Изучение элементов фотометрии

Фотометрия – раздел оптики, занимающийся вопросами измерения интенсивности света и его источников. В фотометрии используют два вида величин, характеризующих оптическое излучение: энергетические и световые.

Энергетические фотометрические величины определяют временное, пространственное, спектральное распределение энергии оптического излучения, количественно выражаемые в единицах энергии или мощности или в производных от них. Чтобы измерить энергетические величины необходим универсальный приемник, например, термоэлемент, действие которого основано на превращении всей поглощенной световой энергии в тепловую. Однако, гораздо чаще в качестве приемников излучения используют устройства, реакция которых зависит не только от энергии, приносимой светом, но также и от его спектрального состава. Такими весьма распространенными селективными приемниками являются фотопленка, фотоэлемент и особенно человеческий глаз, играющий исключительно важную роль и при повседневном восприятии света, и как приемник излучения во многих оптических приборах. Чувствительность глаза к свету различной длины волны можно охарактеризовать кривой относительной спектральной чувствительности (кривой видности), приведенной в приложении к данному учебному пособию (сплошная кривая относится к дневному зрению, пунктирная – к сумеречному). Как и глаз, другие приемники излучения характеризуются своей кривой чувствительности к свету различных длин волн. Поэтому световые измерения, являясь субъективными, отличаются от объективных, энергетических и для них вводятся световые единицы, используемые только для видимого света.

Для обозначения фотометрических величин разных видов ГОСТ 26148 – 84 (Фотометрия. Термины и определения) устанавливает подстрочные индексы е для энергетических и v для световых величин. Допускается не использовать эти индексы в обозначениях величин, когда исключена возможность их неоднозначного толкования. Поскольку ниже речь будет идти только о световых величинах индексы v не используются.

Основной световой величиной является сила света. Сила света I - величина, равная отношению светового потока к величине телесного угла, в котором распространяется световой поток:

,

где I - сила света; Ф - световой поток; - телесный угол.

За единицу силы света Iв международной системе СИ принимается- кандела (кд) (лат. “kandela” – свеча).

Первоначально за канделу принималась сила света стеариновой или парафиновой свечи определенной массы. В 1979 г. на Генеральной конференции по мерам и весам принято определение канделы, однозначно связывающее световые единицы с энергетическими. Способ построения эталона канделы каждая страна выбирает самостоятельно. Таким образом размерность и единица силы света, как и всех основных величин СИ установлены произвольно: , .

Световой поток Ф, испускаемый изотропным точечным источником света в пределах телесного угла , в вершине которого находится источник, определяется формулой

, (1)

телесный угол можно определить по формуле

, (2)

где - угол между осью конуса и его образующей. Размерность и единица светового потока:

; (кандела – стерадиан).

Эта единица, называемая люменом (лм), равна световому потоку, испускаемому точечным источником силой света в 1 кд внутри телесного угла в 1 ср при равномерном поле излучения.

Освещенность Е – величина, равная отношению светового потока, падающего на поверхность к ее площади:

. (3)

Размерность и единица освещенности:

, .

Эта единица освещенности называется люкс (лк): 1 лк – освещен-ность поверхности, на 1 которой падает световой поток 1 лм. Освещенность, создаваемая изотропным точечным иcтчником света, подчиняется закону «обратных квадратов»:

(4)

где - расстояние от поверхности до источника света; - угол падения лучей.

Яркость светящейся или отражающей поверхности – величина, равная отношению силы света к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную этому направлению:

, (5)

где I сила света в направлении наблюдения; - площадь проекции светящейся поверхности.

Размерность и единица яркости: , .

Кандела на квадратный метр (ранее эта единица называлась нит) равна яркости светящейся поверхности площадью 1 при силе света 1 кд. Яркость – чрезвычайно важная величина, так как именно на яркость непосредственно реагирует глаз. Источники большой яркости (свыше ) вызывают болезненное ощущение в глазу, поэтому при работе с ними используют различные приспособления, например темные защитные очки. Источники, яркость которых одинакова по всем направлениям , называются ламбертовскими (подчиняющимися закону Ламберта) или косинусными – поток, посылаемый элементом такого источника, пропорционален .

Светимость светящейся или отражающей поверхности – это величина, равная отношению светового потока к площади светящейся или отражающей поверхности:

, (6)

где Ф – световой поток, испускаемый поверхностью, - площадь этой поверхности. Размерность и единица светимости:

, .

Люмен на квадратный метр равен светимости поверхности площадью 1 , испускающей световой поток 1 лм.

Светимость и яркость ламбертовского источника связаны простым соотношением

. (7)

Удельная мощность источника света равна отношению потребляемой электрической мощности к силе света источника света:

. (8)

Единица удельной мощности:

.

Световая отдача источника света равна отношению светового потока к потребляемой электрической мощности:

. (9)

Единица световой отдачи:

.

4. ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

1. Люксметр Ю116.

2. Лампы накаливания с различными световыми характеристиками.

3. Мерная линейка или рулетка.

4. Установка для изучения элементов фотометрии.

5. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Рисунок 1

Схема установки для изучения законов фотометрии представлена на рисунке 1. Установка состоит из основания 1, мерной шкалы 2, лампы накаливания 3, ввернутой в патрон 4, люксметра Ю116 или Ю117, состоящий из фотоэлемента 5 и отсчетного прибора 6, отградуированного в единицах освещенности люксах (лк).

Работа с люксметром

Основным измерительным прибором, используемым в лабораторной работе, является фотоэлектрический люксметр Ю116, который предназначен для измерения освещенности, создаваемой лампами накаливания и естественным светом. Он состоит из измерителя (6), проградуированного в люксах, и селенового фотоэлемента (5) в отдельном корпусе. Фотоэлемент подключается к измерителю проводом со штепсельным разъемом. Для изменения диапазонов измеряемых значений освещенности предназначен комплект насадок, надеваемых на фотоэлемент.

До начала производства измерений внимательно ознакомьтесь с техническим описанием и инструкцией по эксплуатации и применению люксметра. Неправильные, ошибочные действия могут вывести прибор из строя.

6. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Упражнение 1. Определение освещенности, создаваемой лампами накаливания различной мощности и конструкции. Сопоставление результатов экспериментальных исследований

1. Вкрутите лампу накаливания (3) в патрон (4), установите фотоэлемент люксметра на расстоянии 0,5 м от лампы накаливания, включите лампу накаливания в сеть 220 В и определите освещенность, создаваемую лампой, в месте расположения фотоэлемента.

2. Определите освещенность на расстояниях 1; 1,5; 2; 2,5 м от лампы. Результаты измерений запишите в таблицу 1.

3. Повторите пункт 2 для ламп накаливания 40, 60 Вт с обычным и 60 Вт с молочным стеклом лампы (NARVA). Результаты измерения запишите в таблицу 1.

4. Сделайте краткие выводы по упражнению 1.

Таблица 1

№	, Вт	Расстояние, , м	,кд	,лм
0,5	1.0	1.5	2.0	2.5
	NARVA

Упражнение 2. Проверка законов обратных квадратов. Расчет удель-ной мощности и световой отдачи.

Проверка законов обратных квадратов основана на анализе соотношения (4). Если , то . Отсюда

. (10)

Из уравнения (10) следует, что зависит от по линейному закону. Видно, что прямая линия, соответствующая зависимости (10), должна проходить через начало координат, а котангенс угла наклона этой линии пропорционален силе света исследуемой лампочки. На этом основана проверка законов обратных квадратов и определение силы света лампочки.

Порядок выполнения упражнения 2

1. В соответствии с экспериментальными данными, представленными в таблице1, постройте график зависимости , откладывая по вертикальной оси величину обратную освещенности , а по горизонтальной оси – квадрат расстояния от лампы до фотоэлемента люксметра . График должен представлять собой прямую линию, проходящую через начало координат. Прямую по точкам проводите, применяя метод наименьших квадратов. Если экспериментальная зависимость не совпадает с прямой, то соотношение (4) не выполняется.

2. Рассчитайте силу света исследуемой лампы по котангенсу угла наклона проведенной прямой . Результаты расчета запишите в таблицу 1.

3. Рассчитайте полный световой поток создаваемый лампой по формуле:

.

Результаты расчета запишите в таблицу 1.

4. Сделайте краткие выводы по упражнению 2.

Таблица 2

Электрич. мощность,   , Вт	Удельная мощность, , Вт/кн	Световая отдача, , лм/Вт	Светимость , лм/м2 ( )	Яркость, , кн/м2 ( )	Диаметр лампы, , м
NARVA

Упражнение 3. Определение удельной мощности, световой отдачи источников света, расчет светимости и яркости неточечных источников света

1. Рассчитайте по формулам (8) и (9) удельную мощность и световую отдачу ламп различной мощности. Результаты расчета занесите в таблицу 2.

2. Рассчитайте по формулам (5) и (6) светимость М и яркость L лампы с молочным стеклом. При расчетах считать (площадь круга), (площадь сферы), где d - диаметр колбы молочной лампы накаливания. Результаты расчета запишите в таблицу 2.

3. Сделайте краткие выводы по упражнению 3.