Практическое занятие по теме "Фотометрия"

Практическое занятие по теме:

Фотометрия

Цель: знать основные величины фотометрии, их расчетные формулы, единицы измерений;

уметь решать задачи на определение освещенности, светового потока, силы света, анализировать полученный результат и делать выводы.

Теоретическая часть

Основные понятия фотометрии

Раздел оптики, в котором рассматриваются методы измерения световой энергии, называется фотометрией.

Виды фотометрических измерений. Основные виды фотометрических измерений таковы: 1) сравнение силы света источников; 2) измерение полного потока от источника света; 3) измерение освещенности в заданной плоскости; 4) измерение яркости в заданном направлении; 5) измерение доли света, пропускаемой частично прозрачными объектами; 6) измерение доли света, отражаемой объектами.

Световые величины.

Величину энергии W, излучаемой телом за единицу времени t, называют мощностью излучения: .

Энергию, переносимую световой волной через площадку за единицу времени, называют потоком энергии через эту площадку.

Световым потоком Ф называют проходящую через данную поверхность S в единицу времени t световую энергию, оцениваемую по зрительному ощущению .

Представим себе точечный источник света и опишем вокруг него радиусом r шаровую поверхность. Вообразим внутри этого шара конус, вершина которого находится в центре шара. Такой конус вырезает на поверхности шара некоторую часть шаровой поверхности Q.

Пространство, ограниченное конической поверхностью, называется телесным углом.

Телесный угол Ω измеряется отношением .

Если Q = r², то телесный угол равен единице и называется стерадианом (ср).

Величина шаровой поверхности равна , телесный угол вокруг точки равен 4p×ср.

Силой света I источника называют отношение светового потока Ф к значению Ω телесного угла, в котором этот световой поток создан источником:

,

где Ф – световой поток; Ω – величина телесного угла.

Для точечного источника полный телесный угол равен 4p×ср, поэтому

.

В Международной системе единиц (СИ) основной физической единицей является единица силы света, называемая канделой (кд).

За единицу светового потока в СИ принят люмен (лм). Люмен равен световому потоку, испускаемому точечным источником в телесном угле 1 ср при силе света 1 кд:

1 лм = 1 кд ^. 1 ср.

Освещенностью E называют отношение светового потока Ф к площади S поверхности, на которую падает этот световой поток:

.

За единицу освещенности принят люкс (лк). Люкс равен освещенности поверхности площадью 1м² при световом потоке падающего на него излучения, равном 1 лм (1лм = 1лм/м²).

Освещенность поверхности, создаваемая точечным источником, прямо пропорциональна силе света источника, косинусу угла падения лучей и обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника до точки поверхности:

,

где I – сила света, R – расстояние от источника света до точки падения, a – угол падения луча света.

Теоретические и экспериментальные методы Фотометрии находят применение в светотехнике и технике сигнализации, в астрономии и астрофизике, при расчёте переноса излучения в плазме газоразрядных источников света и звёзд, при химическом анализе веществ, в пирометрии, при расчётах теплообмена излучением и во многих других областях науки и техники.

Задачи для совместного решения у доски.

1. Светильник из молочного стекла имеет форму шара. Он подвешен на высоте h=1м над центром круглого стола диаметром 2 м. Сила света 50 кд. Определить световой поток лампы, освещенность в центре и на краю стола.

2. Во дворе на высоте 6 м подвешены две лампы, расстояние между лампами 8м. Вычислить освещенность на земле под каждой из ламп и посередине между ними. Сила света каждой лампы 500 кд.

3. Солнце находится па высоте 30⁰ над горизонтом. Вычислить освещенность поверхности, если известно, что при нахождении Солнца в зените освещенность поверхности равна 100 000 лк.

Задачи по теме «Фотометрия» Вариант 1

1. Точечный источник света, находящийся в вершине телесного угла 0,50 ср, излучает в него световой поток 50 лм. Определите силу света источника.

2. Над горизонтальной поверхностью стола на высоте 60 см висит электрическая лампочка. Освещенность стола 40 лк. Определите освещенность поверхности, если лампочку поднять на 20 см.

3. Свет от электрической лампы силой 200 кд падает на стол под углом 45° и создает освещенность 141 лк. Определите расстояние от стола до лампы.

Задачи по теме «Фотометрия» Вариант 2

1. Определите телесный угол, внутри которого проходит световой поток 4 лм от точечного источника силой света 50 кд.

2. Освещенность поверхности равна 50 лк при падении на нее светового потока 40 лм. Определите площадь освещаемой поверхности.

3. Освещенность книги при чтении должна быть 100 лк. Определите необходимую силу света электрической лампочки, если она висит на высоте 50 см над рабочим местом.

Задачи по теме «Фотометрия» Вариант 3

1. Полный световой поток, излучаемый лампой накаливания, равен 6280 лм. Определите силу света этой лампы.

2. На каком расстоянии точечный источник света создает освещенность 0,1 лк при перпендикулярном падении лучей, если сила его света равна 40 кд?

3. На столбе на высоте 3 м от земли висит электрическая лампа силой света 500 кд. Определите освещенность на расстоянии 5 м от лампы.

Задачи по теме «Фотометрия» Вариант 4

1. Определите телесный угол, внутри которого проходит световой поток 12 лм от точечного источника силой света 72 кд.

2. Сила света точечного источника 100 кд. Определите освещенность участка поверхности, расположенного перпендикулярно направлению лучей и находящегося на расстоянии 3 м.

3. Точечный источник света 300 кд отстоит от экрана на расстояние 2 м и создает освещенность 60 лк. Определите угол падения света на экран.

Задачи по теме «Фотометрия» Вариант 5

1. На хромированную отражающую поверхность падает световой поток 1000 лм. Определите отраженный и поглощенный световые потоки, если коэффициент отражения хрома 0,65.

2. Определите яркость источника площадью 1 мм², который испускает внутри телесного угла в 0,03 ср световой поток 12 лм.

3. Освещенность площадки лучами, падающими под углом 60°, равна 100 лк. Определите освещенность этой же площадки, если ее развернуть перпендикулярно лучам.

Задачи по теме «Фотометрия» Вариант 6

1. Световой поток 1200 лм падает от каждого из десяти светильников на рабочую площадку 400 м². Определите освещенность площадки.

2. Определите силу света электрической лампы, если освещенность фасада здания, находящегося на расстоянии 10 м от лампы, равна 2,5 лк при угле падения лучей 60°.

3. В корпусе фонаря сделано окно размером 10 x 10 см, закрытое плоским молочным стеклом. Сила света в направлении, составляющем угол 60° с нормалью, равна 10 кд. Определите яркость светящегося окна.

Задачи по теме «Фотометрия» Вариант 7

1. Определить силу света точечного источника, полный световой поток которого равен 24 лм.

2. Определите световой поток, падающий на участок поверхности Земли площадью 500 см² в солнечный полдень, если освещенность достигает 980 лк

3. С левой стороны от фотометра на расстоянии 15 см находится эталонная лампа силой света 25 кд. Определите силу света испытуемой лампы, расположенной справа на расстоянии 45 см от фотометра, если обе половины фотометра освещены одинаково.

Задачи по теме «Фотометрия» Вариант 8

1. На книгу перпендикулярно ее поверхности, падают солнечные лучи. Световой поток составляет 37 лм. Определите, какой световой поток будет падать на книгу, если ее отклонить на угол 30°.

2. Точечный источник света, находящийся в вершине телесного угла 0,60 ср, излучает в него световой поток 120 лм. Определите силу света источника.

3. Освещенность поверхности Земли при угловой высоте Солнца над горизонтом 45° равна 90 000 лк. Определите освещенность при угловой высоте Солнца 15°.

Контрольные вопросы

1. Что называется источником света?

2. Что изучает фотометрия?

3. Что называется световым потоком и какими единицами он измеряется?

4. Что называется телесным углом и какова единица его измерения?

5. Что такое сила света? Дайте определение единицы измерения силы света в СИ.

6. Какой источник света называется точечным?

7. Чему равен полный световой поток точечного источника света?

8. Что называется освещенностью и какова единица ее измерения?

9. В чем сущность первого закона освещенности?

10. Как зависит освещенность от угла падения лучей?

11. Сформулируйте объединенный закон освещенности.

12. Что такое светимость? Назовите единицу измерения светимости.

13. Что называется яркостью источника и какова единица ее измерения?

50