Определение силы света лампочки накаливания и ее светового поля.

Лабораторная работа № 1
Определение силы света лампочки накаливания
и ее светового поля.
Цель работы: экспериментальная проверка законов освещенности
и определение характеристик источника света.
Введение.
1. Поток лучистой энергии. Световой поток.
Воздействие света на глаз или какой-либо другой приемный аппарат состоит, прежде всего, в передаче этому аппарату энергии, переносимой световой волной. Эта энергия может быть объективно измерена в световых приемниках по превращению ее в другие виды энергии – тепловую, химическую,
электрическую.
Основной энергетической фотометрической величиной является так
называемый лучистый поток dФэ, характеризующий энергию , проходящую через поверхность  за единицу времени τ, т.е.
dэ = /,
Лучистый поток измеряется в единицах мощности (ватт, эрг/с).
В большинстве оптических измерений приемником световой энергии
является человеческий глаз, фоточувствительные слои, фотоэлементы. Все
эти приемники селективны, т.е. каждый из них обладает своим характером
чувствительности к лучистой энергии разных длин волн. В качестве примера
рассмотрим характер воздействия световых волн на нормальный человеческий глаз. Это воздействие задается установленной на опыте Международной
Осветительной Комиссией, так называемой кривой видности V(). На рис. 1
кривая видности изображена для цветного зрения. Максимум кривой при
=555 нм означает, что чувствительность глаза к свету вблизи этой области
длин волн (в желто-зеленой части спектра) наибольшая.
Vλ 1.0
0.5
400
550
Рис.1
700 λ, нм
Принято считать, что функция видности для этой длины волны равна
единице, V(555нм) = 1, но при таком же потоке энергии оцениваемая зрительно
интенсивность света для других длин волн меньше, а потому меньше и значение функции видности. Кривая построена так, что
V(1)/V(2) = (dэ)2 /(dэ)1.
Например, чтобы зрительные ощущения были одинаковыми энергия
света для  = 510 нм и  = 610 нм должна быть вдвое больше, чем энергия
света с  = 555 нм. При  388 нм и >780 нм функция видности равна нулю,
т.е. глаз эти волны не видит, хотя они и несут с собой энергию.
Из сказанного следует, что субъективная оценка интенсивности света
отличается от объективной - энергетической. Но с помощью кривой видности
можно установить связь между этими оценками. Для этого вводят понятие
светового потока dФ
dФ = V()dФэ
Так как функция видности безразмерна, то можно сказать, что световой
поток – это поток лучистой энергии, оцениваемый по зрительному ощущению.
2. Фотометрические величины и их единицы.
Фотометрические величины одинаковы для объективной и субъективной
оценок интенсивности света.
Если источник точечный, то под силой света I понимают световой поток, распространяющийся в единице телесного угла (рис. 2)
I = dФ/d.
n
i
σ
L
dΩ
R
Рис.2
Для анизотропного источника света связь светового потока с силой света
в полярной системе координат описывается формулой
dФ = Iθ,φ sin θ dθ dφ.
В случае равномерного потока эта связь упрощается Ф = 4π I.
Величина полного светового потока характеризует излучающий источник, и её нельзя увеличить никакими оптическими системами. Действие этих
систем может сводиться лишь к перераспределению светового потока.
Принимая в качестве приемника световой энергии глаз, Международная
осветительная комиссия (МОК) определила световой поток как поток лучистой энергии, оцениваемый по зрительному ощущению.
Для реализации определенного светового потока и других светотехнических величин служит условный световой эталон. Международным соглашением с 1.01.1948 г. введен новый воспроизводимый световой эталон, осуществляемый в виде абсолютно черного тела, применяемого при температуре
затвердевания чистой платины (2046,6 К). Еще в СССР такой эталон был
сделан и введен в эксплуатацию фотометрической лабораторией Всесоюзного научно-исследовательского института метрологии.
В системе СИ принята единица силы света кандела (кд) – одна из основных единиц (ГОСТ).
«Кандела – сила света, испускаемая с площади 1/600000 м2 полного излучателя (эталона) в перпендикулярном этому сечению направлении при температуре излучателя равном температуре затвердевания платины при давлении 101325 Па». (Или другими словами: 1см2 затвердевающей платины при
Т= 2042К и нормальном атмосферном давлении, в нормальном направлении
излучает 60 кандел).
За единицу светового потока принимают люмен (лм). Это поток, излучаемый изотропным источником силой в 1кд в пределах телесного угла в 1
стерадиан.
Ф = I
(1лм = 1кд 1ср)
Из опыта известно, что если  = 555 нм, то одному люмену светового потока соответствует поток лучистой энергии равный 0,0016 Вт. Это механический эквивалент света (А555 = 0,0016 Вт/лм). Если 555 нм, то механический эквивалент будет равен
Аλ=А555/V() Вт/лм
Если источник света не является точечным, то его принято характеризовать яркостью в данном направлении.
Вi = dФ/σ cos i dΩ
Итак, яркостью в данном направлении называется световой поток, посылаемый в данном направлении единицей видимой поверхности внутрь
единичного телесного угла (рис.3).
dΩ
n
i
σ
Рис. 3
Яркость Вi есть величина, зависящая от направления; однако для некоторых источников она может от направления не зависеть. Такие источники
называются источниками, подчиняющимися закону Ламберта.
Единицей яркости служит яркость площадки, дающая силу света в 1 кд с
каждого квадратного метра в направлении, перпендикулярном к площадке.
Таким образом, единица яркости есть "кандела с квадратного метра" - иначе
её называют нит (нт).
Свет, распространяющийся в пространстве изолировано от источников
и освещаемых поверхностей, характеризуют интенсивностью светового потока. Под интенсивностью понимают величину светового потока, протекающего через единицу видимого сечения по направлению, определяемому углом i между направлением потока и нормалью к этому сечению, внутрь единичного телесного угла:
R = dФ/σ cos i dΩ
Таким образом, интенсивность светового потока играет для характеристики светового поля туже роль, что и яркость для характеристики светящейся поверхности.
Освещенные поверхности принято характеризовать освещенностью.
Освещенностью Е называется величина светового потока, приходящаяся на
единицу поверхности (рис. 4).
Е = dФ/σ = I dΩ/σ = I cos i / R2
В последних двух равенствах введена сила света. Полученное выражение
показывает, что освещенность, создаваемая точечным источником, обратно
пропорциональна квадрату расстояния от источника до поверхности и прямо
пропорциональна косинусу угла между световым лучом и нормалью к освещаемой поверхности. Это есть основной закон освещенности (закон обратных квадратов).
L
dΩ
n
i
R
σ
Рис. 4
Единица освещенности – люкс (лк) – равна потоку в 1лм, равномерно
распределенному на площади в 1м2.
Освещенные поверхности сами становятся протяженными источниками
света. Их, с этих позиций, характеризуют светимостью S. Светимость
представляет собой интегральную величину, т.е. суммарный световой поток,
посылаемый единицей поверхности в полупространство (внутрь телесного
угла 2π стерадиан).
Светимость и яркость связаны между собой простым соотношением
S
1

2

0
Bi cos i sin idi
Для поверхностей, подчиняющихся закону Ламберта, эта связь упрощается
S = πB.
3. Фотометры.
Приборы, используемые для сравнения силы света источников или световых потоков, называются фотометрами. Они бывают:
1) визуальными,
2) объективными (фотографические, электрические).
Устройство визуальных фотометров основано на свойстве глаза хорошо
устанавливать равенство яркостей двух соприкасающихся поверхностей (при
освещении их светом одного цвета, т.е. одного спектрального состава).
К визуальным фотометрам можно отнести фотометр Луммера–Бродхуна.
Основная его часть – кубик Луммера [2].
В работе используется фотоэлектрический фотометр, работа которого
основана на изменении сопротивления фоторезистора под действием света.
Результат сравнения световых потоков индицируется при помощи светодиодов. Светится тот светодиод, со стороны которого освещенность больше. Одновременное свечение указывает на установившийся световой баланс освещенностей. При этом становится справедливым соотношение
I2 /R22 = I1/R12 .
Фотометр смонтирован в небольшом корпусе, который имеет возможность перемещаться относительно источников света по соединяющей их
прямой. На гранях, обращенных к источникам света, вмонтированы фотосопротивления; на грани, обращенной к наблюдателю, - светодиоды. Блок питания вынесен отдельно и соединен с фотометром кабелем.
4. Экспериментальная часть.
Задание 1. Определение силы света и удельной мощности лампы
накаливания.
Приборы: оптическая скамья, фотометр, два вольтметра (15в, 250в), амперметр (500мА), эталонная лампа (5кд, 8В), регулятор напряжения (РНШ) и
исследуемая лампа на поворотном столе.
1. Собрать цепь по схеме рис.5.
2. Расположить обе лампы на концах оптической скамьи на одной высоте с
окнами фотометра так, чтобы свет падал на окна по нормали.
3. На эталонной лампе установить постоянное напряжение V1= 8В.
4. На исследуемую лампу подать напряжение V2= 220В. Значение напряжения V1 и тока i записать в таблицу 1.
5. Для измерения силы света I2 уравнять освещенность полей фотометра, передвигая его относительно неподвижных ламп L1 и L2. Отметить расстояния
R1 и R2 от ламп до фотометра.
6. Аналогичные измерения провести для напряжения на исследуемой лампе в
пределах от 220 до 140 Вольт с интервалом в 10 Вольт, результаты которых
также свести в таблицу 1.
Рис. 5.
Таблица 1.
V2,(В)
220
140
i, P= iV2
(A) (Bт)
I1,(кд)
R1, (см) R2, (см) I2=I1(R2/R1)2
(кд)
=P/I2
(Вт/кд)
7. По формуле рассчитать силу света лампы I2
8. Вычислить мощность лампы накаливания L2 по формуле
P = iV2
9. Рассчитать удельную мощность лампы, т.е. оценить скольким ваттам затраченной мощности эквивалентна одна кандела излученного лампой света
 = P/I2
10. Построить графики зависимостей I2(P) и (V).
Задание 2. Изучение светового поля лампы.
1. По вольтметру установить напряжение на лампе L2 V = 220B.
2. Лампу L2 расположить в положении  = 0. Рассчитать силу света по измеренным расстояниям R1 и R2 (таблица 2).
3. Поворачивая лампу вокруг вертикальной оси через каждые 30 до 360,
рассчитать силу света для каждого положения лампы и результаты эксперимента свести в таблицу 2.
Таблица 2
Угол поворота
, ( º)
0
R1,
(см)
R2,
(см)
I2 = I1(R2/R1)2,
(кд)
360
4. Построить кривую светового поля в полярных координатах, откладывая
по радиусу силу света I2 , I2 ().
Список рекомендуемой литературы.
1. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2.,изд 3 испр. М.: Наука. 1982.
2. Ландсберг Г.С. Оптика, изд. М.: Наука. 1976.