Большую часть информации человек получает посредством зрения. Поэтому очевиден интерес, проявляемый к изучению закономерностей воздействия световых волн на глаз человека и на технические устройства регистрирующие излучение. Постановка учебной лабораторной работы в общем курсе физики позволяет студентам лучше разобраться в широко принятых системах энергетических и световых фотометрических единиц, а также освоить взаимный перевод единиц.
Традиционные лабораторные практикумы по фотометрии обычно используют классические схемы с протяженной оптической скамьей и с необходимостью обеспечения при измерениях низкой фоновой освещенности [2, 4]. Это создает ряд технических проблем, связанных с требованием широкого диапазона линейности световой характеристики и высокой чувствительности фотоприемника, необходимостью применения светопоглощающих экранов. Выполнение таких требований делает лабораторную установку громоздкой и затрудняет проведение измерений с достаточной точностью.
Цель работы
Предлагается вариант макета лабораторной установки, свободный от указанных недостатков, основанный на использовании современных источников, фотоприёмников и методов регистрации оптического излучения.
В качестве источника света использован монохроматический светодиод. Это позволяет для известной длины волны наглядно осуществить переход от энергетических единиц к световым.
Регистрация светового потока производилась фотодиодом в режиме короткого замыкания, что обеспечивало с хорошим запасом необходимый диапазон линейности световой характеристики и, как следствие, хорошую точность измерений. Световой сигнал модулировался на звуковой частоте, с невысоким содержанием гармоник сетевого напряжения. Применение модулированного сигнала делало установку нечувствительной к фоновому излучению и позволяло производить измерения при естественном освещении. Размеры излучателя и фотоприемника не превышали 1 см, что давало возможность получать достаточное количество экспериментальных точек с компактной оптической скамьей длиной всего 30 см.
На рис. 1 приведен внешний вид установки. Приёмная площадка фотодиода могла поворачиваться вокруг оси для изменения угла падения света. Угол поворота отсчитывался по транспортиру. Значение светового потока регистрировалась цифровым вольтметром.
Рис. 1. Внешний вид установки
Применительно к изготовленному лабораторному макету разработано методическое описание, в котором формулируется цель работы, сообщается о назначении и принципах построения энергетических и световых фотометрических единиц. Дается определение важнейших единиц фотометрической системы, среди которых: световой поток, сила света, освещенность, светимость, яркость [3]. Сообщается о свойствах ламбертовской поверхности, приводится основной закон фотометрии. Отдельный раздел посвящен связи между световыми и энергетическими величинами.
Задание на работу предусматривает:
– проверку зависимости освещенности от расстояния;
– определение диапазона расстояний, для которых с заданным приближением выполняется основной закон фотометрии;
– определение зависимости светимости поверхности от угла падения света;
– определение диапазона углов падения света, для которых с необходимым приближением выполняется закон Ламберта;
– определение силы света излучателя в энергетических и световых единицах;
– определение освещенности в люксах по заданной энергетической чувствительности фотоприемника.
На следующих рисунках даны примеры графиков экспериментальных зависимостей, полученных в условиях нормальной освещенности рабочего места. На рис. 2 приведено расчетное значение силы света для различных расстояний между источником и приемником света. Как следует из приведенных данных, в диапазоне от 60 до 300 мм сила света остается практически постоянной, а значит – хорошо выполняется основной закон освещенности, справедливый для точечного источника света. При меньших расстояниях наблюдалось отклонение от этого закона, что связано с конечными размерами источника и приемника света. Так при диаметре излучателя 10 мм отклонение от расчетных зависимостей достигало 20 % на расстоянии 20 мм.
Для определения силы света источника в световых единицах следует выбрать на графике зависимости I(R) величину энергетической силы света, соответствующую пологому участку характеристики (I = 4,2∙10-3 Вт/ср для нашего примера). Расчет по зависимости:
Iсв = Iэн*K*V(λ),.
где функция видности [1] для λ = 0,6 мкм V(λ) = 0,63 дает значение силы света Iсв = 1,8 кд.
Освещенность фотоприемника в люксах при нормальном падении лучей света можно определить для одного из расстояний, указанного преподавателем. Например, для R = 100 мм значение освещенности составило Е = 180 лк.
Итак, по экспериментальным данным студенты могут определить минимальное расстояние, начиная с которого можно использовать расчеты по закону освещенности с заданной погрешностью и сопоставить это расстояние с размерами источника света, освоить перевод энергетических единиц в световые.
Рис. 2. Зависимость расчетной величины силы света источника от расстояния
Рис. 3. Отличие освещаемой поверхности фотоприемника от Ламбертовской для разных углов падения света
На рис. 3 приведены экспериментальные значения коэффициента δ, отражающего отношение светимости поверхности фотоприемника к светимости идеальной Ламбертовской поверхности для разных углов падения света. По графику можно определить диапазон углов, для которых с заданной погрешностью можно использовать закон Ламберта. Если принять допустимые отклонения в 10 %, то для приведенного примера диапазон углов составит от 0 до 66 градусов.
Заключение
Таким образом, компактность установки, хорошая точность измерений, независимость от фоновых засветок и достаточный объем учебных задач делает на наш взгляд предлагаемую работу интересной для лабораторного практикума в вузовском курсе физики.