Методические указания к выполнению лабораторных работ по физике (раздел «Оптика») Волгоград 2007 (стр. 8 из 14)

9. Чем отличаются понятия светимости, интенсивности и освещенности?

10. Покажите аналитически как надо изменить динамический диапазон используемого в работе измерителя мощности излучения, если измерения проводить на базе (от прожектора до экрана), вдвое, втрое, … большей?

Порядок выполнения работы

1. Включить источник света 1. При необходимости провести с помощью преподавателя юстировку оптической схемы. По окончании юстировки положение всех, кроме упоминаемых ниже особо, оптических элементов схемы должно оставаться постоянным до окончания измерений: разъюстировка хотя бы одного элемента даже на завершающей стадии работы может привести к необходимости проводить все измерения заново. Особенно отметим такую ситуацию, когда факт разъюстировки ни «на глаз» ни «по показаниям» незаметен, а проявляется лишь при обработке результатов.

2. Включить измеритель мощности излучения 3.

3. Установить измеритель на минимальном расстоянии от источника света и зафиксировать его точно напротив окна в рассеивателе 2. Снять значение мощности излучения на входном окне измерителя. Результат занести в протокол измерений.

4. Отодвинуть измеритель мощности на 10 мм от источника и снова снять показания. Результаты занести в протокол.

5. Повторять п. 4 до тех пор, пока не будет измерена засветка с максимального расстояния от источника света.

6. Построить в программном пакете Harvard Graphics кривую зависимости мощности засветки от удаления источника света.

7. Аппроксимировать полученную кривую наиболее подходящей функцией.

8. Найти отклонения экспериментальных данных от аппроксимирующей кривой. Пользуясь статистикой по выбранным преподавателем десяти результатам, оценить погрешность косвенного измерения мощности излучения с использованием формулы, найденной в п. 7 (недостающие данные также получить у преподавателя).

9. Установить стойку 4 с измерителем мощности излучения на согласованном с преподавателем расстоянии от источника света. Поставить измеритель в горизонтальное положение и зафиксировать его точно напротив окна в рассеивателе. Снять значения мощности излучения на входном окне измерителя и угла его наклона к оптической оси. Результаты занести в протокол.

10. Ослабить фиксатор и, наклоняя измеритель, поставить его под углом к оптической оси, на 5° большим. Зафиксировать это положение, снять показания и результаты занести в протокол.

11. Повторять п. 10 до тех пор, пока угол наклона не превысит 90°.

12. Построить в программном пакете Harvard Graphics кривую зависимости мощности засветки от угла наклона измерителя к оптической оси.

13. Аппроксимировать полученную кривую наиболее подходящей функцией.

14. Проанализировав ход кривой, найти угловую апертуру встроенного в измеритель приемника излучения (по уровню мощности, указанному преподавателем).

15. Снова поставить измеритель в горизонтальное положение и зафиксировать его точно напротив окна в рассеивателе. Снять значения мощности излучения на входном окне измерителя и его смещения относительно оптической оси. Результаты занести в протокол.

16. Ослабить фиксатор и, опуская измеритель, поставить его на 5 мм ниже оптической оси. Зафиксировать это положение, снять показания и результаты занести в протокол.

17. Повторять п. 16 до тех пор, пока такое смещение ещё возможно.

18. Построить в программном пакете Harvard Graphics кривую зависимости мощности засветки от вертикального угла, образуемого направлением света, падающего на входное окно измерителя, с горизонталью (угла смещения).

19. Аппроксимировать полученную кривую наиболее подходящей функцией.

20. Выключить измеритель мощности излучения.

21. Выключить источник света.

Содержание отчета

Отчет по лабораторной работе должен содержать следующие материалы:

1. Титульный лист (см. Приложение А).

2. Цель и задачу работы.

3. Краткое изложение теории распространения света (как правило, в том объеме, в котором это необходимо для уверенного ответа на контрольные вопросы).

4. Оптическую схему лабораторной установки с расшифровкой ее элементов.

5. Протокол измерений, подписанный преподавателем еще при выполнении лабораторной работы и содержащий:

- таблицу с результатами измерения мощности излучения на каждом удалении измерителя от источника света,

- таблицу с результатами измерения мощности излучения при каждом угле наклона измерителя к оптической оси,

- таблицу с результатами измерения мощности излучения при каждом угле смещения измерителя относительно оптической оси,

- экспериментальный график зависимости мощности засветки от удаления измерителя,

- экспериментальный график зависимости мощности засветки от угла наклона,

- экспериментальный график зависимости мощности засветки от угла смещения.

6. Формулы аппроксимирующих функций и выкладки, к этим формулам приводящие.

7. Теоретические кривые:

- зависимости мощности засветки от удаления измерителя (можно на 1-м графике п. 5),

- зависимости мощности засветки от угла наклона (можно на 2-м графике п. 5),

- зависимости мощности засветки от угла смещения (можно на 3-м графике п. 5).

8. Подробные выкладки с результатами вычисления угловой апертуры приемника.

9. Подробные выкладки с результатами оценки инструментальной погрешности определения угловой апертуры.

10. Выводы по результатам проведенного исследования, включая собственные соображения по поводу причин:

- рассогласования экспериментальных и теоретических кривых;

- возникновения погрешности измерения угловой апертуры.

Лабораторная работа № 9

ВОСПРИЯТИЕ СВЕТА

Цель работы: изучение закономерностей восприятия света человеком.

Задача работы: экспериментально определить механический эквивалент света.

Техника безопасности

При выполнении работы студент может столкнуться со следующими опасными и вредными производственными факторами:

- сетевое переменное напряжение (220 В, 50 Гц);

- повышенный уровень яркости источника света;

- повышенная температура кожуха источника света;

- значительная масса отдельных составных частей лабораторной установки.

Отсюда вытекают следующие требования техники безопасности при выполнении лабораторной работы:

- подключение (отключение) электрических устройств к сети должно производиться только в присутствии преподавателя или лаборанта;

- запрещается заглядывать под кожух при включенном питании источника света и совать под свет блестящие предметы;

- запрещается прикасаться к кожуху источника света, как включенного, так и в течение 10 минут после выключения;

- не допускается перемещение установки, разборка и нештатное использование ее элементов: а) падение некоторых из них может серьезно повредить руки/ноги не только собственные, но и соседа; б) разбитое при падении стекло можно собирать только под присмотром лаборанта или преподавателя.

Лабораторная установка

Внешний вид и устройство установки для исследования восприятия света иллюстрируются ее фотографией на рис. 9.

Рис. 9. Лабораторная установка для исследования восприятия света.

Здесь: 1 – протяженный источник света (вертикально расположенная галогенная лампа накаливания в металлическом кожухе с отражателем и выходным окном 110´150 мм, питающаяся переменным напряжением 220 В);

2 – объектив (стеклянная линза диаметром 110 мм и фокусным расстоянием 100 мм);

3 – монохроматор УМ-2, в том числе а) вертикально расположенная регулируемая от 0 до 4 мм входная щель с отсчетным устройством (цена деления шкалы барабана 0,01 мм), б) входная (коллиматорная) труба, в) призменный стол под кожухом, г) барабан с устройством отсчета (0 … 3500 отн. ед.) угла поворота призменного стола либо длины волны монохроматического излучения, д) вертикально расположенная регулируемая от 0 до 4 мм выходная щель с отсчетным устройством (цена деления шкалы барабана 0,01 мм), е) выходная труба, – см. Приложение С;

4 – измеритель мощности оптического излучения ИМО-4с, в том числе а) приемная головка со входным окном диаметром 10 мм, б) измерительный блок, в) отсчетная шкала, г) семь клавиш для селекции потребного динамического диапазона, д) переключатель рода работ, е) выключатель питания типа тумблер, ж) регулятор установки нуля, з) регулятор калибровки;

5 – люксметр Ю-116, в том числе а) приемная головка со входным окном диаметром 50 мм, б) измерительный блок, в) отсчетная шкала, г) две клавиши для селекции потребного динамического диапазона;

6 – рейтеры с юстировочными приспособлениями;

7 – рельсы.

Светозащитный рукав снят, вентилятор для охлаждения источника света на фотографии не показан.

Теория изучаемого явления

Основные теоретические положения и все необходимые для выполнения лабораторной работы теоретические выкладки обобщены в следующих учебниках:

[1] на стр. 432…435, 462…463 и 479; [2] на стр. 172…173 и 210…212.

[14] на стр. 247…250 и 258…268; [15] на стр. 28…33.

Контрольные вопросы

1. Что такое кривая видности? Как объясняется тот факт, что их две штуки?

2. Если человек видит красный, желтый и зеленый фонари светофора равнояркими, то как на самом деле соотносятся их излучательные способности?

3. Механический эквивалент света.

4. Световые и энергетические фотометрические величины. Их соотношение.

5. Интегральные и спектральные параметры излучения. В чем различие?

6. Для какого спектрального диапазона определена сила света?

7. Два однотипных светодиода излучают на одной и той же длине волны 1 млм и 1 мВт. Какой из них потребляет большую мощность?

8. Принцип визуальной фотометрии.

9. В чем разница между радиометром, фотометром, колориметром и спектрометром?

10. Основные требования к ослабителям (аттенюаторам) в фотометрии.