01.12.2020

Група 35

Фізика

Урок 13

Тема: Основні фотометричні величини та їх вимірювання

Мета уроку:

навчальна – ввести основні фотометричні величини «світловий потік», «сила світ-

ла», «освітленість», «світимість джерела», «яскравість» та їх одиниці; познайомити учнів

з методами вимірювання фотометричних величин;

розвивальна – розвивати уяву, творчі здібності учнів, вдосконалювати вміння за-

стосовувати набуті знання на практиці;

виховна – виховувати почуття відповідальності, взаємодопомоги, вміння виступати

перед аудиторією.

ШАНОВНІ УЧНІ 3 КУРСУ! Під час вивчення фізики у цьому навчальному

році Ви будете користуватися підручником «Фізика і астрономія (рівень стандарту,

за навчальною програмою авторського колективу під керівництвом О.І.Ляшенка)

підручник для 11 класу закладів загальної середньої освіти/авт. М.В. Головко, І.П.

Крячко, Ю.С. Мельник, Л.В. Непорожня, В.В. Сіпій – Київ: Педагогічна думка,

2019. – 288 с.: іл.». Посилання https://pidruchnyk.com.ua/1276-fizyka-i-astronomiya-11-

klas-golovko.html

Усі уроки Ви охайно конспектуєте у зошит. Не забуваємо виконувати домашні

завдання та надсилати їх у вигляді фото на електронну адресу alinkaprisia-

zhnuyk@gmail.com.

Матеріал до уроку

Зі світловими явищами ми зустрічаємося щодня протягом усього життя, адже вони є

частиною природних умов, у яких ми живемо. Деякі з них здаються нам справжнім ди-

вом, наприклад міражі в пустелі, полярні сяйва. Проте погодьтеся, що й більш звичні для

нас світлові явища: виблиск краплинки роси в сонячному промінні, місячна доріжка на

плесі, семибарвний міст веселки після літнього дощу, блискавка у грозових хмарах, ме-

рехтіння зір у нічному небі — теж є дивом, бо вони роблять світ навколо нас чудовим,

сповненим чарівної краси та гармонії.

Завдяки органу зору людина бачить навколишній світ, здійснює зв'язок з навколиш-

нім середовищем, може відпочивати і працювати. Від того, як освітлюються предмети

залежить продуктивність праці. Без достатнього освітлення рослини не можуть нормаль-

но розвиватися. Найкраща ілюстрація значення світлових явищ у житті людини – «хви-

линний» експеримент: потрібно на одну хвилину заплющити очі і уявити «життя в тем-

ряві»

Фотометрія – розділ оптики, в якому розглядається вимірювання енергії, що

переноситься електромагнітними світловими хвилями.

У фотометрії використовуються наступні величини:

1) енергетичні - характеризують енергетичні параметри оптичного випромінювання

безвідносно до його дії на приймач випромінювання;

2) світлові - характеризують дії світла й оцінюються по впливу на око (виходячи з

так званої середньої чутливості ока) або інші приймачі випромінювання.

1.Світловий потік джерел світла Ф – кількість світлової енергії, що проходить че-

рез деяку поверхню за одиницю часу

Лампа розжарювання 40 Вт 415-460 лм

60 Вт 790-830 лм

100 Вт 1550-1630 лм

200 Вт 2860-2960 лм

Газорозрядна лампа 35 Вт ("автомобільний ксенон") 3000-3100

лм

Світлодіод Cree XP-G 5 Вт 460-493 лм

Світлодіод P7 SSC , Creemc-e 10 Вт близько 700 лм

Люмінесцентна лампа 40 Вт 2480 лм

Значення освітленості чи світлового потоку має бути постійною в часі (порушується

при коливанні напруги в мережі, пульсації світлового потоку, затемненні світлових отво-

рів тощо). Слід обирати оптимальну спрямованість світлового потоку і необхідний спек-

тральний склад світла:розпізнання рельєфа поверхні та правильної кольоропередачі, ко-

льоророзпізнання);

2. Сила світла - відношення світлового потоку, до тілесного кута, в межах якого

проходить цей потік.

Формула Одиниці вимірювання

=

[ ]= ж

с=

1 лм (люмен)

Формула Одиниці вимірювання

І=Ф

1 кд (кандела)

Свічка 1 кд

Лампа розжарювання 100 кд

Звичайний світодіод0,005..3 кд

Надяскравий світодіод 25…500 кд

Сучасна люмінесцентна лампа 100 кд

Сонце 3×1027

кд

Тілесним кутом Ω називають просторовий кут, об-

межений конічною поверхнею, площа підстави ∆S якої є

частиною сферичної поверхні радіусом r, вершина якої

збігається з точковим джерелом світла.

3. Освітленість освітлення поверхні, що створюється

світловим потоком, який падає на поверхню

Освітленість у фототехніці визначають за допомогою експонометрів і експозиметрів,

у фотометрії — за допомогою люксметрів.

.

Світлочутливим елементом таких приладів є фотоелемент. У разі віддалення від

джерела освітленість зменшується.

Розрахунки й досліди показують, що для точкового джерела (такого, що випромінює

світло однаково в усіх напрямках і розмірами якого можна знехтувати) освітленість Е

прямо пропорційна силі світла І джерела світла й обернено пропорційна квадратові відс-

тані R до джерела:

Приклади освітленості:

Сонячні промені опівдні 100 000 лк

При кінозйомці в студії 10 000 лк

На відкритому місці в похмурий день 1000 лк

У світлій кімнаті поблизу вікна 100 лк

На робочому столі для робіт пов’язаних з точністю виконання операцій 100-200 лк

На екрані кінотеатру 85-120 лк

Необхідне для читання 30-50 лк

Формула Одиниці вимірювання

E=Ф

=

1 лк (люкс)

Від повного місяця 0,2 лк

Від нічного неба в безмісячну ніч 0,0003 лк

Освітленість на робочому місці повинна відповідати санітарно-гігієнічним нормам

4. Яскравість

Аркуш білого паперу, освітлений лампою потужністю 60 Вт, має яскравість від 30

до 40 кд/м2.

Яскравість, що складає 30000 кд/м2, діє засліплююче. Виходячи з цього, введено по-

няття блискучості джерела світла, тобто підвищеної яскравості поверхонь, що світяться,

яка погіршує зорову здатність.

Оскільки рівень відчуття світла людським оком залежить від щільності світлового

потоку (освітленості) на сітківці ока, то основне значення для зору має не освітленість

якоїсь поверхні, а світловий потік Ф, що відбивається від цієї поверхні й потрапляє на

зіницю. У зв'язку з цим введено поняття яскравості.

Людина розрівняє оточуючі предмети завдяки тому, що вони мають різну яскра-

вість.

Яскравість є тією характеристикою світла, яка безпосередньо впливає на органи зору

і на яку безпосередньо реагує око.

Повинен бути досить рівномірним розподіл яскравості-на робочій поверхні, а також

у межах оточуючого простору, яскравість не може відрізнятися більш ніж у 3-5 разів. У

полі зору не повинно бути прямої і відбитої блискучості (підвищена яскравість світлових

поверхонь, що викликає засліплення)

ЗАКОНИ ОСВІТЛЕНОСТІ

Назва вели-

чини

Познач.

величини

Означення величини Формула Одиниця

величини

Світимість

джерела

L називають кількість випромінюваної

астрономічним об'єктом -зіркою, га-

лактикою тощо – енергії за одиницю

часу; Е0 – потужність випромінюван-

ня Сонця, Е0=4· , Вт

L=

=

де М –

абсолютна

зоряна

величина

Вт

Яскравість B це потік, що посилає в даному напря-

мку одиницею видимої поверхні в

одиничному тілесному куті

cosS

IB

Закони фотометрії дозволяють пояснити багато явищ. Наприклад, легко зрозуміти,

чому на поверхні близьких до Сонця планет висока температура, а на далеких планетах

— низька.

Зміну пір року пояснюють тим, що взимку сонячні промені навіть опівдні падають

не згори, а під досить великим кутом до вертикалі. За такого кута падіння вони «світять,

але не гріють».

Перший закон освітленості:

Освітленість поверхні прямо пропорційна силі світла джерела і обернена пропор-

ційна квадрату його відстані від поверхні:

2r

I

S

ФE

ругий закон освітленості:

Освітленість поверхні паралельним світловим пучком прямо пропорційна косинусу

кута падіння променів:

coscos20

r

IEE .

Задача 1. На стовпі заввишки 6м висить лампа 400 кд. Обчислити освітленість на ві-

дстані 8м від основи стовпа.

Відповідь: Е=2,4 лк.

ЗАКРІПЛЕННЯ НОВИХ ЗНАНЬ ТА ВМІНЬ.

1. Що називають світловим потоком? За якою формулою його обчислюють?

2. Що називають силою світла? За якою формулою її обчислюють?

3. Що називають освітленістю? За якою формулою її обчислюють?

4. Що називають світимістю джерела? За якою формулою її обчислюють?

5. Що називають яскравістю? За якою формулою її обчислюють?

ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ

Написати конспект. Опрацювати параграф 20. Виконати впр.20 (1-7).

01.12.2020

Група 35

Фізика

Урок 14

Тема: Геометрична оптика як граничний випадок хвильової. Закони геометричної оптики

Мета уроку:

навчальна – сформувати в учнів уявлення про заломлення світла та закони залом-

лення; дати означення понять «показник заломлення світла»;

розвивальна – розвивати уяву, творчі здібності учнів, вдосконалювати вміння за-

стосовувати набуті знання на практиці;

виховна – виховувати почуття відповідальності, взаємодопомоги, вміння виступати

перед аудиторією.

ШАНОВНІ УЧНІ 3 КУРСУ! Під час вивчення фізики у цьому навчальному

році Ви будете користуватися підручником «Фізика і астрономія (рівень стандарту,

за навчальною програмою авторського колективу під керівництвом О.І.Ляшенка)

підручник для 11 класу закладів загальної середньої освіти/авт. М.В. Головко, І.П.

Крячко, Ю.С. Мельник, Л.В. Непорожня, В.В. Сіпій – Київ: Педагогічна думка,

2019. – 288 с.: іл.». Посилання https://pidruchnyk.com.ua/1276-fizyka-i-astronomiya-11-

klas-golovko.html

Усі уроки Ви охайно конспектуєте у зошит. Не забуваємо виконувати домашні

завдання та надсилати їх у вигляді фото на електронну адресу alinkaprisia-

zhnuyk@gmail.com.

Установлюємо закони заломлення світла

В одному з давньогрецьких трактатів описано дослід: «Потрібно стати так, щоб пло-

ске кільце, покладене на дно посудини, сховалося за ї ї краєм. Потім, не змінюючи поло-

ження очей, налити в посудину воду. Світло заломиться на поверхні води, і кільце стане

видимим». Такий «фокус» ви можете показати своїм друзям і зараз (див. рис. 1), а от по-

яснити його зможете тільки після вивчення цього параграфа.

Рис. 1. «Фокус» із монетою. Якщо в чашці немає води, ми не бачимо монету, що лежить на її

дні (а); якщо ж налити воду, дно чашки ніби підніметься і монета стане видимою (б)

Проведемо дослід (рис. 2). На плоску поверхню прозорого скляного півциліндра, за-

кріпленого на оптичній шайбі, спрямуємо вузький пучок світла, — світло не тільки ві-

діб’ється від поверхні циліндра, але й частково пройде крізь скло. Отже, під час переходу

з повітря в скло напрямок поширення світла змінюється.

Кут γ (гамма), утворений заломленим променем і

перпендикуляром до межі поділу двох середовищ,

проведеним із точки падіння променя, називають кутом

заломлення.

Провівши низку дослідів з оптичною шайбою,

помітимо, що зі збільшенням кута падіння кут заломлення

теж збільшується, а зі зменшенням кута падіння кут

заломлення зменшується (рис. 3). Якщо ж світло падає

перпендикулярно до межі поділу двох середовищ (кут

падіння a=0), напрямок поширення світла не змінюється.

Дізнаємося про причину заломлення світла Чому ж світло, переходячи з одного середовища в інше, змінює свій напрямок?

Річ у тім, що в різних середовищах світло поширюється з різною швидкістю, але

завжди повільніше, ніж у вакуумі. Наприклад, у воді швидкість поширення світла в 1,33

разу менша, ніж у вакуумі; коли світло переходить із води в скло, швидкість поширення

Заломлення світла — зміна напрямку поширення

світла на межі поділу двох середовищ

Рис. 2. Спостереження за-

ломлення світла в разі його

переходу з повітря в скло: α

— кут падіння; β — кут

відбивання; γ — кут залом-

лення

Рис. 3. Установлення законів заломлення світла: в разі зменшення кута падіння

𝛼 < 𝛼1 кут заломлення теж зменшується , при цьому 𝛾 < 𝛾1. при цьому sin𝛼1

sin𝛾1<

sin𝛼2

sin𝛾2

світла зменшується ще в 1,3 разу; у повітрі швидкість поширення світла в 1,7 разу бі-

льша, ніж у склі, й лише трохи менша (приблизно в 1,0003 разу), ніж у вакуумі.

Саме зміна швидкості поширення світла в разі переходу з одного прозорого середо-

вища в інше є причиною заломлення світла.

Прийнято говорити про оптичну густину середовища: чим менша швидкість по-

ширення світла в середовищі (чим більший показник заломлення), тим більшою є опти-

чна густина середовища.

де n21 — фізична величина, яку називають відносним показником заломлення середо-

вища 2 (середовища, в якому світло поширюється після заломлення) відносно середо-

вища 1 (середовища, із якого світло падає).

З’ясовуємо фізичний зміст показника заломлення

Згадавши другий закон заломлення світла: sin

sin 1, маємо:

Проаналізувавши останню формулу, доходимо висновків:

1) чим більше на межі поділу двох середовищ змінюється швидкість поширення

світла, тим більше світло заломлюється;

2) якщо промінь світла переходить у середовище з більшою оптичною густиною

(тобто швидкість світла зменшується: < 1), то кут заломлення є меншим від кута

падіння: γ < α (див., наприклад, рис. 2, 3);

𝒏𝟐𝟏 𝒗𝟏𝒗𝟐

Відносний показник заломлення (n21) показує, у скільки разів

швидкість поширення світла в середовищі 1 більша (або менша),

ніж швидкість поширення світла в середовищі 2:

sin𝛼

sin 𝛾 𝑛 1

Закони заломлення світла:

1. Промінь падаючий, промінь заломлений і перпендикуляр до

межі поділу двох середовищ, встановлений із точки падіння про-

меня, лежать в одній площині.

2. Відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення

для двох даних середовищ є величиною незмінною:

3) якщо промінь світла переходить у середовище з меншою оптичною густиною

(тобто швидкість світла збільшується: 1), то кут заломлення є більшим за кут па-

діння: γ > α (рис. 4).

Зазвичай швидкість поширення світла в середовищі порівнюють зі швидкістю його

поширення у вакуумі. Коли світло потрапляє в середовище з вакууму, показник залом-

лення n називають абсолютним показником заломлення.

де c — швидкість поширення світла у вакуумі ( м/с); v — швидкість по-

ширення світла в середовищі.

Швидкість поширення світла у вакуумі більша,

ніж у будь-якому середовищі, тому абсолютний показ-

ник заломлення завжди більший за одиницю (див. таб-

лицю).

Зверніть увагу: nповітря ≈1, тому, розглядаючи пе-

рехід світла з повітря в середовище, вважають, що

відносний показник заломлення середовища дорівнює

абсолютному показнику.

Явище заломлення світла є основою роботи чис-

ленних оптичних пристроїв, про деякі з яких ви дізнає-

теся пізніше.

Застосовуємо явище повного внут-

рішнього відбивання світла Розглянемо випадок, коли світло переходить із

середовища з більшою оптичною густиною в середо-

вище з меншою оптичною густиною (рис. 5). Бачимо,

що в разі збільшення кута падіння (α2> α1) кут залом-

лення γ наближається до 90°, яскравість заломленого

пучка зменшується, а яскравість відбитого, навпаки,

𝒏 𝒄

𝒗

Абсолютний показник заломлення показує, у скільки разів шви-

дкість поширення світла в середовищі менша, ніж у вакуумі

Рис. 4. У разі переходу світла із сере-

довища з більшою оптичною густиною

в середовище з меншою оптичною

густиною кут заломлення є більшим за

Рис. 5. Якщо світло падає зі скла в

повітря, в разі збільшення кута

падіння кут заломлення наближа-

ється до 90°, а яскравість залом-

леного пучка зменшується

збільшується. Зрозуміло, якщо й далі збільшувати кут падіння, кут заломлення сягне 90°,

заломлений пучок зникне, а падаючий пучок цілком (без втрат енергії) повернеться в пе-

рше середовище — світло повністю відіб’ється.

Явище повного внутрішньо-

го відби- вання добре знайоме тим, хто хо-

ча б раз плавав під водою з розплющеними очима (рис. 6).

Ювеліри протягом сторіч використовують явище повного внутрішнього відбивання,

щоб підвищити привабливість коштовних каменів. Природні камені огранюють — нада-

ють їм форми багатогранників: грані каменя виконують

роль «внутрішніх дзеркал», і камінь «грає» в променях

світла, що падає на нього.

Повне відбивання світла застосовують в оптичній

техніці (рис. 7). Проте головне застосування цього явища

пов’язане з волоконною оптикою. Якщо в торець су-

цільної «скляної нитки» спрямувати пучок світла, то піс-

ля багаторазового відбивання світло вийде на її проти-

лежному кінці незалежно від того, якою буде трубка —

вигнутою чи прямою. Таку «нитку» називають світлово-

дом (рис. 8).

Світловоди застосовують у медицині для досліджен-

ня внутрішніх органів (ендоскопія); у техніці, зокрема для

виявлення несправностей усередині двигунів без їх роз-

бирання; для освітлення сонячним світлом закритих при-

міщень; у декоративних світильниках тощо (рис. 9).

Явище, за якого заломлення світла

відсутнє (світло повністю відбиваєть-

ся від середовища з меншою оптичною

густиною), називають повним внутрі-

шнім відбиванням світла.

Рис. 6. Спостерігачеві, який перебуває під водою, частина

поверхні води здається блискучою, мов дзеркало

Рис. 7. У багатьох оптичних

приладах напрямок поширення

світла змінюють за допомогою

призм повного відбивання: а —

призма повертає зображення; б

— призма перевертає зображен-

ня

Рис. 8. Поширення світлового

пучка світловодом

Однак найчастіше світловоди використовують як кабелі для передачі інформації

(рис. 10). «Скляний кабель» є набагато дешевшим, він легший за мідний, практично не

змінює своїх властивостей під впливом навколишнього середовища, дозволяє передавати

сигнали на великі відстані без підсилення. Сьогодні волоконно-оптичні лінії зв’язку

стрімко витісняють традиційні. Коли ви будете дивитися телевізор або користуватися

Інтернетом, згадайте, що більшу частину свого «шляху» сигнал долає «скляною доро-

гою».

Закріплення нових знань і вмінь

Задача. Світловий промінь переходить із середовища 1 у се-

редовище 2 (рис. 11, а). Швидкість поширення світла в сере-

довищі 1 становить 2,4·108 м/с. Визначте абсолютний показ-

ник заломлення середовища 2 і швидкість поширення світла

в цьому середовищі.

Аналіз фізичної проблеми

Із рис. 11, а бачимо, що на межі поділу двох середовищ

світло заломлюється, отже, швидкість його поширення змі-

нюється.

Виконаємо пояснювальний рисунок (рис. 11, б), на

якому:

1) зобразимо промені, наведені в умові задачі;

2) проведемо через точку падіння променя перпенди-

куляр до межі поділу двох середовищ;

3) позначимо a кут падіння і — кут заломлення. Аб-

солютний показник заломлення — це показник заломлення

відносно вакууму. Тому для розв’язання задачі слід згадати

значення швидкості поширення світла у вакуумі та знайти швидкість поширення світла в

середовищі 2 (v2). Для знаходження v2 визначимо синуси кута падіння та кута заломлен-

ня.

Рис. 9. Декоративний світильник зі

світловодами

Рис. 10. Оптоволоконний кабель

ПЕРЕВІРТЕ СЕБЕ

1. Промінь світла падає з повітря у воду під кутом 60°. Кут між відбитим і заломленим променями

становить 80°. Обчисліть кут заломлення променя :

а) 30°;

б) 40°;

в) 50°;

г) 70°.

2. За який час світло доходить від дна озера глибиною 900 м до поверхні води?

а) 2 мс;

б) 3 мкс;

в) 2,8 мкс;

г) 4 мкс.

3. Порівняйте кут падіння з кутом заломлення при переході променя до середовища з більш опти-

чною густиною:

а) кут падіння більше;

б) кути рівні;

в) кут заломлення більше;

г) заломлення не спостерігається.

4. Установіть відповідність між фізичними поняттями та математичними виразами.

1. Абсолютний показник заломлення А.

2. Відносний показник заломлення Б.

3. Закон заломлення світла В. 1 1

2

4. Закон відбивання світла Г.

Д.

sin

sin 1

ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ

Написати конспект. Опрацювати параграф 22 (С.152-155).