I WB	„Fotometr Bunsena”	Data : 18.03.2009r.
Nr. Ćw 6	Monika Mainka	Ocena :

Wiadomości wstępne.

Strumień świetlny Ø jest to ta część energii przenoszonej przez światło przez daną powierzchnię w jednostce czasu, którą rejestruje oko, będące odbiornikiem promieniowania Selektywnym. Jednostką miary strumienia świetlnego w układzie SI jest lumen ( lm ). Do źródła punktowego izotropowego ( tzn. Promieniującego we wszystkich kierunkach z jednakowym natężeniem ) strumień świetlny wynosi:

Ø = 4Π I , gdzie I - światłość danego źródła punktowego.

Lumen jest to strumień świetlny wysyłany w kącie bryłowym równy 1 srd (steradianowi) przez umieszczone w wierzchołku tego kąta punktowe źródło światła o światłości niezależnej od kierunku i równej 1cd ( kandeli ):

1 lm = 1 cd · srd .

Jednostką masy światła w układzie SI jest kandela ( cd ).

Natężenie oświetlenia E to wielkość charakteryzująca jasność powierzchni, na którą pada światło; określa się ją jako stosunek strumienia świetlnego dØ padającego na element powierzchni o polu dS do tego pola:

E =

Jednostką natężenia oświetlenia w układzie SI jest luks ( lx ). 1 luks określony jest jako natężenie oświetlenia powierzchni, na która na każdy metr kwadratowy pada prostopadle równoramienny strumień świetlny równy 1 lm:

1 lx = 1 lm · m-²

Gdy strumień ma dowolna gęstość, zależność między natężeniem i oświetleniem ma postać prawa Lamberta:

E =
· cosφ

Jest to treść “ prawa odwrotnych kwadratów'' które jest słuszne w odniesieniu do źródeł światła o niewielkich wymiarach ( źródeł punktowych ), to równanie może być zastosowane do wszystkich źródeł , których średnica d jest więcej niż 10 - krotnie mniejsza od odległości r , tzn gdy d < r / 10. Gdy promienie padają prostopadle do powierzchni :

E =

Punktem wyjścia dla pomiarów fotometrycznych jest wyznaczenie natężenia źródła światła. Pomiary te przeprowadzamy za pomocą fotometrów. Mając wyznaczone natężenie źródła światła możemy, pozostałe : strumień świetlny, oświetlenie, luminacja obliczamy na podstawie zależności ustalonych w odpowiednich definicjach. Światłość źródeł światła mierzymy porównując je ze światłością wzorca. Zasada urządzenia fotometr ów polega na porównywaniu luminacji dwu powierzchni oświetlonych przez różne źródła światła i na wyciągnięciu stąd wniosków o natężeniach oświetlenia tych dwu powierzchni i o światłościach porównywanych ze sobą źródeł światła w danym kierunku. Porównywane pola stykają się wzdłuż ostrej linii granicznej. Jeżeli jasności są jednakowe, to linia graniczna zanika. Błąd oceny może dochodzić do 2%.

Tabela pomiarowa

U [V]	I [A]	r0 [cm]	rx [cm]	Natężenie badanego źródła światła Ix	Moc pobrana przez źródło badane P	Współczynnik sprawności η
25,6	0,0186	55,5	24,5	0,0036	0,476	0,0076
45,0	0,0263	54,0	26,0	0,0061	1,184	0,0052
65,3	0,0334	51,2	28,8	0,0157	2,181	0,0072
85,0	0,0392	48,9	31,1	0,0158	3,332	0,0047
105,1	0,0447	45,8	34,2	0,0249	4,698	0,0053
125,2	0,0498	44,3	35,7	0,0323	6,235	0,0052
144,9	0,0545	28,7	31,3	0,1741	7,897	0,022
165,4	0,0588	27,8	52,2	0,2073	9,726	0,028
181,9	0,0623	27,3	52,7	0,2322	11,332	0,0205
199,4	0,0658	26,8	53,2	0,2593	13,12	0,0198

Krótki opis ćwiczenia

Jednym z najstarszych fotometrów jest fotometr Bunsena, którego zasadniczą częścią jest pionowo umieszczona w statywie kartka białego papieru z tłustą plamą. Do tego ćwiczenia używałem fotometru, w którym kartkę z tłustą plamą zastąpiono fotoelementem z warstwą zaporową. Zadaniem fotoelementu jest przekształcenie energii świetlnej w elektryczną.

Po podłączeniu wszystkich urządzeń zgodnie z instrukcją przystąpiliśmy do wykonywania zadania. Żarówki ustawiliśmy po 10cm od krańców ławy optycznej i odległość między nimi wynosiła 80 cm. Następnie ustawialiśmy na woltomierzu napięcie, które wynosiło miedzy 25,6V a 199,4V i przy każdej zmianie napięcia, która wynosiła ok. 20V odczytywaliśmy natężenie prądu z amperomierza oraz odległość fotoelementu od żarówek (r_o,r_x). Pod koniec ćwiczenia odczytałem niepewności pomiarowe:

Obliczenia:

Obliczenia natężenia badanego źródła światła:

, gdzie I₀ jest jednostkowe

Obliczenia mocy pobranej przez źródło badane:

Obliczenie natężenia względnego:

Obliczenia współczynnika sprawności świetlnej źródła badanego:

Określenie niepewności:

∆_d(r_x) = ∆_d(r₀) = 1mm

∆_e(r_x) = ∆_e(r₀) = 2mm

∆_d(I_A) = 4%· I_A

∆_d(U) = 4%· A

Pomiar 1: ∆_d(I_A) = 0,04· 0,0186 = 0,0007;

∆_d(U) = 0,04· 25,6 = 1,024; ∆(P) = 0,007 ∆(I) = 0,1

Pomiar 2: ∆_d(I_A) = 0,04· 0,0263 = 0,001;

∆_d(U) = 0,04· 45,0 = 1,8; ∆(P) = 0,002 ∆(I) = 0,5

Pomiar 3: ∆_d(I_A) = 0,04· 0,0334 = 0,0013;

∆_d(U) = 0,04· 65,3 = 2,612; ∆(P) = 0,004 ∆(I) = 0,32

Pomiar 4: ∆_d(I_A) = 0,04· 0,0392 = 0,0016;

∆_d(U) = 0,04· 85,0 = 3,4; ∆(P) = 0,005 ∆(I) = 0,32

Pomiar 5: ∆_d(I_A) = 0,04· 0,0447 =0,0018 ;

∆_d(U) = 0,04· 105,1= 4,204; ∆(P) = 0,008 ∆(I) = 0,23

Pomiar 6: ∆_d(I_A) = 0,04· 0,0498 = 0,002;

∆_d(U) = 0,04· 125,2 = 5,008; ∆(P) = 0,01 ∆(I) = 0,2

Pomiar 7: ∆_d(I_A) = 0,04· 0,0545 = 0,0022;

∆_d(U) = 0,04· 144,9 = 5,796; ∆(P) = 0,012 ∆(I) = 0,18

Pomiar 8: ∆_d(I_A) = 0,04· 0,0588 = 0,0024;

∆_d(U) = 0,04· 165,4 = 6,616; ∆(P) = 0,016 ∆(I) = 0,15

Pomiar 9: ∆_d(I_A) = 0,04· 0,0623 = 0,0025;

∆_d(U) = 0,04· 181,9 = 7,276; ∆(P) = 0,018 ∆(I) = 0,14

Pomiar 10: ∆_d(I_A) = 0,04· 0,0658 = 0,0026;

∆_d(U) = 0,04· 199,4 = 7,976; ∆(P) = 0,02 ∆(I) = 0,13

Niepewności całkowite:

dla I_x oraz W:

dla P:

Dla pomiaru 1: Dla pomiaru 2:

u_r(I_x)= u_r(W)= 0,016 u_r(I_x)= u_r(W)= 0,0003

u_r(P)= 0,026 u_r(P)= 0,065

Dla pomiaru 3: Dla pomiaru 4:

u_r(I_x)= u_r(W)= 0,0003 u_r(I_x)= u_r(W)= 0,00003

u_r(P)= 0,122 u_r(P)= 0,19

Dla pomiaru 5: Dla pomiaru 6:

u_r(I_x)= u_r(W)= 0,00004 u_r(I_x)= u_r(W)= 0,00005

u_r(P)= 0,267 u_r(P)= 0,354

Dla pomiaru 7: Dla pomiaru 8:

u_r(I_x)= u_r(W)= 0,00016 u_r(I_x)= u_r(W)= 0,0002

u_r(P)= 0,416 u_r(P)= 0,556

Dla pomiaru 9: Dla pomiaru 10:

u_r(I_x)= u_r(W)= 0,0002 u_r(I_x)= u_r(W)= 0,0002

u_r(P)= 0,642 u_r(P)= 0,738

Obliczenie logW=f(logP)

log W₁=log 0,00362= -2,44 log P₁= log 0,476 = -0,32

log W₂=log 0,0061= -2,21 log P₂= log 1,184 = 0,07

log W₃=log 0,0157= -1,8 log P₃= log 2,181 = 0,34

… …

W	log W	P	log P
0,0036	-2,24	0,476	-0,32
0,0061	-2,21	1,184	0,07
0,0157	-1,8	2,181	0,34
0,0158	-1,8	3,332	0,52
0,0249	-1,6	4,698	0,67
0,0323	-1,49	6,235	0,79
0,1741	-0,76	7,897	0,9
0,2073	-0,68	9,726	0,99
0,2322	-0,63	11,332	1,05
0,2593	-0,59	13,12	1,12

Const jest to współczynnik proporcjonalności - stała k będąca ilorazem 2 wielkości zmiennych x i y (y/x = k), o których mówi się, że są wprost proporcjonalne lub że zachodzi między nimi proporcjonalność prosta.

const₁ = 0,14 const₂ = -0,03

const₃ = -0,19 const₄ = -0,29

const₅ =-0,42 const₆ = -0,53

const₇ = -1,18 const₈ = -1,46

const₉ = -1,67 const₁₀ = -1,9

Obliczanie „n”

n₁= 26,25 n₂= -124,57

n₃= -18,94 n₄= -11,62

n₅= -7,05 n₆= -4,86

n₇= 1,73 n₈= 3,15

n₉= 3,96 n₁₀= 4,68

Wnioski

Wyniki, które otrzymałam z pomiarów oraz obliczeń uniemożliwiły mi poprowadzenie prostej łączącej punkty w wykresie log W= f(log P), ponieważ ich rozłożenie jest zbyt oddalone od kształtu prostej.

Może to być spowodowane niedokładnością odczytu i wahaniem się wskazówki miernika oraz ciągle zmieniającymi się wartościami na mierniku elektronicznym, co uniemożliwiało jednoznaczne określenie wartości
natężenia (I) oraz napięcia (U). Warto też wspomnieć, że miernik przed rozpoczęciem ćwiczenia nie działał prawidłowo, co mogło spowodować, że wyniki otrzymane podczas doświadczenia odbiegały od prawidłowych.

Wpływ miały też właściwości oka obserwatora, które nie ma wystarczającej dokładności. Jego wartość zmienia się wielokrotnie w przypadku, gdy obserwator ma wadę wzroku (np. dalekowzroczność, bliskowzroczność, astygmatyzm), to też przeniosło się na odczyt odległości r_x i r_o oraz ustawienia, miliamperomierza, podłączonego do fotoelementu w pozycji równej 0, dla którego minimalnie przesunięcie fotometru powodowało gwałtowny ruch wskazówki.

Trzeba też zaznaczyć iż duże znaczenie w tym doświadczeniu ma światło i fotometr, który odbiera fale świetlne, a w pomieszczeniu tym znajdowało się wiele źródeł światła, co mogło wpłynąć negatywnie na to doświadczenie.

---