УРОК 19 Тема: Елементи фотометрії. Сила світла й освітленість - Фізика 7 клас - Середня школа - Каталог статей - Учительська світлиця
Головна » Статті » Середня школа » Фізика 7 клас

УРОК 19 Тема: Елементи фотометрії. Сила світла й освітленість

УРОК 3
Тема: Елементи фотометрії. Сила світла й освітленість
Методичні рекомендації й матеріали
Елементи фотометрії
Практичні завдання фотометрії
Програмою  передбачене  вивчення  елементів  фотометрії  вже 
в   7-му класі при розгляданні світлових явищ. Фотометрія є розділом 
фізичної  (не  геометричної)  оптики,  що  вивчає  методи  й  прийоми 
вимірювання енергії світлового випромінювання. У більш вузькому 
значенні  під  фотометрією  мається  на  увазі  сукупність  методів,  що 
дозволяють  характеризувати  видиме  випромінювання  відповідно 
до  його  дії  на  око  людини.  На  фотометричні  методи  досліджень 
і роз рахунків спирається світлотехніка, яка займається питаннями 
найбільш раціонального використання джерел світла.
Як використати природні (головним чином світло Сонця) і штучні 
джерела світла для створення нормальних умов діяльності людини, 
для  нормального  зорового  сприйняття  нею  оточуючих  предметів? 
Як  потрібно  розташовувати  джерело  світла  стосовно  робочого  міс-ця,  яка  кількість  штучних  джерел  світла  повинна  бути  в  даному 
приміщенні, якої конструкції повинні бути ці джерела? От далеко 
не повне коло питань, розв’язуваних фотометрією. Можна сказати, 
що всі фотометричні розрахунки «починаються» від джерел світла 
й «закінчуються» на сітківці ока.
Поняття «точкове джерело випромінювання», «сила світла»  
  й «освітленість»
Особливо просто проблеми фотометрії вирішуються в тих випад-ках,  коли  джерело  випромінює  енергію  рівномірно  в  усіх  напрям-ках.  Це  означає,  що  дія  такого  джерела  (наприклад,  розпеченої 
кулі малого розміру) на який-небудь приймач буде залежати тільки 
від відстані.
Часто дія випромінювання вивчається на відстані, яка значно пе-ревищує розміри джерела випромінювання. У цьому випадку можна 
вважати, що випромінювання відбувається ніби з однієї точки — цен-тра джерела. Джерела випромінювання такого роду можна вважати 
точковими.  Природно,  джерело,  яке  можна  вважати  точковим, 
не завжди  має  бути  малим.  Важливе  співвідношення  між  розміра -
ми джерела й відстанню, на якій його досліджують або на якій воно 
діє. Зразком точкових джерел у земних умовах є зірки. Уважають, 
що  випромінювання  точкового  джерела  не  залежить  від напрямку 
й поширюється рівномірно в усіх напрямках.
Про силу світла якого-небудь джерела можна судити за ступенем 
освітленості ним якої-небудь поверхні або, що те ж саме, за кількістю 
променів, які падають на одиницю площі цієї поверхні (за аналогією 
з  напругою  електричного  поля,  джерелом  якої  виступає  точковий 
електричний заряд). Якщо джерело  А на деякій відстані висвітлює 
одиницю  площі  поверхні  у  2,  3,  4…рази  сильніше,  ніж  джерело  В 
на тій самій відстані, то сила світла джерела  А у 2, 3, 4…разів більша 
за силу світла джерела В.
Еталоном одиниці сили світла тривалий час була свіча. Спочатку 
це була свіча певного типу, що горіла за певних умов, втім, близь-ка  за властивостями  до  звичайної  світної  свічі.  Природно,  подібне 
джерело  було  досить  ненадійним  стандартом.  Потім  якийсь  час 
стандартною одиницею сили світла служила міжнародна свіча. Вона 
визначалася  як  1/60  сили  світла,  яке  дає  один  квадратний  санти-метр «чорного тіла» при температурі плавлення платини (1755 
°
С). 
Чорним  тілом  називається  тіло,  чорне  в  холодному  стані.  Коли  це 
тіло перебуває при необхідній температурі, воно розжарене добіла. 
Цікаво, що чим чорніше тіло в холодному стані, тим яскравіше воно 
при нагріванні до розжарення.
У теперішній час одиницею сили світла є  кандела , яка дорівнює 
силі світла в заданому напрямку джерела, що випускає монохрома-тичне випромінювання частотою 540 · 10
12
 Гц, енергетична сила якого 
в цьому напрямку 1/683 Вт/ср.
Освітленість описує кількість світла в тій області, де світло необ-хідне;  наприклад,  кількість  світла,  що  падає  на  сторінку  книги. 
Природно, освітленість буде визначатися силою світла джерела й від-даленістю від нього. Одиницею освітленості служить люкс, що являє 
собою  освітленість на відстані одного метра від джерела із  силою 
світла в одну канделу. Це визначення засноване на припущенні, що 
джерело точкове і що розглянута поверхня перпендикулярна до пря -мої, яка з’єднує джерело й поверхню. Крім того, це визначення при-пускає, як відзначалося вище, що якщо силу світла джерела подвоїти, 
то на даній відстані освітленість також подвоїться. Інакше кажучи, 
освітленість змінюється прямо пропорційно силі світла джерела.
Закони освітленості
Установлено такі закони освітленості.
1 ­ й  закон  освітленості.  При  висвітленні  точковим  джерелом 
світла освітленість поверхні обернено пропорційна квадрату від-стані її від джерела світла. 
Це можна пояснити в такий спосіб. 
Уявімо  світну  точку  S   і  опишемо 
навколо неї дві концентричні сферичні 
поверхні з радіусами, які ми позначимо 
відповідно  через r  і  R.  Якби  перша  по-верхня  була  непрозора,  то  вона  затри -мала б усі промені, що вийшли зі світної 
точки. Якби цієї поверхні не існувало, то 
ті самі промені впали б на другу сферич-ну  поверхню.  Таким  чином,  на  кожну 
із двох сферичних поверхонь упала б та 
сама  кількість  променів  світла.  Однак 
освітленість не була б однаковою, оскіль -ки  на  кожну  одиницю  площі  поверхні 
другої  сфери  впало  б  у  стільки  ж  разів 
менше  променів,  у  скільки  площа  по-верхні  зовнішньої  сфери  більше  площі 
поверхні внутрішньої. 
З геометрії відомо, що площі сфер відносяться, як квадрати їх-ніх радіусів. Тому, позначивши відповідно через E
r
 і  E
R
 освітленості 
для  поверхонь внутрішньої і зовнішньої, одержимо:
E
r
 / E
R
 = R
2
 / r
2
.
Таким чином, якщо віддалити поверхню на відстань утроє біль-шу, ніж колись, її освітленість зменшиться в 9 разів, якщо наблизити 
на відстань удвічі меншу, ніж колись, то освітленість збільшиться 
в 4 рази.
Взагалі, якщо силу світла джерела позначити через I, то освіт-леність поверхні на відстані  R від цього джерела:
Е = I / R
.
Приклад.  Джерело  світла,  сила  світла  якого  1  кд,  на  відста -ні  1 м  дає  освітленість  в  1  люкс,  10  таких  джерел  на  тій  самій  від-стані —  10 люксів  і  36  таких  самих  джерел  дадуть  36  люксів.  Але 
36  на  відстані  2  м  дадуть  освітленість  у  чотири  рази  меншу,  тобто 
Рис. 3.29.   
До  введення  поняття  освіт-леності  (закон  зворотніх  ква-дратів)
144
9   люксів,  на  відстані  4  м  —  у  16  разів  меншу,  тобто  2,25  люкси; 
на  відстані   10  м—  в  100  разів  меншу,  тобто  0,36  люкса;  на  відста-ні  0,5 м — в 4 рази більше, тобто 144 люкси.
2 ­ й  закон  освітленості.  Освітленість  поверхні  паралельними 
променями  залежить  від  кута  падіння  променів  на  цю  поверхню. 
Таке формулювання є неповним. Воно відбиває якісний бік роз-глянутого питання. Справа в тому, що математична підготовка учнів 
7-го  кла  су не дозволяє записати дру гий закон освітленості у вигляді 
математичного виразу. Проте, суть справи школярам пояснити ціл-ком можливо (рис. 3.30).
Насамперед, треба пояснити учням, що якщо поверхня висвіт-люється паралельними  променями, то 
освітленість цієї поверхні не за  лежить 
від віддаленості цієї поверх ні від дже -рела. У цьому випадку легко помітити, 
що кількість енергії, яка приходиться 
на  дану  площу,  розташовану  перпен -дикулярно  до   променів,  залишається 
тою  са мою  ( Е
0
).  У  термінах  променів 
світла  це  твердження  звучить  при -близно  так:  кількість  променів,  що 
пронизують  ділянку,  не  змінюється.
Освітленість  змінюється,  якщо 
змінюється  кут  падіння  променів 
на  поверхню,  коли  освітлення  здій -снюється  променями,  нахиленими 
до  неї,  замість  перпендикулярних.  У 
випадку,  якщо  промені  ковзають  уз -довж поверхні (кут падіння прямої), її освітленість дорівнює нулю. 
Найбільша освітленість буде реалізовуватися в тому випадку, якщо 
промені будуть перпендикулярні до площини. Освітленість при  ко-сому падінні променів буде більша 0, але менша Е
0
.
Освітленість косими променями постійно наявна при освітленні 
Землі сонячним світлом; протягом доби зі зміною положення Сонця 
на небі безупинно змінюється освітленість земної поверхні.
Які умови необхідні для збереження зору при читанні   
  й іншій роботі із близькими предметами?
Якщо  яскраво  освітити  сторінку,  то  нам  буде  легше  читати  її 
(особливо дрібний шрифт), ніж якби сторінка була освітлена слабко. 
Рис. 3.30.   
Залежність освітленості від кута 
падіння променів світла на освіт-лювальну поверхню
Іншим  фактором,  що  визначає  легкість  розгляду,  є  час,  протягом 
якого  розглядається  предмет.  Отже,  можна  дійти  висновку,  що 
можна поліпшити умови бачення, особливо при розгляді близьких 
предметів, у такий спосіб: а) достатнім збільшенням розмірів шрифту 
або інших розглянутих предметів, б) можливо більшим контрастом 
між  фоном  і  розглянутим  тілом,  в)  досить  сильною  освітленістю 
предмета, г) збільшенням часу розгляду предмета.
У багатьох випадках важко збільшити розмір предмета й контраст 
між предметом і фоном. Наприклад, при шитті часто необхідно кори-стуватися ниткою певної товщини й тих самих кольорів, що й сама 
сукня. Але навіть за таких несприятливих умов можна помітно по-легшити працю шиття відповідним посиленням освітленості.
У  школі,  де  очі  зазнають  особливо  важкого  навантаження, 
непри  пустимо, щоб контраст між друком книги й папером, на якому 
видрукуваний шрифт, був недостатнім, і зовсім неприпустимо, щоб 
шрифт був занадто малим. Мабуть, найсприятливішим фактором, що 
утрудняє читання в школі, є невідповідна освітленість. У таблиці на-ведені дані щодо освітленості, необхідної при різного роду заняттях.
Дуже цікавою практичною вправою могла б стати перевірка ін-тенсивності освітленості в класних кімнатах і в інших приміщеннях, 
а також удома за допомогою приладу, що дає освітленість у люксах, 
і порівняння отриманих результатів з даними таблиці.
Вид занять
Освітленість, що 
рекомендується, 
у люксах
Читання рукопису при написанні олівцем 23
Читання тексту газети 33
Читання машинописного тексту на темно-синьому  
папері
Зняття показань зі сталевої шкали з поділками в 0,5 мм 166
Розглядання чорної нитки на фоні темної сукні 540
У порівнянні із наявною освітленістю в школах і на виробниц-тві  ці  рекомендації  можуть  здатися  надзвичайно  високими.  Але 
в порівнянні з освітленістю під тінистим деревом, рівною приблизно 
1000 люксів, ці освітленості дуже малі. У багатьох школах, будинках, 
установах освітленість набагато нижча за необхідну й значно нижча 
за освітленість на відкритому повітрі, до якої людське око пристосу-валося протягом багатьох тисячоліть.
Розподіл світла
Правильний розподіл світла так само важливий для полегшення 
бачення, як і відповідна освітленість. На відкритому повітрі в ясний 
день  приблизно  80 %  або  4/5  світла  приходить  безпосередньо  від 
Сонця, а 20 % або 1/5 являє розсіяне атмосферою дифузійне світло.
Фахівці  вважають,  що  й  у  внутрішніх  приміщеннях  повинне 
бути приблизно таке саме співвідношення між прямою і дифузійною 
освітленістю, як і на відкритому повітрі. Це означає, що для роботи 
із близькими предметами, наприклад для шиття, або для шкільних 
занять  4/5  світла  повинні  приходити  безпосередньо  від  джерела, 
а 1/5  відбиватися  на  розглянутий  предмет  від  стелі,  стін  та  інших 
оточуючих предметів.
Потрібно всіма способами уникати різких контрастів між прямою 
освітленістю і освітленістю розсіяним світлом від оточуючих пред-метів. Різкий контраст між яскраво освітленою сторінкою й темним 
фоном змушує око щоразу при переведенні погляду в погано освітлені 
частини  кімнати  знову  пристосовуватися.  Це  робиться  дуже  часто 
несвідомо. Якщо є різкі контрасти, то в результаті цього очі, а також 
нервова  система  людини  зазнають  великого  навантаження.  Отже, 
оточуючі предмети не повинні бути освітлені яскравіше, ніж ваше 
робоче місце.
Відсвічування
Якщо навіть розміри предмета, сила світла, контраст між предме-том та фоном і час для розглядання предмета відповідають нормам, 
то  все-таки  бачення  може  бути  утруднене.  Треба  нагадати  учням, 
що  всім  їм,  імовірно,  доводилося  колись  проводити  вимірювання 
за  допомогою  металевої  лінійки  або  читати  текст,  видрукуваний 
на глянсовому папері. У цьому випадку кожний міг переконатися, що 
це іноді просто неможливо зробити, якщо не змінити кут, під  яким 
промені  світла  падають  на  предмет.  Це  утруднення  пояснюється 
«відсвічуванням»,  що  не  тільки  погіршує  бачення,  але  й  заподіює 
багато незручностей.
Відсвічування виникає в тому випадку, якщо пучок світла падає 
на  розглянутий  предмет  під  певним  кутом.  Дифузійне  (розсіяне) 
світло ніколи не дасть відсвічування.
Як домашнє завдання можуть бути запропоновані такі питання 
й завдання.
3.1.  Запропонуйте спосіб, за допомогою якого можна визначити, 
яке джерело світла (точкове або протяжне) міститься усере -дині «чорного ящика».
3.2.  Який  вплив  на  освітленість  зробить  подвоєння  відстані 
від джерела? Потроєння? Скорочення відстані вдвічі?
3.3.  Чи  відповідає  освітленість  на  твоєму  робочому  місці  всім 
необхідним для гарного бачення умовам?
3.4.  Яка сила світла лампи, що дає освітленість в 5 люксів на  від-стані 10 м від лампи?
3.5.  Яка освітленість буде на відстані 5 м від лампи із силою світла 
в 100 кандел? Чи достатньо такої освітленості для читання 
літератури?
Категорія: Фізика 7 клас | Додав: uthitel (12.01.2014)
Переглядів: 1407 | Рейтинг: 0.0/0
Всього коментарів: 0
Ім`я *:
Email *:
Код *: