III. Проведение эксперимента и обработка результатов. Принадлежности: прибор по фотометрии, выпрямитель на 20 В, микроамперметр М94 на 100 мА

Лабораторная работа № 4. 6.

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА ОСВЕЩЕННОСТИ

Принадлежности: прибор по фотометрии, выпрямитель на 20 В, микроамперметр М94 на 100 мА.

I. Основные понятия и определения

Основной фотометрической единицей является единица силы света – 1 кандела (кд). Свеча – единица силы света, значение которой принимается таким, чтобы яркость полного излучения при температуре затвердевания платины была равна 60 кд.на 1 см².

Рассмотрим точечный источник, сила света которого равна I_с, и выделим телесный угол dw с вершиной в точке О (см. рис.), Величина dФ, равная

dФ = I_с dw, (1)

называется световым потоком, излучаемым в пространство, ограниченное телесным углом dw. Единица светового потока – люмен определяется как поток от точечного источника света в 1 кд, излучаемый в телесном угле в 1 стер.

На пути светового потока dФ расположим элементарную площадку dS. Отношение светового потока к площади освещае­мой поверхности называется освещенностью и обозначается Е:

Е= dФ/ dS.

Единица освещенности – люкс устанавливается на основа­нии определения:

1 лк=1 лм!м².

Как видно из рис. площадка dS, нормаль к которой nсоставляет угол a с радиусом r, видна из точки Опод телесным углом dw и равна:

dS=dS₀/cos a= dwr²/ cos a.

Освещённость этой поверхности:

Е= dФ/ dS= dФ cos a/ dwr²= I_с cos a/ r²,

так как согласно (1) отношение dФ/ dwесть сила света источника I_с.

Таким образом,

E= I_с cos a/ r², (2)

где Е — освещенность поверхности: I_с — сила света источника; a — угол между нормалью к поверхности и направлением распространения светового потока; r — расстояние от источника до поверхности.

Формула (2) выражает два так называемых закона освещенности.

1. Освещенность площадки обратно пропорциональна квадрату расстояния от точечного источника (закон обратных квадратов).

2. Освещённость площадки прямо пропорциональна косинусу угла между направлением лучистого потока и нормалью к пло­щадке (закон косинуса).

Более наглядно закон обратных квадратов можно записать, если воспользоваться следующим: определим освещенность Е₁ в одном из направлений от данного источника света силой I на расстоянии r:

E₁= I cos a/ _,

тогда на расстоянии r₂ тот же источник света создаст освещённость:

E₂= I cos a/ r²_2.

Составив отношение освещенностей Е₁ и Е₂, подучим выражение, называемое законом обратных квадратов:

E₁/ E₂=( I cos a/ r²₁) / ( I cos a/ r²₂)= r²₂ / r²₁

или

E₁/ E₂= r²₂ / r²_1,

где E₁ и E₂- освещенности поверхностей; r₁и r₂ – расстояния от точечного источника до этих поверхностей.

Для проверки закона обратных квадратов на опыте можно воспользоваться оптическим фотометром или фотоэлементом.

II. Методика эксперимента

Прибор по фотометрии состоит из гори­зонтально расположенного кругового корпуса, закрепленного на двух стойках, установленных на общем основании. Корпус со­стоит из двух частей: камеры, внутри которой вмонтирован селе­новый фотоэлемент, и разъемного цилиндра. На торцовой части камеры помещены две клеммы, к которым подведены выводы от фотоэлемента К этим же клеммам присоединяется микроамперметр или гальванометр. При помощи рукоятки фотоэлемент мож­но вращать вокруг его оси с максимальным углом поворота, рав­ным 90°. Шкала, укрепленная на цилиндрической части камеры, служит для измерения угла поворота фотоэлемента. В нижней части откидной крышки цилиндра укреплена шка­ла с сантиметровыми делениями, предназначенная для линейных измерений. Нулевое деление шкалы совпадает с плоскостью чув­ствительного слоя фотоэлемента. Внутри цилиндра имеются не­сколько защитных ребер, которые предохраняют фотоэлемент от отраженных лучей. Черная матовая окраска внутренней части цилиндра служит надежной защитой от световых блесков.

Установка для проведения проверки закона обратных квадра­тов состоит из оптической скамьи, на которой смонтирован на правом конце фотофонарь с электрической лампой известной силы тока. По оптической скамье перемещают на ползунке селе­новый фотоэлемент. Он представляет собой систему, состоящую из металлической железной подложки, тонкого слоя полупровод­ника селена и верхнего металлического полупрозрачного слоя, пропускающего значительную часть падающего на фотоэлемент светового потока Ф.

Собирают электрическую цепь согласно схеме.

III. Проведение эксперимента и обработка результатов

Изучение зависимости освещенности от расстояния между лампочкой и фотоэлементом

Собирают электрическую цепь согласно схеме. Вынимают диафрагмы и проверяют, расположен ли фотоэле­мент перпендикулярно оси прибора (рукоятка должна находить­ся на нуле угломерной шкалы). Устанавливают лампочку против 10-го деления шкалы (т. е. расстояние rмежду лампочкой и фото­элементом равно 10 см). Линзу ставят на расстоянии l_пр от лам­почки (следует использовать результаты предыдущего опыта). Не изменяя это расстояние, передвигают одновременно лампочку и линзу и снимают показания микроамперметра соответственно для положения лампочек через каждые 5 см, начиная с 10 до 30 см- Результаты записывают в таблицу и строят график, откладывая по оси абсцисс расстояние r_о, по оси ординат — величину фототока I. Получают график зависимости фототока от расстоя­ния. Но так как величина фототока пропорциональна освещен­ности, то график зависимости освещенности от расстояния будет иметь такой же вид.

Проверка закона косинуса

Прибор собирают так же, как в предыдущем случае. Лампоч­ку и линзу устанавливают так, чтобы на фотоэлемент падал па­раллельный пучок лучей (расстояние между линзой и лампочкой равно l_пр).

Рукоятку фотоэлемента ставят на нуле шкалы угломера, за­жигают лампочку и наблюдают начальное показание микро­амперметра. При помощи рукоятки устанавливают фотоэлемент под углом в 30, 45 и 60° и снимают соответственно показания микроамперметра. Результаты записывают в таблицу. При изме­рениях необходимо следить за тем, чтобы линза и лампочка не сдвигались с первоначально установленного места. Вычисляют теоретически значения l_т для разных значений, а по формуле l_т = lо cosa и сравнивают со значениями I, полученными экспери­ментально.