Дата: 04.01.15                              Клас: 7                              Предмет: фізика

Урок №17

Тема: Фотометрія. Світловий потік. Сила світла. Освітленість.

Мета уроку:

навчальна: сформувати основні поняття фотометрії: Світлового потоку, сили світла, освітленості; вивчити позначення та одиниці вимірювання цих величин; формувати фізичне мислення, вміння і навички  обчислювати ці величини;

розвивальна: розвивати в учнів політехнічний кругозір, застосовувати теоретичні положення для пізнання дійсності, мислення, творчі здібності учнів;

виховна: виховувати спостережливість, наполегливість, старанність, дисципліну праці.

Обладнання: електричні лампочки різної потужності, ліхтарик, лазерна указка.

Структура уроку

І. Організаційний етап.

Привітання. Відмічання відсутніх. Створення хорошого настрою учнів для продуктивної роботи. Перевіряємо чи готовий клас та учні до уроку (підручники, зошити, щоденники, ручки, транспортири, олівці на парті).

ІІ. Етап перевірки домашнього завдання.

Вправа 2 с.118

а) полум’я свічки, Сонце, зорі, Земля,  полум’я вогнища. Зайве слово Земля, оскільки Земля не є джерелом світла, а всі інші тіла є джерелами світла.

б) екран увімкненого комп’ютера, блискавка, лампа розжарювання, полум’я свічки. Зайве слово – блискавка, оскільки це природне джерело світла, а всі інші штучні джерела світла.

в) лампа денного світла, полум’я газового пальника, дорожні знаки, світлячки. Зайве слово – світлячки, оскільки це природне джерело світла, а всі інші – штучні джерела світла.

Дано:                                                                  Розв’язування задачі

с=300000 км/с                                                                   S = ct                               

 t= 1рік                                                         t= 1рік= 365•24•3600 =31536000 с        

                                                                    S =300000 км/с•31536000 с=94608•10⁸ км                                                                  

S - ?

Відповідь: за рік світло подолає відстань 94608•10⁸  км.

ІІІ. Етап всебічної перевірки знань.

Самостійна робота у вигляді фізичного диктанту. Десять запитань різної складності.

1.Тіла, які випромінюють світло називають…джерелами світла.

2. Залежно від температури джерела світла поділяють на…теплові та люмінесцентні.

3. Залежно від співвідношення розміру джерела світла і відстані від нього до приймача світла розрізняють…точкові та протяжні джерела світла.

4. Пристрої, за допомогою яких можна виявити світлове випромінювання, називають…приймачами світла.

5. Джерела світла, що мають високу температуру називають…тепловими.

6. Швидкість світла у вакуумі рівна…300000 км/с.

7. Який термін зайвий? Екран увімкненого комп’ютера, блискавка, лампа розжарювання, полум’я свічки.  Блискавка.

8. Які джерела світла називають штучними?  Створені людиною.

9. Назвіть шість приймачів світла. Фотодіод, фотоплівка, фотопапір, очі, листя,сонячні батареї.

10. Наведіть приклад штучного люмінесцентного протяжного джерела світла. Великогабаритний освітлювач в операційній.

ІV. Етап підготовки учнів до активного засвоєння знань.

Створення проблемної ситуації.

Демонстрація дослідів. 1) Учень почергово вмикає лампи розжарювання різної потужності; 2) Учень вмикає фонарик і направляє світловий потік на чорний екран, потім наближає його до екрана та віддаляє;  3) Учень з включеним фонариком повертається навколо осі.

Цікаві розповіді вчителя. Під час штурму Берліна в нічний час були використані потужні прожектори,  які засліплювали ворогів і водночас освітлювали шлях нашим військам.

 Цікаві повідомлення учнів.

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. Щоб розібратись у всіх цих питаннях, потрібно вивчити основні характеристики світла.

V. Етап засвоєння нових знань.

Розділ фізики, який вивчає способи вимірювання «кількості світла», називають фотометрією.

Фотометрія – розділ оптики, у якому розглядаються енергетичні характеристики світла в процесах його випромінювання, поширення та взаємодії із середовищем.

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.

У фотометрії використовуються наступні величини:

енергетичні - характеризують енергетичні параметри оптичного випромінювання безвідносно до його дії на приймач випромінювання;

світлові - характеризують дії світла й оцінюються по впливу на око (виходячи з так званої середньої чутливості ока) або інші приймачі випромінювання.

Для розрахунків освітлення існує чотири основні фактори, що характеризують кількість світла: світловий потік, сила світла, яскравість і освітленість.

Світловий потік – це фізична величина, яка чисельно дорівнює кількості оцінюваної за зоровим відчуттям світлової енергії, що падає на поверхню за одиницю часу.

Позначають світловий потік буквою Ф. Обчислюють за формулою:

Ф=W/t  (1),    де W -  оцінювана за зоровим відчуттям світлова енергія, що падає на певну поверхню, t- час падіння світлової енергії. 

Одиниця виміру в СІ: люмен (лм)

Світловий потік типових джерел дивись в підручнику с.121

Основною характеристикою джерела світла є так звана сила світ­ла. Цю фізичну величину позначають І, одиницею сили світла є кан­дела (кд).

Фізична величина, що характеризує світіння джерела світла в певному напрямку, називається силою світла.

Обчислюють за формулою:                                                       І=Ф/4π   (2)

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 Е , вимірюють у люксах (лк). Ця ве­личина показує, скільки світла потрапляє на одиницю площі по­верхні.

Фізична величина, яка чисельно дорівнює світловому потоку, що падає на одиницю освітленої поверхні, називається освітленістю.

Освітленість обчислюють за формулою:                                   Е=Ф/S (3), 

де S – площа поверхні на яку падає світловий потік.

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 від­стань 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 З² = 9 разів. Таким чином, освітленість обернено пропорційна до квадрата відстані від джерела світла.

Е=І/R² (4)

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

Цікаві розповіді учнів. Учень1.

Закони фотометрії дозволяють пояснити багато відомих нам явищ. Наприклад, легко зрозуміти, чому на поверхні близьких до 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 хо­лодна 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».

Учень 2. 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 памп, колір стін тощо. Слід уникати попадання до очей СИЛЬНОГО прямого світла, дуже різкого контрасту між сусід­німи поверхнями.

VІ. Етап закріплення нових знань.

Перегляд презентації: Фотометрія. Світловий потік і сила світла.

Відповіді на контрольні запитання §18,19.

Вправа «Знайди відповідність»  На дошці записуються в один стовпчик фізичні величини, а в інший одиниці вимірювання. Їх потрібно сполучити стрілками. Цю вправу можна модифікувати та ускладнювати, наприклад записувати більше одиниць ніж потрібно, або навпаки деякі одиниці пропускати.

Вправа 4 с.126

Дано:                                              Розв’язування задачі

Е=100000 лк                                      Е=Ф/S;      Ф=S• Е

 S= 100 см²                               Ф=100000 лк•100 см²=100000 лк•0,01м²=10³ лм                                                        

Ф - ?

Відповідь: на ділянку падає світловий потік 10³ лм                                                        

VІІ. Етап інформації учнів про домашнє завдання й інструктаж з його виконання.

Вивчити §18,19. Повторити §2.  Вправа 1 с.122, вправа 1,2 с.126. Експериментальні завдання (за бажанням). Підготовка цікавих дослідів, повідомлень, презентацій (за бажанням) Домашні завдання диференційовані.