Лампа накаливания производит свет, нагревая вольфрамовую нить до достаточно высокой температуры, чтобы считать её абсолютно черным телом в видимой части спектра. При этом много энергии теряется в инфракрасной части.
Для количественной оценки света, воспринимаемого человеческим зрением, используются фотометрические единицы, которые учитывают чувствительность человеческого глаза к свету различных длин волн. Общее количество видимого света, излучаемого источником во всех направлениях, называется световым потоком и измеряется в люменах [лм]. Количество видимого света, получаемого поверхностью на единицу ее площади, называется освещенностью, в люксах [лк = лм/м$^2$], и может быть измерено люксметром.
При измерении количества света, основываясь исключительно на энергии, которую он несет, используются радиометрические единицы, которые выражаются в условных единицах мощности. Радиометрический аналог светового потока – лучистый поток, измеряемый в ваттах [Вт], а облученность [Вт/м$^2$] – аналог освещенности.
Сегодня вы будете изучать тепловые и осветительные свойства источников света. Эти три задачи практически не зависят друг от друга. Зарисуйте свою установку для каждой задачи. Оценка погрешностей для задач 1 и 2 не требуется.
A Черная и белая пластиковая пластина толщиной 3 мм с подставкой. Обе пластины хорошо поглощают инфракрасное излучение.
B Люксметр с подставкой. Люксметр автоматически выключается через 6 минут - включите его длительным нажатием на кнопку включения/выключения. Обратите внимание на единицы измерения (lx, а не fc). Вы можете использовать кнопку HOLD, чтобы зафиксировать отображаемое значение.
C Подставка для установки люксметра с круглым основанием, грузом для устойчивости и двумя сменными световыми модулями: лампой накаливания (максимальное напряжение 12 В) и светодиодом (максимальное напряжение 3,0 В, ток не более 400 мА). Вы можете использовать зубочистки, чтобы закрепить модули на месте. В комплект входит черная бумага, чтобы защитить глаза во время снятия показаний приборов.
D Инфракрасный термометр. Показания измерений удерживаются после короткой задержки при отпускании кнопки включения. Измерения могут иметь значительную, но постоянную систематическую погрешность.
E Бумажный рабочий коврик с угловой и дистанционной сеткой.
F Транспортир.
G Красный, зеленый и синий светофильтры в конверте. Если вам трудно различить цвета, поднимите карту для вызова жюри. Светофильтры чувствительны к теплу. Держите их подальше от источника света.
H Источник питания. Несколько раз нажмите на ручку напряжения/тока, чтобы выбрать цифру для настройки (на это указывает мигающий индикатор под цифрой), и поверните ручку, чтобы изменить цифру. Через несколько секунд индикатор перестанет мигать, и на дисплее начнет отображаться фактическое напряжение/ток. Изменяйте ток для управления источником света. Если требуемый ток не может быть достигнут без превышения максимального напряжения, источник питания перейдет в режим постоянного напряжения и ограничит ток. Подключите провода к соответствующим отрицательному (черному) и положительному (красному) гнездам источника питания. Не используйте зеленое гнездо.
Чтобы не повредить источники света, перед подключением проводов установите напряжение на допустимый максимум, а ток - на ноль! Если ваш источник света перегорел, вы можете попросить его заменить. Обратите внимание, что в наличии имеется ограниченное количество запасных источников света.
(a) В таблице 1 приведены значения освещенности, измеренные через красный, зеленый и синий фильтры для стандартной лампы накаливания при известных температурах. Выберите подходящие светофильтры и постройте калибровочную кривую, связывающую выбранный цветовой индекс с температурой.
(b) Измерьте зависимость между потребляемой электрической мощностью и температурой вольфрамовой нити. Нанесите результат на график в соответствующем диапазоне.
Измерьте зависимость светоотдачи от потребляемой мощности для обоих источников света в диапазоне с обнаруживаемым световым потоком. Зарисуйте результаты, по одному графику для каждого источника света. Укажите все этапы процедуры расчета и представьте все измеренные данные.
Следующее задание может занять много времени, поэтому планируйте свою работу соответствующим образом.
(a) Определите коэффициент теплопроводности $h$ и теплопроводность $\lambda$ для черного пластика и оцените погрешность. Предположите, что материал поглощает весь полученный свет, а лампа накаливания излучает всю энергию в виде электромагнитного излучения.
(b) Оцените альбедо (доля излучения, которая отражается, а не поглощается) белого пластика и оцените погрешность.
Полезное соотношение: площадь участка сферы радиусом $r$ между полярными углами $\theta_{1}$ и $\theta_{2}$ с $0 \leq$ $\theta_{1} \leq \theta_{2} \leq \pi$ – $\Delta A=2 \pi r^{2}\left(\cos \theta_{1}-\cos \theta_{2}\right)$.
T [К] Красный [лк] Зелёный [лк] Синий [лк] 1570 2 0 0 1600 4 0 0 1610 5 1 0 1620 6 2 0 1630 8 3 0 1640 10 4 0 1660 12 5 0 1670 14 6 0 1700 18 9 1 1730 24 14 3 1780 37 23 7 1820 51 34 11 1880 80 57 21 1940 120 91 36 2000 165 130 53 2060 230 194 80 2120 310 274 118 2160 379 348 155 2220 484 460 210 2260 586 570 264 2310 753 748 348 2350 888 929 440 2390 1032 1107 527 2460 1292 1452 697 2500 1577 1826 879 2540 1811 2198 1078
Таблица 1: Освещенность от лампы накаливания с известной температурой, измеренная через три цветных фильтра при фиксированном положении источника света и люксметра. Точность измерений составляет $\pm 2~лк$.