Лабораторная работа №9
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СВЕТОВОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАМПЫ
НАКАЛИВАНИЯ
Цель работы: Освоить методику определения световых характеристик ламп накаливания (силы света, светового потока, световой отдачи, светового К.П.Д.и их зависимости от потребляемой мощности).
Оборудование: Оптическая скамья со шкалой, рейтеры, люксметр, ваттметр, РНШ, исследуемая лампа накаливания.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Поток электромагнитного излучения, оцениваемый по зрительному ощущению, называется световым потоком.
Электромагнитное излучение длиной от 400 нм до 800 нм называют обычным светом, так как излучение только этих длин волн вызывает у человека ощущение света.
Но и в этих пределах одинаковая мощность излучения вызывает неодинаковое по интенсивности зрительное ощущение, то есть чувствительность глаза человека к различным длинам волн видимого спектра различна. Об этой чувствительности можно судить по кривой видности (рис.1 ), которая построена для так называемого среднего, нормального глаза. Эта кривая характеризует зависимость от длины волны величины 
, обратной значению потока, вызывающего ощущение одинаковой яркости. Вид кривой до некоторой степени зависит от величины освещенности. Для яркого света она имеет максимум при 
около 550 нм (рис. 1.I). С уменьшением освещенности кривая сохраняет свою форму, но максимум смещается в сторону синего конца спектра, при очень слабом свете максимум лежит при 
, близком к 507 нм (рис. 1.II). Это явление называется эффектом Пуркинье.
Из кривой видности (рис. 1.I) видно, что для яркого света глазнаиболее чувствителен к излучению =555 нм. Условно принято, что все излучение этой длины волны воспринимается глазом в виде света, то есть коэффициент видности равен
|
|
555=1.
Тогда для всех других длин волн коэффициент видности показывает, какая часть электромагнитного — излучения одинаковой мощности воспринимается глазом в виде света.
Рис. 1.
Условно считается, что мощность излучения длиной волны 555 нм и величины 16*10-4 Вт вызывает ощущение светового потока в 1 лм, или каждый ватт мощности электромагнитного излучения длиной волны 555 нм воспринимается как световой поток в 620 лм.
Для других длин волн коэффициент видности меньше единицы. Это надо понимать так: чтобы излучение длиной волны вызвало ощущение светового потока в 1 лм, мощность его должна быть равна 16*10-4 / 
Вт, или каждый ватт мощности такого излучения воспринимается как световой поток 
* 620 лм.
Если бы излучение какого-либо источника было целиком сосредоточено на участке видимого спектра с =555 нм, то коэффициент полезного действия этого излучения (энергетический КПД.) был бы равен 1 (η=100%). При этом световая отдача излучения, то есть число люменов светового потока, приходящиеся на каждый ватт мощности излучения, имела бы максимальное значение, равное 620 лм/Вт. Для всякой другой длины волны видимого спектра КПД излучения равен, как нетрудно догадаться, коэффициенту видности . Если излучение источника немонохроматично, то К.П. Д. излучения равен:
где ε() - мощность излучения в интервале длин волн от до + d 
; - коэффициент видности для излучения длиной волны .
Нетрудно видеть, что световая отдача при этом равняется η * 620 лм. Световую отдачу излучения не следует смешивать со световой отдачей источника, равной числу люменов светового потока, получающегося на каждый ватт мощности, затраченной для получения излучения. Так как во всех практических источниках света происходят потери энергии, то световая отдача излучения всегда меньше световой отдачи источника. Световым коэффициентом полезного действия называют отношение его светоотдачи к максимальной величине 620 лм/Вт. Световой К.П.Д. обычно не равен энергетическому КПД. источника, но растет с увеличением энергетического КПД.
|
|
Назначение искусственных источников света заключается в превращении подводимой энергии в видимое излучение. Техническая проблема состоит в том, чтобы это превращение осуществить с наибольшим К.П.Д., то есть, возможно большую часть затраченной мощности превратить в видимое излучение. Вычисления и опыт показывают, что для всякого температурного источника света (например, для ламп накаливания) с возрастанием температуры очень быстро повышается как яркость источника, так и световая отдача (К.П.Д.). Чаще всего для искусственного освещения применяются лампы накаливания. Основными параметрами их являются: напряжение, мощность, световой поток, световая отдача и средний срок службы.
На штампе лампы указываются: напряжение сети, мощность в ваттах, месяц и год изготовления.
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
Рис. 2.
На рис. 2 изображена схема экспериментальной установки. Она состоит из оптической скамьи со шкалой - 1, рейтера - 2, на котором укрепляется исследуемая лампа - 3, рейтера - 4 с укрепленным в нем фотоэлементом - 5, люксметра - 6. Через РНШ и ваттметр W на лампу подается напряжение. Свет от лампы попадает на фотоэлемент люксметра и вызывает в цепи люксметра фототок. Величина фототока регистрируется измерителем тока. Так как между освещенностью фотоэлемента и величиной фототока существует однозначная зависимость, то шкала измерителя тока проградуирована в люксах (отсюда и название прибора - люксметр). С помощью РНШ можно менять напряжение на лампе, а тем самым и мощность, потребляемую ею. Эта мощность измеряется ваттметром.
|
|
Методика измерений состоит в следующем: на определенном расстоянии r от лампы устанавливается фотоэлемент люксметра. Расстояние r выбирают таким, чтобы лампу можно было считать точечным источником света, т.е. г должно быть не менее чем в 10 раз больше линейных размеров источника. Подав на лампу вполне определенное напряжение U, измеряют мощность Р, потребляемую лампой и освещенность Е фотоэлемента, затем находят силу свега I по формуле:
Е=(I*соsα)/r2(1)
α берут равным 0, что достигается установкой нити лампы и центра фотоэлемента на одном горизонтальном уровне. Принимается найденная сила света лампы Iсредней силой света. Тогда световой поток, излучаемый лампой, будет равен:
(2)
Световая отдача:
(3)
Световой коэффициент полезного действия:
(4)
ПОРЯДОК ВЫПОЛ НГНИЯ РУБОТЫ
1. Укрепить в рейтерах исследуемую лампу и фотоэлемент люксметра
2. Отрегулировать положение лампы и фотоэлемента так, чтобы нить накала и центр фотоэлемента находились на одном горизонтальном уровне
3. Собрать электрическую схему (рис.3).
Рис.3
4. Подать на лампу напряжение 220В отрегулировать расстояние между фотоэлементом и лампой так, чтобы источник света можно было принять за точечный.
5.Меняя напряжение на лампе от 220 В до 0 В,измерить мощность Р,
потребляемую лампой и освещенность фотоэлемента. Снять не менее 7 точек.
6. Тоже, что и в п.5, но при увеличения напряжения от 0 В до 220 В.
7. По формулам (1)-(4) рассчитать силу света лампы, световой поток, световую отдачу и световой коэффициент полезного действия лампы при различных напряжениях к лампе
8. Построить графики зависимости светового потока и светового К.П.Д лампы от мощности, потребляемой лампой.
9. Данные всех измерений и вычислений обобщить, занести в таблицу и сделать выводы.
| R | U | Еум | Еув | Еср | I | Ф | Р | γ | η |
| м | В | лк | лк | лк | кд | лм | Вт | лк/Вт | % |
| 1180,64 | 90,00 | 13,12 | 2,116 | ||||||
| 854,08 | 74,00 | 11,54 | 1,862 | ||||||
| 590,32 | 60,00 | 9,84 | 1,587 | ||||||
| 23,5 | 23,5 | 295,16 | 42,00 | 7,03 | 1,133 | ||||
| 150,72 | 30,00 | 5,02 | 0,810 | ||||||
| 87,92 | 20,00 | 4,40 | 0,709 | ||||||
| 75,36 | 13,00 | 5,80 | 0,935 | ||||||
| 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,000 |
Вывод: В ходе данной лабораторной работы мы изучили основные характеристики лампы накаливания (силу света, световой поток, световую отдачу, световой К.П.Д.и их зависимости от потребляемой мощности). Так же нами была освоена методика определения характеристик лампы при помощи приборов.
(Захарчук Борис, Оспищев Владислав. 32 группа, ФМФ)
Лабораторная работа №7
Определение главного фокусного расстояния оптических систем
Цель работы: 1. Освоить методику определения фокусных расстояний оптических систем. 2. Определить главные фокусные расстояния собирающих и рассеивающих линз.
Приборы и принадлежности: Оптическая скамья со шкалой, рейторы, осветитель, экран, стеклянная пластинка с рисунком (предмет), две собирающие и одна рассеивающая линза, обойма для закрепления линз, РНШ, штангенциркуль.
Краткая теория
Главное фокусное расстояние линзы можно определить по формуле:
(1)
где d - расстояние от предмета АЕ на экране до оптического центра О линзы a (рис.1), f - расстояние от оптического центра О линзы до резкого изображения этого предмета АЕ на экране.
Однако, величины d и f непосредственно нельзя определить точно в силу того, что, в общем случае, оптический центр линзы α не совпадает с центром симметрии, и найти его положение трудно.
Из формулы (1) видно, что величины d и f можно менять местами, причем эта формула не изменит свой вид. Практически это означает, что если на место резкого изображения А'Е' установить сам предмет АЕ, то его изображение получится в том же месте, где раньше стоял сам предмет АЕ. Или если, получив, например, резкое обратное и увеличенное изображение предмета АЕ на экране, измерить d и f, а затем, не трогая предмет и экран, передвинуть линзу α в новое положение так, чтобы на экране получилось резкое обратное уменьшенное изображение предмета, то окажется, что f1 равняется d, а d1 равняется f (рис. 1).
Рис.1
При этом оптический центр линзы сместится на величину а. Величину же «a» можно измерять перемещением любой точки линзы, так как во время ее перемещения положение оптического центра линзы не изменяется. Последнее обстоятельство позволяет преодолеть указанную выше трудность относительно точного определения положения оптического центра линзы α. Этом случае измерение перемещения оптического центра линзы α заменяется измерением перемещения какого-нибудь указателя на рейторе линзы.
Из рис. 1 видно, что B=f+d, a=f-d. Складывая и вычитая эти выражения, получим:
Принимая во внимание формулу (1), имеем:
(2)
где В - расстояние между предметом и экраном, а — расстояние между двумя положениями линзы, при которых на экране получается резкое увеличенное и резкое уменьшенное изображения предмета.
Описание экспериментальной установки и методика измерений
Экспериментальная установка (рис. 2) состоит из оптической скамьи со шкалой 1, осветителя 2, предмета 3, линзы 4 и экрана 5. Предмет, линза и экран закреплены в рейтерах, которые могут перемешаться вдоль оптической скамьи.
Рис.2
В данной установке использован осветитель универсального проекционного аппарата (рис.3). Он состоит из корпуса 1 с колодкой, в которой имеются гнезда для установки и быстрой смены электрических ламп (источников света). К колодке присоединен шнур 2 для подводки электрического тока. На корпусе установлен выключатель 3. Конденсор 4 осветителя разборный, двухлинзовый, укреплен на стойке и рейторе 5, благодаря чему конденсор может перемещаться вдоль скамьи осветителя. Скамья 6 осветителя выполнена из двух направляющих трубок и выдвижных стержней, позволяющих изменять ее длину.
Рис.3
Подготовку экспериментальной установки к работе следует начинать с установки источника света. Для этого открывают корпус осветителя, вставляют в гнезда колодки лампу и, пользуясь регулировочными винтами и стержнем, на котором закреплена колодка с лампой, располагают ее так, чтобы нить накала была параллельна плоскости линзы конденсора и находилась на главной оптической оси конденсора. Затем, перемещая конденсор вдоль скамьи осветителя, укрепляют его в таком положении, чтобы круг на экране, получаемый с помощью линзы 4 (рис.2), был равномерно освещен по всей поверхности.
Равномерная освещенность круга свидетельствует о правильной установке лампы. Затем закрепляют в рейторе предмет и располагают его на некотором расстоянии В от экрана. Линзу 4 устанавливают так, чтобы на экране получилось резкое увеличенное изображение предмета. Отмечают положение l1 линзы. Затем, не меняя В, перемещают линзу 4 до тех пор, пока на экране не получится резкое уменьшенное изображение предмета. Отмечают новое положение линзы 4 l2.
Расстояние между двумя найденными положениями будет: 
. По формуле (2) определяют фокусное расстояние линзы или системы линз.