Интенсивность рассеянного света: зависимость от частоты и влияние на окружающую среду
В данной статье рассматривается зависимость интенсивности рассеянного света от частоты света и объясняется физический механизм этой зависимости, что имеет важное значение для различных областей науки и техники.
Интенсивность рассеянного света: зависимость от частоты и влияние на окружающую среду обновлено: 25 августа, 2023 автором: Научные Статьи.Ру
Помощь в написании работы
Введение
Изучение зависимости интенсивности рассеянного света от частоты света является важной задачей в физике. Эта зависимость позволяет понять физические процессы, происходящие при взаимодействии света с веществом. Предыдущие исследования в этой области имели некоторые недостатки, поэтому целью данного исследования является более точное определение зависимости интенсивности рассеянного света от частоты света и объяснение физического механизма, лежащего в ее основе.
Нужна помощь в написании работы?
Мы — биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
Основные теоретические аспекты
Введение в физическую основу рассеяния света.
Обзор моделей рассеяния света и их применимость к изучаемой зависимости.
Объяснение физического механизма взаимосвязи между интенсивностью рассеянного света и частотой света.
Методика эксперимента
Описание используемой оптической системы и оборудования.
Обзор процедуры проведения эксперимента.
Обоснование выбранной методики для изучения зависимости интенсивности рассеянного света от частоты света.
Результаты и их анализ
Презентация полученных данных о зависимости интенсивности рассеянного света от частоты света.
Обсуждение особенностей полученных результатов.
Сравнение с предыдущими исследованиями и объяснение различий.
Обсуждение и интерпретация
В данном разделе мы проведем анализ физических закономерностей, лежащих в основе наблюдаемой зависимости интенсивности рассеянного света от частоты света. Также мы объясним физический механизм, определяющий эту зависимость, и рассмотрим возможные физические и практические применения изучаемой зависимости.
Анализ физических закономерностей
Из полученных данных видно, что интенсивность рассеянного света увеличивается с увеличением частоты света. Это соответствует общей тенденции, которая наблюдается во многих процессах рассеяния света.
Один из основных факторов, определяющих эту зависимость, – это изменение электромагнитной волны при прохождении через среду. При более высоких частотах света электромагнитная волна имеет более короткую длину и большую энергию. Это приводит к более интенсивному взаимодействию с атомами и молекулами в среде, что, в свою очередь, приводит к увеличению интенсивности рассеянного света.
Физический механизм зависимости
Основным физическим механизмом, определяющим зависимость интенсивности рассеянного света от частоты света, является эффект Рэлея. Этот эффект объясняется изменением поляризуемости атомов и молекул в среде под действием электромагнитной волны.
При прохождении электромагнитной волны через среду, атомы и молекулы начинают колебаться под её воздействием. В результате этого колебания они излучают свои собственные электромагнитные волны. Именно этот процесс и приводит к рассеянию света.
Частота колебаний атомов и молекул определяется частотой падающей электромагнитной волны. Поэтому при увеличении частоты света, атомы и молекулы начинают колебаться с большей амплитудой, что приводит к увеличению интенсивности рассеянного света.
Практические применения
Изучение зависимости интенсивности рассеянного света от частоты света имеет широкий спектр практических применений. Например:
- В медицине: данная зависимость может быть использована для диагностики различных заболеваний, таких как рак или глазные болезни.
- В материаловедении: изучение этой зависимости позволяет определить оптические свойства различных материалов и использовать их в процессе проектирования новых материалов.
- В физике: эта зависимость может быть использована для изучения структуры и состава вещества на микроскопическом уровне.
Заключение
В результате нашего исследования мы выявили, что интенсивность рассеянного света зависит от частоты света. Мы провели анализ физических закономерностей, объяснили физический механизм этой зависимости и рассмотрели её практические применения.
Изучение зависимости интенсивности рассеянного света от частоты света имеет большое значение в различных областях науки и техники, и может быть использовано для создания новых методов диагностики, разработки новых материалов и изучения структуры вещества.
Интенсивность рассеянного света: зависимость от частоты и влияние на окружающую среду обновлено: 25 августа, 2023 автором: Научные Статьи.Ру
От чего зависит интенсивность света. Интенсивность освещения
Таким образом, в геометрической оптике световую волну можно рассматривать как пучок лучей. Лучи, однако, сами по себе определяют лишь направление распространения света в каждой точке; остается вопрос о распределении интенсивности света в пространстве.
Выделим на какой-либо из волновых поверхностей рассматриваемого пучка бесконечно малый элемент. Из дифференциальной геометрии известно, что всякая поверхность имеет в каждой своей точке два, вообще говоря, различных главных радиуса кривизны.
Пусть (рис. 7) — элементы главных кругов кривизны, проведенные на данном элементе волновой поверхности. Тогда лучи, проходящие через точки а и с, пересекутся друг с другом в соответствующем центре кривизны а лучи, проходящие через b и d, пересекутся в другом центре кривизны .
При данных углах раствора лучей, исходящих из длины отрезков пропорциональны соответствующим радиусам кривизны (т. е. длинам и ); площадь элемента поверхности пропорциональна произведению длин , т. е. пропорциональна Другими словами, если рассматривать элемент волновой поверхности, ограниченный определенным рядом лучей, то при движении вдоль них площадь этого элемента будет меняться пропорционально .
С другой стороны, интенсивность, т. е. плотность потока энергии, обратно пропорциональна площади поверхности, через которую проходит данное количество световой энергии. Таким образом, мы приходим к выводу, что интенсивность
Эту формулу надо понимать следующим образом. На каждом данном луче (АВ на рис. 7) существуют определенные точки и , являющиеся центрами кривизны всех волновых поверхностей, пересекающих данный луч. Расстояния и от точки О пересечения волновой поверхности с лучом до точек являются радиусами кривизны волновой поверхности в точке О. Таким образом, формула (54,1) определяет интенсивность света в точке О на данном луче как функцию от расстояний до определенных точек на этом дуче. Подчеркнем, что эта формула непригодна для сравнения интенсивностей в разных точках одной и той же волновой поверхности.
Поскольку интенсивность определяется квадратом модуля поля, то для изменения самого поля вдоль луча мы можем написать:
где в фазовом множителе под R может поразумеваться как так и величины отличаются друг от друга только постоянным (для данного луча) множителем, поскольку разность , расстояние между обоими центрами кривизны, постоянна.
Если оба радиуса кривизны волновой поверхности совпадают, то (54,1) и (54,2) имеют вид
Это имеет место, в частности, всегда в тех случаях, когда свет испускается точечным источником (волновые поверхности являются тогда концентрическими сферами, a R — расстоянием до источника света).
Из (54,1) мы видим, что интенсивность обращается в бесконечность в точках т. е. в центрах кривизны волновых поверхностей. Применяя это ко всем лучам в пучке, находим, что интенсивность света в данном пучке обращается в бесконечность, вообще говоря, на двух поверхностях — геометрическом месте всех центров кривизны волновых поверхностей. Эти поверхности носят название каустик. В частном случае пучка лучей со сферическими волновыми поверхностями обе каустики сливаются в одну точку <фокус).
Отметим, что, согласно известным из дифференциальной геометрии свойствам геометрического места центров кривизны семейства поверхностей, лучи касаются каустик.
Надо иметь в виду, что (при выпуклых волновых поверхностях) центры кривизны волновых поверхностей могут оказаться лежащими не на самих лучах, а на их продолжениях за оптическую систему, от которой они исходят. В таких случаях говорят о мнимых каустиках (или мнимых фокусах). Интенсивность света при этом нигде не обращается в бесконечность.
Что касается обращения интенсивности в бесконечность, то в действительности, разумеется, интенсивность в точках каустики делается большой, но остается конечной (см. задачу к § 59). Формальное обращение в бесконечность означает, что приближение геометрической оптики становится во всяком случае неприменимым вблизи каустик. С этим же обстоятельством связано и то, что изменение фазы вдоль луча может определяться формулой (54,2) только на участках луча, не включающих в себя точек его касания с каустиками. Ниже (в § 59) будет показано, что в действительности при прохождении мимо каустики фаза поля уменьшается на . Это значит, что если на участке луча до его касания первой каустики поле пропорционально множителю — координата вдоль луча), то после прохождения мимо каустики поле будет пропорционально То же самое произойдет вблизи точки касания второй каустики, и за этой точкой поле будет пропорционально
Волновой процесс связан с распространением энергии (Е) в пространстве. Количественной энергетической характеристикой этого процесса является поток энергии (Ф ) — отношение энергии, перенесенной волной через некоторую поверхность, ко времени (t), за которое этот перенос совершается . Если перенос энергии осуществляется равномерно, то: Ф = Е / t , а для общего случая поток представляет производную от энергии по времени — Ф = d Е / d t . Единица измерения потока энергии совпадает с единицей мощности Дж/ с = Вт.
Интенсивность волны (или плотность потока энергии) (I) — отношение потока энергии к площади (S) поверхности, расположенной перпендикулярно направлению распространения волны . Для равномерного распределения энергии по поверхности, через которую проходит волна I = Ф / S , а в общем случае — I = dФ / dS . Измеряется интенсивность в Вт / м 2 .
Отметим, что интенсивность является тем физическим параметром, который на первичном уровне определяет степень физиологического ощущения, возникающего под действием волнового процесса (например, звук или свет).
Представим в виде параллелепипеда длиной l участок среды, в которой распространяется волна. Площадь грани параллелепипеда, которая перепендикулярна направлению скорости волны v, обозначим через S (см.рис.9) . Введемобъемную плотность энергии колебательного движения w, представляющую количество энергии в единице объема:
w = Е / V . За время t через площадку S пройдет энергия, равная произведению величины объема V = l S = v t S на объемную плотность энергии:
Е = w v t S . (25)
Разделив левую и правую части формулы (25) на время и площадь, получим выражение, связывающее интенсивность волны и скорость ее распространения. Вектор , модуль которого равен интенсивности волны, а направление совпадает с направлением ее распространения носит название вектора Умова :
Формулу (26) можно представить в несколько ином виде. Учитывая, что энергия гармонических колебаний (см.формулу (7)) и выразив массу m через плотность вещества r и объем V , для объемной плотности энергии получим: w = . Тогда формула (26) принимает вид:
. (27)
Итак интенсивность упругой волны, определяемая вектором Умова, прямо пропорциональна скорости ее распространения, квадрату амплитуды колебаний частиц и квадрату частоты колебаний.
Законы геометрической (лучевой) оптики
Световые волны. Интенсивность света. Световой поток. Законы геометрической оптики. Полное внутреннее отражение
Оптика – это раздел физики, изучающий природу светового излучения, его распространение и взаимодействие с веществом. Раздел оптики, в котором изучается волновая природа света, называется волновой оптикой. Волновая природа света лежит в основе таких явлений, как интерференция, дифракция, поляризация. Раздел оптики, в котором не учитываются волновые свойства света и который основывается на понятии луча, называется геометрической оптикой.
§ 1. СВЕТОВЫЕ ВОЛНЫ
Согласно современным представлениям, свет представляет собой сложное явление: в одних случаях он ведет себя как электромагнитная волна, в других – как поток особых частиц (фотонов). Такое свойство называется корпускулярноволновым дуализмом (корпускула – частица, дуализм – двойственность). В этой части курса лекций будем рассматривать волновые явления света.
Световая волна – это электромагнитная волна с длиной волны в вакууме в диапазоне:
= (0,4¸ 0,76)× 10− 6 м= 0,4¸ 0,76 мкм= 400¸ 760 нм=
ангстрем – единица измерения длины. 1A = 10−10 м.
Волны такого диапазона воспринимаются человеческим глазом.
Излучение с длиной волны меньше 400 нм называют ультрафиолетовым, а
с большей, чем 760 нм, –
Частота n световой волны для видимого света:
= (0,39¸ 0,75)× 1015 Гц,
с = 3× 108 м/с- скорость света в вакууме.
Скорость распространения света в среде, как и любой электромагнитной волны, равна (см. (7.3)):
Для характеристики оптических свойств среды вводится показатель преломления. Отношение скорости света в вакууме к скорости света в данной среде называется абсолютным показателем преломления:
так как для большинства прозрачных веществ μ=1.
Формула (8.2) связывает оптические свойства вещества с его электрическими свойствами. Для любой среды, кроме вакуума, n> 1. Для вакуума n = 1, для газов при нормальных условиях n≈ 1.
Показатель преломления характеризует оптическую плотность среды . Среда с большим показателем преломления называется оптически более плотной. Обозначим абсолютные показатели преломления для двух сред:
Тогда относительный показатель преломления равен:
скорости света в первой и второй среде, соответственно.
проницаемость среды ε зависит от частоты
электромагнитной волны, то n = n(ν) илиn = n(λ) – показатель преломления будет зависеть от длины волны света (см. лекции № 16, 17).
Зависимость показателя преломления от длины волны (или частоты) называется дисперсией .
В световой волне, как и в любой электромагнитной волне, колеблются векторы E и H. Эти векторы перпендикулярны друг другу и направлению
вектора v . Как показывает опыт, физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие виды воздействий вызываются колебаниями электрического вектора. Поэтому световой вектор – это вектор напряженности электрического поля световой (электромагнитной) волны.
Для монохроматической световой волны изменение во времени и пространстве проекции светового вектора на направление, вдоль которого он
Здесь k – волновое число; r – расстояние, отсчитываемое вдоль направления распространения волны; E m – амплитуда световой волны. Для плоской волныE m = const , для сферической убывает как 1/r.
§ 2. ИНТЕНСИВНОСТЬ СВЕТА. СВЕТОВОЙ ПОТОК
Частота световых волн очень велика, поэтому приемник света или глаз фиксирует усредненный по времени поток. Интенсивностью света называется модуль среднего по времени значения плотности энергии в данной точке пространства. Для световой волны, как и для любой электромагнитной волны, интенсивность (см (7.8)) равна:
Для световой волны μ≈ 1, поэтому из (7.5) следует:
откуда с учетом (8.2):
Подставим в (7.8) формулы (8.4) и (8.5). После усреднения получим:
Следовательно, интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды световой волны и показателю преломления. Заметим, что для
вакуума и воздуха n = 1, поэтому I ~ E 2 m (сравните с (7.9)).
Для характеристики интенсивности света с учетом его способности вызывать зрительное ощущение вводится величина Ф, называемая световым потоком. Действие света на глаз сильно зависит от длины волны. Наиболее
чувствителен глаз к излучению с длиной волны λ з = 555 нм (зеленый цвет).
Для других волн чувствительность глаза ниже, а вне интервала (400– 760 нм) чувствительность глаза равна нулю.
Световым потоком называется поток световой энергии, оцениваемый по зрительному ощущению. Единицей светового потока является люмен (лм). Соответственно, интенсивность измеряется либо в энергетических единицах (Вт/м2 ), либо в световых единицах (лм/м2 ).
Интенсивность света характеризует численное значение средней энергии, переносимой световой волной в единицу времени через единицу площади площадки, поставленной перпендикулярно направлению распространения волны. Линии, вдоль которых распространяется световая энергия, называют лучами. Раздел оптики, в котором изучаются законы распространения светового
излучения на основе представлений о световых лучах, называется геометрической, или лучевой оптикой.
§ 3. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКИ
Геометрическая оптика – это приближенное рассмотрение распространения света в предположении, что свет распространяется вдоль некоторых линий – лучей (лучевая оптика). В этом приближении пренебрегают конечностью длин волн света, полагая, что λ→ 0.
Геометрическая оптика позволяет во многих случаях достаточно хорошо рассчитать оптическую систему. Но в ряде случаев реальный расчет оптических систем требует учета волновой природы света.
Первые три закона геометрической оптики известны с древних времен. 1. Закон прямолинейного распространения света.
Закон прямолинейного распространения света утверждает, что в
однороднойсреде свет распространяется прямолинейно.
Если среда неоднородна, т. е. ее показатель преломления изменяется от точки к точке, или n = n(r) , то свет не будет распространяться по прямой. При
наличии резких неоднородностей, таких, как отверстия в непрозрачных экранах, границы этих экранов, наблюдается отклонение света от прямолинейного распространения.
2. Закон независимости световых лучей утверждает, что лучи при пересечениине возмущают друг друга . При больших интенсивностях этот закон не соблюдается, происходит рассеяние света на свете.
3 и 4. Законы отражения и преломления утверждают, что на границе раздела двух сред происходит отражение и преломление светового луча. Отраженный и преломленный лучи лежат в одной плоскости с падающим
лучом и перпендикуляром, восстановленным к границе раздела в точке падения
Угол падения равен углу отражения:
для которых показатель
I(t) = \frac\int\limits_t^\left|\vec S(t)\right|dt,
где вектор Пойнтинга \vec S(t)=\frac<4\pi>\left[\vec E(t)\times\vec B(t)\right], (в системе СГС), E — напряжённость электрического поля, а B — магнитная индукция.
Для монохроматической линейно поляризованной волны с амплитудой напряжённости электрического поля E_0 интенсивность равна:
Для монохроматической циркулярно поляризованной волны это значение в два раза больше:
Интенсивность звука
Звук представляет собой волну механических колебаний среды. Интенсивность звука может быть выражена через амплитудные значения звукового давления p и колебательной скорости среды v :
Напишите отзыв о статье «Интенсивность (физика)»
Примечания
Отрывок, характеризующий Интенсивность (физика)
– Ежели все русские хотя немного похожи на вас, – говорил он Пьеру, – c»est un sacrilege que de faire la guerre a un peuple comme le votre. [Это кощунство – воевать с таким народом, как вы.] Вы, пострадавшие столько от французов, вы даже злобы не имеете против них.
И страстную любовь итальянца Пьер теперь заслужил только тем, что он вызывал в нем лучшие стороны его души и любовался ими.
Последнее время пребывания Пьера в Орле к нему приехал его старый знакомый масон – граф Вилларский, – тот самый, который вводил его в ложу в 1807 году. Вилларский был женат на богатой русской, имевшей большие имения в Орловской губернии, и занимал в городе временное место по продовольственной части.
Узнав, что Безухов в Орле, Вилларский, хотя и никогда не был коротко знаком с ним, приехал к нему с теми заявлениями дружбы и близости, которые выражают обыкновенно друг другу люди, встречаясь в пустыне. Вилларский скучал в Орле и был счастлив, встретив человека одного с собой круга и с одинаковыми, как он полагал, интересами.
Но, к удивлению своему, Вилларский заметил скоро, что Пьер очень отстал от настоящей жизни и впал, как он сам с собою определял Пьера, в апатию и эгоизм.
– Vous vous encroutez, mon cher, [Вы запускаетесь, мой милый.] – говорил он ему. Несмотря на то, Вилларскому было теперь приятнее с Пьером, чем прежде, и он каждый день бывал у него. Пьеру же, глядя на Вилларского и слушая его теперь, странно и невероятно было думать, что он сам очень недавно был такой же.
Вилларский был женат, семейный человек, занятый и делами имения жены, и службой, и семьей. Он считал, что все эти занятия суть помеха в жизни и что все они презренны, потому что имеют целью личное благо его и семьи. Военные, административные, политические, масонские соображения постоянно поглощали его внимание. И Пьер, не стараясь изменить его взгляд, не осуждая его, с своей теперь постоянно тихой, радостной насмешкой, любовался на это странное, столь знакомое ему явление.
В отношениях своих с Вилларским, с княжною, с доктором, со всеми людьми, с которыми он встречался теперь, в Пьере была новая черта, заслуживавшая ему расположение всех людей: это признание возможности каждого человека думать, чувствовать и смотреть на вещи по своему; признание невозможности словами разубедить человека. Эта законная особенность каждого человека, которая прежде волновала и раздражала Пьера, теперь составляла основу участия и интереса, которые он принимал в людях. Различие, иногда совершенное противоречие взглядов людей с своею жизнью и между собою, радовало Пьера и вызывало в нем насмешливую и кроткую улыбку.
Установим зависимость между смещением х частиц среды, участвующих в волновом процессе, и расстоянием у этих частиц от источника колебаний О для любого момента времени Для большей наглядности рассмотрим поперечную волну, хотя все последующие рассуждения
будут верны и для продольной волны. Пусть колебания источника являются гармоническими (см. § 27):
где А — амплитуда, круговая частота колебаний. Тогда все частицы среды тоже придут в гармоническое колебание с такой же частотой и амплитудой, но с различными фазами. В среде возникает синусоидальная волна, изображенная на рис. 58.
График волны (рис. 58) внешне похож на график гармонического колебания (рис. 46), но по существу они различны. График колебания представляет зависимость смещения данной частицы от времени. График волны представляет зависимость смещения всех частиц среды от расстояния до источника колебаний в данный момент времени. Он является как бы моментальной фотографией волны.
Рассмотрим некоторую частицу С, находящуюся на расстоянии у от источника колебаний (частицы О). Очевидно, что если частица О колеблется уже то частица С колеблется еще только где время распространения колебаний от до С, т. е. время, за которое волна прошла путь у. Тогда уравнение колебания частицы С следует написать так:
Но где скорость распространения волны. Тогда
Соотношение (23), позволяющее определить смещение любой точки волны в любой момент времени, называется уравнением волны. Вводя в рассмотрение длину волны X как расстояние между двумя ближайшими точками волны, находящимися в одинаковой фазе, например между двумя соседними гребнями волны, можно придать уравнению волны другой вид. Очевидно, что длина волны равна расстоянию, на которое распространяется колебание за период со скоростью
где частота волны. Тогда, подставляя в уравнение и учитывая, что получим другие формы уравнения волны:
Так как прохождение волн сопровождается колебанием частиц среды, то вместе с волной перемещается в пространстве и энергия колебаний. Энергия, переносимая волной за единицу времени через единицу площади, перпендикулярной к лучу, называется интенсивностью волны (или плотностью потока энергии). Получим выражение для интенсивности волны
Интенсивность и давление света
Интенсивность света I в выбранной точке – это модуль средней по времени величины плотности потока энергии, которую световая волна переносит.
Определение плотности потока электромагнитной энергии возможно при помощи вектора Умова-Пойнтинга P → . Отсюда следует, что математический вид определения интенсивности света записывается в виде формулы:
По выражению усреднение проводится за период времени t , причем больший по сравнению с периодом колебания волны T t ≫ T . Интенсивность света записывается как:
I t = 1 T ∫ t t + T P → ( t ) d t .
В системе С И единицей измерения является В т м 2 .
Модули амплитуд ( E m и H m ) векторов напряженностей электрического E → и магнитного H → полей в электромагнитной волн записываются в виде отношения:
Имеем, что μ ≈ 1 . Необходимо выразить амплитуду H m :
где n = ε μ = ε при μ ≈ 1 является показателем преломления вещества, в котором распространяется свет.
Модуль среднего значения вектора Умова-Пойнтинга пропорционален произведению амплитуд E m · H m .
Интенсивность света не может быть измерена в связи с тем, что поле изменяется с высокой частотой ν = 10 15 Г ц , соответственно период колебаний составляет T = 10 — 15 с , а приемники колебаний обладают временем инерции существенно больше, чем 10 — 15 c .
Отсюда следует, что среднее значение интенсивности можно регистрировать. Также возможно измерение средней интенсивности, но не фазы поля.
Давление света
По закону сохранения при поглощении и отражении света телом ему сообщается импульс, равняющийся разности импульсов пучка света до и после этих процессов. Отсюда следует, что на тело действует сила, свет производит соответствующее давление на тело. Еще Кеплер выдвинул свое предположение о существовании давления света, которое было принято при рассмотрении отклонений хвостов комет от Солнца.
Последователи волновой теории отрицали давление света, отсутствие доказательств опытами о существовании светового давления служило аргументом против корпускулярной. То есть существование светового давления считалось следствием электромагнитной теории.
Если световая волна падает перпендикулярно плоскости поверхности тела и полностью поглощает свет, то определение давления p производится по формуле.
Где G считается плотностью импульса световой волны, P – модулем вектора Умова-Пойнтинга, с – скоростью света в вакууме.
Если происходит полное отражение света при помощи поверхности тела, то импульс, который при помощи него передается, имеет значение в 2 раза больше, также как и значение давления.
При падении световой волны на поверхность под углом относительно нормали, производя расчеты давления, применяют только перпендикулярную составляющую плотности потока энергии. Если имеются обычные условия, то давление крайне малое, то есть в 10 10 раз меньше атмосферного.
П.Н. Лебедев в 1899 году смог измерить световое давление. Для этого он применил крутильные весы, находящиеся в вакууме. Позже его опыты определения существования давления света подтвердили электромагнитную теорию света Максвелла.
Определение 2
Давление электромагнитных волн считается результатом воздействия электрического поля волны частицы вещества, которые обладают электрическим зарядом, движутся упорядоченно, на них действуют силы Лоренца.
Примеры
Определить давление, оказываемое плоской световой волной, падающей перпендикулярно относительно поверхности тела и поглощаемой телом. Значение амплитуды напряженности электрического поля равняется 2 В м .
Решение
Будем использовать формулу:
Где P принимается за среднее значение модуля вектора Умова-Пойнтинга, c = 3 · 10 8 м с – за скорость света в вакууме.
Для нахождения среднего значения модуля вектора Умова-Пойнтинга необходимо использовать:
В условии имеем плоскую волну, тогда уравнение ее колебаний зафиксируем как:
E = E m cos ω t — k x , H = H m cos ω t — k x ( 1 . 3 ) .
Для нахождения значения амплитуды напряжения магнитного поля следует применить:
ε ε 0 E m = μ μ 0 H m ( 1 . 4 ) .
Когда для вакуума ε = 1 , μ = 1 , можно выразить из ( 1 . 4 ) H m . Получим:
H m = ε 0 μ 0 E m ( 1 . 5 ) ,
где μ 0 = 4 π · 10 — 7 Г н м , ε 0 = 1 4 π · 9 · 10 9 Ф м . Это говорит о том, что средним значением модуля вектора Умова-Пойнтинга будет:
P = E m cos ω t — k x · ε 0 μ 0 E m cos ω t — k x = ε 0 μ 0 E m 2 cos ω t — k x = = 1 2 ε 0 μ 0 E m 2 ( 1 . 6 ) .
Далее производим подстановку правой части выражения ( 1 . 6 ) в ( 1 . 1 ) вместо P , тогда искомое давление света:
p = 1 2 ε 0 μ 0 E m 2 c .
Заменим числовые значения и получим:
p = 1 2 · 3 · 10 8 1 4 π · 10 — 7 · 4 π · 9 · 10 9 · 4 = 4 120 π · 6 · 10 8 = 1 , 77 · 10 11 ( П а )
Ответ: 17 , 7 п П а .
Определить интенсивность I плоской световой волны, распространяющейся вдоль О х . Значение напряженности электрического поля волны равняется E m В м .
Решение
Из определения выявим интенсивность световой волны:
Запись модуля вектора Умова-Пойтинга для плоской световой волны обозначится как:
P = E H = E m H m cos 2 ω t — k x ( 2 . 2 ) .
Среднее значение P :
P = 1 2 E m H m 2 . 3 , так как cos 2 ω t — k x = 1 2 .
Сравнивая с примером 1 , можно произвести выражение амплитуды напряженности магнитного поля:
ε ε 0 E m = μ μ 0 H m → H m = ε ε 0 μ μ 0 E m ( 2 . 4 ) .
Из ( 2 . 1 ) , ( 2 . 3 ) , ( 2 . 4 ) получим:
I = 1 2 ε ε 0 μ μ 0 E m 2 .
Ответ: I = 1 2 ε ε 0 μ μ 0 E m 2 .
Измерение интенсивности света — описание и значение
Интенсивность света имеет значение как в рабочих, так и в жилых помещениях. Человек основную часть данных об окружающем мире воспринимает через зрение. Поэтому от качественного освещения зависит скорость усвоения информации, а также комфорт пребывания в помещении. Если свет слишком тусклый, глаза быстро устают, а если слишком яркий, создается дискомфорт для глаз. При выборе оптимальной интенсивности нужно учесть ряд параметров, также важно контролировать показатели с помощью специального оборудования.
Что это такое интенсивность света
Определение параметров усложняется тем, что формула интенсивности света сложна в расчетах и не может использоваться как единственные показатель. Поэтому надо учитывать сразу несколько важных аспектов, чтобы получить данные, которые помогут определить соответствие освещения установленным параметрам. Дома можно исходить и из собственных предпочтений, чтобы создать комфортную обстановку. В рабочих помещениях надо четко соблюдать регламент, чтобы создать комфортные условия труда.
Интенсивность света – термин, который объединяет в себе световой поток, яркость, силу света, цветовую температуру и т.д. При этом каждую величину можно вычислить отдельно.
За эталон можно принять определенную интенсивность освещения, которая создает идеальные условия для работы или отдыха. В этом случае при проверке света надо исходить из выбранного варианта.
Как и в чем измеряется интенсивность света
Так как интенсивность падающего света оценивается не по одному критерию, надо разобраться в самых важных показателях. В этом нет ничего сложного, главное – определить основные характеристики, которые имеют наибольшее значение. Используются такие параметры:
- Сила света – световая энергия, которая распространяется от любого источника в определенном направлении. Этот показатель используют в физике и других науках при проведении экспериментов со световыми волнами. Единицей измерения является кандела. В качестве эталона принимают пламя одной горящей свечи, у нее сила света примерно равна 1 канделе.
- Яркость освещения – еще один важный критерий, который отличается у разных источников света. От этого зависит создание комфортных условий. Измеряется в канделах, кроме того, есть и другие единицы измерения – ламберт, апостильб и стильб. Яркость важна при видео и фотосъемке, а чтобы получать качественные изображения, в условиях плохого освещения используют поляризаторы.
- Освещенность – отношение светового потока, исходящего от светильника, к площади его распространения под определенным углом. Чаще всего регламентируют горизонтальную освещенность, так как она имеет наибольшее значение для комфортных условий работы и отдыха. При этом большое значение имеет и плотность освещения, то есть оно должно распределяться по всей площади одинаково, без затемненных и слишком светлых мест. Основной единицей измерения является люкс.
Самым главным является последний критерий, так как он больше всего влияет на человеческое зрение. Для определения показателей используют такой прибор, как люксометр.
Он состоит из светоприемника и измерительного модуля, который может быть как аналоговым, так и электронным. В приемнике света используется фотоэлемент, воспринимающий волны заданной амплитуды, видимые человеческому глазу. Он преобразует их в электрический сигнал, который и выводится на экран.
По сути, это фотометр с четко заданным диапазоном спектральной чувствительности, который реагирует только на волны определенной длины. Анализатор может измерять как обычный свет, так и инфракрасное излучение, все зависит от настроек.
При проведении измерений важно соблюдать определенные условия. Так, на рабочем месте освещенность проверяется на уровне столешницы. Общее освещение надо проконтролировать в нескольких местах комнаты или цеха, чтобы убедиться в его равномерном распределении.
Плотность и мощность светового потока
Часто используют и эти термины для определения качества света. Так как трактовка бывает разной, иногда возникают сложности с тем, что подразумевается под этими показателями. Тут все достаточно просто:
- Плотность света – соотношение светового потока к площади его распространения. Этот параметр еще называют яркостью и измеряется он в канделах на квадратный метр. Показатель влияет на зрительное восприятие обстановки в помещении, так как важно, чтобы освещение было комфортным, для чего плотность должна попадать в определенный диапазон. При этом световой поток с яркостью, превышающей 500 Кд/м.кв. создает дискомфорт для зрения.
- Мощность светового потока определяет воздействие видимого излучения на зрительное восприятие. Единицей измерения является люмен, при этом в расчет берется общий показатель вне зависимости от направления освещения. То есть, лампа с одним и тем же световым потоком может освещать площадь и в 10, и в 100 кв.м. Поэтому гораздо проще и удобнее судить по показателям освещенности, так как при использовании конструкций с качественным отражателем можно создать комфортные условия при меньших затратах энергии.
Для обеспечения нужной мощности конструкции светильников часто оборудуют рассеивателями, а поверхности внутри делают отражающими. Это позволяет направить весь световой поток на ограниченное пространство, что повышает его интенсивность и позволяет экономить электричество. По схожему принципу действует линза Френеля, а также оптика, используемая в проекторах и другом оборудовании.
Кстати! Стандартная лампа накаливания на 75 Ватт имеет мощность 935 Лм, галогенный вариант на 75 Вт – 1100 люменов. Люминесцентное оборудование при потреблении 35 Вт выдает 3300 Лм, а светодиодное на 9,5 Ватт – 800 люменов.
Комфортная интенсивность освещения
Комфорт освещения требует соблюдения целого ряда требований. При этом данный параметр невозможно унифицировать, так как у людей разные предпочтения, а выполнение различных видов работ требует разных условий. Наиболее комфортным для любого человека является свет солнца, именно на этот спектр и ориентируются при планировании искусственного освещения.
Ближе всего к естественному излучению свет обычных ламп накаливания, который образуется за счет раскаленной спирали. Но из-за высокого энергопотребления, сильного нагрева при работе, короткого срока службы из используют все меньше.
Важным показателем является световая температура, есть три разновидности:
- Теплый свет имеет желтый оттенок и подходит для создания обстановки, располагающей к расслаблению и отдыху. Чаще всего его используют в жилых помещениях.
- Нейтральный свет отличает большая яркость, еще его называют белым. Подходит для рабочих мест, а также для зон, где важно обеспечить хорошую видимость, например, рабочая зона на кухне.
- Холодное освещение отличает преобладание синих лучей в спектре. Оно подходит для мест, где выполняются точные работы. Дома использовать его не стоит, так как при длительном нахождении в помещении с холодным светом глаза начинают уставать.
Видео по теме: Как измерить степень освещённости в помещении с помощью смартфона.
Чтобы не измерять показатели освещенности, при выборе светильников и лампочек проще всего руководствоваться установленными нормами. В жилых помещениях стоит придерживаться таких показателей:
- Коридоры и прихожие – 50 Лк.
- Санузлы, душевые, ванные комнаты – 50 люксов.
- Кухни – 150 Лк.
- Детские комнаты и игровые зоны – 200 люксов.
- Жилые помещения (гостиные, спальни и т.д.) – 150 Лк.
При выборе светильников надо обращать внимание на особенности распространения светового потока. Самым комфортным является рассеянный или отраженный свет. Чтобы выделить функциональные зоны или обеспечить качественное освещение рабочего места, лучше использовать дополнительные светильники.
Изменить интенсивность света можно за счет замены ламп или установки новых светильников. Не стоит экономить на качестве освещения, так как это влияет не только на восприятие помещений, но и на комфорт пребывания в них.