普通人能听懂的效果,并借此激发科学学习的热潮。该课程于每周周五、周日12时在搜狐视频直播。

除了《张朝阳的物理课》,搜狐视频还邀请更多通识类播主,科普知识,传递价值。北京交通大学理学院教师陈征博士玩起了“奇趣的科学实验”,走进“光的波粒二象性”;康奈尔大学物理化学博士包坤,化身“包大人玩科学”,教普通人看懂2021年诺贝尔奖;还有天体物理博士刘博洋科普“日全食是怎么产生的”等。未来,还将有更多知识播主入驻,一起玩转科学。

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