Наука изучающая световые параметры как сложные физические величины

Физические величины в освещении

Приобретая осветительное оборудование, мы с любопытством вчитываемся в световые параметры, указанные в характеристиках. Цветовая температура, освещенность, световой поток – для некоторых из нас не до конца понятна вся важность и физическое значение этих параметров в освещении. А ведь какая полезная для нас и нашего бюджета информация стоит за этими цифрами. Давайте же попробуем внести ясность: что собой представляют те или иные характеристики, и как выбрать действительно качественную лампу или светильник.

Основные физические параметры.

Световой поток.

Световой поток является важной характеристикой источника света. Это физическая величина, характеризующая количество видимой световой мощности в потоке излучения лампы или светильника. Под видимым светом понимается поток излучения, воспринимаемый человеческим глазом, имеющим среднюю чувствительность. Из этого определения очевидно, что не все излучение источника света человек способен увидеть, но чем больше он видит, тем больше световой поток. Единица измерения всего воспринимаемого светового потока – люмен.

Что интересно, человеческое зрение воспринимает различные цвета по-разному яркими, даже если они излучаются с одинаковой мощностью. Колоколообразная кривая, показывающая цветовую чувствительность глаза, называется спектральной эффективностью светового потока. Согласно ей, наиболее ярким воспринимается зеленый свет (длина волны 550 нм), слабея к красному и синему краям спектра. Другими словами, при излучении источников зеленого и синего света, имеющих одинаковую мощность, зеленый свет дает больше светового потока, чем синий. Таким образом, люмены показывают реально видимые глазу величины, в отличие от Ваттов.

Ассортимент светодиодных ламп и светильников Shine® позволяет подобрать источники света со световым потоком от 75 лм, как, например, у миниатюрных декоративных ламп серии G4, до 26 600 лм, как у светодиодных уличных светильников.

Освещенность.

Световой поток не является единственным параметром, характеризующим возможности осветительного прибора. Для оценки характеристик светодиодных осветительных приборов и сравнения их с традиционными источниками света вместо понятия «световой поток» часто используют термин «освещенность». Освещенность характеризует интенсивность света, падающего на поверхность, а точнее количество света от осветительного прибора, которое достигает освещаемого участка. Это та часть светового потока, которая эффективно направляется на рабочую поверхность. Единицей измерения освещенности служит люкс – физическая величина, равная световому потоку в 1 люмен на 1 квадратный метр. Ниже приведены примеры освещенности от различных источников света.

Рис. 2. Таблица значений освещенности в разных условиях.

Как видно, для обеспечения благоприятных условий необходима освещенность порядка 400–800 лк. Обеспечить такую освещенность можно двумя способами: либо мощным источником света, либо большим количеством осветительных приборов. Выбрав светодиодные лампы и светильники Shine®, вы выбираете надежные и мощные источники света с минимальным потреблением энергии.

Световая отдача.

Показателем эффективности и экономичности источников света является световая отдача (или сокращенно светоотдача). Светоотдача источника света — это отношение излучаемого источником светового потока к потребляемой им мощности. В международной системе единиц измеряется в лм/Вт. У разных источников света различная светоотдача. Согласно нижеприведенной таблице самыми экономичными являются светодиодные и люминесцентные лампы.

Световая отдача светодиодных светильников S hine® является одной из лучших среди продукции своего класса и доходит до значения 98,4 лм/Вт.

Индекс цветопередачи.

Индекс цветопередачи отражает способность источника света правильно передавать цвета различных объектов в сравнении с идеальным источником света. Этот параметр является количественным показателем качества воспроизведения цветовых оттенков по шкале от 0 до 100. По определению, индекс цветопередачи солнечного света равен 100.

Минимально приемлемое значение индекса цветопередачи источника света зависит от области его применения:

1. Значение индекса цветопередачи в диапазоне от 80 до 90 требуется в торговых и производственных помещениях, в которых точная цветопередача является критично важной — например, в магазинах по продаже тканей, произведений искусства, или в художественных студиях.

2. Для большинства офисных, торговых, образовательных, медицинских и других рабочих и жилых помещений индекс цветопередачи должен быть не ниже 70−80.

3. В производственных, охранных и складских помещениях, где точная цветопередача не имеет большого значения, могут использоваться источники света с небольшим индексом цветопередачи, менее 70.

Светодиодные и компактные люминесцентные лампы Shine® отвечают самым высоким требованиям по цветопередаче и могут использоваться в помещениях с любыми требованиями к освещенности.

Цветовая температура.

Цветовая температура характеризует видимый цвет источника, а также является основой объективности впечатления от цвета окружающих объектов.

800 К — начало видимого темно-красного свечения раскалённых тел;

1500–2000 К — свет пламени свечи;

2000 К — натриевая лампа высокого давления;

2200 К — лампа накаливания 40 Вт;

2680 К — лампа накаливания 60 Вт;

2800 К — лампа накаливания 100 Вт;

3000 К — лампа накаливания 200 Вт, галогенная лампа;

3400 К — солнце у горизонта;

4300–4500 K — утреннее солнце и солнце в обеденное время;

4500–5000 К — ксеноновая лампа, электрическая дуга (сварка);

5000 К — Солнце в полдень;

5500 К — облака в полдень;

5500–5600 К — фотовспышка;

6500–7500 К — облачность;

7500 К — дневной свет, с большой долей рассеянного от чистого голубого неба;

7500–8500 К — сумерки;

9500 К — синее безоблачное небо на северной стороне перед восходом Солнца;

10000 К — источник света с «бесконечной температурой», используемый в аквариумах (оттенок голубого цвета);

15000 К — ясное голубое небо зимой;

20000 К — синее небо в полярных широтах.

Светодиодные лампы и светильники Shine® выпускаются с цветовой температурой от 2700 К до 6500 К. Таким образом, можно выбрать источник света для различного назначения или просто на свой вкус. Будь то «теплая» домашняя обстановка, рабочее «прохладное» освещение офиса или «холодное», дающее четкие очертания объектов, уличное освещение — источники света Shine® гарантированно обеспечат желаемый оттенок света и уровень освещенности.

Мы постарались ознакомить вас лишь с основными физическими величинами, которыми оперируют при качественной оценке света осветительных приборов. Существует масса и других производных параметров, отвечающих за тот или иной аспект в работе светильника или лампы. Но, уже имея представление о базовых характеристиках, можно без труда самостоятельно проанализировать предлагаемое осветительное оборудование и подобрать оптимальный вариант. В свою очередь, специалисты нашей компании всегда готовы дать полную информацию по всей продукции Shine®, отвечающей самым высоким требованиям.

Источник

Наука изучающая световые параметры как сложные физические величины

В широком смысле, используемом вне физической оптики, светом часто называют любое оптическое излучение, то есть такое электромагнитное излучение, длины волн которого лежат в диапазоне с приблизительными границами от единиц нанометров до десятых долей миллиметра. В этом случае в понятие «свет» помимо видимого излучения включаются как инфракрасное, так и ультрафиолетовое излучения.

Раздел физики, в котором изучается свет, носит название оптика.

Также, особенно в теоретической физике, термин свет может иногда выступать просто синонимом термина электромагнитное излучение, независимо от его частоты, особенно когда конкретизация не важна, а хотят, например, использовать более короткое слово.

Свет может рассматриваться либо как электромагнитная волна, скорость распространения в вакууме которой постоянна, либо как поток фотонов — частиц, обладающих определённой энергией, импульсом, собственным моментом импульса и нулевой массой (или, как говорили ранее, нулевой массой покоя).

Связанные понятия

Упоминания в литературе

Связанные понятия (продолжение)

Интерфере́нция в тóнких плёнках – явление, которое возникает в результате разделения луча света при отражении от верхней и нижней границ тонкой плёнки. В результате возникают две световые волны, которые могут интерферировать. Тонкоплёночная интерференция объясняет цветовую палитру, видимую в свете, отраженном от мыльных пузырей и масляных плёнок на воде. Это явление также является основополагающим механизмом, используемым в объективах камер, зеркалах, оптических фильтрах и антибликовых покрытиях.

Релятиви́стские стру́и, дже́ты (англ. Relativistic jet) — струи плазмы, вырывающиеся из центров (ядер) таких астрономических объектов, как активные галактики, квазары и радиогалактики. Первым такую струю обнаружил астроном Гебер Кёртис в 1918 году. Позже физик и философ Стивен Хокинг сумел доказать, что такие выбросы происходят из гипотетических чёрных дыр.

Упоминания в литературе (продолжение)

3.105 км/с. Важной характеристикой электромагнитных волн является длина волны. По этой характеристике различают: радиоволны – 102 см, рентгеновское излучение 2.10-8, рентгеновское излучение – 2.10-5 – 6.10-12, у – излучение свет 7,4.10-5 – 4.10-5 см, ультрафиолетовое излучение 4.10-5 – 10-7 см. При прохождении электромагнитных волн через среды происходят процессы отражения, преломления, поглощения, дифракции, интерференции, дисперсии и другие. Таким образом, можно допустить, что возможно существование информационного поля в форме особых электромагнитных колебаний с длиной волны, выходящей за указанные пределы.

Источник

Cвет. Скорость света. Элементы теории относительности.

теория по физике 🧲 оптика

Оптика — раздел физики, изучающий явления и свойства света.

Прежде чем приступить к изучению явлений и законов оптики, следует разобраться в природе света. Выясним, что он собой представляет, какими свойствами обладает, и какую роль скорость света играет в специальной теории относительности Эйнштейна.

Корпускулярная и волновая теории света

Действие одного тела на другое может передаваться переносом вещества или изменением среды без переноса вещества. К примеру, заставить колокольчик звенеть можно, если попасть в него камнем. Это пример воздействия переноса вещества (рис. а). Если же к язычку колокольчика привязать шнур (рис. б), взять его конец и начать дергать, то переноса вещества происходить не будет. Но колокольчик зазвенит, поскольку среда (шнурок) между рукой и колокольчиком будет изменяться (колебаться).

В соответствии с двумя способами передачи действия от источника к приемнику возникли и начали параллельно развиваться две теории о том, что такое свет, и какова его природа:

Согласно корпускулярной теории, свет — это поток частиц (корпускул), идущих от источника во все стороны (происходит перенос вещества). Согласно волновой теории, свет — это волна (происходит изменение среды).

Обе теории оказались несостоятельными. Так, корпускулярная теория не объясняла, почему пересекающиеся пучки света в пространстве никак не взаимодействуют друг с другом. Ведь если бы это были частицы, то они бы сталкивались и рассеивались. Однако волновая теория это легко объясняла на примере волн на поверхности воды, которые свободного проходят друг через друга, не оказывая взаимного влияния. Но она не могла объяснить прямолинейное распространение света. Хотя в корпускулярной теории оно легко объясняется действием закона инерции.

Вскоре Максвеллу удалось доказать, что свет представляет собой электромагнитную волну. Но в начале XX века выяснилось, что в одних случаях свет ведет себя как волна, в других — как частица. Так, явление интерференции и дифракции света легко объясняется, если принять свет за волну. Но явления излучения и поглощения света могут быть объяснены только в том случае, если считать свет потоком частиц.

В связи с двойственной природой света в физике начали развиваться два направления: геометрическая и волновая оптика.

Геометрическая оптика — раздел оптики, изучающий законы распространения света в прозрачных средах, отражения света от зеркально-отражающих поверхностей и принципы построения изображений при прохождении света в оптических системах без учёта его волновых свойств.

Волновая оптика — это отдел физической оптики, в котором изучают интерференцию, дифракцию, поляризацию и другие явления, для понимания которых необходимо и достаточно представление о волновой природе света.

Пример №1. Учитывая, что свет распространяется прямолинейно, вычислить площадь тени, которую отбрасывает квадратное препятствие со стороной квадрата 1 м. Плоскость квадратного препятствия перпендикулярна направлению распространения света от точечного источника. Учесть, что расстояние от источника света до препятствия равно 6 м, а расстояние от препятствия до плоской параллельной ему поверхности, в которой образовалась тень — 4 м. Источник света равноудален от углов квадратного препятствия.

Согласно условию задачи, OA = OC, тогда AB = CD. Так как свет распространяется прямолинейно, тень примет вид квадрата со стороной BD. Следовательно, нам нужно найти его площадь, равную квадрату его стороны.

Треугольники OAC и OBD подобны по двум сторонам и углу между ними, следовательно AC подобна BD. OA относится к OB следующим образом:

Тогда площадь тени равна:

Скорость распространения света

Когда мы включаем свет, комната озаряется светом моментально. Поэтому кажется, что свету нисколько не нужно времени, чтобы достигнуть стен. Но это не так, просто свет распространяется с такой большой скоростью, что это непросто заметить в обычных условиях.

Впервые конечность скорости света удалось установить О. Рёмеру (датскому ученому) в 1676 г. Он наблюдал за затмением Ио — спутника Юпитера. Он видел, как ИО проходил перед планетой, а затем погружался в ее тень и пропадал из поля зрения. Затем он опять появлялся, как мгновенно вспыхнувшая лампа. Промежуток времени между двумя вспышками был равен 42 ч 28 мин. Поэтому спутник представлял для астронома космические часы, которые посылали сигналы на Землю через равные промежутки времени.

Сначала Рёмер делал измерения, когда Земля при своем движении вокруг Солнца подошла к Юпитеру максимально близко. Затем он повторил их в момент, когда Земля максимально удалилась от Юпитера. Измерения показали, что во втором случае спутник появился на 22 минуты позже по сравнению с первым результатом. Ученый объяснил это явление так: «Если бы я мог остаться на другой стороне земной орбиты, то спутник всякий раз появлялся бы из тени в назначенное время; наблюдатель, находящийся там, увидел бы Ио на 22 минуты раньше. Запаздывание в этом случае происходит оттого, что свет употребляет 22 мин на прохождение от места моего первого наблюдения до моего теперешнего положения».

Зная опаздывание появления Ио и расстояние, которым оно вызвано, можно определить скорость, разделив это расстояние на время опаздывания. Из-за неточности измерений и неточного знания радиуса земной орбиты Рёмер получил скорость света, равную 215 000 км/с. Если провести расчеты с более точными данными, результат получается максимально приближенным к реальному значению скорости света — около 300 000 км/с.

Позже измерения скорости света повторили другие ученые. В 1849 году И. Физо (французский ученый) сделал расчеты, в результате которых он получил значение 313 000 км/с. В 1856 году была измерена скорость света в воде, которая оказалась в 4/3 раз меньше по сравнению со скоростью света в космосе (вакууме). Так же было установлено, что скорость света в средах всегда меньше скорости света в вакууме.

По современным данным принято считать, что скорость света равна 299 792 458 м/с с точностью ±1,2 м/с. Обозначают эту величину как c. Единица измерения в СИ — м/с.

При выполнении расчетных задач скорость света принято принимать за величину c = 3∙10 8 м/с.

Элементы теории относительности и инвариантность скорости света

Теория относительности – физическая теория, рассматривающая пространственно-временные закономерности, справедливые для любых физических процессов.

Событие — физическое явление, которое происходит в определённый момент времени в данной точке пространства.

В теории относительности часто будет использовано понятие «событие». События могут происходить в одно и тоже время. Тогда их называют одновременными. Если координаты событий совпадают, то события называют одноместными. При этом учитываем, что реальные тела имеют размеры, и события разворачиваются во времени.

Рассмотрим случай, продемонстрированный на рисунке. В центре вагона поезда (в точке О) загорается лампочка (первое событие). Свет от лампочки достигает точки А на одном конце вагона и точки В — на противоположном (второе и третье события).

Одновременно ли достигнет свет две противолежащие точки А и В? Ведь вагон движется со скоростью в одном направлении, и одна стенка приближается к летящему свету, а другая отдаляется. Классический закон сложения скоростей не работает в описании распространения электромагнитного излучения от источника света. Чтобы ответить на эти вопросы, важно знать, меняются ли основные законы электродинамики при переходе одной инерциальной системы отсчёта к другой, или же подобно принципам относительности Галилея и законам Ньютона, они остаются неизменными.

Согласно принципу относительности Галилея законы механики одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта. А именно, математическая форма второго и третьего законов Ньютона не меняется при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой. Но в

Инерциальные системы отсчёта (ИСО) — это системы отсчёта, в которых выполняется первый закон Ньютона – закон инерции.

В соответствии с принципом относительности Галилея, если источник света находится в покоящейся ИСО K, то скорость его распространения в равномерно удаляющейся от нее ИСО K´ будет равна:

Если же она равномерно приближается, то согласно закону сложения скоростей, вытекающего из этого принципа, скорость света во второй системе будет равна:

Так, если бы человек с включенным фонариком в руке побежал в сторону распространения света, то относительно Земли скорость света, излучающегося фонариком, была бы равна сумме скорости света в вакууме и скорости бега человека. Однако этот закон сложения скоростей не выполнялся на практике.

Решить сложившееся противоречие смог Альберт Энштейн — основатель теории относительности, которую также называют специальной. В основу теории легли два постулата.

Постулат – основное положение, которое не может быть логически доказано, а является результатом обобщения всех опытов. В физической теории выполняет ту же роль, что и аксиома в математике.

Постулаты теории относительности

Все физические явления протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчёта. Это значит, что во всех ИСО физические законы имеют одинаковую форму. Так, принцип относительности классической механики распространяется на все процессы в природе, в том числе и на электромагнитные явления.

Скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчёта. Она не зависит ни от скорости источника света, ни от скорости светового приёмника сигнала.

Скорость света занимает особое положение в этой теории, так как распространение света в вакууме является максимально возможной скоростью передачи взаимодействий в природе. В этом заключает инвариантность, или неизменность скорости света.

Казалось бы, первый и второй постулаты противоречат друг другу. Но независимость скорости света от его источника была доказано экспериментально. А.М. Бонч-Бруевич и В.А. Молчанов в 1955 году проводили опыты, измеряя скорости света от правого и левого краёв Солнца (один из которых из-за осевого вращения Солнца приближается к нам со скоростью 2,3 км/с, а другой с такой же скоростью удаляется). Учёные, проведя расчёты, пришли к выводу, что скорости распространения света с обоих концов одинаковы.

Следствия из постулатов теории относительности Эйнштейна

После выдвижения Эйнштейном специальной теории относительности (СТО) в механике образовалось два раздела: классическая механики и релятивистская. Причем классическая механика (механика Ньютона) является частным случаем более общей механики, описывающей процессы в разных инерциальных системах отсчёта.

Классическая (ньютоновсая) механика — раздел физики, рассматривающий законы механики (законы движения тел и частиц) при скоростях, значительно меньших скорости света.

Релятивистская механика — раздел физики, рассматривающий законы механики (законы движения тел и частиц) при скоростях, сравнимых со скоростью света.

Сравним основные законы классической механики с законами релятивистской механики, которые вытекают из постулатов теории относительности.

Пример №2. Две частицы удаляются друг от друга, имея скорость 0,6c каждая, относительно земного наблюдателя. Чему равна относительная скорость частиц?

Для решения задачи, необходимо перейти в ИСО, связанную с одной из частиц. Пусть частицы движутся вдоль одной прямой, в противоположные стороны. Используем закон сложения скоростей СТО:

где v — скорость частицы относительно неподвижной системы отсчета. v ´ — ее скорость относительно подвижной системы отсчета, связанной с ней, v 0 — скорость подвижной системы отсчета относительно неподвижной. c — скорость света.

Источник

Физические величины, применяемые в светотехнике

Для того, чтобы разбираться в светотехнике необходимо иметь хотя бы общее представление об основных физических терминах и величинах, используемых такой области науки, как оптика. Ведь именно при помощи основных величин и единиц измерения можно получить представление о характеристиках разных светотехнических устройств и только при их помощи можно сравнивать, казалось бы, совершенно разные типы ламп.

Видимый свет.

Свет, а точнее видимый свет, это электромагнитное излучение с длиной волны от 320 (фиолетовый цвет) до 780 (красный цвет) нанометров (она миллиардная доля метра). Этот диапазон представляет собой только малый участок всего спектра электромагнитного излучения. Однако именно в этом диапазоне излучение воспринимается сетчаткой глаза человека, позволяя нам видеть окружающие предметы. Для описания характеристик света используются несколько основных физических величин.

Световой поток.

Световой поток служит характеристикой мощности любого источника света и определяется как количество световой энергии, которая проходит через единицу площади за единицу времени.

Световой поток обозначается буквой Ф и измеряется в люменах (лм). Самые распространенные на данный момент источники света имеют следующие значения светового потока: Лампа накаливания мощностью 100Вт создает 1300-1600 лм светового потока. Компактная люминесцентная лампа мощностью 26 Вт – 1600 лм. 1-ваттная светодиодная лампа создает световой поток равный 120 лм.

Сила света.

Световой поток от каждого источника излучения распределяется в окружающем его пространстве неравномерно. Его интенсивность в разных направлениях от источника света может значительно различаться. Сила света (I), измеряемая в канделах (кд), представляет собой интенсивность светового потока, распространяющегося в определенном направлении.

Освещенность.

Отношение светового потока к площади поверхности, которую он освещает, называется освещенностью (Е). Соответственно можно говорить об освещенности в 1 люкс тогда, когда световой поток равный 1 лм равномерно освещает площадь равную 1 м2.

Яркость света.

Яркость источника света характеризует силу света, излучаемого единицей площади светящейся поверхности. Измеряется яркость в канделах на квадратный метр (кд/м2). Стоит заметить, что яркость источника света является одним из самых важных факторов для светового восприятия человеческого глаза.

Световая отдача.

Световая отдача (Н) характеризует энергоэффективность (экономичность) источника света. Она измеряется в люменах на ватт (лм/вт) и рассчитывается как отношение светового потока, который излучается источником света к мощности, потребляемой этим источником.

Цветовая температура.

Цветовую температуру источника света можно рассчитать, если сравнить его излучение с излучением абсолютно черного тела. Температура, при которой спектр излучения абсолютно черного тела соответствует излучению исследуемого источника света и называется цветовой температурой данного источника.

Цветовая температура отображается линией черного тела и с повышением температуры доля синей составляющей в спектре увеличивается, а красной уменьшается, спектр становится «холоднее».

Разные лампы имеют разные цветовые температуры. Так, например, лампа накаливания белого цвета имеет цветовую температуру около 2700К, люминесцентная 6000К, а светодиоды, как правило, могут иметь 3 стандартных оттенка белого света соответствующие 2700К (теплый оттенок), 4200К (нейтральный оттенок), 6400К (холодный оттенок).

Цветовая температура измеряется в Кельвинах (К).

Цветопередача.

Цветопередача характеризует насколько естественными и натуральными будут выглядеть цвета и предметы, освещенные тем или иным источником света. Величина этого параметра определяется общим индексом цветопередачи (Ra). Индекс цветопередачи может колебаться в пределах от 0 до 100. Для того, чтобы определить индекс цветопередачи исследуемой лампой освещаются 8 эталонных цветов. После этого эти же цвета освещаются при помощи стандартной лампы, которая должна иметь ту же цветовую температуру, что и исследуемый источник света. При этом измеряется насколько сдвигается цвет при освещении исследуемой лампой каждого из эталонных цветов. Индекс цветопередачи определяется как среднее значение для всех 8 цветов. Показатель Ra=100 соответствует полному отсутствию цветового сдвига.

В общем случае источник света должен иметь как можно более высокий коэффициент Ra. Это обеспечивает максимально естественное освещение.

Источник