Определение световой отдачи электрической лампы.

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

по общей физике

Раздел: «Оптика и физика атома»

 

 

Утверждено

методической комиссией

                                                                                     03.02.2003.

 

 

Москва 2004

 

Настоящий лабораторный практикум является третьей частью ранее изданных методических указаний к лабораторным работам по курсу общей физики и составлен на основе предыдущего издания методических указаний к выполнению лабораторных работ по курсу общей физики раздел” Оптика, физика атома и ядра” под редакцией доцента Узикова А.Н.

Нумерация работ соответствует принятой на кафедре физики МГУПП.

В подготовке настоящего лабораторного практикума принимали участие преподаватели кафедры физики МГУПП:

доц. Спиридонова Л.В. (лабораторная работа №51) ,

ст. преподаватель Родина Т.В. (лабораторная работа №52),

доц. Ломакина Е.В.(лабораторная работа №54),

доц. Савельева З. И. (лабораторная работа №55,61,62),

доц. Соковишин В.В. (лабораторная работа №56),

доц. Грибкова Г.Н.(лабораторная работа №60),

ст. преподаватель Соболева Н.А.(лабораторная работы №64,64-А).

Компьютерный набор текста: Ким О.А., Цыганова Л.В.

 Рисунки : Усов Д.Н., Шеховцов И.В.

 

Под редакцией Ломакиной Елены Викторовны.

 

Рецензенты:

                       Доктор технических наук, профессор Ильясов С.Г.

Доктор технических наук, профессор Плаксин Ю.М.

Введение

Данный лабораторный практикум предназначен для студентов всех специальностей дневного, вечернего и альтернативных форм обучения, выполняющих лабораторные работы по физике раздел «Оптика и физика атома».

При написании авторский коллектив кафедры физики исходил из того, что изучение материала лабораторного практикума не должно освободить студентов от работы с учебником и лекционным материалом, поэтому в теоретические введения к лабораторным работам было внесено только самое главное, суть физических явлений, проверяемых экспериментально.

Данный лабораторный практикум по физике ставит своей целью выработку у студентов правильного понимания границ применимости физических законов и умения оценить степень достоверности полученных экспериментально результатов, а также ознакомить студентов с научной оптической аппаратурой и методами экспериментального изучения различных физических явлений.

Лабораторная работа № 51.

 

Определение световой отдачи электрической лампы.

 

Цель работы:

1. Ознакомление с фотометрией.

2. Освоение измерений с помощью фотометра

3. Определение основных характеристик электрической лампы – световой отдачи и коэффициента полезного действия.

 

Литература:

1. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: Учебное пособие для втузов. – М.: Высшая школа, 1999. §35.3;

2. Савельев И.В. Курс общей физики, т.2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика: Учебное пособие. – 2-е изд., перераб. – М.: Наука, 1982. §113, §114.

3.Трофимова Т.И. «Курс физики», –М.: «Высшая школа»,2002,гл.21 §168

 

 

Теоретическое введение:

Разнообразные действия света обусловлены в первую очередь наличием определенной световой энергии. Непосредственное восприятие света обусловлено действием световой энергии, поглощенной чувствительными элементами глаза. В связи с этим все измерения, связанные со светом, сводятся к измерению световой энергии или величин с нею связанных. Раздел оптики, изучающий методы измерения интенсивности света и его источников, называется фотометрией.

Выделим мысленно на пути света, распространяющегося от какого-либо источника света 0, небольшую площадку S (рис. 1). Через эту площадку за время dt пройдет некоторое количество световой энергии d e.

Рис.1

Отношение:

                                                                                                           (1)                                                        

показывает, какое количество энергии протекает через площадку в единицу времени и называется лучистым потоком энергии. Эта величина оценивается в единицах мощности, т.е. в ваттах.

Для восприятия и использования световой энергии исключительно важную роль играет человеческий глаз. Поэтому наряду с энергетической оценкой света пользуются оценкой, основанной на непосредственном световом восприятии глаза.

Поток лучистой энергии, оцениваемый по зрительному ощущению, называется световым потоком. За единицу светового потока принят 1 люмен (обозначается 1 лм). Опытным путем установлено, что световому потоку в 1 лм, образованному излучением с длиной волны l=0,555 мкм, соответствует поток энергии в 0,0016 Вт.

Таким образом в световых измерениях используются две системы обозначений и две системы единиц : энергетическая оценка света и оценка света по зрительному ощущению.

Для зрительной оценки световых потоков необходимо знать чувствительность глаза к свету различной длины волны или так называемую кривую видимости (рис. 2).

Рис.2

На этой кривой показана относительная чувствительность V _l человеческого глаза в зависимости от длины волны l. Если чувствительность для длины волны l=0,555 мкм (зеленый свет) обозначить через 1, то для более длинных и более коротких волн чувствительность быстро уменьшается. Так для l=0,51 мкм и для l=0,61 мкм чувствительность уменьшается вдвое. Вне интервала видимых длин волн функция V _l равна нулю.

Источник света (излучатель) называется точечным, если его размеры малы и излучение испускается равномерно во все стороны. Фронт световой волны, испускаемый таким источником, будет сферическим.

Для пространственных задач о распространении света существенно понятие о телесном угле. Мерой телесного угла является отношение площади dS участка, вырезаемого конусом на поверхности сферы, к квадрату ее радиуса r, т.е.

                                                                                                         (2)

 

Рис.3

Это отношение не зависит от r, т.к. с ростом r вырезаемая конусом поверхность S увеличивается пропорционально r ². Единицей телесного угла является 1 стерадиан (1 стер) – телесный угол, которому на сфере единичного радиуса соответствует поверхность с площадью, равной единице. Телесный угол, охватывающий все пространство вокруг источника, равен 4p стер, т.к. полная поверхность сферы единичного радиуса это 4p.

   Для характеристики точечных источников света применяется величина , называемая силой света :

                                                                                                     (3)

 

где d Ф – световой поток, излучаемый источником в пределах телесного угла d W.

Если  не зависит от направления, источник света называется изотропным. Для изотропного источника

                                                                                                       (4)

где Ф – полный световой поток, излучаемый источником по всем направлениям.

Единица силы света – кандела (кд) является одной из основных единиц Международной системы единиц (СИ).

 Протяженный источник света можно охарактеризовать светимостью М различных его участков, под которой понимается световой поток, испускаемый единицей площади наружу по всем направлениям:

                                                                                                     (5)

где d Ф_исп.  – поток, испускаемый наружу по всем направлениям элементом поверхности dS источника.

Светимость может возникнуть за счет отражения поверхностью падающего на нее света. Тогда под d Ф_исп. в формуле (5) следует понимать поток, отраженный  элементом поверхности dS по всем направлениям. 

Единицей светимости является люмен на квадратный метр (лм/м²).

Для характеристики излучения (отражения) света в заданном направлении служит яркость L.

 

                                                                                                (6)

где j - угол между нормалью к площадке dS и направлением наблюдения.

Единицей яркости служит кандела на квадратный метр (кд/м²).

Светимость и яркость источника связаны между собой следующим соотношением:

                                                                                                       (7)

Степень освещенности некоторой поверхности, на которую падает свет, характеризуется величиной

                                                                                                (8)

называемой освещенностью данной поверхности, (d Ф_пад. – световой поток, падающий на элемент поверхности dS).

Единицей освещенности является люкс (лк), равный освещенности, создаваемой потоком в 1 лм, равномерно распределенным по поверхности площади в 1 м²:

                               1 лк = 1 лм : 1 м ²

Освещенность, создаваемая точечным источником света, на расстоянии r от него равна:

                                                                             (9)

 

где a - угол между падающим лучом и перпендикуляром к поверхности в точке падения луча.