Интенсивность светового потока: Мощность светового излучения. Что такое световой поток и какова практическая ценность этого параметра – Световой поток светодиодных ламп и накаливания

Содержание

ВОЛНОВАЯ ОПТИКА

ЛЕКЦИЯ № 8

Световые волны.

Законы геометрической (лучевой) оптики

Световые волны. Интенсивность света. Световой поток. Законы геометрической оптики. Полное внутреннее отражение

Оптика – это раздел физики, изучающий природу светового излучения, его распространение и взаимодействие с веществом. Раздел оптики, в котором изучается волновая природа света, называется волновой оптикой. Волновая природа света лежит в основе таких явлений, как интерференция, дифракция, поляризация. Раздел оптики, в котором не учитываются волновые свойства света и который основывается на понятии луча, называется геометрической оптикой.

§ 1. СВЕТОВЫЕ ВОЛНЫ

Согласно современным представлениям, свет представляет собой сложное явление: в одних случаях он ведет себя как электромагнитная волна, в других – как поток особых частиц (фотонов). Такое свойство называется корпускулярноволновым дуализмом (корпускула – частица, дуализм – двойственность). В этой части курса лекций будем рассматривать волновые явления света.

Световая волна – это электромагнитная волна с длиной волны в вакууме в диапазоне:

l 0

= (0,4 ¸ 0,76 ) ×10 − 6 м = 0,4 ¸ 0,76 мкм = 400 ¸ 760 нм =

= 4 000 ¸

 

 

 

 

 

7 600 A .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A –

 

ангстрем – единица измерения длины. 1A = 10−10 м.

 

Волны такого диапазона воспринимаются человеческим глазом.

Излучение с длиной волны меньше 400 нм называют ультрафиолетовым, а

с большей, чем 760 нм, –

инфракрасным.

 

 

 

Частота n световой волны для видимого света:

 

n =

 

с

= (0,39¸0,75) × 1015 Гц,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l0

 

 

 

 

 

с = 3×108 м/с — скорость света в вакууме.

 

 

Скорость

света

совпадает

со

скоростью

распространения

электромагнитной волны.

 

 

 

Показатель преломления

Скорость распространения света в среде, как и любой электромагнитной волны, равна (см. (7.3)):

v =

 

c

 

.

 

 

 

εμ

 

 

 

 

Для характеристики оптических свойств среды вводится показатель преломления. Отношение скорости света в вакууме к скорости света в данной среде называется абсолютным показателем преломления:

n =

c

.

 

 

 

(8.1)

 

 

 

v

 

С учетом (7.3)

 

n =

 

 

,

 

εμ

ε

(8.2)

так как для большинства прозрачных веществ μ=1.

Формула (8.2) связывает оптические свойства вещества с его электрическими свойствами. Для любой среды, кроме вакуума, n> 1. Для вакуума n = 1, для газов при нормальных условиях n≈ 1.

Показатель преломления характеризует оптическую плотность среды. Среда с большим показателем преломления называется оптически более плотной. Обозначим абсолютные показатели преломления для двух сред:

n1 =

c

 

и

n 2 =

c

.

 

v1

 

 

 

 

 

 

v2

 

Тогда относительный показатель преломления равен:

n21 =

n2

=

v1

,

 

 

(8.3)

n1

v2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где v1 и v2 –

скорости света в первой и второй среде, соответственно.

Так как

диэлектрическая

проницаемость среды ε зависит от частоты

электромагнитной волны, то n = n(ν) или n = n(λ) – показатель преломления будет зависеть от длины волны света (см. лекции № 16, 17).

Зависимость показателя преломления от длины волны (или частоты) называется дисперсией.

В световой волне, как и в любой электромагнитной волне, колеблются векторы E и H. Эти векторы перпендикулярны друг другу и направлению

вектора v . Как показывает опыт, физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие виды воздействий вызываются колебаниями электрического вектора. Поэтому световой вектор – это вектор напряженности электрического поля световой (электромагнитной) волны.

Для монохроматической световой волны изменение во времени и пространстве проекции светового вектора на направление, вдоль которого он

колеблется, будет описываться уравнением:

 

E = Emсos(ωt − kr + α).

(8.4)

Сравните (7.4) и (8.4).

 

Здесь k – волновое число; r – расстояние, отсчитываемое вдоль направления распространения волны; Em – амплитуда световой волны. Для плоской волны E m = const , для сферической убывает как 1/r.

§ 2. ИНТЕНСИВНОСТЬ СВЕТА. СВЕТОВОЙ ПОТОК

Частота световых волн очень велика, поэтому приемник света или глаз фиксирует усредненный по времени поток. Интенсивностью света называется модуль среднего по времени значения плотности энергии в данной точке пространства. Для световой волны, как и для любой электромагнитной волны, интенсивность (см (7.8)) равна:

I = <EH> .

Для световой волны μ≈ 1, поэтому из (7.5) следует:

μ0H = ε0 ε E ,

откуда с учетом (8.2):

H =

 

 

 

ε0

 

E ~ nE .

(8.5)

ε

 

 

 

 

 

 

 

μ

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подставим в (7.8) формулы (8.4) и (8.5). После усреднения получим:

I =

1

nEm2

 

ε0

 

.

 

 

2

 

 

μ0

Значит интенсивность световой волны:

Следовательно, интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды световой волны и показателю преломления. Заметим, что для

вакуума и воздуха n = 1, поэтому I ~ E2m (сравните с (7.9)).

Для характеристики интенсивности света с учетом его способности вызывать зрительное ощущение вводится величина Ф, называемая световым потоком. Действие света на глаз сильно зависит от длины волны. Наиболее

чувствителен глаз к излучению с длиной волны λз = 555 нм (зеленый цвет).

Для других волн чувствительность глаза ниже, а вне интервала (400– 760 нм) чувствительность глаза равна нулю.

Световым потоком называется поток световой энергии, оцениваемый по зрительному ощущению. Единицей светового потока является люмен (лм). Соответственно, интенсивность измеряется либо в энергетических единицах (Вт/м2), либо в световых единицах (лм/м2).

Интенсивность света характеризует численное значение средней энергии, переносимой световой волной в единицу времени через единицу площади площадки, поставленной перпендикулярно направлению распространения волны. Линии, вдоль которых распространяется световая энергия, называют лучами. Раздел оптики, в котором изучаются законы распространения светового

излучения на основе представлений о световых лучах, называется геометрической, или лучевой оптикой.

§ 3. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКИ

Геометрическая оптика – это приближенное рассмотрение распространения света в предположении, что свет распространяется вдоль некоторых линий – лучей (лучевая оптика). В этом приближении пренебрегают конечностью длин волн света, полагая, что λ→ 0.

Геометрическая оптика позволяет во многих случаях достаточно хорошо рассчитать оптическую систему. Но в ряде случаев реальный расчет оптических систем требует учета волновой природы света.

Первые три закона геометрической оптики известны с древних времен. 1. Закон прямолинейного распространения света.

Закон прямолинейного распространения света утверждает, что в

однороднойсреде свет распространяется прямолинейно.

Если среда неоднородна, т. е. ее показатель преломления изменяется от точки к точке, или n = n( r ) , то свет не будет распространяться по прямой. При

наличии резких неоднородностей, таких, как отверстия в непрозрачных экранах, границы этих экранов, наблюдается отклонение света от прямолинейного распространения.

2. Закон независимости световых лучей утверждает, что лучи при пересечениине возмущают друг друга. При больших интенсивностях этот закон не соблюдается, происходит рассеяние света на свете.

3 и 4. Законы отражения и преломления утверждают, что на границе раздела двух сред происходит отражение и преломление светового луча. Отраженный и преломленный лучи лежат в одной плоскости с падающим

лучом и перпендикуляром, восстановленным к границе раздела в точке падения

(рис. 8.1).

Угол падения равен углу отражения:

Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению показателя преломления второй среды к показателю преломления первой:

 

sini

=

n2

= n21

.

(8.8)

 

 

 

 

sinr n1

 

 

 

Закон преломления был открыт в XVIIв. В. Снеллиусом и Р. Декартом.

Законы отражения и преломления могут нарушаться в анизотропных средах, т. е. средах, преломления зависит от направления в пространстве.

Рис. 8.1

для которых показатель

40.Энергетические характеристики световых потоков, поток светового излучения и плотность потока(интенсивность). Волновая оптика. Дифракционная решетка. Дифракционный спектр.

  Любой источник света излучает в пространство электромагнитные волны, которые переносят энергию. Величина энергии, испускаемой источником в единицу времени, называется энергетическим или лучистым потоком. Таким образом, физический смысл потока- мощность. Энергетический поток в общем случае распределён по некоторому интервалу длин волн внутри оптического диапазона, который включает инфракрасный диапазон (от 1 мм до 0,77мкм), видимый диапазон (от 0,77 до 0,38 мкм) и ультрафиолетовый диапазон ( от 0,38 мкм до 1 нм).       Для описания распределения лучистого потока по длинам волн используют понятие спектральной плотности энергетического потока, которую определяют как

,

где — часть энергетического потока, приходящаяся на диапазон длин волн .

     Долгое время единственным приёмником оптического излучения был глаз, поэтому исторически сформировалась система оценки энергетических свойств излучения, учитывающая особенности восприятия именно глазом человека. Дело в том, что способность глаза воспринимать излучение в видимом диапазоне сильно неравномерна и описывается кривой чувствительности глаза .

      Если энергетический световой поток в диапазоне определяется выражением

,

то эффективная величина потока, определяющая воздействие на глаз человека описывается выражением

,

и называется световым потоком. Если для измерения энергетического потока вполне пригодна обычная единица измерения мощности — ватт, то для измерения светового потока используют специальную фотометрическую единицу — люмен.

Световой поток в общем случае излучается источником света неравномерно в разных направлениях, для описания этого применяют такую фотометрическую величину как сила света.

Волновая о́птика — раздел оптики, который описывает распространение света с учётом его волновой природы. Явления волновой оптики — интерференция, дифракция, поляризация и т. п.

Дифракционная решётка — оптический прибор, работающий по принципу дифракции света, представляет собой совокупность большого числа регулярно расположенных штрихов (щелей, выступов), нанесённых на некоторую поверхность.

Расстояние, через которое повторяются штрихи на решётке, называют периодом дифракционной решётки. Обозначают буквой d.

Если известно число штрихов (N), приходящихся на 1 мм решётки, то период решётки находят по формуле: d = 1 / N мм.

Условия интерференционных максимумов дифракционной решётки, наблюдаемых под определёнными углами, имеют вид:

d — период решётки,

α — угол максимума данного цвета,

k — порядок максимума, то есть порядковый номер максимума, отсчитанный от центра картинки,

λ — длина волны.

Если же свет падает на решётку под углом θ, то:

Одной из характеристик дифракционной решётки является угловая дисперсия. Предположим, что максимум какого-либо порядка наблюдается под углом φ для длины волны λ и под углом φ+Δφ — для длины волны λ+Δλ. Угловой дисперсией решётки называется отношение D=Δφ/Δλ. Выражение для D можно получить если продифференцировать формулу дифракционной решётки

Таким образом, угловая дисперсия увеличивается с уменьшением периода решётки d и возрастанием порядка спектра k.

При падении на дифракционную решетку белого или иного немонохроматического света каждый главный максимум, кроме центрального, окажется разложенным в спектр. В этом случае k указывает порядок спектра.

41.Разрешающая способность и предел разрешения оптических приборов(микроскопа, глаза).Полезное увеличение микроскопа. Предел разрешенияэто такое наименьшее расстояние между двумя точками предмета, когда эти точки различи­мы, т. е. воспринимаются в микроскопе как две точки.

Разрешающей способностью обычно называют способность микроскопа давать раздельные изображения мелких деталей рассматриваемого предмета. Полезное увеличение – это видимое увеличение, при котором глаз наблюдателя будет полностью использовать разрешающую способность микроскопа, то есть разрешающая способность микроскопа будет такая же, как и разрешающая способность глаза. Для полезного увеличения микроскопа можно вывести зависимость:500*А<Г<1000*A . Микроскоп с видимым увеличением меньше 500А не позволяет различать глазом все тонкости структуры предмета.

Это величина обратна пределу разреше­ния. Разрешающая способность микроскопа обусловлена волновыми свойствами света, поэтому выражение для предела разрешения можно получить, учитывая дифракционные явления.

Рассмотрим дифракционную теорию разрешающей способности микроскопа, предложенную Э.Аббе.

Разработанная им теория формирования изображений несамосветящихся объектов включала важнейший принцип – «условие синусов», налагающее ограничение на соотношение фокусных расстояний объектива и окуляра и длину трубки микроскопа. Аббе ввел понятие «числовой апертуры», связывающей истинную апертуру объектива с показателем преломления стекла и длиной волны излучения. Оба этих принципа оказались справедливыми и применительно к электронным микроскопам, созданным полвека спустя. Аббе сконструировал целый ряд оптических приборов

6)—Основные фотометрические величины – световой поток, освещенность, сила света. Единицы измерения.

Фотометрия — раздел оптики, занимающийся вопросами измерения интенсивности света и его источников.

Сетовой поток — соответствующая энергетическому потоку излучениясветовая величина, то есть мощность излучения, воспринимаемая нормальным человеческим глазом. Обозначение:Φν, Единица измерения СИ:люмен

Для вычисления величины светового потока необходимо проинтегрировать в диапазоне от 380 до 780 нм спектральную мощность излучения Φ (измеряется в Вт/нм), помноженную накривую спектральной чувствительности глазаVλ; результат следует умножить на фотометрический эквивалент излучения Km=683 лм/Вт:

Освещённость — физическая величина, численно равная световому потоку, падающему на единицу поверхности:Единицей измерения освещённости в системе СИслужитлюкс(1 люкс = 1люменунаквадратный метр), вСГС—фот(один фот равен 10 000 люксов). В отличие от освещённости, выражение количества света, отражённого поверхностью, называетсяяркостью.

где — сила света вканделах;— расстояние до источника света;— угол падения лучей света относительно нормали к поверхности.

Яркость В:

Единица яркости — кандела на метр в квадрате (кд/м2).Си́ла све́та — это поток излучения, приходящийся на единицутелесного угла, в пределах которого он распространяется. Телесный угол нужно выбирать таким образом, чтобы поток в нём можно было считать равномерным, тогда сила света источника по определённому направлению численно равна световому потоку, заключённому в единичном телесном угле.

Единица измерения СИ:кандела(кд)=Ватт(Вт)(илиЛюмен(лм))/Стерадиан(ср) .

Теле́сный у́гол — часть пространства, которая является объединением всех лучей, выходящих из данной точки (вершины угла) и пересекающих некоторую поверхность

7)—- Длина когерентности, время когерентности. Естественный свет и поляризованный свет. Степень поляризации света.

Естественный свет — оптическое излучение с быстро и беспорядочно изменяющимися направлениями напряжённости эл.-магн. поля, причём все направления колебаний, перпендикулярные к световым лучам, равновероятны.

Поляризованный свет — световые волны, электромагнитные колебания которых распространяются только в одном направлении. Обычный СВЕТ распространяется во всех направлениях, перпендикулярных к направлению его движения. В зависимости от сетки колебаний ученые различают три вида поляризации: линейную (плоскостную), круговую и эллиптическую.

Параметр степени поляризации света, определяемый как отношение разности интенсивностей двух выделенных ортогональных поляризаций к их сумме, может меняться в диапазоне от 0 до 100%.

8)—-Поляроиды и их применение. Закон Малюса.

Поляроидполяризационный светофильтр; представляет собой тонкую поляризационную плёнку, заклеенную для защиты от механических повреждений и действия влаги между двумя прозрачными пластинками (плёнками). Поляроиды впервые разработаны группой американских учёных во главе с Е. Лэндом около 1932, серийно изготовляются с 1935. Поляроиды широко применяются в близкой ультрафиолетовой, видимой и близкой инфракрасной областях диапазона оптического излучения (популярный пример — для защиты глаз водителей от слепящего действия фар встречных автомашин).

Закон Малюса — зависимость интенсивности линейно-поляризованного светапосле его прохождения через поляризатор от угламежду плоскостямиполяризациипадающего света и поляризатора.

где I0 — интенсивность падающего на поляризатор света, I — интенсивность света, выходящего из поляризатора.

Установлен Э. Л. Малюсомв1810 году.

Свет с иной (не линейной) поляризацией может быть представлен в виде суммы двух линейно-поляризованных составляющих, к каждой из которых применим закон Малюса.

По закону Малюса рассчитываются интенсивности проходящего света во всех поляризационных приборах, например в поляризационных фотометрахиспектрофотометрах. Потери на отражение, зависящие оти не учитываемые законом Малюса, определяются дополнительно.

Обсуждение:Световой поток — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Не утверждает ли вступление

«Световой поток — количество излучаемой энергии, протекающей через единицу площади за единицу времени. Световой поток характеризует мощность источника света. Единица измерения светового потока — люмен (лм). Величина полного светового потока характеризует излучающий источник, и ее нельзя увеличить никакими оптическими системами. Действие этих систем может лишь сводиться к перераспределению светового потока в пространстве, например, большей концентрации его по некоторым избранным направлениям»

независимость понятия от восприимчивости глаза? Мне кажется, что данное определение — попытка замолчать ключевой момент светового потока — световую эффективность излучения. Светочувствительность должна присутствовать в определении, а «количество излучаемой энергии, протекающей через единицу площади за единицу времени» называется интенсивностью или потоком-мощностью излучения (кто бы сообщил разницу между последними?). Согласно физической энциклопедии световой поток получается редуцированнием потока излучения. —javalenok 19:04, 11 февраля 2009 (UTC)

Cветовой поток — объективная величина, не зависящая от приёмников. Внесённое Вами определение совершенно невнятно. Приведите ВП:АИ, в котором дано внятное определение. Sergej Qkowlew 08:06, 12 февраля 2009 (UTC)
Перечитал более внимательно. Простите,поторопился. Откопал в имеющейся под рукой энциклопедии другое, более близкое к Вашему определение:

Световой поток — световая величина, пропорциональная редуцированной мощности опттического излучения, т.е., мощности, оцениваемой по действию оптического излучения на нормальный человеческий глаз.

Полагаю, этот вариант лучше сформулирован (по сравнению с внесённым Вами) и более ясен. Согласны ли Вы? Sergej Qkowlew 08:13, 12 февраля 2009 (UTC)

Ваше новое определение мне нравится. Согласен, что упомянать световое ощущение, действие света на глаз и относительную спектральную эффективность излишне — всё это уже определено в «световой величине». —javalenok 10:35, 12 февраля 2009 (UTC)

Это непунктуальное, невнятное, избыточное энциклопедическое дополнение[править код]

Световой поток — поток световой энергии, оцениваемый по производимому им на нормальный человеческий глаз световому ощущению ; соответствующая …

Во-первых, знаки препинания принято ставить вплотную после слова, без какого-либо пробела, как запятую и точку. Это минимальный недочёт, но сразу бросается в глаза. Зацепка ведёт к вниканию и более серёзным проблемам доопределения. Я не пойму, сделанное дополнение к определению оно просто безинформативно потому что не несёт новой информации или вовсе бессмысленно поскольку абсурдно? Смысл понять трудно. Читая предложение, можно подумать что световой поток — частный случай потока световой энергии, редуцированный глазом поток световой энергии. Мне-то кажется что поток световой энергии есть то же самое что световой поток, т.е. результат редуцирования глазом потока излучения. Я не пойму зачем редуцировать глазом то что уже проредуцировано глазом? В википедии потока световой энергии нет. Предвижу, что с такими определениями не избежать прблем и в вашей энциклопедии, уважаемый User:195.5.125.22. Короче, дополнение — бездумно и бессмысленно и будет удалено. —javalenok 21:13, 12 сентября 2009 (UTC)

Да уж, тарабарщина какая-то… —Krotkov 14:22, 14 апреля 2010 (UTC)

Световая точка компенсации — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Зависимость фотосинтеза от доступного количества света светолюбивых и тенелюбивых растений. Световая точка компенсации соответствует месту пересечения кривой с осью x.

Световая точка компенсации, или световой компенсационный пункт (СКП) — наименьшая интенсивность света на световой кривой, при которой активность фотосинтеза и дыхания уравновешиваются по газообмену[1]. В этой точке количество фиксируемого растением CO2 в точности соответствует его количеству, выделяемому растением в результате дыхания и фотодыхания, а потребление O2 в точности соответствует его выделению в результате фотосинтеза.

Говоря в терминах метаболизма, все органические вещества, полученные в результате фотосинтеза, расходуются на дыхание, так что не происходит наращивания биомассы. Положение точки компенсации на световой кривой зависит от температуры и концентрации углекислого газа в среде. При нормальном парциальном давлении CO2, существует значение интенсивности света, при котором ассимиляция CO2 равна нулю. Таким образом, парциальное давление CO2 в точке компенсации, обозначаемое гамма, является функцией от интенсивности облучения. Компенсация фотосинтеза дыханием у растений обычно происходит ранним утром или поздним вечером, когда интенсивность света невелика. Это объясняется тем, что интенсивность дыхания относительно постоянна, а вот фотосинтез зависит от света и потому его интенсивность серьёзно изменяется со временем[2].

При постоянной концентрации СO2 точка компенсации смещается в область большей освещённости с ростом температуры, так как при повышении температуры дыхание возрастает быстрее фотосинтеза. Поэтому при пониженной освещённости (например, в зимний период, в оранжереях) необходима умеренная положительная температура, а её повышение может снизить темпы роста растений. Улучшение снабжения водой и СO2 сдвигает компенсационную точку в сторону меньшей освещенности, а старение листьев — в сторону большей[2].

Знание световой точки компенсации необходимо при изучении продуктивности растений, поскольку она указывает на границу между запасанием и расходом органики. Ниже неё наступает голодание. Компенсационная точка обычно определяется при концентрации СО2 0,03 % и температуре 20 °С.

У С4-растений точка компенсации значительно выше, чем у С3-растений, поэтому им требуется гораздо больше света, чтобы полноценно существовать и расти. Тем не менее, при высокой освещенности они намного превосходят С3-растения по интенсивности фотосинтеза и скорости роста[3]. В естественных условиях у С4-растений световое насыщение не достигается, и в ясные дни они используют свет полностью даже в полдень, однако высокая точка компенсации накладывает ограничения на их рост в условиях низкой освещённости, то есть их рост ограничивается светом, и только тогда, когда сильный недостаток воды заставляет их закрыть устьица, и, следовательно, снизить потребление углекислого газа, их рост ограничивается концентрацией CO2[4].

Тенелюбивые и светолюбивые растения[править | править код]

Выросшие в тени растения дышат слабее световых, поэтому компенсация у них наступает при меньшем освещении. В то время как у светолюбивых растений точка компенсации достигается только при относительно высокой освещённости, теневыносливые растения могут иметь чистую прибыль в фиксации углерода даже при низкой освещённости. Теневые листья лучше используют слабый свет, и насыщение у них наступает очень рано, примерно при 10 микромоль· м−2· с−1 (моль фотонов на м2 листовой поверхности в секунду), а вот у светолюбивых — при 20-30 мкмоль · м−2 · с−1. Так происходит отмирание нижних листьев и очищение ствола от ветвей[5].

Для водных растений, чья освещённость на определённой глубине остаётся приблизительно постоянной в течение дня, световая точка компенсации — это глубина, на которую нужно погрузить растение, что бы добиться того же эффекта равновесия в ассимиляции и диссимиляции CO2.

  1. ↑ Ермаков, 2005, с. 203.
  2. 1 2 O.L Lang. Physiological plat ecology II,water relations and carbon assimilation (англ.). — New York: Springer-Verlag. — P. 556—558.
  3. ↑ Linder Biologie Gesamtband, Schroedel, 22. Auflage, Braunschweig, 2005, S. 56
  4. ↑ Joachim W. Kadereit, Christian Körner, Benedikt Kost, Uwe Sonnewald: Strasburger, Lehrbuch der Pflanzenwissenschaften, 37. Auflage, 2014, Springer-Spektrum, DOI:10.1007/978-3-642-54435-4, Seite 396
  5. ↑ Katharina Munk: Botanik. Thieme, 2008; ISBN 978-3131448514, S. 263
  • Физиология растений / Под ред. И. П. Ермакова. — М.: Академия, 2005. — 634 с.

Экзамен / Ответы на вопросы / 33.Основы световых измерений (фотометрия). Относительная спектральная эффективность Vƛ. Система

Вопрос №33

Основы световых измерений (фотометрия). Относительная спектральная эффективность Vƛ. Система световых величин световой поток. сила света, яркость, освещённость; единицы их измерения.

Светом (точнее – видимым светом) называют область электромагнитных волн, воспринимаемых глазом человека. Видимый свет – это очень узкий диапазон в огромной совокупности электромагнитных волн. Глаз воспринимает электромагнитное излучение только в области длин волн от 400 до 760 нанометров (0,4 – 0,76 мкм). Тем не мене, именно с помощью зрения мы получаем основную информацию о внешнем мире.

С чисто физической точки зрения для измерения любого излучения используются энергетические характеристики: мощность ( поток энергии), интенсивность и др. Но легко понять, что такой подход не годится для измерения света. По самому смыслу понятия «свет», нельзя производить никаких его измерений, не учитывая свойств глаза. Скажем, какова бы ни была мощность инфракрасного излучения, с точки зрения зрительного ощущения она равна нулю – глаз ИК-лучи не воспринимает.

Особенности восприятия глазом человека света разных длин волн отражает относительная спектральная эффективность Vλ . {В литературе нередко используется устаревший термин «относительная видность», но по ГОСТу применение этого термина не рекомендуется).

Относительная спектральная эффективность Vλхарактеризует чувствительность глаза к свету с данной длиной волны λ к максимальной чувствительности, принятой за единицу. При хорошей освещённости (дневном свете) свет воспринимается, в основном, колбочками. Максимальное значение Vλ , равное, по определению, единице, приходится на длину волны 555 нм (зелёная часть спектра). При слабой освещённости работают почти исключительно палочки (у них порог значительно ниже). В этом случае максимум чувствительности сдвинут на длину волны 510 нм.

Система световых величин (световой поток, сила света, яркость, освещённость)

Для измерения света (фотометрии) была разработана специальная система световых величин и соответствующих единиц измерения. В настоящее время фотометрические величины включены в систему СИ.

1. Исходным понятием фотометрии является световой поток Ф. Световой поток – это мощность излучения, оцениваемая по тому ощущению, которое это излучение создаёт в глазу человека. Единица светового потока называется люмен (лм).

Понятие светового потока и его единица – люмен были введены ещё в ХVIII веке независимо от других физических величин (и задолго до появления системы СИ). Поэтому возникла задача согласования общефизических и фотометрических величин, о чём далее и пойдёт речь. Сейчас для физической характеристики любого излучения пользуются понятием энергетического потока FЭ, который равен мощности излучения, испускаемого источником. Единицей энергетического потока является единица мощности – ватт. Так как и смысл, и единицы измерения величин FЭ и Ф различаются, необходимо было установить связь между ними. Измерения показали, что при длине волны 555 нм (то есть в области максимальной чувствительности глаза) между энергетическим потоком (в ваттах) и световым потоком (в люменах) имеет место следующее соотношение:

Ф [лм] = 683 лм/Вт • FЭ [Вт].

При свете других длин волн необходимо учесть разную чувствительность глаза к разным длинам волн, то есть относительную спектральную эффективность Vλ . Для монохроматического света с длиной волны λ :

Ф(λ) = 683•Vλ•FЭ(λ)

Если свет не монохроматический, а имеет сплошной спектр, надо проинтегрировать по всему световому диапазону длин волн:

2. Сила света. Большинство источников света испускают излучение не во все стороны равномерно, а преимущественно по какому-то определённому направлению, или, другими словами, в каком-то определённом телесном угле.

Напомним понятие телесного угла. Пусть излучение распространяется от источника „О“ в пределах некоторого конуса (рис. 6). Тогда телесным углом ω называется величина, равная отношению площади, вырезаемой этим конусом на сфере произвольного радиуса R к квадрату этого радиуса: (в данном случае буква ω не имеет никакого отношения к круговой частоте). Единицей телесного угла является стерадиан (ср). При телесном угле ω = 1 ср площадь S = R 2. Если излучение идёт во все стороны, S равно площади сферы, то есть 4πR2 , поэтому полный телесный угол равен ср.

Результат облучения очень сильно зависит от того, в каком телесном угле распространяется свет (представьте себе, например, фары ближнего света. которые дают широкий пучок излучения, заполняющий большой телесный угол ω, и фары дальнего света, когда телесный угол ω мал. Во втором случае концентрация излучения на наблюдаемом объекте будет значительно более сильной).

Для характеристики направленности (концентрации) излучения было введено понятие силы света I.

Сила света — это величина, равная отношению светового потока Ф к тому телесному углу ω, в пределах которого распространяется данный поток:

По техническим причинам за основную единицу для световых измерений была принята единица силы света. Это объясняется тем, что именно для этой величины оказалось практически наиболее удобно изготовить точный эталон. (Описание и рисунок этого эталона желающие могут посмотреть в учебнике А.Н.Ремизова, стр. 502-504; фактически на практике чаще всего эталоном является специальная электрическая лампочка, проградуированная по основному эталону). Единица силы света в системе СИ называется кандела (кд) (по-русски – свеча). Из определения силы света ясно, что лм = кд • ср.

3. Яркость L . Любой источник излучения имеет какую-то площадь. (В данном случае мы имеем в виду не только самосветящиеся тела, но и тела, отражающие или рассеивающие свет, например, лист бумаги). Когда мы смотрим на такой источник света, площадь его изображения на сетчатке пропорциональна площади поверхности источника. При большой площади источника (и, соответственно, большой площади изображения) энергия света распределяется на большое число колбочек (или палочек), и на каждую колбочку приходится относительно небольшое энергетическое воздействие (другими словами, на каждую колбочку падает небольшое число квантов). Если же площадь источника мала, то весь световой поток распределится на гораздо меньшее число колбочек, и на каждую колбочку придётся гораздо большая энергия (много квантов). Ясно, что ощущение, получаемое человеком, будет в этих случаях совершенно разное. Представьте себе, например, две лампы, имеющие одинаковую силу света и находящиеся от нас на одинаковом расстоянии – лампочку накаливания и люминесцентный светильник. От обеих ламп в глаз попадает примерно одинаковый световой поток, но ощущение будет совершенно разное: на люминесцентный светильник можно совершенно спокойно смотреть, а на лампу накаливания не только неприятно глядеть, но даже можно испортить зрение. Причина разницы очевидна: площадь нити лампочки накаливания во много раз меньше, чем у трубки люминесцентной лампы. Исходя из подобных соображений, вводится величина, называемая яркостью.

Яркость L это величина, равная отношению силы света источника излучения к площади поверхности источника:

(так как )

Единица яркости называется нит. Нит = кд • м-2 .

Из сказанного ранее ясно, что именно яркость определяет наши световые ощущения. Если мы хотим исследовать реакцию зрительной сенсорной системы на свет, световой стимул наиболее правильно характеризовать именно его яркостью. Поэтому в биофизике зрения понятие яркости играет первостепенную роль. В частности, два источника света будут казаться нам одинаковыми, если у них одинаковые яркости; это широко используется в разнообразных методиках световых измерений.

Из естественных источников света наиболее ярким является Солнце. В ясный день его яркость около 109 нит; на закате, когда значительно усиливается поглощение света в атмосфере, яркость Солнца уменьшается в сотни и тысячи раз. Огромна (до 1016 и более нит) яркость некоторых лазеров; это объясняется прежде всего тем, что излучение лазера распространяется в очень малом телесном угле (лучи почти параллельны).

4. Освещённость Еэто величина, равная световому потоку, падающему на единицу поверхности облучаемого объекта:

Единица освещённости называется люкс (лк). люкс = кд • ср • м–2

Освещённость практически важна, в первую очередь, потому что она характеризует условия работы: при недостаточной освещённости человек плохо различает мелкие детали, и глаза быстро утомляются. По гигиеническим нормам для обычной трудовой деятельности (в том числе – в учебных помещениях) освещённость должна быть не менее 200 люкс.

Часто бывает полезна формула, связывающая освещённость в какой-то точке А с силой света источника I и расстоянием до него R (предполагается, что размер источника мал по сравнению с расстоянием до него). Если угол падения лучей равен α, то

Надо заметить, однако, что при расчёте освещённости в помещениях эта формула часто даёт сильно заниженные результаты, так как в любом помещении кроме прямых лучей от источника (лампы) всегда есть свет, рассеянный стенами, потолком и т.п.

Интенсивность светового потока — Энциклопедия по машиностроению XXL

Следует указать на соответствие понятия яркости светящейся поверхности понятию интенсивности светового потока. Интенсивность светового потока измеряется величиной светового потока, проходящего через единицу видимого сечения по направлению, определяемому углом (углом между направлением потока и внешней нормалью к этому сечению), внутрь единичного телесного угла  [c.13]

В чем заключается явление самофокусировки интенсивных световых потоков и каковы физические принципы, вызывающие это явление  [c.456]


Таким образом, интенсивность светового потока играет для характеристики светового поля ту же роль, что и яркость для характеристики светящейся поверхности. Поэтому ее нередко называют также яркостью светового потока.  [c.49]

Теоретически вопрос о давлении света был исследован Максвеллом (1873). Рассматривая процесс распространения электромагнитных волн в веществе, Максвелл показал, что волны должны оказывать на вещество давление, определяемое величиной электромагнитной энергии, которая приходится на единицу объема. Сила давления зависит от интенсивности светового потока и составляет очень малую величину. Вычисления показывают, что в яркий солнечный день световое давление на 1 м- черной поверхности при нормальном падении лучей равно примерно 4,3-10 5 дин/см = 4,3-10 Па. Блестящим экспериментальным подтверждением этих результатов явились опыты Лебедева (1899).  [c.182]

До создания лазеров в оптике и спектроскопии практически безраздельно господствовал принцип линейности. Согласно этому принципу реакция вещества на действие света линейно зависит от напряженности действующего светового поля. Отсюда однозначно следует, что оптико-спектроскопические параметры (показатель преломления, коэффициент поглощения, эффективность люминесценции и рассеяния и др.) не зависят от интенсивности световых потоков и определяются только свойствами вещества.  [c.298]

До создания лазеров этот принцип не подвергался сомнению и считался надежно подтвержденным всей совокупностью экспериментальных и теоретических данных о распространении света в веществе. Известно лишь несколько работ, в которых высказывалась мысль о том, что принцип линейности в оптике следует рассматривать, как первое приближение в описании оптических явлений, и предпринимались попытки обнаружить оптические эффекты, выходящие за рамки этого приближения. Уже упоминалось об опытах Вавилова (1920) по проверке линейности закона поглощения света веществом, аналитическим выражением которого является известный закон Бугера — Ламберта — Бера (см. 21.6). И хотя в этих опытах был использован очень широкий диапазон интенсивностей световых потоков, никаких отклонений от закона Бугера — Ламберта — Бера не было обнаружено. Причина неудачи заключалась в низкой спектральной плотности  [c.298]

Количественный анализ растворов по электронным спектрам поглощения основан на зависимости относительной величины интенсивности светового потока, прошедшего через раствор, от концентрации растворенных веществ, определяемой законом Бугера— Ламберта — Бера (3.20). В аналитической практике он используется обычно в логарифмической форме  [c.188]


Помимо описанного метода в некоторых случаях для определения пропускания слоя Т применяется метод, основанный на сравнении интенсивностей световых потоков /1 и /2, прошедших через кюветы, содержащие один и тот же раствор, но имеющие-различные толщины 1 и /г- В этом случае  [c.191]

Рис, 71, Зависимость отношения относительных ошибок измерений оптической плотности и интенсивности светового потока от величины пропускания  [c.192]

Очевидно, что вынужденное излучение увеличивает интенсивность распространяющегося в среде светового потока с частотой V2l, т. е. действует обратно поглощению. Что касается спонтанного излучения, то его вкладом в увеличение интенсивности светового потока можно пренебречь по сравнению с вкладом вынужденного излучения, если световой поток распространяется в пределах малого телесного угла и имеет достаточно высокую спектральную плотность и (Т21).  [c.279]

Флуктуации интенсивности светового потока  [c.17]

Флуктуации интенсивности светового потока. Поскольку в световом потоке энергия распределена не равномерно в пространстве, а переносится отдельными фотонами, она и по времени должна восприниматься дискретными порциями. Однако концентрация фотонов при обычных условиях столь велика, что световой поток воспринимается как непрерывный поток энергии. Как и во всякой другой статистической системе, флуктуации макроскопических величин уменьшаются при убывании числа частиц системы.  [c.29]

Опыты Вавилова. Флуктуации интенсивности светового потока в опытах Вавилова регистрировались непосредственно человеческим глазом, обладающим чрезвычайно большой чувствительностью. Поэтому необходимо сделать несколько замечаний о возникновении зрительного ощущения. Оно возникает при попадании света на сетчатую оболочку глаза. В сетчатке глаза имеются воспринимающие элементы двух типов колбочки и палочки. Колбочки в основном сосредоточены в областях сетчатой оболочки вблизи оптической оси глаза и обеспечивают цветовое зрение. Палочки же сосредоточены главным образом в периферических областях сетчатой оболочки глаза, дальше от оптической оси, и обеспечивают серое периферическое или сумеречное зрение, которое не различает цветов. Однако чувствительность палочек во много раз больше, чем чувствительность колбочек.  [c.29]

Ясно, что /i и /2 пропорциональны интенсивности светового потока S в различные моменты времени. Промежуток времени -с между этими моментами определяется разностью Д хода лучей от А до фотоприемников (предполагается, что время движения сигнала от фотоприемников до коррелятора одинаково). Следовательно, X = Д/с и силы токов можно записать в виде /i = I t), I2 = I(t + т). Измеряемой в эксперименте величиной является  [c.32]

Интенсивность светового потока, как и светимость, измеряется в люменах на квадратный метр и люменах на квадратный сантиметр (лм/м , лм/см ).  [c.296]

Осветительные угли. Температура кратера положительного угля достигает 4200 К, а отрицательного — около 3500° К- Для облегчения условий формирования кратера в центре угольного стержня оставляют канал, заполняемый легко выгорающей массой — фитилем, содержащим фториды редких земель и обеспечивающим создание интенсивного светового потока.  [c.378]

Свойство хлора и водорода соединяться на свету было открыто еще в 1809 г. французскими учеными Ж. Л. Гей-Люссаком и Л. Ж. Тенаром. Несколько позже это свойство хлора и водорода было использовано для создания актинометра, прибора для измерения интенсивности светового потока [61, 62, с. 74].  [c.179]

При перемещении подвижной решетки изменение интенсивности светового потока, падающего на фотоэлементы от призмы 2, ведет к появлению электрических импульсов, число которых соответствует величине, а частота — скорости перемещения. Применение двух фотоэлементов позволяет определить направление перемещения.  [c.291]

Предложен и еще один способ измерения, заключающийся в следующем в правую кювету наливают испытуемый окрашенный раствор, а в левую — раствор сравнения. Щель диафрагмы полностью раскрывают и уравнивают интенсивность световых потоков оптическими клиньями, т. е. поступают так же, как это описано в первом способе при работе по левому барабану. После этого меняют положение кювет — ставят кювету с испытуемым раствором в левое гнездо, а кювету с раствором сравнения — в правое. Полученное нарушение баланса уравнивают вращением барабана. В отличие от первого варианта (см. рис. 11.3) здесь необходимый угол поворота барабана должен быть примерно в 2 раза больше, чем в первом варианте. В нервом способе испытуемый окрашенный раствор только в правой кювете заменялся более прозрачным раствором сравнения, в левой же кювете оставлялся раствор сравнения. При данном же способе и в правом и в левом гнезде растворы меняются, при-  [c.215]

Описанная конструкция зонда позволяет разместить головку зонда непосредственно за последней ступенью турбины, причем длина тубуса может достигать нескольких метров. С зондом работают следующим образом. Поместив головку зонда в исследуемый поток влажного пара, снимают показания измерительного прибора, включенного на выходе фотоумножителя. По полученной зависимости интенсивности светового потока от координаты торца световода 3 определяют индикатрису рассеяния света. Конструкция зонда обеспечивает удаление образовавшейся влаги за счет продувок благодаря избыточному давлению окружающей среды по сравнению с давлением в рабочей части. Преимущество зонда состоит в том, что он обеспечивает достоверную информацию) о крупных  [c.45]

В некоторых конструкциях средств контроля применяются фотоэлектрические преобразователи с заслонкой или шторкой, перекрывающей световой поток (рис. 11.3, б). В зависимости от размера измеряемой детали шторка, прикрепленная к измерительному штоку 7, на определенную величину перекрывает диафрагму 3. При этом изменяется интенсивность светового потока, идущего от источника / через конденсор 2, диафрагму 3 и объектив 4 к фотоприемнику 5.  [c.307]

Е начала быстро развиваться лазерная технология. Развитие лазерной техники привело к новому подходу при создании оптич. элементов и систем и, в частности, потребовало разработки новых оптич. материалов, пропускающих без их повреждений интенсивные световые потоки (силовая О.).  [c.420]

Допустим, что система электронных уровней возбуждается интенсивным световым потоком ак (радиация накачки) в канале /- 3. В этом случае куц кт и, следовательно, влияние теплового излучения можно не учитывать. Кроме того, будем считать, что Рз2 Рз1 и 31 Р21- Первое из этих допущений определяет метаста-бпльность (долгоживучесть) уровня 2. С учетом данных предположений формулы (35.22) становятся проще  [c.276]

Перейдем к рассмотрению процесса генерации. Образование инверсной заселенности еще не гарантирует высокой интенсивности светового потока, выходящего из активного вещества. Степень усиления зависит от коэффициента усиления кус и длины активного слоя I. В простом виде эту зависимость можно представить следующим образом ( = оехр(/ ус/), где о — интенсивность света, падающего на поглощающий слой вещества щ — интенсивность света, выходящего из него /гус = = —йпогл. Если бы удалось сильно увеличить длину активного стержня, то излучение, выходящее из его торцов, было бы весьма интенсивным, причем оно существовало бы даже, если бы и не было внешнего потока. Первичным источником была бы люминесценция, многократно усиленная при прохождении большой длины усиливающего слоя (это явление называют сверхлюминесценцией).  [c.277]

В отличие от активных модуляторов добротности, у которых момент выключения потерь определяется в)1еш-ними факторами, включение добротности пассивными модуляторами полностью определяется плотностью излучения внутри резонатора и их оптическими свойствами. В качестве пассивных модуляторов (или пассивных затворов) могут использоваться просветляющиеся фильтры, пленки, разрушающиеся под действием излучения, полупроводниковые зеркала с коэффициентом отражения, зависящим от интенсивности света, органические красители и т. д. Особое место среди пассивных затворов занимают затворы на основе просветляющихся фильтров. Исключительная простота таких затворов в сочетании с высокими параметрами получаемых с их помощью моноимпульсов излучения обеспечила им весьма широкое распространение. В основе работы этих затворов лежит способность просветляющихся фильтров обратимо изменять коэффициент поглощения под действием интенсивных световых потоков. Введение в резонатор пассивного затвора (рис. 35.10) приводит к увеличению порогового уровня накачки, в результате чего к моменту начала генерации па метастабилышм уровне накапливается значительное число активных частиц. При возникновении генерации лазерное излучение, проходящее через затвор, резко уменьшает его потери и запасенная энергия излучается в виде мощного импульса. Длительность этого импульса почти такая же, как и в режиме мгновенного включения добротности. Применение этих затворов значительно упрощает конструкцию генератора и позволяет получить параметры выходного импульса, близкие к предельным.  [c.284]

Если облучения катода нет, то и ток между катодом и анодом отсутствует. При наличии облучения возникает электрический ток, сила которого зависит от разности потенциалов, интенсивности светового потока, материала катода и частоты света. Ясно, что существование тока обеспечивается движением отрицательных зарядов, которые покидают поверхность катода под влиянием облучения. Однако природа носителей зарядов не была известна до 1900 г., когда Ленард доказал, что падающее на каюд ульграфиолето-вое излучение выбивает из материала катода электроны.  [c.18]

Описываются интерференционнь(е опыты при малых интенсивностях светового потока, из которых делается вывод о существовании явления интерференции при наличии лишь одного фотона. Этот вывод выражается словами фотон интерферирует сам с собой . Обсуждается интерпретация явлений интерференции в рамках корпускулярных представлений.  [c.41]

Помимо использования фотоэлементов как преобразователей солнечной энергии в электрическую, они применяются также в качестве чувствительных датчиков, реагирующих на изменение интенсивности светового потока. Широкое применение для этой цели получили германиевые, меднозакисные, селеновые, сернистосеребряные, сернистоталлиевые и другие элементы. Интегральная чувствительность их примерно на 2—3 порядка выше, чем у элементов с внешним фотоэффектом. Для ее повышения фотоэлементы конструируют так, чтобы возможно большее число носителей, возникающих при освещении, достигало р — -перехода. С этой целью базу элемента w (рис. 12.10, а) делают как можно тоньше, а полупроводниковый материал выбирают с возможно большей диффузионной длиной носителей L, чтобы выполнялось соотношение w[c.330]

Электровакуумные фотоэлементы выпускаются двух типов — высоковакуумные и газонаполненные, с сурьмяно-цезневыми или кисло-родно-цезиевыми фотокатодами. Высоковакуумные фотоэлементы менее чувствительны, чем газонаполненные, но имеют линейную зависимость фототока от интенсивности светового потока и практически безынерционны. Электровакуумные фотоэлементы работают только в цепях постоянного тока.  [c.250]

Щелевая диафрагма представляет собой прямоугольник, две боковые грани которого перемещаются расходятся или сближаются. Ширина щели при этом изменяется от максимального раскрытия, соответствующего цифре 100 по черной шкале левого барабана, и до полного закрытия, соответствующего О по той же шкале. Угол поворота оси барабанов а пропорщ1онален ширине щели I I = а 360. При а = 0 щель полностью закрыта (/ = 0) при повороте барабана на 90, 180, 270 и 360° щель раскрыта соответственно на одну четверть, на половину, на три четверти, и, наконец, полностью. Так как ширина щели пропорциональна интенсивности светового потока, то, следовательно, / = т = а 360. Деления черной шкалы и показывают т, т. е. светопропуска-ние щелевой диафрагмы. Таким образом, угол поворота оси барабанов а связан с делениями черной шкалы, нанесенной на левом барабане, т соотношением т = а 360, или в процентах т = а/360 100. При полном закрытии щели а = О и т = 0 при полном открытии щели а = 360° и т = 1 или 100 %. Формула отражает тот факт, что степени раскрытия щелевой диафрагмы пропорциональна интенсивность светового потока.  [c.212]

В классич. волновой О. параметры среды считаются не зависящими пи от интенсивности света, ни от времени соответственно, оптич. процессы описываются линейными дифферепц. ур-ниями с пост, коэффициентами. Однако во мн. случаях, особенно при больших интенсивностях световых потоков, это предположение несправедливо показатель преломления зависит от напряжённости поля световой волны (нелинейная поляризуемость вещества). Это приводит к совершенно новым явлениям й закономерностям, таким как изменение угла прелои-  [c.419]


Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о