Wienův posunovací zákon
Pokus číslo: 4553
Cíl pokusu
Cílem pokusu je demonstrovat, jak se mění zastoupení barev ve spektru světla vyzářeného žárovkou, když se mění teplota jejího vlákna.
Teorie
Wienův posunovací zákon popisuje záření absolutně černého tělesa.
Absolutně černé těleso je fyzikální model tělesa, které dokonale pohlcuje všechno záření, které na něj dopadá, a nic neodráží. Zároveň vyzařuje spojité spektrum elektromagnetického záření, přičemž intenzita záření dané vlnové délky závisí pouze na teplotě tělesa (tuto závislost popisuje Planckův vyzařovací zákon). Tomuto modelu se blíží například Slunce nebo vlákno žárovky.
S klesající teplotou absolutně černého tělesa jednak klesá celková intenzita záření (dle Stefanova-Boltzmanova zákona) a jednak se posouvá vlnová délka maxima spektrální intenzity záření \(\lambda_{\mathrm{max}}\) podle Wienova posunovacího zákona: \[\lambda_{\mathrm{max}}=\frac{b}{T} ,\] kde \(b = 2{,}9 {\cdot} 10^{-3}\) \(\mathrm{m} \cdot \mathrm{K}\) je konstanta a \(T\) je termodynamická teplota absolutně černého tělesa. S klesající teplotou se tedy prodlužuje vlnová délka, na které těleso vyzařuje nejjasněji. Pokud se bavíme o viditelné části spektra, na fialovém konci spektra tak klesá „intenzita barev“ rychleji než na červeném konci spektra (nebo fyzikálněji řečeno, relativní intenzita barev se mění ve prospěch těch z červeného konce spektra).
Pomůcky
Lineární halogenový reflektor s vnitřní odraznou plochou vystříkanou černou žáruvzdornou barvou a se stínítkem, zásuvkový stmívač, držák čočky, spojka (ve vzorovém provedení +6 D), magnety, optický hranol.
Postup
Před lineární halogenový reflektor se stínítkem upevníme držák s čočkou, viz obr. 2. Ve vzorovém provedení pokusu je držák přichycen pomocí magnetů k otvoru reflektoru.
Optický hranol umístíme před reflektor tak, aby byl ve výšce otvoru reflektoru, viz obr. 2.
Zapojíme napájecí kabel reflektoru do zásuvkového stmívače a ten zapojíme do zdroje 230 V střídavého napětí (zásuvka, ideálně prodlužovačka s vypínačem).
Nastavíme zásuvkový stmívač tak, aby reflektor maximálně svítil.
Posvítíme skrze optický hranol dle schématu na obr. 3. Následně jemnými pohyby čočky (v případě vzorového experimentu jejím vysouváním) zaostříme obraz.
Zatemníme místnost.
Zásuvkovým stmívačem postupně snižujeme napětí přiváděné do reflektoru, a tedy i proud vláknem a jeho teplotu. Pozorujeme, jak se mění intenzita jednotlivých složek spektra.
Vzorový výsledek
Vzorový výsledek je zachycen na videu níže. S klesající teplotou vlákna žárovky klesá celková intenzita spektra, ale ne rovnoměrně pro všechny barvy. Intenzita fialové a modré části spektra (za nepříznivých podmínek nemusí být fialová část vidět) klesá poměrně rychle, zatímco červená část pohasíná mnohem pomaleji.
Technické poznámky
Vnitřní odrazné plochy lineárního halogenového reflektoru je třeba vystříkat černou žáruvzdornou barvou, abychom omezili odraz světla uvnitř reflektoru.
Čočka může být již po krátkém používání velmi horká, takže je třeba dbát zvýšené opatrnosti při manipulaci s ní.
Jako stínítko lze použít list čistého papíru (který může držet dobrovolník z řad žáků) nebo bílou stěnu.
Natáčením hranolu či celé sestavy můžeme měnit polohu spektra, případně můžeme měnit jeho naklonění podložením reflektoru. Natáčením hranolu se také mění šířka/ostrost spektra.
Pokus může být za nepříznivých světelných podmínek špatně vidět, takže dříve, než začneme měnit napětí, je dobré si pohrát s nastavením vzájemné polohy reflektoru, čočky a hranolu, a také se zatemněním.
Metodické poznámky
Je dobré žáky při vysvětlování upozornit, že se spektrum nikam neposouvá, pouze se mění intenzita jeho jednotlivých částí.
Při pozorování pokusu můžeme mít dojem, že zelená část spektra snižuje svou intenzitu pomaleji, než bychom očekávali. Je to způsobeno tím, že lidské oko je citlivější na vlnové délky v zelené oblasti spektra. Nakonec však zelená barva také vymizí a zůstane prakticky jen červená. Ve vzorovém výsledku experimentu toto vidět není, protože fotoaparát vyvažuje barvy jinak a na zelenou není citlivější než na ostatní barvy.
