Работа №3.10 изучение законов освещенности

Цель работы: ознакомиться с законами освещенности и экспериментально про­верить их.

Приборы и принадлежности: прибор для изучения законов фотометрии, источ­ник питания на 5—15 В, осветитель, линза в оправе, микроамперметр, реостат.

Введение

Фотометрией называют раздел оптики, в котором рассматриваются измере­ния энергии, которую переносят электромагнитные световые волны. Обычно в фотометрии рассматриваются действия на глаз и другие оптические приборы электромагнитных волн видимого оптического диапазона. Для характеристики этого действия вводятся следующие основные физические величины, характе­ризующие свет с точки зрения переносимой им энергии: световой поток, сила света, освещенность.

Световым потоком «Ф» называется мощность видимого излучения, которая оценивается по действию этого излучения на нормальный глаз. Иными слова­ми, «Ф» есть энергия световых электромагнитных волн, переносимая в единицу времени через некоторую площадь поверхности и оцениваемая по зрительному ощущению. Для монохроматического света, соответствующего максимуму спек­тральной чувствительности глаза (λ = 5500Å), световой поток равен 683 лю­менам (лм), если мощность излучения равна одному ватту.

Точечным источником света называется источник, линейные размеры кото­рого значительно меньше, чем расстояние от него до точки наблюдения. Такой источник излучает сферические электромагнитные волны.

Силой света I точечного источника называется величина, численно равная световому потоку, который этот источник создает в единичном телесном угле (рис. 10.1).

Рис. 10.1

Если точечный источник равномерно излучает свет по всем направлениям, то

где Ф_полн — есть полный световой поток источника света, т. е. мощность излу­чения, создаваемая источником по всем направлениям; или — энергия света, которая за единицу времени переносится сквозь произвольную замкнутую поверхность, охватывающую источник света.

Если источник света не точечный, а протяженный, то сила света I_сp малого участка ΔS его поверхности в данном направлении

где ΔФ — световой поток, который создает участок ΔS поверхности источника в данном направлении внутри телесного угла ΔΩ.

Для произвольного источника света средней сферической силой света на­зывается величина

где Ф_полн — полный световой поток источника света. В случае, когда протя­женный источник света излучает равномерно по всем направлениям, I = I_ср В СИ единица силы света кандела (кд) является основной единицей.

Освещенностью Е некоторой поверхности называется отношение светового потока ΔФ, который падает на площадь поверхности, к величине этой пло­щади:

Освещенность Е в каждой точке экрана, на который падает свет, пропорциональна интенсивности электромагнитной световой волны в этой точке. Осве­щенность, которую создает точечный источник с силой света I на поверхности, удаленной на расстояние г от источника,

Где α — угол падения луча (рис. 10.2);

I — сила света;

r — расстояние от источника света до точки, где определяется освещен­ность.

Рис. 10.2

Описание установки

Прибор состоит из камеры и разъемного корпуса прямоугольной формы, установленных на двух стойках. Внутри камеры смонтирован селеновый фото­элемент, зажимы которого с помощью гибких проводников соединены, с зажи­мами, расположенными на торцевой части камеры (рис. 10.3)

Рис. 10.3

Селеновый фотоэлемент установлен в оправе с максимальным углом пово­рота, равным 90°. Отсчет угла поворота фотоэлемента осуществляется по угло­вой шкале, расположенной на лицевой стороне камеры.

Корпус прибора имеет несколько защитных ребер, которые служат для пре­дохранения фотоэлемента от отраженных лучей, а черная матовая окраска внутренней части корпуса обеспечивает надежную защиту фотоэлемента от световых бликов.

Селеновый фотоэлемент с запирающим слоем представляет собой систему, состоящую из металлической подложки, на одной стороне которой нанесен слой селена толщиной около 0,1 мм. Этот слой покрыт полупрозрачным элек­тродом. Верхний слой электрода обладает достаточной прозрачностью в той области спектра, длины волн которой вызывают фотоэффект.

Фотоэлемент имеет спектральную характеристику чувствительности, весьма близкую к кривой видимости среднего человеческого глаза. Это обстоятельство очень важно, так как позволяет использовать фотоэлемент для фотометрирования дневного света.