Работа 2. Измерение энергетических характеристик оптического излучения электрической лампы накаливания.

Цель работы: Научиться измерять силу света исследуемого источника по действию его оптического излучения на приемник (фотоэлемент); исследовать взаимосвязь оптических и электрических характеристик данного источника света.

Теоретическое введение:

Раздел физической оптики, в котором рассматриваются энергетические характеристики оптического излучения в процессе его испускания, распространения и взаимодействия с веществом, называется фотометрией.

Одной из основных энергетических характеристик в фотометрии является поток излучения , численно равный мощности электромагнитного излучения:

[Вт]

где – электромагнитная энергия, переносимая излучением.

Интенсивность излучения I_е – величина, численно равная электромагнитной энергии, переносимой излучением за одну секунду через единичную площадку:

[Вт/м²]

Группу фотометрических величин, характеризующих оптическое излучение по его действию на приёмник света (по зрительному ощущению) составляют световые величины. Одной из них является световой поток Ф_λ, численно равный мощности оптического излучения по его действию на приёмник света.

Световой поток Ф_λ определенным образом связан с потоком излучения Ф_е:

Ф_λ = к _(λ) Ф_е,

гдек _(λ) – спектральная световая эффективность (по-старому, коэффициент видности).

Ф_λизмеряется в люменах – лм;

Для пространственного представления светового потока используется понятие телесный угол Ω -это часть пространства, ограниченная конической поверхностью с вершиной в центре сферы и вырезающая часть сферической поверхности площадью S.

Точечным источником называется источник света, размеры которого малы по сравнению с расстоянием до наблюдателя.

Для точечного источника света сферическая поверхность является волновым фронтом и телесный угол численно равен:

, [ср],

где ср - стерадиан – единица телесного угла; R- радиус сферы, (см. рис 2.1).

S Ω S

R R

 

Рис.2.1

Так как площадь поверхности всей сферы S_сф =4πR², то полный телесный угол точечного источника равен: Ω = 4π R²/R² = 4π ср.

Следующей важнейшей фотометрической характеристикой является сила света J – величина, численно равная световому потоку в единичном телесном угле:

[кд],

 

где [кд] –кандела – единица силы света; [ кд] = [лм/ср] –люмен /стерадиан.

Освещенность Е – величина, численно равная световому потоку, падающему на единичную площадь поверхности S:

[ лк],

где [лк] – люкс – единица освещенности, [лк] = [лм/м²].

В данной работе для измерения силы света электрической лампочки накаливания используется фундаментальный закон фотометрии:

-освещенность Е изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния r от точечного источника света:

(2.1)

где α- угол падения.

Измерение характеристик электрической лампочки накаливания, как источника света, производится методом сравнения с эталонной лампочкой, характеристики которой известны.

Описание установки

Электрическая схема установки приведена на рис.2.2

Лампочки и фотоэлемент заключены в трубу прямоугольного сечения, чтобы исключить влияние внешних источников света. На трубе нанесены две шкалы, по которым можно измерять расстояние между приёмником (фотоэлементом) и источником света (лампой).

Лампы попеременно включаются в схему с помощью переключателя Κ. Реостат R служит для изменения напряжения на лампах, микроамперметр µ А фиксирует ток на фотоэлементе, миллиамперметр m А и вольтметр V фиксируют ток и напряжение в электрической лампе. В качестве приёмника света в работе используется полупроводниковый фотоэлемент. Его можно, перемещая в трубе, поворачивать рабочей поверхностью к той или иной лампе.

Рис. 2.2

Л₁ и Л₂ - эталонная и исследуемая лампочки, соответственно; Φ –фотоэлемент, Κ– переключатель, R –реостат, µА–микроамперметр, mА–миллиамперметр,V–вольтметр,r₁ и r₂ – расстояние от фотоэлемента до эталонной и исследуемой лампочек, соответственно.

Если в некотором диапазоне напряжений сначала измерить микроамперметром фототоки i при освещении фотоэлемента эталонной лампой, оставляя постоянным заданное расстояние r_1,, затем, при освещении фотоэлемента исследуемой лампой добиваться перемещением фотоэлемента тех же показаний микроамперметра, что и при эталонной лампе, и фиксировать при этом расстояние r₂, то можно найти силу света J₂ исследуемой лампы по известной силе света J₁ для эталонной лампы.

Действительно, если в уравнении ( 2.1 ) cosα = 1, тоE = J/r²,ипри условии E₁ = E₂получаем:

Светоотдача лампы зависит от потребляемой ею мощности N=IU, при этом удельная мощность N₀ рассчитывается по формуле:

[Вт/кд]

и является одной из экономических характеристик лампы накаливания. Объясняется это тем, что при увеличении напряжения U увеличивается температура накала нити лампы и максимум её излучения смещается в сторону видимого спектра, поэтому экономичность лампы тем выше, чем большую мощность она потребляет.

В данной работе необходимо рассчитать силу света исследуемой лампы при разных значениях напряжений и соответствующих им значениях J₁, которые приведены на установке; построить графики: J₂ = ƒ(N); N₀ = ƒ(I)

 

Порядок выполнения работы

1. Ознакомьтесь с установкой

2. Поверните фотоэлемент рабочей поверхностью к эталонной лампе Л₁ и установите его на расстоянии r₁ от неё (r₁ задаётся преподавателем).

3. Включите установку в сеть переменного тока, переключатель поставьте на режим эталонной лампы.

4. Устанавливая с помощью реостата напряжения U₁, U₂ и т.д. (см.на установке), запишите соответствующие им значения фототока i по микроамперметру.

5. Выключите установку из сети, поверните фотоэлемент на 180⁰ (в сторону исследуемой лампы Л₂) и установите его приблизительно на середине шкалы.

6. Переключите тумблер K на исследуемую лампу и включите установку в сеть.

7. Изменяя напряжение в том же порядке, как в пункте 4, перемещением фотоэлемента для каждого напряжения добейтесь тех же показаний микроамперметра, что и в п.4, каждый раз измеряя расстояние r₂ от исследуемой лампы до фотоэлемента и показания миллиамперметра I.

8. Выключите установку и приступите к вычислениям.

9. Вычислите для каждого напряжения:

а) силу света J₂ по формуле:

б) потребляемую мощность N = IU

в) удельную мощность по формуле:

10. Результаты опыта и вычисления занесите в таблицу:

r₁= ……

Таблица 2.1.

U, В	J1, кд	iф, мкА	r2, см	I, мА	J2, кд	N, Вт	N0, Вт/кд

11. Постройте графики зависимости:

а) силы света от электрической мощности исследуемой лампы J₂ = ƒ(N);

б) удельной мощности от силы тока N₀ = ƒ(I)

Контрольные вопросы

1. Что называется световым потоком, силой света, освещенностью?

Напишите формулы для этих величин и укажите единицы их измерения.

2. Что называется точечным источником излучения?

3. Напишите и сформулируйте закон освещенности.

4. Что называется мощностью лампы накаливания, её удельной мощностью и в каких единицах эти величины измеряются?

5. Графики каких зависимостей нужно построить в работе? Объясните их.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ К РАБОТАМ 3 И 4

Все многообразие изученных свойств и законов распространения света, его взаимодействия с веществом показывают его двойственную природу. Так в некоторых явлениях (интерференция, дифракция, поляризация) обнаруживаются волновые свойства света; эти явления описываются волновой теорией. В других же явлениях (фотоэффект, атомные и молекулярные спектры) обнаруживаются корпускулярные свойства света; эти явления описываются квантовой теорией. Волновая и квантовая теории дополняют друг друга. Согласно квантовой теории свет представляет собой поток частиц-фотонов, согласно волновой теории свет - электромагнитная волна, т.е. распространяющееся в пространстве и времени электромагнитное поле. Электромагнитные волны поперечны: векторы напряженностей электрического и магнитного полей волны взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости распространения волны (перпендикулярно лучу). Обычно для описания закономерностей поляризации света рассматривают поведение одного вектора - вектора напряженности электрического поля , который называют световым. Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора (и, следовательно, ) называется естественным (рис.3.1.а). Свет, в котором направления колебания светового вектора каким-то образом упорядочены, называется поляризованным.

Частично поляризованным называется свет, у которого в результате каких - либо внешних воздействий появляется преимущественное направление колебаний светового вектора (рис.3.1.б). Свет, в котором световой вектор (и, следовательно, вектор ) колеблется только в одном направлении, перпендикулярном лучу, называется плоскополяризованным (линейно поляризованным) (рис.3.1.в.).

Плоскость, проходящая через направление колебаний светового вектора плоскополяризованной волны и направление распространения этой волны, называется плоскостью поляризации. Естественный свет можно преобразовать в поляризованный, используя поляризаторы, пропускающие колебания только определенного направления. В качестве поляризаторов могут быть использованы среды, анизотропные в отношении колебаний вектора , например, кристаллы. К природным кристаллам, поляризующим свет, относится турмалин.

Направим естественный свет перпендикулярно пластинке турмалина, вырезанной параллельно оптической оси ОО^/ (рис.3.2). Свет, прошедший через пластинку, полностью поляризуется, и колебания светового вектора происходят только в одной плоскости. Интенсивность этого плоскополяризованного света . Если на пути плоскополяризованного света поставить вторую пластинку турмалина и вращать ее вокруг направления луча, то интенсивность света, прошедшего через вторую пластинку, изменяется в зависимости от угла α между оптическими осями кристаллов по закону Малюса: , I₀ и I- соответственно интенсивности света, падающего на второй кристалл и вышедшего из него. Следовательно, интенсивность прошедшего через пластинки света изменяется от минимума (полное гашение света) при α=90⁰ (оптические оси кристаллов перпендикулярны) до максимума при α=0⁰ (оптические оси пластинок параллельны).

Пластинка, преобразующая естественный свет в плоскополяризованный, называется поляризатором. Вторая пластинка, служащая для анализа степени поляризации света, называется анализатором.

Все прозрачные и анизотропные кристаллы обладают способностью двойного лучепреломления, т.е. раздваивания каждого падающего на них светового пучка.

Если на толстый кристалл исландского шпата направить узкий пучок света, то из кристалла выйдут два пространственно разделенных луча, параллельных друг другу и падающему лучу. Даже при нормальном падении первичного пучка света на кристалл (рис.3.3), преломленный пучок разделяется на два: один из них является продолжением первичного- обыкновенный луч (о), а второй отклоняется – необыкновенный луч (е). Направление в оптически анизотропном кристалле, по которому луч света распространяется, не испытывая двойного лучепреломления, называется оптической осью кристалла. Плоскость, проходящая через направление луча света и оптическую ось кристалла, называется главной плоскостью. Лучи, вышедшие из кристалла, плоскополяризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях: в обыкновенном луче колебания светового вектора происходят перпендикулярно главной плоскости, в необыкновенном – в главной плоскости.

Рис.3.3

 

Двойное лучепреломление объясняется особенностями распространения света в анизотропных средах. В этих средах показатели преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей разные. При любом направлении обыкновенного луча колебания светового вектора перпендикулярны оптической оси кристалла, поэтому обыкновенные лучи распространяются по всем направлениям с одинаковой скоростью и, следовательно, показатель преломления для него постоянный. У необыкновенного луча угол между направлением колебаний светового вектора и оптической осью отличен от прямого и зависит от направления луча, поэтому необыкновенные лучи распространяются по различным направлениям с разными скоростями. Следовательно, показатель преломления для необыкновенного луча является переменной величиной, зависящей от направления луча.

Для получения поляризованного света на основании явления двойного лучепреломления наиболее часто применяют поляризационные призмы и поляроиды. Поляризационные призмы используют явление полного отражения одного из лучей от границы раздела, в то время как другой луч с другим показателем преломления проходит через эту границу. Наиболее распространенной поляризационной призмой является призма Николя. Призма Николя представляет собой двойную призму из исландского шпата, склеенную канадским бальзамом с показателем преломления 1,55. Оптическая ось призмы составляет с входной гранью угол 48⁰. На передней грани призмы естественный луч раздваивается на два луча: обыкновенный с n_о = 1,66 и необыкновенный с n_е = 1,51. следовательно, для обыкновенного луча бальзам является средой оптически менее плотной, а для необыкновенного - более плотной, чем исландский шпат. Поэтому обыкновенный луч, падающий на бальзам под углом, большим предельного, испытывает полное отражение, а затем поглощается зачерненной поверхностью. Необыкновенный луч при любых углах падения выходит из кристалла параллельно падающему лучу.

Поляроид представляет собой прозрачную тонкую полимерную пленку, в которую вкраплены кристаллики герапатита. Установлено, что такая пленка уже при толщине 0,1мм полностью поглощает обыкновенные лучи видимой области спектра, являясь в таком тонком слое совершенным поляризатором.