от расстояния до источника света.

Краткие теоретические сведения

 

Раздел физики, занимающийся измерением характеристик оптического излучения, называется фотометрией. Для прикладной светотехники важна как объективная энергетическая характеристика света, так и мера воздействия света на глаз наблюдателя. Поэтому в фотометрии приходится вводить двойные единицы измерения: энергетические (оцениваемые по объективным энергетическим характеристикам) и фотометрические (оцениваемые по воздействию на глаз). Энергетические и фотометрические величины взаимосвязаны. Основной фотометрической величиной является единица силы света – кандела. Кандела (Кд) – это сила света, излучаемого перпендикулярно поверхности черного излучателя с площади 1/6´10^-5м² при температуре затвердения платины, находящейся под давлением 101 325 Па.

Рассмотрим точечный источник, сила света которого равна I, и выделим телесный угол aW с вершиной в точке нахождения источника (рис.1).

 

Величина

(1)

 

называется элементарным световым потоком, излучаемым в пространство, ограниченным углом aW. Единицей светового потока является люмен (1 Лм = 1 Кд ´ 1 стер.).

Если сила света источника не зависит от направления наблюдения (такой источник называется изотропным), то полный световой поток, излучаемый источником по всем направлениям, равен

 

(2)

 

На пути светового потока расположим элементарную площадку dS, образующую угол с направлением распространения света. Отношение светового потока к площади освещаемой поверхности

 

(3)

 

называется освещенностью, которая измеряется в люксах (1 Лк = 1 Лм / м²).

Построим также площадку dS₀, перпендикулярную к направлению наблюдения и находящуюся на том же расстоянии r от источника света, что и площадка dS. Учитывая, что

 

(4)

 

и используя соотношение (1), из формулы (3) получаем

 

(5)

 

Таким образом, освещенность поверхности обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника света (закон обратных квадратов) и прямо пропорциональна силе света и косинусу угла падения света на поверхность (закон косинусов).

Если источник света – некоторая поверхность, то для ее характеристики вводятся такие величины, как светимость и яркость.

Пусть площадка dS излучает свет. Тогда светимость можно определить как световой поток, испускаемый с единицы площади:

 

(6)

В свою очередь яркостью называют силу света, испускаемого с единицы видимой поверхности в данном направлении:

(7)

Из формулы (7) следует, что яркость источника В может зависеть от угла a. Однако существуют источники света, для которых яркость не зависит от направления наблюдения, то есть В (a) = const. Такие источники подчиняются закону Ламберта:

 

(8)

 

и для них справедливо соотношение

 

(9)

 

Если свечение поверхности обусловлено освещением её внешним источником, то светимость связана с освещенностью соотношением:

 

(10)

 

где r - коэффициент рассеяния (отражения) света.

 

 

Описание установки

 

Фотометрический прибор состоит из камеры и разъемного корпуса прямоугольной формы. Внутри камеры вмонтирован селеновый фотоэлемент, провода которого выведены на торцевую часть прибора. Фотоэлемент закреплен в специальной оправе, которая может поворачиваться вокруг горизонтальной оси в пределах угла ¦ = 90⁰. Отсчет угла поворота осуществляется по угловой шкале, расположенной на лицевой стороне камеры. Селеновый фотоэлемент состоит из металлической подложки, на одной стороне которой нанесен слой селена толщиной около 0,1 мм. Сверху этот слой покрыт прозрачным электродом. Согласно первому закону фотоэффекта, сила фототока насыщения пропорциональна падающему потоку:

 

(11)

 

где γ - интегральная чувствительность фотоэлемента.

Селеновый фотоэлемент имеет спектральную характеристику чувствительности, близкую к кривой видимости человеческого глаза. Это позволяет использовать фотоэлемент для фотометрирования дневного света.

Внутри прямоугольного корпуса помещается осветитель с электролампочкой, который может перемещаться вдоль продольной оси прибора. Величина перемещения отсчитывается по линейке, закрепленной на лицевой стороне прибора. В набор также входят линзы в оправе, матовое стекло, набор диафрагм, исследуемая электрическая лампочка, реостат. Питание электролампочек осуществляется от выпрямителя типа ВС-24. Величина фототока измеряется с помощью универсального цифрового прибора типа 4323А.

 

Выполнение работы

 

1. Подключить микроамперметр к зажимам фотоэлемента. Установить предел измерений – 10 мкА.

 

2. Лампочку осветителя соединить последовательно с реостатом и выпрямителем.

 

3. Установить фотоэлемент перпендикулярно оси прибора (ручку – на нулевую отметку угловой шкалы).

 

 

Упражнение 1. Исследование зависимости освещенности

от расстояния до источника света.

1. Установить осветитель на десятом делении шкалы.

2. Для получения параллельного пучка света между источником и фотоэлементом установить линзу в оправе.

 

3. С помощью реостата подать на лампу такое напряжение, при котором микроамперметр покажет максимальное значение силы тока (i=10 мкА).

 

4. Снять отсчет i₁₀ по шкале микроамперметра.

 

5. Не меняя напряжения, установить лампу на 20 и 30 делениях шкалы и снять отсчеты i₂₀ и i₃₀.

 

6. Используя полученные данные, проверить справедливость закона обратных квадратов:

 

 

Упражнение 2. Исследование зависимости освещенности

От угла падения света.

 

1. Установить осветитель на десятом делении шкалы прибора.

 

2. Для получения параллельного пучка света между источником и фотоэлементом установить линзу в оправе.

 

3. С помощью реостата добиться максимального значения фототока (i=10 мкА) и снять отсчет i₀.

 

4. Не меняя напряжения на лампе и расстояние r, повернуть фотоэлемент на 30⁰ и 45⁰, и снять отсчеты i₃₀ и i₄₅. по шкале микроамперметра.

 

5. Используя полученные данные, проверить справедливость закона косинусов:

 

Упражнение 3. Исследование зависимости светового потока

от площади освещенной поверхности.

 

1. Убрать линзу и повернуть фотоэлемент перпендикулярно падающему свету (ручку на нулевую отметку угловой шкалы).

 

2. Установить осветитель на десятом делении шкалы.

3. С помощью реостата подать на лампу такое напряжение, при котором микроамперметр покажет максимальное значение силы тока (i=10 мкА).

 

4. Поместить между фотоэлементом и световым источником матовое стекло в оправе (при этом площадь открытой поверхности фотоэлемента равна 9 см²). Снять величину фототока i₉ по шкале микроамперметра.

 

5. Установить перед фотоэлементом последовательно диафрагмы с площадью 6 см² и 3 см² и снять соответственно показания микроамперметра i₆ и i₃.

 

6. Построить график функции i = f (S) и убедиться в линейной зависимости светового потока от площади поверхности при постоянной освещенности.

 

Контрольные вопросы

1. В чем разница между энергетическим и фотометрическими величинами?

2. Основные фотометрические величины и единицы их измерения.

3. Закон обратных квадратов. Закон косинусов.

4. Какие источники света называются ламбертовскими?