Световые и энергетические единицы

Некоторые количественные данные о природных источниках света и нормах освещенности.

Эмпирическим путем были установлены следующие значения:

Таблица 2

Освещенность поверхности Земли

от природных источников света

Таблица3

Нормальная освещенность (в люксах)

Приемники излучения.

Приемники излучений принято делить на нейтральные и селективные. Нейтральные приемники разделяют на:

1. Термоэлементы.

2. Болометры.

В термоэлементах используется явление, состоящее в том, что при нагреве одного из двух спаев двух разнородных металлических проводников, составляющих замкнутый контур, в этом контуре появляется электродвижущая сила (термо-ЭДС) и возникает электрический ток.

Болометром называется прибор, предназначенный для измерения потока излучения, поглощение которого изменяет сопротивление его нейтрального приемника.

Из физических явлений, используемых в основных типах селективных приемников, следует отметить:

1. Внешний фотоэффект (вакуумные фотоэлементы).

2. Фотоэффект с запирающим слоем (кремниевые, селеновые фотоэлементы).

3. Внутренний фотоэффект (фоторезистор). Чаще всего их применяют в экспонометрах для фотоаппаратов. Для их работы необходим источник питания, что ограничивает область их применения.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Для измерения освещенности используются люксметры. Люксметр представляет собой микроамперметр, подключенный к фотоэлементу (как правило, селеновому). Шкала прибора проградуирована в единицах измерения освещённости и предоставляет возможность измерений в разных диапазонах освещённостей. Для создания равномерности освещённости активной поверхности прибора свет от исследуемого объекта проходит через матовое (молочное) рассеивающее свет стекло.

Измерение освещенности с помощью люксметра.

Устройство прибора.

Для контроля и измерения освещенности в лабораторной работе применяется фотоэлектрический люксметр. Он состоит из селенового фотоэлемента, закрепеленного на рейтере оптической скамьи, который может свободно перемещаться по ней, и микроамперметра, закрепленного на панели стенда, шкала которого проградуирована непосредственно в люксах. Электрическая схема прибора приведена на рисунке 10.4.

На рис 10.4. обозначены:

1 – фотоэлемент;

2 – переменное сопротивление, позволяющее переключать диапазоны измерений;

3 – амперметр (сила тока пропорциональна интенсивности светового потока).

При измерении фотоэлемент люксметра помещается на то место, где должна быть измерена освещенность, и ориентируется так, чтобы его светочувствительная поверхность была параллельна контролируемой поверхности. Показание амперметра дает искомую освещенность. Микроамперметр имеет три шкалы, используемые при измерении разных освещенностей. Выведенный наружу переключатель пределов измерений, входящий в электрическую цепь люксметра, указывает, какая из шкал используется. В используемом в работе люксметре имеется три шкалы с максимальным значением освещенности 1, 10 и 100 Люкс.

В начале оптической скамьи на отметке «0» находится лампа накаливания, источник света с регулируемым на ней напряжением от 5 до 8 вольт. Мощность лампы 21 Ватт при напряжении 12 Вольт.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Подготовка и проверка прибора.

1. Включить тумблер «сеть» на вертикальной панели.

2. Включить кнопку «сеть» на панели микроамперметра Ф-195.

3. Ручку переключателя диапазонов измерения люксметра установить в позицию «1Lx».

4. Включить тумблер «фотоэлемент» и снять с фотоэлемента на скамье колпак.

5. Измерить «нулевой» уровень освещенности в аудитории. Показания снимать по верхней шкале микроамперметра. Ручку переключения диапазонов измерения микроамперметра не переключать, она должна быть установлена на . Если величина «нулевой» освещенности превышает 0,5 Лк, то ее необходимо учитывать при дальнейших измерениях, вычитая из текущих показаний люксметра.

6. Переключить диапазон измерения люксметра на «100 Lx»

7. Включить тумблер «лампа».

8. Ручкой «напряжение на лампе» установить на вольтметре 8 вольт.

Упражнение 1.

Измерение освещенности поверхности. Проверка справедливости закона Ламберта.

1. Расположите источник света, укрепленный на рейтере, на расстояние R от фотоэлемента. Показания люксметра запишите в таблицу 4. Если освещенность слишком велика (мала) измените положение переключателя диапазонов. Проведите 5 измерений на одном и том же расстоянии R от источника света до исследуемой поверхности. Данные занесите в таблицу 4.

2. Аналогичные измерения проведите для пяти различных расстояний, записывая результаты в таблицу 4.

3. Рассчитайте средние значения освещенности поверхности < E > для разных расстояний R; данные внесите в таблицу 4.

Таблица 4

Данные по освещенности поверхности для разных расстояний до источника света.

4. По данным таблицы 4 заполните таблицу 5.

Таблица 5

Зависимость освещенности поверхности от расстояния от источника до поверхности.

5. По результатам измерений постройте график зависимости средней освещенности поверхности < Е > от расстояния до неё от источника R (график строится в логарифмических координатах: ось абсцисс – ln R, ось ординат – ln< Е >.

6. Логарифмируя (10.12) получим:

. (10.15)

Таким образом, закон Ламберта в логарифмическом виде (при освещении источником с постоянной интенсивностью I) свелся к зависимости:

, (10.16)

где ;

;

;

.

Для проверки закона Ламберта необходимо выяснить значения коэффициента А, который можно определить как тангенс угла наклона графика к оси :

, (10.17)

где i =2 … 5. Данные для расчета берутся из таблицы 5.

7. Рассчитайте значения коэффициента А_i по формуле (10.17), получите среднее значение коэффициента < A >. По полученному значению коэффициента A сделайте вывод о справедливости закона Ламберта (10.12).

Упражнение 2.

Измерение освещенности от лампы переменной мощности излучения.

1. Установить рейтер фотоэлемента на отметке 25 см на оптической скамье.

2. Установите предел измерения освещенности «10Lx».

3.Устновите напряжение на лампе 8 В.

4.Измерьте освещенность с помощью люксметра. Данные занесите в таблицу 6.

5.Затем, понижая напряжение на лампе на 0,5В, измерьте значения освещенности и занесите в таблицу 6. Рассчитайте мощность лампы при каждом значении напряжения, исходя из того, что при напряжении 12В ее мощность составляет 21 Вт. Для этого необходимо найти сопротивление лампы по формуле:

, а затем находить мощность для каждого значения напряжения.

6. Нарисуйте график зависимости средней освещённости поверхности < Е > от мощности осветительного прибора Р.

Таблица 6

Освещённости поверхности от

источника света переменной мощности излучения (Е, лк)

7. Меняя расстояние R от источника света до освещаемой поверхности, добейтесь того, чтобы освещенности поверхности стали одинаковыми при разной мощности излучения лампы. Данные занесите в таблицу 7. Измерения проведите по 3 раза для каждой мощности лампы.

Таблица 7

Сводная таблица данных о расстояниях равной

освещённости для источника света переменной мощности

8. Нарисуйте график зависимости расстояния равной средней освещённости < E > от мощности осветительного прибора Р.

Порядок выключения установки.

1.Выключить фотоэлемент. Одеть колпак на фотоэлемент.

2.Выключить лампу.

3.Нажать кнопку «сеть» на микроамперметре Ф-195.

4.Отключить тумблер «сеть» на панели стенда.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что изучает фотометрия?

2. Каков физический смысл понятия "сила света"?

3. Что называется "яркостью"?

4. Что такое "световой поток"?

5. Дайте определение освещенности.

6. Назовите единицы измерения основных фотометрических величин.

7. Что такое функция видности?

8.Дайте определение светимости.

9. Чем отличается светимость от освещенности?

10.Что такое яркостный контраст?

11.Что представляет собой люксметр?

12.Каков порядок выполнения работы?

13.Как выглядит график зависимости освещенности поверхности от расстояния от источника до освещаемой поверхности?

14.К какой области видимого спектра человеческий глаз наиболее чувствителен?

15.Что такое ламбертовы источники света?

16.Что является, строго говоря, ламбертовым источником?

17. Какие поверхности служат более или менее хорошими подобиями ламбертова источника?

18.Какие энергетические единицы соответствуют основным световым?

19.Объясните, почему светимость и освещенность имеют одинаковые энергетические единицы измерения, но разные световые?

20.Какова нормальная освещенность жилых помещений при различных требованиях?

21.Какие типы приемников излучения вы знаете?

22.Приведите пример нейтральных приемников излучения.

23.Какое явление лежит в основе работы термоэлемента?

24.Для чего служат болометры?

25.Какие физические явления используются в основных типах селективных приемников?

26.Во сколько раз отличается освещенность Земли Солнцем летом и зимой?

27.Как отличается освещенность земной поверхности полной луной ночью и при безоблачном ночном небе (без луны)?

28.Сформулируйте основной закон фотометрии (закон Ламберта).

29.Нарисуйте принципиальную схему люксметра и объясните принцип его работы?

30.Какова абсолютная и относительная погрешности измерения освещенности в вашей работе?