Що означає інтенсивність світла. Щільність енергії та інтенсивність електромагнітної хвилі

Світло грає величезну роль у інтер'єрі, а й у нашому житті загалом. Адже від правильної освітленості приміщення залежить ефективність роботи, а також наше психологічний стан. Світло дає людині можливість не лише бачити, а й оцінювати кольори та форми навколишніх предметів.

Звичайно, для людських очей найбільш комфортний природне світло. При такому освітленні все видно добре і без спотворень кольорів. Але не завжди природне освітлення є, у темний час доби, наприклад, доводиться обходитися штучними джереламисвітла.

Щоб очі не напружувалися і не псувався зір, необхідно створити оптимальні умовисвітла та тіні, створюючи максимально комфортне освітлення.

Для очей найприємніше освітлення - природне

Висвітлення, так само як і багато інших факторів, оцінюється за кількісними та якісними параметрами. Кількісні характеристикивизначаються інтенсивністю світла, а якісні – його спектральним складомта розподілом у просторі.

Як і у чому вимірюється інтенсивність світла?

У світла є безліч характеристик і на кожну існує своя одиниця виміру:

• Сила світла характеризує величину світлової енергії, що переноситься за визначений часу якийсь напрям. Вона вимірюється в канделах (кд), 1 кд приблизно дорівнює силі світла, яке випромінює одна свічка, що горить;
• Яскравість також вимірюється в канделах, крім цього існують такі одиниці виміру, як стильб, апостильб і ламберт;
• Освітленість – це відношення світлового потоку, який падає на певну ділянкудо його поверхні. Вимірюється вона у люксах.

Саме освітленість є важливим показникомдля правильної роботизору. Для того, щоб визначити цю величину, використовується спеціальний прилад для вимірювання. Називається він люксометр.

Люксометр – це прилад для виміру освітленості.

Складається даний прилад із приймача світла та вимірювальної частини, вона буває стрілочного типу або електронного. Приймач світла – це фотоелемент, який перетворює світлову хвилюв електричний сигналі спрямовує у вимірювальну частину. Цей пристрій є фотометром і має задану спектральну чутливість. З його допомогою можна виміряти не лише видиме світло, але і інфрачервоне випромінюванняі т.д.

Цей прилад використовується як у виробничих приміщеннях, так і в навчальних закладах, а також вдома. Для кожного виду діяльності та занять існують свої норми того, якою має бути інтенсивність світла.

Комфортна інтенсивність освітлення

Зоровий комфорт залежить від багатьох факторів. Безумовно, найприємнішим для людського окає сонячне світло. Але сучасний ритм життя диктує свої правила, і дуже часто доводиться працювати чи просто перебувати при штучному висвітленні.

Виробники освітлювальних приладів і ламп намагаються створювати такі джерела світла, які б відповідали особливостям зорового сприйняттялюдей і створювали б максимально комфортне за інтенсивністю світло.

Світло від лампи розжарювання найточніше передає природні відтінки.

У звичайних лампах розжарювання як джерело освітлення використовується розжарена пружина, а тому, це світло найбільше схоже на природне.

Лампи поділяють на такі категорії за типом світла, яке вони дають:

• тепле світло, Що має червоні відтінки, він добре підходить для домашньої обстановки;
• нейтральне світло, біле, використовується для освітлення робочих місць;
• холодне світло, блакитне, призначене для місць, де виконуються роботи високої точності або для місць із жарким кліматом.

Важливо не тільки те, до якого типу відносяться лампи, а й конструкція самого світильника або люстри: скільки лампочок вкручується туди, куди спрямоване світло, закриті або відкриті плафони - всі ці особливості потрібно враховувати при виборі освітлювального приладу.

Норми освітленості зафіксовані у кількох документах, найголовніші це: СНиП (будівельні норми та правила) та СанПіН (санітарні правила та норми). Існують також МГСН (Московські міські будівельні норми), а також свій збір правил для кожного регіону.

Саме на основі всіх цих документів і приймається рішення про те, якою має бути інтенсивність висвітлення.

Безперечно, замислюючись про те, яку люстру повісити у вітальню, спальню або кухню, ніхто не заміряє інтенсивність освітлення за допомогою люксометра. Однак, знати у загальних рисахяке світло буде комфортніше для очей, дуже корисно.

У Таблиці 1 наведено норми освітленості для житлових приміщень:

Таблиця 1

У Таблиці 2 наведено норми освітленості для офісів

У домашніх умовах, без спеціального обладнанняважко виміряти освітлення в приміщеннях, тому для того щоб зрозуміти, яку лампу вибрати, варто звернути увагу на колір (холодний, нейтральний або теплий) і кількість Ватт. У приміщеннях для відпочинку краще використовувати не надто яскраві, а в робочих кабінетах – з інтенсивнішим світлом.

Оскільки для очей найбільш приємно природне освітлення, то перевага в домашній обстановціварто віддавати лампам, що дає тепле світло. Коли ми приходимо додому, очам обов'язково потрібний відпочинок після напруженого робочого дня. Правильно підібрані за яскравістю лампи для люстр і світильників допоможуть створити освітлення, що підходить за інтенсивністю.

Інтенсивність- скалярна фізична величина, кількісно характеризує потужність, що переноситься хвилею у напрямі поширення Чисельно інтенсивність дорівнює усередненої за період коливань хвилі потужності випромінювання, що проходить через одиничний майданчик, розташований перпендикулярно до напряму поширення енергії. У математичної формице може бути виражено наступним чином:

де – період хвилі, – потужність, що переноситься хвилею через майданчик.

Інтенсивність хвилі пов'язана з середньою щільністюенергії у хвилі та швидкістю поширення хвилі наступним співвідношенням:

Одиницею вимірювання інтенсивності у Міжнародній системі одиниць (СІ) є Вт/м², у системі СГС - ерг/с·см².

Об'ємна щільність енергії електро магнітного поляу лінійному ізотропному середовищі, як відомо з електродинаміки, дається виразом (ми врахували тут також зв'язок між векторами Еі Нв електромагнітній хвилі):

Вектор щільність потоку енергії електромагнітної хвилі(те, що теоретично пружних хвиль називається вектором Умова) називається вектором Умова-Пойнтинга, чи частіше просто вектором Пойнтінга Р :

Модуль середнього значення вектора Пойнтінга називається інтенсивністюелектромагнітної хвилі:

У разі синусоїдальної монохроматичної плоскої (коли площини коливань векторів Еі Нне змінюються з часом) електромагнітної хвилі, що поширюється у напрямку х:

для інтенсивності виходить:

Слід звернути увагу, що інтенсивність електромагнітної хвилі залежить від амплітуди (або електричного або магнітного поля; вони пов'язані), але не залежить від частоти хвилі - на відміну від інтенсивності пружних механічних хвиль.

Концепція когерентність.

У фізиці когерентністю називається скоррелированность (узгодженість) кількох коливальних чи хвильових процесів у часі, що виявляється за її складання. Коливання когерентні, якщо різниця їх фаз постійна у часі, і при складанні коливань виходить коливання тієї самої частоти.

Класичний прикладдвох когерентних коливань - це два синусоїдальні коливання однакової частоти.

Когерентність хвилі означає, що у різних просторових точках хвилі осциляції відбуваються синхронно, тобто різниця фаз між двома точками залежить від часу. Відсутність когерентності, отже – ситуація, коли різниця фаз між двома точками не постійна, а змінюється з часом. Така ситуація може мати місце, якщо хвиля була згенерована не єдиним випромінювачем, а сукупністю однакових, але незалежних (тобто нескорельованих) випромінювачів.

Вивчення когерентності світлових хвиль призводить до понять тимчасової та просторової когерентності. При поширенні електромагнітних хвиль у хвилеводах можуть мати місце фазові сингулярності. У разі хвиль на воді когерентність хвилі визначає так звана друга періодичність.

Без когерентності неможливо спостерігати таке явище як інтерференція.

Інтерференція хвиль- взаємне збільшення чи зменшення результуючої амплітуди двох чи кількох когерентних хвиль за її накладення друг на друга. Супроводжується чергуванням максимумів (пучностей) та мінімумів (вузлів) інтенсивності у просторі. Результат інтерференції (інтерференційна картина) залежить від різниці фаз хвиль, що накладаються.

Інтерферувати можуть усі хвилі, проте стійка інтерференційна картина спостерігатиметься лише в тому випадку, якщо хвилі мають однакову частоту і коливання в них не ортогональні. Інтерференція може бути стаціонарною та нестаціонарною. Стаціонарну інтерференційну картину можуть давати лише повністю когерентні хвилі. Наприклад, дві сферичні хвилі на поверхні води, що поширюються від двох когерентних точкових джерел, при інтерференції дадуть результуючу хвилю, фронтом якої буде сфера.

При інтерференції енергія хвиль перерозподіляється у просторі. Це не суперечить закону збереження енергії тому, що в середньому для великий областіпростору, енергія результуючої хвилі дорівнює сумі енергій хвиль, що інтерферують.

При накладенні некогерентних хвиль середня величинаквадрата амплітуди (тобто інтенсивність результуючої хвилі) дорівнює сумі квадратів амплітуд (інтенсивностей) хвиль, що накладаються. Енергія результуючих коливань кожної точки середовища дорівнює сумі енергій її коливань, обумовлених усіма некогерентними хвилями окремо. Саме відмінність результуючої інтенсивності хвильового процесу від суми інтенсивностей його складових і є ознакою інтерференції.

Встановимо залежність між зміщенням x частинок середовища, що беруть участь у хвильовому процесі, і відстанню у цих частинок від джерела коливань Про для будь-якого моменту часу Для більшої наочності розглянемо поперечну хвилю, хоча всі наступні міркування

будуть вірні і для поздовжньої хвилі. Нехай коливання джерела є гармонійними (див. § 27):

де А – амплітуда, кругова частота коливань. Тоді всі частинки середовища теж прийдуть у гармонійне коливання з такою самою частотою та амплітудою, але з різними фазами. У середовищі виникає синусоїдальна хвиля, зображена на рис. 58.

Графік хвилі (рис. 58) зовні схожий графік гармонійного коливання (рис. 46), але сутнісно вони різні. Графік коливання представляє залежність усунення цієї частки від часу. Графік хвилі представляє залежність усунення всіх частинок середовища від відстані до джерела коливань в Наразічасу. Він є як би миттєвою фотографією хвилі.

Розглянемо деяку частинку С, що знаходиться на відстані від джерела коливань (частки О). Очевидно, що якщо частка Про коливається вже то частка С коливається ще де час поширення коливань від до С, тобто час, за яке хвиля пройшла шлях у. Тоді рівняння коливання частки С слід написати так:

Але де швидкість поширення хвилі. Тоді

Співвідношення (23), що дозволяє визначити зміщення будь-якої точки хвилі у будь-який момент часу, називається рівнянням хвилі. Вводячи на розгляд довжину хвилі X як відстань між двома найближчими точками хвилі, що знаходяться в однаковій фазі, наприклад між двома сусідніми гребенями хвилі, можна надати рівняння хвилі інший вид. Очевидно, що довжина хвилі дорівнює відстані, на яку поширюється коливання за період зі швидкістю

де частота хвилі. Тоді, підставляючи в рівняння та враховуючи, що отримаємо інші форми рівняння хвилі:

Оскільки проходження хвиль супроводжується коливанням частинок середовища, разом із хвилею переміщається у просторі й енергія коливань. Енергія, що переноситься хвилею за одиницю часу через одиницю площі, перпендикулярної до променя, називається інтенсивністю хвилі (або щільністю потоку енергії). Отримаємо вираз для інтенсивності хвилі

Хвильовий процес пов'язаний із поширенням енергії (Е)в просторі. Кількісною енергетичною характеристикою цього процесу є потік енергії (Ф) - відношення енергії, перенесеної хвилею через деяку поверхню, до часу (t), за який це перенесення відбувається. Якщо перенесення енергії здійснюється рівномірно, то: Ф = Е/t, а для загального випадкупотік представляє похідну від енергії за часом - Ф = d Е / d t. Одиниця виміру потоку енергії збігається з одиницею потужності Дж/с = Вт.

Інтенсивність хвилі (або щільність потоку енергії) (I)-відношення потоку енергії до площі (S) поверхні, розташованої перпендикулярно напрямку поширення хвилі. Для рівномірного розподілуенергії по поверхні, якою проходить хвиля I = Ф/S, а загальному випадку - I = dФ/dS. Вимірюється інтенсивність у Вт/м 2 .

Зазначимо, що інтенсивність є тим фізичним параметром, який на первинному рівні визначає ступінь фізіологічного відчуття, що виникає під дією хвильового процесу (наприклад, звук або світло).

Представимо у вигляді паралелепіпеда завдовжки lділянку середовища, в якому поширюється хвиля. Площа грані паралелепіпеда, яка перепендикулярна до напрямку швидкості хвилі v, позначимо через S(Див.рис.9) . Введемо об'ємну щільність енергії коливального руху w,що становить кількість енергії в одиниці об'єму:
w = Е / V. За час tчерез майданчик Sпройде енергія, рівна добуткувеличини обсягу V = l S = v t Sна об'ємну щільність енергії:

Е = w v t S.(25)

Розділивши ліву та праву частини формули (25) на час і площу, отримаємо вираз, що зв'язує інтенсивність хвилі та швидкість її поширення. Вектор , модуль якого дорівнює інтенсивностіхвилі, а напрямок збігається з напрямком її поширення зветься вектора Умова :

Формулу (26) можна подати в дещо іншому вигляді. Враховуючи, що енергія гармонійних коливань(див. Формулу (7)) і висловивши масу mчерез щільність речовини rта обсяг V, для об'ємної щільностіенергії отримаємо: w =. Тоді формула (26) набуває вигляду:

. (27)

Отже інтенсивність пружної хвилі, що визначається вектором Умова, прямо пропорційна швидкості її розповсюдження, квадрату амплітуди коливань частинок та квадрату частоти коливань.

Хвильовий процес пов'язаний із поширенням енерії (Е)в просторі. Кількісною енергетичною характеристикою цього процесу є потік енергії(Ф) -відношення енергії, перенесеної хвилею через деяку поверхню, часу (t),за яке це перенесення відбувається. Якщо перенесення енергії здійснюється рівномірно, то: Ф = Е/t, а загального випадку потік представляє похідну від енергії за часом - Ф = d Е / d t. Одиниця виміру потоку енергії збігається з одиницею потужності Дж/с = Вт.

Інтенсивність хвилі (або щільність потоку енергії) (I) -відношення потокуенергії до площі (S) поверхні, розташованої перпендикулярно напрямку поширення хвилі. Для рівномірного розподілу енергії поверхнею, якою проходить хвиля: I =Ф/S, а загальному випадку - I = dФ/dS. Вимірюється інтенсивність у Вт/м 2 .

Зазначимо, що інтенсивність є тим фізичним параметром, який на первинному рівні визначає ступінь фізіологічного відчуття, яке виникає під дією хвильового процесу (наприклад, звук або світло).

Представимо у вигляді паралелепіпеда завдовжки lділянку середовища, в якому поширюється хвиля. Площа грані паралелепіпеда, яка перепендикулярна до напрямку швидкості хвилі. v , позначимо через S(Див.рис.9) . Введемо об'ємну щільність енергії коливального руху w , що становить кількість енергії в одиниці об'єму: w = Е /V . За час tчерез майданчик Sпройде енергія, що дорівнює добутку величини обсягу V = l S =v t Sна об'ємну щільність енергії:

Е =w v t S.(25)

Розділивши ліву та праву частини формули (25) на час і площу, отримаємо вираз, що зв'язує інтенсивність хвилі та швидкість її поширення. Вектор , модуль якого дорівнює інтенсивності хвилі, а напрямок збігається з напрямком її поширення зветься вектор Умова:

. (26)

Формулу (26) можна подати в дещо іншому вигляді. Враховуючи, що енергія гармонійних коливань (див. формулу (7))
і висловивши масу mчерез щільність речовини  та обсяг V для об'ємної щільності енергії отримаємо: w =
. Тоді формула (26) набуває вигляду:

. (27)

Отже інтенсивність пружної хвилі, яка визначається вектором Умова, прямо пропорційна швидкості її розповсюдження, квадрату амплітуди коливань частинок та квадрату частоти коливань.

8. Ефект Доплера

Ефект Доплера полягає у зміні частоти хвиль, що сприймаються деяким приймачем (спостерігачем) залежно від відносної швидкостіруху джерела хвиль та спостерігача.

Коли джерело та приймач нерухомі (рис.10.а), то, природно, частота хвиль, що реєструються деяким приймачем, збігається з частотою хвиль, що випускаються джерелом:  іст =  пр . Якщо джерело наближається до нерухомого приймача з деякою швидкістю v іст, то його рух викликає "стиснення" хвилі - відстань між гребенями хвиль зменшуються - зменшується період і довжина хвилі  пр, що реєструється приймачем. Відбувається збільшення частоти хвильового процесу, що сприймається:  пр > іст(Див. рис.10.б).

Для цього випадку кількісний зв'язок між частотою хвиль, що випромінюються, швидкістю руху джерела і частотою, що реєструється нерухомим приймальним пристроєм, можна встановити з наступних міркувань.

Довжина хвилі, що сприймається приймачем:

 пр = (v в - v іст ) T іст , (28)

де v в - швидкість поширення хвиль щодо нерухомого джерела, T іст- Період цих хвиль. Таким чином, для джерела, що наближається до приймача, довжина хвилі скорочується. Частота, що сприймається, збільшується:

 пр =
або  пр =
 іст . (29)

При віддаленні джерела від приймача (рис.10.в):

 пр =
 іст . (30)

Для загального випадку, коли рухаються джерело та приймач:

 пр =
 іст (31)

Знак "плюс" у чисельнику формули (30) і "мінус" у її знаменнику відповідають зближенню джерела та приймача, а зворотні знаки - їх взаємному видаленню.