Слайд 1Лекция 3.
3. Архитектурная светотехника.
3.1 Законы геометрической оптики
Основу геометрической оптики
образуют 4 закона:
1.Закон прямолинейного распространения - в однородной среде свет
распространяется прямолинейно.
2. Закон независимости световых лучей -лучи при пересечении не возмущают друг друга. пересечение лучей не мешает каждому распространяться (при малой интенсивности света).
Слайд 23-ий закон - закон отражения
- отраженный луч лежит в
одной плоскости с падающим лучом и нормалью, восстановленной в точке
падения, угол отражения равен углу падения
Отражением света называют изменение направления световых лучей при падении на границу раздела двух сред, в результате чего свет распространяется обратно в первую среду.
Слайд 3Угол падения -угол между направлением падающего луча и перпендикуляром к границе
раздела двух сред, восстановленным в точке падения
Угол отражения- угол β между этим перпендикуляром
и направлением отраженного луча.
4. Закон преломления света – преломленный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью, восстановленной в точке падения. Отношение sin угла падения α к sin угла преломления-β величина постоянная. для данных веществ и называется относительным показателем преломления двух соприкасающихся сред n12.
Слайд 43.2 Физическая природа, законы и характеристики света и цвета.
Свет –
электромагнитное излучение оптической области спектра, которое вызывает биологические, зрительные реакции.
Цвет — особенность зрительного восприятия, позволяющая наблюдателю распознавать цветовые излучения, различающиеся по спектральному составу.
Световая среда — совокупность ультрафиолетовых, видимых и инфракрасных излучений, генерируемых источниками естественного и искусственного света.
Слайд 5Свет имеет двойственную природу, обладая свойствами волны и частицы
. Корпускулы
света, называемые фотонами, излучаются источником света в виде волн, распространяющихся
с постоянной скоростью порядка 300000 км/с.
Волна - изменение некоторой совокупности физических величин, которое способно перемещаться, удаляясь от места их возникновения, или колебаться внутри ограниченных областей пространства.
Слайд 6Длина волны λ - расстояние между двумя гребнями (единица измерения
в системе СИ — метры) или расстояние, которое проходит волна
за время равное периоду Т
λ = V.T,
где V - скорость света в какой-то среде.
Разные длины электромагнитной волны воспринимаются нами как разные цвета: свет с большой длиной волны будет красным, а с маленькой — синим или фиолетовым. Белый цвет содержит все длины волн.
Слайд 7Ско́рость све́та в вакууме С = 300 000км/ является предельной
скоростью.
Частота n – число колебанийN в единицу времени
n =N/t
Единица измерения частоты в системе Си Гц=1с-1
n =1/Т
Электромагнитное излучение принято делить по частотным диапазонам.
Видимый свет – это электромагнитные волны с длиной волны от 770 до 380нм (1нанометр – 10–9 м). Кроме видимого света в оптическую область входят ультрафиолетовое излучение (длины волн от 10 до 380 нм) и инфракрасное (тепловое) излучение (от 770 до 340 000 нм).
Слайд 8Монохроматический свет – излучение с очень узкой областью длин волн
( одной длины волны).
Спектр – разложение сложного излучения на монохроматические
волны. Типичный пример спектра - радуга.
Видимое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение составляет так называемую оптическую область спектра
Монохроматическое излучение, действуя на глаз с различной длиной волны образует цвет.
Слайд 9
Квантовая природа и свойства света:
Квант – это порция света (порция
электромагнитной волны).
Фотон – частица света. Энергия кванта света:
E=hc/ λ – энергия фотона электромагнитного излучения.
Квантовую природу света подтверждает в частности явление фотоэффекта
Фотоэффект —явление испускания электронов веществом под действием света.
Слайд 10Волновую природу света подтверждают следующие явления
Интерференция света - пространственное перераспределение энергии
светового излучения при наложении двух или нескольких световых волн, в
результате чего в одних местах возникают максимумы (светлые пятна), а в других минимумы (темные пятна) интенсивности света.
Слайд 11Интерференция света объясняет:
просветление оптики;
радужную окраску пленок (окраску мыльных пузырей, тонкую
пленку масла на поверхности лужи).
Слайд 12Дифракция света − огибание волнами препятствий с последующей их интерференцией.
Дифракция света
объясняет:
неразличимость двух близких звезд при наблюдении в телескоп;
захождение в область
геометрической тени;
нечеткость границ изображения, воспринимаемых человеческим глазом;
прохождение света через дифракционную решетку;
радужную оболочку, наблюдаемую через ресницы полузакрытых глаз, смотрящих на солнце.
Слайд 13Дисперсия света − это зависимость абсолютного показателя преломления вещества n от длины волны λ падающего
на него света.
Дисперсия света объясняет:
прохождение белого света через призму (опыт
Ньютона);
радугу, возникающую после дождя (преломление света на сферических каплях дождя).
Слайд 143.3 Основные фотометрические величины световой среды
В фотометрии используются следующие величины:
1)
энергетические — характеризуют энергетические параметры оптического излучения безотносительно к его
действию на приемники излучения;
2) световые — характеризуют физиологические действия света и оцениваются по воздействию на глаз (исходят из так называемой средней чувствительности глаза) или другие приемники излучения.
Слайд 15Энергетические величины.
Поток излучения Фе — величина, равная отношению энергии W
излучения ко времени t, за которое излучение произошло:
Фе = W/t
Единица потока излучения — ватт (Вт).
Энергетическая светимость (нзлучательность) Me, — величина, равная отношению потока излучения Фe испускаемого поверхностью, к площади S сечения, сквозь которое этот поток проходит т. е. представляет собой поверхностную плотность потока излучения.
Me = Фe/ S,
Единица энергетической светимости —Вт/м2.
Слайд 16Энергетическая сила света (сила излучения) Ie -
— величина, равная отношению
потока излучения Фe, точечного источника к телесному углу, в пределах
которого это излучение распространяется:
Ie = Фe/
Единица энергетической силы света — ватт на стерадиан (Вт/ср).
Точечный источник - источник размерами которого по сравнению с расстоянием до места наблюдения можно пренебречь
Слайд 17Энергетическая яркость (лучистость) Вe
величина, равная отношению энергетической силы света ∆Ie
элемента излучающей поверхности к площади ∆S проекции этого элемента на
плоскость, перпендикулярную направлению наблюдения:
Вe=∆Ie/∆S
Единица энергетической яркости — ватт на стерадиан-метр в квадрате (Вт/(ср×м2)).
Слайд 18Энергетическая освещенность (облученность) Ее
характеризует величину потока из лучения, падающего
на единицу освещаемой поверхности S.
Ее=Фе/ ∆S
Единица энергетической освещенности совпадает с единицей энергетической светимости (Вт/м2).
Слайд 19Световые величины.
Каждый приемник излучения характеризуется своей кривой чувствительности к
свету различных длин волн. Поэтому световые измерения, являясь субъективными, отличаются
от объективных, энергетических и для них вводятся световые единицы, используемые только для видимого света.
Слайд 20Основной световой единицей в СИ является единица силы света I
— кандела (кд).
Кандела (лат. сandela – свеча) равна силе света,
испускаемого в заданном направлении источником монохроматического излучения частотой 540·1012 герц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет (1/683) Вт/ср.
Выбранная частота соответствует зелёному цвету. Человеческий глаз обладает наибольшей чувствительностью в этой области спектра. Если излучение имеет другую частоту, то для достижения той же силы света требуется бо́льшая энергетическая интенсивность.
Слайд 21Световой поток Ф
световая энергия (оцениваемая по зрительному ощущению), проходящая
через заданную поверхность за единицу времени.
Измеряется в люменах (лм). Величина не зависит от направления.
Ф=
I
полный телесный угол = 4πr2/r2 =4π. Полный световой поток от точечного источника света равен Ф = 4π I.
1 лм — световой поток, испускаемый точечным источником силой света в 1 кд внутри телесного угла в 1 ср (при равномерности поля излучения внутри телесного угла) (1 лм = 1 кд-ср).
Слайд 22 Сила света источника I
величина, измеряемая световым потоком, приходящимся на единицу телесного
угла по заданному направлению. Это величина светового потока разделенного на
телесный угол , внутри которого он распространяется:
I = Ф/
Слайд 23где S— площадь, которую телесный угол вырезает на поверхности сферы,
описанной из его вершины, м ; r — радиус этой
сферы,
Единицей измерения телесного угла является стерадиан.
Слайд 24
Стерадиан – это угол вырезающий участок, площадью равный квадрату радиуса
сферы.
Полный телесный угол = 4πr2/r2 =4π
Сила света I
любого элемента поверхности косинусного излучателя:
I = I0 cos a, где
a - угол между нормалью к элементу поверхности и направлением наблюдения, I0 –сила света элемента поверхности по направлению нормали к этому элементу.
Слайд 25
1 кандела – это 1 люмен распространяющийся в пределах конуса
с углом в 65 градусов.
Вывод: световой поток это количество света,
сила света – это его ”плотность”.
Слайд 26Освещенность Е поверхности
величина, равная световому потоку, падающему на единицу площади
равномерно освещаемой поверхности. В общем случае освещенность Е определяется как отношение светового
потока Ф к величине освещаемой поверхности, независимо от того, как расположена эта поверхность.
Е=Ф/ S,
где S -площадь освещаемой поверхности.
В СИ освещенность измеряется в люксах(лк). 1 люкс-это освещенность поверхности площадью 1м , на которую падает световой поток в 1 люмен.
1лм=1люкс* 1м2
Слайд 27Закон освещенности Кеплера:.
Освещенность , создаваемая точечным источником света на некоторой площадке,
прямо пропорциональна произведению силы света источника I на косинус угла падения лучей
и обратно пропорциональна квадрату расстояния R от источника до площадки:
Слайд 28
Освещенность характеризует интенсивность потока света, падающего на поверхность
Слайд 29Некоторые типичные уровни освещенности источников света.
Яркий солнечный свет летом 44000
лк
Средний дневной свет неба, покрытого облаками 5500 лк
Верхний свет северного
неба (открытые шторы) 4400 лк
Рабочее место, например, на часовом заводе 3300 лк
Окна магазина 100-2200 лк
Футбольное поле (освещенное прожекторами) 1100 лк
Библиотека 550 лк
Нормальное освещение в музеях 50 лк
Жилая комната, общее освещение лампой накаливания 55-165 лк Освещение темной улицы 11 лк
Слайд 30
Светимость R определяется отношением:
M = Ф/ S, где Ф
–световой поток, испускаемый поверхностью,
S- площадь этой
поверхности.
Единица светимости — люмен на метр в квадрате (лм/м2).
Если светимость тела обусловлена его освещенностью, то
M= ρE,
где ρ –коэффициент отражения
Слайд 31Протяженный источник света или освещенный предмет характеризуется фотометрической яркостью L.
Яркость L
, подобно силе света, характеризуется значением и направлением.
Яркость L светящейся
поверхности в некотором направлении есть величина, равна отношению силы света I с элемента излучающей поверхности к площади проекции этого элемента А на плоскость, перпендикулярную к направлению наблюдения ( т.е. к видимой поверхности наблюдения
Слайд 32L =I/А cos a,
где a - угол между нормалью к элементу
поверхности и направлением наблюдения.
Слайд 33Яркость в точке М поверхности приемника в направлении I
L=
E / Ω., где
Е - освещенность, создаваемая в этой точке
приемника в плоскости, перпендикулярной направлению I
I - сила света
Ω - телесный угол, в котором заключен световой поток, создающий эту освещенность
За единицу измерения яркости принята яркость плоской поверхности, излучающей силу света в 1 кд с одного квадратного метра в направлении, перпендикулярном светящей поверхности, то есть, кд/м2.
Слайд 34Яркость большинства тел и источников света в разных направлениях неодинакова.
Если яркость не
зависит от направления, то светимость и яркость связаны соотношением:
M=
πL
Если сила света, испускаемого 1 м2 такой поверхности в данном направлении, равна 1 кд, то ее яркость в этом направлении равна 1 кд/м2.
Яркость предметов зависит не только от количества попадающего на них света, но и от свойств самих предметов, а именно – от их способности отражать падающий свет.
Слайд 35Для диффузно отражающих поверхностей
L= E ρ/π
Здесь ρ- коэффициент отражения, определяемый отношением отраженного от плоскости светового потока к падающему потоку.
Если предмет белый – он отражает почти весь падающий на него световой поток и его яркость высока, если он черный, то его поверхность поглощает почти все попадающее на него излучение и яркость его мала.
При постоянстве освещенности яркость предмета тем больше, чем больше его отражательная способность.
Слайд 36Чрезмерная яркость называется блескостью, которая вызывает нарушение зрительных функций (ослепленность),
т.е. ухудшает видимость объектов.
При прямом попадании мощного светового потока
на орган зрения предельная величина переносимого уровня яркости составляет 7 500 кд /м2.
В полной темноте человек реагирует на яркость в одну миллионную долю кд/м2.
Полностью светящийся потолок яркостью боле 500 кд/м2 вызывает у человека дискомфорт.
Яркость солнца примерно миллиард кд/м2, а люминесцентной лампы 5000–11000 кд/м2.
Слайд 37Нижний абсолютный порог чувствительности
минимальная (пороговая) величина яркости светового пятна,
обнаруживаемого глазом на черном фоне. Она составляет 10-6 кд/м2.
Верхний абсолютный порог
чувствительности характеризуется болевыми ощущениями и составляет 106 кд/м2. Диапазон яркостей между верхним и нижним порогами чувствительности находится в пределах от 10-6 до 106 кд/м2.
Слайд 38Заключение
Световой поток определяет всю световую энергию, излучаемую источником, сила света
лишь ту часть, которая воздействует непосредственно на объект и создает
его освещенность, а яркость определяет световую энергию, которая воздействует непосредственно на глаз.
Слайд 39Основные световые характеристики
