Контрольные вопросы

1. Как вы представляете себе электромагнитное поле?

2. Что такое корпускулярно-волновой дуализм?

3. В чем заключается явление дифракции волн и когда оно проявляется явственно?

4. Запишите условие минимума и максимума при наложении двух когерентных волн.

5. Расскажите о дифракции на одной щели.

5. Используя формулу для нахождения максимума при дифракции на щели, оцените разрешающую способность объектива диаметра с фокусным расстоянием.

5. Объясните каким образом возникает дифракционный спектр.

6. Расскажите ход выполнения работы.

7. Каким образом вычисляются погрешности в определении длины волн.

Литература

1. Савельев И. В. Курс общей физики: Учебное пособие. Т. 2. -М.: Наука, 1982-496 с.

Лабораторная работа № 13

Знакомство с электроосветительными приборами и определение освещенности рабочего места люксметром

Введение

Эволюционное развитие Солнечной системы и процессы на Земле для зрительного взаимодействия живых существ, в том числе и человека, предназначили лишь очень узкий интервал длин электромагнитных волн. Известно, что полный интервал электромагнитных волн весьма обширен и охватывает длины волн от 10⁵ до l0^-14 м. По названию электромагнитные волны разделяются на радиоволны, инфракрасное излучение, видимое и ультрафиолетовое излучения, рентгеновские лучи и - излучение.

Свет представляет собой электромагнитные волны в интервале длин волн от 400 до 760 нм, вызывающие зрительное ощущение в глазе, и распространяющиеся в вакууме со скоростью с = 3 ∙10⁸ м/с.

В жизни людей свет играет исключительное значение, так как вся активная и созидательная деятельность происходит при воздействии света.

Световое излучение при явлениях: преломления, дифракции и интерференции может быть разложено в спектр (на цвета). Спектром называют совокупность пространственно разделенных по длинам волн или по частотам монохроматических электромагнитных колебаний. Спектр может быть сплошным, линейчатым или полосатым. Сплошной (непрерывный) спектр дают все нагретые вещества, испускающие свет. Линейчатый спектр излучают вещества, находящиеся в атомарном состоянии, а полосатые спектры излучаются при нахождении вещества в молекулярном состоянии. В сплошном спектре можно выделить семь основных цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Если хотите запомнить эту последовательность, то удобно воспользоваться мнемонической фразой - шуткой, первые буквы слов которой соответствуют первым буквам названий цветов (от красного до фиолетового): каждый охотник желает знать, где сидят фазаны.

Распределение потока солнечного излучения, приходящегося на единичный интервал длин волн, может быть представлено графически (рис. 37).

Приведенный характер распределения наблюдается в том случае, когда температура поверхности Солнца считается равной 6000 К. Если же температура теплового излучателя будет выше, то максимум излучения сместиться в сторону коротких длин волн, а при температуре ниже указанной максимум излучения смещается в сторону длинных волн.

Рис. 37. Распределение потока солнечного излучения

Спектральная чувствительность глаза человека к световому излучению, представленная графически подобно рис. 37, по характеру распределения совпадает с этой кривой. Следовательно, нормальная работа глаза обеспечивается лишь в условиях солнечного излучения.

Известно, что процесс распространения волны в каком-либо направлении в среде сопровождается переносом энергии колебаний в этом направлении. Поэтому очень важными величинами поступающего к нам излучения Солнца являются: световой поток и плотность светового потока. Энергия излучения W, проходящая через плоскую поверхность S в единицу времени t, называется потоком излучения (световым потоком) и обозначается через Ф. Единицей измерения в системе СИ является ватт (Вт):

Ф = или Ф =

Поток излучения, проходящий через единичную площадку в единицу времени, т. е. отношение Д = или Д = , называется поверхностной плотностью потока излучения (или интенсивностью излучения) и выражается в ваттах на квадратный метр (Вт/м²).

Поверхностная плотность потока излучения (интенсивность волны) может быть выражена Д = W∙c, где W - энергия , содержащаяся в единице объема потока излучения, а с - скорость распространения волны в данной среде (в случае солнечного излучения с - скорость электромагнитной волны в данной среде). По электромагнитной теории:

W =

по фотонной теории: W =, где N_i - число фотонов в единице

объема, имеющих энергии h.

Плотность потока солнечного излучения на Земле в жарких странах в среднем равна 250 Вт/м², при максимальном ее значении около полудня 1000 Вт/м². В умеренном поясе средняя плотность потока солнечной энергии почти вдвое ниже. Необходимо учитывать и цикличность поступления солнечного излучения, а также частые нерегулярные ее изменения.

Источники излучения подразделяются на:

1. Первичные (самосветящиеся), преобразующие свою внутреннюю энергию в энергию излучения.

2. Вторичные, отражающие или пропускающие через себя падающее на них излучение.

Окружающие нас в жизни объекты (предметы) в большинстве своем вторичные источники света. Чтобы вызвать зрительное ощущение эти объекты должны отражать достаточное количество падающей на них световой энергии, которая зависит от освещенности объекта и коэффициента отражения.

Под освещенностью поверхности (рабочего места) понимается отношение светового потока источника света, равномерно распределенного по этой поверхности, к ее площади:

Е= или Е = . (1)

Если принимается точечный источник света и сферическая волна то освещенность можно выразить через силу света и расстояние между источником света и освещаемой поверхностью:

E = = (2)

Освещенность поверхности пропорциональна силе света J и косинусу угла падения (cos i), а также обратно пропорциональна квадрату расстояния R от источника света до освещаемой поверхности. Иначе эту зависимость называют законом обратных квадратов. Причем количественное определение указанных фотометрических величин может быть проведено как в энергетических, так и световых единицах системы СИ. Обычно для фотометрических целей используются световые единицы измерения и тогда световой поток измеряется в люменах (лм), освещенность поверхности в люксах (лк), а сила света в канделах (кд).

Первичные же источники светового излучения обычно подразделяются на естественные и искусственные. Естественными источниками света являются Солнце и Звезды. Искусственные источники света выполняются в виде ламп накаливания, люминесцентных ламп, ртутно-кварцевых ламп с исправленной цветностью типа ДРЛ, ксеноновые и натриевые лампы.

Среди ламп накаливания, наиболее распространенного источника света, возникли из разновидности - лампы с отражающим зеркальным или диффузным покрытием колбы, а также весьма перспективные галогенные лампы накаливания (с йодно-вольфрамовым циклом). Среди люминесцентных ламп различаются лампы различной цветности, лампы с отражающим слоем, повышенной интенсивности, щелевые желобковые, U и W-образные люминесцентные лампы.

К числу основных характеристик источников света, определяющих их применимость в тех или иных условиях, следует отнести: электрические характеристики (напряжение, мощность); размеры и форму колбы; световые характеристики (световая отдача, срок службы, яркость); цветовые характеристики (спектральный состав, цветность излучения); экономичность.

Световая отдача ламп накаливания невелика и в зависимости от их мощности и напряжения составляет для ламп общего назначения (7 + 20) лм/Вт. Срок службы ламп накаливания общего назначения составляет 1000 часов. Люминесцентные лампы имеют более высокую световую отдачу и срок службы по сравнению с лампами накаливания. Световая отдача люминесцентных ламп мощностью (15 + 80) Вт составляет (40 + 70) лм/Вт, а срок службы доведен до 10000 часов. Люминесцентные лампы различных типов обладают различными цветовыми характеристиками.

В спектре излучения ртутно-кварцевых ламп типа ДРЛ существуют два типа максимума - в зеленой и красной частях спектра; доминирующими являются зеленые излучения, а потому цветопередача затруднена.

Ксеноновые лампы имеют сплошной спектр, близкий к спектру излучения полуденного солнца, и обеспечивают хорошую цветопередачу всех цветов. В противоположность ксеноновым лампам натриевые лампы имеют резко выраженную цветность излучения в желтой части спектра; в результате все цвета, кроме желтого, при освещении натриевыми лампами воспринимаются в сильно искаженном виде.

Выбор источников освещения помещений различных зданий от целей освещения, в которых основное внимание должно быть уделено сохранению здоровья людей как самого большого богатства на Земле.

В практике освещения помещений различных зданий используются две различные системы освещения: общего или комбинированного освещения. Первая система предназначена для освещения не только рабочих поверхностей, но и всего помещения в целом, в связи с чем светильники общего освещения обычно размещают под потолком на достаточно большом расстоянии от рабочих поверхностей. Вторая система - система комбинированного освещения - включает в себя светильники, расположенные непосредственно у рабочего места и предназначенные для освещения только лишь рабочей поверхности (местное освещение), а такие светильники общего освещения, предназначенные для выравнивания распределения яркости в поле зрения и создания необходимой освещенности по проходам освещаемого помещения.