Фотометричні величини

Урок 67                                                               

Тема: Основні фотометричні величини та їх вимірювання

Мета  уроку: ввести  основні  фотометричні  величини  «світловий  потік»,  «сила  світла», «освітленість», «світимість джерела», «яскравість» та їх одиниці; познайомити учнів з  методами  вимірювання  фотометричних  величин;  розвивати  логічне  мислення учнів, уміння аналізувати та пояснювати фізичні явища.

Тип уроку:комбінований.

Формування ключових компетентностей:

•                   основні компетентності у природничих науках і технологіях;
•                   математична компетентність;  
•                   інформаційно-цифрова компетентність;  
•                   уміння вчитися впродовж життя.

Обладнання:  навчальна презентація, комп’ютер, підручник.

ХІД УРОКУ

1.  ОРГАНІЗАЦІЙНИЙ ЕТАП
2.  ПЕРЕВІРКА ДОМАШНЬОГО ЗАВДАННЯ
3.  АКТУАЛІЗАЦІЯ ОПОРНИХ ЗНАНЬ ТА ВМІНЬ

• Чому знання законів випромінювання, поширення та поглинання світла для фізики та астрономії є важливим?

• Що є основною величиною, що характеризує випромінювання?

4. ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

Зі світловими явищами ми зустрічаємося щодня протягом усього життя, адже вони є частиною природних умов, у яких ми живемо. Деякі з них  здаються нам справжнім дивом, наприклад міражі в пустелі, полярні сяйва. Проте погодьтеся, що й більш звичні для нас світлові явища: виблиск краплинки роси в сонячному промінні, місячна доріжка на плесі, семибарвний міст веселки після літнього дощу, блискавка у грозових хмарах, мерехтіння зір у нічному небі — теж є дивом, бо вони роблять світ навколо нас чудовим, сповненим чарівної краси та гармонії.

Завдяки органу зору людина бачить навколишній світ, здійснює зв'язок з навколишнім середовищем, може відпочивати і працювати. Від того, як освітлюються предмети залежить продуктивність праці. Без достатнього освітлення рослини не можуть нормально розвиватися. Найкраща ілюстрація значення світлових явищ у житті людини – «хвилинний» експеримент:  потрібно на одну хвилину заплющити очі і уявити «життя в темряві»

Фотометрія – розділ оптики, в якому розглядається вимірювання енергії, що переноситься електромагнітними світловими хвилями.

У фотометрії використовуються наступні величини:

1) енергетичні - характеризують енергетичні параметри оптичного випромінювання безвідносно до його дії на приймач випромінювання;

2) світлові - характеризують дії світла й оцінюються по впливу на око (виходячи з так званої середньої чутливості ока) або інші приймачі випромінювання.

Заповнюємо разом з учнями «Фотометричні величини»

1.Світловий потік джерел світла :

• Лампа розжарювання 40 Вт    415-460 лм

• 60 Вт    790-830 лм
• 100 Вт    1550-1630 лм
• 200 Вт    2860-2960 лм

• Газорозрядна лампа 35 Вт ("автомобільний ксенон")    3000-3100 лм

• Світлодіод Cree XP-G 5 Вт    460-493 лм
• Світлодіод P7 SSC , Creemc-e 10 Вт     близько 700 лм

• Люмінесцентна лампа 40 Вт    2480 лм

Значення освітленості чи світлового потоку має бути постійною в часі (порушується при коливанні напруги в мережі, пульсації світлового потоку, затемненні світлових отворів тощо). Слід обирати оптимальну спрямованість світлового потоку і необхідний спектральний склад світла:розпізнання рельєфа поверхні та правильної кольоропередачі, кольоророзпізнання);

2. Сила світла типових джерел:

Свічка    1 кд

Лампа розжарювання    100 кд

Звичайний світодіод0,005..3 кд

Надяскравий світодіод    25…500 кд

Сучасна люмінесцентна лампа    100 кд

Сонце    3×10²⁷ кд

• Тілесним  кутом Ω називають  просторовий  кут,  обмежений  конічною поверхнею, площа підстави ∆S якої є частиною сферичної поверхні радіусом r, вершина якої збігається з точковим джерелом світла.

3. Освітленість у фототехніці визначають за допомогою експонометрів і експозиметрів, у фотометрії — за допомогою люксметрів.

.

 Світлочутливим елементом таких приладів є фотоелемент. У разі віддалення від джерела освітленість зменшується.

Розрахунки й досліди показують, що для точкового джерела (такого, що випромінює світло однаково в усіх напрямках і розмірами якого можна знехтувати) освітленість Е прямо пропорційна силі світла І джерела світла й обернено пропорційна квадратові відстані R до джерела:

Приклади освітленості:

•      Сонячні промені опівдні     100 000 лк
•      При кінозйомці в студії     10 000 лк
•      На відкритому місці в похмурий день     1000 лк
•      У світлій кімнаті поблизу вікна     100 лк
•   На робочому столі для  робіт пов’язаних з точністю виконання операцій 100-200 лк
•      На екрані кінотеатру     85-120 лк
•      Необхідне для читання     30-50 лк
•      Від повного місяця     0,2 лк
•      Від нічного неба в безмісячну ніч     0,0003 лк

Освітленість на робочому місці повинна відповідати санітарно-гігієнічним нормам

Давайте разом з вами визначимо освітленніссть за допомогою задач.

Задача 1

На стовпі заввишки 6м висить лампа 400 кд. Обчислити освітленість на відстані 8м від основи стовпа.

Відповідь: Е=2,4 лк.

4. Яскравість

Аркуш білого паперу, освітлений лампою потужністю 60 Вт, має яскравість від 30 до 40 кд/м².

Яскравість, що складає 30000 кд/м², діє засліплююче. Виходячи з цього, введено поняття блискучості джерела світла, тобто підвищеної яскравості поверхонь, що світяться, яка погіршує зорову здатність.

Оскільки рівень відчуття світла людським оком залежить від щільності світлового потоку (освітленості) на сітківці ока, то основне значення для зору має не освітленість якоїсь поверхні, а світловий потік Ф, що відбивається від цієї поверхні й потрапляє на зіницю. У зв'язку з цим введено поняття яскравості.

Людина розрівняє оточуючі предмети завдяки тому, що вони мають різну яскравість.

Яскравість  є тією характеристикою світла, яка безпосередньо впливає на органи зору і на яку безпосередньо реагує око.

Повинен бути досить рівномірним розподіл яскравості-на робочій поверхні, а також у межах оточуючого простору, яскравість не може відрізнятися більш ніж у 3-5 разів. У полі зору не повинно бути прямої і відбитої блискучості (підвищена яскравість світлових поверхонь, що викликає засліплення)

ЗАКОНИ ОСВІТЛЕНОСТІ

 Закони фотометрії дозволяють пояснити багато явищ. Наприклад, легко зрозуміти, чому на поверхні близьких до Сонця планет висока температура, а на далеких планетах — низька.

 Зміну пір року пояснюють тим, що взимку сонячні промені навіть опівдні падають не згори, а під досить великим кутом до вертикалі. За такого кута падіння вони «світять, але не гріють».

Перший закон освітленості:

 Освітленість поверхні прямо пропорційна силі світла джерела і обернена пропорційна квадрату його відстані від поверхні:

Другий закон освітленості:

 Освітленість поверхні паралельним світловим пучком прямо пропорційна косинусу кута падіння променів:

.

V. ЗАКРІПЛЕННЯ НОВИХ ЗНАНЬ ТА ВМІНЬ.

Запитання до класу:

1. Що називають світловим потоком? За якою формулою його обчислюють?
2. Що називають силою світла? За якою формулою її обчислюють?
3. Що називають освітленістю? За якою формулою її обчислюють?
4.  Що називають світимістю джерела? За якою формулою її обчислюють?
5. Що називають яскравістю? За якою формулою її обчислюють?

Розв’язання задач

1. Обчислити світловий потік, що падає на майданчик 10см²,розташований на відстані 2 м від джерела, сила світла якого 200 кд.

2. Дві  електричні  лампочки,  поставлені  поруч,  освітлюють  екран,  відстань від лампочок до екрана 1 м. Одну лампочку погасили. На скільки потрібно наблизити екран, аби освітленість його не змінилася?

3. На висоті 5 м висить лампа й освітлює майданчик на поверхні землі. На якій  відстані  від  центру  майданчика  освітленість  поверхні  землі  в  два рази менша, ніж у центрі?

VI. ПІДБИТТЯ ПІДСУМКІВ УРОКУ

VII. ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ

1. Вивчити конспект

2. Розв'язати задачу.

Лампу із силою світла 60 кд застосовують для друкування фотознімка. Якщо лампу розташувати на відстані 1,5 м від знімка, то час експозиції дорівнюватиме 2,5 с. Визначити час експозиції, якщо застосувати лампу із силою світла 40 кд, розташовану на відстані 2 м від знімка.