Измерение силы света

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).

12 стр., 5637 слов

Шкала электромагнитных волн

... быстро следующих друг за другом импульсов тока. Электромагнитное излучение характеризуется частотой, длиной волны и мощностью переносимой энергии. Частота электромагнитных волн показывает, сколько раз в секунду изменяется в ... даже миллионные доли ватта на квадратный метр. Распространение радиоволн Самый простой случай -- это распространение радио волны в своодном пространстве. Уже на небольшом ...

Один микрометр равен тысячной доле миллиметра.

Попадая на сетчатую оболочку глаза, энергия света вызывает зрительное ощущение в виде яркостей и цветов. Воздействуя на светочувствительный фотоматериал, энергия света, вызывая фотохимическую реакцию, преобразуется в изображение. Но эти две системы различно «видят» свет. Наши глаза и мозг стремятся скорректировать, приспособиться к особенностям освещения.

В отличие от биологического изображения картинки, зарегистрированные фотографическими системами, фиксируют освещение таким, какое оно есть на самом деле, со множеством нюансов, «не видимых» глазом и мозгом человека.

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).

1 кд примерно соответствует силе света одной свечи («кандела» как раз и означает «свеча»).

Электрические лампы накаливания чаще всего имеют силу света около 100 кд, прожектор дает десятки тысяч кандел, а иногда — даже миллионы кандел.

Теоретически на земле максимальный уровень естественной освещенности достигается в полдень во время летнего солнцестояния на экваторе, и то только в верхних слоях атмосферы. Влажность, загрязнение, облачность, отражение от слоев воздуха с различной температурой и многие-многие другие факторы в реальных условиях значительно снижают уровень освещенности. Диапазон силы света простирается от яркого солнечного света на экваторе до безлунной ночи в глубине горного ущелья. При таких огромных «крайностях» характер освещения варьируется от яркого точечного «луча» до «пасмурного» рассеянного света. Некоторые источники света могут показаться простыми и однообразными по характеру освещения, но это только на первый взгляд. Солнце, например, на чистом голубом небе является точечным источником света, но в то же время это гигантский источник рассеянного бледно-голубого света при пасмурной погоде. Характер освещения зависит от величины источника света и расстояния от него до объекта и направления светового потока. Соотношение между линейными размерами источника света, расстоянием от источника света и направлением светового потока можно выразить следующим образом: если линейные размеры излучающего свет тела близки или. равны расстоянию от источника до объекта съемки, то освещенность объекта будет носить мягкий, светотональный характер. Если же линейные размеры источника света в десятки раз меньше расстояния от него до объекта съемки, такое освещение можно считать направленным светотеневым. При этом нужно учитывать, что изменение освещенности обратно пропорционально квадрату изменения расстояния. Так, если расстояние между осветителем и объектом съемки увеличить вдвое, то освещенность объекта уменьшится вчетверо.

22 стр., 10502 слов

Производственное освещение (2)

... и параметры, определяющие зрительные условия работы К количественным показателям производственного освещения относятся: лучистый поток, световой поток, сила света, яркость, освещенность. Лучистый поток (Ф) ... К < 0,2). 2. Система и виды производственного освещения Системы производственного освещения можно классифицировать в зависимости от источника света и по конструктивному исполнению (рис.1). Ш — ...

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

14 стр., 6534 слов

Взаимодействие лазерного излучения с веществом

... источники будут в случае, когда интенсивность I равна сумме отдельных интенсивностей: I1 + I2 . Именно свойства пространственной когерентности ЛИ позволяют создавать высокоэффективные мощные лазерные устройства с огромной выходной мощностью излучения. Излучение ...

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.

8 стр., 3583 слов

Электромагнитное излучение

... можно использовать при размещении видеоаппаратуры в школе и дома. 2. Виды электромагнитных излучений Электромагнитное излучение принято делить по частотным диапазонам (Приложение 1). Между диапазонами нет резких ... считается тератогенным. Многие ученые относят ЭМП к этой группе факторов. Первостепенное значение в исследованиях тератогенеза имеет стадия беременности, во время которой воздействует ЭМП. ...

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°.

Заключение

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.