Фотометрія. Сила світла. Освітленість

Розділ 3. СВІТЛОВІ ЯВИЩА

УРОК № 27

ТЕМА. Фотометрія. Сила світла. Освітленість

Мета: формувати уявлення про основні поняття фотометрії та їх застосування; поглибити знання про зображення в лінзах; звернути увагу на практичне використання цього навчального матеріалу.

Тип уроку: комбінований урок.

Обладнання: прилад для демонстрації законів оптики.

Структура уроку	1. Актуалізація опорних знань учнів. 2. Самостійна робота. 3. Вивчення нового навчального матеріалу. 4. Закріплення вивченого. 5. Підсумок уроку, домашнє завдання
Демонстрація	1. Залежність освітленості поверхні від сили світла джерела світла. 2. Залежність освітленості поверхні від відстані до джерела світла та кута падіння променів на поверхню, що освітлюється

ПЛАН-КОНСПЕКТ УРОКУ

I. Актуалізація опорних знань

Розв’яжіть задачу двома способами, побудувавши хід світлових променів і використавши формулу тонкої лінзи. Порівняйте отримані відповіді.

Задача. Запалену свічку поставили на відстані 30 см від збиральної лінзи з фокусною

відстанню 10 см. На якій відстані від лінзи треба розмістити екран, щоб отримати на ньому зображення полум’я свічки? Дайте характеристику зображення.

Запитання. Які види джерел світла ви знаєте?

II. Самостійна робота

Варіант І

1. Яка лінза називається збиральною? Яке її умовне позначення? (1 бал)

2. За якою формулою обчислюється збільшення лінзи?

А) 1/F = 1/d + 1/f;

Б) D = 1/F;

В) Г = Н/h = f/d. (1 бал)

3. Побудуйте зображення предмета, розташованого у подвійному фокусі розсіювальної лінзи. Охарактеризуйте його. (2 бали)

4. Визначте оптичну силу збиральної лінзи, фокусна відстань якої дорівнює 25 см.

А) 0,04 дптр;

Б) 4 дптр;

В) 0,25 дптр;

Г) 25 дптр. (2 бали)

5. Обчисліть фокусну відстань збиральної лінзи, якщо зображення вийшло в 1,5 рази збільшеним. Предмет знаходився на відстані 40 см від лінзи. (3 бали)

6. Визначте побудовою, де знаходиться оптичний центр тонкої лінзи та її фокуси, якщо МР – головна оптична вісь лінзи, S – світна точка, S1 – її зображення. Визначте також тип лінзи й тип зображення. (3 бали)

Варіант II

1. Яка лінза називається розсіювальною? Яке її умовне позначення? (1 бал)

2. Виберіть формулу тонкої лінзи.

А) 1/F = 1/d + 1/f;

Б) D = 1/F;

В) Y = H/h = f/d. (1 бал)

3. Побудуйте зображення предмета, розташованого у подвійному фокусі збиральної лінзи. Охарактеризуйте його. (2 бали)

4. Визначте фокусну відстань збиральної лінзи, оптична сила якої дорівнює 2,5 дптр. (2 бали)

5. Свічка розміщена на відстані 12,5 см від збиральної лінзи, оптична сила якої 10 дптр. На якій відстані від лінзи розташоване зображення свічки? (3 бали)

6. Визначте побудовою, де знаходиться оптичний центр тонкої лінзи та її фокуси, якщо МР – головна оптична вісь лінзи, S – світна точка, S1 – її зображення. Визначте також тип лінзи та її зображення. (3 бали)

III. Вивчення нового матеріалу

Учитель. Із точки зору закону збереження й перетворення енергії, джерело світла – це пристрій, у якому різні види енергії (теплова, електрична, хімічна) перетворюються на енергію світлового випромінювання. Джерела світла можуть значно відрізнятися одне від одного. Найсильніше для нас джерело світла – сонце, на яке боляче дивитися неозброєним оком. Але людське око помічає навіть дуже слабкі джерела світла, наприклад світлячків. Проте в багатьох випадках треба враховувати не лише властивості джерел світла, а й відстань до них та інші чинники. Світло діє на тіла завдяки тому, що воно переносить енергію.

Фотометрія – це розділ оптики, який вивчає способи вимірювання світлової енергії.

Основною характеристикою джерела світла є сила світла. Цю величину позначають І, вимірюють у канделах (кд).

Сила світла – це фізична величина, якою характеризують здатність світла випромінювати світлову енергію.

Кандела – це приблизно сила світла однієї звичайної свічки (канделябр). Лампа, потужністю 100 Вт має силу світла приблизно 100 кд. Числове значення сили світла Сонця – величезне число з 27 нулями, а сила світла світлячка – від однієї сотої до однієї тисячної кандели.

Відомо, що чим більше освітлений будь-який предмет, тим чіткіше ми його бачимо. Щоб характеризувати, наскільки освітлена та чи інша поверхня, вводять таку фізичну величину, як освітленість. Її позначають Е, вимірюють у люксах (лк).

Освітленість – це величина, яка показує, скільки світла потрапляє на одиницю площі поверхні (характеризує поверхню, що освітлюється).

За нормативними вимогами освітленість шкільної парти має бути не меншою, ніж 150 лк, освітленість книжкової сторінки має бути не меншою, ніж 100 лк (приблизно таку освітленість дає лампа розжарювання потужністю 60 Вт, розташована на відстані близько 70 см від книжки, коли промені перпендикулярні до сторінки).

Для вимірювання освітленості використовують спеціальні прилади, які називають люксметрами.

Світлочутливим елементом таких приладів є фотоелемент. У разі віддалення від джерела освітленість зменшується. Розрахунки й досліди показують, що для точкового джерела (такого, що випромінює світло однаково в усіх напрямках і розмірами якого можна знехтувати) освітленість Е прямо пропорційна силі світла І джерела світла й обернено пропорційна квадратові відстані R до джерела: E = I/R2. Ця формула справедлива за умови, що світло на поверхню падає перпендикулярно. Дане співвідношення було встановлено на початку XVII ст. німецьким фізиком і астрономом Йоганном Кеплером. У справедливості наведеного співвідношення легко переконатися, розглянувши так звану “світлову піраміду” із джерелом світла в її вершині.

Освітленість поверхні залежить не тільки від сили світла джерела та відстані до нього: вона ще залежить від кута падіння світла: E = I/R2-k, де k – множник, значення якого визначають за кутом падіння променя (він може змінюватися в межах від 1 (якщо кут падіння 0°) до 0 (якщо кут падіння 90°).

У разі збільшення кута падіння світла на поверхню її освітленість зменшується, бо площа поверхні, яку освітлює паралельний пучок світла, збільшується.

Закони фотометрії важливо враховувати для збереження власного зору. Слід уникати потрапляння до очей сильного прямого світла, дуже різкого контрасту між сусідніми поверхнями.

Закони фотометрії дозволяють пояснити багато явищ. Наприклад, легко зрозуміти, чому на поверхні близьких до Сонця планет висока температура, а на далеких планетах – низька.

Зміну пір року пояснюють тим, що взимку сонячні промені навіть опівдні падають не згори, а під досить великим кутом до вертикалі. За такого кута падіння вони “світять, але не гріють”.

Світловий потік – це та частина світлової енергії, що викликає зорові відчуття. Світловий потік дорівнює енергії, яку випромінює джерело світла і яка поширюється в усі частини простору за одиницю часу. Світловий потік позначається – Ф, вимірюється у люменах (лм).

Ф = W/t; E = Ф/S.

IV. Закріплення вивченого

Фронтальна бесіда за питаннями

1) Що характеризує фізична величина “сила світла”: джерело світла чи освітлювальну поверхню?

2) Що характеризує фізична величина “освітленість”: джерело світла чи поверхню, яка освітлюється?

3) Як залежить освітленість від кута падіння світла?

4) Для чого використовують абажури?

5) Чому взимку Сонце світить, але не гріє?

V. Підсумок уроку, домашнє завдання

Учитель підбиває підсумки уроку, після чого задає домашнє завдання: прочитати матеріал за підручником, вивчити за конспектом, розв’язати задачу.

Задача. Яку максимальну освітленість дає лампа силою світла 100 кд на відстані 5 м? (4 лк)