Измерение коэффициентов пропускания образцов

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №20

 

ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ СВЕТОПРОПУСКАНИЯ, ОТРАЖЕНИЯ, ЯРКОСТИ И БЛЕСКА РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

Цель работы: ознакомиться с принципом работы фотоэлектрических приборов и научиться определять коэффициенты пропускания, отражения, яркости и блеска различных материалов.

Приборы и принадлежности: фотометр ФМ-58, источник питания, набор образцов, набор приспособлений.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

При падении световой волны на границу раздела двух прозрачных сред часть света отражается, часть проходит во вторую среду, а часть поглощается. Явления отражения, поглощения и пропускания света характеризуются с помощью соответствующих коэффициентов.

Коэффициенты отражения , поглощения и пропускания определяются как отношения интенсивностей соответственно отраженного J_R, поглощенного J_k, прошедшего J_t света к интенсивности падающего света J₀, то есть

; ; (20.1)

На основании закона сохранения энергии можно записать

(20.2)

Решая совместно уравнения (20.1) и (20.2), получим

(20.3)

то есть сумма коэффициентов отражения, поглощения и пропускания равна 1.

Если поглощение мало, то k можно принять равным 0, тогда . Наоборот, если тело непрозрачно, то t=0 и тогда

Идеально белым телом называется такое тело, у которого коэффициент отражения R равен 1. Поэтому R характеризует степень белизны, а величина характеризует степень черноты тела.

Френель предложил естественную световую волну разложить на две составляющие: Р и S, у которых вектор напряженности электрического поля совершает колебания соответственно в плоскости падения волны Р, и в плоскости, перпендикулярной к плоскости падения волны S. Применяя граничные условия (равенство тангенциальных составляющих вектора для падающей, отраженной и преломленной волны) к волне, падающей на границу раздела двух прозрачных сред, он вычислил значение вектора для Р и S составляющих отраженных и преломленных волн:

(20.4)

где – угол падения, γ – угол преломления, , – амплитудное значение Р и S составляющих вектора падающей волны.

Формулы (20.4) получили название формул Френеля. Учитывая, что интенсивность света равна

(20.5)

можно, используя выражение (20.4), найти интенсивность отражённой и преломленной волн через соответствующие коэффициенты R и T.

Коэффициент отражения неразрывно связан с коэффициентом яркости В. Коэффициентом яркости поверхности называют отношение яркости светорассеивающей поверхности к яркости «идеального рассеивателя», находящегося в тех же условиях освещения.

За «идеальный рассеиватель» принимают поверхность, отражающую весь падающий на неё световой поток. В качестве такого «идеального рассеивателя» обычно берут баритовую пластинку. Близок к ней по отражению лист ватмановской бумаги.

В том случае, когда измеряемый образец и баритовая пластинка имеют одинаковые рассеивающие свойства, коэффициент отражения образца определяется из выражения

(20.6)

где R – коэффициент отражения образца, В – отношение коэффициента яркости образца к яркости баритовой пластинки, R_n – коэффициент отражения баритовой пластинки.

Блеск испытуемой поверхности характеризуется коэффициентом , который равен отношению коэффициентов яркости образца при углах и 0⁰ , то есть

(20.7)

где – коэффициент яркости образца при наклоне на угол ; В₀ – коэффициент яркости образца при угле 0⁰; Р – поправка, учитывающая изменение яркости испытуемого образца, происходящее при углах от 0⁰ до 45⁰ ,

(20.8)

При работе на фотометрах отношение коэффициентов яркости образца при углах и 0⁰ можно связать с отсчётами по правому барабану прибора при углах и 0⁰.

Тогда формула (20.7) примет вид:

(20.9)

где 100 – отсчёт по правому барабану при угле 0⁰; - средний отсчёт по правому барабану при угле наклона образца .

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

В данной работе измерение отражения света твердыми телами выполняется с помощью универсального фотометра ФМ-58 (рис. 20.1).

 

Рис. 20.1.

 

Фотометр ФМ-58 состоит из следующих узлов: фотометрической головки 4, револьверного диска 5 с одиннадцатью светофильтрами, штатива 8, предметного столика 9, который может перемещаться вверх и вниз при помощи кремальеры 10, плоского зеркала, помещенного на держатель 11, осветителя 2 с двумя конденсорами 1.

В основу устройства и работы прибора положен принцип уравнивания двух световых потоков путем изменения одного из них с помощью диафрагмы с переменным отверстием.

Два параллельных световых пучка, выходящих из осветителя, отразившись от зеркала, попадают в окуляр 6, пройдя через диафрагмы фотометрической головки. Степень раскрытия диафрагмы регулируется поворотом барабанов 7, имеющих черную и красную шкалы. По черной шкале измеряют коэффициент отражения и пропускания, по красной – оптическую плотность вещества. При этом пучок света от левого конденсора освещает правую половину поля зрения в окуляре, а пучок света от правого конденсора освещает левую половину поля зрения.

На пути световых пучков помещают по мере надобности светофильтры, номера которых видны в прорези револьверного диска.

В окуляре наблюдается поле зрения в форме круга, разделенного линией на две половины. При условии, что обе диафрагмы одинаково освещены и в одинаковой мере раскрыты, яркость обеих половин поля зрения будет также одинаковой.

Если на пути одного светового пучка поместить пластинку из какого-либо вещества, частично поглощающего свет, фотометрическое равновесие нарушится. Одна половина поля зрения станет темнее. Чтобы уравнять поля, необходимо уменьшить яркость поля того пучка, куда не внесено вещество. Это осуществляется изменением отверстия диафрагмы путем вращения одного из барабанов 7.

Черная шкала показывает в процентах отношение площади отверстия диафрагмы при данном ее раскрытии к площади ее максимального раскрытия. Так как световой поток равномерного пучка света пропорционален площади раскрытия диафрагмы, то показания черной шкалы дают непосредственно коэффициент отражения для данного тела в процентах, то есть отношение светового потока, отраженного от образца, к световому потоку, падающему на него.

Красная шкала барабана соответствует оптической плотности образца. Обозначают ее через D.

Отсчет по барабанам производится при помощи визира 3.

В револьверном диске 5 установлены светофильтры № 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11, соответствующие длинам волн 400, 440, 490, 540, 582, 610, синий, зеленый, оранжевый, 665, 726 нм, 12-свободное отверстие.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

Включают через трансформатор в сеть лампу осветителя. Путем поворота зеркала 11 направляют световой поток на диафрагмы прибора.

 

УПРАЖНЕНИЕ I

Измерение коэффициентов пропускания образцов

1. В правый пучок на предметный столик прибора помещают исследуемый образец. Устанавливают правый барабан на деление 100 (по черной шкале).

2. Вращая левый барабан, добиваются фотометрического равновесия.

3. После этого образец вынимают, и нарушенное положение фотометрического равновесия восстанавливают путем поворота правого барабана. Средний отсчет из нескольких, взятых по черной шкале правого барабана, дает коэффициент пропускания правого образца.

4. Вводят на пути световых пучков светофильтры № 1-11 и определяют коэффициент пропускания образца для различных длин волн.

5. Аналогичные измерения производят и для другого образца.

6. Строят графики зависимости коэффициентов пропускания t от длины волны l и делают выводы.

УПРАЖНЕНИЕ II

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: