Фотометрия. Световой поток. Сила света

Фотометрия. Световой поток. Сила света
Фотометрия. Почему в сумерки одни предметы можно рассмотреть, другие нет? Почему некоторые светящиеся, смотреть больно, а то и опасно? Каким
должен быть освещение для нормального зрительного восприятия окружающих
предметов? Как нужно расположить источник света относительно рабочего
месяца? Почему зимой Солнце светит, но не греет? Вот далеко не полный круг
вопросов, на которые дает ответ фотометрия - один из разделов оптики
рассматривает измерения энергии света.
Фотометрия - раздел оптики, в котором рассматриваются энергетические
характеристики света в процессах его излучения, распространения и
взаимодействия со средой.
Энергия света, которая передается окружающим телам может превращаться в
тепловую, химическую, электрическую. Наш глаз является приемником энергии
света. Энергия света, которая попадает к нам в глаза создает зрительные
ощущения.
Поэтому очевидна важность рассмотрения энергетических характеристик света,
основанные на непосредственном восприятии света глазом - на зрительном
ощущении.
Таких величин три: световой поток (Ф), сила света (I) и освещенность (Е).
Рассмотрим их подробнее.
Световой поток. Каждый источник света излучает видимый свет в окружающее
пространство. Чтобы оценить, какое количество световой энергии падает от
источника на какую-нибудь площадку за определенный интервал времени,
вводят понятие светового потока.
Световой поток - это физическая величина, определяемая количеством
световой энергии (по зрительным ощущениям), попадающего на поверхность за
единицу времени.
Принято обозначать: световой поток символом - Ф, энергию - , время - .
Чтобы определить световой поток нужно: .
Единицей светового потока является 1 люмен (1 лм).
Световой поток от ночного звездного неба, попадает на зрачок глаза составляет
всего Ф = 0,000000001 лм, а от полуденного Солнца Ф = 8лм.
Одни источники света могут излучать свет равномерно во все стороны,
например, Солнце. Прожектор или фонарик излучает свет сконцентрировано в
одном направлении. Для оценки пространственного распределения светового
потока от источника света применяется такая физическая величина, как сила
света.
Сила света - физическая величина, определяющая величественную светового
потока в определенном направлении.
Сказывается символом - И.
Единицей силы света является 1 кандела (1 кд). Она входит в основных единиц
Международной системы единиц (СИ).
Сила света некоторых источников:
Солнце ≈ 3 ∙ 10 27 кд
Прожектор ≈ 8 ∙ 10 8 кд
Маяк ≈ 1 ∙ 10 5 кд
Фара автомобиля (дальний свет) ≈ 12 000 кд
Фара велосипеда ≈ 60 кд
Лампочка фонарика ≈ 0,5 - 3 кд
Свеча ≈ 0,5 - 2 кд
Светлячок ≈ 0,01 - 0,001 кд
Если источник излучает видимый свет равномерно во все стороны. Так сила
света вычисляется по формуле:
- Постоянная величина, которая примерно равна 3,14.
В повседневной жизни как источника света применяются электрические лампы
различной мощности (обозначается Р, измеряется в ваттах, Вт). Значение
мощности указывают на стеклянном баллоне лампы.
Лампа определенной мощности, создает соответствующий световой поток:
15 Вт - 127 лм
40 Вт - 377 лм
60 Вт - 645 лм
100 Вт - 1275 лм
500 Вт - 8725 лм
1000 Вт - 19000 лм
Освещенность. ли читаем мы книгу, или пишем, всегда наше рабочее место
должно быть определенным образом освещено. Всем известно, например, что
чтение при слабом свете утомляет глаз. Также устает глаз при очень сильном
свете. Но слабое или сильное светло-понятия неточны. Чтобы определить, как
освещена поверхность, вводится понятие освещенности. Освещенность
обозначается символом Е.
Освещенность - это физическая величина, которая показывает какой световой
поток падает на единицу поверхности.
Чтобы определить освещенность (Е) следует значение числового потока (Ф)
падает перпендикулярно на некоторую поверхность, разделить на значение
площади ( S ) этой поверхности: .
Единицей освещенности является 1 люкс (1 лк).
Наши глаза приспосабливаются к различной освещенности. Освещенность на
открытой местности в солнечный день может достигать 100 000 лк, в ночью при
полной Луне всего 0,2 лк.
Для чтения книги необходима освещенность 60 лк.
Возможно вам приходилось определенным образом изменять освещенность
вашего рабочего места. Что вы для этого делали?
Наклоняли лампу ниже к поверхности стола или под определенным углом или
заменяли лампочку, другой более мощной. В любом случае вам удавалось
изменить освещенность.
Для установления этих зависимостей иногда пренебрегают размерами
источника света, по сравнению с расстоянием на котором оно от нас
находится. В таком случае его называют точечным.
Точечный источник света - это источник света, размерами которого в
конкретных условиях можно пренебречь.
Зари мы считаем точечными источниками.
Если размерами источника света пренебречь нельзя, его
называют протяженным.
Понятно, что одно и то же источник можно считать точечным, а можно
протяженным.
Пусть, например, световой поток от точечного источника падает на экран (рис.
40).
Рис. 40. Зависимость освещенности поверхности от расстояния до источника
Свет на единичной расстоянии от источника освещает единичную поверхность.
Если увеличить расстояние в 2 раза, то свет осветит поверхность в 4 раза
больше.
Если увеличить расстояние в 3 раза, освещаемая поверхность увеличится в 3
раза.
Учитывая, что , приходим к выводу, что освещенность поверхности точечным
источником света обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника
до этой поверхности.
Если поверхность расположена перпендикулярно направлению
распространения света на расстоянии от точечного источника, сила света
которого , то освещенность можно определить по формуле: .
Освещенность меняется и в случае, если свет падает на поверхность под
разными углами (мал.41).
Рис. 41. Освещенность зависит от угла падения лучей.
В случае перпендикулярного падения лучей освещается определенная площадь
поверхности. Если отклонять лучи слабо направления, то увеличивается
площадь образованной поверхности. Итак освещенность уменьшается.
В этом вы убеждаетесь ежедневно. Ведь утром и вечером солнечные лучи
скользят вдоль поверхности Земли и слабо ее освещают и нагревают. Днем,
когда Солнце стоит почти вертикально Земля получает значительно больше
света и тепла.
Вследствие получения различного количества солнечной энергии и меняются
времена года на Земле.
Вопросы для повторения пройденого материала:
1.
Что называют световым потоком? силой света? освещенностью?
2.
Как увеличить освещенность определенной поверхности?
3.
Какой источник света называют точечным?
4.
Почему на экваторе всегда теплее, чем в средних широтах, где мы
живем?
Учимся решать задачи.
Задача 1. Вычислите полный световой поток, который излучает лампа
накаливания, сила света которого равен 30 кд. Какая мощность лампы?
Дано:
И = 30 кд
Ф-?
Р-?
Решение:
Считаем, что лампа накаливания излучает свет равномерно во все стороны.
Из формулы выражаем
Определяем значение искомой величины: Ф = 4 ∙ 3,14 · 30 = 376,8 (лм)
Воспользовавшись сравнительной таблицей значений мощностей и полного
светового потока, видим, что световой поток 376,8 лм обеспечивает лампа
мощностью 40 Вт.
Ответ: Ф = 376,8 лм, Р = 40 Вт
Задача 2. Стол освещен лампой, расположенной на высоте 1,2 м прямо над
столом. Определите освещенность стола под лампой, если полный световой
поток лампы составляет 750 лм. Лампу считайте точечным источником.
Дано:
= 1,2 м;
= 750 лм
-?
Решение:
Поскольку источник света считаем точечным и стол расположен
перпендикулярно направлению распространения света, то можем
воспользоваться формулой: .
Лампа распространяет свет во все стороны, так .
Подставляя выражение для силы света в первую формулу, получаем: .
Определим значение искомой величины:
Ответ: Е = 41,5 лк
Задачи для самостоятельного решения.
1.
Сила света точечного источника составляет 100 кд. Определить полный
световой поток, который излучает источник.
2.
Полный световой поток электрической лампы равна 1884
лм. Определите силу света этого источника.
3.
В ясный полдень освещенность поверхности Земли под прямыми
солнечными лучами составляет 100000 лк. Определите световой поток,
падающий на участок площадью 100 см 2 .
4.
Определите освещенность от электрической лампочки мощностью 60
Вт, расположенной на расстоянии 2 м. Достаточно этой освещенности для
чтения книги?
Вставить тест № 16
Для любознательных.
Так, когда образуются ледяные сосульки на крышах домов?
Слайд-шоу "Сила света".