лабораторная работа о-3 изучение законов освещенности

Л АБ ОР АТ ОР Н АЯ Р АБ ОТ А О -3
ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ОСВЕЩЕННОСТИ
ОБОРУДОВАНИЕ: источник света на оптической скамье, фотоэлемент, миллиамперметр.
Световое излучение, проходящее через некоторую поверхность,
можно характеризовать количеством энергии, переносимой электромагнитной волной через эту поверхность за 1 с, то есть мощность светового
потока E(). Количественная оценка E() производится с помощью человеческого глаза по зрительному ощущению. Однако зрительное ощущение зависит не только от мощности излучения, но и от спектральной
чувствительности глаза (от коэффициента видности). Другими словами,
человеческий глаз световые потоки одинаковой мощности, но разной
длины волны видит неодинаково. Наиболее чувствителен человеческий
глаз к зеленым лучам с  = 0,555 мкм. Поэтому самым ярким кажется
источник зеленого света. Для того, чтобы красный свет ( = 0,760 мкм)
казался столь же ярким, как зеленый, необходимо, чтобы его мощность
в 20000 раз превышала мощность зеленого света.
Отношение мощности монохроматического излучения с длиной
волны макс = 0,555 мкм (зеленый свет) к мощности монохроматического излучения с длиной волны , вызывающего ощущение такой же яркости, как излучение с длиной волны макс, называется функцией видности V() или коэффициентом видности излучения с длиной волны :
V (λ ) 
Emax
.
E (λ)
(1)
Коэффициент видности служит мерой спектральной чувствительности глаза. Коэффициент чувствительности зеленого света равен 1.
Исходя из вышеуказанного, в случаях, когда приемником света является глаз, более удобным оказывается характеризовать световое излучение произведением мощности E() на коэффициент видности V().
Эта величина характеристики излучения называется световым потоком.
Ô (λ)  E (λ)V (λ) ,
(2)
Световой поток при одинаковой мощности излучения зависит от коэффициента видности, а значит – от длины волны излучения. Для монохроматического излучения световой поток
Ô  Eñðλ ,
(3)
1
то есть световым потоком называется поток световой энергии, оцениваемый по зрительному ощущению. Световой поток является фотометрической характеристикой излучения.
Помимо светового потока основными фотометрическими характеристиками являются сила света, освещенность и яркость.
Сила света измеряется отношением светового потока, создаваемого
источником света в телесном угле, к этому телесному углу.
Если световой поток  создан точечным источником света в телесном угле, то сила света I выразится соотношением:
I
Φ
.
Ω
(4)
Дадим определение телесного угла.
Телесным углом называется часть пространства, ограниченная конической поверхностью.
Телесный угол определяется отношением площади S, вырезаемой
этим углом на поверхности сферы (с центром O в вершине телесного
угла), к квадрату радиуса R сферы
Ω
S
.
R2
(5)
Единицей телесного угла является стерадиан (ср). 1 ср – телесный
угол с вершиной в центре сферы, вырезающий на поверхности сферы
площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы.
Полный телесный угол, охватывающий все пространство вокруг источника света, равен 4 стерадиан.
Ω
4 πR 2
 4π ,
R2
(6)
где 4R2 – площадь шаровой поверхности радиуса R.
За единицу силы света в СИ принята кандела (кд). Это основная
единица. 1 кд – сила света, испускаемая источником света специальной
конструкции при определенных условиях.
Согласно формуле (3)
(7)
Ô  IΩ .
Откуда следует, что единицей светового потока является люмен
(лм). 1 лм – световой поток, излучаемый точечным источником в телесном угле 1 ср при силе света 1 кд.
ëì  êä  ñð .
2
Для количественной оценки освещения поверхностей вводится понятие освещенности (рис. 1).
Ô

O
N
Рис. 1
Освещенностью поверхности называется отношение светового потока, падающего на данную поверхность, к площади этой поверхности.
Φ
.
(8)
S
Если линейные размеры поверхности малы по сравнению с расстоянием от нее до источника света O, то
E
S0 S cos α
,

R2
R2
Ω
(9)
где S0 – проекция потока на ось, перпендикулярную плоскости.
 – угол между S и S0. Тогда:
S
ΩR 2
.
cos α
(10)
Подставляя это выражение в формулу (5) и учитывая (4) получим:
E
I cos α
.
R2
(11)
Освещенность поверхности, создаваемая точечным источником света, пропорциональна силе света и косинусу угла падения света на эту
поверхность и обратно пропорциональна квадрату расстояния до поверхности.
За единицу освещенности принимается люкс (лк). 1 лк – освещенность поверхности площадью 1 м2 при световом потоке, падающего на
нее излучения, равном 1 лм.
ëê 
ëì
.
ì 2
3
ЗАДАНИЕ И ОТЧЕТНОСТЬ
1. Снимите зависимость фототока от расстояния между источником света и фотоэлементом. Данные занесите в таблицу 1.
Таблица 1
I
R
2. Постройте график.
I
R
3. Снимите на фиксированном расстоянии зависимость фототока от
угла падения светового потока. Данные измерений занесите в таблицу 2.
Так как значения соs2 повторяются в интервалах 00 – 900, 900 – 1800,
1800 – 2700, 2700 – 3600, можно определить средние значения освещенности (Еср) для них.
4
Таблица 2
cos

I
4. Построить график.
I
cos
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. К свету какой волны (цвета) наиболее чувствителен глаз человека?
2. Что характеризует коэффициент видности? Дайте его определение.
3. Перечислите основные фотометрические характеристики. Дайте
определение этих характеристик и их единицы.
4. Что называется точечным источником света?
5. Какие источники света называются Ламбертовыми?
5
РАСЧЕТЫ И ВЫВОДЫ
6