Световой поток физика кратко

Обновлено: 04.07.2024

Геометрическая оптика - раздел оптики, в котором законы распространения света в прозрачных средах рассматриваются с точки зрения геометрии. Волновая оптика при λ → 0 переходит в геометрическую. Геометрическая оптика оперирует понятием световых лучей, независимых друг от друга и подчиняющихся известным законам преломления и отражения.

Световой луч - это линия, вдоль которой распространяется энергия излучения от источника света. Световому лучу в волновой оптике соответствует нормаль (перпендикуляр) к волновой поверхности.

Основные свойства лучей:

они независимы друг от друга, т. е. не взаимодействуют друг с другом
в однородной среде распространяются прямолинейно

Поверхность нормальная к лучам называется волновой поверхностью .

Если перед точечным источником света поместить экран с отверстием, то отверстие выделит в пространстве за экраном некоторый объем, внутри которого распространяется световая энергия, называемый — световым пучком .

Наблюдать можно лишь световые пучки, но не лучи, потому что световые лучи — это идеализация.

Волновой фронт - поверхность равной фазы.

Свойства волновых фронтов:

в рамках ГО волновые фронты не пересекаются между собой
через каждую точку пространства проходит волновой фронт, и причём только один.

Основные законы геометрической оптики

Закон прямолинейного распространения света : в оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно.

Существование тени, затмения

Точечный источник света - размеры которого малы по сравнению с расстоянием, на которое распространяется свет. Протяженный источник - размерами нельзя пренебречь. Тень - область пространства, куда не попадает свет от источника. Полутень — это область пространства, освещенная некоторыми из имеющихся точечных источников света или частью протяженного источника.

Солнечное затмение

Лунное затмение

Закон независимости световых лучей: световые лучи (пучки световых лучей) могут пересекаться, не возмущая друг друга, и распространяться после пересечения независимо друг от друга.

Фотометрия

Фотометрия (от греч. photós - свет и греч. metréo - измеряю) – это раздел общей физики, занимающийся измерением света.

Основной величиной, которая позволяет судить о количестве излучения, является поток излучения (или мощность излучения):

Поток излучения (лучистый поток) Ф – это величина энергии, переносимой полем в единицу времени через данную площадку:

Поток излучения измеряется в ваттах: [Ф] = 1 Дж/с = 1 Вт

Плотностью потока электромагнитного излучения I называют отношение электромагнитной энергии ΔW, проходящей за время Δt через перпендикулярную лучам поверхность площадью S, к произведению площади S на время Δt:

Плотность потока излучения в СИ выражают в ваттах на квадратный метр (Вт/м 2 ). Иногда эту величину называют интенсивностью волны.

Плотность потока излучения можно выразить через скорость его распространения. Выберем поверхность площадью S, перпендикулярную лучам, и построим на ней как на основании цилиндр с образующей cΔt. Объем цилиндра ΔV = ScΔt. Энергия электромагнитного поля внутри цилиндра равна произведению плотности энергии на объем: ΔW = wcΔtS. Вся эта энергия за время Δt пройдет через правое основание цилиндра.

Плотность потока излучения равна произведению плотности электромагнитной энергии на скорость ее распространения.

Зависимость плотности потока излучения от расстояния до точечного источника

Энергия, которую переносят электромагнитные волны, с течением времени распределяется по все большей и большей поверхности. Поэтому энергия, передаваемая через поверхность единичной площадки за единицу времени, т. е. плотность потока излучения, уменьшается по мере удаления от источника.

Поместим точечный источник в центр сферы радиусом R. Площадь поверхности сферы S = 4πR 2 . Если считать, что источник по всем направлениям за время Δt излучает суммарную энергию ΔW, то

Плотность потока излучения от точечного источника убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до источника.

Зависимость плотности потока излучения от частоты

Излучение электромагнитных волн происходит при ускоренном движении заряженных частиц. Напряженность электрического поля Е и магнитная индукция В электромагнитной волны пропорциональны ускорению а излучающих частиц. Ускорение при гармонических колебаниях пропорционально квадрату частоты. Поэтому напряженность электрического поля и магнитная индукция также пропорциональны квадрату частоты:

Е ∼ а ∼ ω 2

В ∼ а ∼ ω 2

Плотность энергии электрического поля пропорциональна квадрату напряженности поля. Энергия магнитного поля, как это можно показать, пропорциональна квадрату магнитной индукции. Полная плотность энергии электромагнитного поля равна сумме плотностей энергий электрического и магнитного полей. С учетом формулы плотность потока излучения

I ∼ w ∼ (Е 2 + В 2 )

Так как Е ∼ ω 2 и В ∼ ω 2 , то

Плотность потока излучения пропорциональна четвертой степени частоты.

Световой поток – мощность, переносимую излучением в заданном направлении через некоторую поверхность за единицу времени.

Сила света (I_v) – мощность светового потока, определяемая внутри конкретного телесного угла. Из этого понятия следует, что под данным параметром подразумевается не весь имеющийся в пространстве свет, а лишь та его часть, которая излучается в определенном направлении.

Количественно равна отношению светового потока, распространяющегося внутри элементарного телесного угла, к этому углу.

Для точечного источника световой поток по всем направлениям одинаковый, поэтому сила света одинакова по всем направлениям и равна:

Единица измерения в Международной системе единиц (СИ): кандела (кд).

Сила света различных источников:

Источник	Мощность, Вт	Примерная сила света, кд
Свеча	1
Современная (2010 г.) лампа накаливания	100	100
Обычный светодиод	0,015..0,1	0,005..3
Сверхъяркий светодиод	1	1. 30
Сверхъяркий светодиод с коллиматором	1	1500
Современная (2010 г.) люминесцентная лампа	22	120
Солнце	3,9·10 26	3·10 27

Чувствительность глаза к различным длинам волн

Освещенность - это количество света или светового потока, падающего на единицу площади поверхности. С световая величина, равная отношению светового потока, падающего на малый участок поверхности, к его площади.

Единица освещенности люкс, (лк) имеет размерность люмен на квадратный метр (лм/м 2 ).

Освещенность можно определить как плотность светового потока на освещаемой поверхности:

Освещенность не зависит от направления распространения светового потока на поверхность.

Освещенность через силу света:

Приведем несколько общепринятых показателей освещенности:

Лето, день под безоблачным небом - 100 000 люкс

Уличное освещение - 5-30 люкс

Полная луна в ясную ночь - 0,25 люкс

Законы освещенности

Наблюдения показывают, что освещенность, создаваемая точечным источником света, зависит от силы света I этого источника, расстояния R от источника до освещаемой поверхности и угла падения световых лучей (угла между падающим лучом и перпендикуляром к этой поверхности). Причем это утверждение верно для любого источника.

Первый закон освещенности (закон обратных квадратов): освещенность поверхности лучами, падающими на нее перпендикулярно, прямо пропорциональна силе света точечного источника и обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника до освещаемой поверхности.

Второй закон освещенности: освещенность поверхности параллельным световым пучком прямо пропорциональна косинусу угла падения.

Яркость — это сила света, излучаемая единицей площади поверхности в определенном направлении. Единица измерения яркости - кандела на метр квадратный (кд/м 2 ).

Поверхность сама по себе может излучать свет, как поверхность лампы, или отражать свет, который поступает из другого источника, например поверхность дороги. Поверхности с разными свойствами отражения при одинаковой освещенности будут иметь разную степень яркости.

Яркость, излучаемая поверхностью ΔS под углом φ к проекции этой поверхности, равняется отношению силы света, излучаемого в данном направлении, к проекции излучающей поверхности:

Или через силу света

Как сила света, так и проекция излучающей поверхности, не зависят от расстояния. Следовательно, яркость также не зависит от расстояния.

Свет и его общая характеристика. Определение цвета с помощью длины волны для монохроматического излучения. Соотношение между линейными размерами источника света, расстоянием от источника и направлением светового потока. Понятие яркости, освещенности.

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	19.09.2017
Размер файла	595,5 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

По дисциплине: "Физика"

На тему: "Сила света"

1. Свет и его общая характеристика

3. Диаграмма фотометрического параметра

6. Световой поток

Введение

Одним из самых интересных и неоднозначным явлением нашего мира является свет. Для физики это один из основополагающих параметров многочисленных расчетов. С помощью света ученые надеются отыскать разгадку существования нашей вселенной, а также открыть для человечества новые возможности. В повседневной жизни свет также имеет большое значение, особенно при создании качественного освещения в различных помещениях.

Все видимые нами изображения - от биологических, фотохимических до электромагнитных обязаны своим происхождением одному источнику энергии. Эта небольшая часть спектра электромагнитного излучения с интервалом длин волн от 0,44 до 0,70 мкм называется видимым светом.

1. Свет и его общая характеристика

Свет -- электромагнитное излучение, испускаемое нагретым или находящимся в возбуждённом состоянии веществом, воспринимаемое человеческим глазом. Под светом понимают не только видимый свет, но и примыкающие к нему широкие области спектра.

Первые научные гипотезы о природе света были высказаны в 17 веке. К этому времени были обнаружены два замечательных свойства света - прямолинейность распространения в однородной среде и независимость распространения световых пучков, т.е. отсутствие влияния одного пучка света на распространение другого светового пучка.

В физике свет изучается в разделе Оптика и может рассматриваться либо как электромагнитная волна, скорость распространения в вакууме которой постоянна, либо как поток фотонов: частиц, обладающих определённой энергией и нулевой массой.

Одной из характеристик света является его цвет, который определяется длиной волны для монохроматического излучения, или суммарным спектром сложного излучения. свет цвет монохроматический яркость

Свет может распространяться там где звук уже не существует (если смотреть через прозрачный колпак, из-под которого выкачали воздух, то видно, как бьётся молоточек колокольчика под колпаком, а звука не слышно). Значит, световые колебания распространяются в особой среде, эту среду Гюйгенс назвал эфиром (современная наука отрицает существование эфира).

Свет, являясь одним из видов электромагнитных колебаний, таких, как электрические волны или радиоволны, отличается от них меньшей длиной волны. Он испускается телами отдельными прерывистыми порциями - квантами (фотонами). За единицу длины волны видимых излучений принят нанометр (нм), равный одной миллионной доле миллиметра. В качестве единицы измерения волн меньшей длины принят ангстрем (А), равный одной десятой доле нанометра. Волны большой длины измеряют в микрометрах (мкм). Один микрометр равен тысячной доле миллиметра.

Рассматривая двойственную природу света, следует понимать, что эта двойственность означает одновременное наличие у света молекулярных и волновых свойств. Волновая теория света -- одна из теорий, объясняющих природу света. Основное положение теории основывается на том, что свет имеет волновую природу, то есть ведёт себя как электромагнитная волна (от длины которой зависит цвет видимого нами света). Теория подтверждается многими опытами (в частности опытом Т. Юнга), и данное поведение света (в виде электромагнитной волны) наблюдается в таких физических явлениях, как дисперсия, дифракция и интерференция света. Однако многие другие физические явления, связанные со светом, одной волновой теорией объяснить нельзя.

2. Сила света

Основной характеристикой источника света является так называемая сила света. Эту физическую величину обозначают I, единицей силы света является кандела (кд).

В физике под силой света (Iv) подразумевается мощность светового потока, определяемая внутри конкретного телесного угла. Из этого понятия следует, что под данным параметром подразумевается не весь имеющийся в пространстве свет, а лишь та его часть, которая излучается в определенном направлении.

Рисунок 1. Сила света

В зависимости от имеющегося источника излучения, данный параметр будет увеличиваться или уменьшаться. На его изменения будет оказывать прямое воздействие значения телесного угла.

В некоторых ситуациях сила света будет одинаковой для угла любого значения. Это возможно в тех ситуациях, когда источник светового излучения создает равномерное освещение пространства.

Этот параметр отражает физическое свойство света, благодаря чему он отличается от таких измерений, как яркость, которая отражает субъективные ощущения. Помимо этого сила света в физике рассматривается как мощность. Если быть точнее, она оценивается как единица мощности. При этом мощность здесь отличается от своего привычного понятия. Здесь мощность зависит не только от энергии, которую излучает осветительная установка, но и от такого понятия, как длина волны.

Стоит отметить, что чувствительность людей к световому излучению напрямую зависит от длины волны. Эта зависимость нашла отражение в функции относительно спектральной световой эффективности. При этом сама сила света является зависимой от световой эффективности величиной. При длине волны в 550 нанометров (зеленый цвет) данный параметр примет свое максимальное значение. В результате этого глаза человека будут более или менее чувствительны к световому потоку при различных параметрах длины волны.

Единица измерения для данного показателя является кандел (кд).

Сила излучения, которое исходит от одной свечки, будет примерно равна одной канделе. Ранее применявшаяся для формулы расчета международная свеча равнялась 1,005 кд.

Рисунок 2. Свечение одной свечи

В редких случаях применяется устаревшая единица измерения - международная свеча. Но в современном мире уже практически везде используется единица измерения для этой величины - кандела.

3. Диаграмма фотометрического параметра

Iv представляет собой наиболее важный фотометрический параметр. Кроме этой величины к важнейшим фотометрическим параметрам относится яркость, световой поток, а также освещенность. Все эти четыре величины активно используются при создании системы освещения в самых разнообразных помещениях. Без них невозможно оценить требуемый уровень освещённости для каждой отдельной ситуации.

Рисунок 3. Четыре важнейших световых характеристики

4. Яркость

Яркость -- это поток, посылаемый в данном направлении единицей видимой поверхности в единичном телесном угле. Отношение силы света, излучаемого поверхностью, к площади её проекции на плоскости, перпендикулярной оси наблюдения. Единицей измерения СИ служит нт (1нт=1кд/1м? ).

5. Освещённость

Освещённость -- физическая величина, численно равная световому потоку, падающему на единицу поверхности:

Единицей измерения освещённости в системе СИ служит люкс (1 люкс = 1 люмену на квадратный метр), в СГС -- фот (один фот равен 10 000 люксов). В отличие от освещённости, выражение количества света, отражённого поверхностью, называется яркостью.

Освещённость прямо пропорциональна силе света источника света.

При удалении его от освещаемой поверхности её освещённость уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния (Закон обратных квадратов).

Когда лучи света падают наклонно к освещаемой поверхности, освещённость уменьшается пропорционально косинусу угла падения лучей. Освещённость в фототехнике определяют с помощью экспонометров и экспозиметров, в фотометрии -- с помощью люксметров.

6. Световой поток

Световой поток -- соответствующая энергетическому потоку излучения световая величина, то есть мощность излучения, воспринимаемая нормальным человеческим глазом.

Для вычисления величины светового потока необходимо проинтегрировать в диапазоне от 380 до 780 нм спектральную мощность излучения e (измеряется вВт/нм), помноженную на кривую спектральной чувствительности глаза V; результат следует умножить на фотометрический эквивалент излучения Km=683 лм/Вт:

Измерение светового потока от источника света производится при помощи специальных приборов -- сферических фотометров, либо фотометрических гониометров. Трудность измерения заключается в том, что необходимо измерить поток, который испускается во всех направлениях.

Для этого можно использовать сферический фотометр -- прибор, представляющий собой сферу с внутренним покрытием, имеющим коэффициент отражения близкий к 1. Исследуемый источник света помещается в центр сферы и при помощи фотоэлемента, вмонтированного в стенку сферы и покрытого фильтром с кривой пропускания, равной кривой спектральной чувствительности глаза, измеряется сигнал, пропорциональный освещенности фотоэлемента, которая, в свою очередь, в данном устройстве пропорциональна световому потоку от источника света (фотоэлемент измеряет только рассеяный свет, так как заслонён от прямого излучения источника специальным экраном). Путём сравнения полученного сигнала с сигналом от эталонного источника света можно измерить абсолютный световой поток источника света.

Другая возможность состоит в применении фотометрических гониометров. В этом случае производится измерение освещённости, создаваемой исследуемым источником, на воображаемой сферической поверхности. Для этого люксметр проходит последовательно при помощи гониометра все позиции на сфере. Интегрируя измеренные освещённости (измеряются в люксах: 1 люкс = 1 люмен/м? ) по площади сферы (м? ), получим абсолютный световой поток источника света (в люменах).

Условием получения абсолютных значений является калиброванный в абсолютных величинах люксметр.

Можно также использовать простой фотоэлемент, если сравнивать измеренный поток с потоком от эталонного источника.

Для простоты понимания данного физического явления необходимо рассмотреть диаграмму, которая изображает плоскость, отражающую распространение света.

Рисунок 4. Диаграмма для силы света

Благодаря диаграмме видно, что Iv зависит от направления к источнику излучения. Это означает, что для светодиодной лампочки, для которой направление максимального излучения будет принято за 0°, тогда при измерении нужной нам величины в направлении 180° получится меньшее значение, чем для направления 0°.

Как видно, на диаграмме излучение, которое распространяется двумя источниками (желтый и красный), будет охватывать равную площадь. При этом желтое излучение будет рассеянным, по аналогии со светом свечи. Его мощность примерно будет равняться 100 кд. Причем значение этой величины будет одинаковой во всех направлениях. В тоже время красный будет направленным. В положении 0° он будет иметь максимальное значение в 225 кд. При этом данное значение будет уменьшаться в случае отклонения от 0°.

Сила света занимает важное место не только в физике, но и в более приземленных, бытовых моментах. Это параметр особенно важен для освещения, без которого невозможно существование привычного нам мира. При этом данное значение используется не только в разработке новых осветительных приборов с более выгодными техническими характеристиками, но и при определенных расчетах, связанных с организацией системы подсветки.

Подобные документы

Устройство фотометрической головки. Световой поток и мощность источника света. Определение силы света, яркости. Принцип фотометрии. Сравнение освещенности двух поверхностей, создаваемой исследуемыми источниками света.

лабораторная работа [53,2 K], добавлен 07.03.2007

Проведение измерения длины световой волны с помощью бипризмы Френеля. Определение расстояний между мнимыми источниками света и расчет пути светового излучения от мнимых источников до фокальной плоскости микроскопа. Расчет ширины интерференционных полос.

лабораторная работа [273,5 K], добавлен 14.12.2013

Волновые и квантовые аспекты теории света. Теоретические вопросы интерференции и дифракции. Оценка технических возможностей спектральных приборов, дифракционной решетки. Методика определения длины волны света по спектру от дифракционной решетки.

методичка [211,1 K], добавлен 30.04.2014

Теория метода получения колец Ньютона. История эксперимента. Описание состава экспериментальной установки. Нахождение длины волны красного, монохроматического света. Вывод расчетной формулы. Запись окончательного результата с учетом всех погрешностей.

контрольная работа [286,8 K], добавлен 05.11.2015

Понятие точечного источника света. Законы освещенности, поглощения Бугера, коэффициент поглощения. Использование для измерения освещенности фотоэлемента, величина тока которого пропорциональна освещенности фотоэлемента. Обработка экспериментальных данных.

лабораторная работа [241,8 K], добавлен 24.06.2015

Изучение явления интерференции света с помощью интерференционной картины, ее получение по заданным параметрам (на экране не менее восьми светлых полос). Сравнение длины световой волны с длиной волны падающего света. Работа программы "Интерференция волн".

лабораторная работа [86,5 K], добавлен 22.03.2015

Определение видимого света, его характеристика, основные свойства и измерение. Характеристика освещения при различных соотношениях линейных размеров источника света и расстояния до объекта съемки. Сочетание направленного и рассеянного света в фотосъемке.

Светотехнические величины: световой поток, сила света, освещенность, светимость, яркость

Световой поток — мощность лучистой энергии, оцениваемая по производимому ею световому ощущению. Энергия излучения определяется количеством квантов, которые излучаются излучателем в пространство. Энергию излучения (лучистую энергию) измеряют в джоулях. Количество энергии, излучающейся в единицу времени называется потоком излучения или лучистым потоком. Измеряется поток излучения в ваттах. Световой поток обозначается Фе.

где: Qе - энергия излучения.

Поток излучения характеризуется распределением энергии во времени и в пространстве.

В большинстве случаев, когда говорят о распределении потока излучения во времени, не учитывают квантового характера возникновения излучения, а понимают под этим функцию, дающую изменение во времени мгновенных значений потока излучения Ф(t). Это допустимо, поскольку число фотонов, излучаемых источником в единицу времени, очень велико.

По спектральному распределению потока излучения источники разбивают на три класса: с линейчатым, полосатым и сплошным спектрами. Поток излучения источника с линейчатым спектром состоит из монохроматических потоков отдельных линий:

где: Фλ — монохроматический поток излучения; Фе - поток излучения.

У источников с полосатым спектром, излучение происходит в пределах достаточно широких участков спектра - полос, отделенных одна от другой темными промежутками. Для характеристики спектрального распределения потока излучения со сплошным и полосатым спектрами пользуются величиной, которая называется спектральной плотностью потока излучения

где: λ — длина волны.

Спектральная плотность потока излучения - это характеристика распределения лучистого потока по спектру и равняется отношению элементарного потока ΔФeλ соответствующего бесконечно малому участку, к ширине этого участка:

Спектральная плотность потока излучения измеряется в ваттах на нанометр.

В светотехнике, где основным приемником излучения является глаз человека, для оценки эффективного действия потока излучения, вводится понятие светового потока. Световой поток - это поток излучения, оценивающийся его действием на глаз, относительная спектральная чувствительность которого определяется усредненной кривой спектральной эффективности, утвержденной МКО.

В светотехнике используется и такое определение светового потока: световой поток - это мощность световой энергии. Единица светового потока - люмен (лм). 1лм соответствует световому потоку, излучаемому в единичном телесном угле точечным изотропным источником с силой света 1 кандела.

Таблица 1. Типичные световые величины источников света:

Типы ламп	Электрическая энергия, Вт	Световой поток, лм	Световая отдача лм/вт
Лампа накаливания	100 Вт	1360 лм	13,6 лм/Вт
Люминесцентная лампа	58 Вт	5400 лм	93 лм/Вт
Натриевая лампа высокого давления	100 Вт	10000 лм	100 лм/Вт
Натриевая лампа низкого давления	180 Вт	33000 лм	183 лм/Вт
Ртутная лампа высокого давления	1000 Вт	58000 лм	58 лм/Вт
Металлогалогенная лампа	2000 Вт	190000 лм	95 лм/Вт

Световой поток Ф, падая на тело, распределяется на три составные части: отраженную телом Ф ρ , поглощенную Ф α и пропущенную Ф τ . При светотехнических расчетах используют коэффициенты: отражения ρ = Ф ρ /Ф; поглощения α =Ф α /Ф; пропускания τ =Ф τ /Ф.

Таблица 2. Световые характеристики некоторых материалов и поверхностей

Материалы или поверхности	Коэффициенты			Характер отражения и пропускания
Материалы или поверхности	отражения ρ	поглащения α	пропускания τ	Характер отражения и пропускания
Мел	0,85	0,15	-	Диффузное
Эмаль силикатная	0,8	0,2	-	Диффузное
Алюминий зеркальный	0,85	0,15	-	Направленное
Зеркало стеклянное	0,8	0,2	-	Направленное
Стекло матированное	0,1	0,5	0,4	Направленно-рассеянное
Стекло молочное органическое	0,22	0,15	0,63	Направленно-рассеянное
Стекло опаловое силикатное	0,3	0,1	0,6	Диффузное
Стекло молочное силикатное	0,45	0,15	0,4	Диффузное

Распределение излучения реального источника в окружающем пространстве не равномерно. Поэтому световой поток не будет исчерпывающей характеристикой источника, если одновременно не определяется распределение излучения по разным направлениям окружающего пространства.

Для характеристики распределения светового потока пользуются понятием пространственной плотности светового потока в разных направлениях окружающего пространства. Пространственную плотность светового потока, определяющуюся отношением светового потока к телесному углу с вершиной в точке размещения источника, в пределах которого равномерно распределен этот поток, называют силой света:

где: Ф — световой поток; ω — телесный угол.

Единицей силы света является кандела. 1 кд.

Это сила света, испускаемая в перпендикулярном направлении элементом поверхности черного тела, площадью 1:600000 м2 при температуре затвердевания платины.
Единица силы света — кандела, кд является одной из основных величин в системе СИ и соответствует световому потоку 1 лм, равномерно распределенному внутри телесного угла 1 стерадиан (ср.). Телесный угол — часть пространства, заключенная внутри конической поверхности. Телесный угол ω измеряется отношением площади, вырезаемой им из сферы произвольного радиуса, к квадрату последнего.

Освещенность - это количество света или светового потока, падающего на единицу площади поверхности. Она обозначается буквой Е и измеряется в люксах (лк).

Единица освещенности люкс, лк имеет размерность люмен на квадратный метр (лм/м2).

Освещенность можно определить как плотность светового потока на освещаемой поверхности:

Освещенность не зависит от направления распространения светового потока на поверхность.

Приведем несколько общепринятых показателей освещенности:

Лето, день под безоблачным небом - 100 000 люкс

Уличное освещение - 5-30 люкс

Полная луна в ясную ночь - 0,25 люкс

4. Отношение между силой света (I) и освещенностью (Е).

Закон обратных квадратов

Освещенность в определенной точке на поверхности, перпендикулярной к направлению распространения света, определяется как отношение силы света к квадрату расстояния от этой точки до источника света. Если данное расстояние мы примем за d, то это отношение можно выразить следующей формулой:

Для примера: если источник света излучает свет силой 1200 кд в направлении, перпендикулярном к поверхности, на расстоянии 3-х метров от этой поверхности, то освещенность (Ер) в точке, где свет достигает поверхности, будет 1200/32 = 133 лк. Если поверхность находится на расстоянии 6м от источника света, освещенность будет 1200/62= 33 лк. Это отношение называется "закон обратных квадратов" .

Освещенность в определенной точке на поверхности, не перпендикулярной направлению распространения света, равняется силе света в направлении точки измерения, разделенной на квадрат расстояния между источником света и точкой на плоскости умноженной на косинус угла γ ( γ - угол, образованный направлением падения света и перпендикуляром к этой плоскости).

Это закон косинуса (рисунок 1.).

Рис. 1. К закону косинуса

5. Горизонтальная освещенность

Для расчета горизонтальной освещенности целесообразно изменить последнюю формулу, заменив расстояние d между источником света и точкой измерения на высоту h от источника света к поверхности.

Содержание

Вычисление

Для определения величины светового потока, сначала необходимо спектральную плотность мощности излучения умножить на величину относительной спектральной световой эффективности монохроматического излучения V_λ, затем проинтегрировать в пределах видимого диапазона длин волны (то есть от 380 до 780 нм). Затем полученный результат (Φ_e; измеряется в Вт) нужно умножить на фотометрический эквивалент излучения (K_m; константа=683 лм/Вт)) [2] .

$\Phi_v = K_m \cdot \int\limits_<380~nm></p> <p>^ \Phi_<e,\lambda>\cdot V_\lambda\,\mathrm\lambda.$

Измерение

Измерение светового потока от источника света производится при помощи специальных приборов — сферических фотометров, либо фотометрических гониометров [3] . Трудность измерения заключается в том, что необходимо измерить поток, который испускается во всех направлениях — в телесный угол 4π.

Для этого можно использовать сферический фотометр — прибор, представляющий собой сферу с внутренним покрытием, имеющим коэффициент отражения близкий к 1. Исследуемый источник света помещается в центр сферы и при помощи фотоэлемента, вмонтированного в стенку сферы и покрытого фильтром с кривой пропускания, равной кривой спектральной чувствительности глаза, измеряется сигнал, пропорциональный освещенности фотоэлемента, которая, в свою очередь, в данном устройстве пропорциональна световому потоку от источника света (фотоэлемент измеряет только рассеяный свет, так как заслонён от прямого излучения источника специальным экраном). Путём сравнения полученного сигнала с сигналом от эталонного источника света можно измерить абсолютный световой поток источника света.

Другая возможность состоит в применении фотометрических гониометров. В этом случае производится измерение освещённости, создаваемой исследуемым источником, на воображаемой сферической поверхности. Для этого люксметр проходит последовательно при помощи гониометра все позиции на сфере. Интегрируя измеренные освещённости (измеряются в люксах: 1 люкс = 1 люмен/м²) по площади сферы (м²), получим абсолютный световой поток источника света (в люменах). Условием получения абсолютных значений является калиброванный в абсолютных величинах люксметр. .

Пояснения

Спектральные зависимости относительной чувствительности среднего человеческого глаза для дневного (красная линия) и ночного (синяя линия) зрения.

Значение фотометрического эквивалента излучения K_m однозначно задаётся определением основной фотометрической величины — канделы, а именно, одна кандела — это сила света, излучаемая в каком-либо направлении источником монохроматического излучения с частотой 540·10 12 Гц, имеющим в этом направлении мощность излучения 1/683 Ватт/стерадиан. Частоте 540·10 12 Гц соответствует в воздухе длина волны 555 нм [4] , на которой располагается максимум спектральной чувствительности человеческого глаза для дневного зрения. Поэтому коэффициент K_m находится из тождества

откуда K_m = 683 (кд·ср)/Вт = 683 лм/Вт.

Для случая ночного зрения значение фотометрического эквивалента излучения изменяется. Поскольку величина канделы не зависит от вида кривой спектральной чувствительности, то все предыдущие соображения остаются справедливыми. Для определения величины фотометрического эквивалента излучения ночного зрения K'_m достаточно заменить значение на (на значение кривой спектральной чувствительности для ночного зрения на длине волны 555 нм). При этом получим K'_m=1699 лм/Вт.

Человеческий глаз считается светлоадаптированным при яркостях более 100 кд/м². Ночное зрение наступает при яркостях менее 10 −3 кд/м². В промежутке между этими величинами человеческий глаз функционирует в режиме сумеречного зрения.

Читайте также: