Experimentujeme s luxmetrom a osvetlením
Ján Degro
V príspevku sú prezentované námety na experimenty a projekty s luxmetrom a osvetlením, ktoré je možné realizovať so žiakmi strednej resp. základnej školy.
1. Luxmeter
Meranie viditeľného žiarenia a svetelnej energie tak, aby sa výsledky čo najviac blížili zrakovému vnemu normálneho oka, je hlavným cieľom fotometrie. Aby sa dosiahlo tohto cieľa, musíme vziať do úvahy nielen fyzikálne vlastnosti svetelných podnetov, ale i základné charakteristiky a funkcie zraku. Jednou z najdôležitejších úloh fotometrie je meranie intenzity osvetlenia E v luxoch, značka lx.
Meranie intenzity osvetlenia sa realizuje luxmetrami. Luxmeter sa skladá z meracieho prístroja a snímača žiarenia (senzora). Snímač je tvorený selénovými alebo kremíkovými fotočlánkami. Schematické znázornenie hradlového fotočlánku je na obr.1.a Takýto fotočlánok ešte nie je vhodný na meranie osvetlenia, nakoľko nerešpektuje základnú požiadavku – nemá spektrálne vlastnosti (citlivosť) ľudského oka. Porovnanie citlivosti fotočlánkov a oka je znázornená na obr.2. Luxmeter, ktorý nemá fotočlánok s odpovedajúcou korekciou oka, by sa pre meranie vôbec nemal používať [1].
Pozornosť je potrebné venovať i ďalšej súčasti luxmetra a tou je kosínový nástavec. Na obr.1.b je znázornený kosínový nástavec podľa Hartig-Helwiega a nástavec podľa Reeb-Tosberga. Ak sa použije fotočlánok bez tohto kosínivého nástavca, dochádza k chybe merania, ktorá sa zväčšuje s uhlom dopadu [1].
Obr.1a Hradlový fotočlánok
Obr.1b Typy kosínových nástavcov
![Ján Degro : Experimentujeme s luxmetrom a osvetlením - Obr.2 Porovnanie citlivosti fotočlánkov a oka. Vλ - spektrálna citlivosť oka [1]](12_16_Degro_soubory/image003.jpg "Ján Degro : Experimentujeme s luxmetrom a osvetlením - Obr.2 Porovnanie citlivosti fotočlánkov a oka. Vλ - spektrálna citlivosť oka [1]")
Obr.2 Porovnanie citlivosti fotočlánkov a oka. Vλ - spektrálna citlivosť oka [1]
Existuje veľa zaujímavých experimentov, ktoré môžu byť realizované s luxmetrom v triede. Tieto experimenty možno rozdeliť na dve skupiny [2, 3]:
• objavenie fotometrického zákona a
• svetlo a zdravie.
2. Objavenie fotometrického zákona
Úlohy:
• Určime závislosť veľkosti osvetlenia E od vzdialenosti r od svetelného zdroja.
• Určime závislosť veľkosti osvetlenia E od uhlu dopadu svetla φ.
• Budeme so žiakmi premýšľať nad experimentálnymi závislosťami a použijúc poznatky z matematiky, a taktiež predchádzajúce skúsenosti z fyziky, sa pokúsime nájsť odpovedajúci matematický vzťah, funkciu popisujúcu daný jav.
Experimentálne výsledky:
Obr.3 Závislosť osvetlenia E od vzdialenosti r od žiarovky, φ = 0°.
Obr.4 Závislosť osvetlenia E od veličiny 1/r2, pre hodnoty z obr.3.
Na základe závislosti na obr.3 a obr.4 môžeme vysloviť záver, že 
.
Obr.5 Závislosť osvetlenia E od uhla dopadu svetla φ, r = 0,36 m.
Obr.6 Závislosť osvetlenia E od cos φ pre hodnoty z obr.5.
Na základe závislosti na obr. 5 a obr. 6 môžeme vysloviť záver, že: 
.
Teda môžeme uzavrieť, že pre osvetlenie E platí vzťah
, (k = I – svietivosť zdroja)
hoci rovnica (1) platí presne iba pre bodový svetelný zdroj. Táto rovnica je známa ako fotometrický zákon [4]. Za takýmto „objavením“ fotometrického zákona môže nasledovať teoretické odvodenie.
3. Osvetlenie v triede
Dobré svetlo a vhodné osvetlenie sú nevyhnutným predpokladom pre bezpečnú prácu bez nehôd a pre trávenie voľného času. Norma STN EN 12464-1 definuje štandardné hodnoty nominálneho osvetlenie E v luxoch, vnútri pracovných priestorov. Tab.1 ukazuje niekoľko hodnôt intenzity osvetlenia E vnútri školských priestorov. Štandardné hodnoty sú referenčné hodnoty [5]. Všeobecne sa vzťahujú k horizontálnym pracovným plochám vo výške 0,85 m nad podlahou [1, 5].
Profesionálne meranie osvetlenia (denného, umelého a združeného) na pracovných miestach realizujú niektoré inštitúcie napr. Regionálne ústavy verejného zdravotníctva. Požiadavky na meranie osvetlenia sú určené predpismi a normami napr. Nariadenie Ministerstva zdravotníctva SR [6] a Nariadenie vlády SR [7].
Pretože osvetlenie je jeden z veľmi dôležitých faktorov životného prostredia a profesionálne meracie metódy nie je ľahké realizovať v podmienkach vyučovacieho procesu, je vhodné začať realizovať jednoduché experimenty s luxmetrom pre mapovanie osvetlenia na rôznych miestach školy.
Tab.1 Štandardné hodnoty nominálneho osvetlenia E pre rôzne typy priestorov vnútri školských budov (STN EN 12464-1)
| Typ priestoru |
E (lx) |
Typ priestoru |
E (lx) |
| Počítačová učebňa |
300 |
Vstupná hala |
200 |
| Prednášková miestnosť |
500 |
Schody |
150 |
| Demonštračný stôl |
500 |
Školská jedáleň |
200 |
| Miestnosť na rysovanie |
750 |
Školská kuchyňa |
500 |
| Laboratórium, praktické cvičenia |
500 |
Telocvičňa, plaváreň (všeobecné použitie) |
300 |
| Knižnica: čitáreň |
500 |
Komunikačné priestory, chodby |
100 |
Je osvetlenie v našom lokálnom životnom prostredí správne (zdravé)? Táto otázka má silný motivačný náboj. Túto otázku transformujeme do nasledovných úloh:
• Určte veľkosť intenzity osvetlenia E v rôznych častiach školy: v triede, v laboratóriu, na schodoch, vo vstupnej hale, v jedálni, kuchyni, v telocvični a pod. Porovnajte namerané hodnoty s hygienickými normami (EN12464-1). Navrhnite zmeny, ktoré by ste urobili v prípade veľkých rozdielov.
• Nakreslite plán vašej izby (bytu) a vyznačte umiestnenie svetelných zdrojov. Určte veľkosť intenzity osvetlenia E na pracovných miestach a miestach oddychu. Porovnajte namerané hodnoty s hygienickými normami (EN12464-1). Navrhnite zmeny, ktoré by ste urobili v prípade veľkých rozdielov.
Ukážka experimentálnych výsledkov:
Obrázky 7 a 8 ukazujú výsledky meraní osvetlenia v triede, a obrázky 9 a 10 v laboratóriu. Písmenom L sú označené rady stolov v príslušnej miestnosti. Trieda je orientovaná na západ. Okná sú na zadnej strane obrázku. Laboratórium je rohová miestnosť orientovaná na sever. Dve okná sú na zadnej strane a jedno na pravej strane obrázku. Merania boli realizované o jedenástej hodine predpoludním.
Obr.7 Závislosť osvetlenia E stolov od ich polohy v triede: denné osvetlenie, umelé osvetlenie vypnuté, L – rady stolov, zatiahnutá obloha.
Obr.8 Závislosť osvetlenia E stolov od ich polohy v triede miestnosti s denným a umelým osvetlením, L – rady stolov, zatiahnutá obloha.
Obr.9 Závislosť osvetlenia E stolov od ich polohy v laboratóriu: denné osvetlenie, bez umelého osvetlenia, L- rady stolov (zatiahnutá obloha).
Obr.10 Závislosť osvetlenia stolov E stolov od ich polohy v laboratóriu: denné a umelé osvetlenie L- rady stolov (zatiahnutá obloha).
Na základe nameraných hodnôt, obr.7 a obr.8 môžeme povedať, že osvetlenie v triede spĺňa hygienickú normu, iba ak zapneme umelé osvetlenie.
Na základe nameraných hodnôt, obr.9 a obr.10 môžeme vidieť, že v laboratóriu osvetlenie neodpovedá hygienickým normám. Laboratórium je umiestnené v starej budove (historickej). Táto miestnosť má menšie okná ako trieda v novej budove, je 4 m vysoká, hrúbka steny 0,5 m, lampy sú osadené ekonomicky úspornými žiarivkami a tie sú príliš vysoko nad stolmi.
Z vyššie uvedených výsledkov (obr.7 až obr.10) a tiež ďalších experimentov realizovaných za rôznych podmienok, napr. rôzne počasie, ročné obdobie, rôzna časť dňa, rôzne miestnosti, môžu žiaci urobiť záver:
Osvetlenie mojej lavice závisí na:
• vonkajšom osvetlení (napr. počasie, časti dňa) a na
• architektúre školskej budovy (napr. priestorová orientácia budovy vzhľadom na svetové strany, počet a veľkosť okien, počet a kvalita svetelných zdrojov).
V prípade, že osvetlenie niektorých priestorov nespĺňa hygienické normy, rozvinieme so žiakmi diskusiu o príčinách nevhodného osvetlenia. Potom žiaci navrhujú možné riešenia na zlepšenie kvality osvetlenia.
4. Námety na projekty
Námety: Osvetlenie na pracovnom stole, Vplyv tienidla na veľkosť intenzity osvetlenia, Osvetlenie u vás doma, Osvetlenie v škole, Závislosť intenzity osvetlenia od času po zapnutí žiarivky, Porovnanie klasických a úsporných svetelných zdrojov, Osvetlenie vonkajších priestorov.
Podrobnejšie informácie k námetom napr.: motivačný vstup, formuláciu úloh, ukážky výsledkov meraní možno nájsť na adrese:
http://exphys.science.upjs.sk/degro/pokus/pokusy.html
Literatúra
[1] Plch J.: Světelná technika v praxi. IN-EL Praha, 1999.
[2] Degro J.: School experiments with a luxmeter. Phys. Educ. 42 (2007), 275-280.
[3] Degro J.: Vybrané kapitoly z environmentálnej fyziky. Diel 1. PF UPJŠ Košice 2006.
[4] Lepil O., Kupka Z.: Fyzika pro gymnázia. Optika. Prometheus Praha, 1993
[5] STN 12 193 (36 0074) EN 12464-1 Osvetlenie pracovných miest. Časť 2. Vnútorné pracovné miesta. 2004.
[6] Ministerstvo zdravotníctva SR: Metodická príručka. Meranie a vyhodnocovanie osvetlenia. Bratislava, August 1997.
[7] Nariadene vlády SR č. 269/2006 z 19 apríla 2006 o podrobnostiach o požiadavkách na osvetlenie pri práci. Zbierka zákonov, časť 96, str. 1589-94, 2006.
Príspevok bol spracovaný v rámci projektu KEGA.
