Для открытой местности и помещения, а также приведем величины светового потока при разных обстоятельствах.
До широко распространенной электрификации источником света были солнце, луна, костер и свеча. Ученые уже в пятнадцатом веке умели создавать систему линз для усиления освещенности, но большинство людей работали и жили при свечах.
Некоторым было жалко тратить деньги на восковые источники света, или этот способ продлить день был просто недоступен. Тогда использовали альтернативные варианты топлива - масло, жир животных, дерево. Например, русские крестьянки средней полосы всю жизнь ткали лен при свете лучины. Читатель может спросить: «Почему это надо было делать ночью?» Ведь коэффициент естественной освещенности днем гораздо выше. Дело в том, что в светлое время суток у крестьянок было множество других забот. Кроме того, процесс ткачества весьма кропотлив и требует спокойствия. Женщинам было важно, чтобы никто не наступал на полотно, чтобы дети не путали нитки, а мужчины не отвлекали.
Но при такой жизни есть одна опасность: световой поток (формулу мы приведем чуть ниже) от лучины очень низкий. Глаза перенапрягались, и женщины быстро теряли зрение.
Когда первоклассники идут в школу первого сентября, они с волнением ожидают чудес. Их захватывают линейка, цветы, красивая форма. Они интересуются, какой будет их учительница, с кем они будут сидеть за одной партой. И эти ощущения человек запоминает на всю жизнь.
Но взрослые, когда отправляют детей в школу, должны подумать о более прозаических вещах, нежели восторг или разочарование. Родителей и учителей заботит удобство парты, размер классной комнаты, качество мела и формула освещенности помещения. Эти показатели имеют нормы для детей всех возрастов. Поэтому школьники должны быть благодарны за то, что люди заранее продумали не только учебную программу, но и материальную сторону вопроса.
Недаром в школах проводятся проверки, в которых применяется формула расчета освещенности комнат для занятий. Дети десять или одиннадцать лет только и делают, что читают и пишут. Потом они вечером выполняют домашнее задание, снова не расставаясь с ручками, тетрадками и учебниками. После чего современные подростки еще и утыкаются в разнообразные экраны. В итоге вся жизнь школьника сопряжена с нагрузкой на зрение. Но школа - только начало жизненного пути. Дальше всех этих людей ждет вуз и труд.
Каждый вид работ требует своего светового потока. Формула расчета всегда учитывает, что человек делает по 8 часов в сутки. Например, часовщик или ювелир должен рассматривать мельчайшие детали и оттенки цветов. Поэтому рабочее место людей этой профессии требует больших и ярких ламп. А ботанику, который изучает растения тропического леса, наоборот, необходимо постоянно пребывать в полумраке. Орхидеи и бромелии привыкли к тому, что верхний ярус деревьев отбирает почти весь солнечный свет.
Подходим непосредственно к формуле освещенности. Ее математическое выражение выглядит так:
E υ = dΦ υ / dσ.
Рассмотрим выражение поближе. Очевидно, что E υ - это и есть освещенность, тогда Φ υ - это световой поток, а σ - малая единица площади, на которую поток падает. Видно, что Е - величина интегральная. Это значит, что рассматриваются очень небольшие отрезки и кусочки. То есть ученые суммируют освещенность всех этих маленьких участков, чтобы получить конечный результат. Единица освещенности - люкс. Физический смысл одного люкса - это такой световой поток, для которого на один квадратный метр приходится один люмен. Люмен, в свою очередь, - это весьма конкретная величина. Она обозначает световой поток, который излучает точечный изотропный источник (следовательно, Сила света этого источника равна одной канделе в телесный угол один стерадиан. Единица освещенности сложная величина, которая включает понятие «кандела». Физический смысл последнего определения таков: сила света в известном направлении от источника, который испускает монохроматическое излучение частотой 540·10 12 Гц (длина волны лежит в видимой области спектра), причем энергетическая сила света равна 1/683 Вт/ср.
Конечно, все эти понятия на первый взгляд похожи на сферического коня в вакууме. Таких источников не существует в природе. И внимательный читатель непременно задаст себе вопрос: «Зачем это нужно?» Но у физиков есть необходимость сравнивать. Следовательно, им приходится вводить некие нормы, на которые надо ориентироваться. Формула освещенности проста, но многое может быть непонятно. Раскроем это подробнее.
Индекс υ означает, что величина не совсем фотометрическая. И связано это с тем, что человеческие возможности ограничены. Например, глаз воспринимает только видимый спектр электромагнитного излучения. Причем центральную часть этой шкалы (относится к зеленому цвету) люди видят гораздо лучше, чем краевые области (красный и фиолетовый). То есть фактически человек не воспринимает 100% фотонов желтого или голубого цвета. При этом существуют приборы, лишенные такой погрешности. Редуцированные величины, которыми оперирует формула освещенности (световой поток, например) и которые обозначаются греческой буквой «υ», имеют поправку на человеческое зрение.
В самой основе, как уже было сказано выше, лежит количество фотонов с определенной длиной волны, которые испускаются в определенном направлении за единицу времени. Даже самый монохроматический лазер имеет некоторое распределение по длинам волн. И уж точно он должен на чем-то держаться. Значит, фотоны испускаются не во всех направлениях. Но в формуле фигурирует такое понятие, как «точечный источник света». Это очередная модель, призванная унифицировать некоторую величину. И ни один объект вселенной не может так называться. Итак, точечный источник света - это генератор фотонов, который излучает равное количество квантов электромагнитного поля во всех направлениях, его размер равен математической точке. Однако есть одна хитрость, она может сделать реальный объект точечным источником: если расстояние, на которое долетают фотоны, очень велико по сравнению с размерами генератора. Таким образом, наша центральна звезда Солнце - это диск, а вот далекие звезды - это точки.
Наверняка внимательный читатель замечал следующее: в яркий солнечный день открытая местность кажется освещенной гораздо сильнее, чем закрытая с одной стороны поляна или лужайка. Поэтому берег моря так манит: там всегда солнечно и тепло. А вот даже большая поляна в лесу - более темная и холодная. И неглубокий колодец освещен плохо в самый яркий день. Это потому, что если человек видит только часть небосвода, до его глаза долетает меньше фотонов. Коэффициент естественной освещенности так и вычисляется, как соотношение потока света от всего небосвода к видимому участку.
Все эти понятия имеют отношение к геометрии. Но сейчас речь пойдет о явлении, которое непосредственно относится к формуле освещенности и, следовательно, к физике. До этого момента предполагалось, что свет падает на поверхность перпендикулярно, строго вниз. Это, конечно же, тоже приближение. При соблюдении данного условия удаление от источника света означает падение освещенности пропорционально квадрату расстояния. Таким образом, звезды, которые человек видит невооруженным глазом на небе, либо расположены не так далеко от нас (все они относятся к галактике Млечный Путь), либо очень яркие. Но если свет падает на поверхность под углом, все иначе.
Представьте себе фонарик. Он дает круглое пятно света, когда направлен строго перпендикулярно стене. Если его наклонить, то пятно изменит форму на овал. Как известно из геометрии, у овала площадь больше. А раз фонарик все тот же, значит, и сила света та же, но она как бы «размазана» на большую площадь. Сила света зависит от по закону косинуса.
Заголовок звучит как название красивого фильма. Но наличие сезонов напрямую зависит от угла, под которым падает свет в своей наивысшей точке на поверхность планеты. И в данный момент речь идет не только о Земле. Сезоны существует на любом объекте солнечной системы, ось вращения которого наклонена по отношению к эклиптике (например, на Марсе). Читатель, наверное, уже догадался: чем больше угол наклона, тем меньше фотонов приходится на квадратный километр поверхности в секунду. Значит, тем холоднее будет сезон. В момент наибольшего отклонения планеты в полушарии царит зима, в момент наименьшего - лето.
Чтобы не быть голословными, приведем некоторые данные. Предупреждаем: все они усреднены и для решения конкретных задач не годятся. Кроме того, существуют справочники освещенностей поверхностей разными типами источников. Лучше обращаться к ним при проведении расчетов.
Глава седьмая
Для нормальной жизнедеятельности человека, особенно в условиях производства, важную роль играет качество освещения. Плохо освещенные опасные зоны, слепящие источники света, резкие тени от предметов и оборудования ухудшают ориентацию работающих, вследствие чего не исключена возможность травмирования. Недостаточное или неправильное освещение рабочих мест и всей рабочей зоны вызывает преждевременное утомление человека, может быть причиной не только снижения производительности труда, но и несчастного случая. Неправильно выбранные при проектировании электрического освещения осветительные приборы, а также нарушения требований главы «Электрическое освещение» Правил технической эксплуатации электроустановок могут быть причиной пожара, взрыва и других аварий на производстве.
Освещение производственных помещений и рабочих мест может быть естественным 1 , искусственным и совмещенным.
1 Расчет естественного освещения в основном сводится к определению площади световых проемов (окон) в помещении согласно указаниям СНиП II 4-79 «Естественное и искусственное освещение. Нормы проектирования».
Естественный (солнечный) свет оказывает положительное воздействие на зрение и в целом на организм человека. Поэтому все помещения в соответствии с Санитарными нормами проектирования промышленных предприятий СН 245-71, как правило, должны иметь естественное освещение.
Искусственное освещение осуществляется с помощью электрических источников света - ламп накаливания, люминесцентных или иных газоразрядных ламп.
Основными величинами, характеризующими видимый свет, являются световой поток источника света, сила света, освещенность, яркость светящейся поверхности, коэффициент отражения света.
Световой поток Φ - это мощность световой энергии, оцениваемая по световому ощущению, воспринимаемому зрительным органом человека. Единицей измерения светового потока является люмен (лм). Об этой единице можно судить из примера, что световой поток лампы накаливания мощностью (потребляемой из электросети) 25 Вт при напряжении 220 В составляет около 200 лм.
Сила света характеризует его интенсивность в различных точках освещаемого пространства. Сила света равна отношению светового потока к телесному углу ω, в пределах которого световой поток распределен равномерно: I=Φ/ω. За единицу силы света принята кандела (кд), определяемая эталонным источником света. Таким образом, люмен есть световой поток, испускаемый точечным источником света в телесном (пространственном) угле в один стерадиан (ст) при силе света в 1 кд.
Освещенность (Е) - поверхностная плотность падающего на данную поверхность светового потока, измеряется в люксах (лк), т. е. E=Φ/S; 1 лк равен 1 лм/м 2 .
Яркость L - световая величина, непосредственно воспринимаемая глазом, она определяется значением силы света, излучаемого с единицы площади поверхности в заданном направлении под углом α, где L = Iρ/S, ρ- коэффициент отражения поверхности, ρ = Φ отр /Φ пад, т. е. равен отношению светового потока, отраженного от поверхности, к падающему на нее световому потоку.
Количество света можно оценивать как чисто физическим способом в единицах энергии, так и по тому или иному действию, которое это количество света может произвести, например по его воздействию на глаз.
Относительная видность излучений, характеризующих спектральную чувствительность глаза, положена в основу системы световых величин и единиц. Основные световые понятия созданы с учетом относительной видности излучений.
Видимую область спектра удобнее всего оценивать по производимому ею ощущению света. Световой поток F — мощность лучистой энер^ гии, оцениваемая по световому ощущению, которое она производит:
где: V — относительная видность, а Ф — монохроматический поток. В качестве единицы светового потока в соответствии с международным соглашением принят люмен (лм). В качестве государственного эталона люмена принят световой поток, излучаемый абсолютно черным телом с площадью выходного отверстия 0,5305 мм 2 при температуре затвердевания платины 2,046 К.
Световой поток, излучаемый источником света, обычно распределяется в пространстве неравномерно. Поэтому более полно охарактеризовать источник света только величиной светового потока недостаточно. Необходимо знать и распределение плотности светового потока в пространстве, т. е. силу света светового потока по различным направлениям Сила света I — пространственная плотность светового потока в данном направлении. Сила света численно равна отношению светового
потока F к величине телесного угла w, в котором он распространяется I = F/w . Единицей силы света служит новая свеча (наименование новая свеча дано в отличие от ранее применявшейся международной свечи. 1 международная свеча = 1,005 новой свечи. В соответствии с новым ГОСТ 7932-56 свеча принята основной световой единицей.)
Для того чтобы иметь возможность оценивать качество осветительных установок в условиях эксплуатации, а также для других целей, в светотехнике применяют ряд производных световых величин. Одной из таковых является освещенность, характеризующая распределение светового потока по той поверхности, на какую он падает. Освещенность Е — плотность светового потока на освещаемой поверхности. Освещенность Е численно равна отношению светового потока F к площади поверхности S, на которую он падает и по которой равномерно распределяется.
Единицей освещенности служит люкс. Люкс равен освещенности поверхности, плотность светового потока на которой равна 1 лм на 1 м 2 .
Яркость является единственной из световых величин, которую непосредственно воспринимает глаз. Уровень светового ощущения определяется величиной освещенности на сетчатке глаза.
Яркость численно равна отношению силы света I, излучаемого этим участком поверхности S в заданном направлении, к площади его проекции S на плоскость, перпендикулярную этому направлению
За единицу яркости, численно равную 1 свече с 1 м 2 проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную заданному направлению, принят нит (нт).
Фотометрические измерения принято разделять на объективные (при помощи приборов, измеряющих количество света без прямого участия глаза) и субъективные, или визуальные, при которых измерения производятся непосредственно глазом. За последнее десятилетие объективные фотометры получили широкое распространение и почти вытеснили визуальные приборы. Наибольшее распространение имеют приборы, состоящие из фотоэлемента и измерительного прибора, включенных в замкнутую цепь. Падающий на фотоэлемент свет обусловливает появление в цепи фотоэлектродвижущей силы и в результате этого наличие электрического тока, тем более сильного, чем больше количество падающего света. Шкала соединенного с фотоэлементом измерительного прибора градуируется.
Принцип визуальной фотометрии совершенно иной. В поле зрения прибора видны две соприкасающиеся поверхности; яркость одной из них пропорциональна количеству измеряемого света, а известная яркость другой из них, служащей для сравнения, создается специальным источником света. На уравнении двух яркостей основаны все визуальные световые измерения. Производящий измерение должен, пользуясь своим зрением, сделать яркость поверхности, освещенной неизвестным измеряемым светом, равной яркости поверхности, освещенной известным светом.
В настоящее время завод «Вибратор» выпускает новый объективный люксметр — Ю-16 (1956). Он является переносным, портативным прибором, обеспечивающим непосредственный отсчет освещенностей по шкалам измерителя.
Люксметр Ю-16 не имеет корригирующего светофильтра, поэтому при измерении освещенностей от люминесцентных ламп нужно пользоваться следующими поправочными коэффициентами: для ламп дневного света ДС—0,9, для ламп белого света БС — 1,1. При измерении естественной освещенности поправочный коэффициент приближенно равен 0,8.
Свет, падающий на поверхность нашей планеты Земля от Солнца, является источником жизни для всех ее живых организмов. Солнечные лучи, распространяясь со скоростью 300000 км/ч., оказывают следующие воздействия на окружающую среду:
Исходя из этого естественный свет — это лучистая энергия в виде электромагнитных волн, обладающих разными свойствами в зависимости от их общего показателя, которым является длина. Длина излучений измеряется в нанометрах (0,000000001 м) и варьируется для инфракрасных волн от 700 до 10000 нм., видимых человеческому глазу 400-750 нм., ультрафиолетовых — 10-370 нм. и рентгеновских 0,00001-10 нм.
Для человеческого глаза наиболее оптимальной считается длина видимых электромагнитных колебаний от 500 до 600 нм., хуже воспринимаются красные и фиолетовые лучи, а инфракрасные и ультрафиолетовые ощущаются только по нагреву и загару кожного покрова.
С развитием науки и техники человечество научилось создавать искусственные источники всех разновидностей электромагнитных волн, используемых в разных отраслях промышленности и сельского хозяйства и других сферах деятельности. Рассмотрим основные светотехнические понятия, раскрывающие все характеристики источников света.
Световой поток — это мощность видимого излучения источника электромагнитных волн, которое ощущает человеческий глаз. Обозначается буквой Ф и измеряется в люменах (лм).
Поток лучей света, отдаляясь от источника, в пространстве распространяется неравномерно, теряя свою плотность. Эту пространственную лучистую плотность светового потока характеризует такое понятие как сила света I (измеряется в канделах – кд.), которое определяется из отношения светового потока Ф к телесному углу ω.
I =Ф/ω.
Чтобы разобраться, как эти величины взаимосвязаны друг с другом обратимся к рисунку.
Если взять точечный источник света 0, который будет светить в пространстве, то будет находиться внутри освещенного шара. Теперь представим, что световой поток Ф будет распространяться на выбранный участок сферы площадью S, в результате образуется конус, стороной которого будет являться радиус шара. Этот пространственный угол, являющийся вершиной конуса, и является телесным и определяется, как отношение площади S к квадрату радиуса сферы.
Единицей телесного угла является стерадиан (ср), который образует на поверхности светящегося шара площадь, равную по значению квадрату его радиуса.
Освещенность характеризует то, как количественно изменяется плотность светового потока источника света в пространстве, лучи которого падают на любые поверхности, удаленные на разные расстояния от места излучения. Определяется отношением светового потока Ф к освещаемой поверхности S:
Снова обратимся к рисунку!
Итак, возьмем также точечный источник света А, сила света I α светового потока которого направлена на участок площадью S какой-либо поверхности. Расстояние между источником света А и площадью равно l. В итоге образуется конус с наклоном, с углом α между направлением силы света I α и стороной конуса и пространственным углом ω. Тогда:
ω=S*cosα/l 2 и вычисляем Ф= I α *S*cosα/l 2 .
Определяем освещенность элемента по следующему выражению:
Е= I α *cosα/l 2 .
Таким образом, освещенность определяется силой света расстоянием до освещаемой поверхности, т.е. чем дальше находится предмет от источника видимого излучения, тем меньше на него попадает света!
Единица освещенности называется люксом и обозначается как (лк).
При попадании светового потока на поверхность какого-либо предмета, то он частично поглощается, а другая его часть отражается, создавая зрительное восприятие этого предмета на расстоянии. Если два освещенных объекта темного и светлого цвета разместить на одном и том же расстоянии от человеческого глаза, то лучше будет виден светлый объект, то есть он лучше отражает световой поток источника света. Для сравнения, где будет светлее, в комнате со светло-зелеными или темно-коричневыми обоями при одинаковой освещенности? Конечно же, в комнате со светло-зеленым покрытием стен.
Таким образом, под яркостью освещаемой поверхности понимают то количество отраженной силы света относительно глаза наблюдателя, которое будет зависеть от окраски и отражающих свойств этой поверхности.
Яркость обозначается буквой L и равна отношению силы света к площади проекции освещаемой поверхности:
Как видно из формулы, яркость измеряется в кандела на один квадратный метр (кд/м2).
Данная формула справедлива в том случае, если глаз наблюдателя находится под углом 90 градусов к отражающей поверхности, так как тогда угол между падающим и отражающим углом составит 0 градусов, а cos0=1!
Если освещаемая поверхность будет рассматриваться человеческим глазом под некоторым углом а, то он увидит площадь проекции этой поверхности на плоскость, находящуюся под углом 90° по направлению к наблюдающему, тогда яркость будет равна:
Также термин яркость используется и для источников света, имеющих излучающие поверхности различных форм. Так, например, если взять лампу накаливания с колбой в форме шара, то проекция излучения в пространстве будет в виде круга с площадью πD2/4. Для цилиндрических ламп (газоразрядные) проекция представляет собой множество прямоугольников, которые вычисляются как произведение длины и ширины, а в данном случае умножения диаметра колбы на ее длину.
Свет представляет собой форму энергии, которая распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн с частотами, воспринимаемыми человеческими глазами. Фотометрия – это методы измерения световой энергии оптического диапазона. Световым потоком называют протекающую через некоторую поверхность единицу времени световую энергию, оцениваемую по зрительному ощущению, т.е. световой поток – это мощность светового излучения. Зрительное ощущение меняется зрительно и качественно. Источник света наз. Точечным если его размеры пренибрижительно малы по сравнению расстоянием, на котором оценивается его действие. Для описания светового потока испускаемого источником света по разным направлениям используют понятие телесного угла , т.е. области пространства представляющей собой форму конуса. Ω=S/R 2 – телесный угол. Ω=4П – телесный угол сферы. Силой света называют световой поток созданный источником света в единичном телесном угле. I c =Ф с /Ω – Сила света (кд(канделах)) I c =Ф с /4П – сила света вокруг точечного источника (сферы) Ф с =I c * Ω – световой поток. Источник света почти всегда освещает световую поверхность неравномерно. Освещенностью называют отношение светового тока падающего на некоторый участок поверхности к площади этой поверхности. Е=Ф с /S=I c /R 2 – Освещенность (ЛК(люкс)). Первый закон освещённости : Освещенность прямо пропорциональна силе света источника и обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника.Е 0 =I c /h 2 – освещенность под источником света. Второй закон освещенности : Освещенность поверхности создаваемая параллельными лучами пропорциональна косинусу угла падения луча. E=E 0* cosα=I c /R 2 * cosα
53. линзы. Оптическая сила. Формула тонкой линзы.
Линза
– это прозрачное тело ограниченная двумя сферическими поверхностями. Если середина Лизы тоньше чем её края, то она называется рассеивающей, а сама она вогнутая. Если середина у линзы тоньше чем края, то она называется собирающей. |O 1 O 2 | - главная оптическая ось. Любая прямая проходящая через центр линзы называется побочной осью. Точка, в которой пересекается все лучи после преломления в собирающей линзе, падающей параллельно главной оптической оси называется главным фокусом линзы
. У линзы 2 главных фокуса. Линия, на которой лежат фокусы Лизы, называется фокальной плоскостью
. Собирательная линза даёт действительное изображение, а рассеивающие мнимое изображение. Величину равную обратному фокусному расстоянию называют силой оптической линзы
. Д=1/F – оптическая сила линзы (диоптрия). F – Фокус. 1/F=1/f+1/d – формула тонкой линзы (для собир.) 1/f=1/F+1/d - формула тонкой линзы (для рассеивающей). Г=H/h=f/d – увеличение линзы.
