Nazwisko BŁAZIK		WYŻSZA SZKOŁA PEDAGOGICZNA w Rzeszowie
Imię KATARZYNA		Wykonano		Oddano
Kierunek Fizyka z informatyką II		18-10-2000	Podpis	25-10-2000	Podpis
Grupa laboratoryjna XI
Nr ćwiczenia 75*	Temat ćwiczenia Fotometr Bunsena

1. Wstęp teoretyczny.

Światło jest to fala elektromagnetyczna, której amplituda natężenia pola elektrycznego opisana jest wzorem

(1)

gdzie A [V/m] - maksymalne natężenie pola elektrycznego, λ [Å, nm, μm, lub m] - długość fali świetlnej, ω[Hz] - częstość drgań fali świetlnej, t [s] - czas, z [m] - położenie na osi ustawionej w kierunku rozchodzenia się światła. Istotne jest to, iż jedynie fale o długościach z zakresu 400 - 800 nm mogą być widziane i tylko te fale zwyczajowo nazywamy światłem. Inne fale o długościach krótszych (np. promieniowanie gamma, x, rentgenowskie lub ultrafioletowe), oraz dłuższych (np. promieniowanie podczerwone, mikrofalowe, radiowe) nie są widzialne i nie mówimy o nich jako o świetle.

Światło jest formą energii możemy więc mówić o ilości światła wysyłanej przez źródło. Przez określenie „ilość światła” będziemy rozumieli ilość energii wysyłanej przez źródło w formie promieniowania widzialnego w określonym przedziale czasu. Całkowitą ilość światła wysyłana przez źródło we wszystkich kierunkach w ciągu jednej sekundy nazywamy strumieniem świetlnym Φ. Gęstość tego strumienia nie jest na ogół jednakowa we wszystkich kierunkach, tzn. źródło światła nie wysyła e wszystkich kierunkach jednakowych ilości światła.

Źródło światła promieniujące we wszystkich kierunkach z jednakowym natężeniem nosi nazwę źródła izotropowego.

Przez natężenie źródła światła w obrębie elementarnego kąta bryłowego (przestrzennego) dΩ rozumiemy wielkość

I=dΦ/dΩ

skąd strumień świetlny w obrębie kąta dΩ jest

dΦ=IdΩ

Jeżeli źródło promieniuje we wszystkich kierunkach jednakowo silnie, to

Φ=4πI

Międzynarodową jednostką natężenia światła jest tzw. KANDELA albo świeca międzynarodowa, zdefiniowana przez natężenie światła wysyłanego przez powierzchnię 1/6•10⁵ m² ciała doskonale czarnego w temperaturze 1773^oC (temperatura krzepnięcia platyny) w kierunku prostopadłym do powierzchni, pod ciśnieniem 101325 Nm^-2.

Jednostką strumienia świetlnego jest LUMEN, jest to strumień świetlny punktowego źródła światła o natężeniu 1 kandeli w obrębie kata bryłowego dΩ=1 steradianowi; odpowiada on strumieniowi energii 0,00144 wata (w obszarze widmowym największej wrażliwości oka λ=0,555 mμ).

Oświetleniem powierzchni nazywamy wielkość

E=dΦ/dS (1)

gdzie dS jest elementem powierzchni prostopadłym do strumienia świetlnego. Jednostką oświetlenia jest LUKS; jest to oświetlenie powodowane przez strumień 1 lumena padający prostopadle na powierzchnię 1m².

W przypadku, gdy mamy do czynienia ze strumieniem o dowolnej gęstości, zależność między natężeniem i oświetleniem ma postać

E=Icosφ/r² (prawo LAMBERTA) (2)

Stanowi to treść tzw. „prawa odwrotnych kwadratów”. Podkreślić należy, że prawo Lamberta jest słuszne tylko w odniesieniu do źródeł światła o niewielkich wymiarach (tzw. źródeł punktowych), które w praktyce dość trudno zrealizować. Okazuje się, że równanie (2) może być zastosowane dla wszystkich źródeł, których średnica d jest więcej niż 10-krotnie mniejsza od odległości r, tzn.odl. d<r/10.

Gdy promienie padają prostopadle do powierzchni, zależność powyższa przyjmuje uproszczoną postać:

E=J/r² (3)

Używane w praktyce źródła światła nie są źródłami punktowymi, lecz mają skończone wymiary, tzn. stanowią skończone powierzchnie. W takich przypadkach nie wystarczy podanie natężenia światła I dla określenia właściwości świetlnych źródła. Mogą istnieć dwa źródła światła o jednakowym natężeniu I. Jeśli mają one niejednakowe wymiary, to dla oka obserwatora „jaśniejsze” będzie wydawać się źródło o mniejszych wymiarach. Tę właściwość powierzchniowych źródeł światła określa wielkość fotometryczna B zwana BLASKIEM, której wartość określa stosunek natężenia I do wielkości powierzchni źródła δ:

B=I/δ

Liczbowo B równa się natężeniu światła wysyłanego z powierzchni 1cm². Jednostkowy blask równy jednemu STILBOWI ma źródło, które z powierzchni 1cm² wysyła światło o natężeniu 1 kandeli.

Punktem wyjścia dla pomiarów fotometrycznych jest wyznaczanie natężenia źródła światła. Pomiary takie przeprowadzamy za pomocą fotometrów. Mając oznaczone natężenie źródła światła możemy pozostałe wielkości fotometryczne takie jak: strumień świetlny, oświetlenie powierzchni, blask źródła obliczyć na podstawie zależności ustalonych w odpowiednich definicjach.

Pomiaru natężenia danego źródła światła możemy dokonać przez porównanie go z natężeniem innego źródła światła na podstawie zależności (3). Subiektywne pomiary fotometryczne oparte są na zasadzie jednakowego oświetlenia, gdyż oko może dokładnie ocenić równość oświetleń, natomiast nie potrafi ocenić stosunku różnych oświetleń.

BUDOWA FOTOMETRU BUNSENA

Przyrządem opartym na powyższej zasadzie jest fotometr Bunsena. Składa się on zasadniczo z kartki papieru P z tłustą plamką na środku. Po jednej stronie kartki umieszczonej w odpowiedniej ramce, znajduje się źródło światła A (porównawcze) o jednostkowym natężeniu. Po drugiej stronie kartki znajduje się źródło światła B, którego natężenie mamy wyznaczyć przez porównanie ze źródłem A. Kartka papieru oświetlona tylko z jednej strony będzie zawsze dawała kontrast tłustej plamki z otoczeniem. Plamka widziana jest od strony źródła światła jako ciemny krążek na jasnym tle w świetle padającym, zaś od strony przeciwnej w świetle przechodzącym jako jasny krążek na ciemnym tle. Przyczyna tego jest większa przeźroczystość tłustej plamy w stosunku do reszty kartki. Jeśli kartkę oświetlimy z obu stron, to kontrast miedzy plamką a tłem zniknie lub przynajmniej będzie słaby. Przez przesuwanie źródeł światła możemy osiągnąć taki stan oświetlenia obu stron kartki, że kontrast będzie najsłabszy (ewentualnie zniknie zupełnie, jeśli oświetlenie kartki z obu stron będzie jednakowe). Ocenę równości oświetleń ułatwiają zwierciadła L₁, L₂, dzięki którym możemy widzieć obie strony kartki jednocześnie.

Schemat budowy fotometru Bunsena

2. Przebieg ćwiczenia

1. Podłączam żarówkę stanowiącą wzorcowe źródło światła o natężeniu I₁ =1 kandeli z zaciskami zasilacza 4V. Badaną żarówkę łączę z zaciskami o napięciu znamionowym żarówki.2. Przesuwam fotometr wzdłuż ławy optycznej, do chwili, gdy obie strony plamki (oglądane w lusterkach) będą jednakowo jasne. Mierzę odległości obu źródeł od fotometru.

3. Obliczam natężenie I₂ badanej żarówki:

r₁ - odległość źródła wzorcowego od płaszczyzny plamki

r₂ - odległość źródła badanego od płaszczyzny plamki

Pomiar wykonujemy dla czterech żarówek o różnej mocy.

4. Przed żarówką o znanej wartości I₂ ustawiam matową płytkę i wyznaczam natężenie I₂' osłabionego w ten sposób źródła światła.

Przepuszczalność P płytki obliczam ze wzoru.

3. Aparatura:

ława optyczna, zasilacz uniwersalny, zasilacz prądu stałego, płytka matowa, żarówki.

4. Tabela wyników pomiarów

5. Wnioski i dyskusja błędów.

Wartość błędu zależy w dużej mierze od indywidualnych właściwości oka obserwatora. Jego wartość zwiększa się wielokrotnie w przypadku, gdy obserwator ma wadę wzroku (np. dalekowzroczność, bliskowzroczność, astygmatyzm).

Duży wpływ na wielkość błędu miał fakt, że błąd pomiaru odległości jest znacznie większy niż dokładność skali przymiaru milimetrowego.

5

---