辐射计是如何工作的

辐射计又称 克鲁克斯辐射计 ，是1875年由英国著名物理学家克鲁克斯发明的，用来检测光和热辐射 ，它的构造如图 1所示：在抽成半真空的玻璃容器中有-个位于针尖上的叶轮，叶轮有4个薄铝 片组成 ，它们 相 隔 9O。且 与 主轴相连.薄铝片的两侧面分别涂覆氧化镁粉末 (白色)及碳黑 (黑色)，当有足 够 图 1强的阳光或强白炽灯光照射到叶片上时，叶片就开始绕直立轴转动，辐射越强，转速越快.本文就克鲁克斯辐射计叶轮转动 的原理进行探讨 。

2 辐射计转动原理2.1 最初 的两种观点观点 1：当阳光照射在辐射计的叶片上时，叶片开始转动，就好像有力在推动黑色的-侧.克鲁克斯认为是光的压力推动黑色的那-面转动，并撰写了论文提交给麦克斯韦审阅.麦克斯韦最初认同了这-观点，因为这-装置可以验证麦克斯韦电磁理论中所预言的光压现象.但是麦克斯韦随后发现这种解 释存 在问题 ：黑色 的那 -侧将 光线 吸收，白色的那-侧将光线反射，白色-侧受到的光压力应该 是黑色-侧 的两倍 ，叶轮 的旋 转 方 向与光 压 理论 相悖。

观点 2：认识到这- 点 以后 ，人们 开始 寻找 其他 解释。

- 种观点认为：叶片的黑色-侧吸收的热量 比白的-侧多，黑面附近的稀闭气受热升温快 ，气体压强也增加较快 ，所以对黑面产生的压力 比白边更大，最终驱使叶轮转动.为了避免犯第二次错误 ，麦克斯韦仔细分析了这种理论 ，他发现 ，黑面附近 的热空气会 受热膨 胀并使 压强 减小 ，所以这种作用力会很快消失，实际上在阳光照射下的辐射计 叶轮转速 会逐渐增 加 ，最终将 稳定在每分 钟上 千转.所以 ，这种解 释是错 误的。

2.2 实验操作以下是某厂 家制作 的 克鲁克 斯辐射计所附带的说明书内容。

黑面吸收热和光的辐射，白面反射热和光辐射，由于叶片对其表面附近的气体分子(玻璃容器 中还残存有气体)加热，使黑色表面附近的气体温度较高 ，因此 分子运 动速 度较 大.由于气体分子运动时对黑色叶片表面的作用力比白色-面大，因此使叶片旋转 ， 图 2并且旋转方 向必定是黑色- 面 向白色- 面转.因此 ，当黑面和 白面的方 向选 定 后 (出厂时 已经 确定 )，当它受 强光照射时必定顺时时针转动(如图 2自上而下俯视)，而绝不可能逆时针转动.当不再接受辐射热而逐渐冷却时，叶片则反向旋转。

取用实验室的两个克鲁克斯辐射计进行实验，在 阳光照射时转动方 向均与说 明书-致 ，而 用冰水 浇淋时 ，转动方 向与阳光照射时相反。

2.3 分析2.3.1 从平均 自由程角度分析针对实验操作 中的现象，不妨先算出辐射计内的稀闭气分子的平均自由程，再与容器尺度比较.假设室温为 2O℃，稀闭气分子有效直径约为 3.5×10I1。rn，根据英文版维基百科资料，辐射计效应在压强为 1 Pa时效果最明显 ，在大约 10 Pa时消失.辐射计内部压强为 1 Pa时，分子平均自由程- kT 1.38× 1O 。× 2937c 。P 1.414×3.14× (3.5×10 ) ×17.434× 10-。m。

同理 可得 1O Pa时 ，分子平均 自由程为 74.34 m3.3 指导学生理解 实验结论 和进行交流评价嗅与交流仍采劝大家谈”的形式，谈结论，谈体会，谈收获.但谈的形式可以灵活多样，可以在课上谈，也可以在课后谈 ，或者在班级学习栏中谈，在班级微博中谈.考虑到课时的限制，若是在课堂上谈，教师可将谈 的主题限制在如何表达实验结论方面.教师要引导学生不仅表述结论而且要明确该结论的前提条件 ，以培养学生思考、认识的严谨性 、科学性。

以上是笔者在牛顿第二定律实验教学中的-些经验及体会 ，有不完善之处望同仁们斧正.我们认为教学在本质上就是-种探究，教学中每时每刻面对的情景都具有即时性，教师应该做好课时教学计划，但不能机械地演绎课时教学计划.教师在实施教学时应遵循的原则是：启迪、点拨和培养.指导策略是：创设条件，使学生充分的观察和思考.在学生动手实验后要及时进行有效的启迪和指导。

(收稿 日期 ：2012-12-28)-Vo1.84 No.5(2013)物 理 教 师PH YSICS TEACH ER第 34卷第 5期2013正简单也能蕴育精彩用气球探 究力的奥秘杨以明(浙江宁波高新区外国语学校，浙江 宁波 315040)气球是普通的儿童玩具，以气球作为实验载体承载着力”的教学怎样的重任，蕴育怎样力的精彩呢首先，有必要理清力”要学什么2011年版《初 中科学课 程标准 》中对力 没有 明确 的要求，力作为物理科学中最基本的概念之-，我们应该从力的感知、力的本质、力的作用效果、力的单位、力的测量等五个层 面理解.考 虑- 堂课 的容量 ，可 以把 力 的感 知 、力的概念包 括力 的作用 是 相互 的 、力 的作 用 效果 放 在 -节课中学习.在实践中，多数教师把力的作用效果放在力的概念之 中或之后教学 .从 力的认 识发展 观来 看 ，对力 的概念的科学认识是人们经过长期实践形成的.我国古代的《墨经》中记载：力物之所以奋也.”所以，把对力的感知和力的作用效果紧密联系教学更合乎人们的认知.把力的内涵中的难点受力物体施力物体的关系，力的作用是相互 的 剥 离 出来 独 立 成 体 ，这 样 本 节 课 着 力 从 力 之效”，力之本”和力之迷”3个面层层推进，步步深入效果更 佳。

选择 怎样 的实验手段辅助力的学习气球是很好的实验材料，细细思量，气球耳熟能详、容易取材，操控性好，几乎可以演示本节所有力学现象。

1 用气球实验展示力之效具体实验和实验引发的思考如下 ：实验室中的辐射计直径约有 0.07 m.所以在压强较大时分子平均自由程小于容器的尺度，在压强较小时分子平均 自由程远大于于容器 的尺度。

(1)压强较大时：分子间的碰撞频繁.叶片周围分子做无规则运动时与温度较高的涂黑面碰状射回来的速度，大于从温度较低的光亮面的反射速度.这会使叶片的两面间产生压力 差 ，涂 黑面 受 到 的推力 大 于 光亮 面 受 到 的推力.由于在阳光照射下的两个面始终存在温度差，因此这种力始终存在并推动叶片持续转动.在冷水浇淋时，涂黑面的温度低于光亮面的温度 ，产生的压力差使其反向旋转.(注：这种解释即为说明书内容)(2)压强较小时：分子平均 自由程远大于于容器的尺度，分子在辐射计内部不发生碰撞，气体分子间的摩擦消失.此时会产生热流逸现象(类似液态氦的超流现象.即温度降 到 2.17 K 时，存放在容器 中的液态 氦分子会 将毛细作用 ”发挥到极大 ，克服液态 氦 自身重力 翻越容 器 ，攀 升至温度更高的地方).在阳光照射下涂黑面-侧 的温度高于光亮面-侧，所以光亮面-侧的气体分子会顺着叶片流至涂黑面-侧，涂黑面受到的压力大于光亮面，产生的压力差驱使叶片转动.当用冷水浇淋时，涂黑面向外辐射热量的本领强于光亮面，温度更低，所以叶片反向转动。

2.3.2 从稀薄气体流动角度分析及计算机模拟结果麦克斯韦和-位杰出的流体力学家奥斯本雷诺几乎同时断定，辐射计转动是由于器皿内高度稀薄的残留气体的温度梯度所造成的力的作用.麦克斯韦在 1879年的-部里程碑式的著作《论温度不平衡引起的稀薄气体的压力》中，公布了自己的分析.他在卡文迪什实验室亲 自用辐射计做了实验.在这项研究推动下物理学出现了-个崭新的分支--稀薄气体动力学”，如果没有它我们今天就无法认识上层大气和外层空间。

热辐射计内转子的叶片很薄.在 阳光 照射 下 两表 面的温度不 同，在其叶片边缘会存在很大的温度差.会导致气体沿平行于表面的方向上具有 温度 梯 度 ，产 生 了平行于表面方向的分 子运动速度分量 ，分 子 的速 度 矢量 形成了循环 流.图 3所 示 为克鲁克斯辐射计内稀薄气体流 图 3动的蒙特卡罗模拟仿真流速矢量图(H表示涂黑面).可以看出，气体从光亮面流向涂黑面-侧，产生的压力将叶片推动并远离温暖气体向着温度较低的那-侧运动。

2.4 结论(1)对 于辐 射计 转动的原因最初被错误 的归 因为 光压效应.其 实在辐射计 内部 光压 与辐 射计效 应 同时 存在.辐射计效应在 10 Pa时消失 ，而光压 的大婿有 10。Pa左右.所以辐射计效应不可能是光压造成的。

② 光照 面与背光 面的温度 差引 起的稀 薄气体 分子 的热运动压力差。