Каждый из нас понимает, что свет от разных источников и в разных условиях может существенно отличаться
: оно может быть «сильным» или «слабым». Звездной ночью мы можем видеть, куда ставим ногу, но вряд ли сможем читать книгу. Летом в середине дня освещение бывает настолько сильным, что глаза быстро устают и даже болят. Однако во многих случаях необходимо учитывать не только свойства источников света, а расстояние до них и другие факторы: стоя поздно вечером под единым на улице фонарем, вы сможете читать, а сделав хоть несколько шагов от фонаря - не сможете.
Раздел физики, изучающий способы измерения "количества света», называют фотометрии. Источники света, которые мы наблюдаем (Солнце и уличный фонарь, прожектор и светлячок), сильно отличаются по энергией своего светового излучения. Мы будем рассматривать только точечные источники света: такие, которые содержатся довольно далеко от нас, чтобы их собственными размерами можно пренебречь. Кроме того, точечный источник должен излучать свет равномерно во всех направлениях (так, прожектор или лазерную указку нельзя считать точечным источником света даже при наблюдении с большого расстояния).
Точечным называют источник, излучающий свет одинаково во всех направлениях, размерами которого можно пренебречь.
Какие примеры точечных источников света вы можете привести?
Почти идеальным примером точечного источника света могут быть удалены звезды. Основной характеристикой источника света является так называемая сила света. Эту физическую величину обозначают I, единицей силы света является кандела (кд).
Характеристикой источника света является сила света (I), измеряемой в канделах (кд).
Мы не будем приводить точного определения Кандела, оно слишком сложное для вас. Достаточно сказать, что 1 кд примерно соответствует силе света одной свечи («кандела» как раз и означает «свеча»). Электрические лампы накаливания чаще всего имеют силу света около 100 кд, прожектор дает десятки тысяч кандел, а иногда - даже миллионы кандел.
Следует учесть, что далеко не весь свет от источника попадать, например, на страницу книги, которую мы читаем. А для нас именно это самое важное! Чтобы характеризовать, насколько освещена та или иная поверхность, вводят такую физическую величину, как освещенность. Ее обозначают E, измеряют в люксах (лк). Эта величина показывает, сколько света попадает на единицу площади поверхности.
Освещенность (E) показывает, сколько света падает на единицу площади поверхности. Освещенность измеряют в люксах (лк).
Существуют специальные приборы (люксметры) для измерения освещенности. От чего же зависит освещенность поверхности (страницы книги, дороги, ученического стола)? Будем считать, что свет излучает единственный точечный источник света. Тогда прежде всего надо учесть силу света источника. Если она удвоится, то это то же самое, что добавить еще одно такое же источник. Таким образом, освещенность тоже удвоится - она прямо пропорциональна силы света источника. Надо также учесть от-стань r к этому источнику. Если, например, увеличить это расстояние вдвое, то такая же энергия света распределяться по поверхности, площадь которой увеличилась в 22 = 4 раза (соответствующий рисунок есть в учебнике). Итак, освещенность поверхности уменьшится в 22 = 4 раза. Если увеличить расстояние до источника света втрое, освещенность уменьшится в 32 = 9 раз. Таким образом, освещенность обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника света.
Освещенность поверхности прямо пропорциональна силы света источника и обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника света.
Так, в числителе формулы для освещенности должна стоять сила света, а в знаменателе - квадрат расстояния от поверхности до источника света.
От чего еще зависит освещенность? Попробуйте включить в темной комнате единую настольную лампу и, отойдя от нее на определенное расстояние, поверните лист бумаги от разными углами к световым лучам.
Демонстрация с помощью прибора для демонстрации законов оптики.
Нетрудно заметить, что лист освещен сильнее, когда угол падения световых лучей равна нулю. Решая расчетные задачи, мы будем рассматривать именно такой случай. Единицы силы света и освещенности согласованы таким образом, что когда угол падения света равен нулю, в формуле для освещенности нет никаких дополнительных коэффициентов.
При перпендикулярном падении света на поверхность.
Напомним еще раз: освещенность измеряется в люксах, силу света - в канделах, расстояние - в метрах. Законы фотометрии позволяют объяснить многие известные нам явлений. Например, легко понять, почему на поверхности близких к Солнцу планет высокая температура, а на далеких планетах - очень низкая. А вот когда речь идет о нашей родной Земле, то часто приходится слышать неправильное объяснение смены времен года. Говорят, что зимой Земля находится дальше от Солнца, чем летом. Но когда в Украине холодная зима, в Австралии - жаркое лето! Неужели Австралия настолько ближе к Солнцу? Конечно, нет. Правильное объяснение другое: зимой солнечные лучи даже в полдень падают не сверху, а под довольно большим углом к вертикали. При таком угле падения они «светят, но не греют».
Законы фотометрии важно учитывать и для сохранения собственного зрения. Существуют определенные нормы освещенности: освещенность страницы, которую вы сейчас читаете, должна быть не менее чем 100 лк. Однако важны также тип ламп, цвет стен и т.п.. Следует избегать попадания в глаза сильного прямого света, очень резкого контраста между соседними поверхностями.