Ćwiczenie nr 31

Sprawdzanie prawa Lamberta i wyznaczanie natężenia źródła światła

1. Cel ćwiczenia

Sprawdzanie prawa Lamberta i wyznaczanie natężenia źródła światła.

2. Wprowadzenie

Fotometria jest działem fizyki zajmującym się badaniem i pomiarami wielkości fizycznych związanych z promieniowaniem elektromagnetycznym. Światłem

nazywamy promieniowanie, które może być odbierane przez oko. Ta część fotometrii nosi nazwę fotometrii wizualnej.

Natężeniem źródła światła ( światłością) I w obrębie kąta bryłowego dΦ

nazywamy wyrażenie:

(31.1)

Natężenie źródła światła mierzone w kandelach [cd] jest podstawową jednostką układu SI. Kandela jest światłością, jaką ma w danym kierunku źródło emitujące promieniowanie monochromatyczne o częstości 540*10¹² Hz i którego natężenie promieniowania w tym kierunku jest równa

1/683 W/sr .

dΦ oznacza strumień światła w obrębie elementarnego kata bryłowego dΦ:

(31.2)

Strumień mierzymy w lumenach [lm], a sr oznacza jednostkę kąta bryłowego

steradian. Jeżeli źródło jest izotropowe, tzn. promieniuje jednakowo we

wszystkich kierunkach jednakowo to:

(31.3)

Oświetleniem powierzchni (natężeniem oświetlenia) E nazywamy wielkość:

(31.4)

gdzie dS. jest jest elementem powierzchni prostopadłym do strumienia świetlnego Jednostką oświetlenia jest luks [lx] ,jest to oświetlenie spowodowane przez

strumień jednego lumena padający prostopadle na powierzchnię 1m².Z definicji kata bryłowego wynika:

(31.5)

Jeżeli światło pada pod kątem α na powierzchnię ( kąt α jest kątem pomiędzy

kierunkiem strumienia i normalną do powierzchni) otrzymujemy prawo Lamberta:

(31.6)

3. Opis stanowiska laboratoryjnego

Ława optyczna, na której na jednym końcu ustawiono źródło światła, a z drugiej strony umieszczono obrotowy stolik z podziałką kątową i fotoogniwem

luksomierza. Schemat stanowiska pokazano na rysunku 31.1.

Rys. 31.1. Zestaw do sprawdzania prawa Lamberta

4. Program ćwiczenia

1. Na jednym końcu ławy optycznej ustawić źródło światła. Stolik z

2. fotoogniwem ustawić w odległości około 30 cm od źródła światła. Dobrać odpowiedni zakres luksomierza. Ustalić niepewność systematyczną pomiaru natężenia oświetlenia ΔE.

3. Na stoliku fotoogniwo ustawić prostopadle do źródła światła. Kąt na

4. kątomierzu powinien wskazywać 0⁰.

5. Odczytać na luksomierzu wartość oświetlenia E oraz wyznaczyć odległość źródła światła od sondy luksomierza r. Określić dokładność wyznaczenia

odległości Δr.

6. Nie zmieniając położenia sondy zwiększać odległość r co 5 cm i odczytywać wartość natężenia oświetlenia E. Wyniki umieścić w tabeli 31.1.

7. Na stoliku obrotowym fotoogniwo ustawić pod kątem 30⁰ względem źródła światła.

8. Powtórzyć czynności z punktów 3 i 4.

9. Ponownie ustawić fotoogniwo w odległości około 30 cm od źródła światła.

10. Przy stałej odległości r zmieniać kąt padania światła od 0⁰ do 90⁰ i zapisywać wartości natężenia oświetlenia. Ustalić niepewność pomiaru kąta Δα i wyrazić ją w mierze łukowej kąta. Wyniki zapisać w tabeli 31.2.

11. Zwiększyć odległość r o 10 cm i powtórzyć czynności z punktu 8.

Tabela 31.1.

Δr= ΔE=
α=const

r [m]
E[lx]
r^-2[m^-2]
Δr^-2

Tabela 31.2

Δα= ΔE=
r=const

α
E[lx]
cosα
Δcosα

Δα- określić w mierze łukowej kąta

5. Sprawozdanie

1. Sporządzić wykresy zależności E=f(r²) dla α=const. Nanieść prostokąty

niepewności pomiarowych.

2. Z wykresów wyznaczyć nachylenie prostej, a następnie natężenie I źródła światła.

3. Sporządzić wykresy zależności E=f(cosα) dla α=const. Nanieść prostokąty niepewności pomiarowych.

4. Z wykresów wyznaczyć nachylenie prostej, a następnie natężenie I źródła światła.

5. Porównać otrzymane wartości natężenia I. uzyskane z obydwu pomiarów.

6. Dyskusja wyników i niepewności pomiarowych.

6. Pytania kontrolne

1. Definicje i jednostki wielkości fotometrycznych.

2. Prawo Lamberta.

3. Widmo promieniowania elektromagnetycznego.

195

---