§ 7 В. Дефекти зору. Окуляри

Як усе на світі, навіть такий досконалий витвір приро­ди, як людське око, не позбавлене недоліків. По-перше, око реагує лише на видиме світло (і при цьому за допомо­гою зору ми сприймаємо до- 90 % усієї інформації). По-друге, око зазнає багатьох захворювань, найбільш пошире­ними з яких є короткозорість — промені зводяться перед сітчаткою (мал. 176, а) і далекозорість — різке зображення за сітчаткою (мал. 176, б). Для виправ­лення короткозорості треба помістити перед оком додат­кову розсівну лінзу — окуляри з від'ємною оптичною силою, а для виправлення далекозорості — окуляри з до­датною оптичною силою.

Неважко розрахувати оптичну силу D_A лінз окулярів, які має носити людина для виправлення недоліків свого зору. Припустимо, що людина без втоми очей читає книж-

ку, тримаючи її на відстані d Ф do, де do = 25 см — відстань найкращого зору. Тому

T+T~^Dn'

В окулярах людина може читати книжку, тримаючи її на відстані найкращого зору do, тобто

Т+Т-Ь + О*

Отже,

_D _1 і ^ <*-</„

^я rf,₍ d dd. *

Якщо d<Zdu (короткозорість), то необхідна розсівна лінза, оскільки D_n<i0. Якщо d>do (далекозорість), то необхідна збирна лінза, оскільки D_A>0. Коли d=d,i, оптична сила лінзи D_n = 0, тобто маємо плоскопаралельну пластинку, тому окулярів не потрібно.

§ 77. Світловий потік. Сила світла

Як ви вже знаєте, електромагнітна хвиля несе з собою енергію. Різні джерела світла випромінюють у навколиш­ній простір різну кількість електромагнітної енергії. Для характеристики джерел світла щодо освітлення, яке вони створюють, користуються поняттям світлового потоку. Поняття світлового потоку вводиться аналогічно потокові енергії. Під потоком енергії розуміють кількість енергії, яка проходить через дану поверхню за одиницю часу. Таким чином, під світловим потоком розуміють кількість світлової енергії, яка проходить через дану поверхню за одиницю часу. Як і потік енергії, світловий потік можна вимірювати у ватах, оскільки він фактично визначав потужність випромінювання, яке падає на дану поверхню. Проте, як побачимо пізніше, світловий потік прийнято вимірювати в люменах.

Якщо розміри джерела світла настільки малі, що його форму не можна розрізнити з відстані, на якій досліджує­ться випромінюваний ним світловий потік, і цей потік розподі­лений рівномірно в усіх напрямах, то таке джерело світла називають точковим. Прикладами точкових джерел світла можуть бути рівномірно світні кульки, які видно з відстані, що значно перевищує їх розміри, і зорі, дійсні розміри

яких іноді перевищують розміри сонячної системи, але здаються нам світними точками, оскільки розглядаються з величезної відстані. Таким чином, термін «точковий» відноситься до видимого, а не дійсного розміру джерела світла. Характерним для точкового джерела світла є те, що випромінювані ним світлові хвилі — сферичні.

Основною характеристикою джерела видимого випро­мінювання служить сила світла /, яка визначається світ­ловим потоком Ф, що випромінюється в простір у межах тілесного кута в 1 стерадіан. Оскільки повний тілесний кут навколо точки дорівнює 4л стерадіанів, то сила світла точ­кового джерела, яке рівномірно випромінює світло у всіх напрямах, буде дорівн^"»»*»™*

(77.1)

де Ф — повний світловий потік, випромінюваний цим дже­релом.

Сила світла джерел, з якими доводиться мати справу

Одиницею світлового потоку служить люмен (лм) — світловий потік, який випромінюється джерелом у межах тілесного кута в 1 стерадіан, сила світла якого дорівнює 1 канделі. Звідси випливає, що 1 лм= 1 кд • 1 ер.

На практиці часто доводиться виражати світловий потік через одиниці потужності. З цих міркувань виникає необхідність установити зв'язок між люменом і ватом. Однак такий зв'язок через специфічність фізіологічної дії світла не є універсальним. Справа в тому, що світло різних довжин хвиль при однаковому потоці енергії викли­кає різне зорове відчуття. Тому залежно від довжини хвилі одному люмену відповідають різні потужності. Експери­ментально встановлено, що при довжині хвилі 555 нм світ­ловому потоку в 1 лм відповідає потужність 0,0016 Вт, або, що одне й теж, 1 Вт енергії світла з довжиною хвилі 555 нм відповідає 625 лм. Для світла всіх інших довжин хвиль співвідношення між люменом і ватом буде більшим за 0,0016, а між ватом і люменом меншим за 625. Світло з дов­жинами хвиль, меншими за 400 нм і більшими за 760 нм, зовсім не викликають зорового відчуття незалежно від інтенсивності. З цієї причини частина шкали електромаг­нітних хвиль в інтервалі від 400 до 760 нм називається видимою областю.

*1 1. Що називається світловим потоком і в яких одиницях його вимі­рюють? 2. Сила світла точкового джерела дорівнює 100 кд. Знайти пов­ний світловий потік, випромінюваний цим джерелом.

Поняття освітленості на відміну від світлового потоку і сили світла відноситься вже не до джерел світла, а харак­теризує інтенсивність світлової енергії, яка падає на освіт­лювану поверхню. Тому іноді цю величину називають інтенсивністю.

За одиницю освітленості приймають освітленість по­верхні світловим потоком в 1 лм, рівномірно розподіленим поплощі 1 м'. Називають цю одиницю люксом (лк):

Вимірюють освітленість спеціальними приладами — люксметрами. Зараз найбільш поширені (наприклад, у фотографічних експонометрах) люксметри, які склада­ються з фотоелемента і гальванометра, проградуйованого в люксах. Вимірюють освітленість ними так. Фотоелемент розміщують у тій площині, освітленість якої треба вимі­ряти. Шукану освітленість визначають за шкалою гальва­нометра.

Якщо поверхня розміщена не перпендикулярно до променів світлового пучка, то її освітленість залежатиме від кута падіння променів. Нехай промені падають під кутом а до освітлюваної поверхні (мал. 177). Знайдемо освітленість Е\ поверхні площею Si. Освітленість Е поверх­ні S, перпендикулярної до променів, дорівнює

а освітленість Е\ поверхні S\ дорівнює3 малюн-

ка 177 видно, що. Отже,

(78.2)

Розглянемо тепер точкове джерело з силою світла /, яке випромінює світло у всіх напрямах рівномірно. Опи­шемо навколо точкового джерела сферу радіуса. Внаслі­док того, що повний потік , освітленість усієї поверхні сфери дорівнює:

(78.3)

Формули (78.2) і (78.3) називають законани освітленості:

1. При освітленні точковим дже­релом світла освітленість поверхні прямо пропорційна силі світла дже-

рела і обернено пропорційна квадрату її відстані від дже­рела світла.

2. Освітленість поверхні паралельним світловим пуч­ком прямо пропорційна косинусу кута падіння променів.

Нехай тепер невеличка площадка освітлюється точко­вим джерелом світла. Якщо відстань від джерела до цієї площадки велика, то світловий пучок можна вважати паралельним. Тоді при похилому падінні променів освіт­леність площадки визначається формулою:

(78.4)

Цей вираз освітленості даної точки поверхні точковим джерелом світла іноді називають об'єднаним законом освітленості.

При наявності кількох джерел світла освітленість по­верхні дорівнює сумі освітленостей, створюваних кожним із джерел окремо.

Освітленість є вихідною величиною світлотехнічних розрахунків, оскільки для кожного приміщення (простору) існують вироблені практикою норми необхідної освітлено­сті залежно від їх призначення.

Наприклад, для читання потрібна освітленість 50 лк, для дуже тонких робіт (гравірування, креслення), а також в цехах, де застосовуються дрібні різальні інструменти — 100 лк, в приміщеннях для зборів 20 лк і на площах, де рухається значна кількість транспортних засобів, 4 лк.

Цікаво порівняти приведені дані з освітленістю, яку створюють природні джерела світла. Освітленість на по­верхні Землі від Сонця в середніх широтах опівдні в ясний літній день на відкритому місці — порядку 10° лк. Якщо Сонце закрите хмарами, то освітленість зменшується приблизно в 100 разів. Освітленість від повного Місяця, коли він перебуває поблизу зеніту, 0,2 лк.

? 1. Що таке освітленість і в яких одиницях вона вимірюється? 2. Як зміниться освітленість поверхні при збільшенні відстані від дже­рела вдвічі? втричі? скороченні відстані вдвічі?

Вправа 10

1. Найменша нормальна освітленість верстата в цеху мав становити 100 лк. Чи можна створити таку освітленість за допомогою лампи в 75 кд, розміщеної на відстані 2 м від верстате, якщо кут падіння променів дорівнює 45°?

2. Для віїнонання певної роботи потрібна освітленість 8 лк. Є лише одна лампа силою світла 60 кд. На якій відстані від лампи повинен бути робітник?