1

APŠVIETOS DĖSNIŲ PATIKRINIMAS

Energinės šviesinės spinduliuotės charakteristikos

Pagrindiniai dydžiai ir jų matavimo vienetai

Bet kurios šviesos šaltinis spinduliuoja elektromagnetinę energiją. Šviesos spindulių

pluoštai apibudinami energiniais (objektyviaisiais) ir šviesiniais (subjektyviaisiais) fizikiniais

dydžiais ir jų matavimo vienetais.

Pagrindiniai energiniai spinduliuotės fizikiniai dydžiai yra šie:

1. Energijos srautas Pe lygus spinduliuotės galiai, t.y. pro bet kurį paviršių per 1 s

išspinduliuotai energijai:

Pe=dW/dt . (1)

Jo vienetas - vatas: 1 W = 1 J/ s.

Šviesos šaltinių išspinduliuojamą elektromagnetinių bangų galią (energijos srautą Pe)

galima išmatuoti kalorimetru. Kalorimetro absorbuota elektromagnetinių bangų energija

paverčiama šilumine ir išmatuojama (J) džauliais.

2. Energinė apšvieta Ee lygi energijos srautui, krintančiam į paviršiaus ploto vienetą:

dSdPE ee / . (2)

Jos vienetas - 1 W/ m2.

3. Energinis šviesos stipris Ie , dažnai vadinamas energijos srauto kampiniu tankiu, lygus

spinduliuotės srautui, tenkančiam erdvinio kampo vienetui:

ddPI ee / (3)

Jo vienetas- 1 W/sr.

Erdvinio kampo vienetas steradianas (sr) riboja sferos paviršiuje plotą, lygų jos spindulio

kvadratui, t.y. 2RS (1 pav.). Taigi, visas erdvinis kampas

srRS sferos 4/ 2. (4)

Šių objektyvių charakteristikų nepakanka , kad išreikštume šviesos poveikį žmogaus

akiai. Žmogaus akis junta elektromagnetines bangas, kurių ilgis nuo 0,4 m iki 0,75 m, t.y.

2S R

sr1 C

R

1 pav. Erdvinis kampas

2

regimąją šviesą 61 10m m .

Skirtingo ilgio regimos šviesos spinduliai, esant vienodoms energinėms

charakteristikoms, sukelia akyje ne tik skirtingos spalvos, bet ir nevienodos šviesos srauto

pojūtį. Todėl, įvertinant ir sulyginant skirtingus šviesos šaltinius akimi, įvedami

subjektyvūs šviesiniai fizikiniai dydžiai ir jų matavimo vienetai.

Pagrindiniai subjektyvūs šviesiniai spinduliuotės fizikiniai dydžiai

1. Šaltinio šviesos stipris I lygus šviesos srautui, kurį jis spinduliuoja erdvinio kampo

vienete - steradiane.

ddI / . (5)

Šviesos stiprio vienetas - kandela (cd). Pagal tarptautinę vienetų sistemą viena kandela -

monochromatinio ( 1210540v Hz) šaltinio šviesos stipris, kurio spinduliuotės galia ta kryptimi

lygi 1/683 W / sr.

Kai šaltinis tolygiai spinduliuoja visomis kryptimis, jo šviesos stipris I = 4/ .

2.Taigi, šaltinio skleidžiamos šviesos srautas:

dId . (6)

Šviesos srauto vienetas – liumenas ( lm). Liumenas - toks šviesos srautas, kurį spinduliuoja

vienos kandelos taškinis šviesos šaltinis vieno steradiano erdviniame kampe.

.1046,1683/1111 3WWsrcdlm

Ši lygybė galioja tik monochromatiniam šviesos šaltiniui, spinduliuojančiam 555 nm (v =

540 10l2

Hz) ilgio bangas.

3. Paviršiaus apšvieta E lygi šviesos srautui d ir apšviečiamojo paviršiaus ploto dS

santykiui:

dSdE / . (7)

Kai šviesos srautas tolygus: SE / .

Apšvietos vienetas yra liuksas (lx). ./11 2mlmlx

Liuksas yra tokia paviršiaus apšvieta, kai į vieno kvadratinio metro paviršiaus plotą krinta

vieno liumeno baltos šviesos srautas.

Ryšys tarp akies juntamo šviesos srauto ir spinduliuotės energinės galios

Žinome, kad skirtingo ilgio regimosios šviesos spinduliai, esant vienodoms energinėms

charakteristikoms, sukelia akyje ne tik skirtingos spalvos, bet ir nevienodo šviesos srauto pojūtį.

Antrame paveiksle kreivė Pe parodo monochromatinių šaltinių mažiausią energinę

galią, sukeliančią tokį patį vos juntamą regos pojūtį. Tamsai adaptuotos akies WP 17

0 102 ,

atitinka keliasdešimt fotonų sekundei, kai bangos ilgis

555 nm. Trumpesnių bei ilgesnių nei 555

nm bangos ilgių spindulių, sukeliančių vos

energinė galia Pe juntamą regos pojūtį,

didesnė už Po.

)(WPe

3

400 500 600 700

2 pav. Akies santykinio spektrinio jautrio kreivė

Akies juntamas šviesos srautas neatitinka energinių šio srauto charakteristikų, nes akies

spektrinis jautris priklauso nuo šviesos bangos ilgio ir akies savybių.

Akies spektrinis jautris J yra spinduliuotės sukelto šviesos srauto pojūčio (d ,

liumenais) santykis su to paties srauto energine galia (dPe vatais). Matuojamas - Wlm / .

edPdJ / . (8)

Akis jautriausia žalsvai-gelsvai šviesai, kurios bangos ilgis 555 nm Jo didžiausia vertė

683 lm / W ( WlmJ /6830 ) Dydis J - dažnai vadinamas energijos srauto šviesos

ekvivalentu (arba šviesos efektyvumu). Vieno 1 vato galingumo monochromatinio ( = 555

nm) žalsvai gelsvos šviesos šaltinio energijos srautas, akies juntamas kaip 683 liumenų žalsvai

gelsvos šviesos srautas (didžiausias spektrinis šviesos efektyvumas).

Dažnai akies spektrinis jautris išreiškiamas santykiniu dydžiu:

ePPK /0 arba 0/ JJK . (9)

Tuomet jis vadinamas santykiniu akies spektriniu jautriu ( K ).

Santykinis spektrinis akies jautris yra santykis monochromatinio ( = 555 nm) energijos

srauto Po su bet kuriuo kitu monochromatiniu regimos šviesos energijos srautu eP , esant

vienodam šviesos srauto pojūčiui. Jo didžiausia vertė lygi 1, kai 555 nm (žr.2 pav.).

Iš (8) formulės matyti, kad monochromatinės šviesos srautas d :

ePJd . (10)

Suminis šviesos srautas lygus:

dKJdI

nm

nm

nm

nm

760

400

0

760

400

, (11)

čia - ddPe / - energijos srauto spektrinis tankis.

17

0 2 10P W

4

Ši (11) formulė nusako ryšį tarp juntamo akies šviesos srauto, išmatuoto liumenais, ir

spinduliuotės energinės galios (energijos srauto), išmatuotos vatais.

Apšvietos dėsnių patikrinimas

Darbo tikslas - patikrinti paviršiaus apšvietos priklausomybę nuo šaltinio šviesos stiprio, spindulių

kritimo kampo ir atstumo nuo šaltinio iki apšviečiamo paviršiaus.

Augalai nuolat sąveikauja su aplinka. Svarbiausi aplinkos veiksniai, reguliuojantys augimą, yra

temperatūra, šviesa, drėgmė ir kt. Šviesa veikia augalus dvejopai: l)kaip fotosintezės energijos šaltinis

ir 2)kaip tiesioginis augalo vystymosi dirgiklis.

Kadangi Saulės spindulių optinis kelias Žemės atmosferoje priklauso nuo Saulės padėties, todėl

Žemės paviršiuje energinė apšvieta kinta. Realiai liepos mėn. (saulėtą dieną) jis siekia tik 930 W/m2.

Saulės spinduliuojamas elektromagnetinių bangų spektras analogiškas absoliučiai juodo kūno

spinduliavimo spektrui. Apie 44% Saulės išspinduliuojamos energijos tenka infraraudoniesiems

spinduliams, kurių bangos ilgiai siekia nuo 0,75 m iki 200 m, 47 % tenka regimajai šviesai (0,4-0,75)

m ir apie 9% - ultravioletiniams spinduliams, kurių yra nuo 400 iki 200 nm. Praktiškai spinduliai,

kurių bangos ilgis trumpesnis už 280 nm, Žemės paviršiaus nepasiekia, nes juos sugeria viršutiniuose

atmosferos sluoksniuose esantis ozonas. Saulės spinduliai, perėję atmosferą, yra sugeriami vandens garų,

CO2, O2, N2, H2 ir kitų dujų. Todėl ištisiniame spektre stebimos absorbcijos linijos bei juostos.

Puslaidininkių elektrinis laidumas priklauso nuo apšvietos, todėl jie naudojami prietaisuose

apšvietai matuoti. Tokie prietaisai vadinami liuksmetrais (apie puslaidininkių laidumą žr. lit. 1,

II d., 51-53 p.). Liuksmetrą sudaro šviesai jautrus fotoelementas 1, galvanometras 2 ir dvi varžos

R1 ir R2, lygiagrečiai sujungtos su galvanometru (4 pav.). Varžos parinktos taip, kad

galvanometro-liuksmetro matavimo ribas galėtume didinti 10 ir 100 arba 200 kartų.

4 pav. Liuksmetro principinė schema

R1 R2 2

1

5

Apšvietos dėsniai

Pirmas apšvietos dėsnis: apšvieta Eo yra tiesiog proporcinga šaltinio šviesos stipriui (I ) ir

atvirkščiai proporcinga atstumo nuo šaltinio iki apšviečiamojo paviršiaus kvadratui ( r2 ), kai

šviesos spinduliai statmeni apšviečiamam paviršiui:

2

0 / rIE .

Antras apšvietos dėsnis: paviršiaus apšvieta yra tiesiog proporcinga spindulių kritimo

kampo kosinusui, kai į paviršių krinta lygiagretūs spinduliai:

cos0EE

Apjungę abu dėsnius, užrašome paviršiaus apšvietą

cos/ 2rIE .

Kai apšvieta atitinka higienos normas (žr. 1 lent.), nevargsta akys ir galima regėti

atskirai taškus, kurių kampinis nuotolis lygus 0,2.

1 lentelė

Apšvietos normos E, ( x )

Braižybos kabinete, 0,8 m nuo grindų L200

Auditorijoje, klasėje, 0,8 m nuo grindų 150

Skaitykloje, 0,8 m nuo grindų 100

Kambaryje, 0,8 m nuo grindų 50

Koridoriuje, laiptinėje, ant grindų 15

Darbo priemonės: 1 - fotoelementas; 2 - jautrus milivoltmetras, sugraduotas

liuksais; 3 – šviesos šaltinis (kaitrinė elektros lemputė); R - reostatas; V - voltmetras; A -

ampermetras; lygintuvas BC-24. Visi prietaisai sujungti į grandinę (6 pav.).

5 pav. Paviršiaus apšvieta

n S

r

6

Darbo eiga:

1. Nubrėžkite paviršiaus apšvietos (E) priklausomybės nuo elektros lemputės šviesos

stiprio (1) grafiką. Tam tikslui potenciometru R keičiate lemputės įtampą nuo 8 iki 12 voltų

(kas vieną voltą), užrašote atitinkamus ampermetro parodymus ir apskaičiuojate lemputės

elektrinę galią P. Šaltinio atstumą r ir kampą nurodo dėstytojas arba pasirenkate patys.

Duomenis surašote į 2 lentelę. Nubrėžiate grafiką )(PfE .

2 lentelė

Lemputės elektrinės charakteristikos Lemputės šviesos

stipris (iš 7 pav.)

I(cd)

Apšvieta ( x )

(prietaiso rodmenys)

E( x )

Šviesos šaltinio

atstumas

.constr

U(V) J(A) )(WUJP

8 9 10 11 12

A

V

R

BC-24 x

mV

1 3

r

2

6 pav. Laboratorinio darbo

elektrinė schema

7

2. Nubrėžkite paviršiaus apšvietos priklausomybės nuo šaltinio atstumo r grafiką

(šaltinio elektrinę galią ir kampą nurodo dėstytojas arba apsirenkate patys).

r(m) 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25

)( xE eksperiment.

.)( constcdI

.consta (laipsniai)

3. Nustatykite apšvietos priklausomybę nuo spindulių kritimo kampo .

, laipsniai 0 10 20 30 45

.( )eksperE lx

r - const.(m)

I{cd) = const.

KONTROLINIAI KLAUSIMAI

1. Paaiškinkite pagrindines energines ir šviesines spinduliuotės charakteristikas.

2. Paaiškinkite apšvietos dėsnius. Brėžinyje parodykite spindulių kritimo kampą.

3. Paaiškinkite akies spektrinį jautrį.

4. Paaiškinkite liuksmetro veikimo principą.