Підручник Фізика 9 клас з поглибленим вивченням - Т М. Засєкіна - Оріон 2017 рік

Розділ 2 СВІТЛОВІ ЯВИЩА

§ 22. СИЛА СВІТЛА Й ОСВІТЛЕНІСТЬ

Ви дізнаєтесь

- Чому взимку Сонце світить, а не гріє

Пригадайте

- Що таке світло

Енергетичні та фотометричні характеристики світла. У цьому параграфі йтиметься про енергетичні характеристики світла. Енергія світла, яка передається навколишнім тілам, може перетворюватись на теплову, хімічну, електричну. Наше око також є приймачем енергії світла, яка й створює зорові відчуття. Саме тому енергетичні характеристики світла ґрунтуються на безпосередньому сприйнятті світла оком людини, тобто на зоровому відчутті.

Розрізняють енергетичні величини, що характеризують будь-яке випромінювання та відповідні їм фотометричні величини, які враховують зорові відчуття людини.

Енергетична величина

Одиниця величини

Фотометрична величина

Позначення

Одиниця величини

Енергія випромінювання

Дж

Світлова енергія

W

лм·с (люмен на секунду)

Потік випромінювання (потужність випромінювання)

Вт

Світловий потік

Ф

лм (люмен)

Поверхнева густина потоку випромінювання

Дж/м2

Освітленість

Е

лк (люкс)

Сила випромінювання

Вт/ср1

Сила світла

І

кд (кандела)

Енергетична яскравість

Вт/(ср·м2)

Яскравість

L

кд/м2

Розглянемо їх детальніше.

Світловий потік. Кожне джерело світла випромінює видиме світло у навколишній простір. Щоб оцінити, яка кількість світлової енергії надходить від джерела на відповідну поверхню за певний інтервал часу, вводять поняття світлового потоку.

Світловий потік, Ф — це фізична величина, яка визначається кількістю світлової енергії (за зоровим відчуттям), що потрапляє на поверхню за одиницю часу: Ф = .

Одиницею світлового потоку є 1 люмен (1 лм).

Світловий потік від нічного зоряного неба, що потрапляє на зіницю ока, становить всього Ф = 0,000000001 лм, а від полуденного Сонця — Ф = 8 лм.

Світловий потік, як і потік енергії, можна вимірювати у ватах, оскільки він фактично визначає потужність випромінювання, яке потрапляє на певну поверхню. Проте чутливість нашого ока залежить від кольору світла. Так, наприклад, потік оранжевих променів потужністю 1 Вт створює зорове відчуття такої самої інтенсивності, як потік зелених променів потужністю 0,5 Вт. Експериментально встановлено, що світловому потоку хвиль зеленого кольору в 1 лм відповідає потужність 0,0016 Вт. Установити універсальну залежність між ватом і люменом не вдається.

Сила світла. Деякі джерела світла випромінюють світло рівномірно в усі боки, наприклад Сонце, а от прожектор чи ліхтарик випромінюють світло в певному напрямку. Для оцінки просторового розподілу світлового потоку, що випромінюється джерелом світла, застосовують таку фізичну величину, як сила світла.

1ср — стерадіан, одиниця тілесного кута, який визначається відношенням площі S до квадрата радіуса r сфери.

Сила світла, І — фізична величина, яка визначає величну світлового потоку в певному напрямку. Якщо джерело випромінює видиме світло рівномірно в усі боки, то сила світла обчислюється за формулою: I = .

Одиницею сили світла є 1 кандела (1 кд). Вона належить до основних одиниць Міжнародної системи одиниць (СІ).

У таблиці наведено значення сили світла деяких джерел.

Освітленість. Робоче місце кожної людини, особливо школяра, має бути достатньо освітленим. Усім відомо, наприклад, що читання при недостатньому освітленні швидко втомлює. Втома настає і за надмірного освітлення робочого місця. Але недостатнє й надмірне освітлення — це неточні поняття. Щоб схарактеризувати, як освітлена поверхня, використовують поняття освітленості.

Освітленість, Е — це фізична величина, яка показує, який світловий потік падає на одиницю поверхні: Е = .

Одиницею освітленості є 1 люкс (1 лк).

Наші очі пристосовуються до різної освітленості. Сонячного дня на відкритій місцевості освітленість може сягати до 100 000 лк, а вночі при повному Місяці усього 0,2 лк. Для комфортного читання книги необхідна освітленість 60 лк.

Кожен з вас певним чином змінював освітленість свого робочого місця. Що ви для цього робили? Нахиляли лампу нижче до поверхні стола, або встановлювали її під певним кутом, а може, змінювали лампу на іншу — більш потужну? У будь-якому випадку вам вдавалося змінити освітленість. З’ясуємо чому.

Нехай, наприклад, світловий потік від точкового джерела падає на екран (мал. 158).

На одиничній відстані точкове джерело освітлює одиничну поверхню.

Якщо збільшити відстань у 2 рази, то поверхня, що освітлюється, збільшиться в 4 рази.

Якщо збільшити відстань у 3 рази, то освітлювана поверхня збільшиться у 9 разів.

Відповідно при збільшенні площі освітлюваної поверхні освітленість буде зменшуватися.

Освітленість змінюється й у разі, якщо світло падає на поверхню під різними кутами (мал. 159).

У випадку перпендикулярного падіння променів освітлюється певна площа поверхні. Якщо відхиляти промені від вертикального напрямку, то збільшується площа освітленої поверхні. Отже, освітленість зменшується.

Враховуючи, що E = , дійдемо висновку, що освітленість поверхні точковим джерелом світла обернено пропорційна квадрату відстані від джерела до цієї поверхні й залежить від кута падіння світлового променя.

У випадку точкового джерела світла E =, де І — сила світла, r — відстань від джерела світла до освітленої поверхні, — кут між перпендикуляром до поверхні и напрямком поширення світлового променя.

Мал. 158. Залежність освітленості поверхні від відстані до джерела

Мал. 159. Освітленість залежить від кута падіння променів

Якщо поверхня розташована перпендикулярно до напрямку поширення світла на відстані r від точкового джерела, сила світла якого I, то формула набуває вигляду: Е = .

У цьому ви переконуєтеся щодня. Уранці й увечері сонячні промені падають на поверхню Землі під найбільшим кутом, тому слабо її освітлюють і нагрівають. У полудень, коли сонячні промені майже перпендикулярно падають на земну поверхню, вона отримує значно більше світла й тепла.

Унаслідок одержання різної кількості сонячної енергії змінюються пори року на Землі (мал. 160).

Мал. 160. Обертання Землі навколо Сонця

Закони освітленості:

1. З віддаленням джерела освітленість зменшується обернено пропорційно квадрату відстані.

2. Освітлюваність, яку створюють кілька джерел світла в деякій точці поверхні, дорівнює сумі освітленостей, створюваних кожним джерелом окремо. Переконатись у виконанні цього закону ви також можете самостійно. Цю властивість використовують світлотехніки під час освітлення сцени (мал. 161).

Мал. 161. Освітлення сцени декількома прожекторами

ФОРМУЄМО КОМПЕТЕНТНІСТЬ

Я поміркую й зможу пояснити

1. Що називають світловим потоком? Силою світла? Освітленістю?

2. Як можна збільшити освітленість певної поверхні?

3. Чому на екваторі завжди тепліше, ніж у середніх широтах, де ми живемо?

4. За яких умов утворюються льодяні бурульки на дахах будинків?

Вчимося розв'язувати задачі

Задача 1. Обчисліть повний світловий потік, що його випромінює лампа розжарювання, сила світла якої дорівнює 30 кд. Яка потужність лампи?

Розв’язання:

Вважаємо, що лампа розжарення випромінює світло рівномірно в усі боки.

З формули I = виражаємо Ф = 4І.

Визначаємо значення шуканої величини: Ф = 4 · 3,14 · 30 = 376,8 лм. Скориставшись порівняльною таблицею значень потужностей і повного світлового потоку, бачимо, що світловий потік 376,8 лм забезпечує лампа потужністю 40 Вт.

Відповідь: Ф = 376,8 лм, Р = 40 Вт.

Задача 2. Стіл освітлений лампою, розташованою на висоті 1,2 м прямо над столом. Визначте освітленість столу під лампою, якщо повний світловий потік лампи становить 750 лм. Лампу вважайте точковим джерелом.

Розв’язання:

Оскільки джерело світла вважаємо точковим і стіл розташований перпендикулярно до напрямку поширення світла, то можемо скористатись формулою: Е = .

Лампа поширює світло в усі боки, тому I = .

Підставляючи вираз для сили світла в першу формулу, отримуємо:

Е = .

Визначимо значення шуканої величини: Е =

Відповідь: Е = 41,5 лк.

Я можу застосовувати знання й розв'язувати задачі





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити