ЭЛЕМЕНТЫ ФОТОМЕТРИИ. СВЕТОВЫЕ ВЕЛИЧИНЫ.
ЗАКОН ОСВЕЩЕННОСТИ
Цель работы: Изучить фотометрические световые величины, законы освещенности. Освоить работу с люксметром. Экспериментально и расчетным путем определить зависимость освещенности поверхности от расстояния до источника света.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
СВЕТОВЫЕ ФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ
Раздел оптики, занимающийся рассмотрением световых и энергетических характеристик излучения в процессах его испускания, распространения и взаимодействия с веществом, называется фотометрией.
Для количественного описания самого излучения, источника излучения и освещенной поверхности применяются энергетические и световые фотометрические величины.
Световые величины используются в видимой области (l = 0,38 … 0,76 мкм) оптического излучения, а энергетические – в ультрафиолетовой и инфракрасной областях.
Рассмотрим световые фотометрические величины и их единицы.
Световое излучение характеризуется световым потоком Ф и силой света I.
Световой поток dФ излучения определяют по формуле
, (1)
где к (l) – световая активность человеческого глаза, лм/Вт,
Фе – поток излучения, равный отношению энергии, переносимой излучением в данном телесном угле, ко времени переноса, то есть мощность излучения в заданном телесном угле, Вт.
Световой поток Ф измеряется в люменах (лм, от лат. lumen - свет).
Формула (1) имеет смысл для видимого диапазона оптического излучения. Вне этого диапазона к (l) = 0 и Ф = 0. Внутри видимого диапазона к(l) = f(l). Максимальное значение кmax = 680 лм/Вт соответствует в дневное время зеленому цвету (l = 0,55 мкм).
Силой света I называют световой поток, приходящийся на единицу телесного угла W
. (2)
Единицей силы света является – 1 кандела (от лат. свеча), 1 кд = 1 лм/ср (ср – стерадиан – единица телесного угла).
В общем случае сила света I зависит от направления. Если сила света источника во всех направлениях одинаковая, то такой источник света называется изотропным. Для изотропного источника, излучающего во все стороны
. (3)
Поверхность, облучаемая потоком света, характеризуется величиной, называемой освещенностью.
Освещенность Е поверхности равна отношению светового потока dФ к площади dS освещаемой поверхности
. (4)
Единицей Е является 1 лк – один люкс (от лат., lux - свет).
По существующим нормативам место для чтения должно иметь Е = 75 … 100 лк.
Для связи светового потока Ф источника света с потребляемой источником мощностью Р вводится величина, называемая световой отдачей.
Световая отдача
, лм/Вт. (5)
Лампы накаливания общего назначения имеют кот = 8 … 20 лм/Вт. Например, аргоновая лампа накаливания напряжением 220 В и мощностью 100 Вт дает световой поток в 1350 лм и, следовательно, кот = 13,5 лм/Вт. Люминесцентные лампы имеют кот до 90 лм/Вт, металлогалогенные – 130 лм/Вт.
ЗАКОНЫ ОСВЕЩЕННОСТИ
Как следует из опыта, освещенность поверхности зависит от силы света источника, расстояния между источником света и освещаемой поверхностью и от положения освещаемой поверхности относительно падающих лучей.
1-й закон освещенности: Освещенность поверхности, на которую перпендикулярно падает свет, пропорциональна силе света I источника и
обратно пропорциональна квадрату расстояния R от источника света до освещаемой поверхности
. (6)
2-ой закон освещенности: Освещенность поверхности, создаваемая наклонными параллельными лучами, прямо пропорциональна косинусу угла падения лучей
. (7)
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
С помощью люксметра измерить освещенность Еизм на различных расстояниях R от лампы накаливания (5 точек). Построить график Еизм = f(R).
Для этих же точек рассчитать значения освещенностей Еизм, используя формулы (6), (3), (5). На том же графике нанести расчетную зависимость Ерасч = f(R).
Рассчитать максимальную относительную разность расчетных и измеренных значений Е. Указать возможные причины расхождения результатов.
Отчет о лабораторной работе должен содержать краткую теоретическую часть, схему эксперимента, таблицу измерений и рассчитанных значений Е, графики Еизм = f(R) и Ерасч = f(R), выводы.
