2 Warmtestraling

2 Warmtestraling

Sterren staan onvoorstelbaar ver van ons vandaan. Toch kunnen sterrenkundigen je vertellen dat de temperatuur van de ster Bellatrix zo'n 21.500 K is.

Hoe weten ze dat?

Op een onbewolkte zomerse dag merk je goed hoeveel warmte de zon afgeeft. Waarschijnlijk heb je je weleens afgevraagd wat de temperatuur aan het oppervlak van de zon is. Misschien weet je op die vraag ook het antwoord wel.

 

Maar heb je je ook wel eens afgevraagd hoe we de temperatuur van de zon te weten zijn gekomen? Er naartoe vliegen en er een thermometer in steken is natuurlijk niet mogelijk.

 

In deze les leer je hoe we behoorlijk nauwkeurig, gewoon vanaf aarde,  de oppervlaktetemperatuur van de zon, andere sterren en elk ander object in het heelal kunnen bepalen.

2.2

Als een voorwerp flink verwarmd wordt, gaat het gloeien. Denk bijvoorbeeld aan een stuk ijzer dat je een tijdje in een vlam houdt, zoals dat in een smederij gebeurt.

Je kunt ook denken aan de hete lava die uit een vulkaan stroomt.

Natuurkundigen zijn er in de vorige eeuw achtergekomen dat er een verband is tussen de temperatuur en de kleur licht die een heet voorwerp uitstraalt.

 

Dit verband gaan we eerst onderzoeken met behulp van een computersimulatie.

 

 

 

2.3

Opdracht 4

 

Start de simulatie door hier te klikken.

Met de schuifknop rechts van de grafiek regel kun je de temperatuur wijzigen.

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Stel de temperatuur in op de temperatuur van de zon.

 

Hint: bij de x- en de y-as van de grafiek staan zoom- knoppen, die je kunt gebruiken om de grafiek beter te bestuderen.

a

Lees uit de grafiek af bij welke golflengte de grootste intensiteit straling wordt uitgezonden en lees af welke intensiteit deze piek heeft. Tip: met de lineaal kun je de waardes nog nauwkeuriger aflezen.

b

Beschrijf hoe de waarden uit vraag a veranderen als je de temperatuur van laag naar hoog verschuift.

c

Beschrijf hoe de kleur verandert (zie pijl in de figuur hiernaast) als je de temperatuur van laag naar hoog verschuift.

 

 

 

 

 

 

 

2.4

 

Max Planck hield zich bezig met het licht dat door gloeiende voorwerpen wordt uitgezonden.

 

De energie die een voorwerp per m2 per seconde uitzendt, hangt af van de temperatuur van het voorwerp en de aard van het oppervlak. Deze energie wordt uitgezonden in de vorm van straling met verschillende golflengtes.

 

 

 

 

Voor sommige golflengtes is dat weinig energie en voor andere golflengtes veel meer. De energie die per m2 per seconde in een bepaald golflengtengebiedje wordt uitgezonden, kan worden uitgezet in een grafiek. Die grafiek noemen we de stralingskromme.

 

 

Het totale oppervlak onder deze kromme is een maat voor de uitgezonden energie per m2 per seconde, gerekend over alle golflengtes.

 

 

 

 

 

 

 

2.5

Opdracht 5

Start opnieuw de simulatie door hier te klikken.

 

Start het programma Excel. Hierin ga je een tabel en een grafiek maken.

 

 

 

 

a

Varieer de temperatuur en bepaal bij ca. 10 verschillende waarden bij welke golflengte de top van de grafiek ligt en maak daarvan een tabel in Excel.

Gebruik de liniaal en de zoomknoppen om zo nauwkeurig mogelijk te kunnen aflezen.

b

Voeg een derde kolom aan je tabel toe met 1/golflengte.

c

Maak een grafiek van de tabel met kolom 1 op de horizontale as en kolom 3 op de verticale as.

Je grafiek is een rechte lijn als het goed is. Dat betekent dat je kunt uitrekenen wat er in kolom 3 (1/golflengte) staat door kolom 1 (temperatuur) met een zogeheten evenredigheidsconstante te vermenigvuldigen.

 d

Bepaal de evenredigheidsconstante van de grafiek die je bij opdracht c gemaakt hebt.

2.6

Zwarte straler

Als je de uitgezonden energie van alle voorwerpen van een bepaalde temperatuur met elkaar vergelijkt, blijkt er een 'kampioen' te bestaan. Deze 'kampioensstraler' zendt niet alleen in totaal per m2 per sec de meeste energie uit, maar ook bij iedere golflengte.

 

Deze kampioensstraler heeft de naam van zwarte straler gekregen. De figuur hieronder laat de opstelling zien waarmee een stralingskromme experimenteel bepaald wordt.

 

Opdracht 6

Bekijk het filmpje over zwarte stralers vanaf het begin tot 6:00 minuten.

a

Hoe verandert de vorm van de grafiek als de temperatuur van een heet voorwerp toeneemt?

b

Zet het filmpje stil op 2:20 minuten. Leg uit wat de betekenis is van de figuur rechts naast de grafiek.

c

Waarom kan een heet voorwerp wel rood of blauw van kleur worden, maar niet groen?

 

 

2.7

De stralingswet van Wien

Als de temperatuur voldoende hoog is, valt een deel van de straling in het voor het menselijk oog zichtbare gebied. Bij een temperatuur van 2000 K is dit hoofdzakelijk rood licht: de zwarte straler is dan roodgloeiend.

 

Bij een temperatuur van 6000 K komen alle golflengten van het zichtbare gebied voor. De zwarte straler is dan witheet.

Bij een nog hogere temperatuur begint de blauwe kleur te overheersen.

 

Voor de golflengte (lambda)max waarbij de meeste energie wordt uitgezonden, geldt: 

λmax  = golflengte van de top van de stralingskromme (m) 

T       = Temperatuur (K)

kw     = constante van Wien (2,8978·10-3 m·K) 

Maak de voorbeeldopgaven.

Inleiding

Voorbeeldopgave 1

Voorbeeldopgave 2

2.8

De zon en sterren

 

Als we naar de sterren kijken, lijken ze  allemaal wit. Maar niets is minder waar. Als we een telescoop gebruiken en ons ontdoen van alle verstoringen die de aardse atmosfeer geeft, zien we dat er vele verschillende kleuren sterren bestaan.

 

Opdracht 7

Onze zon heeft een oppervlaktetemperatuur van 5,8·103 K.

a

Bereken de golflengte waarbij de meeste energie wordt uitgezonden.

De ster Sirius-B, een witte dwerg, zendt het grootste deel van zijn energie uit bij een golflengte van 91 nm.

b

Bereken de oppervlaktetemperatuur van Sirius-B.

2.9

Opdracht 8

In de figuur hieronder zie je de stralingskromme van de planeet Mercurius. Bij twee golflengten wordt een maximaal vermogen uitgezonden.

a

Bereken de temperaturen die bij deze golflengtes horen.

Een deel van de straling die een planeet uitzendt, bestaat uit het teruggekaatste licht van de zon. Een ander deel uit warmtestraling door het oppervlak van de planeet.

b

Geef aan welk deel van de stralingskromme hoort bij dit teruggekaatste licht. Licht je antwoord toe.

c

Op een heldere nacht is Mercurius goed te zien met het blote oog. Leg uit welke van de twee pieken er voor zorgt dat we Mercurius kunnen zien.

  • Het arrangement 2 Warmtestraling is gemaakt met Wikiwijs van Kennisnet. Wikiwijs is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt, maakt en deelt.

    Auteur
    Bètapartners Je moet eerst inloggen om feedback aan de auteur te kunnen geven.
    Laatst gewijzigd
    2015-05-08 14:21:18
    Licentie

    Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding-GelijkDelen 3.0 Nederland licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding en publicatie onder dezelfde licentie vrij bent om:

    • het werk te delen - te kopiëren, te verspreiden en door te geven via elk medium of bestandsformaat
    • het werk te bewerken - te remixen, te veranderen en afgeleide werken te maken
    • voor alle doeleinden, inclusief commerciële doeleinden.

    Meer informatie over de CC Naamsvermelding-GelijkDelen 3.0 Nederland licentie.

    Dit materiaal is achtereenvolgens ontwikkeld  en getest in een SURF-project  (2008-2011: e-klassen als voertuig voor aansluiting VO-HO) en een IIO-project (2011-2015: e-klassen&PAL-student).  In het SURF project zijn in samenwerking met vakdocenten van VO-scholen, universiteiten en hogescholen e-modules ontwikkeld voor Informatica, Wiskunde D en NLT.  In het IIO-project (Innovatie Impuls Onderwijs) zijn in zo’n samenwerking modules ontwikkeld voor de vakken Biologie, Natuurkunde en Scheikunde (bovenbouw havo/vwo).  Meer dan 40 scholen waren bij deze ontwikkeling betrokken.

    Organisatie en begeleiding van uitvoering en ontwikkeling is gecoördineerd vanuit Bètapartners/Its Academy, een samenwerkingsverband tussen scholen en vervolgopleidingen. Zie ook www.itsacademy.nl

    De auteurs hebben bij de ontwikkeling van de module gebruik gemaakt van materiaal van derden en daarvoor toestemming verkregen. Bij het achterhalen en voldoen van de rechten op teksten, illustraties, en andere gegevens is de grootst mogelijke zorgvuldigheid betracht. Mochten er desondanks personen of instanties zijn die rechten menen te kunnen doen gelden op tekstgedeeltes, illustraties, enz. van een module, dan worden zij verzocht zich in verbinding te stellen met de programmamanager van de Its Academy (zie website). 

    Gebruiksvoorwaarden:  creative commons cc-by sa 3.0

    Handleidingen, toetsen en achtergrondmateriaal zijn voor docenten verkrijgbaar via de bètasteunpunten.

     

    Aanvullende informatie over dit lesmateriaal

    Van dit lesmateriaal is de volgende aanvullende informatie beschikbaar:

    Toelichting
    Deze les maakt onderdeel uit van de e-klas 'Straling en materie' voor VWO 6 voor het vak natuurkunde.
    Leerniveau
    VWO 6;
    Leerinhoud en doelen
    Materie; Licht; EM-straling (niet zichtbaar); Natuurkunde; Licht, geluid en straling;
    Eindgebruiker
    leerling/student
    Moeilijkheidsgraad
    gemiddeld
    Trefwoorden
    e-klassen rearrangeerbaar

    Gebruikte Wikiwijs Arrangementen

    , Bètapartners. (2014).

    0 Instaptoets

    https://maken.wikiwijs.nl/51930/0_Instaptoets

  • Gebruik
    Weergave
  • Wikiwijs is een dienst van