Stadnik Krzysztof 15.03.1999 r.

Sprawozdanie z ćwiczenia nr 43

Temat: Wyznaczanie zdolności pochłaniania światła przez szkło o zmiennej grubości i sprawozdanie graficzne pochłaniania światła.

1. Wstęp teoretyczny

Fotometria jest działem fizyki zajmującym się pomiarami promieniowania.

Całkowita ilość energii, wysyłaną przez źródło światła we wszystkich kierunkach w ciągu 1 sekundy nazywamy strumieniem energii. Natomiast strumień świetlny Φ jest to moc promieniowania oceniona na podstawie wywołanego przez nią wrażenia wzrokowego w oku. Jednostką strumienia świetlnego jest lumen [lm].

Natężenie światła I wysyłanego w nieskończenie mały kąt bryłowy dΩ jest stosunek strumienia świetlnego dΩ zawartego w granicach tego kąta bryłowego do jego wartości

I=

Jeżeli źródło promieniuje we wszystkich kierunkach jednakowo silnie wówczas Φ=4πl. Międzynarodową jednostką natężenia światła jest kandela [cd.].

Oświetleniem powierzchni nazywamy wartość:

E=

Gdzie ds. jest elementem powierzchni prostopadłym do strumienia świetlnego .Jednostką oświetlenia jest luks [lx] zdefiniowany jako oświetlenie powodowane przez strumień 1 lumena padający prostopadle na powierzchnie 1 m².

Oświetlenie dowolnej powierzchni znajdującej się w odległości r od źródła punktowego o natężeniu I i nachylonej pod kątem ϕ do kierunku padania światła wyraża się wzorem:

E=
cosϕ lub po przekształceniu E=
cosϕ

Z doświadczeń wiadomo, że w miarę rozchodzenia się fali świetlnej w materii, jej natężenie stopniowo maleje. Zjawisko to nazywa się pochłanianiem światła w materii (absorbcją światła). Związane ono jest z przekształceniem energii pola elektrycznego fali świetlnej w jej inne formy np. w energię cieplną.

Zmniejszenie natężenia -dI przy przejściu przez warstwę o grubości dx jest proporcjonalne do wartości natężenia światła oraz do grubości warstwy dx:

-dI=μIdx

gdzie μ jest współczynnikiem proporcjonalności nazywamy współczynnikiem pochłaniania danej warstwy .Jeżeli światło przechodzi przez warstwę o grubości x i zmienia się od wartości początkowej I(0) do wartości końcowej I(x), to po scałkowaniu w tych granicach otrzymujemy:

I(x) = I(0)e^-μx

Sens fizyczny współczynnika pochłaniania łatwo zauważyć przekształcając ostatnie równanie do postaci:

μ =
ln

A zatem współczynnik pochłaniania μ jest liczbowo równy jedności podzielnej przez grubość warstwy substancji x = a, po przejściu której natężenie światła maleje e = 2.72 razy.

2. Wykonanie ćwiczenia

1. starannie oczyścić kilkanaście płytek szklanych. Zmierzyć grubość każdej z nich śrubą mikrometryczną. Obliczyć średnią wartość grubości płytki d_s.

2. Na ławie optycznej ustawić dwa jednakowe źródła światła w położeniu, tak aby oświetlenie obu połówek było jednakowe

3. Do uchwytu wstawić warstwę składającą się z trzech płytek szklanych między źródłem Z₁ a fotometrem. Doprowadzić do zrównania oświetlenia obu pól kostki fotometrycznej. Zmierzyć odległość r₁(x₁), r₂(x₁) fotometru od źródeł odpowiednio Z₁ i Z₂

4. Podobnie jak w punkcie trzecim wykonać pomiary natężenia światła po przejściu przez warstwy płytek o grubościach x₂, x₃, ......= 6d_s, 9d_s, ...... .

5. Na papierze milimetrowym sporządzić wykres zależności I(x). Na podstawie tego wykresu oszacować wartość współczynnika pochłaniania μ

3. Tabela wyników

Lp.	I(0)	ds	xi	R1(xi)	R2(xi)	Δr	I(xi)	ΔI	A(xi)	μ
-	[cd]	-	[m]	[m]	[m]	[m]	[cd]	[cd]	-
1.	19	3ds	0.006	0.466	0.534	0.05	14.46	5.82	0.238	-32.5
2.	19	6ds	0.011	0.423	0.577	0.05	10.21	4.18	0.462	-32.5
3.	19	9ds	0.018	0.407	0.593	0.05	8.95	3.71	0.528	-32.5
4.	19	12ds	0.025	0.397	0.603	0.05	8.23	3.44	0.566	-32.5
5.	19	15ds	0.031	0.353	0.647	0.05	5.65	2.48	0.702	-32.5

4. Obliczenia

I(x₁) = 19
= 14.46 [cd.]

I(x₂) = 19
= 10.21 [cd.]

I(x₃) = 19
= 8.95 [cd.]

I(x₄) = 19
= 8.23 [cd.]

I(x₅) = 19
= 5.65 [cd.]

μ =
=

=
=
= -32.5 [m-1]

±ΔI_i =
(r₂+ -r₁)

±ΔIx₁ =-
(0.534 + 0.466) = 5.82 [cd.]

±ΔIx₂ =
(0.577 + 0.423) = 4.18 [cd]

±ΔIx₃ =
(0.593 + 0.407) = 3.71 [cd]

±ΔI_x=
(0.603 + 0.397) = 3.44 [cd]

±ΔIx =
(0.647 + 0.353) = 2.48 [cd]

A(x_i) =

A(x₁) =
= 0.238

A(x₂) =
= 0.462

A(x₃) =
= 0.528

A(x₄) =
= 0.566

A(x₅) =
= 0.702

5. Wnioski

Celem ćwiczenia było sprawdzenie zdolności pochłaniania światła przez szkło o zmiennej grubości. Jak wiadomo pochłanianie światła (absorbcia światła) jest to zjawisko , w którym wraz z rozchodzeniem się fali świetlnej w materii jej natężenie stopniowo maleje. W naszym ćwiczeniu natężenie fali świetlnej (I) zmieniało się wraz ze zmianą grubości warstwy płytek szklanych (x). Pomiary, które zrobiliśmy w pełni udowadniają, że natężenie światła malało wraz ze wzrostem grubości warstwy płytek szklanych na większe, lecz trudno było uniknąć błędów pomiarowych. Ich przyczyny mogą być różne, ale do najważniejszych można zaliczyć niedokładny odczyt grubości płytek szklanych za pomocą mikrometru, niedokładne porównanie przy patrzeniu w lunetę oświetlanych powierzchni oraz złe zaciemnienie pracowni.

---