Волновая оптика. Как измерить относительную освещенность самодельным устройством

Может очень сильно различаться, причем визуально мы не в состоянии определить степень освещенности, т. к. человеческий глаз наделен способностью приспосабливаться к разному освещению. Между тем, интенсивность освещения имеет чрезвычайно важное значение в самых разнообразных сферах деятельности. Для примера можно взять процесс кино- или видеосъемки, а также, допустим, выращивание комнатных растений.

Человеческий глаз воспринимает световые от 380 нм (фиолетового цвета) до 780 нм (красного). Лучше всего мы воспринимаем волны с длиной, как раз не самой пригодной для растений. Яркое и приятное нашему глазу освещение может быть неподходящим для растений в теплице, которые могут недополучать важных для фотосинтеза волн.

Интенсивность света измеряется в люксах. Ярким солнечным полднем в нашей средней полосе она достигает примерно 100 000 люкс, к вечеру снижается до 25 000 люкс. В густой тени ее значение составляет десятые доли этих величин. В помещениях интенсивность солнечного освещения значительно меньше, т. к. свет ослаблен деревьями и оконными стеклами. Самое яркое освещение (на южном окне летом сразу за стеклами) в лучшем случае 3-5 тысяч люкс, на середине комнаты (в 2-3 метрах от окна) - всего 500 люкс. Это минимально необходимое для выживания растений освещение. Для нормального роста даже неприхотливым требуется не менее 800 люкс.

Интенсивность света на глаз мы определить не можем. Для этого существует прибор, название которого - люксметр. При его покупке необходимо уточнить измеряемый им диапазон волн, т.к. возможности прибора хоть и шире возможностей человеческого глаза, но все же ограничены.

Интенсивность света также можно измерить с помощью фотоаппарата или фотоэкспонометра. Правда, придется сделать перерасчет полученных единиц в люксы. Для проведения измерения нужно в месте замера положить белый лист бумаги и навести на него фотоаппарат, светочувствительность которого установлена на 100, а диафрагма на 4. Определив выдержку, следует ее знаменатель умножить на 10, полученное значение будет приблизительно соответствовать освещению в люксах. Например, при полученной выдержке 1/60 сек. освещение около 600 люкс.

Если вы увлекаетесь разведением цветов и уходом за ними, то, конечно же, знаете, что энергия света жизненно необходима растениям для нормального фотосинтеза. Свет оказывает влияние на скорость роста, направление, развитие цветка, размер и форму его листьев. С уменьшением световой интенсивности пропорционально замедляются все процессы в растениях. Количество его зависит от того, насколько удален источник света, от стороны горизонта, на которую обращено окно, от степени затененности уличными деревьями, от наличия штор или жалюзи. Чем светлее помещение, тем активнее происходит рост растений и тем больше им требуется воды, тепла и удобрений. Если растения растут в тени, то и ухода они требуют в меньшем количестве.

При съемке фильма или телевизионной передачи освещенность имеет очень важное значение. Высококачественная съемка возможна при освещенности порядка 1000 люкс, достигаемой в телевизионной студии при помощи специальных ламп. Но приемлемое качество изображения можно получить и при меньшем освещении.

Интенсивность освещения в студии до начала и в процессе съемки измеряют с помощью экспонометров или высококачественных цветных мониторов, которые подключаются к видеокамере. До начала съемки лучше всего пройтись с экспонометром по всей съемочной площадке с целью определения затемненных или чрезмерно освещенных ее участков во избежание негативных явлений при просмотре отснятого материала. Кроме того, правильной регулировкой освещения можно добиться дополнительной выразительности снимаемой сцены и нужных режиссерских эффектов.

Интенсивность света измеряется при размещении освещения в помещении или при подготовке оборудования к фотосъемке. Термин "интенсивность" используется по-разному, и из этой статьи вы узнаете, какие устройства и методы подойдут для ваших целей. Профессиональные фотографы и светотехники используют цифровые экспонометры, но вы можете сделать простое устройство со схожим действием - фотометр Джоли - самостоятельно.

Шаги

Как измерить интенсивность освещения в помещении и интенсивность света лампы

Разберитесь в фотометрах, которые измеряют интенсивность света в люкс и фут-канделах. Такие приборы измеряют интенсивность света на поверхности, то есть освещенность . Обычно такие устройства используются для подготовки к фотосъемке и при проверке освещенности помещения.

Узнайте, как следует интерпретировать данные. Вот несколько примеров типичных показаний, которые помогут вам понять, следует ли вам изменить освещение в помещении:

• Работать в офисе комфортно при освещенности 250-500 люкс (23-46 фут-канделов).
• В супермаркетах и на рабочих местах, требующих тонкой работы, используется освещенность 750-1000 люкс (70-93 фут-канделов). Верхнее значение сопоставимо с освещенностью на открытом пространстве на улице в светлый солнечный день.

1. Узнайте, что такое люмены. Если в описании лампочки встречается слово "люмен", оно описывает, сколько энергии испускает лампочка в виде видимого света. Вам нужно знать следующее:

   Измерьте угол наклона и поле лучей. Эти характеристики применимы к источникам света, которые направляют световой поток узким лучом в определенную сторону (к примеру, фонарики). Эти значения можно измерить экспонометром и с помощью линейки и транспортира.

   • Держите экспонометр прямо перед самым ярким лучом. Подвигайте его, пока не найдете участок с максимальной интенсивностью света (освещенностью).
   • Сохраняя то же расстояние до источника света, сместите экспонометр в одну сторону, пока интенсивность света не уменьшится до 50% от максимального уровня. С помощью линейки или нитки проведите линию от источника света до этой точки.
   • Проделайте то же самое с другой стороны. Проведите линию.
   • С помощью транспортира измерьте угол между двумя линиями. Это и будет углом луча - то есть углом, под которым расходится свет.
   • Чтобы измерить поле, проделайте то же самое, только отметьте точки там, где интенсивность освещения будет равняться 10% от максимального значения.

   Как измерить относительную освещенность самодельным устройством

   1. Сделайте устройство своими руками. Собрать его несложно, если у вас есть нужные материалы. Это изобретение называется фотометром Джоли, и с его помощью можно измерить относительную интенсивность двух источников света. Обладая необходимыми знаниями физики, о которых речь пойдет ниже, можно выяснить, какая из двух лампочек дает больше света и какая из них более эффективная.

      • Поскольку значение будет относительным , оно не будет выражено в точных единицах. Вы будете знать соотношение между двумя источниками света, но не сможете выяснить точные числа, не прибегая к еще одному эксперименту.

   2. Разрежьте кусок парафинового воска пополам. Купите воск в хозяйственном магазине, отрежьте кусочек весом 500 граммов, а затем острым ножом разрежьте этот кусочек пополам.

      Положите фольгу между двумя кусками воска. Оторвите кусочек алюминиевой фольги от листа и положите его на один из кусков, стараясь накрыть всю верхнюю поверхность целиком. Сверху поместите второй кусок воска.

      Поверните полученную конструкцию вертикально. Чтобы устройство заработало, его нужно повернуть так, чтобы фольга оказалась в вертикальном положении. Если воск сам не держится, можете пока оставить его в горизонтальном положении, но помните, что коробка, которую вы будете собирать, должна будет удерживать воск вертикально.

      Прорежьте три окошка в картонной коробке. Возьмите коробку, в которую поместится воск. Возможно, вам подойдет упаковка от воска. Отмерьте окошки и вырежьте их ножницами.

      • Прорежьте два окна одинакового размера с противоположных сторон. Отверстия должны быть напротив разных сторон парафина, когда те окажутся в коробке.
      • Прорежьте третье окно любого размера в передней части коробки. Отверстие должно быть по центру, чтобы вы могли видеть обе части восковых кусочков.

   3. Положите внутрь воск. Фольга между двумя кусками должна находиться в вертикальном положении. Возможно, вам придется использовать изоленту либо скотч, небольшие кусочки картона или и то, и другое, чтобы воск не переворачивался, а фольга - не съезжала.

      • Если у коробки нет крышки, накройте ее картоном или любым другим непрозрачным предметом.

   4. Выберите точку отсчета. Решите, какой источник света вы будете использовать в качестве отправной точки. Если вы будете сравнивать более двух источников света, вы сможете использовать эту лампу при каждом сравнении.

      Расположите два источника света на прямой линии. Положите две небольшие лампочки, светодиоды или другие источники света на ровную поверхность на прямой линии. Расстояние между ними должно быть больше ширины коробки, которую вы только что сделали.

      Расположите экспонометр между двумя источниками света. Он должен быть на такой же высоте, как и лампочки, чтобы лампочки могли полностью освещать воск внутри коробки через окошки. Помните, что источники света должны быть на большом расстоянии друг от друга.

      Выключите свет в помещении. Закройте окно, задвиньте шторы, опустите жалюзи, чтобы сторонний свет не проникал в коробку.

      Поправьте лампочки так, чтобы воск был освещен с обеих сторон одинаково. Поднесите фотометр к стороне с меньшей освещенностью. Передвигая коробку, смотрите в окошко на передней стороне коробки. Остановитесь, когда оба куска воска будут подсвечены одинаково.

   5. Измерьте расстояние от экспонометра до каждого источника света. Рулеткой измерьте расстояние от фольги до лампы, которую вы выбрали в качестве точки отсчета. Обозначьте эту точку как d1 . Запишите расстояние, затем измерьте расстояние от фольги до источника света с противоположной стороны, d2 .

      • Расстояние можно измерять в любых величинах, главное - не путать их. К примеру, если вы измеряете в сантиметрах, пишите только сантиметры (без метров).
   6. Например, предположим, что расстояние d 1 до источника света, взятого за точку отсчета, составляет 60 сантиметров, а расстояние d 2 до второго источника света - 1,5 метров.
   7. I 2 = 5 2 /2 2 = 25/4 = 6.25
   8. Интенсивность света второго источника в 6.25 раз больше , чем первого.

2. Рассчитайте эффективность. Если на лампочках отмечена мощность в ваттах (например, 60 ватт), эти цифры означают, сколько электричества потребляет лампочка. Разделите относительную интенсивность лампочки на это число, и вы получите эффективность лампочки относительно других источников света. Например:

   • У лампочки 60 ватт с относительной интенсивностью 6 относительная эффективность равняется 6/60 = 0.1.
   • У лампочки 40 ватт с относительной интенсивностью 1 относительная эффективность равняется 1/40 = 0.025.
   • Поскольку 0.1 / 0.025 = 4, лампочка 60 ватт в четыре раза эффективнее превращает электрический ток в свет. Помните, что она будет потреблять больше энергии, чем лампочка 40 ватт, а это обойдется вам в более крупную сумму. Эффективность - это процент пользы на каждую потраченную денежную единицу.

• Рассчитав сравнительную интенсивность света, можно измерить интенсивность освещенности с помощью аналогового или цифрового экспонометра. Новые цифровые экспонометры измеряют интенсивность в люкс, а старые аналоговые - в фут-канделах. 1 фут-кандела =10.76 люкс.

Таким образом, в геометрической оптике световую волну можно рассматривать как пучок лучей. Лучи, однако, сами по себе определяют лишь направление распространения света в каждой точке; остается вопрос о распределении интенсивности света в пространстве.

Выделим на какой-либо из волновых поверхностей рассматриваемого пучка бесконечно малый элемент. Из дифференциальной геометрии известно, что всякая поверхность имеет в каждой своей точке два, вообще говоря, различных главных радиуса кривизны.

Пусть (рис. 7) - элементы главных кругов кривизны, проведенные на данном элементе волновой поверхности. Тогда лучи, проходящие через точки а и с, пересекутся друг с другом в соответствующем центре кривизны а лучи, проходящие через b и d, пересекутся в другом центре кривизны .

При данных углах раствора лучей, исходящих из длины отрезков пропорциональны соответствующим радиусам кривизны (т. е. длинам и ); площадь элемента поверхности пропорциональна произведению длин , т. е. пропорциональна Другими словами, если рассматривать элемент волновой поверхности, ограниченный определенным рядом лучей, то при движении вдоль них площадь этого элемента будет меняться пропорционально .

С другой стороны, интенсивность, т. е. плотность потока энергии, обратно пропорциональна площади поверхности, через которую проходит данное количество световой энергии. Таким образом, мы приходим к выводу, что интенсивность

Эту формулу надо понимать следующим образом. На каждом данном луче (АВ на рис. 7) существуют определенные точки и , являющиеся центрами кривизны всех волновых поверхностей, пересекающих данный луч. Расстояния и от точки О пересечения волновой поверхности с лучом до точек являются радиусами кривизны волновой поверхности в точке О. Таким образом, формула (54,1) определяет интенсивность света в точке О на данном луче как функцию от расстояний до определенных точек на этом дуче. Подчеркнем, что эта формула непригодна для сравнения интенсивностей в разных точках одной и той же волновой поверхности.

Поскольку интенсивность определяется квадратом модуля поля, то для изменения самого поля вдоль луча мы можем написать:

где в фазовом множителе под R может поразумеваться как так и величины отличаются друг от друга только постоянным (для данного луча) множителем, поскольку разность , расстояние между обоими центрами кривизны, постоянна.

Если оба радиуса кривизны волновой поверхности совпадают, то (54,1) и (54,2) имеют вид

Это имеет место, в частности, всегда в тех случаях, когда свет испускается точечным источником (волновые поверхности являются тогда концентрическими сферами, a R - расстоянием до источника света).

Из (54,1) мы видим, что интенсивность обращается в бесконечность в точках т. е. в центрах кривизны волновых поверхностей. Применяя это ко всем лучам в пучке, находим, что интенсивность света в данном пучке обращается в бесконечность, вообще говоря, на двух поверхностях - геометрическом месте всех центров кривизны волновых поверхностей. Эти поверхности носят название каустик. В частном случае пучка лучей со сферическими волновыми поверхностями обе каустики сливаются в одну точку {фокус).

Отметим, что, согласно известным из дифференциальной геометрии свойствам геометрического места центров кривизны семейства поверхностей, лучи касаются каустик.

Надо иметь в виду, что (при выпуклых волновых поверхностях) центры кривизны волновых поверхностей могут оказаться лежащими не на самих лучах, а на их продолжениях за оптическую систему, от которой они исходят. В таких случаях говорят о мнимых каустиках (или мнимых фокусах). Интенсивность света при этом нигде не обращается в бесконечность.

Что касается обращения интенсивности в бесконечность, то в действительности, разумеется, интенсивность в точках каустики делается большой, но остается конечной (см. задачу к § 59). Формальное обращение в бесконечность означает, что приближение геометрической оптики становится во всяком случае неприменимым вблизи каустик. С этим же обстоятельством связано и то, что изменение фазы вдоль луча может определяться формулой (54,2) только на участках луча, не включающих в себя точек его касания с каустиками. Ниже (в § 59) будет показано, что в действительности при прохождении мимо каустики фаза поля уменьшается на . Это значит, что если на участке луча до его касания первой каустики поле пропорционально множителю - координата вдоль луча), то после прохождения мимо каустики поле будет пропорционально То же самое произойдет вблизи точки касания второй каустики, и за этой точкой поле будет пропорционально

Установим зависимость между смещением х частиц среды, участвующих в волновом процессе, и расстоянием у этих частиц от источника колебаний О для любого момента времени Для большей наглядности рассмотрим поперечную волну, хотя все последующие рассуждения

будут верны и для продольной волны. Пусть колебания источника являются гармоническими (см. § 27):

где А - амплитуда, круговая частота колебаний. Тогда все частицы среды тоже придут в гармоническое колебание с такой же частотой и амплитудой, но с различными фазами. В среде возникает синусоидальная волна, изображенная на рис. 58.

График волны (рис. 58) внешне похож на график гармонического колебания (рис. 46), но по существу они различны. График колебания представляет зависимость смещения данной частицы от времени. График волны представляет зависимость смещения всех частиц среды от расстояния до источника колебаний в данный момент времени. Он является как бы моментальной фотографией волны.

Рассмотрим некоторую частицу С, находящуюся на расстоянии у от источника колебаний (частицы О). Очевидно, что если частица О колеблется уже то частица С колеблется еще только где время распространения колебаний от до С, т. е. время, за которое волна прошла путь у. Тогда уравнение колебания частицы С следует написать так:

Но где скорость распространения волны. Тогда

Соотношение (23), позволяющее определить смещение любой точки волны в любой момент времени, называется уравнением волны. Вводя в рассмотрение длину волны X как расстояние между двумя ближайшими точками волны, находящимися в одинаковой фазе, например между двумя соседними гребнями волны, можно придать уравнению волны другой вид. Очевидно, что длина волны равна расстоянию, на которое распространяется колебание за период со скоростью

где частота волны. Тогда, подставляя в уравнение и учитывая, что получим другие формы уравнения волны:

Так как прохождение волн сопровождается колебанием частиц среды, то вместе с волной перемещается в пространстве и энергия колебаний. Энергия, переносимая волной за единицу времени через единицу площади, перпендикулярной к лучу, называется интенсивностью волны (или плотностью потока энергии). Получим выражение для интенсивности волны

Вычислим теперь полную энергию, излучаемую зарядом при ускорении. Для общности возьмем случай произвольного ускорения, считая, однако, движение нерелятивистским. Когда ускорение направлено, скажем, по вертикали, электрическое поле излучения равно произведению заряда на проекцию запаздывающего ускорения, деленному на расстояние. Таким образом, нам известно электрическое поле в любой точке, а отсюда мы знаем энергию , проходящую через единичную площадку за .

Величина часто встречается в формулах распространения радиоволн. Обратную ей величину можно назвать импедансом вакуума (или сопротивлением вакуума); она равна . Отсюда мощность (в ваттах на квадратный метр) есть средний квадрат поля, деленный на 377.

С помощью формулы (29.1) для электрического поля мы получаем

, (32.2)

где - мощность на , излучаемая под углом . Как уже отмечалось, обратно пропорционально расстоянию. Интегрируя, получаем отсюда полную мощность, излучаемую во всех направлениях. Для этого сначала умножим на площадь полоски сферы, тогда мы получим поток энергии в интервале угла (фиг. 32.1). Площадь полоски вычисляется следующим образом: если радиус равен , то толщина полоски равна , а длина , поскольку радиус кольцевой полоски есть . Таким образом, площадь полоски равна

(32.3)

Фигура 32.1. Площадь кольца на сфере, равна .

Умножая поток [мощность на , согласно формуле (32.2)] на площадь полоски, найдем энергию, излучаемую в интервале углов и ; далее нужно проинтегрировать по всем углам от до :

(32.4)

При вычислении воспользуемся равенством и в результате получим . Отсюда окончательно

Необходимо сделать несколько замечаний по поводу этого выражения. Прежде всего, поскольку есть вектор, то в формуле (32.5) означает , т. е. квадрат длины вектора. Во-вторых, в формулу (32.2) для потока входит ускорение, взятое с учетом запаздывания, т. е. ускорение в тот момент времени, когда была излучена энергия, проходящая сейчас через поверхность сферы. Может возникнуть мысль, что энергия действительно была излучена точно в указанный момент времени. Но это не совсем правильно. Момент излучения нельзя определить точно. Можно вычислить результат только такого движения, например колебания и т. п., где ускорение в конце концов исчезает. Следовательно, мы можем найти только полный поток энергии за весь период колебаний, пропорциональный среднему за период квадрату ускорения. Поэтому в (32.5) должно означать среднее по времени от квадрата ускорения. Для такого движения, когда ускорение в начале и в конце обращается в нуль, полная излученная энергия равна интегралу по времени от выражения (32.5).

Посмотрим, что дает формула (32.5) для осциллирующей системы, для которой ускорение имеет вид . Среднее за период от квадрата ускорения равно (при возведении в квадрат надо помнить, что на самом деле вместо экспоненты должна входить ее действительная часть - косинус, а среднее от дает ):

Следовательно,

Эти формулы были получены сравнительно недавно - в начале XX века. Это замечательные формулы, они имели огромное историческое значение, и о них стоило бы почитать в старых книгах по физике. Правда, там использовалась другая система единиц, а не система СИ. Однако в конечных результатах, относящихся к электронам, эти осложнения можно исключить с помощью следующего правила соответствия: величина где - заряд электрона (в кулонах), раньше записывалась как . Легко убедиться, что в системе СИ значение численно равно , поскольку мы знаем, что и . В дальнейшем мы будем часто пользоваться удобным обозначением (32.7)

Если это численное значение подставить в старые формулы, то все остальные величины в них можно считать определенными в системе СИ. Например, формула (32.5) прежде имела вид . А потенциальная энергия протона и электрона на расстоянии есть или , где СИ.