Фотометрія. Світловий потік. Сила світла. Освітленість.

Мета.

Навчальна. Ввести поняття сили світла, світлового потоку, освітленості, фотометрії. Навчитися розв’язувати задачі на визначення цих величин.

Розвиваюча. Розвивати логічне та алгоритмічне мислення.

Виховна. Виховувати наукову обізнаність, ціннісне ставлення до себе.

Тип уроку. Урок засвоєння нових знань.

План

1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань.
2. Фотометрія. Світловий потік. Сила світла. Освітленість.
3. Вчимося розв’язувати задачі.
4. Запитання до уроку.
5. Домашнє завдання.
6. Перевір себе.
7. Для допитливих.

Хід уроку

1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань.

Перевірка домашнього завдання.

2. Фотометрія. Світловий потік. Сила світла. Освітленість.

Фотометрія. Дія світла може бути різною: від теплової, яка виявляється в нагріванні тіл, що поглинають світло, до електричної, хімічної та механічної. Таку дію світла уможливлює наявність у світла енергії, тому про енергетичні характеристики світла знати дуже важливо.

Різні дії світла лежать в основі роботи технічних пристроїв. Наприклад, системи охорони різноманітних об'єктів працюють на чутливих приймачах світла — фотоелементах. Тонкі пучки світла, що буквально пронизують простір навколо об'єкта, що охороняється, спрямовані на фотоелементи, і якщо перекрити один із таких променів, то фотоелемент перестане одержувати світлову енергію й негайно «повідомить» про це — пролунає сигнал тривоги.

Інші технічні пристрої здатні реагувати не тільки на факт наявності світлової енергії, але й на її кількість. Так, освітлення вулиць великих міст вмикається автоматично в момент, коли кількість одержуваної світлової енергії Сонця зменшується до певного значення. Робота подібних пристроїв зорієнтована на сприймання світла людським оком. Тому очевидною є важливість розгляду енергетичних характеристик світла, що ґрунтуються на безпосередньому сприйманні світла оком — на зоровому відчутті.

Чому це так? Відповісти на ці питання з наукової точки зору нам допоможе розділ фізики - фотометрія.

Фотометрія — розділ оптики, у якому розглядаються енергетичні характеристики світла в процесах його випромінювання, поширення та взаємодії із середовищем.

Зорові відчуття є дуже суб'єктивними. Як їх оцінити? Ваша мама кличе вас увечері: «Іди додому, уже темно!» А вам здається, що для ігор ще досить світла. Крім того, чутливість ока до світла різного кольору дуже різна. Зорові відчуття від зеленого кольору в ока приблизно у сто разів сильніші, ніж від червоного (наприклад, зелену лампу око сприймає як більш потужну, ніж червону, за однакової потужності обох ламп).

Щоб усе це з'ясувати, учені провели сотні дослідів і встановили середні характеристики зорових відчуттів людини. На цій базі створено прилади, здатні вимірювати фізичні величини, які характеризують зорові відчуття. Одну з таких величин називають світловим потоком.

  Світловий потік — це фізична величина, яка чисельно дорівнює кількості оцінюваної за зоровим відчуттям світлової енергії, що падає на поверхню за одиницю часу.

Світловий потік позначається символом Ф та обчислюється за формулою:

 ,

де Есв — оцінювана за зоровим відчуттям світлова енергія, що падає на певну поверхню; t — час падіння світлової енергії на ту поверхню.

   За одиницю світлового потоку взято люмен (лм) (від латин. Lumen — світло). Виявилося, що світловий потік від зоряного неба, який падає на сітківку ока,— становить близько 0,000000001 лм, світловий потік від полуденного сонця — 8 лм. Саме тому ми не можемо дивитися на яскраве сонце неозброєним оком.

Світловий потік створюється джерелом світла. У повсякденному житті як джерела світла дуже часто застосовують електричні лампи розжарювання.

Сила світла та освітленість. Фізична величина, що характеризує світіння джерела світла в певному напрямку, називається силою світла.

Якщо джерело випромінює видиме світло рівномірно в усі боки, то сила світла обчислюється за формулою:

 ,

де Ф — повний світловий потік, що його випускає джерело;  — стала величина, яка приблизно дорівнює 3,14.

За одиницю сили світла в Міжнародній системі одиниць (СІ) взято канделу (кд) (від латин, candela — свічка). Кандела — одна з основних одиниць СІ. Для вимірювання сили світла використовують прилади, що називаються фотометрами.

а)   б)

Мал. а) Фотометр Цьольнера; б) Планшетний фотометр.

Пригадайте свої відчуття, коли ви заходили в темне приміщення. Стає дещо не по собі, адже нічого не видно навколо... Але варто увімкнути ліхтарик — і близько розташовані предмети стають добре помітними. Ті ж, що є десь далі, можна ледве розрізнити за контурами. У таких випадках кажуть, що предмети по різному освітлені. З'ясуймо, що таке освітленість і від чого вона залежить.

Від будь-якого джерела світла поширюється світловий потік. Чим більший світловий потік упаде на поверхню того чи іншого тіла, тим краще його видно.

Фізична величина, яка чисельно дорівнює світловому потоку, що падає на одиницю освітленої поверхні, називається освітленістю.

  Освітленість позначається символом Е та визначається за формулою:

де Ф — світловий потік; S — площа поверхні, на яку падає світловий потік.

У СІ за одиницю освітленості взято люкс (лк) (від латин. Lux — світло). Один люкс — це освітленість такої поверхні, на один квадратний метр якої падає світловий потік, що дорівнює одному люмену:

Деякі значення освітленості поверхні (поблизу Землі):

• сонячним промінням опівдні (на середніх широтах) — 100 000 лк;
• сонячним промінням на відкритому місці в похмурий день — 1000 лк;
• сонячним промінням у світлій кімнаті (поблизу вікна) — 100 лк;
• на вулиці при штучному освітленні — до 4 лк;
• від повного місяця — 0,2 лк;
• від зоряного неба в безмісячну ніч — 0,0003 лк.

Мабуть, усі ви бачили шпигунські фільми. Уявіть: який-небудь герой при світлі слабкого кишенькового ліхтарика уважно переглядає документи в пошуках необхідних «секретних даних». Взагалі, щоб читати, не напружуючи очей, потрібна освітленість, не менша від 30 лк.  Як наш герой домагається такої освітленості?

По-перше, він підносить ліхтарик як найближче до документа, який переглядає. Отже, освітленість залежить від відстані від джерела світла до освітленого предмета.

Нехай, наприклад, світловий потік від точкового джерела падає на квадратний екран, розташований на певній відстані від джерела. Якщо збільшити відстань удвічі, можна помітити, що той самий світловий потік буде освітлювати в 4 рази більшу площу. Якщо збільшити відстань у 3 рази, освітленість зменшиться в 9 разів. Тобто освітленість є обернено пропорційною квадрату відстані від точкового джерела світла до поверхні:

: ,

де I — сила світла джерела, R — відстань від джерела світла до поверхні (формула використовується якщо поверхня розташована перпендикулярно до напрямку поширення світла від точкового джерела і світло поширюється в чистому повітрі).

По-друге, він розташовує ліхтарик перпендикулярно до поверхні документа, а це означає, що освітленість залежить від кута, під яким світло падає на поверхню.

Якщо пучок світла падає перпендикулярно до поверхні, то світловий потік розподіляється на мінімальній площі. У разі збільшення кута падіння світла збільшиться площа, на яку падає світловий потік, а освітленість зменшується.

         І нарешті, для кращого освітлення він просто може взяти потужніший ліхтарик, бо очевидно, що зі збільшенням сили світла джерела збільшується освітленість. Освітленість від декількох джерел дорівнює сумі освітленостей від кожного з цих джерел окремо.

3. Вчимося розв’язувати задачі.

Задача 24.1. Сила світла точкового джерела становить 100 кд. Визначте повний світловий потік, що його випускає це джерело.

Задача 24.2. Укажіть як зміниться освітленість предмета, якщо відстань від предмета до джерела зменшити у 2 рази, а силу світла джерела збільшити у 4 рази.

4. Запитання до уроку.

Запитання 24.1. Наведіть приклади технічних пристроїв, що реагують на надходження світлової енергії.

Запитання 24.2. Що називають світловим потоком? У яких одиницях він вимірюється?

Запитання 24.3. До світла якого кольору чутливість ока є найвищою?

Запитання 24.4. За якою формулою визначають силу світла? У яких одиницях вона вимірюється?

Запитання 24.5. Чому вдень важко роздивитися знадвору внутрішній простір неосвітленої кімнати крізь вікно, не наближаючи обличчя впритул до скла?

Запитання 24.6. Що називають освітленістю? Як її позначають, у яких одиницях вимірюють?

Запитання 24.7. Чи можна читати, не напружуючи очей, у світлій кімнаті? на вулиці при штучному освітленні? при повному місяці?

Запитання 24.8. Як можна збільшити освітленість певної поверхні?

Запитання 24.9. Відстань від точкового джерела світла до поверхні збільшили у 2 рази. Як при цьому зміниться освітленість поверхні?

Запитання 24.10. Чи залежить освітленість поверхні від сили світла джерела, що освітлює цю поверхню? Якщо залежить, то як?

Запитання 24.11. Чому освітленість горизонтальних поверхонь опівдні є більшою, ніж вранці та ввечері?

Запитання 24.12. Відомо, що освітленість від декількох джерел дорівнює сумі освітленостей від кожного з цих джерел окремо. Наведіть приклади застосування цього правила на практиці.

5. Домашнє завдання.

Підручник:

Задача 24.3. У ясний полудень освітленість поверхні Землі під прямими сонячними променями становить 100 000 лк. Визначте світловий потік, що падає на ділянку площею 100 см2.

Усне опитування по запитаннях до уроку.

6. Перевір себе.

Тестові завдання:

Середній рівень:

Задача 24.1.С. Після вивчення теми «Освітленість» семикласники вирішили збільшити освітленість свого робочого місця:

— Петрик замінив лампочку у своїй настільній лампі на лампочку більшої потужності;

— Наталка поставила ще одну настільну лампу;

— Антон підняв люстру, що висіла над його столом, вище;

— Юрко розташував настільну лампу таким чином, що світло почало падати практично перпендикулярно до столу.

Які з учнів зробили правильно? Обґрунтуйте відповідь.

Задача 24.2.С. Повний світловий потік електричної лампи дорівнює 1884 лм. Визначте силу світла цього джерела.

Достатній рівень:

Задача 24.1.Д. На сторінку книги падає світловий потік, який дорівнює 2,2 лк. Визначте освітленість сторінки, якщо її розміри 22Х16 см. Чи достатньо цієї освітленості, щоб читати книгу?

Задача 24.2.Д Припустимо, що від червоного й зеленого сигналів світлофора на сітківку ока падає приблизно однаковий світловий потік. Чи однакової потужності лампи встановлені у світлофорі? Якщо ні, то потужність якої лампи більша — зеленої чи червоної?

7. Для допитливих.  

Шартрез - найбільш видимий колір. Шартрез (жовто-зелений колір) знаходиться чітко посередині частот видимого спектру. Ваші очі мають рецептори для сприйняття синього, зеленого і червоного. Але мозок не отримує інформації про кольори, він отримує інформацію про різницю світлого і темного, і інформацію про різницю між кольорами. У результаті рецепторам мозку найлегше «побачити» саме колір шартрез. До речі, цей колір часто використовується психологами, екстрасенсами, художниками, як заспокійливий і одночасно найпомітніший для людини.

Вимірювання сили світла методом порівняння.   Виготовте найпростіший аналог фотометра. Для цього візьміть білий аркуш (екран) і поставте на ньому масну пляму (наприклад, олією). Закріпіть аркуш вертикально й освітіть його з двох боків різними джерелами світла (S1, S2). (Світло від джерел має падати перпендикулярно до поверхні аркуша.)

Повільно пересуваючи одне з джерел, зробіть так, щоб пляма стала практично невидимою. Це станеться, коли освітленість плями з одного й другого боку буде однаковою. Тобто . Оскільки , то .

Виміряйте відстань від першого джерела до екрана ()  і відстань від другого джерела до екрана (). Порівняйте, у скільки разів сила світла першого джерела відрізняється від сили світла другого джерела: .

Задачі підвищеної складності:

Задача 24.1.О. Дві лампочки, поставлені поряд, освітлюють екран. Відстань від лампочок до екрана 1 м. Одну лампочку вимкнули. На скільки потрібно наблизити екран, щоб його освітленість не змінилася?