§ 78. Световые измерения и измерительные приборы

Измерение световых величин может производиться непосредственно с помощью глаза (визуальные методы) или с помощью фотоэлемента, или термостолбика (объективные методы). Приборы, служащие для измерения световых величин, называются фотометрами.

Визуальные методы основаны на свойстве глаза, очень хорошо устанавливать равенство яркостей двух смежных поверхностей. В то же время с помощью глаза очень трудно оценить, во сколько раз яркость одной поверхности больше яркости второй. Поэтому во всех визуальных фотометрах роль глаза сводится к установлению равенства яркостей двух смежных площадок, освещаемых сравниваемыми источниками.

Так как сравниваемые поверхности делаются диффузно отражающим, то равенство их яркостей соответствует, сказанному в предыдущем параграфе, равенству освещенностей. Освещенность площадки, на которую падает свет от более сильного источника, ослабляется тем или иным способом в известное число раз. Установив равенство освещенностей обеих площадок, и зная, во сколько раз ослаблен свет одного из источников, мы можем количественно сравнить силы света обоих источников. Таким образом, во всяком фотометре должны быть два смежных световых поля, одно из которых освещено только одним источником, второе — только другим. Вид сравниваемых полей может быть различен. В большинстве случаев они имеют форму двух смежных полукругов (рис. 164, а) или двух концентрических кругов (рис. 164, б). Оба сравниваемых поля должны освещаться каждое своим источником под одним и тем же углом; глаз наблюдателя также должен рассматривать оба поля под одинаковыми углами зрения.

Рис. 164. Вид сравниваемых полей в фотометре

На рис. 165 показано устройство одного из простейших фотометров. Свет от сравниваемых источников  и  падает на белые грани призмы , помещенной внутри зачерненной трубки. Глаз наблюдателя рассматривает призму по направлению .

Рис. 165. Устройство простейшего фотометра

Простой фотометр был предложен Робертом Бунзеном (1811-1899). В этом фотометре световое поле представляет собой экран из белой бумаг, в середине которого небольшая часть поверхности промаслена и благодаря этому просвечивает. Масляное пятно должно иметь резкие края. Два источника света помещаются по обе стороны экрана и путем ослабления одного из них добиваются, чтобы масляное пятно и остальная часть экрана сделались одинаково яркими. На этом принципе «просвечивающего участка» построены многие более совершенные фотометры.

Для того чтобы получить одинаковую освещенность обеих площадок фотометра, наиболее простым средством является изменение расстояний сравниваемых источников от фотометра при условии применимости закона обратных квадратов (см. § 71). Как мы знаем, освещенность площадки пропорциональна силе света источника и обратно пропорциональна квадрату его расстояния от площадки. Если освещенности обеих площадок фотометра одинаковы, то

,

где  и  - силы света, а  - расстояния от источников до фотометра. Измерив  и , мы можем сказать, во сколько раз сила света одного источника больше или меньше силы света другого. Этот способ имеет тот недостаток, что варьировать расстояния  и  практически можно лишь в не очень высоких пределах.

Другой способ ослабления светового потока от одного из источников состоит в том, что на пути его вводится поглощающее тело, представляющее собой два скользящих друг относительно друга клина, сделанных из материала, поглощающего свет (рис. 166). Передвигая их, мы изменяем толщину поглощающего слоя и тем самым, изменяя степень поглощения светового потока. Предварительно производится градуирование ослабителя: устанавливается, насколько меняется поглощение при смещении клина на определенное расстояние.

Рис. 166. Устройство для ослабления светового потока, обеспечивающее прохождение лучей без отклонения

Существуют фотометры, приспособленные для непосредственного измерения освещенности; такие фотометры называются люксметрами.

В фотометрах воспринимающим свет устройством является фотоэлемент. Под действием света фотоэлемент дает электрический ток тем больший, чем больше освещенность фотоэлемента, конечно, при условии, что вся поверхность фотоэлемента равномерно освещена. Таким образом, измерение освещенности с помощью объективного фотометра сводится к измерению тока, протекающего через гальванометр, соединенный с фотоэлементом (подробнее см. § 181).

На рис. 167 представлен схематически люксметр. Он состоит из фотоэлемента 1 соединенного с помощью  шнура с гальванометром 2. Шкала гальванометра градуирована непосредственно в люксах. Для измерения освещенности с помощью этого прибора достаточно положить фотоэлемент на поверхность, освещенность которой хотят определить, и сделать отсчет по шкале. Фотоэлектрические люксметры очень удобны в работе и позволяют быстро и без утомления проводить измерения.

Рис. 167. Люксметр: 1 — фотоэлемент, 2 — гальванометр со шкалой, градуированной в люксах

Нередко фотоэлемент и гальванометр заключают в общий футляр. Подобные люксметры применяются фотолюбителями для определения освещенности фотографируемого объекта и, следовательно, для правильного выбора времени экспозиции; их называют поэтому экспонометрами (рис. 168). Шкала гальванометра экспонометра, проградуированная в продолжительностях экспозиции, нанесена на полуокружности вращающегося кольца 3. На секторе 4, вращающемся вместе с кольцом 3, нанесены деления, соответствующие чувствительности применяемых фотоматериалов. Указатель 5 устанавливается на деление неподвижной шкалы 6, соответствующее диаметру применяемой при съемке диафрагмы; затем кольцо 3 вращается до совпадения с указателем 5 нужного деления на секторе 6. Тогда стрелка гальванометра указывает экспозицию, нужную для съемки с выбранной диафрагмой при данных фотоматериалах.

Рис. 168. Экспонометр: 1 — фотоэлемент, 2 - гальванометр, 3 — шкала времени экспозиции, 4 - шкала чувствительности фотоматериалов, 5 – указатель, 6 — шкала диаметра диафрагмы

1. Во сколько раз мощность синего излучения  должна быть больше мощности зелено-желтого (максимум чувствительности глаза) чтобы зрительно ощущение было одинаково?

2. При больших размерах источника для расчета освещенности нельзя пользоваться законом обратных квадратов. Однако мы поможем мысленно разбить всю поверхность большого источника на столь малые участки, чтобы для каждого из них закон обратных квадратов был применим. Почему же этот прием расчета освещенности неприменим для всего источника в целом?

3. В тексте указано, что параллельный пучок не может быть реализован на опыте. Что мы имеем в виду, когда говорим, что основным свойством линзы считается получение с ее помощью параллельного пучка, если источник расположен в фокусе линзы?

4. Какой световой поток падает на поверхность, площадь которой , в ясный солнечный полдень, когда освещенность достигает ?

5. На поверхность, площадь которой , падает световой поток, равный . Найдите освещенность этой поверхности.

6. Сила света точечного источника равна . Найдите полный световой поток, испускаемый этим источником, и освещенность поверхности, перпендикулярной к направлению лучей, находящейся на расстоянии  от источника.

7. В известном романе А. Толстого «Гиперболоид инженера Гарина» описан прибор огромной разрушающей силы, основанный на концентрации световой энергии в весьма узком (параллельном) световом пучке (схема прибора дана на рис. 169). Рассмотрите действие прибора и объясните, почему он не может дать тот эффект, который приписывает ему автор?

Рис. 169. Схема «гиперболоида»: 1 — собирающее гиперболическое зеркало, 2 — отражающий гиперболоид, 3 — параллельный пучок лучей

8. Какова яркость поверхности, коэффициент отражения которой равен , если ее освещенность равна ?

9. Найдите яркость источника, который с  своей поверхности испускает внутрь телесного угла  световой поток, равный .

10. Определите освещенность середины и края круглого стола, диаметр которого равен , если освещение создается лампой, висящей на высоте  над серединой стола. Сила света лампы равна .

11. На матовое стекло падает световой поток, равный . При этом отражается световой поток, равный . Найдите коэффициенты отражения и пропускания, а также поглощенный и прошедший световые потоки, если коэффициент поглощения стекла равен .

12. На хромированную отражающую поверхность падает световой поток, равный . Найдите отраженный и поглощенный световые потоки, если коэффициент отражения хрома равен .

13. На лист белой бумаги, площадь которого равна , падает световой поток . Коэффициент отражения бумаги равен . Определите освещенность и яркость этого листа.

14. Определите яркость снежного покрова под солнечными лучами, создающими на нем освещенность . Коэффициент отражения снега равен .

15. Яркость Солнца равна , диаметр равен . Найдите силу света Солнца, наблюдаемую с Земли, и освещенность земного экрана, перпендикулярного к солнечным лучам. (Расстояние от Земли до Солнца принять равным ).

16.Определите осевую яркость кратера электрической дуги, если, сила света его по оси равна , а диаметр равен .

17.Сила света эталонной лампы равна. Расстояние от эталонной лампы до экрана фотометра при одинаковой яркости полей сравнения равно . Расстояние от испытуемой лампы экрана равно . Найдите силу света испытуемой лампы.