古時候的鐵匠 是如何知道鍛造的爐火溫度夠高了呢？ 因為軟化鐵的溫度達八、九百度 無法使用常見的水銀或是酒精溫度計來測量 除了這兩種常見的液體溫度計 還有沒有其他的方法 可以用來測量溫度呢？ 今天的影片 要來帶你瞭解跟固體溫度相關的知識 你有烤過肉嗎？ 在還沒加熱前 烤肉用的木炭是什麼顏色的呢？ 當你點燃火種並且等到溫度夠高時 那時候的木炭又會是什麼顏色呢？ 排除旁邊燒完的白白的灰燼 你會發現木炭本身會發出紅黃色的光芒 這個光芒不是來自太陽的反射光 而是木炭本身自己發出的光芒 不只如此 木炭發出來的熱輻射也不低 用手靠近應該也能感受到 其實我們也會發出熱輻射 試著將自己的手掌靠得很近很近 幾乎快要碰到卻沒碰到 有沒有感受到熱熱的呢？ 你會感受到熱的感覺 主要是因為我們也會發出熱輻射 熱輻射是電磁波 主要波段在遠紅外光區 所以軍隊在使用的夜視鏡 就是用來觀察遠紅外光的波段 這個工具使得在晚上行軍成為可能 但如果你有看相關的影片會發現 不只是人 只要溫度在三、四十度的動物 都可以透過夜視鏡在夜間時觀察到他們 我們比對一下 木炭發出的紅黃色可見光 與動物發出的遠紅外線 同學們可以想一想 是什麼原因 造成物體會發出不同波段的熱輻射呢？ 沒錯 就是溫度 低溫的木炭並不會發出可見光 但高溫的木炭卻可以看到紅黃光 如果有過燒乾鍋子的經驗 或是看過相關影片 應該也會發現將鍋子溫度提高到上百度 就可以看見鐵鍋發出暗紅色的光芒 從以上的現象可以推測 物體是否能發出可見光 與物體的溫度有關 所以如果我們想要研究這個課題 就必須研究物體溫度與放出熱輻射的關係 但我們會遇到第一個大問題 偵測物體發出的熱輻射時 除了物體本身發出的輻射外 也包含照射到物體表面反射的光 那麼要如何排除 並非由物體本身所發出來的反射光呢？ 國中曾經學過一種顏色 可以完全吸收光而不反射 就可以達成沒有反射光的條件 同學你想到了嗎？ 沒錯！就是黑色 黑色可以吸收外部色光 所以一開始物理學家也假設 有一種理想的黑色物體 簡稱理想黑體 理想黑體不僅能吸收可見光 也能吸收所有電磁波 但它仍會發出自己溫度對應的輻射光 我們稱為黑體輻射 但理想歸理想 要創造出完全吸光的物體 似乎有點困難 最近幾年才有一種奈米碳管所做成的塗料 稱為vanta black 吸光率高達百分之99.6 好奇的同學可以上網查查圖片 十分的黑 但那是近幾年才發明出來的 近一百年前要如何做到呢？ 那時的科學家們將眼光轉向一個洞 若將一個內部中空的物體表面挖一個洞 我們可以看到 挖出的洞十分的黑 這是因為光線通過洞 進入物體內部中空區域後 幾乎不太可能再從洞口射出 這樣的空腔 符合理想黑體完全吸收不反射的條件 同學可以找個小紙盒 完全封死後 在表面挖個開口 就可以觀察到這樣的現象了 若我們對這樣中空的物體開始加熱 從洞口出來的輻射 就能看出物體自身的熱輻射 我們便從本來要做的黑體輻射研究 改成對這樣的洞口做研究 又稱空腔輻射 對這樣的材料做一系列觀察後 我們將不同溫度的空腔所發出的熱輻射進行分析 依照熱輻射的波長與此波長的輻射強度做圖 由圖中可以看到 任意溫度下 物體發出的輻射都是連續波段 而且強度不一致 很明顯可以看到有峰值 隨著物體溫度的提高 峰值的波長會漸漸變短 而且在同波段下 高溫物體的輻射強度 會大於低溫物體的輻射強度 恆星表面近似黑體 依據黑體輻射 任何有溫度的物體 都會自行放射各種不同波長的電磁波 其輻射強度與波長、表面溫度的關係 如圖所示 波長400至700奈米屬於可見光 且表面溫度越高的物體 輻射強度最強波段的電磁波 越趨近短波 想一想 根據以上敘述與下方圖示 下列選項何者錯誤？ 有了對於物體溫度與輻射的相關研究 再把討論的主軸 拉回一開始提到的鐵匠 實際上 鐵匠們是透過觀察物體發出的顏色光芒 來判斷是否可以開始打鐵 由色溫表可以看到 如果鐵器加熱後 發出暗紅色的光 代表溫度還不夠 但如果發出亮黃色到白光的程度 就代表鐵器溫度夠熱 可以開始敲製了 但我們從輻射強度與波長圖中學到的是 高溫物體的峰值會隨著溫度提高 而波長變短 可見光的波長變短 就代表峰值顏色接近藍紫色 那為什麼高溫鐵器的光芒是黃白光 而不是藍紫光呢？ 同學們可以想一想 實際上 應該要注意峰值的波長變化 但除了峰值 其他波段的輻射光 也會隨著溫度提高而增強 而高溫物體在可見光波段 實際上是所有色光強度都很大 所以混合在一起就變成白光了 是不是很神奇卻又合理呢？ 我們來回顧一下今天所學到的觀念 理想黑體只會吸收而不反射外來的輻射 由於沒有反射的輻射 因此可以作為研究物體在不同溫度 所釋放的熱輻射使用 高溫物體的輻射強度最大值所對應的波長 有隨溫度提高而變短的趨勢 高溫物體在同波段的輻射強度 會比低溫物體的輻射強度來得強 想一想 耳溫槍與額溫槍是如何偵測體溫的呢？ 運用的原理與黑體輻射有關嗎？ 它們又是如何排除外來干擾？ 同學們可以想想看這之中的關聯性 或上網查查資料 我們今天的課程到此結束 下次見囉！ bye bye