|
Гіпермаркет Знань>>Фізика і астрономія>>Фізика 7 клас>> Фотометрія. Сила світла і освітленість
§18. ФОТОМЕТРІЯ. СВІТЛОВИЙ ПОТІК. СИЛА СВІТЛА
■ Ви всі знаєте, що без темних окулярів неможливо дивитися на полуденне сонце. Водночас ми можемо довго милуватися зоряним небом, і це не викликає жодних неприємних відчуттів. Чому це так? Відповісти на ці питання нам допоможе фотометрія (від грец. fotos — світло).
Фотометрія — розділ оптики, у якому розглядаються енергетичні характеристики світла в процесах його випромінювання, поширення та взаємодії із середовищем.
1. Переконуємося в необхідності вивчення енергетичних характеристик світла
Дія світла може бути різною: від теплової, яка виявляється в нагріванні тіл, що поглинають світло, до електричної, хімічної та механічної. Таку дію світла уможливлює наявність у світла енергії, тому про енергетичні характеристики світла знати дуже важливо.
Різні дії світла лежать в основі роботи технічних пристроїв. Наприклад, системи охорони різноманітних об'єктів працюють на чутливих приймачах світла — фотоелементах. Тонкі пучки світла, що буквально пронизують простір навколо охоронюваного об'єкта, спрямовані на фотоелементи (рис. 3.7), і якщо перекрити один із таких променів, то фотоелемент перестане одержувати світлову енергію й негайно «повідомить» про це — пролунає сигнал тривоги.
Інші технічні пристрої здатні реагувати не тільки на факт наявності світлової енергії, але й на її кількість. Так, освітлення вулиць великих міст (рис. 3.8) вмикається автоматично в момент, коли кількість одержуваної світлової енергії Сонця зменшується до певного значення. Робота подібних пристроїв зорієнтована на сприймання світла людським оком. Тому оче-видною є важливість розгляду енергетичних характеристик світла, що ґрунтуються на безпосередньому сприйманні світла оком — на зоровому відчутті.
2. Вчимося розрізняти світловий потік і силу світла
Зорові відчуття є дуже суб'єктивними. Як їх оцінити? Ваша мама кличе вас увечері: «Іди додому, уже темно!» А вам здається, що для ігор ще досить світла. Крім того, чутливість ока до світла різного кольору дуже різна. Так, зорові відчуття від зеленого кольору в ока приблизно в сто разів сильніші, ніж від червоного (наприклад, зелену лампу око сприймає як більш потужну, ніж червону, за однакової потужності обох ламп).
Щоб усе це з'ясувати, учені провели сотні дослідів і встановили середні характеристики зорових відчуттів людини. На цій базі створено прилади, здатні вимірювати фізичні величини, які характеризують зорові відчуття. Одну з таких величин називають світловим потоком.
Світловий потік — це фізична величина, яка чисельно дорівнює кількості оцінюваної за зо¬ровим відчуттям світлової енергії, що падає на поверхню за одиницю часу.
Світловий потік позначається символом Ф та обчислюється за формулою:
W
Ф = -------
t
де W — оцінювана за зоровим відчуттям світлова енергія, що падає на певну поверхню; t — час падіння світлової енергії на ту поверхню.
За одиницю світлового потоку взято люмен (лм) (від латин. Lumen — світло). Виявилося, наприклад, що світловий потік від зоряного неба, який падає на сітківку ока,— близько 0,000000001 лм, світловий потік від полуденного сонця — 8 лм. Саме тому ми не можемо дивитися на яскраве сонце неозброєним оком.
У повсякденному житті як джерела світла дуже часто застосовують електричні лампи розжарювання, що відрізняються одна від одної потужністю (позначається Р і вимірюється у ватах, Вт). Для характеристики повного світлового потоку деяких ламп розжарювання наводимо відповідну таблицю:
Світловий потік створюється джерелом світла. Фізична величина, що характеризує світіння джерела світла в певному напрямку, називається силою світла.
Якщо джерело випромінює видиме світло рівномірно в усі боки, то сила світла обчислюється за формулою:
Ф
I = --------
4п
де Ф — повний світловий потік, що його випускає джерело; п — стала величина, яка приблизно дорівнює 3,14.
За одиницю сили світла в Міжнародній системі одиниць (СІ) взято канделу (кд) (від латин, candela — свічка). Кандела — одна з основних одиниць СІ.
ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ
Розділ оптики, у якому розглядаються енергетичні характеристики світла в процесі його випускання, поширення та взаємодії із середовищем, називається фотометрією.
Світлове випромінювання джерела характеризується світловим потоком і силою світла.
Фізична величина, що чисельно дорівнює кількості оцінюваної за зоровим відчуттям світлової енергії W яка падає на поверхню за одиницю часу t, називається світловим потоком (Ф). Світловий потік вимірюється в люменах (лм).
Фізична величина, що характеризує світіння джерела світла в певному напрямку, називається силою світла (/). Одиниця сили світла — кандела (кд), одна із семи основних величин СІ.
Контрольні запитання
1. Наведіть приклади технічних пристроїв, що реагують на надходження світлової енергії.
2. Що називають світловим потоком? У яких одиницях він вимірюється?
3. До світла якого кольору — зеленого чи червоного — чутливість ока є вищою?
4. За якою формулою визначають силу світла? У яких одиницях вона вимірюється?
Вправи
1. Сила світла точкового джерела становить 100 кд. Визначте повний світловий потік, що його випускає це джерело.
2. Повний світловий потік електричної лампи дорівнює 1884 лм. Ви-значте силу світла цього джерела.
3. Чому вдень важко роздивитися знадвору внутрішній простір неосвітленої кімнати крізь вікно, не наближаючи обличчя впритул до скла?
4. Припустімо, що від червоного й зеленого сигналів світлофора на сітківку ока падає приблизно однаковий світловий потік. Чи однакової потужності лампи встановлені у світлофорі? Якщо ні, то потужність якої лампи більша — зеленої чи червоної?
§19. ОСВІТЛЕНІСТЬ
■ Пригадайте свої відчуття, коли ви заходили в темне приміщення. Стає дещо не по собі, адже нічого не видно навколо... Але варто увімкнути ліхтарик — і близько розташовані предмети стають добре помітними. Ті ж, що є десь далі, можна ледве розрізнити за контурами. У таких випадках кажуть, що предмети порізному освітлені. З'ясуймо, що таке освітленість і від чого вона залежить.
1. Визначаємо освітленість
Від будь-якого джерела світла поширюється світловий потік. Чим більший світловий потік упаде на поверхню того чи іншого тіла, тим краще його видно.
Фізична величина, яка чисельно дорівнює світловому потоку, що падає на одиницю освітленої поверхні, називається освітленістю.
Освітленість позначається символом Е та визначається за формулою:
Ф
Е = -------
S
де Ф — світловий потік; S — площа поверхні, на яку падає світловий потік.
У СІ за одиницю освітленості взято люкс (лк) (від латин. Lux — світло).
Один люкс — це освітленість такої поверхні, на один квадратний метр якої падає світловий потік, що дорівнює одному люмену:
1лм
1 лк = —-
1м2
Наводимо деякі значення освітленості поверхні (поблизу землі).
Освітленість Е:
- сонячним промінням опівдні (на середніх широтах) — 100 000 лк;
- сонячним промінням на відкритому місці в похмурий день — 1000 лк;
- сонячним промінням у світлій кімнаті (поблизу вікна) — 100 лк;
- на вулиці при штучному освітленні — до 4 лк;
- від повного місяця — 0,2 лк;
- від зоряного неба в безмісячну ніч — 0,0003 лк.
2. З'ясовуємо, від чого залежить освітленість
Мабуть, усі ви бачили шпигунські фільми. Уявіть: який-небудь герой при світлі слабкого кишенькового ліхтарика уважно переглядає документи в пошуках необхідних «секретних даних». Узагалі, щоб читати, не напружуючи очей, потрібна освітленість, не менша від 30 лк (див. наприклад, рис. 3.9), а це чимало. І як наш герой домагається такої освітленості?
По-перше, він підносить ліхтарик якнай-ближче до документа, який переглядає. Отже, освітленість залежить від відстані від джерела світла до освітлюваного предмета.
Рис. 3.9. Щоб прочитати досить дрібний шрифт, слід збільшити освітленість сторінки
Рис. 3.10. У разі збільшення відстані до джерела світла площа освітленої поверхні збільшується
По-друге, він розташовує ліхтарик перпендикулярно до поверхні документа, а це означає, що освітленість залежить від кута, під яким світло падає на поверхню.
І нарешті, для кращого освітлення він просто може взяти потужніший ліхтарик, бо очевидно, що зі збільшенням сили світла джерела збільшуєть ся освітленість.
З'ясуймо, як змінюється освітленість у разі збільшення відстані від точ-кового джерела світла до освітлюваної поверхні. Нехай, наприклад, світловий потік від точкового джерела падає на квадратний екран, розташований на певній відстані від джерела. Якщо збільшити відстань удвічі, можна помітити, що той самий світловий потік освітлюватиме в 4 рази більшу площу. Оскільки
Ф
Е= — , то освітленість у цьому випадку зменшиться в 4 рази.
S
Якщо збільшити відстань у 3 рази, освітленість зменшиться в 9 = З2 разів. Тобто освітленість є обернено пропорційною квадрату відстані від точкового джерела світла до поверхні (рис. 3.10).
Якщо пучок світла падає перпендикулярно до поверхні, то світловий потік розподіляється на мінімальній площі. У разі збільшення кута падіння світла збільшується площа, на яку падає світловий потік, тому освітленість зменшується (рис. 3.11). Ми вже говорили, що в разі збільшення сили світла джерела освітленість збільшується. Експериментально встановлено, що освітленість є прямо пропорційною силі світла джерела.
(Освітленість зменшується, якщо в повітрі є часточки пилу, туману, диму, бо вони відбивають і розсіюють певну частину світлової енергії.)
Якщо поверхня розташована перпендикулярно до напрямку поширення світла від точкового джерела і світло поширюється в чистому повітрі, то освітленість можна визначити за формулою:
I
E = ----------
R2
де I — сила світла джерела, R — відстань від джерела світла до поверхні.
ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ
Фізична величина, яка чисельно дорівнює світловому потоку Ф, що падає на одиницю освітлюваної поверхні S, називається освітленістю (Е):
Ф
E = -------- У СІ за одиницю освітленості взято люкс (лк).
S 1
Освітленість поверхні Е залежить: а) від відстані R до освітлюваної поверхні ( E ~ ------- ); б) кута, під яким світло падає на поверхню (чим менший кут падіння, тим вищою є освітленість); в)
R2
сили світла I джерела [Е ~ I); г) прозорості середовища, у якому поширюється світло, проходячи від джерела до поверхні.
Контрольні запитання
1. Що називають освітленістю? У яких одиницях вона вимірюється?
2. Чи можна читати, не напружуючи очей, у світлій кімнаті? на вулиці при штучному освітленні? при повному місяці?
3. Як можна збільшити освітленість певної поверхні?
4. Відстань від точкового джерела світла до поверхні збільшили у 2 рази. Як при цьому змінилась освітленість поверхні?
5. Чи залежить освітленість поверхні від сили світла джерела, що освітлює цю поверхню? Якщо залежить, то як?
Вправи
1. Чому освітленість горизонтальних поверхонь опівдні є більшою, ніж уранці та ввечері?
2. Відомо, що освітленість від декількох джерел дорівнює сумі освітленостей від кожного з цих джерел окремо. Наведіть приклади застосування цього правила на практиці.
3. Після вивчення теми «Освітленість» семикласники вирішили збільшити освітленість свого робочого місця:
— Петрик замінив лампочку у своїй настільній лампі на лампочку більшої потужності;
— Наталка поставила ще одну настільну лампу;
— Антон підняв люстру, що висіла над його столом, вище;
— Юрко розташував настільну лампу таким чином, що світло почало падати практично перпендикулярно до столу.
Які з учнів зробили правильно? Обґрунтуйте відповідь.
4. У ясний полудень освітленість поверхні Землі під прямими сонячними променями становить 100 000 лк. Визначте світловий потік, що падає на ділянку площею 100 см2.
5. Визначте освітленість від електричної лампочки потужністю 60 Вт, розташованої на відстані 2 м. Чи досить цієї освітленості для читання книжки?
6. Дві лампочки, поставлені поряд, освітлюють екран. Відстань від лампочок до екрана 1 м. Одну лампочку вимкнули. На скільки потрібно наблизити екран, щоб його освітленість не змінилася?
Експериментальне завдання
Для вимірювання сили світла використовують прилади, що називаються фотометрами. Виготовте найпростіший аналог фотометра. Для цього візьміть білий аркуш (екран) і поставте на ньому масну пляму (наприклад, олією). Закріпіть аркуш вертикально й освітіть його з двох боків різними джерелами світла (S1, S2) (див. рисунок). (Світло від джерел має падати перпендикулярно до поверхні аркуша.) Повільно пересуваючи одне з джерел, зробіть так, щоб пляма стала практично невидимою. Це станеться, коли освітленість плями з одного й другого боку буде однаковою. Тобто Е1=Е2.
I I1 I2
Оскільки Е = -------, то --------- = --------- Виміряйте відстань від першого джерела до екрана (R1) і відстань від
R2 R21 R22
другого джерела до екрана (R2). Порівняйте, у скільки разів сила світла
I1 R22
першого джерела відрізняється від сили світла другого джерела: -------- = ---------- .
I2 R21 
Фізика та техніка в Україні
Науково-виробничий комплекс «Фотоприлад» (м. Черкаси)
Сфера діяльності підприємства — розробляння й виробництво приладів точної механіки, оптоелектроніки та оптомеханіки різноманітного призначення, медичної та криміналістичної техніки, побутових товарів, офісних годинників представницького класу.
НВК «Фотоприлад» розробляє та випускає перископічні приціли для різноманітних артилерійських установок, гірокомпаси, гіроскопи, оптикоелектронну апаратуру для вертольотів, бронетехніки, а також широкий спектр оптичного обладнання та приладів різного призначення.
Фізика. 7 клас: Підручник / Ф.Я. Божинова.
Матеріали з фізики 7, завдання та відповіді по класам, плани конспектів уроків з фізики 7 класу
Зміст уроку
 конспект уроку і опорний каркас
презентація уроку
акселеративні методи та інтерактивні технології
закриті вправи (тільки для використання вчителями)
оцінювання
Практика
задачі та вправи,самоперевірка
практикуми, лабораторні, кейси
рівень складності задач: звичайний, високий, олімпійський
домашнє завдання
Ілюстрації
ілюстрації: відеокліпи, аудіо, фотографії, графіки, таблиці, комікси, мультимедіа
реферати
фішки для допитливих
шпаргалки
гумор, притчі, приколи, приказки, кросворди, цитати
Доповнення
зовнішнє незалежне тестування (ЗНТ)
підручники основні і допоміжні
тематичні свята, девізи
статті
національні особливості
словник термінів
інше
Тільки для вчителів
ідеальні уроки
календарний план на рік
методичні рекомендації
програми
обговорення
Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам
Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь - Образовательный форум
|
