Лабораторная работа № 14 Определение силы света источника

Теоретическая часть

Фотометрия рассматривает вопросы объективной регистрации восприятия света человеком. С этой целью вводятся понятия освещенности , светимости , яркости , силы света , и относительной спектральной чувствительности глаза .

Освещенность — это поток энергии света (энергия в единицу времени), падающей на единицу площади поверхности.

Интересно сравнить освещенность с интенсивностью света, которая по определению равна потоку энергии через единицу площади. В определении интенсивности подразумевается, что площадка перпендикулярна направлению распространения света, и свет, соответственно, распространяется более или менее в одном направлении. Для света одного направления освещенность равна произведению интенсивности на косинус угла падения. При скользящем падении света освещенность мала. Освещенность имеет смысл и для произвольного распределения света по направлениям.

Светимость — то же, что и освещенность, только свет не падает на поверхность, а излучается поверхностью. Светимость — поток энергии излучения света поверхностью единичной площади.

Сила света — это поток энергии излучения света в единичный телесный угол.

Сила света, также как и светимость, — характеристика источника света. Эта характеристика становится наглядной, когда источник света рассматривается издалека, и его можно считать точечным. Для удаленного источника сила света не зависит от расстояния. Освещенность создаваемая точечным источником силой света равна:

,

где — угол падения света, — расстояние от источника до освещаемой поверхности.

Вопросы

1. Дать определение силы света источника.

2. В каких единицах измеряется сила света источника?

3. Что такое освещенность?

4. Запишите формулу и единицы измерения для освещенности.

5. Сформулируйте I закон освещенности.

6. В чем суть II закона освещенности.

7. Запишите формулу, объединяющую I и II законы освещенности.

Цель работы: используя законы освещенности, опытным путем научиться определять силу света неизвестного источника.

Оборудование: фотометр, свеча, лампочка на подставке, источник тока, реостат, ключ, соединительные провода, метровая линейка.

Теория:

- дать определение силы света источника, формула, единицы измерения; - сформулировать законы фотометрии.

Ход работы

1. Собрать электрическую цепь из последовательно соединенных электрической лампы, источника питания, ключа.

2. Расположить фотометр в центре рабочего стола, экраном к наблюдателю. С одной стороны фотометра поставить зажженную свечу и лампу, силу света которой необходимо определить.

3. Передвигая фотометр, между источниками света, добиться одинаковой освещенности экрана (E₁ = E₂).

4. Измерить расстояние от середины нити лампы и свечи до середины экрана фотометра с точностью до 1 мм.

5. Приняв силу света свечи за 1 кд и, используя формулу первого закона освещенности определить силу света источника (лампы).

6. Повторить опыт для одной и той же лампы при других расстояниях от фотометра два раза.

7. Результаты всех измерений и вычислений занести в таблицу.

№ п/п	Расстояние от свечи до фотометра, r1, м	Расстояние от лампы до фотометра, r2, м	Сила света сечи, J1, кд	Сила света источника (лампы), J2, кд	Относительная погрешность, δJ, %
1
2
3

8. Вычислить абсолютную и относительную погрешность измерений, записать ответ в установленной форме, сделать вывод к работе.

Ответить на контрольные вопросы:

1. Какую фотометрическую величину можно измерить с помощью фотометра?

2. Какую фотометрическую величину можно измерить с помощью люксметра?

Тест

1. Силой света источника называется:

а) величина, характеризующая зависимость светового потока, испускаемого источником света от направления;

б) величина, которая характеризует зависимость светового потока, испускаемого источником света от направления излучения;

в) величина, характеризующая видимость отдельных участков поверхности в заданном направлении, обусловленная распространяющимся от этой поверхности световым потоком;

г) величина, характеризующая различную видимость отдельных тел в зависимости от величины падающих на них светового потока.

2. Первый закон освещенности читается:

а) освещенность поверхности, создаваемая параллельными лучами, прямо пропорциональна косинусу угла падения лучей;

б) при перпендикулярном падении лучей освещенность, создаваемая точечным источником света, прямо пропорциональна его силе света и обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника до освещаемой поверхности;

в) при падении лучей освещенность прямо пропорциональна силе света источника;

г) освещенность поверхности параллельными лучами от точечного источника света прямо пропорциональна квадрату расстояния от источника света до освещаемой поверхности;

д) освещенность поверхности прямо пропорциональна косинусу угла падения лучей.

3. Лампу в 50 кд, висящую над столом, заменили лампой в 150 кд. Освещенность стола под лампой:

а) увеличилась в 3 раза;

б) уменьшилась в 3 раза;

в) увеличилась в 9 раз;

г) уменьшилась в 9 раз;

д) для ответа на вопрос следует указать угол падения лучей.

4. Единица измерения правильно указана для физической величины:

а) [Е]=[кд];

б) [J]=[лм];

в) [В]=[ср];

г) [J]=[лк];

д) [Ф]=[лм].

5. Фотометры и люксметры используются для измерения:

а) фотометр используется для измерения освещенности, люксметр – измерения силы света источника;

б) фотометр и люксметр используются для измерения силы света источника;

в) фотометр и люксметр измеряют освещенность;

г) фотометры используются для измерения силы света источника, люксметры – для измерения освещенности;

д) назначение обоих приборов одинаковое: измеряют и силу света источника и освещенность.

Лабораторная работа № 15

Определение показателя преломления стекла

Теоретическая часть

Закон преломления света. Показатель преломления

Рис. 1

Ряд веществ, например вода, при падении света на их поверхность отражают лишь малую долю света, но и не поглощают его. Тела, изготовленные из таких веществ, называются прозрачными.

При падении пучка света перпендикулярно границе раздела сред пучок в новой среде не меняет своего направления, а при падении пучка света под некоторым углом к поверхности он изменяет свое направление, т.е. преломляется (рис. 1). При этом оказывается, что луч падающий и луч преломленный лежат в одной плоскости с перпендикуляром к границе раздела двух сред, восставленным к точке падения. Между углом преломления γ и углом падения α выполняется следующее соотношение:

n₁ sin α = n₂ sin γ

где n₁ и n₂ – абсолютные показатели преломления двух сред. Это утверждение называют законом преломления света.

Абсолютный показатель n преломления среды показывает, как будет преломляться луч на границе среда – вакуум. Таким образом, вакуум выступает в качестве некой абсолютной среды, которая используется для характеристики различных других сред. Абсолютный показатель преломления связан со скоростью света в среде и скоростью света в вакууме c:

n = c/ .

Скорость распространения света в любой среде меньше, чем скорость распространения света в вакууме, поэтому абсолютный показатель преломления любой среды всегда больше единицы. Так, для воздуха он примерно равен 1,0003, для воды – 1,33. Среди известных веществ максимальный абсолютный показатель преломления у алмаза (n 2,5). Среда с большим абсолютным показателем преломления называется оптически более плотной средой. Абсолютный показатель преломления вещества является его индивидуальной характеристикой и заносится в справочные таблицы.

На рисунке 2 приведен ход лучей через прозрачное тело, называемое плоскопараллельной пластиной.

Рис. 2

Соблюдение законов преломления на двух гранях тела из оптически более плотного материала, чем окружающая среда, приводит к сохранению направления распространения луча.

Вопросы:

1. Показатель преломления стекла больше показателя преломления воды. Каково соотношение между углом падения и углом преломления при переходе из воды в стекло.

2. При прохождении через границу раздела двух сред измерены два угла падения α₁ и α₂ и два соответствующих им угла преломления γ₁ и γ₂. Что можно сказать о соотношении этих углов?

3. Как изменяется скорость распространения света при переходе из вакуума в прозрачную среду с абсолютным показателем преломления n = 2?

4. При переходе луча света из первой среды во вторую угол падения равен 30^о, а угол преломления 60^о. Каков относительный показатель преломления второй среды по отношению к первой?

5. Каким должен быть угол падения светового луча, что бы отраженный луч составил с падающим лучом угол в 50^о

Цель работы: опытным путем, используя плоскопараллельную пластинку из стекла (легкий крон или флинт), определить показатель преломления данного сорта стекла.

Оборудование: стеклянная пластина с плоскопараллельными гранями из стекла, булавки, линейка.

Теория; 1) дать определение:

- явления преломления света; - показателя преломления вещества; 2) сформулировать первый и второй законы преломления.

Ход работы

1. На середину листа бумаги положить пластинку и обвести очертания ее карандашом.

2. Расположить лист с пластинкой так, чтобы удобно было смотреть через ее параллельные грани.

3. На верхней боковой грани пластинки вколоть булавку в т. О (точка падения луча на грань) и под углом 40^о – 50^о вколоть булавку в т. А. Отрезок ОА считать падающим под углом лучом.

4. С нижней стороны пластины вколоть булавку в т.С, располагая ее так, чтобы глядя через параллельные грани пластины, все три булавки (А, О, С) видеть расположенными на одной прямой.

5. Вынуть булавки и отметить их положение соответствующими и буквами. Убрать пластинку и прочертить лучи АО, ОС и восстановить перпендикуляр в точке О.

6. Рассмотреть прямоугольные треугольники АОN и МОС и выразить через стороны треугольников sin i и sin β.

7. И спользуя формулу второго закона преломления, и считая первой средой воздух (вакуум) получить расчетную формулу для показателя преломления для данного сорта стекла.

8. Опыт повторить еще 2 раза, меняя угол падения луча АО (положение точки А относительно точки N) и заполнить таблицу.

№ п/п	Длина стороны AN, мм	Длина стороны АО, мм	Длина стороны МС, мм	Длина стороны ОС, мм	Показатель преломления воздуха, n1	Показатель преломления стекла, n2	Относительная погрешность измерений, δ, %
1
2
3

9. Вычислить абсолютную и относительную погрешность измерений, записать ответ в установленной форме

Ответить на контрольные вопросы:

1. Чем объяснить отклонение луча в стекле?

2. От каких величин зависит величина смещения луча?

Тест

1.

NH_2004_22O_A003

Показатель преломления стекла больше показателя преломления воды. При переходе из воды в стекло угол преломления:

а) больше угла падения;

б) меньше угла падения;

в) равен углу падения;

г) может быть и больше и меньше угла падения, в зависимости от угла падения

2. Выберите один правильный ответ из предложенных вариантов

NH_2004_22O_A004

При прохождении через границу раздела двух сред измерены два угла падения α₁ и α₂ и два соответствующих им угла преломления β₁ и β₂. О соотношении этих углов:

а) ничего определенного сказать нельзя;

б) можно утверждать, что ;

в) можно утверждать, что ;

г) можно утверждать, что ;

д) можно утверждать, что .

3.

PI_2001_00P_A198

Показатель преломления алмаза n = 2,4. Скорость света в алмазе равна:

а) 0,5·10⁸ м/с;

б) 10⁸ м/с;

в) 1,25·10⁸ м/с;

г) 2,5·10⁸ м/с;

д) 3·10⁸ м/с.

4. Дальнейший ход луча, если он падает из воздуха на стеклянную поверхность, соответствует рисунку.

а ) б) в)

5 . Показать дальнейший ход луча, если он падает из воздуха на стеклянную поверхность.

а ) б) в)