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

1 Wstęp teoretyczny

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
.

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.

2 Ćwiczenie 1

Sprawdzanie prawa Lamberta.

Na ławie optycznej umieszczono punktowe źródło światła (o małej średnicy promienia) oraz stolik obrotowy z fotoogniwem luksomierza. Stolik obrotowy wyposażony jest w kątomierz do pomiaru kąta padania promieniowania na płytkę fotoogniwa. W pierwszej części ćwiczenia ustawiono płytkę pod kątem 10⁰ w odległości r = 25 cm od źródła światła. Przy niezmienionej pozycji kątomierza odczytywano oświetlenie E oraz odległość r, którą następnie zwiększano. Czynności te powtórzono dla kąta 30⁰.

Użyte przyrządy

- punktowe źródło światła

- fotoogniwo umieszczone na obrotowym kątomierzu

- luksomierz magnetoelektryczny ±10%

Tabela pomiarowa

Lp.	E	r^-2	Δr^-2	r	I	ΔI
[n]	[lx]	[m]	[m]	[m]	[lm]	[lm]
1	20,5	16	0,008	0,25	1,48	0,17
2	14,5	11,11	0,007	0,30	1,50	0,17
3	11	8,2	0,006	0,35	1,55	0,17
4	8,5	6,25	0,005	0,40	1,57	0,17
5	6,5	4,94	0,005	0,45	1,52	0,17
6	5,5	4	0,004	0,50	1,59	0,17
7	4	2,78	0,004	0,60	1,66	0,18
8	3	2,04	0,003	0,70	1,70	0,15
9	2,5	1,56	0,003	0,80	1,85	0,19
10	2	1,23	0,002	0,90	1,87	0,19
11	1,5	1	0,002	1,00	1,73	0,18

I_śr

- ΔE = 0,1 * E[lx]

- Δr = 0,002[m]

W celu sprawdzenia prawdziwości prawa Lamberta narysowano wykres funkcji E = ƒ(r^-2) który wg. założeń ( przy I i α = const.) powinien być charakterystyką liniową a więc:

ΔE = 0,1 * E[lx]

Druga część ćwiczenia 1 polegała na umieszczeniu ogniwa fotoelektrycznego w znanej odległości r = 25 cm oraz pomiarze jego oświetlenia w zależności od kąta padania promieni świetlnych. Początkowo ustawiony kąt wynosił 0⁰ zaś końcowy 90⁰.

Tabela pomiarowa

r = 25 cm
Lp.	α	E	I
n	[ ^0]	[lx]	[lm]
1	0	23	1,44
2	10	22,5	1,43
3	20	21,5	1,43
4	25	21	1,45
5	30	20,5	1,48
6	35	19	1,45
7	40	18	1,47
8	45	16,5	1,46
9	50	15	1,46
10	55	13,5	1,47
11	60	11,5	1,43
12	65	9,5	1,40
13	70	7	1,28
14	75	5	1,21
15	80	2,5	0,90
16	85	1	0,72
17	90	0,5	-------

3 Ćwiczenie

Określić wydajność świetlną żarówki.

Na jednym końcu ławy ustawiono źródło światła o znanym natężeniu I₁, a na drugim źródło badane o nieznanym natężeniu I₂. Między tymi źródłami na ławie optycznej ustawiono fotometr w takiej odległości, aby oświetlenie z obu stron było jednakowe. Możemy tego dokonać dzięki zdolności oka ludzkiego do stwierdzania równości lub nierówności oświetlenia graniczących z sobą powierzchni. Dla takiego ustawienia przy założeniu że promienie padają prostopadle na fotometr prawdziwe jest założenie:

r₁ - odległość fotometru od wzorcowego źródła światła

r₂ - odległość fotometru od badanego źródła światłą

Użyte przyrządy

- źródło światła wzorcowe I = 20[cd]

- źródło światła badane I = ? [cd]

- fotometr umieszczony ruchomo na podziałce o dokładności 0,01m

- woltomierz elektromagnetyczny kl. 0,5 zakres 300[V]

- miliamperomierz elektromagnetyczny kl. 0,5 zakres 75[mA]

Tabela pomiarowa

I1	U	i	N	ΔN	r1	r2	I2	η	Δη
[cd]	[V]	[A]	[W]	[W]	[m]	[m]	[cd]	[cd/W]	[cd/W]
20	220	0,132	29	0,28	0,39	0,84	93	3,2	0,9
20	200	0,122	24,4	0,26	0,44	0,79	64	2,6	0,6
20	180	0,116	20,9	0,24	0,51	0,72	40	1,9	0,6
20	170	0,114	19,4	0,23	0,55	0,68	31	1,6	0,5
20	150	0,102	15,3	0,21	0,64	0,59	17	1,1	0,4
20	110	0,080	8,8	0,16	1,04	0,19	1	0,1	0,2
20	80	0,072	5,8	0,14	1,07	0,16	0,5	0,08	0,1

współczynnik sprawności świetlnej źródła:

Δη obliczam ze wzoru:

ΔU - 1,5V

Δi - 0,000375A

Δr₁ - 0,05m

Δr₂ - 0,05m

ΔN obliczam ze wzoru

4 Wnioski i spostrzeżenia.

Pomiary w ćwiczeniu pierwszym obarczone były pewnym błędem systematycznym wynikającym z tego, że pomieszczenie w którym były dokonywane nie było idealnie ciemne. Można to wywnioskować z faktu, że podczas odwrócenia ogniwa fotoelektrycznego od źródła światła o 180⁰ luksometr wskazywał 0,5 [lx]. Błędy wynikały także z niedokładności kątomierza.

W ćwiczeniu drugim największy problem stanowiło oszacowanie „na oko” równości oświetlenia dwóch oddzielonych powierzchni fotometru. na tę trudność wpływała także różna barwa światła pochodzącego od wzorcowego (prawie biała) i od badanego przy niskim napięciu (żółto pomarańczowa) dlatego założono duży błąd odczytu Δr = 0,05m

---