Урок 26. Фотометрія. Сила світла та освітленість

Мета уроку: формування уявлень про основні поняття фотометрії та їх застосування; поглиблення знань про зображення в лінзах.

Тип уроку: комбінований урок.

Обладнання: прилад для демонстрації законів оптики.

План уроку:

1. Розв’язування задач на лінзи.

2. Самостійна робота (15 хвилин).

3. Сила світла й освітленість.

Зміст уроку

Методична рекомендація

Перш за все слід повідомити оцінки за лабораторну роботу № 11, якщо потрібно - коротко проаналізувати помилки.

Розв’язування задач

Задача 10.6. Яку оптичну силу має розсіювальна лінза, фокуси якої містяться на відстані 25 см від лінзи?

Задача 10.22. Запалену свічку поставили на відстані 30 см від збиральної лінзи з фокусною відстанню 10 см. На якій відстані від лінзи треба розмістити екран, щоб отримати на ньому зображення полум’я свічки? Дайте характеристику зображення. Розв’яжіть задачу, використовуючи формулу тонкої лінзи.

Задача 10.23. Розв’яжіть задачу 10.22, побудувавши хід світлових променів. Порівняйте отримані відповіді.

Задача 10.26. Лампа розташована на відстані 60 см від стіни. Якщо збиральну лінзу поставити посередині між лампою та стіною, вона дає на стіні зображення лампи. Яка оптична сила лінзи?

Задача 10.32. Побудуйте зображення світної точки A, що міститься на головній оптичній осі збиральної лінзи.

Самостійна робота

Варіант № 1

1. (1,5 бала) Які з показаних на рисунку лінз є збиральними?

а) 3; б) 1 і 2; в) 2 і 3; г) 2.

2. (1,5 бала) Визначте оптичну силу збиральної лінзи, фокусна відстань якої дорівнює 25 см.

а) 0,04 дптр; б) 0,25 дптр;

в) 4 дптр; г) 25 дптр.

3. (3 бали) Побудуйте зображення світної точки A (див. рисунок) у розсіювальній лінзі.

4. (3 бали) Визначте побудовою, де знаходиться оптичний центр тонкої лінзи та її фокуси, якщо MN - головна оптична вісь лінзи, S - світна точка, S1 - її зображення. Визначте також тип лінзи та тип зображення.

5. (3 бали) Визначте оптичну силу збиральної лінзи, якщо зображення предмета, що міститься на відстані 30 см від лінзи, розташоване по інший бік від лінзи на такій самій відстані від неї.

Варіант № 2

1. (1,5 бала) Які з показаних на рисунку лінз є розсіювальними?

а) 1; б) 1 і 2; в) 4; г) 1 і 4.

2. (1,5 бала) Визначте фокусну відстань збиральної лінзи, оптична сила якої дорівнює 2,5 дптр.

а) 25 см; б) 40 см; в) 2,5 м; г) 4 м.

3. (3 бали) Побудуйте зображення світної точки A (див. рисунок) у збиральній лінзі.

4. (3 бали) Визначте побудовою, де знаходиться оптичний центр тонкої лінзи та її фокуси, якщо MN - головна оптична вісь лінзи, S - світна точка, S1 - її зображення. Визначте також тип лінзи та тип зображення.

5. (3 бали) Свічка міститься на відстані 12,5 см від збиральної лінзи, оптична сила якої 10 дптр. На якій відстані від лінзи розташоване зображення свічки?

Правильні відповіді

Методичні рекомендації

Ми вважаємо питання фотометрії занадто складними, щоб навіть робити спробу поглиблюватися до них при вивченні фізики у 7 класі. Зокрема, вважаємо недоцільними та навіть шкідливими спроби давати повні означення фотометричних величин, здійснювати виведення формул (або давати закон освітленості повною формулою, з ураху- ванням кута падіння). Реально можливо сформувати в учнів наочні уявлення про чинники, від яких залежить освітленість.

Вивчення нового матеріалу

Кожен з нас розуміє, що світло від різних джерел і за різних умов може суттєво відрізнятися: воно може бути «сильним» або «слабким». Зоряною ніччю ми можемо бачити, куди ставимо ногу, але навряд чи зможемо читати книжку. Влітку в середині дня освітлення буває настільки сильним, що очі швидко втомлюються і навіть болять. Проте в багатьох випадках треба враховувати не лише властивості джерел світла, а й відстань до них та інші чинники: стоячи пізно ввечері під єдиним на вулиці ліхтарем, ви зможете читати, а зробивши хоч кілька кроків від ліхтаря - не зможете.

Розділ фізики, який вивчає способи вимірювання «кількості світла», називають фотометрією. Джерела світла, які ми спостерігаємо (Сонце та вуличний ліхтар, прожектор і світлячок), сильно відрізняються за енергією свого світлового випромінювання. Ми розглядатимемо тільки точкові джерела світла: такі, що містяться досить далеко від нас, щоб їх власними розмірами можна було знехтувати. Крім того, точкове джерело має випромінювати світло рівномірно у всіх напрямках (отже, прожектор чи лазерну указку не можна вважати точковим джерелом світла навіть при спостереженні з великої відстані).

Точковим називають джерело, що випромінює світло однаково в усіх напрямках, розмірами якого можна знехтувати.

Які приклади точкових джерел світла ви можете навести?

Майже ідеальним прикладом точкового джерела світла можуть бути віддалені зорі. Основною характеристикою джерела світла є так звана сила світла. Цю фізичну величину позначають I , одиницею сили світла є кандела (кд).

Характеристикою джерела світла є сила світла ( I), яку вимірюють у канделах (кд).

Ми не будемо наводити точного визначення кандели, воно занадто складне для вас. Досить сказати, що 1 кд приблизно відповідає силі світла однієї свічки («кандела» саме й означає «свічка»). Електричні лампи розжарювання частіше за все мають силу світла близько 100 кд, прожектор дає десятки тисяч кандел, а інколи — навіть мільйони кандел.

Слід врахувати, що далеко не все світло від джерела потраплятиме, наприклад, на сторінку книжки, яку ми читаємо. А для нас саме це найважливіше! Щоб характеризувати, наскільки освітлена та чи інша поверхня, вводять таку фізичну величину, як освітленість. Її позначають E , вимірюють у люксах (лк). Ця величина показує, скільки світла потрапляє на одиницю площі поверхні.

Освітленість (E) показує, скільки світла падає на одиницю площі поверхні. Освітленість вимірюють у люксах (лк).

Існують спеціальні прилади (люксметри) для вимірювання освітленості. Від чого ж залежить освітленість поверхні (сторінки книги, дороги, учнівського стола)? Будемо вважати, що світло випромінює єдине точкове джерело світла. Тоді перш за все треба врахувати силу світла джерела. Якщо вона подвоїться, то це те ж саме, що додати ще одне таке ж саме джерело. Таким чином, освітленість теж подвоїться - вона прямо пропорційна до сили світла джерела. Треба також врахувати від- стань r до цього джерела. Якщо, наприклад, збільшити цю відстань удвічі, то така ж сама енергія світла розподілятиметься по поверхні, площа якої збільшилась у 22 =4 рази (відповідний рисунок є в підручнику). Отже, освітленість поверхні зменшиться в 22 =4 рази. Якщо збільшити відстань до джерела світла втричі, освітленість зменшиться в 32 =9 разів. Таким чином, освітленість обернено пропорційна до квадрата відстані від джерела світла.

Освітленість поверхні прямо пропорційна до сили світла джерела та обернено пропорційна до квадрата відстані від джерела світла.

Отже, в чисельнику формули для освітленості має стояти сила світла, а у знаменнику - квадрат відстані від поверхні до джерела світла.

Від чого ще може залежати освітленість? Спробуйте ввімкнути в темній кімнаті єдину настільну лампу та, відійшовши від неї на певну відстань, повертайте аркуш паперу від різними кутами до світлових променів.

Демонстрація за допомогою приладу для демонстрації законів оптики.

Неважко помітити, що аркуш освітлений найсильніше, коли кут падіння світлових променів дорівнює нулю. Розв’язуючи розрахункові задачі, ми розглядатимемо саме такий випадок. Одиниці сили світла та освітленості погоджені таким чином, що коли кут падіння світла дорівнює нулю, у формулі для освітленості немає ніяких додаткових коефіцієнтів.

При перпендикулярному падінні світла на поверхню.

Нагадаємо ще раз: освітленість вимірюють у люксах, силу світла - у канделах, відстань - у метрах. Закони фотометрії дозволяють пояснити багато відомих нам явищ. Наприклад, легко зрозуміти, чому на поверхні близькихдо Сонця планет висока температура, а на далеких планетах - дуже низька. А от коли йдеться про нашу рідну Землю, то часто доводиться чути неправильне пояснення зміни пір року. Кажуть, що взимку Земля перебуває далі від Сонця, ніж влітку. Але ж коли в Україні хо- лодна зима, в Австралії - спекотне літо! Невже Австралія настільки ближча до Сонця? Звичайно, ні. Правильне пояснення інше: взимку сонячні промені навіть опівдні падають не згори, а під досить великим кутом до вертикалі. При такому куті падіння вони «світять, але не гріють».

Закони фотометрії важливо враховувати і для збереження власного зору. Існують певні норми освітленості: освітленість сторінки, яку ви зараз читаєте, має бути не меншою, ніж 100 лк. Проте важливими є також тип ламп, колір стін тощо. Слід уникати попадання до очей сильного прямого світла, дуже різкого контрасту між сусідніми поверхнями.

Узагальнення та закріплення вивченого матеріалу

Задача 11.6. Сила світла від точкового джерела світла дорівнює 180 кд. Яка освітленість підлоги під цим джерелом, яке міститься на висоті 3 м?

Домашнє завдання

Прочитати теоретичний матеріал за підручником; вивчити матеріал за конспектом; задачі 10.24, 10.25.

Можливо Вам це буде цікаво