Зависимость освещенности от расстояния до источника света

Краткие теоретические сведения

Раздел физики, занимающийся измерением характеристик оптического излучения, называется фотометрией. Для прикладной светотехники важна как объективная энергетическая характеристика света, так и мера воздействия света на глаз наблюдателя. Поэтому в фотометрии приходится вводить двойные единицы измерения: энергетические (оцениваемые по объективным энергетическим характеристикам) и фотометрические (оцениваемые по воздействию на глаз). Энергетические и фотометрические величины взаимосвязаны. Основной фотометрической величиной является единица силы света – кандела. Кандела (Кд) – это сила света, излучаемого перпендикулярно поверхности черного излучателя с площади 1/6´10 -5 м 2 при температуре затвердения платины, находящейся под давлением 101 325 Па.

Рассмотрим точечный источник, сила света которого равна I, и выделим телесный угол aW с вершиной в точке нахождения источника (рис.1).

Величина

( 1 )

называется элементарным световым потоком, излучаемым в пространство, ограниченным углом aW. Единицей светового потока является люмен (1 Лм = 1 Кд ´ 1 стер.).

Если сила света источника не зависит от направления наблюдения (такой источник называется изотропным), то полный световой поток, излучаемый источником по всем направлениям, равен

( 2 )

На пути светового потока расположим элементарную площадку dS , образующую угол с направлением распространения света. Отношение светового потока к площади освещаемой поверхности

( 3 )

называется освещенностью, которая измеряется в люксах (1 Лк = 1 Лм / м 2 ).

Построим также площадку dS₀ , перпендикулярную к направлению наблюдения и находящуюся на том же расстоянии r от источника света, что и площадка dS . Учитывая, что

( 4 )

и используя соотношение ( 1 ), из формулы ( 3 ) получаем

( 5 )

Таким образом, освещенность поверхности обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника света (закон обратных квадратов) и прямо пропорциональна силе света и косинусу угла падения света на поверхность (закон косинусов).

Если источник света – некоторая поверхность, то для ее характеристики вводятся такие величины, как светимость и яркость.

Пусть площадка dS излучает свет. Тогда светимость можно определить как световой поток, испускаемый с единицы площади:

( 6 )

В свою очередь яркостью называют силу света, испускаемого с единицы видимой поверхности в данном направлении:

( 7 )

Из формулы ( 7 ) следует, что яркость источника В может зависеть от угла a. Однако существуют источники света, для которых яркость не зависит от направления наблюдения, то есть В (a) = const . Такие источники подчиняются закону Ламберта:

( 8 )

и для них справедливо соотношение

( 9 )

Если свечение поверхности обусловлено освещением её внешним источником, то светимость связана с освещенностью соотношением:

( 10 )

где r – коэффициент рассеяния (отражения) света.

Описание установки

Фотометрический прибор состоит из камеры и разъемного корпуса прямоугольной формы. Внутри камеры вмонтирован селеновый фотоэлемент, провода которого выведены на торцевую часть прибора. Фотоэлемент закреплен в специальной оправе, которая может поворачиваться вокруг горизонтальной оси в пределах угла ¦ = 90 0 . Отсчет угла поворота осуществляется по угловой шкале, расположенной на лицевой стороне камеры. Селеновый фотоэлемент состоит из металлической подложки, на одной стороне которой нанесен слой селена толщиной около 0,1 мм. Сверху этот слой покрыт прозрачным электродом. Согласно первому закону фотоэффекта, сила фототока насыщения пропорциональна падающему потоку:

( 11 )

где γ – интегральная чувствительность фотоэлемента.

Селеновый фотоэлемент имеет спектральную характеристику чувствительности, близкую к кривой видимости человеческого глаза. Это позволяет использовать фотоэлемент для фотометрирования дневного света.

Внутри прямоугольного корпуса помещается осветитель с электролампочкой, который может перемещаться вдоль продольной оси прибора. Величина перемещения отсчитывается по линейке, закрепленной на лицевой стороне прибора. В набор также входят линзы в оправе, матовое стекло, набор диафрагм, исследуемая электрическая лампочка, реостат. Питание электролампочек осуществляется от выпрямителя типа ВС-24. Величина фототока измеряется с помощью универсального цифрового прибора типа 4323А.

Выполнение работы

1. Подключить микроамперметр к зажимам фотоэлемента. Установить предел измерений – 10 мкА.

2. Лампочку осветителя соединить последовательно с реостатом и выпрямителем.

3. Установить фотоэлемент перпендикулярно оси прибора (ручку – на нулевую отметку угловой шкалы).

Упражнение 1. Исследование зависимости освещенности

от расстояния до источника света.

1. Установить осветитель на десятом делении шкалы.

2. Для получения параллельного пучка света между источником и фотоэлементом установить линзу в оправе.

3.С помощью реостата подать на лампу такое напряжение, при котором микроамперметр покажет максимальное значение силы тока (i=10 мкА).

4. Снять отсчет i₁₀ по шкале микроамперметра.

5. Не меняя напряжения, установить лампу на 20 и 30 делениях шкалы и снять отсчеты i₂₀иi₃₀.

6. Используя полученные данные, проверить справедливость закона обратных квадратов:

Упражнение 2. Исследование зависимости освещенности

От угла падения света.

1. Установить осветитель на десятом делении шкалы прибора.

2. Для получения параллельного пучка света между источником и фотоэлементом установить линзу в оправе.

3. С помощью реостата добиться максимального значения фототока (i=10 мкА) и снять отсчет i₀.

4. Не меняя напряжения на лампе и расстояние r, повернуть фотоэлемент на 30 0 и 45 0 , и снять отсчеты i₃₀ иi₄₅. по шкале микроамперметра.

5. Используя полученные данные, проверить справедливость закона косинусов:

Упражнение 3. Исследование зависимости светового потока

от площади освещенной поверхности.

1. Убрать линзу и повернуть фотоэлемент перпендикулярно падающему свету (ручку на нулевую отметку угловой шкалы).

2. Установить осветитель на десятом делении шкалы.

3. С помощью реостата подать на лампу такое напряжение, при котором микроамперметр покажет максимальное значение силы тока (i=10 мкА).

4. Поместить между фотоэлементом и световым источником матовое стекло в оправе (при этом площадь открытой поверхности фотоэлемента равна 9 см 2 ). Снять величину фототока i₉по шкале микроамперметра.

5. Установить перед фотоэлементом последовательно диафрагмы с площадью 6 см 2 и 3 см 2 и снять соответственно показания микроамперметра i₆иi₃.

6. Построить график функции i = f ( S ) и убедиться в линейной зависимости светового потока от площади поверхности при постоянной освещенности.

1. В чем разница между энергетическим и фотометрическими величинами?

2. Основные фотометрические величины и единицы их измерения.

3. Закон обратных квадратов. Закон косинусов.

4. Какие источники света называются ламбертовскими?

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,

Ф_е – 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 к_max = 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 к_от = 8 … 20 лм/Вт. Например, аргоновая лампа накаливания напряжением 220 В и мощностью 100 Вт дает световой поток в 1350 лм и, следовательно, к_от = 13,5 лм/Вт. Люминесцентные лампы имеют к_от до 90 лм/Вт, металлогалогенные – 130 лм/Вт.

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 Е_изм на различных расстояниях R от лампы накаливания (5 точек). Построить график Е_изм = f(R).

Для этих же точек рассчитать значения освещенностей Е_изм , используя формулы (6), (3), (5). На том же графике нанести расчетную зависимость Е_расч = 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 Е_изм = f(R) и Е_расч = f(R), выводы.

Дата добавления: 2016-12-06 ; просмотров: 854 | Нарушение авторских прав