“光照度平方反比定律”的实验设计

张 静

摘要:本文利用光度学的有关知识,设计了一个检验光照度的距离平方反比定律的实验。通过这个实验可以帮助学生进一步理解光通量、发光强度、光照度的概念,以及学会用Matlab软件描点画图和分析曲线关系。

关键词:光照度;平方反比定律;实验设计

中图分类号:G633.7 文献标识码:A 文章编号:1003-6148(2009)7(S)-0075-3

我们所熟悉的万有引力作用和电磁相互作用都遵循距离的平方反比定律,平方反比定律假定的基础是空间的均匀性和各向同性。因此诸如光的照度、水的喷洒、均匀固体中热的传导等自然现象都服从平方反比关系。本文就是通过一个简单实验来验证光照度的平方反比定律,该定律不仅可以帮助我们解释为何在众多恒星的包围下依然会有黑夜,而且可以理解天文学家如何用该定律来测量远距离的物体,甚至遥远星系。

1 实验目的

理解光通量、发光强度、光照度的概念,设计实验验证点光源的光照度满足距离平方反比定律,并能够用该定律测量距离。

2 实验原理

光的传播就是能量传播的过程。单位时间内通过光源表面或接收面上某一面元的各种波长的总电磁辐射能称为通过该面元的辐射通量。

而光通量是指人眼所能感受到的辐射通量,光通量的多少就应以单位时间内通过某一界面的光能量的多少来衡量。

为了表征点光源发出的光通量的空间分布,我们定义点光源在某方向上单位立体角内发出的光通量为该方向的发光强度。如图1所示,以r为轴取一立体角元dΩ,设dΩ内的光通量为dF,则沿r方向的发光强度为: