“光照度平方反比定律”的實驗設計

張 靜

摘要:本文利用光度學的有關知識,設計了一個檢驗光照度的距離平方反比定律的實驗。通過這個實驗可以幫助學生進一步理解光通量、發光強度、光照度的概念,以及學會用Matlab軟件描點畫圖和分析曲線關系。

關鍵詞:光照度;平方反比定律;實驗設計

中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A 文章編號: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等自然現象都服從平方反比關系。本文就是通過一個簡單實驗來驗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有黑夜,而且可以理解天文學家如何用該定律來測量遠距離的物體,甚至遙遠星系。

1 實驗目的

理解光通量、發光強度、光照度的概念,設計實驗驗證點光源的光照度滿足距離平方反比定律,并能夠用該定律測量距離。

2 實驗原理

光的傳播就是能量傳播的過程。單位時間內通過光源表面或接收面上某一面元的各種波長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,光通量的多少就應以單位時間內通過某一界面的光能量的多少來衡量。

為了表征點光源發出的光通量的空間分布,我們定義點光源在某方向上單位立體角內發出的光通量為該方向的發光強度。如圖1所示,以r為軸取一立體角元dΩ,設dΩ內的光通量為dF,則沿r方向的發光強度為: