Как найти силу света точечного источника

Содержание:

Фотометрия и световой поток:

Вы все знаете, что без темных очков невозможно смотреть на полуденное солнце. Вместе с тем, мы можем долго любоваться звезд ным небом, и это не вызывает никаких неприятных ощущений. Почему это так? Ответить на эти вопросы нам поможет фотометрия (от греч. fotos — свет). Фотометрия — раздел оптики, в котором рассматриваются энергетические характеристики света в процессах его излучения, распространения и взаимодействия со средой.

Изучения энергетических характеристик света

Действие света может быть разным: от теплового, которое проявляется в нагревании тел, поглощающих свет, до электрического, химического и механического. Такое действие света становится возможным благодаря наличию у света энергии, поэтому очень важно знать об энергетических характеристиках света.

Различное действие света лежит в основе работы технических устройств. Например, системы охраны разнообразных объектов работают на чувствительных приемниках света — фотоэлементах. Тонкие пучки света, которые буквально пронизывают пространство вокруг охраняемого объекта, направлены на фотоэлементы (рис. 3.7), и если перекрыть один из таких лучей, то фотоэлемент перестанет получать световую энергию и немедленно «сообщит* об этом — прозвучит сигнал тревоги.

Другие технические устройства способны реагировать не только на факт наличия световой энергии, но и на ее количество. Так, освещение улиц больших городов (рис. 3.8) включается автоматически в момент, когда количество получаемой световой энергии Солнца уменьшается до определенного значения. Работа подобных устройств сориентирована на восприятие света человеческим глазом. Поэтому очевидной является важность рассмотрения энергетических характеристик света, основанных на непосредственном восприятии света глазом — на зрительном ощущении.

Различия светового потока и силы света

Зрительные ощущения являются очень субъективными. Как их оценить? Ваша мама зовет вас вечером: «Иди домой, уже темно!» А вам кажется, что для игр еще достаточно света. Кроме того, чувствительность глазу к свету разного цвета различна. Так, зрительные ощущения от зеленого цвета приблизительно в сто раз более сильные, чем от красного (например, зеленую лампу глаз воспринимает как более мощную, недели красную, при одинаковой мощности обеих ламп).

Чтобы все это выяснить, ученые провели сотни опытов и установили средние характеристики зрительных ощущений человека. На этой базе созданы приборы, способные измерять физические величины, характеризующие зрительные ощущения. Одну из таких величин называют световым потоком.

Что такое световой поток

Световой поток — это физическая величина, численно равная количеству оцениваемой по зрительным ощущениям световой энергии, падающей на поверхность за единицу времени.

Световой поток обозначается символом Ф и вычисляется по формуле:

где W — оцениваемая по зрительным ощущениям световая энергия, падающая на определенную поверхность; t — время падения световой энергии на эту поверхность.

За единицу светового потока принят люмен (лм) (от латин. lumen — свет). Оказалось, например, что световой поток от звездного неба, падающий на сетчатку глаза, — около 0,000000001 лм, световой поток от полуденного солнца — 8 лм. Именно поэтому мы не можем смотреть на яркое солнце невооруженным глазом.

В повседневной жизни в качестве источников света очень часто применяют электрические лампы накаливания, которые отличаются друг от друга мощностью (обозначается Р и измеряется в ваттах, Вт). Для определения полного светового потока некоторых ламп накаливания приводим соответствующую таблицу:

Световой поток создается источником света. Физическая величина, характеризующая свечение источника света в определенном направлении, называется силой света.

Если источник излучает видимый свет равномерно во все стороны, то сила света вычисляется по формуле:

где Ф — полный световой поток, испускаемый источником; — постоянная величина, приблизительно равная 3,14.

За единицу силы света в Международной системе единиц (СИ) принята кандела (кд) (от латин. candela — свеча). Кандела — одна из основных единиц СИ.

Пример решения задачи:

Вычислите полный световой поток, излучаемый лампой накаливания, сила света которой равна 30 кд. Определите мощность лампы.

Дано:

I = 30 кд

Ф — ?

Р — ?
Анализ физической проблемы

Считаем, что лампа излучает свет равномерно во все стороны, поэтому полный световой поток мы можем найти из формулы для силы света. Мощность, потребляемую лампой, определим по таблице. Поиск математической модели, решение и анализ результатов

Воспользуемся формулой , откуда

Определим значение искомой величины:

Проанализируем результат: воспользовавшись таблицей, определим, что световой поток 376,8 лм =• 377 лм излучает лампа мощностью 40 Вт.

Ответ: Ф = 376,8 лм, Р = 40 Вт.

Итоги:

Раздел оптики, в котором рассматриваются энергетические характеристики света в процессе его испускания, распространения и взаимодействия со средой, называется фотометрией.

Световое излучение источника характеризуется световым потоком и силой света.

Физическая величина, численно равная количеству оцениваемой по зрительным ощущениям световой энергии W, падающей на поверхность за единицу времени t, называется световым потоком (Ф). Световой поток измеряется в люменах (лм).

Физическая величина, характеризующая свечение источника света в определенном направлении, называется силой света (I). Единица силы света — кандела (кд), одна из семи основных величин СИ.

Световой поток и световая сила

Действие света на глаза или другие принимающие устройства определяется энергией света, передаваемой этим принимающим устройствам. Поэтому ознакомимся с энергетическими величинами, связанными с энергией света. Раздел, изучающий эти вопросы, называется фотометрией.

Величины, используемые в фотометрии, принимаются в зависимости от световой энергии, которую регистрирует прибор (а не зрительное восприятие).

Поток световой энергии. Возьмем очень маленький источник света. Тогда можно рассмотреть точки вокруг него на определенном расстоянии, что составляет сферическую поверхность. Например, если 

лампа диаметром 10 см освещает площадь на расстоянии 100 м, то эту лампу можно рассматривать как точечный свет. Но если расстояние до освещаемой площади будет 50 см, то источник света рассматривать как точечный нельзя. Примером точечного света могут служить звезды. На определенной поверхности S за время t энергия падающего света будет W. Количество энергии, падающей на определенную поверхность за единицу времени, называется потоком световой энергии, или потоком излучения. Если его обозначим буквой Ф, то

здесь: t подразумевает намного больше времени относительно периода колебания света. Единицей измерения потока излучения в системе единиц СИ принят ватт (Вт).

Во многих измерениях (например, астрономических) значение имеет не только поток, но и поверхностная плотность потока излучения. Величина, измеряемая отношением потока излучения к площади, через которую проходит поток, называется поверхностной плотностью потока излучения:

Эту величину часто называют интенсивностью излучения. Ее единица измерения .

Вспомните из курса геометрии понятие «телесный угол». Примером этого может служить угол на вершине конуса. Телесным углом называется величина, измеряемая отношением площади к поверхности сегмента шара на квадрат радиуса сферы, центр которой находится в конусе: 

Телесный угол измеряется в единицах — стерадиан (ср). 1 сртелесный угол с вершиной в центре сферы, вырезающий на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу этой сферы. Зная площадь поверхности сферы, можно определить полный телесный угол вокруг точки:

Рассмотрим зависимость интенсивности излучения от расстояния до источника и угла падения луча. Пусть точечные источники света будут

расположены в центре двух концентричных кругов с радиусами , (рис. 4.29). Если свет не поглощается средой (например, в вакууме), полная энергия, прошедшая через первую сферу за единицу времени, проходит через площадь второй сферы. Поэтому 

отсюда:

Значит, интенсивность излучения с увеличением расстояния уменьшается квадратичным образом. Для определения зависимости от угла наклона поверхности, на которую падает луч, рассмотрим случай, изображенный на рис. 4.30. При этом волна через площади и S переносит одинаковую энергию. Поэтому 

Отношение их интенсивности:

На практике вместе с энергетическими характеристиками излучения используют фотометрические величины, характеризующие видимые излучения. В фотометрии используют субъективную величину, непосредственно связанную с интенсивностью излучения, называемую световым потоком. Световой поток обозначается буквой Ф. В системе СИ единица измерения — люмен (лм).

• Заказать решение задач по физике

Важной характеристикой любого источника света является сила света I. Она определяется отношением светового потока на телесный угол

Единица измерения силы света — кандела (кд) является основной единицей системы СИ. 1 кд — эта сила света, испускаемая с площади 1/600000 сечения полного излучателя в перпендикулярном к этому

сечению направлении при температуре излучателя, равной температуре затвердевания платины, и давлении 101 325 Па. При приеме 1 кд использованная длина волны света в вакууме была равна 555 нм, и она приходится на максимальную чувствительность человеческого глаза.

Остальные все фотометрические единицы выражаются через кандсла. Например, 1 люмен равен световому потоку, испускаемому точечным источником в телесном угле 1 стерадиан при силе света 1 кандела.

Поток излучения, падающий на единицу площади, называется освещенностью:

сечению направлении при температуре излучателя, равной температуре затвердевания платины, и давлении 101 325 Па. При приеме 1 кд использованная длина волны света в вакууме была равна 555 нм, и она приходится на максимальную чувствительность человеческого глаза.

Остальные все фотометрические единицы выражаются через кандела. Например, 1 люмен равен световому потоку, испускаемому точечным источником в телесном угле 1 стерадиан при силе света 1 кандела.

Поток излучения, падающий на единицу площади, называется освещенностью:

Е=-1″.    (4-14)

Освещенность в системе СИ измеряется в люксах (лк). 1 люкс равен освещенности поверхности площадью при световом потоке падающего на нее излучения, равного 1 люмену.

Законы освещенности

Как было сказано, освещенность поверхности прямо пропорциональна силе света. Однако освещенность зависит не только от силы света, но и от расстояния до источника и освещаемой площади. Пусть источник света расположен в центре сферы (рис. 4.31).

Площадь поверхности сферы равна

Тогда полный поток света будет равен Согласно этому:

Освещенность поверхности прямо пропорциональна силе света источника, обратно пропорциональна квадрату расстояния.

В большинстве случаев световой поток падает на поверхность под углом. Пусть световой поток падает на поверхность под углом ср.

Площадь связана с площадью следующим образом:
Тогда телесный угол определяется как освещенность данной поверхности определяется

Освещенность поверхности прямо пропорциональна силе света источника и косинусу угла между перпендикуляром, проведенным на поверхности, куда падает луч света, и световым потоком, и обратно пропорциональна квадрату расстояния.

Если поверхность освещена несколькими источниками, общая освещенность равна сумме освещенности от каждого источника.

Яркость — еще одна из фотометрических величин.

Яркостью называется сила света, приходящаяся на единичную площадь, которая испускает свет: 

Единица яркости — . Отсюда видно, что источник света излучает свет по всем направлениям одинаково.

Приведем некоторые сведения о яркости. В полдень яркость Солнца  когда Солнце дойдет до горизонта — диск полной Луны — безоблачное дневное небо — 1500 — 4000

Пример решения задачи:

Сила света точечного источника равна 100 кд. Найдите полный световой поток, выходящий из источника.

Дано:  Найти:

Формула:

Решение:

Итоги:

• Гипотеза Максвелла :Любые изменения электрического поля создают в пространстве вокруг него вихревое магнитное поле.
• Вибратор Герца:    Состоит из двух шариков или цилиндра диаметром 10-30 см, разделенных тонким слоем воздуха, используют для получения электромагнитной волны.
• Открытый  колебательный  контур: Колебательный контур, в котором электромагнитные колебания полностью ‘: распространяются в пространстве.
• Отражение электромагнитных волн: Электромагнитные волны отражаются от металлических поверхностей. При этом выполняется закон отражения.
• Преломление электромагнитных волн: Электромагнитные волны при переходе границы двух сред преломляются. При этом выполняются законы  преломления, -диэлектрическая  проницаемость первой и второй среды соответственно.
   
• Длина электромагнитной волны: Расстояние между двумя близко лежащими точками с  с  одинаковой фазой колебания. .
• Плотность потока излучения электромагнитной волны или интенсивность волны : Отношение электромагнитной энергии Щ проходящей через поверхность площадью S, расположенную перпендикулярно к направлению распространения  W  волны, за время
• Радиосвязь:  Обмен информацией с помощью электромагнитных волн.
• Радиопередатчик: Передача информации с помощью электромагнитных волн.
• Радиоприемник: Устройство для приема информации, поступающей с помощью электромагнитных волн.
• Микрофон: Прибор для превращения звуковых колебаний в электрические колебания.
• Модуляция: Передача с наложением на высокочастотные электрические колебания низкочастотных электрических колебаний.
• Входной контур: Колебательный контур, с помощью которого нужный сигнал выделяется среди множества радиостанций.
• Детектирование: Выделение из модулированных колебаний низкочастотных сигналов.
• Видеокамера: Устройство для превращения световых сигналов (изображения) в электрические сигналы.
• Когерентные волны: Волны с одинаковой частотой и постоянной разностью фаз.
• Интерференция волн: Явление увеличения или уменьшения амплитуды  Я  результирующего колебания. При условие шах, при условие min.
• Дифракция волн: Огибание волнами препятствий. При этом размеры препятствий должны быть меньше длины падающей волны. Дифракционная решетка    Набор многочисленных преград и щелей, где наблюдается дифракция света.
• Явление дифракции в дифракционной решетке :  -постоянная решетки; -угол дифрагированной волны; — порядок спектра; — длина волны.
• Дисперсия света : Разложение белого цвета на семь цветов при прохождении через призму: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Зависимость показателя преломления света от длины волны света (частоты света).
• Спектр: Набор цветных полос, который появляется при прохождении света через преломляющую среду.
• Спектры испускания: Спектр, который излучает нагретые тела. Бывают непрерывные, полосатые и линейные спектры.
• Спектр поглощения: Спектр, получаемый только при поглощении света, соответствующего свойству вещества.
• Спектральный анализ: Определение состава вещества по спектрам поглощения или излучения.
• Поляризация света: Упорядочение векторов напряженности электрических и магнитных полей при прохождении света через турмалиновую пластину.
• Закон Малиуса :. Интенсивность поляризованного света при прохождении анализатора.
• Анализатор:  Прибор для определения поляризованности света.
• Поляризатор:  Прибор для поляризации естественного света.
• Инфракрасные лучи: Электромагнитные волны с длиной волны в вакууме в промежутке 700 нм — 1 мм.
• Ультрафиолетовые лучи:  Электромагнитные волны с длиной волны в вакууме в промежутке 122 нм — 400 нм.
• Рентгеновские лучи: Электромагнитные волны с длиной волны в вакууме в промежутке 0,005 нм — 100 нм.
• Световой поток  (Поток  излучения) : Количество энергии, падающей за единицу времени  на определенную поверхность:
• Интенсивность излучения:  Отношение светового потока на площадь, на которую  падает свет Единица измерения-
• Сила света:  Отношение светового потока Ф на телесный угол , откуда происходит это излучение. Единица измерения силы света — кандела (кд). Является основной единицей системы СИ. 1 кд — эта сила света, испускаемого с площади 1/600000 сечения полного излучателя в перпендикулярном к этому сечению направлении при температуре излучателя, равной температуре затвердевания платины, и давлении 101 325 Па.
• Освещенность:  Световой поток, падающий на единицу площади.  /  Единица — люкс — закон освещенности.
• Яркость:  Сила света, приходящаяся на единичную площадь, которая излучает свет Единица

Содержание:

1. Распространение света
2. Источники света
3. Закон прямолинейного распространения света
4. Скорость света
5. Световой поток. Точечный источник света
6. Сила света
7. Освещённость
8. Единицы светотехнических величин
9. Законы освещённости
10. Сравнение силы света двух источников

Свет — в физической оптике электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом. В качестве коротковолновой границы спектрального диапазона, занимаемого светом, принят участок с длинами волн в вакууме 380−400 нм (750−790 ТГц).

На странице -> решение задач по физике собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам физики.

Распространение света

Оптика — раздел физики, в котором изучаются природа света, законы его распространения и явления, наблюдаемые при взаимодействии света и вещества. Свет – это электромагнитные волны, вызывающие у человека зрительные ощущения.

Источники света

«Свет — необходимое условие для работы глаза, самого тонкого, универсального и могучего органа чувств,— писал академик С. И. Вавилов.— Ночь лишает человека этого органа, превращая жизнь из активной в пассивную.

Роль искусственного света — поддерживать деятельное, бодрствующее сознание. Свет фактически удлиняет сознательное существование человека, и в этом прежде всего его великое значение. Не удивительно поэтому, что в наше время вопрос о количестве света вырастает в очень большую технико-экономическую проблему».

Мы видим различные тела, когда от них исходит свет и попадает к нам в глаза. Одни тела мы видим независимо оттого, светло вокруг нас или темно. Они сами излучают свет в окружающее пространство, такие тела называются источниками света.

Большинство же тел мы видим только тогда, когда они освещены источниками света.

Источники света можно разделить на естественные и искусственные. Из естественных источников света главное значение имеет для нас Солнце, так как свет, излучаемый Солнцем, является первоисточником большинства энергетических запасов, которыми располагает человечество в настоящее время. Солнечный свет является источником жизни для всех живых организмов на земле — растений, животных, человека.

Искусственные источники света, которыми человечество овладевало по мере своего развития и с которыми каждый из нас до сих пор встречается (костры, спички, свечи, керосиновые и электрические лампы), как и Солнце, всегда горячие.

Все названные выше источники испускают свет в нагретом состоянии, поэтому они называются тепловыми источниками света.

Наряду с тепловыми источниками в настоящее время всё шире и шире начинают проникать в технику и быт новые виды источников света, в которых используется свечение газов под действием проходящих через них электрических токов. Температура газа в таких лампах при свечении почти не меняется, поэтому их называют иногда источниками «холодного света». Они, как мы увидим далее (§ 189), значительно экономичнее электрических ламп накаливания. Кроме того, в некоторых из них можно получить свет, одинаковый по своему составу с солнечным светом. Такие лампы «дневного света» сейчас используются во многих производствах; они, в частности, служат источником света на некоторых подземных станциях метро.

Солнце находится от Земли на расстоянии 150 млн. км. Расстояние от Земли до звёзд значительно больше. Каким же образом свет, излучаемый Солнцем, звёздами и другими светящимися телами, распространяется в пространстве? Что такое свет? — Все эти вопросы издавна занимали человечество. В настоящее время наукой выяснено многое о природе света и законах его распространения.

В учении о свете, как, впрочем, и в любой другой области научного знания, широким теоретическим обобщениям предшествовало изучение и накопление опытных фактов и установление на основании их законов явлений. Отчётливое знание этих законов необходимо для того, чтобы глубже понять сущность учений о природе и свойствах света.

К числу основных законов оптических явлений относятся:

1. Закон прямолинейного распространения света.
2. Закон отражения света.
3. Закон преломления света.

Закон прямолинейного распространения света

Известно, что если поместить между глазом и каким-нибудь небольшим источником света непрозрачный предмет, то источник света делается невидимым. Объясняется это тем, что в однородной среде(например, в воздухе) свет распространяется по прямым, линиям. Прямолинейность распространения света представляет собой опытный факт, установленный ещё в глубокой древности. Так, например, закон о прямолинейности распространения света излагается уже в сочинении Евклида (300 лет до нашей эры), но, вероятно, он был известен гораздо раньше.

Прямолинейностью распространения света в однородной среде объясняется всем хорошо известное явление образования тени.

Пусть S (рис. 243) есть очень маленький по размеру источник света, а К — тело, преграждающее путь падающему на него от S свету.

Так как свет распространяется прямолинейно, то он задерживается телом К; в результате за этим телом образуется конус тени. Каждая точка внутри этого конуса не получает света от источника света S. Поэтому на экране, помещённом под прямым углом к оси такого конуса, и получается хорошо очерченная тень тела К.

Если размеры источника света велики по сравнению с расстоянием от него до препятствий, то свет от каждой точки тела даёт отдельный конус тени позади препятствия. Свет совершенно не попадает лишь в пространство, общее всем этим конусам тени. На рисунке 244 показано сечение конусов тени, образованных за телом В светом, распространяющимся из двух точек источника света S. В пространство ВС свет не попадает ни от одной из точек светящегося тела S. Каждая же точка пространства, окружающего конус ВС, получает свет только от некоторых точек тела S, от других же не получает. Если между В и С поместить экран NN, то на нём мы увидим тень, окружённую полутенью.

Образование тени при падении лучей от источника света на непрозрачный предмет объясняет нам такие явления, как затмение Солнца и Луны.

Свойство прямолинейности распространения света используется в землемерных работах при провешивании прямых линий на поверхности земли, при определении расстояний на земле, на море и в воздухе.

Широко используется прямолинейность распространения света в производстве при контроле по лучу зрения прямолинейности изделий и инструментов.

Весьма вероятно, что понятие о прямой линии возникло из факта прямолинейности распространения света.

Прямолинейностью распространения света объясняется возможность получения изображений с помощью малого отверстия.

Положим, что АВ представляет собой светящийся предмет, помещённый перед малым отверстием С в стенке камеры К (рис. 245). Так как свет распространяется прямолинейно, то от каждой точки предмета АВ через отверстие С будет проходить свет, который на стенке E камеры образует небольшое пятнышко. Совокупность таких пятнышек, полученных от разных точек, образует на стенке камеры Е изображение предмета, которое по отношению к предмету будет перевёрнутым.

Однако закон прямолинейности распространения света теряет свою силу при прохождении через очень малые отверстия. Познакомимся с этим явлением на опыте. Будем уменьшать отверстие С и наблюдать при этом за изображением . Мы заметим, что с уменьшением размера отверстия отчётливость изображения скачала возрастает, уменьшается только его яркость, так как при уменьшенном отверстии меньше поступает и света. Но когда размер отверстия становится очень малым (в нашем опыте ), изображение теряет подобие предмета и при дальнейшем уменьшении отверстия становится размытым, а при диаметре отверстия порядка 0,0005 мм совершенно исчезает. Экран E камеры становится при этом слабо, но равномерно освещённым. Объясняется это тем, что при прохождении светом очень малых отверстий прямолинейность распространения его нарушается.

Явление, при котором наблюдается нарушение прямолинейности распространения света, называется дифракцией света, оно будет рассмотрено в главе IX.

Скорость света

В пределах земной поверхности скорость света определялась разными методами. Чтобы уяснить идею

подобных измерений, опишем опыт американского учёного Майкельсона.

Для своих измерений Майкельсон воспользовался двумя горными вершинами: Антонио и Вильсон (в Калифорнии), расстояние между которыми (35,426 км) было тщательно измерено. На вершине горы Вильсон был установлен сильный источник S (рис. 246), свет от которого, проходя через щель, падал на восьмигранную зеркальную призму А. Отражённый от зеркальной грани призмы свет попадал на вогнутое зеркало В, установленное на вершине горы Антонио. Далее свет падал на зеркало т и, отражаясь от него, падал на другую точку зеркала В, после чего попадал на вторую грань зеркальной призмы А и отражался. Отражённый свет улавливался с помощью зрительной трубы С. Вышедший из щели свет мог попасть в зрительную трубу только при том условии, если за время распространения света с одной горы на другую и обратно в расположении зеркал ничего не изменилось.

Зеркальная призма А при помощи мотора приводилась во вращение, причём скорость мотора регулировалась так, чтобы через зрительную трубу щель S была видна непрерывно. Это могло быть только при том условии, если за время поворота призмы на  оборота свет проходил путь, равный двойному расстоянию между вершинами гор. Зная число оборотов зеркала в секунду и пройденный светом путь, Майкельсон нашёл, что скорость света в воздухе

Скорость света в различных веществах, как показывают опыты, неодинакова. В воде, например, скорость света около , в стекле около .

Световой поток. Точечный источник света

Энергия света оценивается по зрительному восприятию. Если на какую-либо площадку в течение времени t падает свет, энергия которого равна L, то величина называется световым потоком (Ф):

Количество энергии, излучаемой каким-либо источником света в единицу времени по всем направлениям, называется полным световым потоком источника .

Световой поток выражает собой величину мощности светового излучения.

Представим себе, что источником света является небольшой раскалённый шарик. Такой источник будет излучать свет по всем направлениям равномерно, а если действие света, излучаемого км, мы будем оценивать на расстоянии, значительном по сравнению с диаметром шарика, то размеры его но будут играть никакой роли. В этом случае источник света можно считать точечным.

Таким образом, точечным источником света называется источник, излучающий свет по всем направлениям равномерно и размерами которого по сравнению с расстоянием, на котором оценивается его действие, можно пренебречь.

На практике мы всегда имеем дело с протяжёнными телами, в том числе и с протяжёнными источниками света. Каждый из таких источников можно рассматривать как совокупность светящихся точек. Чем меньше размеры светящегося тела в сравнении с расстоянием, на котором мы оцениваем его действие, тем с меньшей погрешностью можно принимать его за светящуюся точку.

Сила света

Для характеристики источника света в светотехнике применяется величина, называемая силой света.

Представим себе точечный источник света и опишем вокруг него радиусом r шаровую поверхность. Вообразим внутри этого шара конус, вершина которого находится в центре шара. Такой конус вырезает на поверхности шара некоторую часть шаровой поверхности  (рис.247).

Пространство, ограниченное конической поверхностью, называется телесным углом.

Телесный угол измеряется отношением . Если то телесный угол равен единице и называется стерадианом. Так как величина шаровой поверхности равна то телесный угол вокруг течки равен стерадианам.

Силой света (I) источника называется величина, измеряемая отношением светового потока Ф к величине телесного угла , в котором этот поток распространяется:

Следовательно, сила света измеряется тем световым потоком, который распространяется в 1 стерадиане.

Из определения точечного источника следует, что сила света точечного источника одинакова по всем направлениям. Сила же света таких источников, как лампа накаливания, дуговой фонарь и т. п., различна по различным направлениям. Применяя соответствующую арматуру, мы можем излучаемый’ источником поток направить так, как нам желательно. Концентрируя полный поток источника в небольшом телесном угле, мы получаем громадную силу света в одном каком-нибудь направлении. На этом принципе основано устройство современных прожекторов.

Освещённость

Читаем ли мы книгу, пишем ли, работаем ли у какого-нибудь станка, всегда объект, над которым мы трудимся, должен быть так или иначе освещён. Всем известно, например, что чтение при слабом свете утомляет глаза. Также утомляются глаза при очень сильном свете. Но слабый и сильный — понятия относительные и субъективные. Для объективной оценки освещения в светотехнике введена величина освещённости. Освещённостью Е называется величина, измеряемая отношением светового потока Ф, падающего на какую-либо поверхность, к величине площади этой поверхности S:

При равномерном распределении потока на поверхности освещённость численно равна световому потоку, падающему на единицу площади.

Единицы светотехнических величин

Основной светотехнической величиной является световой поток. Однако на практике в качестве основной единицы принята единица силы света. По международному соглашению за единицу силы света принята свеча (св). Свеча — определённая часть силы света, даваемого эталонной лампой накаливания особого устройства (рис. 248) в строго определённом направлении.

Так как

то   

Полагая силы света угла, получим Ф=1 ед. светового потока.

За единицу светового потока принимается люмен (лм).

Люменом называется световой поток, излучаемый точечным источником света в 1 свечу внутри телесного угла в один стерадиан.

Если световой поток в 1 лм равномерно распределяется на единице площади поверхности, то освещённость равна единице.    

За единицу освещённости принимают люкс (лк); люкс — освещённость, создаваемая равномерно распределённым световым потоком в 1 лм на поверхности в :

Чрезвычайно важное значение для производительности труда и сохранения зрения имеет надлежащая освещённость места работы. Установлены различные нормы освещённости для разных видов работы.

В качестве примера ниже приводятся значения некоторых освещённостей, встречающихся на практике:

Законы освещённости

Свет, исходящий из точечного источника, будет различным образом освещать предметы, находящиеся на разных расстояниях от источника. Чем дальше освещаемая поверхность находится от источника S, тем меньший световой поток приходится на каждую единицу этой поверхности (рис. 249), а следовательно,

тем меньше её освещённость. Совершенно очевидно, что при одинаковых расстояниях от источника освещённость зависит также от силы света источника.

Установим эту зависимость. Пусть имеется точечный источник света силой I. Опишем вокруг него радиусом r шаровую поверхность S. Освещённость этой поверхности равна:

Если сила света источника I, то полный световой поток Подставляя это значение в формулу (1), получим:

В рассматриваемом случае лучи перпендикулярны к любому элементу освещаемой поверхности.

Итак, освещённость поверхности лунами, падающими на неё перпендикулярно, прямо пропорциональна силе света источника и обратно пропорциональна квадрату расстояния его от освещаемой поверхности (это первый закон освещённости).

Этот закон строго выполняется в случае точечного источника света. На практике расчётные результаты, основанные на этом законе, тем ближе к опытным данным, чем меньших размеров источник и чем больше расстояние от него до освещаемой поверхности.

Кроме указанных факторов, освещённость зависит ещё и от угла, под которым свет падает на освещаемую поверхность.

Возьмём небольшой по размерам источник света S. Лучи, падающие от него на небольшую площадку б на достаточно большом расстоянии, будут практически параллельными (рис. 250). Если эту площадку наклонить, то на неё попадёт только часть светового потока.

На рисунке 251 один и тот же поток света падает на две прямоугольные площадки АС и АВ, расположенные перпендикулярно плоскости чертежа. Пусть высоты этих прямоугольных площадок равны 1 см, тогда площади их в квадратных сантиметрах численно будут равны длинам линий АС и АВ. На площадке АС, расположенной перпендикулярно к падающим лучам света, распределён световой поток Ф, тогда освещённость этой площадки будет:

Аналогично для площадки АВ:

Сравним освещённости

поэтому 

Освещённость поверхности пропорциональна косинусу угла падения лучей (второй закон освещённости).
Если — освещённость площадки перпендикулярными лучами света, то она равна ; тогда освещённость может быть вычислена по формуле:

Эта формула объединяет оба закона освещённости.

Сравнение силы света двух источников

Приборы для сравнения силы света называются фотометрами. Пусть — источники, сила света которых равна и L (рис. 252). Установим между ними экран А так, чтобы освещённости какой-нибудь небольшой поверхности экрана справа и слева были равны:

Отсюда на основании равенства (1) можно написать:

Если вместо одного источника света поместить эталонную лампу и, установив равенство освещённостей экрана, измерить расстояния то можно определить силу света второго источника.

Схема одного из простейших фотометров показана на рисунке 253. На белые грани ВС и АС треугольной призмы ABC падает свет от источников Перемещением фотометра между ними добиваются одинаковой освещённости граней ВС и АС, это будет тогда, когда при наблюдении обе грани окажутся слившимися в одну; граница между ними исчезает.

Услуги по физике:

1. Заказать физику
2. Заказать контрольную работу по физике
3. Помощь по физике

Лекции по физике:

1. Физические величины и их измерение
2. Основные законы механики
3. Прямолинейное равномерное движение
4. Прямолинейное равнопеременное движение
5. Сила
6. Масса
7. Взаимодействия тел
8. Механическая энергия
9. Импульс
10. Вращение твердого тела
11. Криволинейное движение тел
12. Колебания
13. Колебания и волны
14. Механические колебания и волны
15. Бегущая волна
16. Стоячие волны
17. Акустика
18. Звук
19. Звук и ультразвук
20. Движение жидкости и газа
21. Молекулярно-кинетическая теория
22. Молекулярно-кинетическая теория строения вещества
23. Молекулярно — кинетическая теория газообразного состояния вещества
24. Теплота и работа
25. Температура и теплота
26. Термодинамические процессы
27. Идеальный газ
28. Уравнение состояния идеального газа
29. Изменение внутренней энергии
30. Переход вещества из жидкого состояния в газообразное и обратно
31. Кипение, свойства паров, критическое состояние вещества
32. Водяной пар в атмосфере
33. Плавление и кристаллизация
34. Тепловое расширение тел
35. Энтропия
36. Процессы перехода из одного агрегатного состояния в другое
37. Тепловое расширение твердых и жидких тел
38. Свойства газов
39. Свойства жидкостей
40. Свойства твёрдых тел
41. Изменение агрегатного состояния вещества
42. Тепловые двигатели
43. Электрическое поле
44. Постоянный ток
45. Переменный ток
46. Магнитное поле
47. Электромагнитное поле
48. Электромагнитное излучение
49. Электрический заряд (Закон Кулона)
50. Электрический ток в металлах
51. Электрический ток в электролитах
52. Электрический ток в газах и в вакууме
53. Электрический ток в полупроводниках
54. Электромагнитная индукция
55. Работа, мощность и тепловое действие электрического тока
56. Термоэлектрические явления
57. Распространение электромагнитных волн
58. Интерференционные явления
59. Рассеяние
60. Дифракция рентгеновских лучей на кристалле
61. Двойное лучепреломление
62. Магнитное поле и электромагнитная индукция
63. Электромагнитные колебания и волны
64. Природа света
65. Отражение и преломление света
66. Оптические приборы и зрение
67. Волновые свойства света
68. Действия света
69. Линзы и получение изображений с помощью линз
70. Оптические приборы и глаз
71. Фотометрия
72. Излучение и спектры
73. Квантовые свойства излучения
74. Специальная теория относительности в физике
75. Теория относительности
76. Квантовая теория и природа поля
77. Строение и свойства вещества
78. Физика атомного ядра
79. Строение атома

5.1 Фотометрия

Основные
законы и формулы

1.Световой поток
определяется световой энергией,
излучаемой точечным источником света,
отнесенной ко времени излучения:

.

2.Сила света
определяется световым потоком Ф,
излучаемым точечным источником света,
равномерно распределнным внутри
телесного угла

:

,

где Ф – световой
поток.

Телесным углом
называется пространственный угол,
ограниченный конической поверхностью,
площадь основания S
которой является частью сферической
поверхности радиусом R,
вершина которой совпадает с точечным
источником света:

.

3.Освещенность
определяется световым потоком, отнесенным
к площади S
поверхности, на которую он падает:

.

4.Освещенность,
создаваемого точечным источником, на
расстоянии r
от него равна:

,

где

– угол между падающим лучом и
перпендикуляром к поверхности в точке
падения луча.

5.Светимость
источника определяется световым потоком
Ф,
испускаемым светящейся поверхностью,
отнесенным к площади S
этой поверхности:

.

6.Яркость источника
определяется силой света I
источника в заданном направлении,
отнесенной к площади S
поверхности
источника:

,

где

– угол между нормалью к площадке S
и направлением наблюдения.

7.Светимость и
яркость источника связаны следующим
соотношением

.

Примеры решения задач

Пример 1.
Вычислить световой поток, падающий на
площадку 10 см²,
расположенную на расстоянии 2 м от
источника, сила света которого 200 кд.

Решение.
Примем, что
источник находится в центре сферы
радиусом 2 м. Площадка S
составляет часть площади поверхности
сферы. Тогда освещенность площадки

,
(1)

так как

.
Иначе:

.
(2)

Приравнивая правые
части соотношений (1), (2), находим

.
Следовательно,

,

= 0,05 лм.

П
ример
2. По обе
стороны от точечного источника света
на одинаковых расстояних, равных 1 м,
помещены экран и плоское зеркало,
плоскости которых параллельны (рис.
33). Какова освещенность, создаваемая в
центре экрана, если сила света источника
2 кд?

Решение.
Освещенность
экрана создается лучами, непосредственно
приходящими от источника
S
(например, луч 1), и Рис.
33

лучами, приходящими
на экран после отражения от зеркала
(например, луч 2). Известно, что луч,
приходящий на экран после отражения от
зеркала, можно рассматривать как вышедший
из мнимого источника

,
находящегося на расстоянии r
за зеркалом. Тогда освещенность

экрана

,

где

,

.
Следовательно,

лк.

Пример 3. На
высоте 5 м висит лампа и освещает площадку
на поверхности земли. На каком расстоянии
от центра площадки освещенность
поверхности земли в два раза меньше,
чем в центре (рис. 34)?

Решение.
Освещенность поверхности земли в центре
площадки:
Рис. 34

.

Освещенность
поверхности земли на расстоянии l
от центра площадки:

.

Из рисунка видно,
что

,

.

Тогда

.
Учитывая, что

,
получаем:

.
Следовательно,

;

м.

Пример 4.
Электрическая
лампа, сила света которой 100
кд, заключена
в матовый сферический плафон диаметром
5 см.
Найти светимость и яркость лампы.
Поглощением
света стеклом плафона можно пренебречь.

Решение.
По определению,
светимость источника равна:

R=Ф/S,

где Ф=I
–
излучаемый световой поток;

–
полный телесный угол; S=
—
площадь поверхности плафона. Поэтому
можно записать следующее:

R=

R=
лм/м².

Так как яркость
лампы R=

то

В=
кд/м².

Пример 5.
Над круглым столом диаметром 1,6 м на
высоте 0,6 м
висит лампа, которая считается точечным
источником света, равномерно излучающим
по всем направлениям. Световой поток,
падающий на стол, равен 201 лм.
Определить силу света лампы, полный
световой поток, испускаемый лампой,
освещенность в центре и на краю стола
(рис 35).

Решение.
Сила света источника

где

–
световой поток, испускаемый в телесный
угол

Телесный
угол, под которым из источника видна
поверхность стола, равен:

где i
– угол падения луча. Из рис. 35 следует:

cos

=

м.

Поэтому, можно
записать:
Рис. 35

кд.

Полный световой
поток, испускаемый точечным источником,
определим по формуле:

лм.

Освещенность
центра стола:

лк.

Освещенность края
стола:

лк.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #