Интенсивность света через мощность излучения

Интенсивность света, связь интенсивности света с амплитудой светового вектора.

Интенсивностью света называют электромагнитную энергию , проходящую в единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению распространения света. Частоты видимых световых волн лежат в пределах

= (,39 4-0,75)-10 15 Гц.

Ни глаз, ни какой-либо иной приемник световой энергии не может уследить за столь частыми изменениями потока энергии, вследствие чего они регистрируют усредненный по времени поток. Поэтому правильнее определить интенсивность как модуль среднего по времени значения плотности потока энергии, переносимой световой волной. Плотность потока электромагнитной энергии определяется выражением

Поскольку световая волна- это электромагнитная волна, то складывается из энергии магнитного и электрического полей

где V- объем, занимаемый волновым полем.

Из уравнений Максвелла следует, что векторы напряженности электрического и магнитного полей в электромагнитной волне связаны соотношением

Поэтому выражение (4.5) можно записать следующим образом

Из уравнений Максвелла скорость распространения электромагнитных волн

Выделим некоторый объем волнового поля в форме параллелепипеда (рис.4.5)

Тогда , по определению интенсивности

, используя выражение (4,6) и полагая, что в прозрачной среде m=1 получим

где n— показатель преломления среды, в которой распространяется волна. Таким образом, напряженность магнитного поля Н пропорционально напряженности электрического поля Е и n:

Тогда интенсивность волны будет определяться выражением

(4.7)

(коэффициент пропорциональности равен )- Следовательно, интенсивность света пропорциональна показателю преломления среды и квадрату амплитуды вектора напряженности электрического поля световой волны. Заметим, что при рассмотрении распространения света в однородной среде можно считать, что интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды вектора напряженности электрического поля ( ) световой волны:

Однако в случае прохождения света через границу раздела сред выражение для интенсивности, не учитывающее множитель n, приводит к не сохранению светового потока.

Рассмотрим сферическую световую волну. Площадь сферического фронта волны , где R- радиус фронта волны. Согласно уравнению (4,4) находим интенсивность

Эти выражения показывают, что амплитуда сферической волны уменьшается пропорционально расстоянию от источника световых волн. Если R достаточно велико, т.е. источник находится очень далеко от области наблюдения, то фронт волны представляется частью сферической поверхности очень большого радиуса. Ее можно считать плоскостью. Волна, фронт волны которой представляется плоскостью, называется плоской, так как энергия волны во всех плоскостях, представляющих фронты волны в различные моменты времени остается постоянной, то амплитуда у такой волны постоянна.

.Понятие интерференции, наложение гармонических волн, условия когерентности.

Свет является электромагнитной волной. Сложение волн, распространяющихся в среде, определяется сложением соответствующих колебаний. Рассмотрим наиболее простой случай сложения электромагнитных волн (колебаний):

1) частоты их одинаковы,

2) направления электрических векторов совпадают.

В этом случае для каждой точки среды, в которой происходит сложение волн, амплитуда результирующей волны для напряженности электрического поля определяется векторной диаграммой (рис.4.6)

Из диаграммы следует, что результирующая амплитуда определится следующим образом:

(4.8)

где d— разность фаз слагаемых волн (колебаний).

Результат сложения волн зависит от особенностей источников света и может быть различен.

Дата добавления: 2017-10-04 ; просмотров: 23688 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Интенсивность света

Источник света — любой объект, излучающий энергию в световом спектре. По своей природе подразделяются на искуственные и естественные.

В физике идеализированы моделями точечных и непрерывных источников света.

Содержание

Возникновение света [1]

Хорошо известно, что при нагревании до определённых температур вещества начинают излучать свет: будь то вольфрамовый волосок в электрической лампочке или наше небесное светило, температура на поверхности которого составляет тысячи градусов.

Учёными было установлено, что энергия атомов носит дискретный характер и изменяется определёнными скачками, своими для каждого атома. Эти установленные возможные значения энергий атомов получили названия энергетических или квантовых уровней. Электроны, находясь на одном из высших энергетических уровней, самопроизвольно переходят на более низшие через промежуток времени порядка 10 -8 секунды. При этом самопроизвольный переход из низшего состояния в любое другое невозможен. Этот уровень называется основным, в то время, как остальные — возбуждёнными. В нормальных условиях все атомы находятся в своих основных энергетических состояниях. Для того, чтобы возбудить атом, ему необходимо сообщить некоторую энергию, причём для каждого атома существует определённая наименьшая порция энергии, переводящая из основного состояния в возбуждённое (так для водорода эта величина равна 10,1 эВ — это расстояние между его первым и вторым энергетическими уровнями).

При переходе из более высоких состояний в более низкие испускается порция энергии — фотон. Согласно формуле Планка испускаемая энергия рассчитывается так:

E = hνnm ,

где h — постоянная Планка, а νnm — частота фотона при переходе из уровня n на уровень m (n>m), которую можно рассчитать через энергии этих уровней: \nu_<nm data-lazy-src=

I \sim E_0^2 \sim B_0^2

Таким образом, интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды колебаний электомагнитного поля:

Через значение напряжённости электрического поля её можно выразить следующим образом:

I=\frac<\varepsilon_0 c \sqrt<\varepsilon \mu data-lazy-src=

Моделирование источников света в виртуальных пространствах [2]

В приложениях компьютерной графики реального времени, например в компьютерных играх, выделяют три основных вида источников света:

  • Точечные источники света
  • Бесконечно удалённые (направленные) источники света
  • Прожекторы

Они лишь приближённо описывают свои аналоги в физическом мире, тем не менее в сочетании с качественными моделями затенения, например затенением по Фонгу они позволяют создавать вполне реалистичные изображения.

Ссылки

  1. Г.С. Ландсберг Элементарный учебник физики. Том 3. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика. — 12-е изд.. — М.: Физматлит, 2001. — 656 с. — ISBN 5-9221-0138-2
  2. Д. Роджерс Алгоритмические основы машинной графики = Procedural elements for computer graphics. — пер. с англ.. — М.: Мир, 1989. — ISBN 5-03-000476-9,0-07-053534-5 (англ.)

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое «Интенсивность света» в других словарях:

интенсивность света — сила света — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы сила света EN light intensitylight luminous… … Справочник технического переводчика

интенсивность света — šviesos stipris statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. light intensity; luminous intensity vok. Lichtintensität, f; Lichtstärke, f rus. интенсивность света, f pranc. intensité de la lumière, f; intensité lumineuse, f … Automatikos terminų žodynas

интенсивность света — šviesos intensyvumas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. light intensity vok. Intensität des Lichtes, f; Lichtintensität, f rus. интенсивность света, f pranc. intensité de la lumière, f … Fizikos terminų žodynas

ИНТЕНСИВНОСТЬ СВЕТА — величина, пропорциональная квадрату амплитуды вектора электрич. напряжённости световой волны. В нек рых случаях, когда это не вызывает сомнений, термин И. с. используется как понятие, характеризующее распределение светового потока в пространстве… … Большой энциклопедический политехнический словарь

Интенсивность — Показатель геологической или другой природной опасности, прямо или косвенно характеризующий ее разрушительную силу Источник: Рекомендации: Рекомендации по оценке геологического риска на территории г. Москвы Смотри также родственные термины: 65… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Интенсивность — (физика) средняя мощность, переносимая волной через единичную площадку, расположенную перпендикулярно направлению распространения волны. Интенсивность света усреднённое значение модуля вектора Пойнтинга. Интенсивность звука … … Википедия

Интенсивность излучения — Облако, окутанное лучами Солнца главного источника тепла и света на Земле Источник света любой объект, излучающий энергию в световом спектре. По своей природе подразделяются на искуственные и естественные. В физике идеализированы моделями… … Википедия

интенсивность рассеяния — 3.7 интенсивность рассеяния: Интенсивность света, рассеянного наночастицами в рассеивающем объеме. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

ИНТЕНСИВНОСТЬ ИЗЛУЧЕНИЯ — (интенсивность лучистого потока), полный поток энергии излучения, проходящий за ед. времени через единичную площадку в направлении нормали к ней и рассчитанный на ед. телесного угла. Понятие «И. и.» применяется в теории равновесного излучения, в… … Физическая энциклопедия

интенсивность источника (света) — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN source strength … Справочник технического переводчика

Источник

Интенсивность света через мощность излучения

Геометрическая оптика — раздел оптики, в котором законы распространения света в прозрачных средах рассматриваются с точки зрения геометрии. Волновая оптика при λ → 0 переходит в геометрическую. Геометрическая оптика оперирует понятием световых лучей, независимых друг от друга и подчиняющихся известным законам преломления и отражения.

Световой луч — это линия, вдоль которой распространяется энергия излучения от источника света. Световому лучу в волновой оптике соответствует нормаль (перпендикуляр) к волновой поверхности.

Основные свойства лучей:

  • они независимы друг от друга, т. е. не взаимодействуют друг с другом
  • в однородной среде распространяются прямолинейно

Поверхность нормальная к лучам называется волновой поверхностью .

Если перед точечным источником света поместить экран с отверстием, то отверстие выделит в пространстве за экраном некоторый объем, внутри которого распространяется световая энергия, называемый — световым пучком .

Наблюдать можно лишь световые пучки, но не лучи, потому что световые лучи — это идеализация.

fizika 9 klass rus dovgiy 115

Волновой фронт — поверхность равной фазы.

Свойства волновых фронтов:

  • в рамках ГО волновые фронты не пересекаются между собой
  • через каждую точку пространства проходит волновой фронт, и причём только один.

Основные законы геометрической оптики

Закон прямолинейного распространения света : в оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно.

Существование тени, затмения

Точечный источник света — размеры которого малы по сравнению с расстоянием, на которое распространяется свет. Протяженный источник — размерами нельзя пренебречь. Тень — область пространства, куда не попадает свет от источника. Полутень — это область пространства, освещенная некоторыми из имеющихся точечных источников света или частью протяженного источника.

1i0aecs 002

Солнечное затмение

image3

Лунное затмение

0023 019 Zatenenie odnikh planet drugimi

Закон независимости световых лучей: световые лучи (пучки световых лучей) могут пересекаться, не возмущая друг друга, и распространяться после пересечения независимо друг от друга.

Nezavis

Фотометрия

Фотометрия (от греч. photós — свет и греч. metréo — измеряю) – это раздел общей физики, занимающийся измерением света.

Основной величиной, которая позволяет судить о количестве излучения, является поток излучения (или мощность излучения):

Поток излучения (лучистый поток) Ф – это величина энергии, переносимой полем в единицу времени через данную площадку:

Potok2Potok1

Поток излучения измеряется в ваттах: [Ф] = 1 Дж/с = 1 Вт

Плотностью потока электромагнитного излучения I называют отношение электромагнитной энергии ΔW, проходящей за время Δt через перпендикулярную лучам поверхность площадью S, к произведению площади S на время Δt:

Plotnost potokaPotok

Плотность потока излучения в СИ выражают в ваттах на квадратный метр (Вт/м 2 ). Иногда эту величину называют интенсивностью волны.

Плотность потока излучения можно выразить через скорость его распространения. Выберем поверхность площадью S, перпендикулярную лучам, и построим на ней как на основании цилиндр с образующей cΔt. Объем цилиндра ΔV = ScΔt. Энергия электромагнитного поля внутри цилиндра равна произведению плотности энергии на объем: ΔW = wcΔtS. Вся эта энергия за время Δt пройдет через правое основание цилиндра.

Plotnost potoka1

Плотность потока излучения равна произведению плотности электромагнитной энергии на скорость ее распространения.

Зависимость плотности потока излучения от расстояния до точечного источника

Энергия, которую переносят электромагнитные волны, с течением времени распределяется по все большей и большей поверхности. Поэтому энергия, передаваемая через поверхность единичной площадки за единицу времени, т. е. плотность потока излучения, уменьшается по мере удаления от источника.

Поместим точечный источник в центр сферы радиусом R. Площадь поверхности сферы S = 4πR 2 . Если считать, что источник по всем направлениям за время Δt излучает суммарную энергию ΔW, то

DistPoint ist

Плотность потока излучения от точечного источника убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до источника.

Зависимость плотности потока излучения от частоты

Излучение электромагнитных волн происходит при ускоренном движении заряженных частиц. Напряженность электрического поля Е и магнитная индукция В электромагнитной волны пропорциональны ускорению а излучающих частиц. Ускорение при гармонических колебаниях пропорционально квадрату частоты. Поэтому напряженность электрического поля и магнитная индукция также пропорциональны квадрату частоты:

Е ∼ а ∼ ω 2

В ∼ а ∼ ω 2

Плотность энергии электрического поля пропорциональна квадрату напряженности поля. Энергия магнитного поля, как это можно показать, пропорциональна квадрату магнитной индукции. Полная плотность энергии электромагнитного поля равна сумме плотностей энергий электрического и магнитного полей. С учетом формулы плотность потока излучения

I ∼ w ∼ (Е 2 + В 2 )

Так как Е ∼ ω 2 и В ∼ ω 2 , то

Плотность потока излучения пропорциональна четвертой степени частоты.

Световой поток – мощность, переносимую излучением в заданном направлении через некоторую поверхность за единицу времени.

Svet potok

Сила света (Iv) – мощность светового потока, определяемая внутри конкретного телесного угла. Из этого понятия следует, что под данным параметром подразумевается не весь имеющийся в пространстве свет, а лишь та его часть, которая излучается в определенном направлении.

Количественно равна отношению светового потока, распространяющегося внутри элементарного телесного угла, к этому углу.

Sila sveta1

Для точечного источника световой поток по всем направлениям одинаковый, поэтому сила света одинакова по всем направлениям и равна:

Sila sveta2

Единица измерения в Международной системе единиц (СИ): кандела (кд).

Сила света различных источников:

Источник Мощность, Вт Примерная сила света, кд
Свеча 1
Современная (2010 г.) лампа накаливания 100 100
Обычный светодиод 0,015..0,1 0,005..3
Сверхъяркий светодиод 1 1. 30
Сверхъяркий светодиод с коллиматором 1 1500
Современная (2010 г.) люминесцентная лампа 22 120
Солнце 3,9·10 26 3·10 27

Чувствительность глаза к различным длинам волн

eye sense

Освещенность — это количество света или светового потока, падающего на единицу площади поверхности. С световая величина, равная отношению светового потока, падающего на малый участок поверхности, к его площади.

Единица освещенности люкс, (лк) имеет размерность люмен на квадратный метр (лм/м 2 ).

Освещенность можно определить как плотность светового потока на освещаемой поверхности:

Osvesch1Osvesch

Освещенность не зависит от направления распространения светового потока на поверхность.

Освещенность через силу света:

Osvesch3

Osvesch4

Osvesch5

Приведем несколько общепринятых показателей освещенности:

Лето, день под безоблачным небом — 100 000 люкс

Уличное освещение — 5-30 люкс

Полная луна в ясную ночь — 0,25 люкс

Законы освещенности

Наблюдения показывают, что освещенность, создаваемая точечным источником света, зависит от силы света I этого источника, расстояния R от источника до освещаемой поверхности и угла падения световых лучей (угла между падающим лучом и перпендикуляром к этой поверхности). Причем это утверждение верно для любого источника.

Первый закон освещенности (закон обратных квадратов): освещенность поверхности лучами, падающими на нее перпендикулярно, прямо пропорциональна силе света точечного источника и обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника до освещаемой поверхности.

Zakon1

Zakon2

Zakon3

Zakon4

Второй закон освещенности: освещенность поверхности параллельным световым пучком прямо пропорциональна косинусу угла падения.

ZakonIIZakonII 1

Яркость — это сила света, излучаемая единицей площади поверхности в определенном направлении. Единица измерения яркости — кандела на метр квадратный (кд/м 2 ).

Поверхность сама по себе может излучать свет, как поверхность лампы, или отражать свет, который поступает из другого источника, например поверхность дороги. Поверхности с разными свойствами отражения при одинаковой освещенности будут иметь разную степень яркости.

Яркость, излучаемая поверхностью ΔS под углом φ к проекции этой поверхности, равняется отношению силы света, излучаемого в данном направлении, к проекции излучающей поверхности:

Luminosity1

Или через силу света

Luminosity2

Как сила света, так и проекция излучающей поверхности, не зависят от расстояния. Следовательно, яркость также не зависит от расстояния.

Несколько практических примеров:

Яркость поверхности солнца — 2000000000 кд/м 2

Яркость люминесцентных ламп — от 5000 до 15000 кд/м 2

Яркость поверхности полной луны — 2500 кд/м 2

Искусственное освещение дорог — 30 люкс 2 кд/м 2

Источник

Поделиться с друзьями
Электрика и электроника
Adblock
detector