Landsberg-1985-T3

ее открытый кnнец. При затвердевании чистой платины температура ее имеет строго определенное значение, равное 2042 К. Сила света, излу­

чаемого при этой температуре в направлении оси трубочки с поверхно­

сти, ранной 1/60:n: см2, будет строго определенной. Эта сила света

равна одной капделе.

За е Д и н и Ц у с в е т о в о г о п о т о к а принят лю­

меН, (обозначается лм). Люмен есть световой поток, испус­

каемый точечным источником, сила света которого равна

1 кд, внутри единичного телесного угла (Т. е. угла, равного

1 ср). Для излучения, соответствующего максимуму спект­

ральной чувствительности глаза (}.,=555 нм), световой по­ ток равен 683 люменам, если энергетическая сила света рав­

на 1 Вт/ер.

За е д и н и Ц у о с в е Щ е н н о с т и принимается ос­

вещенность такои поверхности, на 1 1\12 которой падает све­

товой поток 1 лм, равномерно распределенный по площадке.

Эта единица освещенности называется люкс (лк). Освещен­

ность 1 лк получается на поверхности сферы радиуса 1 м,

если в центре сферы помещен точечный источник, сила света

которого равна 1 Кд. Приведем значения освещенности для

некоторых типичных случаев (табл. 1).

С открытием лазеров, обладающих высокой интенсив­ ностью, появилась возможность создавать значительно боль­

шие освещенности, правда, в течение очень малых проме­

жутков времени. Существенную роль играет то свойство

лазеров, что они дают излучение с малой расходимостью

светового пучка. Благодаря этому все излучение лазера практически можно собрать в пятнышко с площадью около 10-6 см2• Небольшой лазер с полной энергией 0,1 Дж за

вспышку, длящуюся 10-8 с, создает в пределах такого пят­

нышка в течение вспышки «чудовищно» большую плотность

-194

мощности 1013 Вт/см8 или 10 тераваТТ!СМ2 (ТВт/см2) *). За­

метим, что мощность всех электростанций на Земле состав­

ляет примерно 1 ТВт. Легко подсчитать, что освещенность,

создаваемая таким лазером в пределах неБОЛЫIIОГО пятныш­

ка, для света с длиной волны л=555 нм составляет при­ мернО 10~O лк, т. е. почти в 1015 раз выше, чем макси­

мальная освещенность, даваемая Солнцем.

§ 73. Яркость источников. До сих пор мы рассматривали

только точечные источники света. В действительности ис­

го расстояния, мы различа­

ем их форму и размеры.

Для характеристики про­

тяженных источников, да­

же в том простейшем слу­

чае, когда они представля­

ют собой равномерно све­ Рис. 159. Соотношение между дейст­ тящиеся шарики, недоста­ вительной излучающей поверхностью

будет одинакова. Однако по своему виду эти шарики будут представлять сильно раЗJjичающиеся источники

света: маленький шарик оказывается более я р к н м, чем

большой. Это происходит вследствие того, что при

одинаковой силе света излучающая поверхность одного шарика больше, чем второго, и, следовательно, сила света,

и с n у с к а е м о г о с е Д и н и Ц ы п л о Щ а Д и источ­

ника, в том и другом случаях различна. Отметим, что когда

мы рассматриваем какой-либо источник света, для нас име­

ет значение не площадь самой излучающей поверхности, а

размеры в и Д и м о й n о в е р х н о с т и, т. е. проекции

излучающей поверхности на плоскость, перпендикулярную

к направлению наблюдения (рис. 159).

Итак, мы приходим [{ выводу, что ДЛЯ характеристики

СВОйств протяженного источника света нужно знать силу

*) Приставка тера образована от греческого слова «терас» ~ чу­

Довище.

света, рассчитаliНУЮ на единицу площади видимой поверх­

ности uстОЧliика. Эта световая величина называется яр­

костью источника; мы будем ее обозначать буквой L. Если

источник имеет силу света 1 и площадь видимой светящейся

поверхности его есть а, то яркость этого источника равна

свеrnовО.11У потоку, испускаемому с единицы площади види­

мой поверхности источника внутри единичного телесного

угла.

Я ркость одних участков поверхности источника может

отличаться от яркости других участков. Например, раЗ.1ИЧ­

данном направлении, Вместе с тем ЯРКОСТЬ имеет большое

значение в СИЛУ того, что, как мы увидим ниже, это - та световая величина, на которую непосредственно реагирует

глаз.

Единицей яркости являеlСЯ кандела на квадратный метр. Такой

яркостью обладает светящаяся площадка, дающая с каждого квадратного

метра силу света, равную 1 кд В направлении, перпендикулярном к пло·

щадке.

Характеристики яркости различных светящихся тел приведены в табл. 2.

196

Для того чтобы глаз не подвергался действию яркого света

источников, применяlOТ различные приспособления. Так, например, рассматривание раскаленной спирали лампы на­ каливания вредно и даже болезненно для глаза. Если же колба лампочки сделана из матового или молочного стекла

или прикрыта арматурой в виде матового шара, то излучае­ мый ею световой поток исходит с большей поверхности. Бла­ годаря этому яркость падает, тогда как световой поток прак­

тически не изменяется и, следовательно, освещенность, соз­

даваемая лампой, также остается неизменной.

§ 74. Задачи светотехники. После того как мы познакоми­

лись с основными световыми величинами, характеризующи­

ми источники света и освещаемые поверхности, мы можем

перейти к рассмотрению одной из важнейших практиче­

ских задач - расчету и осуществлению рационального ос­

вещения жилых и производственных помещений, а также

общественных мест, где протекает жизнь и деятельность

чеJlовека.

Раздел физики и техники, занятый решением этой зада­ чи, носит название светотехники. В нем исследуются воп­

росы правильного использования дневного света в помеще­

ниях, что достигается расчетом размеров и рационального

расположения окон; другой, особенно важной и трудной

задачей светотехники является расчет установок искусствен­ ного света, создающих необходимое освещение при наимень­

ших затратах энергии и средств. При огромном общем по­ треблении в СССР электроэнергии для осветитеJlЬНЫХ целей

вопросы рационального освещения имеют крупное народно­

ХОзяйственное значение. Для проектирования освещения

197

Правильно устроенное освещение обеспечивает спокой­

ную и продуктивную работу глаз. Вследствие этого при

благоприятном освещении растет лроизводительность тру­

да и улучшается качество продукции; вместе с тем сохра­

няется зрение работающих, соблюдается общая гигиена тру­

да, уменьшается число несчастных случаев.

Для целей освещения лрименяются разнообразные о с­

в е т и т е л ь н ы е при боры, состоящие из источника

света (лампы) и осветительной арматуры. Осветительные

системы различного вида не могут увеличить л о л н ы й световой лоток, который является величиной, характери­

зующей излучающий источник. Однако они играют большую

роль в пер е р а с л р е Д е л е н и и светового лотока и

концентрации его в нужном направлении. Таким путем до­

стигается увеличение силы света по нужному направлению

\с соответственным уменьшени-

Весьма сильная концентрация светового потока по задан­ ному направлению может быть получена с помощью зеркал

освещения удаленных предметов. Обычно применяются зер­ кала, имеющие в любом продольном сечении вид пар а­

бо л ы (рис. 161). Линия АВ носит название оси параболы,

аточка F - ее фокуса. Сама поверхность называется пара­ болоидом, ось, общая всем параболическим сечениям,­ ОСЬЮ параболоида, а F - его фокусом. Геометрические свой­ ства параболоида таковы, что луч, выходящий из фокуса

Р, отразившись в любой точке поверхности, получает на­

правление, параллельное оси параболоида. Если бы мы по-

(ОА

местили . точечный источник света в фокусе параболои­

да, то мы получили бы параллельный пучок света с по­ перечным сечением, равным отверстию зеркала. Но так как

любой источник имеет конечные, хотя бы и очень малые, размеры, то можно получить пучок лучей лишь более или

менее близкий к параллельному.

Для того чтобы лучи, выходящие из прожектора, рас­

ходились под малым углом, т. е. были по возможности бли­

же к параллельным, источник света, находящийся в фокусе

прожектора, должен быть по возможности маленьким. Впол­

не понятно, что источник света должен быть весьма ярким.

Расходимость пучка лучей, полученного от дуговой лам­

пы и зеркала диаметра 2 м, составляет примерно 1 угловой

градус. Оптические квантовые генераторы, или лазеры, дают

значительно более узкие пучки световых лучей. С помощью

лазеров с сечением пучка порядка 1 см2 удается получить

пучки лучей с расходимостью всего несколько угловых ми­

нут. Благодаря этому была осуществлена Световая локация

Луны: участок поверхности Луны был освещен при помощи

лазера С такой яркостью, что отраженный луч можно было

зарегистрировать чувствительным приемником излучения.

§ 76. Отражающие и рассеивающие тела. Наряду с задачей

концентрации светового потока нередко возникает потреб­ ность распределения этого потока на большую площадь

с целью создания равномерной и умеренной освещенности. Для этой uели обычно заставляют световой поток отражать­

ся и рассеиваться соответствующими поверхностями. Одна­

ко надо считаться с тем, что при этом лишь часть светового потока о т р а ж а е т с я или про п у с к а е т с я телом, часть

же неминуемо п о г л о Щ а е т с я.

Тот факт, что мы в и Д и м тела, связан с тем, что они

различным образом отражают, преломляют и поглощают па­

дающий на них свет. Если некоторое тело отражает свет сильнее, чем окружающие его тела, то оно представляется нам светлым на темном фоне. Если же тело отражает мень­ ше света, чем окружающие его тела, 10 оно будет каза1ЬСЯ нам темным. Например, белая бумага отражает свет силь­

нее, чем серый картон, и кусочек картона на листе бумаги

кажется нам темным. Этот же кусочек картона, если его

ПОЛОжить на черный бархат (очень слабо отражающее 1ело),

кажется нам светлым. Тело, отражающее свет так же, как

и окружающий фон, сливается с этим фоном.

Прозрачные тела мы видим частично в отраженном, ча­

СТично в' прошедшем через них свете. Рассматривая, напри-

199

мер, такой, казалось бы, простой предмет, как граненая

стеклянная пробка от графина, мы имеем дело с рядом слож­ ных явлений: свет частично отражается от граней пробки или

рассеивается, если ее грани матированы; часть света про­

ходит сквозь пробку, преломляясь на ее поверхности. Если

вполне прозрачное тело погрузить в жидкость С тем же по­

казателем преЛОl\lления, как у данного тела, то оно станет

н е в и Д и м ы м, так как световые лучи пройдут через

него, не изменяя ни своего направления, ни интенсивности.

Поглощение света ведет к потерям в световом потоке,

энергия которого расходуется при этом главным образом

на нагревание поглощающего тела. Как правило, стремятся

избегать поглощения светового потока; иногда, впрочем, бывает необходимо обеспечить темный фон или устранить

световые потоки нежелательного направления; при этом

прибегают к сильно поглощающим покрытиям (например, чернение некоторых поверхностей внутри оптических при­

боров). Поглощение характеризуется коэффициентом nог­

лощения а, равным отношению светового потока Фс" пог­

лощенного телом, к световому потоку Фi, падающему на

тело:

Отражение светового потока оценивается коэффициентом

отражения р, показывающим отношение отраженного по­

тока Фр к падающему Ф" т. е.

Наконец, для характеристики пропускания света служит коэффициент пропускания ", равный отношению пропущен­

ного телом светового потока Ф,; к падающему Фi, т. е.

Итак, сумма коэффициентов nоглощения, отраженuя и nро­ пускания равна единице. Коэффициенты а, р, "t зависят обыч­ но от цвета (длины волны) света.

Как при отражении, так и при пропускании светового

потоКа следует различать наnравлеюtoе и диффузное (рас­

сея.нное) отражение и пропускание.

200

Рис. 162. Отражение светового потока от плоской поверхности: а) на­

правленное отражение; 6) диффузное отражение; диаграмма б) не из­ меняетСя при изменении угла падения первичвого пучка; в) направлен­ ное (зеркальное) отражение; параллельный пучок света, падающий на полированную металлическую поверхность, создает резко очерченный

отраженный луч; г) диффузное отражение; при падении параллельного

пучка световых лучей на белую бумагу свет отражается по всем направ-

лениям

При зеркальном отражении от плоской поверхности те­ лесный угол светового потока не изменяется (рис. 162, а, в). При рассеянном отражении происходит увеличение телес­ ного угла, в котором распространяется световой поток (рис. 162, б, г). Увеличение может быть более или менее зна­

чительным в зависимости от свойств рассеивающей поверх­ ности. Аналогично, н а п р а в л е н н о е про п у с к а­

н и е характеризуется сохранением телесного угла при про­

хождении потока сквозь тело, например прохождении света

через плоскопараллельную пластинку (рис. 163, а). В про­ тивоположность этому Д и Ф Ф у з н о е про п у с к а н и е

S

s

Рис. 163. Пропускание света плоскопаР<Jллельной пластинкой: а) на­ правленное пропускание; б) диффузное пропускание. Диаграмма б)

не меняется при изменении угла падения первичного пучка

сопровождается более или менее значительным увеличением

телесного угла светового потока. Примером диффузно от­

ражающей поверхности может служить матовая бумага;

примером диффузно пропускающего материала - так на­

ЗЫВаемые ,,1 о л О ч н ы е с т е к л а. Матовое стекло явля­

ется одновременно и диффузным отражателем и диффузно

пропускающей средой.

Рассеивающие свойства поверхности характеризуются Д и а г р а м м а м и, подобными изображенным на рис. 162, б и 163, б, где длины стрелок показывают, какая часть света рассеивается в том или ином направлении. Диффузно

отражающие поверхности могут различаться также и по

коэффипиенту отражения, который для таких поверхностей обычно называют аЛЬбедо. Так, белая бумага для рисования

имеет альбедо около 0,70-0,80. Очень высокое альбедо -

около 0,95 - имеют поверхности, покрытые окисью маг­ ния (белый порошок, получающийся при сжигании метал-

202

.iIйческого магния). Наоборот, очень малым альбедо обла­

дает черный бархат - от 0,01 до 0,002.

При наблюдении земной поверхности с самолета и особенно при аэрофотосъемке большое значение имеет альбедо земных покровов и его

зависиМОСТЬ от цвета (длины волны). Различные почвы имеют альбедо

от 0,2 до 0,4, причем б6льшие значения соответствуют области оранжево­

красного цвета; пески мало отражают (около 0,1) в фиолетовой области,

особенно важной при фотосъемке, но их альбедо в красной части повы­ шается до 0,5. Трава и листья имеют альбедо до 0,50 в желто-зеленой

части (особенно к осени); очень велико альбедо снега, достигающее

0,85 для всех цветов.

§ 77. Яркость освещенных поверхностей. Экраны кинотеат­

ности.

Такого рода поверхности при освещении играют роль про т я ж е н н ы х источников с большими поверхностями

и обычно с умеренной яркостью. В этом смысле они удачно

дополняют мало протяженные самосветящиеся источники

(лампы накаливания, газосветные лампы, свечи и т. п.), которые обычно обладают небольшими поверхностями и

большими яркостями.

Яркость такой о с Б е Щ е н н о й поверхности будет, очевидно, пропорциональна ее освещенности. действитель­ но, чем больше освещенность, т. е. чем больший световой поток п а Д а е т на единицу поверхности, тем больше будет

ипоток, отраженный этой поверхностью, а следовательно,

ия р к о с т ь освещенной поверхности.

Яркость освещенной поверхности будет, кроме того, тем больше,

чем больше ее альбедо, т. е. чем большая часть падающего на поверх­

ность потока рассеивается ею. Таким образом, яркость освещенной по­ верхности L должна быть пропорциональна произведению освещенности Е на альбедо р, т. е. L~p·E. В зависимости от диаграммы рассеяния яр­ кость по разным направлениям может быть различна, и вычисление ее представляет очень сложную задачу. Задача эта. упрощается, если по­

верхность рассеивает свет р а в н о м е р н о по всем направлениям.

В таком случае и яркость по всем направлениям будет одинаковой и

Если освещенность Е выражается в люксах, то яркость получится в

канделах на квадратный метр.

Найдем, например, яркость киноэкрана, если его коэффициент

отражения р=О,75, а освещенность равна 50 лк. Пользуясь формулой

(77.!), имеем

Приведем значения яркости освещенных поверхностей (табл. 3),

с которыми часто приходится встречаться в жизни.

203