Лабораторная работа №8
Изучение распределения силы света вокруг источников.
Изучение распределения силы света вокруг источников.
Цель работы: провести экспериментальное исследование распределения силы света вокруг источника. Построить полярную диаграмму распределения силы света вокруг источника.
I. Распределение силы света вокруг источника. Роль матовых покрытий.
Все вопросы, связанные с определением световых величин, особенно просто решаются просто в том случае, когда источник излучает свет равномерно во всех направлениях. Таким источником является, например, раскалённый металлический шарик. Подобный шарик посылает свет во все стороны равномерно. Световой поток от него распределён равномерно по всем направлениям. Это означает, что действие такого источника на какой-либо приёмник света будет зависеть только от расстояния приёмника до центра светящегося шара, и не будет зависеть от направления радиуса, проведённого к приёмнику из центра шарика.
Во многих случаях свет излучается на расстоянии R, настолько превосходящее радиус r светящегося шарика, что размеры последнего можно не учитывать. Тогда можно считать, что излучение света происходит из одной точки-центра светящегося шара.
Излучение называется равномерным, если в одинаковые телесные углы, выделенные по любому направлению, излучается одинаковая мощность. Конечно, чем меньше телесные углы, в которых мы производим сравнение мощности, излучаемой источником, тем с большей точностью мы проверяем равномерность излучения.
Полный световой поток характеризует излучение, которое распространяется от источника по всем направлениям. Для практических же целей важнее знать не весь световой поток, а поток, который идёт по определённому направлению, или падает на определённую площадку.
Очевидно, что с помощью источника, посылающего определённый световой поток, мы можем осуществить весьма разнообразную силу света и весьма разнообразную освещённость. Действительно, если направить весь световой поток или большую его часть внутри малого телесного угла, то в направлении, выделенном этим углом, можно получить очень большую силу света. Так, например в прожекторах удаётся сосредоточить большую часть потока, посылаемого электрической дугой, в очень маленьком телесном угле и получить в соответствующем направлении огромную силу света. В меньшей степени той же цели достигают с помощью автомобильных фар.
Световой поток Ф равен произведению силы света I на величину телесного угла θ, в котором он распространяется Ф=Iθ.
Для характеристик свойств протяжённого источника света нужно знать силу света, рассчитанную на единицу видимой величины поверхности источника.
Эта световая величина называется яркостью источника. Яркость источника равна световому потоку, испускаемому с единицы видимой величины поверхности источника внутри единичного телесного угла.
Яркость протяжённого источника может быть различной в разных направлениях. Источники света с большей яркостью (свыше 16 сб) вызывают болезненное ощущение в глазу. Для того чтобы глаз не подвергался действию яркого света источников, применяют разные приспособления. Так, например, рассматривание раскалённой спирали лампы накаливания вредно для глаза. Если же колба сделана из матового или молочного стекла или покрыта арматурой в виде молочного, то излучаемый ею световой поток исходит с большей поверхности. Благодаря этому яркость падает, тогда, как величина светового потока практически не изменяется и, следовательно, освещённость, создаваемая лампой, так же остаётся неизменной.
Матовая поверхность – поверхность, неровности которые имеют размеры, близкие к длине световой волны или не слишком сильно превышающие её. Свет, падающий на матовую поверхность, вместо правильного отражения и преломления испытывает рассеяние во все стороны, причём в широком интервале углов (исключая углы, соответствующие правильному отражению или преломлению) приближенно выполняется закон Ламберта.
Отражательная способность матовой поверхности, её рассеивающая способность зависит от размеров и форм неровностей и оптических свойств вещества, имеющего матовую поверхность.
Для исследования распределения силы света вокруг лампы накаливания используется установка, с помощью которой выполняют фотометрическое измерение. Она состоит из оптической скамьи с укреплёнными на её концах двумя источниками света и фотометра, закреплённого на ползунке с указателем для отсчёта положения фотометра по шкале. Основные части фотометра: закрытая камера с двумя окошками, через которое поступает свет ламп, находящихся по обе стороны фотометра. Против отверстия имеется экран, обе стороны которого имеют матовые поверхности (меловая рассеивающая пластинка). Свет, падающий на экран, диффузно отражается и падает на зеркала: S1 и S2. Отразившись от этих зеркал, свет падает на кубик Люммера. Кубик Люммера состоит из двух призм, изготовленных из одинакового стекла. Первая призма представляет собой обычную призму полного внутреннего отражения (в сечении равнобедренный треугольник). У левой призмы тоже треугольник, гипотенузная грань которого заменена сферической поверхностью большого радиуса кривизны. Часть этой поверхности сошлифована на плоскость, этой плоскостью левая призма приближается к правой так, чтобы получился оптический контакт.
Если фотометр будет освещаться одновременно правой и левой лампами, то на экране мы увидим (глядя в трубу) два граничащих световых поля сравнения. При произвольном положении фотометра между лампами, яркость полей сравнения будет различной. Передвигая фотометр между различными источниками света, можно добиться равенства яркости полей сравнения, граница между ними исчезает, получается световое или фотометрическое равенство освещённостей правой и левой ламп.
Кубик Люммера-Бродхуна – фотометрическое устройство, служит для получения двух смежных полей, освещаемых различными световыми пучками, интенсивности которых подлежат сравнению.
Ход лучей в кубике Люммера-Бродхуна (рис.1) световой пучок входящий в кубик Люммера-Бродхуна через грань (аб), проходит через грань (ез) только на участке (вг), где имеет место оптический контакт приз, образующих кубик Люммера-Бродхуна; на сошлифованой части грани (вд и гб) светсвет рассеивается и не попадает на вторую призму. Часть второго светового пучка, входящего в кубик Люммера-Бродхуна через грань (зж), попадая на кольцеобразный участок (ве и гэ) грани (ез), испытывает полное внутреннее отражение и выходит через ту же грань (еж), что и первый пучок. Другая часть этого светового пучка, попадающего на центральный участок грани, где имеет место оптический контакт, беспрепятственно проходит прямо. Аккомодируя глаз на границу раздела призм, наблюдатель, смотрящий через грань (еж), увидит два смежных поля, освещённых различными световыми потоками. Кубик Люммера-Бродхуна применяется в ряде конструкций фотометров. Фотометры – это приборы для измерения лучистой мощности. Фотометрия – раздел физической оптики, охватывающий теорию и приёмы измерений, выполняемой для энергетической характеристики процессов излучения, распространения, поглощения и рассеивания света. Один из основных законов фотометрии закон обратной пропорциональности между освещённостью и квадратом расстояния до источника.
В данной работе одна из ламп, укреплённая неподвижно служит эталоном, сила света её равна 43 свечи при напряжении 220 вольт. Другая лампа, укреплённая на штативе, имеет неизвестную силу света. Обозначим известную силу света J1, а неизвестную силу света J2.
Схема фотометрической скамьи (рис. 2), где
1 и 2 – сравнимые источники света,
3 - фотометрическая головка,
r1 - расстояние от эталонной лампы до фотометра,
r2 - расстояние от испытуемой лампы до фотометра.
Задача определения будет решена, если найти два расстояния r1 и r2, на которых эталонный и испытуемый источники создают одинаковые освещённости (Е=Е). Установить равенство освещённость можно с помощью глаза.
В этом случае из соотношения, 
зная три из входящих сюда величин, можно найти четвёртую: 
II. Поворотная система. (рис. 3)
Основной частью поворотной системы является держатель с лимбом. В этом держателе закреплён держатель источника света. Лимб (1) плоское металлическое кольцо, разделённое штрихами на градусы, служащие для отсчёта углов. Цена деления лимба 10. К лимбу в перпендикулярной плоскости жёстко крепится металлическая пластинка (2) с отверстием для патрона лампы (3). Лимб и, укреплённая на металлической пластинке, лампа совершает поворот вокруг своей оси. Такая установка позволяет определить с помощью лимба угол поворота лампа (4). Держатель с лимбом (5) устанавливается на подвижной каретке фотометрической скамьи, вверх и вниз источник света перемещается выдвижной трубой (6) каретки.
III. Выполнение работы.
Устанавливаем исследуемую лампу так, чтобы стрелка указателя совпала с нулём. И перемещая фотометр вдоль скамьи, добиваемся одинаковой освещённости обеих частей фотометрического поля. Отсчитывается положение фотометра по шкале на скамье, и находим расстояние r1 и r2.
По формуле находим силу света исследуемого источника в данном направлении.
I1=43 кд,
r1- расстояние от эталонной лампы до фотометра,
r2- расстояние от испытуемой лампы до фотометра.
Поворачиваем исследуемую лампу на 00, 200, 400, 600, …, до 3400
Вычерчиваем в полярных координатах кривую распределения силы света исследуемых источников.
Задание 1. Исследовать распределение силы света источника, не имеющего матового покрытия.
Задание 2. Начертить полярную диаграмму распределения силы света.
Для вычерчивания полярной диаграммы необходимо из выбранного центра провести лучи, углы между которыми равны углам поворотов источника света (в нашем случае угол равен 200). Затем на луче откладывается в выбранном масштабе значение силы света, соответствующего направления. Найденные таким способом точки соединяют плавной кривой.
| Угол поворота φ | r1 (см) | r2 (см) | r12 (см2) | r22 (см2) | I1 (кд) | I2 (кд) |
| 200 | ||||||
| 400 | ||||||
| 600 | ||||||
| 800 | ||||||
| 1000 | ||||||
| 1200 | ||||||
| 1400 | ||||||
| 1600 | ||||||
| 1800 | ||||||
| 2000 | ||||||
| 2200 | ||||||
| 2400 | ||||||
| 2600 | ||||||
| 2800 | ||||||
| 3000 | ||||||
| 3200 | ||||||
| 3400 | ||||||
| 3600 |
Ход лучей в кубике Люммера-Бродхуна.
Рис. 1