Световые величины и световые измерения. Использование конвертера «Конвертер освещённости

Свет представляет собой форму энергии, которая распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн с частотами, воспринимаемыми человеческими глазами. Фотометрия – это методы измерения световой энергии оптического диапазона. Световым потоком называют протекающую через некоторую поверхность единицу времени световую энергию, оцениваемую по зрительному ощущению, т.е. световой поток – это мощность светового излучения. Зрительное ощущение меняется зрительно и качественно. Источник света наз. Точечным если его размеры пренибрижительно малы по сравнению расстоянием, на котором оценивается его действие. Для описания светового потока испускаемого источником света по разным направлениям используют понятие телесного угла , т.е. области пространства представляющей собой форму конуса. Ω=S/R 2 – телесный угол. Ω=4П – телесный угол сферы. Силой света называют световой поток созданный источником света в единичном телесном угле. I c =Ф с /Ω – Сила света (кд(канделах)) I c =Ф с /4П – сила света вокруг точечного источника (сферы) Ф с =I c * Ω – световой поток. Источник света почти всегда освещает световую поверхность неравномерно. Освещенностью называют отношение светового тока падающего на некоторый участок поверхности к площади этой поверхности. Е=Ф с /S=I c /R 2 – Освещенность (ЛК(люкс)). Первый закон освещённости : Освещенность прямо пропорциональна силе света источника и обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника.Е 0 =I c /h 2 – освещенность под источником света. Второй закон освещенности : Освещенность поверхности создаваемая параллельными лучами пропорциональна косинусу угла падения луча. E=E 0* cosα=I c /R 2 * cosα

53. линзы. Оптическая сила. Формула тонкой линзы.

Линза – это прозрачное тело ограниченная двумя сферическими поверхностями. Если середина Лизы тоньше чем её края, то она называется рассеивающей, а сама она вогнутая. Если середина у линзы тоньше чем края, то она называется собирающей. |O 1 O 2 | - главная оптическая ось. Любая прямая проходящая через центр линзы называется побочной осью. Точка, в которой пересекается все лучи после преломления в собирающей линзе, падающей параллельно главной оптической оси называется главным фокусом линзы . У линзы 2 главных фокуса. Линия, на которой лежат фокусы Лизы, называется фокальной плоскостью . Собирательная линза даёт действительное изображение, а рассеивающие мнимое изображение. Величину равную обратному фокусному расстоянию называют силой оптической линзы . Д=1/F – оптическая сила линзы (диоптрия). F – Фокус. 1/F=1/f+1/d – формула тонкой линзы (для собир.) 1/f=1/F+1/d - формула тонкой линзы (для рассеивающей). Г=H/h=f/d – увеличение линзы.

Каждый из нас понимает, что свет от разных источников и в разных условиях может существенно отличаться

: оно может быть «сильным» или «слабым». Звездной ночью мы можем видеть, куда ставим ногу, но вряд ли сможем читать книгу. Летом в середине дня освещение бывает настолько сильным, что глаза быстро устают и даже болят. Однако во многих случаях необходимо учитывать не только свойства источников света, а расстояние до них и другие факторы: стоя поздно вечером под единым на улице фонарем, вы сможете читать, а сделав хоть несколько шагов от фонаря - не сможете.
Раздел физики, изучающий способы измерения "количества света», называют фотометрии. Источники света, которые мы наблюдаем (Солнце и уличный фонарь, прожектор и светлячок), сильно отличаются по энергией своего светового излучения. Мы будем рассматривать только точечные источники света: такие, которые содержатся довольно далеко от нас, чтобы их собственными размерами можно пренебречь. Кроме того, точечный источник должен излучать свет равномерно во всех направлениях (так, прожектор или лазерную указку нельзя считать точечным источником света даже при наблюдении с большого расстояния).
Точечным называют источник, излучающий свет одинаково во всех направлениях, размерами которого можно пренебречь.
Какие примеры точечных источников света вы можете привести?

Почти идеальным примером точечного источника света могут быть удалены звезды. Основной характеристикой источника света является так называемая сила света. Эту физическую величину обозначают I, единицей силы света является кандела (кд).
Характеристикой источника света является сила света (I), измеряемой в канделах (кд).
Мы не будем приводить точного определения Кандела, оно слишком сложное для вас. Достаточно сказать, что 1 кд примерно соответствует силе света одной свечи («кандела» как раз и означает «свеча»). Электрические лампы накаливания чаще всего имеют силу света около 100 кд, прожектор дает десятки тысяч кандел, а иногда - даже миллионы кандел.
Следует учесть, что далеко не весь свет от источника попадать, например, на страницу книги, которую мы читаем. А для нас именно это самое важное! Чтобы характеризовать, насколько освещена та или иная поверхность, вводят такую физическую величину, как освещенность. Ее обозначают E, измеряют в люксах (лк). Эта величина показывает, сколько света попадает на единицу площади поверхности.
Освещенность (E) показывает, сколько света падает на единицу площади поверхности. Освещенность измеряют в люксах (лк).

Существуют специальные приборы (люксметры) для измерения освещенности. От чего же зависит освещенность поверхности (страницы книги, дороги, ученического стола)? Будем считать, что свет излучает единственный точечный источник света. Тогда прежде всего надо учесть силу света источника. Если она удвоится, то это то же самое, что добавить еще одно такое же источник. Таким образом, освещенность тоже удвоится - она прямо пропорциональна силы света источника. Надо также учесть от-стань r к этому источнику. Если, например, увеличить это расстояние вдвое, то такая же энергия света распределяться по поверхности, площадь которой увеличилась в 22 = 4 раза (соответствующий рисунок есть в учебнике). Итак, освещенность поверхности уменьшится в 22 = 4 раза. Если увеличить расстояние до источника света втрое, освещенность уменьшится в 32 = 9 раз. Таким образом, освещенность обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника света.
Освещенность поверхности прямо пропорциональна силы света источника и обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника света.
Так, в числителе формулы для освещенности должна стоять сила света, а в знаменателе - квадрат расстояния от поверхности до источника света.
От чего еще зависит освещенность? Попробуйте включить в темной комнате единую настольную лампу и, отойдя от нее на определенное расстояние, поверните лист бумаги от разными углами к световым лучам.
Демонстрация с помощью прибора для демонстрации законов оптики.
Нетрудно заметить, что лист освещен сильнее, когда угол падения световых лучей равна нулю. Решая расчетные задачи, мы будем рассматривать именно такой случай. Единицы силы света и освещенности согласованы таким образом, что когда угол падения света равен нулю, в формуле для освещенности нет никаких дополнительных коэффициентов.
При перпендикулярном падении света на поверхность.
Напомним еще раз: освещенность измеряется в люксах, силу света - в канделах, расстояние - в метрах. Законы фотометрии позволяют объяснить многие известные нам явлений. Например, легко понять, почему на поверхности близких к Солнцу планет высокая температура, а на далеких планетах - очень низкая. А вот когда речь идет о нашей родной Земле, то часто приходится слышать неправильное объяснение смены времен года. Говорят, что зимой Земля находится дальше от Солнца, чем летом. Но когда в Украине холодная зима, в Австралии - жаркое лето! Неужели Австралия настолько ближе к Солнцу? Конечно, нет. Правильное объяснение другое: зимой солнечные лучи даже в полдень падают не сверху, а под довольно большим углом к вертикали. При таком угле падения они «светят, но не греют».
Законы фотометрии важно учитывать и для сохранения собственного зрения. Существуют определенные нормы освещенности: освещенность страницы, которую вы сейчас читаете, должна быть не менее чем 100 лк. Однако важны также тип ламп, цвет стен и т.п.. Следует избегать попадания в глаза сильного прямого света, очень резкого контраста между соседними поверхностями.

>>Освещенность

• Вспомните свои ощущения, когда вы входили в темное помещение. Становится как-то не по себе, ведь ничего не видно вокруг... Ho сто­ит включить фонарик - и близко расположенные предметы ста­новятся хорошо заметными. Te же, что находятся где-то дальше, можно едва различить по контурам. В таких случаях говорят, что предметы по-разному освещены. Выясним, что такое освещенность и от чего она зависит.

1. Определяем освещенность

От любого источника света распространяется световой поток. Чем больший световой поток упадет на поверхность того или иного тела, тем лучше его видно.

• Физическая величина, численно равная световому потоку, падающему на еди­ницу освещенной поверхности, называется освещенностью.

Освещенность обозначается символом E и определяется по формуле:

где Ф - световой поток; S - площадь поверхности, на которую падает све­товой поток.

В СИ за единицу освещенности принят люкс (лк) (от латин. Iux - свет).

Один люкс - это освещенность такой поверхности, на один квадрат­ный метр которой падает световой поток, равный одному люмену:

Приводим некоторые значения поверхности (вблизи земли).

Освещенность Е:

Солнечными лучами в полдень (на средних широтах) - 100 000 лк;
солнечными лучами на открытом месте в пасмурный день - 1000 лк;
солнечными лучами в светлой комнате (вблизи окна) - 100 лк;
на улице при искусственном освещении - до 4 лк;
от полной луны - 0,2 лк;
от звездного неба в безлунную ночь - 0,0003 лк.

2. Выясняем, от чего зависит освещенность

Наверное, все вы видели шпионские фильмы. Представьте: какой-нибудь герой при свете слабого карманного фонарика вниматель­но просматривает документы в поисках необходимых «секретных данных». Вообще, чтобы читать, не напрягая глаз, нужна освещенность не меньше 30 лк (рис. 3.9), а это немало. И как наш герой добивается такой освещенности?

Во-первых, он подносит фонарик как мож­но ближе к документу, который просматривает. Значит, освещенность зависит от расстояния от до освещаемого предмета.

Во-вторых, он располагает фонарик пер­пендикулярно к поверхности документа, а это значит, что освещенность зависит от угла, под которым свет падает на поверхность.

Рис. 3.10. В случае увеличения расстояния до источника света площадь освещенной поверхности увеличивается

И в конце концов, для лучшего освещения он просто может взять более мощный фонарик, так как очевидно, что с увеличением силы света источника увеличивается освещенность.

Выясним, как изменяется освещенность в случае увеличения расстояния от точечного источника света до освещаемой поверхности. Пусть, например, световой поток от точечного источника падает на экран, расположенный на определенном расстоянии от источника. Если увеличить расстояние вдвое, можно заметить, что один и тот же световой поток будет освещать в 4 раза Ф большую площадь. Поскольку , то освещенность в этом случае уменьшится в 4 раза. Если увеличить расстояние в 3 раза, освещенность уменьшится в 9 - З 2 раз. Т. е. освещенность обратно пропорциональна квадрату расстояния от точечного источника света до поверхности (рис. 3 10).

Если пучок света падает перпендикулярно к поверхности, то световой поток распределяется на минимальной площади. В случае увеличения угла падения света увеличивается площадь, на которую падает световой поток, поэтому ос­вещенность уменьшается (рис. 3.11). Мы уже говорили, что в случае увеличе­ния силы света источника освещенность увеличивается. Экспериментально ус­тановлено, что освещенность прямопропорциональна силе света источника.

(Освещенность уменьшается, если в воздухе есть частички пыли, тума­на, дыма, так как они отражают и рассеивают определенную часть световой энергии .)

Если поверхность расположена перпендикулярно к направлению распро­странения света от точечного источника и свет распространяется в чистом воздухе, то освещенность можно определить по формуле:

где I - сила света источника, R - расстояние от источника света до поверх­ности.

Рис. 3.11 В случае увеличения угла падения параллельных лучей на поверхность (а 1 < а 2 < а 3) освещенность этой поверхности уменьшается, поскольку падающий световой поток распределя­ется по все большей площади поверхности

3. Учимся решать задачи

Стол освещен лампой, расположенной на высоте 1,2 м прямо над сто­лом. Определите освещенность стола непосредственно под лампой, если пол­ный световой поток лампы составляет 750 лм. Лампу считайте точечным источником света.

• Подводим итоги

Физическая величина, численно равная световому потоку Ф, пада­ющему на единицу освещаемой поверхности S, называется освещенностью .В СИ за единицу освещенности принят люкс (лк).

Освещенность поверхности E зависит: а) от расстояния R до освещаемой поверхности б) от угла, под которым свет падает на поверхность (чем меньше угол падения, тем больше освещенность); в) от силы света I источника (E - I) ; г) прозрачности среды, в которой распространяется свет, проходя от источника до поверхности.

• Контрольные вопросы

1. Что называют освещенностью? В каких единицах она измеряется?
2. Можно ли читать, не напрягая глаз, в светлой комнате? на улице при искусственном освещении? при полной луне?

3. Как можно уве­личить освещенность определенной поверхности?

4. Расстояние от точечного источника света до поверхности увеличили в 2 раза. Как при этом изменилась освещенность поверхности?

5. Зависит ли ос­вещенность поверхности от силы света источника, который освещает эту поверхность? Если зависит, то как?

• Упражнения

1. Почему освещенность горизонтальных поверхностей в полдень больше, чем утром и вечером?

2. Известно, что освещенность от нескольких источников равняется сумме освещенностей от каждого из этих источников отдельно. Приведите примеры применения этого правила на практике.

3. После изучения темы «Освещенность» семиклассники решили уве­личить освещенность своего рабочего места:

Петя заменил лампочку в своей настольной лампе на лампочку большей мощности;
- Наташа поставила еще одну настольную лампу;
- Антон поднял люстру, которая висела над его столом, выше;
- Юрий расположил настольную лампу таким образом, что свет начал падать практически перпендикулярно к столу.

Какие из учеников поступили правильно? Обоснуйте ответ.

4. В ясный полдень освещенность поверхности Земли прямыми сол­нечными лучами составляет 100 000 лк. Определите световой по­ток, падающий на участок площадью 100 см 2 .

5. Определите освещенность от электрической лампочки мощностью 60 Вт, расположенной на расстоянии 2 м. Довольно ли этой осве­щенности для чтения книги?

6. Две лампочки, поставленные рядом, освещают экран. Расстояние от лампочек до экрана I м. Одну лампочку выключили. На сколько нужно приблизить экран, чтобы его освещенность не изменилась?

• Экспериментальное задание

Для измерения силы света используют приборы, которые называются фото метрами. Изготовьте простейший аналог фотометра. Для этого возьмите белый лист (экран) и поставьте на нем жирное пятно (например, маслом). Закре­пите лист вертикально и осветите его с двух сторон разными источниками све­та (S 1 , S 2) (см. рисунок). (Свет от источников должен падать перпендикулярно к поверхности листа.) Медленно передвигая один из источников, сделайте так, чтобы пятно стало практически невидимым. Это произойдет, когда освещен­ность пятна с одной и другой стороны будет одинаковой. Т. е. E 1 = E 2 .

Поскольку . Измерьте расстояние от первого источника до экрана (R 1) и расстояние от второго источника до экрана (R 2).

Сравните, во сколько раз сила света первого источника отличается от силы света второго источника: .

• Физика и техника в Украина

Научно-производственный комплекс «Фотоприбор» (г. Черкассы) Сфера деятельности предприятия - разработка и производство приборов точной механики, оптоэлектроники и оптомеханики разно­образного назначения, медицинской и криминалистической техники , бытовых товаров, офисных часов представительного класса. HBK «Фо­топрибор» разрабатывает и выпускает перископические прицелы для разнообразных артиллерийских установок, гирокомпасы, гироскопы, оптико-электронную аппаратуру для вертолетов, бронетехники, а так­же широкий спектр оптического оборудование и приборов различного назначения.

Физика. 7 класс: Учебник / Ф. Я. Божинова, Н. М. Кирюхин, Е. А. Кирюхина. - X.: Издательство «Ранок», 2007. - 192 с.: ил.

1. Световой поток

Световой поток - мощность лучистой энергии, оцениваемая по производимому ею световому ощущению. Энергия излучения определяется количеством квантов, которые излучаются излучателем в пространство. Энергию излучения (лучистую энергию) измеряют в джоулях. Количество энергии, излучающейся в единицу времени называется потоком излучения или лучистым потоком. Измеряется поток излучения в ваттах. Световой поток обозначается Фе.

где: Qе - энергия излучения.

Поток излучения характеризуется распределением энергии во времени и в пространстве.

В большинстве случаев, когда говорят о распределении потока излучения во времени, не учитывают квантового характера возникновения излучения, а понимают под этим функцию, дающую изменение во времени мгновенных значений потока излучения Ф(t). Это допустимо, поскольку число фотонов, излучаемых источником в единицу времени, очень велико.

По спектральному распределению потока излучения источники разбивают на три класса: с линейчатым, полосатым и сплошным спектрами. Поток излучения источника с линейчатым спектром состоит из монохроматических потоков отдельных линий:

где: Фλ - монохроматический поток излучения; Фе - поток излучения.

У источников с полосатым спектром, излучение происходит в пределах достаточно широких участков спектра - полос, отделенных одна от другой темными промежутками. Для характеристики спектрального распределения потока излучения со сплошным и полосатым спектрами пользуются величиной, которая называется спектральной плотностью потока излучения

где: λ - длина волны.

Спектральная плотность потока излучения - это характеристика распределения лучистого потока по спектру и равняется отношению элементарного потока ΔФeλ соответствующего бесконечно малому участку, к ширине этого участка:

Спектральная плотность потока излучения измеряется в ваттах на нанометр.

В светотехнике, где основным приемником излучения является глаз человека, для оценки эффективного действия потока излучения, вводится понятие светового потока. Световой поток - это поток излучения, оценивающийся его действием на глаз, относительная спектральная чувствительность которого определяется усредненной кривой спектральной эффективности, утвержденной МКО.

В светотехнике используется и такое определение светового потока: световой поток - это мощность световой энергии. Единица светового потока - люмен (лм). 1лм соответствует световому потоку, излучаемому в единичном телесном угле точечным изотропным источником с силой света 1 кандела.

Таблица 1. Типичные световые величины источников света:

Световой поток Ф, падая на тело, распределяется на три составные части: отраженную телом Фρ , поглощенную Фα и пропущенную Фτ . При используют коэффициенты: отражения ρ = Фρ /Ф; поглощения α =Фα /Ф; пропускания τ =Фτ /Ф.

Таблица 2. Световые характеристики некоторых материалов и поверхностей

2. Сила света

Распределение излучения реального источника в окружающем пространстве не равномерно. Поэтому световой поток не будет исчерпывающей характеристикой источника, если одновременно не определяется распределение излучения по разным направлениям окружающего пространства.

Для характеристики распределения светового потока пользуются понятием пространственной плотности светового потока в разных направлениях окружающего пространства. Пространственную плотность светового потока, определяющуюся отношением светового потока к телесному углу с вершиной в точке размещения источника, в пределах которого равномерно распределен этот поток, называют силой света:

где: Ф - световой поток; ω - телесный угол.

Единицей силы света является кандела. 1 кд.

Это сила света, испускаемая в перпендикулярном направлении элементом поверхности черного тела, площадью 1:600000 м2 при температуре затвердевания платины.
Единица силы света - кандела, кд является одной из основных величин в системе СИ и соответствует световому потоку 1 лм, равномерно распределенному внутри телесного угла 1 стерадиан (ср.). Телесный угол - часть пространства, заключенная внутри конической поверхности. Телесный угол ω измеряется отношением площади, вырезаемой им из сферы произвольного радиуса, к квадрату последнего.

3. Освещенность

Освещенность - это количество света или светового потока, падающего на единицу площади поверхности. Она обозначается буквой Е и измеряется в люксах (лк).

Единица освещенности люкс, лк имеет размерность люмен на квадратный метр (лм/м2).

Освещенность можно определить как плотность светового потока на освещаемой поверхности:

Освещенность не зависит от направления распространения светового потока на поверхность.

Приведем несколько общепринятых показателей освещенности:

Лето, день под безоблачным небом - 100 000 люкс

Уличное освещение - 5-30 люкс

Полная луна в ясную ночь - 0,25 люкс

4. Отношение между силой света (I) и освещенностью (Е).

Закон обратных квадратов

Освещенность в определенной точке на поверхности, перпендикулярной к направлению распространения света, определяется как отношение силы света к квадрату расстояния от этой точки до источника света. Если данное расстояние мы примем за d, то это отношение можно выразить следующей формулой:

Для примера: если источник света излучает свет силой 1200 кд в направлении, перпендикулярном к поверхности, на расстоянии 3-х метров от этой поверхности, то освещенность (Ер) в точке, где свет достигает поверхности, будет 1200/32 = 133 лк. Если поверхность находится на расстоянии 6м от источника света, освещенность будет 1200/62= 33 лк. Это отношение называется "закон обратных квадратов" .

Освещенность в определенной точке на поверхности, не перпендикулярной направлению распространения света, равняется силе света в направлении точки измерения, разделенной на квадрат расстояния между источником света и точкой на плоскости умноженной на косинус угла γ (γ - угол, образованный направлением падения света и перпендикуляром к этой плоскости).

Следовательно:

Это закон косинуса (рисунок 1.).

Рис. 1. К закону косинуса

Для расчета горизонтальной освещенности целесообразно изменить последнюю формулу, заменив расстояние d между источником света и точкой измерения на высоту h от источника света к поверхности.

На рисунке 2:

Тогда:

Получаем:

По данной формуле рассчитывается горизонтальная освещенность в точке измерения.

Рис. 2. Горизонтальная освещенность

6. Вертикальная освещенность

Освещение той же точки Р в вертикальной плоскости, ориентированной к источнику света, можно представить как функцию высоты (h) источника света и угла падения (γ) силы света (I) (рисунок 3).

светимостью :

Для поверхностей конечных размеров:

Светимость - это плотность светового потока, испускаемого светящейся поверхностью. Единицей светимости служит люмен на метр квадратный светящейся поверхности, что отвечает поверхности площадью 1 м2, которая равномерно излучает световой поток 1 лм. В случае общего излучения вводится понятие энергетической светимости излучающего тела (Me).

Единица энергетической светимости - Вт/м2.

Светимость в этом случае можно выразить через спектральную плотность энергетической светимости излучающего тела Meλ(λ)

Для сравнительной оценки приводим энергетические светимости к светимости некоторых поверхностей:

Поверхность солнца - Ме=6 107 Вт/м2;

Нить лампы накаливания - Ме=2 105 Вт/м2;

Поверхность солнца в зените - М=3,1 109 лм/м2;

Колба люминесцентной лампы - М=22 103 лм/м2.

Это сила света, излучаемая единицей площади поверхности в определенном направлении. Единица измерения яркости - кандела на метр квадратный (кд/м2).

Поверхность сама по себе может излучать свет, как поверхность лампы, или отражать свет, который поступает из другого источника, например поверхность дороги.

Поверхности с разными свойствами отражения при одинаковой освещенности будут иметь разную степень яркости.

Яркость, излучаемая поверхностью dA под углом Ф к проекции этой поверхности, равняется отношению силы света, излучаемого в данном направлении, к проекции излучающей поверхности (рис. 4).

Рис. 4. Яркость

Как сила света, так и проекция излучающей поверхности, не зависят от расстояния. Следовательно, яркость также не зависит от расстояния.

Несколько практических примеров:

Яркость поверхности солнца - 2000000000 кд/м2

Яркость люминесцентных ламп - от 5000 до 15000 кд/м2

Яркость поверхности полной луны - 2500 кд/м2

Искусственное освещение дорог - 30 люкс 2 кд/м2