Zákon převrácených čtverců (intenzita světla)
Použité senzory: Senzor intenzity světla (funkce "Světlo")
Kategorie: optika
Potřeby: aplikace Phyphox, zdroj světla (žárovka, LED), pravítko, nebo metr
Teorie
Světelný senzor, který je běžnou součástí chytrých telefonů, slouží k přizpůsobení jasu obrazovky okolnímu světlu, čímž šetří baterii a zlepšuje viditelnost za různých podmínek. Tento senzor funguje jako luxmetr a pomocí různých aplikací je možné kvantitativně měřit intenzitu světla dopadajícího na tento senzor. Vyzkoušet jeho funkčnost si můžeme na jednoduchém experimentu, který můžeme provést před hlavním pokusem. Mobilní telefon položíme na podložku a nad něj umístíme zdroj světla. V experimentu "Světlo" přejdem na záložku "Stručně" a změříme intenzitu dopadajícího světla. Senzor pak překryjeme papírkem, který světlo částečně propouští (jedna vrstva papírového kapesníčku, pečící papír apod.) a odečteme hodnotu, kterou si zapíšeme. Poté přidáváme po jednom další a další papírky. Nakonec můžeme vynést do grafu závislost intenzity světla na množství papírků.
Teď už přejděme k zákonu převrácených čtverců u závislosti intenzity světla na vzdálenosti. Pokud uvažujeme lampu jako bodový zdroj světla, její záření se šíří ve formě kulové vlny. Světelný senzor, vzhledem k jeho malé ploše ve srovnání s celkovou plochou kulové vlny, lze považovat za bodový detektor. Intenzita detekovaná senzorem odpovídá výkonu světla vydávaného lampou dělenému plochou koule, jejíž poloměr odpovídá vzdálenosti senzoru od zdroje světla. Intenzita světla měřená chytrým telefonem v závislosti na vzdálenosti senzoru od zdroje světla bude tedy následovat zákon inverzní druhé mocniny vzdálenosti. To znamená, že intenzita světla se bude s rostoucí vzdáleností od zdroje snižovat úměrně čtverci vzdálenosti.
Postup experimentu
Umístěte světelný zdroj na pevnou pozici a zajistěte jej (uspořádání pokusu je zobrazeno na Obr. 1). V chytrém mobilu spusťte aplikaci Phyphox a zvolte experiment "Světlo". Přejděte na záložku "Stručně". Přibližujte nebo vzdalujte (podle původního umístění) chytrý telefon od zdroje světla. V určitých intervalech (např. po třech cm) vzdálenosti odečtěte hodnotu intenzity světla zobrazenou aplikací. Dejte si pozor, aby senzor intenzity světla vždy směřoval ke zdroji světla.
Obrázek 1. Uspořádání experimentu (žárovka po naměření hodnot praskla, bohužel ale před touto fotografií, proto není rozsvícená).
Po doměření vykreslete graf závislosti intenzity světla vzdálenosti (Obr. 2). Výsledný graf je možné nafitovat inverzní kvadratickou funkcí. Případně můžete do grafu vynést závislosti intenzity světla na čtverci inverzní vzdálenosti (v tomto případě by graf mělo být možné proložit přímkou).
Obrázek 2. Závislost intenzity osvětlení na vzdálenosti od žárovky.
Při práci s žárovkami si dávejte pozor na jejich vysokou teplotu a tudíž riziko spálení se. Z tohoto důvodu je vhodnější použít vysokointenzivní LED světelné zdroje, které jsou bezpečnější a jednodušší na manipulaci.
Poznámky
Dbejte na to, aby byla zajištěna co největší přesnost při měření vzdáleností mezi senzorem a zdrojem světla. Pokud používáte LED zdroje, zkontrolujte jejich intenzitu, aby byla dostatečná pro měření i na větších vzdálenostech.