Andrzej Wojtkiewicz Data wykonania ćw. 18.11.94

wydz. Mechaniczny

sekcja 2

Numer ćwiczenia: 21

Sprawozdanie z laboratorium fizyki

Temat: Wyznaczanie natężenia źródła światła i sprawności świetlnej żarówki. Badanie oświetlenia.

W fotometrii rozróżniamy kilka wielkości fizycznych, przy czym główną jest natężenie źródła światła. Pozostałe jednostki fotometryczne ustala się jako pochodne, na podstawie praw wiążących je z natężeniem. Jednostką natężenia źródła światła - światłości (ilość energii świetlnej wysyłanej przez źródło w jednostce czasu) jest kandela (cd). Źródłem promieniowania świetlnego o natężeniu 1 kandeli jest rurka z tlenku toru w temperaturze krzepnięcia platyny (2042 K), przy ciśnieniu 1 atmosfery fizycznej, z otworkiem o powierzchni
.

Strumień świetlny jest to ilość energii, którą przenoszą promienie świetlne przez daną powierzchnię w jednostce czasu. Jednostką strumienia świetlnego jest lumen. Strumień świetlny emitowany przez punktowe źródło światła:

Gdy punktowe źródło światła promieniuje równomiernie we wszystkich kierunkach, wówczas:

gdzie:

- strumień świetlny;

I - natężenia źródła światła;

- kąt bryłowy.

Oświetlenie jest to stosunek strumienia świetlnego padającego prostopadle na element powierzchni ds, do tejże powierzchni. Jednostką oświetlenia jest luks:

Kiedy punktowe źródło światła o natężeniu I, znajduje się w odległości r od powierzchni na którą pada, a ponad to pod kątem do normalnej, oświetlenie wyraża się wzorem:

Powyższa zależność przedstawia prawo Lamberta.

Współczynnik sprawności świetlnej źródła jest to stosunek światłości źródła I do pobieranej przez nie mocy N:

Ćwiczenie 1 : Sprawdzenie prawa Lamberta.

Na ławie optycznej umieszczono punktowe źródło światła oraz stolik obrotowy z fotoogniwem luksomierza. Stolik obrotowy posiada kątomierz do pomiaru kąta padania promieniowania na płytkę fotoogniwa. Kątomierz ustawiono na zero. Przy niezmienionej pozycji kątomierz odczytywano oświetlenie E oraz odległość r, którą następnie zwiększano o 0,5 m. Czynności te powtórzono dla kąta 30o. Wyniki przedstawiono w tabeli :

		=0o			=30o
r [m]	1/r2	E [lx]	I1 [cd]	E [lx]	I2 [cd]
0,40	6,2500	94,0	15,0400	90,0	16,6277
0,45	4,9383	88,0	17,8200	83,0	19,4076
0,50	4,0000	83,5	20,8750	78,0	22,5167
0,55	3,3058	77,9	23,5648	71,8	25,0795
0,60	2,7778	71,8	25,8480	65,0	27,0200
0,65	2,3669	66,0	27,8850	59,2	28,8814
0,70	2,0408	61,0	29,8900	54,5	30,8363
0,75	1,7778	55,9	31,4438	49,0	31,8264
0,80	1,5625	50,3	32,1920	45,0	33,2554
0,85	1,3841	47,0	33,9575	41,9	34,9560
0,90	1,2346	43,0	34,8300	37,5	35,0740
0,95	1,1080	40,0	36,1000	34,0	35,4320
1,00	1,0000	37,2	37,2000	31,8	36,7195

Z wykresu wyznaczono średnie natężenie źródła światła I. Wynosi ono 28,2cd.

Błędy jakie się wkradły do pomiarów wynikają z niedokładności przyrządów pomiarowych oraz z niewłaściwych warunków przeprowadzania doświadczeń. Na błędy ma także wpływ dokładność luksomierza, który nie był zbyt dokładny. Błędy jakie mogły wyniknąć z pomiaru odległości są rzędu jednego centymetra. Rachunek błędu przeprowadzony poniżej uwzględnia błąd odległości oraz oświetlenia, nie uwzględnia natomiast niedokładności powstałych z winy przeprowadzających ćwiczenie:

Drugim etapem ćwiczenia jest zmierzenie oświetlenia przy zmiennym kącie, a stałej odległości. Pomiary przeprowadzono dla odległości r=0,75m. Wyniki pomiarów zebrano w tabeli:

kąt	0	10	20	30	40	50	55	60	65	70	75	80	85	90
E [lx]	53	52	50	48	43	36	32	29	24	19	12	6,5	1,5	0,5
I [cd}	29,813	29,701	29,930	31,177	31,575	31,503	31,382	32,625	31,944	31,248	26,080	21,056	9,681
kąt	0	-10	-20	-30	-40	-50	-55	-60	-65	-70	-75	-80	-85	-90
E [lx]	53	52	51	48	43	36	32	28	22,5	16,5	10,5	5	1,25	0,75
I [cd}	29,813	29,701	30,529	31,177	31,575	31,503	31,382	31,500	29,947	27,137	22,820	16,197	8,067

Błędy, którymi obarczone są wyniki jak i pomiary w ćwiczeniu wynikają głównie z niedokładności kątomierza na stoliku optycznym, a także z niewłaściwych warunków do przeprowadzenia ćwiczenia. Ćwiczenie przeprowadzane było w niecałkowitej ciemności, przy ścianie pokrytej farbą, której powierzchnia odbija światło. Te, jak i wiele innych (wymienionych wyżej) czynników wpływa na wyniki doświadczenia.

Wykres zależności E=f():

Ćwiczenie 2: Określenie wydajności świetlnej żarówki.

Na jednym końcu ławy optycznej umieszczono źródło światła o znanym natężeniu I1, a na drugim końcu ławy źródło badane o natężeniu I2. Między źródłami umieszczono fotometr w takiej odległości od źródeł, aby oświetlenie z obu stron było jednakowe. W takim położeniu można powiedzieć, że I1=I2 ,czyli:

Źródło wzorcowe zostało włączone bezpośrednio do gniazdka prądu przemiennego ~220V. Żarówka badana została podłączona do sieci przez autotransformator. Następnie zmieniano napięcie prądu płynącego przez żarówkę badaną i notowano odległości r1 (odległość fotometru od źródła wzorcowego) i r2 (odległość fotometru od źródła badanego) oraz napięcie i natężenie prądu płynącego przez żarówkę badaną. Źródło wzorcowego ma natężenie I1=20 cd. Wyniki zestawiono w tabeli:

U [V]	i [A]	N [W]	r1 [m]	r2 [m]	I2 [cd]

Wykres zależności =f(N) :

Błędy jakie wkradły się do ćwiczenia wynikają głownie z błędnego odczytania odległości lub z nieprawidłowej oceny jednakowego oświetlenia powierzchni fotometru.

---