14

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.1.

Измерение освещенности помещения

Цель работы: Освоить основы фотометрии и научиться определять освещенность помещения при помощи люксметра.

Приборы и принадлежности:

1. переносной фотоэлектрический люксметр Ю116;

2. фотоэлемент;

3. комплект насадок.

Краткая теория

Фотометрия – раздел оптики, занимающийся вопросами измерения интенсивности света и его источников. В фотометрии используются следующие величины, характеризующие свет с точки зрения переносимой им энергии: световой поток, сила света, освещенность, светимость и яркость.

Световым потоком Ф называется мощность видимого излучения, которое оценивается по действию этого излучения на нормальный глаз. Иными словами, световой поток 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 = 550 нм), световой поток равен 683 Лм, если мощность излучения равна 1 Вт.

Единица светового потока – Люмен (Лм): 1Лм – световой поток, испускаемый точечным источником силой света в 1 Кд (Кандела) внутри телесного угла 1 стерадиан (при равномерности поля излучения внутри телесного угла) (1Лм = 1Кд•1 стерадиан).

Силой света I точечного источника называется величина, численно равная световому потоку, который этот источник создает в единичном телесном угле:

(1)

Телесный угол Ω определяется как отношение площади поверхности ∆S шарового сегмента к квадрату радиуса сферы:

(2)

Если точечный источник равномерно излучает свет по всем направлениям, то , где Ф_полн – полный световой поток источника света, т.е. мощность излучения, создаваемое источником по всем направлениям. Единицей силы света в СИ является кандела (Кд).

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

.

(3)

За единицу освещенности в 1 Люкс (Лк) принимают освещенность, создаваемую равномерно распределенным потоком в 1 Лм на поверхности в 1 м², нормально расположенной к световому потоку.

Пусть точечный источник S освещает небольшую поверхность ΔS, расположенную на расстоянии R от источника (рис.1.).

Построим телесный угол, вершина которого лежит в точке S, и который опирается на края площадки ΔS. Величина этого телесного угла, согласно определению, определяется следующим соотношением:

(4)

Обозначим поток, посылаемый источником через этот телесный угол, ΔФ.

Тогда сила света, согласно уравнению (1), с учетом формулы (4) определяется:

.

(5)

Освещенность, согласно уравнению (1),

.

(6)

С учетом уравнения (7), получим

,

(7)

т.е. освещенность площадки равна силе света, деленной на квадрат расстояния до точечного источника.

Если бы площадка ΔS была расположена не перпендикулярно к оси потока, а повернута на угол α, то она имела бы размеры (рис.1), где S₀ – площадка, пересекающая тот же телесный угол перпендикулярно к оси пучка светового потока, следовательно .

В данном случае предполагаем площадки настолько малыми и удаленными от источника, что для всех точек этих площадок расстояние до источника может считаться одинаковым и лучи во всех точках составляет с перпендикуляром к площадке ΔS один и тот же угол α.

В этом случае освещенность площадки ΔS равна

.

(8)

Следовательно, освещенность, создаваемая точечным источником на некоторой площадке, равна силе света, умноженной на косинус угла падения света на площадку и деленной на квадрат расстояния до источника. Уравнения (7), (8) носит название законов освещенности.

Светимость R определяется соотношением

(9)

Единица светимости – Люмен на метр в квадрате (Лм/м²).

Яркость В_φ – светящейся поверхности в некотором направлении φ есть величина, равная отношению силы света I в этом направлении к площади S проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярно данному направлению:

(10)

Единица яркости – кандела на метр в квадрате (Кд/м²).

Освещенность жилых домов рабочих мест и т.д. имеет большое значение. При недостаточной освещенности мелкие детали становятся трудно различимыми, скорость работы падает, увеличивается число ошибок. При слишком ярком освещении наступает ослепление глаза. Правильное освещение способствует повышению качества и скорости работы. Поэтому очень важно соблюдать нормы освещения. Необходимая норма освещенности рабочего стола – от 30 до 50 Лк, для столов чертежников – 300 Лк. Освещенность в комнате в ясный солнечный день достигает 1000 Лк, а на улице - 100 000 Лк.