Лабораторный практикум по физике оптика

Количество энергии, прошедшее за единицу времени через любую площадку dS , пересекающую данный телесный угол будут одним и тем же, независимо от расстояния, формы и угла наклона площадки dS .

Световым потоком (Ф) называется величина, измеряемая количеством световой энергии, проходящей за единицу времени

где dW - количество энергии, прошедшее через эту площадку за время dt . Иными словами, световой поток – это мощность светового излучения, оцениваемая по зрительному ощущению или другими способами. Нетрудно видеть, что при использовании энергетического подхода, размерностью светового потока будет Дж/с = Ватт (Вт). В качестве единицы измерения светового потока в системе СИ используется люмен (лм) – поток, посылаемый источником света в 1 канделу (кд) внутрь телесного угла в один стерадиан (ср).

Световой поток создается источником света и воздействует на окружающие тела. Соответственно вводятся еще две энергетические величины: одна из них для характеристики источника света – сила света источника, а другая для характеристики действия света на поверхность тел – освещенность. Понятие силы света проще всего ввести для так называемого точечного источника света. Источник света считается точечным, если его размеры много меньше расстояний, на которых оценивается его действие. Также предполагается, что такой источник посылает свет равномерно по всем направлениям.

проведем из некоторой точки прямые линии ко всем точкам кривой, ограничивающей эту площадку. Эти линии выделят в пространстве область в форме конуса. Такая область пространства называется телесным углом. Единица телесного угла называется стерадианом (ср). Телесный угол в один стерадиан, опирается на часть сферы, площадь которой равна квадрату радиуса.

50

Следовательно, полный телесный угол ω 0 = 4π R2 / R2 = 4π , а полный поток световой энергии Ф0 .

Тогда, средняя сферическая сила света I0 = Ф0 /4π . В

соответствии с определением размерность силы света: Вт/ср. В системе СИ за основную единицу фотометрических величин принята единица силы света кандела (кд), так как проще всего создать эталон именно для силы света. Эталоном единицы силы света (1 кд) служит специальный излучатель. Все остальные световые единицы являются производными.

Величина полного светового потока характеризует излучающий источник, и её нельзя увеличить никакими оптическими системами. Действие этих систем сводится к перераспределению потока световой энергии. Таким способом достигается увеличение силы света по данным направлениям.

Освещенность Е

Величина светового потока dФ, приходящегося на единицу

источника света.

Данная формула является выражением основного закона освещенности - закона обратных квадратов: освещённость, создаваемая точечным источником на некоторой площадке, равна силе света, умноженной на косинус угла падения света на площадку и деленной на квадрат расстояния до источника.

Закон обратных квадратов строго соблюдается лишь для точечных источников. Если же размеры источника не очень малы по сравнению с расстоянием до освещаемой поверхности, то соотношение (4) будет неточным и освещенность убывает

медленнее, чем по закону I /r2 ; в частности, если размеры

светящейся поверхности велики по сравнению с r , то освещенность практически не меняется при изменении r . Чем меньше размеры источника d по сравнению с r , тем лучше

51

выполняется закон обратных квадратов. Так, при соотношении d /r = 1:10 расчеты по формуле (4) дают хорошее согласие с наблюдением. Таким образом, закон обратных квадратов можно считать практически выполняющимся, если размеры источника не превышают 0,1 расстояния до освещенной поверхности. Для протяженных источников зависимость освещенности от r оказывается более сложной. В соответствии с формулой (3) размерность освещенности при энергетическом подходе Вт/м2. В качестве единицы освещенности в системе СИ принят люкс (лк) – это освещённость, при которой на 1 м2 поверхности тела равномерно распределен световой поток в 1 люмен.

При помощи линз и зеркал можно изменить распределение светового потока; тогда появляется возможность сконцентрировать этот поток на определенных участках поверхности, тем самым повышается освещенность. Таково назначение всевозможной арматуры, которой обычно снабжаются источники света.

Для измерения освещённости применяются особые приборы

– люксметры. С целью сохранения нормального зрения людей установлены гигиенические нормы освещённости жилых и служебных помещений, обеспечивающих наилучшие условия работы и жилища.

Светимость R

Суммарный поток лучистой энергии, испускаемый единицей поверхности светящегося тела наружу по всем направлениям, то есть внутрь телесного угла 4π, называется светимостью. Следовательно,

где ρ - коэффициент отражения. Светимость измеряется в тех же единицах, что и освещенность, лм/м2.

Яркость источника В

Данное понятие применимо лишь к протяженным источникам света. Яркостью светящейся поверхности называется величина, численно равная отношению силы света с элемента излучающей поверхности dI к площади проекции этого элемента

52

dS на плоскость, перпендикулярную к направлению наблюдения (т.е. к видимой поверхности элемента):

направлением наблюдения. Следовательно, яркостью называется поток, посылаемый в данном направлении единицей видимой поверхности внутри единичного телесного угла. Как видно из формулы (7), в энергетической системе размерность яркости – Вт/м2×ср. Единицей яркости служит яркость площадки, дающей силу света в 1 кд с каждого квадратного метра в направлении перпендикулярном к площадке. Эта единица получила название нит (нт), 1 нт = 1 кд/м2.

Яркость тесно связана со светимостью источника света. Для некоторых источников яркость не зависит от направления. Такие источники называются источниками, подчиняющимися закону

Строго говоря, таким источником является только абсолютно черное тело. Освещаемая поверхность, покрытая окисью магния, или колпак из хорошего молочного стекла, освещенный изнутри, - примеры источников, хорошо приближающихся к ламбертовым.

Все приведенные характеристики связаны с объективным восприятием энергии, например, термоэлементом. Довольно часто свет воспринимается селективными приборами, такими, как фотоэлемент, фотопластинка и человеческий глаз. Данные устройства имеют различную чувствительность к разным частям спектра, то есть одна и та же частота вызывает различные зрительные ощущения. Принимая в качестве приемника световой энергии глаз, Международная осветительная комиссия (МОК) определила световой поток, как поток лучистой энергии, оцениваемый по зрительному ощущению.

Лампа накаливания

Широкое распространение в качестве источника света получила лампа накаливания, впервые продемонстрированная А. Н. Лодыгиным в 1873 году. Электрическим источником свечения в ней служит нагретая до высокой температуры спираль из тугоплавкой вольфрамовой проволоки (температура плавления

53

вольфрама 3665 К). Большая часть энергии, излучаемой лампой накаливания, приходится на долю невидимых инфракрасных лучей. Повышение температуры нити крайне выгодно при использовании лампочки в качестве источника света, так как при этом энергия, излучаемая в форме видимого света, растёт гораздо быстрее, чем общая затрачиваемая энергия.

Отношение энергии, приходящейся на видимое излучение, ко всей энергии, затрачиваемой на нагрев, называется коэффициентом полезного действия или коэффициентом экономичности лампы.

Излучение вольфрамовой спирали с достаточной степенью точности описывается теорией излучения абсолютно черного тела. При промышленном использовании ламп накаливания выделяют их следующие параметры:

1.Номинальное (рабочее) напряжение в сети, при котором лампа работает; выражается в вольтах (В). Для некоторых ламп накаливания расчетное напряжение отличается от номинального.

2.Мощность лампы при подключении её к номинальному напряжению (Вт).

3.Средний конечный световой поток группы ламп, испытываемых до перегорания нити, то есть до полного срока службы.

Световая отдача - основная характеристика экономичности лампы выражает отношение светового потока (лм) к мощности лампы. Световая отдача лампы накаливания повышается с увеличением её мощности.

Удельная мощность - величина, обратно пропорциональная световой отдаче (Вт/лм).

Световой центр - геометрический центр светящейся части тела лампы накаливания.

Цветность излучения лампы накаливания с вольфрамовой нитью в бесцветной колбе определяется температурой нити накала.

Срок службы лампы накаливания определяется в основном распылением вольфрамовой спирали под действием высокой температуры. Уменьшение светового потока лампы в процессе горения обуславливается уменьшением диаметра проволоки, а также оседанием продуктов распыления на стенках колбы, что уменьшает их прозрачность.

54

К числу наиболее распространенных ламп накаливания относятся нормальные лампы (газонаполненные и вакуумные), лампы с отражающим и диффузным покрытием колбы, цветные, а также галогенные лампы.

Широкое распространение получили зеркальные лампы накаливания. Они имеют колбу специальной формы, верхняя её часть изнутри покрыта слоем серебра или алюминия. Серьёзными недостатками ламп накаливания является их малая световая отдача и короткий срок службы.

Световые измерения. Фотометры.

Измерение световой величины может производиться непосредственно с помощью глаза (визуальные методы) или с помощью приборов – фотоэлементов, термостолбиков (объективные методы).

Визуальные методы основаны на свойстве глаза очень хорошо фиксировать равенство яркостей двух смежных поверхностей. В то же время с помощью глаза трудно оценить, во сколько раз яркость одной поверхности больше яркости второй. Поэтому во всех визуальных фотометрах роль глаза сводится к установлению равенства яркостей двух смежных площадок, освещаемых сравнительными источниками.

Рис. 2.

55

В простейшем фотометре глаз наблюдателя A рассматривает белую трехгранную призму MPN , помещенную внутри

зачерненной трубки и освещаемую источниками L1 и L2 .

Варьируя расстояния от источников до призмы, можно уравновесить освещенности поверхностей MP и PN . Для удобного измерения расстояний приборы располагают на оптической скамье.

Экспериментальная часть

Описание установки

На оптической скамье с помощью рейтера укрепляются лампа накаливания Л и фотоэлемент Ф, светочувствительный слой которого закрыт светонепроницаемой крышкой с небольшим отверстием (рис. 3). Лампа накаливания питается от батареи Б. С помощью резистора можно менять силу тока в цепи лампы, изменяя тем самым световой поток. Вольтметр фиксирует подаваемое на лампу напряжение. В цепь фотоэлемента включен микроамперметр, измеряющий силу фототока. Эта величина одновременно пропорциональна освещенности в месте расположения фотоэлемента, и силе света источника.

Рис. 3.

57

Порядок выполнения работы

1.Поместите фотоэлемент на минимально возможном расстоянии r (таблица 1) от лампы накаливания, на которую надет колпачок с прорезью без матового стекла. В этом случае лампу накаливания можно считать точечным источником света.

2.С помощью реостата R установите на вольтметре V определенное значение напряжения на лампе. При выполнении упражнения постоянно следите за напряжением на лампе, в случае необходимости корректируйте его реостатом. Отметьте показание люксметра и занесите его в таблицу.

3.Последовательно, увеличивая расстояние r на 0,2 м, продолжайте снимать показания люксметра и занесите их в таблицу. Измерения повторите, перемещая фотоэлемент в обратном направлении. Подсчитайте средние значения для каждого измерения.

Таблица

4.Закройте лампочку матовым стеклом и проделайте указанные выше измерения. При этом расстояния надо отмерять от матового стекла, а не от нити накала, как в предыдущем случае.

5.В первом случае при использовании точечного источника

должен выполняться закон обратных квадратов и график E = f (1/r2) будет представлять прямую линию. Во втором

случае (матовое стекло) экспериментальные точки будут отклоняться от линейной зависимости. Постройте график

функции E = f (1/r2) для обоих случаев.

6. Сделайте вывод о применимости закона обратных квадратов.

58

Контрольные вопросы

1.Объясните физический смысл понятия «световой поток».

2.Как рассчитывается сила света и в каких единицах она измеряется?

3.Дайте формулировку закона обратных квадратов. Какова математическая запись этого закона?

4.Как связаны между собой светимость и яркость, какова размерность этих величин?

5.От чего зависит освещённость поверхности, создаваемая точечным источником света?

6.Правила техники безопасности при выполнении данной работы.

59