“光照度平方反比定律”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

張 靜

摘要:本文利用光度學(xué)的有關(guān)知識(shí),設(shè)計(jì)了一個(gè)檢驗(yàn)光照度的距離平方反比定律的實(shí)驗(yàn)。通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生進(jìn)一步理解光通量、發(fā)光強(qiáng)度、光照度的概念,以及學(xué)會(huì)用Matlab軟件描點(diǎn)畫圖和分析曲線關(guān)系。

關(guān)鍵詞:光照度;平方反比定律;實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào):G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1003-6148(2009)7(S)-0075-3

我們所熟悉的萬有引力作用和電磁相互作用都遵循距離的平方反比定律,平方反比定律假定的基礎(chǔ)是空間的均勻性和各向同性。因此諸如光的照度、水的噴灑、均勻固體中熱的傳導(dǎo)等自然現(xiàn)象都服從平方反比關(guān)系。本文就是通過一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證光照度的平方反比定律,該定律不僅可以幫助我們解釋為何在眾多恒星的包圍下依然會(huì)有黑夜,而且可以理解天文學(xué)家如何用該定律來測(cè)量遠(yuǎn)距離的物體,甚至遙遠(yuǎn)星系。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?

理解光通量、發(fā)光強(qiáng)度、光照度的概念,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證點(diǎn)光源的光照度滿足距離平方反比定律,并能夠用該定律測(cè)量距離。

2 實(shí)驗(yàn)原理

光的傳播就是能量傳播的過程。單位時(shí)間內(nèi)通過光源表面或接收面上某一面元的各種波長(zhǎng)的總電磁輻射能稱為通過該面元的輻射通量。

而光通量是指人眼所能感受到的輻射通量,光通量的多少就應(yīng)以單位時(shí)間內(nèi)通過某一界面的光能量的多少來衡量。

為了表征點(diǎn)光源發(fā)出的光通量的空間分布,我們定義點(diǎn)光源在某方向上單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量為該方向的發(fā)光強(qiáng)度。如圖1所示,以r為軸取一立體角元dΩ,設(shè)dΩ內(nèi)的光通量為dF,則沿r方向的發(fā)光強(qiáng)度為: