Практична робота «Визначення ефективності освітлювальних електричних ламп за допомогою мобільного додатку «Науковий журнал».

Практична робота «Визначення ефективності освітлювальних електричних ламп за допомогою мобільного додатку «Науковий журнал».

Автор: вчитель фізики КЗ ОЗЗСО «Сузір’я» Оріхівської міської ради Середа С.В.

Тема. Визначення ефективності освітлювальних електричних ламп.

Мета: виміряти освітленість та коефіцієнт корисної дії різних електричних ламп, сформувати уявлення про основні фотометричні величини, закріпити знання з оптики та електрики.

Обладнання: смартфон з мобільним додатком «Науковий журнал», настільна лампа, лампа розжарення, люмінесцентна лампа, LED (світлодіода) лампа.

Теоретичні відомості.

Освітленість (Е) – освітлення поверхні, що створюється світловим потоком, який падає на поверхню. Одиницею вимірювання освітленості є люкс (Лк). Освітленість прямо пропорційна силі світла джерела світла. При віддаленні його від освітлюваної поверхні, її освітленість зменшується обернено пропорційно до квадрата відстані.

Коли проміння світла падає похило до освітлюваної поверхні, освітленість збільшується пропорційно косинусу кута падіння проміння.

Освітленість  Е знаходять за формулою закону квадрата відстані:

,

де:

І – сила світла в канделах (Кд);

r – відстань до джерела світла;

α – кут падіння проміння світла.

Освітленість визначають за допомогою фотоелектричного експонометра та люксметра.

Світловиий потік (Ф) –  кількісна характеристика випромінювання, яке випромінюється джерелом світла (ще називають потужністю випромінювання). Одиниця вимірювання СІ: люмен (Лм). Розраховується за формулою:

Ф = ωІ = 4πІ,

де:

ω – тілесний кут;

І – сила світла;

π = 3,14.

Освітленість повʼязана з світловим потоком. Освітленість – це відношення світлового потоку, що падає на елемент поверхні, до площі цього елементу (S):

.

Світлова енергія (Q) визначається добутком світлового потоку на час (t):

Q = Ф· t.

Враховуючи зв’язок світлового потоку та освітленості, отримуємо формулу для знаходження світлової енергії:

Q = E·S·t.

Коефіцієнт корисної дії – відношення виконаної роботи до загальних енергетичних затрат на її виконання. Безрозмірна величина, яка вимірюється у відсотках або частинах від цілого. Позначається грецькою літерою η (ета):

.

В нашому експерименті:

,

де:

η – коефіцієнт корисної дії (ККД), щоб отримати результат в %, потрібно помножити на 100%;

E – освітленість;

S – площа освітлювальної поверхні;

P – потужність електричної лампи.

Вказівки до роботи.

1. Запустіть мобільний додаток «Науковий журнал – загальне освітлення» (Рис.1). Вкрутіть в патрон настільної лампи, або іншого освітлювального приладу лампу розжарення (Рис. 2). Покладіть свій гаджет під настільною лампою так, щоб під час проведення вимірювань його положення відносно лампи не змінювалось. Виміряйте освітлення. Обчисліть освітлювальну  площу, т.б. площу поверхні вашого смартфону, яка освітлюється. Потужність електричної лампи зазначається на самій лампі. Визначте ККД лампи.

Рис. 1. Вигляд панелі мобільного додатку «Науковий журнал – загальне освітлення»

2. Повторіть дослід п. 1 для люмінесцентної та світлодіодної ламп.

3. Результати вимірюваннь занесіть до таблиці:

4. Знайдіть відносну похибку вимірювання ККД для кожної електричної лампи.

При непрямих вимірюваннях  відносну похибку за формулою:

ε_η = ε_Е + ε_S + ε_P

Відносна похибка вимірювання величини x  обчислюється як відношення абсолютної похибки та виміряного значення величини:

ε_x = Δx/x_вим

Абсолютна похибка прямого вимірювання (Δx) враховує як систематичну (інструментальну) похибку, зумовлену приладом (Δx_прил), так і випадкову похибку (Δx_вип), зумовлену процесом вимірювання:

Δx = Δx_прил+ Δx_вип.

Якщо вимірювання проводили один раз, то вважаємо, що випадкова похибка дорівнює половині ціни поділки шкали приладу (в нашій практичній роботі проводимо вимірювання один раз для кожної лампи). Ціну поділки та інструментальну похибку учнівської лінійки ви пам’ятаєте. Відносна похибка люксметра вашого гаджета складає 5 %. Виробники електричних ламп заявляють  відносну похибку потужності  не  більше  10 %.

5. Проаналізуйте експеримент і його результати, сформуйте висновок, в якому зазначте: 1) яку величину ви виміряли прямими та непрямими методами; 2) яка величина внесла найбільшу похибку; 3) яка лампа є більш ефективною.

Творче завдання.

Виміряйте світловий потік кожної лампи. Порівняйте свої результати з значеннями світлового потоку, що зазначені на лампах (якщо такі відомості відсутні, використайте додаткові джерела). Зробіть висновок.