Как на опыте показать передачу энергии излучением. Передача электрической энергии без металлических проводов

Излучение - это один из видов теплопередачи.

Например, с помощью излучения наша планета Земля получает большую часть тепла. Земля находится от Солнца на расстоянии примерно равном 15*10^7 км. Все это пространство за пределами атмосферы Земли содержит очень разреженное вещество. Поэтому тепло не может передаваться за счет теплопроводности или конвекции .

Излучение опытным путем

Рассмотрим этот способ передачи энергии подробнее, на конкретном примере.

Для опыта нам потребуется жидкостный манометр . Его с помощью резиновой трубки соединяем с теплоприемником. Теперь если поднести к теплоприемнику (но не касаться его) какое-нибудь нагретое до высокой температуры тело, то уровень жидкости в трубке манометре, которая соединена с теплоприемником понизится. Это произойдет за счет того, что воздух в теплоприемнике нагрелся и начал расширяться. Нагревание воздуха можно объяснить лишь тем, что от нагретого тела теплоприемнику передалась энергия.

Так как мы не касались теплоприемника нагретым телом, а воздух является плохим проводником тепла, то вариант теплопроводности можно отбросить. Так как теплоприемник находился рядом с нагретым телом, а не над ним, то вариант с конвекцией тоже можно исключить.

• В данном случае передача энергии произошла путем излучения.

Главной особенностью излучения, отличающей его от всех остальных видов теплопередачи, является то, что она может происходить даже в вакууме.

Излучение энергии

Энергию излучают все тела, которые есть вокруг нас. Некоторые сильнее, некоторые слабее. Чем выше температура тела, тем большую энергию это тело излучает. Энергия излучаемая телом, частично поглощается другими телами, а частично отражается.

Разные тела поглощают энергию по-разному. Например, если теплоприемник окрасить с одной стороны в белый цвет, а с другой в темный, то при поднесении нагретого тела к темной стороне, то столбик жидкости понизится сильнее, чем, если бы мы поднесли это нагретое тело к светлой стороне. То есть тела с темной поверхностью лучше поглощают энергию, чем тела, у которых поверхность светлая. На следующем рисунке продемонстрирован этот опыт.

Но зато, тела имеющие темную поверхность охлаждаются быстрее, чем тела со светлой поверхностью.

Эта способность тел широко применяется на практике. Например, крылья воздушных судов красят светлой краской, чтобы они не нагревались солнцем.

Вам хорошо известно, что основным источником тепла на Земле является Солнце. Каким же образом передаётся тепло от Солнца? Ведь Земля находится от него на расстоянии 15 10 7 км. Всё это пространство за пределами нашей атмосферы содержит очень разреженное вещество.

Как известно, в вакууме перенос энергии путём теплопроводности невозможен. Не может происходить он и за счёт конвекции. Следовательно, существует ещё один вид теплопередачи.

Изучим этот вид теплопередачи с помощью опыта.

Соединим жидкостный манометр при помощи резиновой трубки с теплоприёмником (рис. 12).

Если к тёмной поверхности теплоприёмника поднести кусок металла, нагретый до высокой температуры, то уровень жидкости в колене манометра, соединённом с теплоприёмником, понизится (рис. 12, а). Очевидно, воздух в теп-лоприёмнике нагрелся и расширился. Быстрое нагревание воздуха в теплоприёмнике можно объяснить лишь передачей ему энергии от нагретого тела.

Рис. 12. Передача энергии путем излучения

Энергия в данном случае передавалась не теплопроводностью. Ведь между нагретым телом и теплоприёмником находился воздух - плохой проводник тепла. Конвекция здесь также не может наблюдаться, поскольку тепло-приёмник находится рядом с нагретым телом, а не над ним. Следовательно, в данном случае передача энергии происходит путём излучения .

Передача энергии излучением отличается от других видов теплопередачи. Она может осуществляться в полном вакууме.

Излучают энергию все тела: и сильно нагретые, и слабо, например, тело человека, печь, электрическая лампочка и др. Но чем выше температура тела, тем больше энергии передаёт оно путём излучения. При этом энергия частично поглощается окружающими телами, а частично отражается. При поглощении энергии тела нагреваются по-разному, в зависимости от состояния поверхности.

Если повернуть теплоприёмник к нагретому металлическому телу сначала тёмной, а затем светлой стороной, то столбик жидкости в колене манометра, соединённом с теплоприёмником, в первом случае (см. рис. 12, а) понизится, а во втором (рис. 12, б) повысится. Это показывает, что тела с тёмной поверхностью лучше поглощают энергию, чем тела, имеющие светлую поверхность.

В то же время тела с тёмной поверхностью охлаждаются быстрее путём излучения, чем тела со светлой поверхностью. Например, в светлом чайнике горячая вода дольше сохраняет высокую температуру, чем в тёмном.

Способность тел по-разному поглощать энергию излучения используется на практике. Так, поверхность воздушных метеозондов, крылья самолётов красят серебристой краской, чтобы они не нагревались солнцем. Если же, наоборот, необходимо использовать солнечную энергию, например в приборах, установленных на искусственных спутниках Земли, то эти части приборов окрашивают в тёмный цвет.

Вопросы

1. Как на опыте показать передачу энергии излучением?
2. Какие тела лучше, а какие хуже поглощают энергию излучения?
3. Как учитывает человек на практике различную способность тел поглощать энергию излучения?

Упражнение 5

1. Летом воздух в здании нагревается, получая энергию различными способами: через стены, через открытое окно, в которое входит тёплый воздух, через стекло, которое пропускает солнечную энергию. С каким видом теплопередачи мы имеем дело в каждом случае?
2. Приведите примеры, показывающие, что тела с тёмной поверхностью сильнее нагреваются излучением, чем со светлой.
3. Почему можно утверждать, что от Солнца к Земле энергия не может передаваться конвекцией и теплопроводностью? Каким способом она передаётся?

Задание

С помощью уличного термометра измерьте температуру сначала на солнечной стороне дома, затем на теневой. Объясните, почему различаются показания термометра.

Это любопытно...

Термос . Часто бывает необходимо сохранить пищу горячей или холодной. Чтобы помешать телу охладиться или нагреться, нужно уменьшить теплопередачу. При этом стремятся сделать так, чтобы энергия не передавалась ни одним видом теплопередачи: теплопроводностью, конвекцией, излучением. В этих целях используют термос (рис. 13).

Рис. 13. Устройство термоса

Он состоит из стеклянного сосуда 4 с двойными стенками. Внутренняя поверхность стенок покрыта блестящим металлическим слоем, а из пространства между стенками сосуда выкачан воздух. Лишённое воздуха пространство между стенками почти не проводит тепло. Металлический же слой, отражая, препятствует передаче энергии излучением. Чтобы защитить стекло от повреждений, термос помещают в специальный металлический или пластмассовый футляр 3. Сосуд закупоривается пробкой 2, а сверху навинчивается колпачок 1.

Теплопередача и растительный мир . В природе и жизни человека растительный мир играет исключительно важную роль. Жизнь всего живого на Земле невозможна без воды и воздуха.

В слоях воздуха, прилегающих к Земле, и почве постоянно происходит изменение температуры. Почва нагревается днём, так как поглощает энергию. Ночью, наоборот, она охлаждается - отдаёт энергию. На теплообмен между почвой и воздухом влияет наличие растительности, а также погода. Почва, покрытая растительностью, плохо прогревается излучением. Сильное охлаждение почвы наблюдается также в ясные, безоблачные ночи. Излучение от почвы свободно уходит в пространство. Ранней весной в такие ночи наблюдаются заморозки. Во время облачности уменьшается потеря энергии почвы путём излучения. Облака служат экраном.

Для повышения температуры почвы и предохранения посадок от заморозков используют теплицы. Стеклянные рамы или изготовленные из плёнки хорошо пропускают солнечное излучение {видимое). Днём почва нагревается. Ночью невидимое излучение почвы стекло или плёнка пропускают хуже. Почва не замерзает. Теплицы препятствуют также движению тёплого воздуха вверх - конвекции.

Вследствие этого температура в теплицах выше, чем в окружающем пространстве.

Вам хорошо известно, что основным источником тепла на Земле является Солнце. Каким же образом передаётся тепло от Солнца? Ведь Земля находится от него на расстоянии 15 10 7 км. Всё это пространство за пределами нашей атмосферы содержит очень разреженное вещество.

Как известно, в вакууме перенос энергии путём теплопроводности невозможен. Не может происходить он и за счёт конвекции. Следовательно, существует ещё один вид теплопередачи.

Изучим этот вид теплопередачи с помощью опыта.

Соединим жидкостный манометр при помощи резиновой трубки с теплоприёмником (рис. 12).

Если к тёмной поверхности теплоприёмника поднести кусок металла, нагретый до высокой температуры, то уровень жидкости в колене манометра, соединённом с теплоприёмником, понизится (рис. 12, а). Очевидно, воздух в теп-лоприёмнике нагрелся и расширился. Быстрое нагревание воздуха в теплоприёмнике можно объяснить лишь передачей ему энергии от нагретого тела.

Рис. 12. Передача энергии путем излучения

Энергия в данном случае передавалась не теплопроводностью. Ведь между нагретым телом и теплоприёмником находился воздух - плохой проводник тепла. Конвекция здесь также не может наблюдаться, поскольку тепло-приёмник находится рядом с нагретым телом, а не над ним. Следовательно, в данном случае передача энергии происходит путём излучения .

Передача энергии излучением отличается от других видов теплопередачи. Она может осуществляться в полном вакууме.

Излучают энергию все тела: и сильно нагретые, и слабо, например, тело человека, печь, электрическая лампочка и др. Но чем выше температура тела, тем больше энергии передаёт оно путём излучения. При этом энергия частично поглощается окружающими телами, а частично отражается. При поглощении энергии тела нагреваются по-разному, в зависимости от состояния поверхности.

Если повернуть теплоприёмник к нагретому металлическому телу сначала тёмной, а затем светлой стороной, то столбик жидкости в колене манометра, соединённом с теплоприёмником, в первом случае (см. рис. 12, а) понизится, а во втором (рис. 12, б) повысится. Это показывает, что тела с тёмной поверхностью лучше поглощают энергию, чем тела, имеющие светлую поверхность.

В то же время тела с тёмной поверхностью охлаждаются быстрее путём излучения, чем тела со светлой поверхностью. Например, в светлом чайнике горячая вода дольше сохраняет высокую температуру, чем в тёмном.

Способность тел по-разному поглощать энергию излучения используется на практике. Так, поверхность воздушных метеозондов, крылья самолётов красят серебристой краской, чтобы они не нагревались солнцем. Если же, наоборот, необходимо использовать солнечную энергию, например в приборах, установленных на искусственных спутниках Земли, то эти части приборов окрашивают в тёмный цвет.

Вопросы

1. Как на опыте показать передачу энергии излучением?
2. Какие тела лучше, а какие хуже поглощают энергию излучения?
3. Как учитывает человек на практике различную способность тел поглощать энергию излучения?

Упражнение 5

1. Летом воздух в здании нагревается, получая энергию различными способами: через стены, через открытое окно, в которое входит тёплый воздух, через стекло, которое пропускает солнечную энергию. С каким видом теплопередачи мы имеем дело в каждом случае?
2. Приведите примеры, показывающие, что тела с тёмной поверхностью сильнее нагреваются излучением, чем со светлой.
3. Почему можно утверждать, что от Солнца к Земле энергия не может передаваться конвекцией и теплопроводностью? Каким способом она передаётся?

Задание

С помощью уличного термометра измерьте температуру сначала на солнечной стороне дома, затем на теневой. Объясните, почему различаются показания термометра.

Это любопытно...

Термос . Часто бывает необходимо сохранить пищу горячей или холодной. Чтобы помешать телу охладиться или нагреться, нужно уменьшить теплопередачу. При этом стремятся сделать так, чтобы энергия не передавалась ни одним видом теплопередачи: теплопроводностью, конвекцией, излучением. В этих целях используют термос (рис. 13).

Рис. 13. Устройство термоса

Он состоит из стеклянного сосуда 4 с двойными стенками. Внутренняя поверхность стенок покрыта блестящим металлическим слоем, а из пространства между стенками сосуда выкачан воздух. Лишённое воздуха пространство между стенками почти не проводит тепло. Металлический же слой, отражая, препятствует передаче энергии излучением. Чтобы защитить стекло от повреждений, термос помещают в специальный металлический или пластмассовый футляр 3. Сосуд закупоривается пробкой 2, а сверху навинчивается колпачок 1.

Теплопередача и растительный мир . В природе и жизни человека растительный мир играет исключительно важную роль. Жизнь всего живого на Земле невозможна без воды и воздуха.

В слоях воздуха, прилегающих к Земле, и почве постоянно происходит изменение температуры. Почва нагревается днём, так как поглощает энергию. Ночью, наоборот, она охлаждается - отдаёт энергию. На теплообмен между почвой и воздухом влияет наличие растительности, а также погода. Почва, покрытая растительностью, плохо прогревается излучением. Сильное охлаждение почвы наблюдается также в ясные, безоблачные ночи. Излучение от почвы свободно уходит в пространство. Ранней весной в такие ночи наблюдаются заморозки. Во время облачности уменьшается потеря энергии почвы путём излучения. Облака служат экраном.

Для повышения температуры почвы и предохранения посадок от заморозков используют теплицы. Стеклянные рамы или изготовленные из плёнки хорошо пропускают солнечное излучение {видимое). Днём почва нагревается. Ночью невидимое излучение почвы стекло или плёнка пропускают хуже. Почва не замерзает. Теплицы препятствуют также движению тёплого воздуха вверх - конвекции.

Вследствие этого температура в теплицах выше, чем в окружающем пространстве.

ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ ИЗЛУЧЕНИЕМ

Нагреваем граненый стакан. Сначала грани стакана заклей изнутри полосками белой и черной бумаги. Стакан стал полосатым, словно зебра!

В этот стакан нужно поставить свечку, да так, чтобы стояла точно посередине. Для этого заготовь несколько картонных кружков такого диаметра, чтобы как раз входили в стакан. В середине каждого кружка прорежь круглое отверстие по размеру свечки. Чтобы отверстия были точно в середине, их надо вычерчивать циркулем из того же центра, из которого ты чертил окружность кружка.

К стакану снаружи приклей стеарином гвоздики. К каждой грани гвоздик. И все на одной высоте. Скажем, на 2 см ниже края. Приклеивать удобно, держа стакан горизонтально в левой руке, а правой прикладывая гвоздик, окунутый шляпкой в стеарин, каждый раз к верхней грани.

Сосчитай, сколько ты наклеил гвоздиков. Обычно у стакана восемь граней, значит, и гвоздиков будет восемь.

Начинаем!
Поставь стакан на тарелку, вложи в него картонные кружки, а в них аккуратно вставь кусок свечи такой высоты, чтобы фитиль немного не доходил до края стакана.

Все тихо. Но вот — щелк! Упал в тарелку первый гвоздик. Щелк, щелк! Второй и третий. Щелк! Четвертый.
Довольно, гаси свечу. Половина гвоздиков осталась на стакане, не успела отклеиться. И смотри, как интересно: все они остались на белых гранях. А от черных отвалились!

Почему?
Свеча здесь нагревала стакан не так, как она нагревала длинный гвоздь в предыдущем опыте. Пламя не лизало стекло. Стакан нагревался просто потому, что на него падали лучи от свечки.

Таким способом, например, Солнце нагревает нашу планету. И летом, когда солнечных лучей падает больше всего, тебе говорят: одевайся в белое! Не носи черную одежду, в ней жарче! Белый цвет отражает падающие на него лучи. А черный их поглощает. Потому-то черные грани и нагрелись быстрее, и гвоздики от них отклеились в первую очередь

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ

Каменный уголь, нефть и другие виды топлива обязаны накопленной в них энергией солнцу. Но человек этим не довольствуется, он считает, что солнце можно заставить работать и без каких-либо посредников — прямо брать у него энергию. Ученые много работают над этой проблемой и добились крупных успехов в создании солнечных котлов.

Чтобы убедиться в том, что солнце, если его лучи умело поймать, способно стать топкой парового котла, проделайте следующий очень простые и наглядные опыты.

Опыт 1

В летний солнечный день возьмите большую двояковыпуклую линзу и расположите ее так, чтобы в ее фокусе появилось маленькое, в виде точки, изображение солнца. Если вы направите его на бумажку, она загорится.

Опыт 2

В плоскую круглую баночку из-под ваксы налейте воду. Закройте баночку крышкой и залепите края пластилином, чтобы вода не вытекала. Покрасьте крышку черной матовой краской. Затем возьмите глубокое блюдце или небольшую кювету для проявления фотографий, постелите на дно немного ваты, чтобы накопленное тепло не уходило, и положите на нее баночку с водой. Блюдце плотно накройте куском чистого стекла, но оно при этом не должно касаться баночки. Выставьте блюдце, накрытое стеклом, на солнце, подложите что-нибудь под блюдце, чтобы оно стояло наклонно и чтобы солнечные лучи падали на стеклянную крышку под углом 90°.

Лучи солнца проходят сквозь стекло, и принесенное ими тепло как бы застревает под этим стеклом. Вода в баночке сильно нагревается.

На этом принципе устроены большие нагревательные приспособления, которые нагревают воду для нужд сельского хозяйства, для бытовых целей и т. д. На этом же принципе устроены и парники для выращивания растений весной, когда наружный воздух еще недостаточно теплый.