Контрольні запитання:

1. Магнітне поле, його характеристики. Закон Біо-Савара-Лапласа.

2. Дія магнітного поля на елемент струму. Закон Ампера.

3. Дія магнітного поля на рухомий заряд. Сила Лоренца.

4. Магнітне поле соленоїда (формула для В).

5. Явище електромагнітної індукції. Закон Фарадея.

6. Індуктивність контуру. Самоіндукція.

7. Енергія магнітного поля (формула для соленоїда).

8. Трансформатори.

9. Індуктивний опір в колі змінного струму.

10. Ємнісний опір в колі змінного струму.

Практична робота № 5

Тема: Розв’язування задач з оптики

Мета: навчати розв’язувати задачі, розвивати пізнавальні можливості, працелюбство

виховувати самостійність, повагу до старших

Завдання:

Розв’язати задачу на закони світла згідно свого варіанту за даними таблиці 1.

Розв’язати задачу на фотометрію та геометричну оптику згідно свого варіанту за даними таблиці 2.

Розв’язати задачу на оптичні явища згідно свого варіанту за даними таблиці 3.

Розв’язати задачу на теплове випромінювання згідно свого варіанту за даними таблиці 4.

Теоретичні відомості

Фотометрія  - це розділ оптики, який вивчає світлові потоки джерел світла (їх випромінювання, властивості та вимірювання), а також джерела світла та сприймання їх випромінюваної енергії приладами та оком людини.

Класифікація джерел світла.

Джерела світла поділяють:

 1.  по розміру на:

     - точкові;

     - протяжні (неточкові);

 2.  по кольору свічення на:

    - монохроматичні (одноколірні);

    - немонохроматичні (білі, багатоколірні);

 3.  по способу реалізації (створення) світіння на:

    - теплові (дуже нагріті);

    - нетеплові (холодні як світні бактерії, світлячки та газорозрядні лампи);

 4.  по виду випромінюваних хвиль на:

    - когерентні (наприклад, лазери);

    - некогерентні ( усі інші джерела);

 5.  по характеристиках їх конструктора на:

    - природні (Сонце, зорі, галактики…);

    - штучні ( створені людиною).

Усі штучні джерела перетворюють у світлову енергію певний інший вид енергії. 

Наприклад, лампочка розжарення споживає енергію Е_о  (Дж) від електромережі, має потужність

Р_о = Е_о/t (Вт), а у світлову енергію Е_ν  вона перетворює лише 3-5% спожитої. Тому її світлова потужність:

Р_ν = Е_ν/t (Вт) значно менша від електричної. У суб’єктивній фотометрії цю величину називають повним світловим потоком джерела (Ф) і вимірюють його не у ватах, а в люменах: [Ф] = лм.

1лм – це світловий потік, випромінюваний точковим джерелом світла в одну свічку всередині одиничного тілесного кута в один стеррадіан.

Співвідношення між (лм) та (Вт) визначається так: ідеально ефективний перетворювач електроенергії у світло потужністю 1 Вт створює на довжині хвилі 550нм (зелене світло) світловий потік, котрий сприймається нашим оком і оцінюється у 650 люменів.

На іншій довжині хвилі його потік буде менший у стільки разів, у скільки чутливість ока до цієї хвилі буде меншою, ніж до зеленого світла.

Джерело світла характеризується певним оптичним ККД, котрий називається світловіддачею η:

  η = Ф/N_o    [η] = лм/Вт.

У ламп денного світла цей коефіцієнт складає η ≈ 60-75 лм/Вт.

Під освітленістю розумітимемо фізичну величину, котра дорівнює відношенню світлового потоку  Ф до поперечної площі поверхні S, на яку він припадає: Е = Ф/S. Одиницею освітленості Е є люкс (лк).

1 люкс – це така освітленість, котру створює світловий потік 1 лм, рівномірно розподілений по поверхні площею 1м².

До основних понять фотометрії крім світлової потужності, світлового потоку, освітленості та світловіддачі джерела належать також сила світла J, світність джерела R та яскравість В.

Силою світла називають фізичну величину, котра чисельно дорівнює світловому потоку Ф, який приходиться на одиницю тілесного кута ω J = Ф/ω.

Одиницею вимірювання сили світла J є кандела (міжнародна свічка).

1 Кд дорівнює силі світла спеціальної електричної лампочки, котра випромінює в певному напрямку при пропусканні через неї строго задану силу струму. Ця одиниця є однією із семи основних одиниць системи СІ.

[J] = Кд = 1лм/стер

Якщо точкове джерело випромінює потік рівномірно по всіх напрямках, то таке джерело називають ізотропним.

Cвітністю називають величину, котра дорівнює світловому потоку Ф, випромінюваному одиницею поверхні, що світиться: М = Ф/S М визначає потік, що віддається джерелом.

Поверхневою яскравістю джерела називатимемо потік, котрий посилається у даному напрямі одиницею видимої поверхні в середину одиничного тілесного кута.

Інтерференцією світла називаєть­ся перерозподіл інтенсивності світла в просторі внаслідок накладання двох або кількох когерентних хвиль, в результаті чого в одних місцях виникають максимуми, а в інших мінімуми інтенсивності.

Хвилі називаються когерентними, якщо вони мають однакову частоту і в точках накладання – сталу різницю фаз.

Добуток геометричної довжини d шляху світлової хвилі на показник n заломлення цього середовища називається оптичною довжиною шляху L, а різниця оптичних довжин шляхів, що пройшли хвилі – називається оптичною різницею ходу.

– умова інтерференційного максимуму, а

– умова інтерференційного мінімуму.

Умова максимуму у відбитому світлі:

і мінімум у відбитому світлі:

Мак­симумам інтерференції у відбитому світлі відповідають мінімуми інтерференції в прохідному світлі і навпаки. Інтерференційні смуги, що виникають внаслідок відбивання від ділянок клина з однаковою товщиною, називаються смугами однакової товщини.

Ширина інтерференційних смуг ,де – малий кут між гранями клина.

; (m=1, 2, 3,…) - радіус світлого кільця Ньютона у відбитому світлі.

; - радіус темного кільця Ньютона у відбитому світлі.

Дифракцією називається сукупність явищ, що спостерігаються при поширенні світла в середовищі з різними неоднорідностями (поблизу границь непрозорих або прозорих тіл, через малі отвори) і які пов’язані із зміною напрямку поширення світлових хвиль (порівняно з напрямком, передбаченим геометричною оптикою).

Принципу Гюйгенса: кожна точка, до якої доходить хвиля, служить центром вторинних хвиль, а обвідна цих хвиль дає положення хвильового фронту в наступний момент часу.

Фотоефектом називають явище виривання електронів із речовини під дією світла. Розрізняють:

зовнішній фотоефект - явище вибивання електронів з поверхні тіла під дією електромагнітного випромінювання;

внутрішній фотоефект - явище збільшення електропровідності напівпровідника або діелектрика за рахунок електронів, вирваних з молекул або атомів під дією світла;

в ентильний фотоефект - збудження ЕРС на межі метал-напівпровідник чи на межі різнорідних напівпровідників.

Кількісні закономірності зовнішнього фотоефекту Столєтов установив, використовуючи вакуумний скляний балон з двома електродами. На цій установці отримано вольт-амперні характеристики фотоефекту за різних значень світлового потоку (рис. 7.5).

Із вольт-амперних характеристик видно, що:

а) якщо немає напруги між електродами значення фотострум відмінне від нуля. (Це означає, що фотоелектрони мають під час вильоту кінетичну енергію);

б) у разі досягнення між електродами деякої прискорювальної напруги U_H фотострум перестає залежати від напруги, тобто його значення досягає насичення I_H1, I_H2;

в) за деякої затримувальної напруги (на електрод А подано мінус від джерела струму) фотострум припиняється;

г) значення затримувальної напруги не залежить від світлового потоку Ф.

Із вольт-амперних характеристик можна визначити кількість фотоелектронів, що вилітають із електрода К за 1 с. адже   (Q_max - максимальний заряд, що переноситься фотоелектронами). Оскільки Q_max = N_ee, то I_H ~ N_e.

Вимірявши затримувальну напругу, можна знайти максимальне значення кінетичної енергії електронів, що вириваються світлом із катода: . (1)

Червоне світло з великою довжиною хвилі не вибивало електрони, а фіолетове за будь-якого малого світлового потоку легко вибивало електрони.

На основі цих дослідів сформульовано закони зовнішнього фотоефекту:

1) кількість електронів, вирваних світлом з поверхні металу за 1 с, є прямо пропорційні поглинутій енергії світлової хвилі;

2) максимальна кінетична енергія фотоелектронів зростає лінійно з частотою світла і не залежить від його інтенсивності;

3) для кожної речовини існує червона межа фотоефекту (поріг фотоефекту) - така найменша частота n_min (чи найбільша довжина світлової хвилі l_max), за якої ще можливий фотоефект. Якщо   чи  , то фотоефект не існує;

4) фотоефект є безінерційним і виліт фотоелектронів починається з моменту освітлення катода.

Енергія порції світла hν витрачається на виконання роботи виходу A_вих, тобто роботи, яку треба виконати для виривання електрона з поверхні металу, і на передавання електрону кінетичної енергії: -  рівнянням Ейнштейна для фотоефекту. Енергія кванта hν>A_вих.

Мінімальна частота (червона межа), з якої речовини починається фотоефект: . (3)