Дослідження закономірності зміни освітленості зі зміною відстані до джерела світла та зі зміною кута падіння променів

Автор Чернецький Ігор
Завідувач відділу створення навчально-тематичних систем знань НЦ «Мала академія наук України», кандидат педагогічних наук, голова Всеукраїнської громадської організації «Асоціація учителів фізики “Шлях освіти – ХХІ”». Наукові інтереси: моделювання освітніх та навчальних середовищ загальноосвітніх і позашкільних навчальних закладів з урахуванням трендів розвитку сучасних засобів навчання.

Теоретична частина

Для кількісної характеристики джерела світлової енергії, випромінюваної в певному напрямі, вводиться поняття сили світла. Силою світла називається відношення світлового потоку, що йде всередині конуса, до величини його тілесного кута при вершині.

Позначивши силу світла I, світловий потік Φ, а тілесний кут при вершині конуса ω,  можна написати таке рівняння:

 (1).

За одиницю сили світла в системі CI прийнято кандела (кд), а за одиницю світлового потоку прийнято люмен (лм). Люмен – це світловий потік, який поширюється в конусі з тілесним кутом при вершині в один стерадіан, якщо сила світла в ньому дорівнює 1 кд. Відношення світлового потоку до площі, на яку він падає, називається освітленістю:

 (2).

За одиницю освітленості прийнято люкс (лк). Люкс – це освітленість, що створюється світловим потоком в 1 лм на площі 1 м² . Якщо точкове джерело світла розташоване в центрі сфери, то на внутрішній її поверхні площею S створюється освітленість, рівна

 (3),

де R – радіус сфери. У цьому випадку світло падає перпендикулярно до поверхні S. Якщо світло падає на поверхню під кутом, то освітленість:

 (4).

Залежність освітленості від відстані отримала назву закону обернених квадратів. У роботі здійснюється перевірка виконання цієї закономірності за допомогою приладу, в якому можна змінювати відстань від джерела до чутливого фотоелемента і змінювати кут падіння променів на чутливий фотоелемент. Прилад складається з горизонтально розташованого корпусу, закріпленого на стійках, які встановлені на спільній основі. Корпус має дві складові частини: камеру, всередину якої вмонтовано фотоелемент і роз’ємний кожух. До клем підведені провідники від фотоелемента, до яких приєднують мультиметр. За допомогою ручки фотоелемент можна обертати навколо осі з максимальним кутом повороту, рівним 90. Нульова поділка шкали збігається з площиною чутливого шару фотоелемента. В нижній частині корпусу прикріплена шкала з сантиметровими поділками.

Хід роботи

1. Приєднайте до клем фотоелемента мультиметр та оберіть діапазон вимірювання сили струму 20 мА.
2. Приєднайте джерело струму до лампи розжарення та помістіть її всередину кожуха.
3. Встановіть фотоелемент перпендикулярно до світлового потоку. Лампу розжарення помістіть на відстані 20 см та виміряйте фотострум I за допомогою мультиметра.
4. Встановіть фотоелемент люксметра на шляху променя перед фотоелементом приладу та акуратно прикрийте кожух. Визначте освітленість E. Розрахуйте коефіцієнт співвідношення освітленості в люксах та фотоструму елемента в мкА.

 (5).

5. Видаліть фотоелемент люксметра та щільно закрийте кожух. Установіть лампу на відстані 10 см від фотоелемента приладу. Виміряйте струм і занесіть значення до таблиці 1.
6. Переміщуючи лампу щоразу на 1 см, вимірюйте струм і заносьте значення до таблиці 1. Вимірювання продовжуйте до відстані 30 см.
7. Встановіть лампу на відстані 20 см від елемента. Виміряйте струм і занесіть значення до таблиці 2.
8. Повертаючи рукояткою фотоелемент з кроком у 10°, заповніть значеннями струму таблицю 2.

Аналіз даних

1. Використовуючи коефіцієнт k, перерахуйте струм в одиниці освітленості у кожній таблиці.
2. За допомогою таблиць Excel побудуйте графіки залежності освітленості E від відстані R та кута падіння променів α.
3. За даними таблиць, використовуючи формулу (4), обчисліть усереднене значення сили світла I джерела.

 Таблиця 1 

 Таблиця 2