Что принято называть дисперсией света

Введение

Мы живем в мире разнообразных световых явлений – радуга, полярные сияния, голубое небо. Тем, кто не знаком с причинами их возникновения, эти световые явления кажутся необыкновенными и загадочными.

В повседневной жизни мы встречаемся со многими световыми явлениями, но обычно не задумываемся над ними – насколько они привычны для нас, а вот объяснить их часто затрудняемся. Например, чайная ложка, опущенная в стакан с водой, кажется нам надломленной или сломанной, в зависимости от того, с какой стороны мы смотрим на ложку. Мы видим окружающие нас предметы многоцветными при освещении Солнцем или яркой лампой, но с наступлением сумерек или при ослаблении света цветность предметов блекнет.

Все эти явления связаны с понятием «свет»
. В обыденной речи «свет» мы используем в самых разных значениях: ученье – свет, а неученье – тьма, свет мой, солнышко, скажи … В физике термин «свет» имеет гораздо более определенное значение. Опытным путем было установлено, что свет нагревает тела, на которое падает. Следовательно, он передает этим телам энергию. Мы также знаем, что одним из видов теплопередачи является излучение, следовательно, Свет
– это электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом и вызывающее зрительные ощущения. Свет обладает множественными свойствами, одним таким свойством света является – дисперсия
. Мы всегда сталкиваемся с этим явлением в жизни, но не всегда замечаем этого. Но если быть внимательным, то явление дисперсии всегда нас окружает. Одно из таких явлений это обычная радуга. На первый взгляд радуга это что-то простое, на самом деле при возникновении радуги происходят сложные физические процессы. Поэтому мы выбрали тему дисперсия света для того, чтобы глубже понять физические процессы и явления, происходящие в природе. Это очень интересная тема и мы постараемся в своем проекте представить все моменты, происходящие в истории развития науки о свете и показать опыты по демонстрации дисперсии света, а так же свою экспериментальную установку, разработанную специально для наблюдения дисперсии света, которая впоследствии может быть использована на уроках физики при изучении данной темы.

Цель проекта
– изучение понятия «Дисперсия света» и изготовление экспериментальной установки «Цветовой диск Ньютона».

Задачи:

1. Изучить историю открытия И. Ньютоном явления Дисперсия света.
2. Рассмотреть спектральный состав света.
3. Дать понятие о дисперсии света.
4. Подготовить эксперименты по наблюдению дисперсии света.
5. Рассмотреть природное явление радуга.
6. Изготовить экспериментальную установку «Цветовой диск Ньютона».

Как глаз различает цвета

Человеческое зрение – очень сложная система, способная различать часть электромагнитного спектра. Глаз человека различает волны длиной от 390 до 700 нм. Электромагнитное излучение в видимом диапазоне и называется видимым светом или просто светом.

По картинке видно, насколько малую часть электромагнитного спектра способно воспринимать человеческое зрение.

Цвета различаются благодаря клеткам-палочкам и клеткам-колбочкам в сетчатке глаз. Первый тип имеет высокую чувствительность, но способен различать только интенсивность света. Второй хорошо различает цвета, но лучше всего действует при ярком освещении.

При этом клетки-колбочки делятся на три вида, в зависимости от того, к каким волнам они более чувствительны – коротким, средним или длинным. Благодаря сочетанию сигналов, поступающих от всех типов колбочек зрение и может различать доступный ему диапазон цвета.

Каждый тип клеток в глазу может воспринимать не отдельный цвет, а разные оттенки в большом диапазоне волн. Поэтому зрение и позволяет выделять мельчайшие детали и видеть все многообразие окружающего мира.

Дисперсия света в свое время показала, что белый цвет это сочетание спектра. Но увидеть это можно только после его отражения через определенные поверхности и материалы.

«Дисперсия света. Линза. Фокусное расстояние линзы»

Дисперсия света

Если направить на призму пучок белого света, то на экране можно наблюдать разноцветную полосу, которая называется спектром белого света. Спектр состоит из семи простых цветов: красного, оранжевого, жёлтого, зелёного голубого, синего, фиолетового.

Разложение света в спектр объясняется тем, что световые пучки по-разному преломляются призмой: лучи красного цвета преломляются слабее, а лучи фиолетового цвета сильнее. Зависимость угла преломления света в среде от цвета света (от длины световой волны) называется дисперсией света.

Радуга — это спектр солнечного света. Он образуется при разложении белого света в каплях дождя, которые можно рассматривать как призмы.

Линза

На явлении преломления света основано получение изображения предмета с помощью линзы. Линза — это прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями. Иногда одна поверхность может быть плоской.

Линза, у которой середина толще, чем края, является выпуклой, она собирает падающий на неё световой пучок и потому называется собирающей. Линза, у которой края толще, чем середина, является вогнутой, она рассеивает падающий на неё световой пучок и потому называется рассеивающей.

Линию, проходящую через центры сферических поверхностей, ограничивающих линзу, называют главной оптической осью (С₁С₂). Точку О называют оптическим центром линзы.

Для построения изображения предмета в линзе достаточно знать ход двух лучей. Один из них — это луч, проходящий через оптический центр линзы, он проходит, не преломляясь. Второй луч — луч, параллельный главной оптической оси линзы. Все лучи, параллельные главной оптической оси линзы, после преломления собираются в одной точке F на оптической оси. Эта точка называется главным фокусом линзы.

Фокусное расстояние линзы

Главный фокус линзы F — точка, в которой после преломления собираются лучи, параллельные главной оптической оси.  Расстояние от оптического центра линзы до её фокуса называется фокусным расстоянием.

Если направить на рассеивающую линзу пучок параллельных лучей, то после преломления этот пучок будет расходящимся. Продолжения лучей соберутся в точке, которую называют главным фокусом рассеивающей линзы. Этот фокус является мнимым, в нём пересекаются не сами лучи, а их продолжения.

Величину, обратную фокусному расстоянию (F), называют оптической силой линзы (D): D = 1 /F. Единица оптической силы линзы — диоптрия (1 дптр). 1 дптр = 1/м.

Оптическая сила собирающей линзы — величина положительная, оптическая сила рассеивающей линзы — величина отрицательная.

Конспект урока «Дисперсия света. Линза. Фокусное расстояние линзы».

Следующая тема: «Оптические приборы. Глаз как оптическая система».

Дисперсия света

Значение абсолютного показателя преломления среды определяется в основном свойствами этой среды; однако оно зависит еще от длины волны (частоты) света.

Поочередно пропуская через трехгранную призму пучки монохроматического света разной цветности, направленные на грань призмы под одним и тем же углом падения (рис. 17.30, где Щ — щель, Ф — фильтр, Э — экран), можно обнаружить, что фиолетовые лучи отклоняются от первоначального на-правления сильнее, чем красные. Следовательно, угол преломления красных лучей \(~\beta_k\) больше, чем фиолетовых \(~\beta_f(\beta_k > \beta_f).\) Из закона преломления

Рис. 17.30

\(\frac{\sin \alpha}{\sin \beta} = n\)

следует, что \(~n_f > n_k.\) А так как абсолютный показатель преломления \(n = \frac{c}{\upsilon},\) где \(~c\) и \(~\upsilon\) — скорости света соответственно в вакууме и среде то отсюда вытекает, что красный свет распространяется в среде быстрее, чем фиолетовый:

\(~\upsilon_k > \upsilon_f\)

Поскольку цвет, воспринимаемый глазом, определяется только частотой световой волны, то цвет при переходе из вакуума в вещество или из одного вещества в другое не изменяется.

Зависимость скорости распространения световых волн в среде (показателя преломления среды) от частоты (длины волны) света называется дисперсией света.

Дисперсия света представляется в виде зависимости \(~n = f(v).\) Опыт показывает, что для большинства веществ показатель преломления уменьшается с уменьшением частоты (с увеличением \(~\lambda\)). Дисперсию такого рода называют нормальной. Кривая зависимости \(~n = f(\lambda).\)
для стекла (рис. 17.31) — кривая дисперсии — показывает, что эта зависимость нелинейная. Показатель преломления стекла в области коротких длин волн изменяется быстрее, чем в области длинных.

Рис. 17.31

В парах йода и в некоторых жидкостях наблюдали аномальную дисперсию: показатель преломления увеличивается с увеличением \(~\lambda\), т.е. в них скорость распространения \(~\upsilon_k < \upsilon_f.\)

Дисперсию можно объяснить с точки зрения электромагнитной теории. Так как скорость света в вакууме не зависит от частоты, а дисперсия наблюдается только в веществе, то она связана со строением вещества (для объяснения используем электронную теорию строения вещества, разработанную X. Лоренцом в 1880 г.).

Поскольку атомы и молекулы сами могут являться источниками электромагнитных колебаний, они не остаются безучастными, когда на них воздействует внешняя электромагнитная волна (свет). В веществе возникают вынужденные электромагнитные колебания электронов в атомах. Атомы начинают излучать электромагнитные волны, которые накладываются на внешнюю волну. Частоты вынужденных колебаний совпадают с частотой внешней волны, но их фазы могут отличаться от фазы внешней волны (в зависимости от структуры частиц вещества, их ориентации и т.д.). Это приводит к тому, что скорости прохождения результирующей электромагнитной волны через данное вещество при разных частотах будут неодинаковыми. Различие между скоростями тем больше, чем сильнее вынужденные колебания электронов, т.е. чем ближе частота световой волны к собственной частоте колебаний электронов. Поэтому скорость света в веществе зависит от частоты световой волны. Дж. Максвелл показал, что

\(\upsilon = \frac{c}{\sqrt{\varepsilon \mu} },\)

где \(~\varepsilon\) и \(~\mu\) — диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества. В результате вынужденных колебаний молекул среды изменяется поляризуемость молекул и, соответственно, \(~\varepsilon\).

Первые шаги на пути к открытию дисперсии

Как было сказано выше, световой поток при прохождении через призму разлагается на цветовой спектр, который Исаак Ньютон достаточно детально изучил в свое время. Результатом его исследований стало открытие явления дисперсии в 1672 году. Научный интерес к свойствам света появился еще до нашей эры. Знаменитый Аристотель уже тогда заметил, что солнечный свет может иметь разные оттенки. Ученый утверждал, что характер цвета зависит от «количества темноты», присутствующей в белом свете. Если ее много, то возникает фиолетовый цвет, а если мало, то красный. Великий мыслитель также говорил о том, что основным цветом световых лучей является белый.

Аномальная дисперсия

В дальнейшем ученые-физики позапрошлого столетия сделали очередное открытие, касающееся дисперсии. Француз Леру обнаружил, что в некоторых средах (в частности, в парах йода) зависимость, выражающая явление дисперсии, нарушается. За изучение этого вопроса взялся живший в Германии физик Кундт. Для своего исследования он позаимствовал один из методов Ньютона, а именно опыт с использованием двух скрещенных призм. Разница состояла лишь в том, что вместо одной из них Кундт применял призматический сосуд с раствором цианина. Оказалось, что показатель преломления при прохождении света через такие призмы увеличивается, а не уменьшается, как это происходило в экспериментах Ньютона с обычными призмами. Немецкий ученый выяснил, что этот парадокс наблюдается вследствие такого явления, как поглощение света веществом. В описанном опыте Кундта поглощающей средой выступал раствор цианина, а дисперсия света для таких случаев была названа аномальной. В современной физике такой термин практически не используют. На сегодняшний день открытую Ньютоном нормальную и обнаруженную позже аномальную дисперсию рассматривают как два явления, относящихся к одному учению и имеющих общую природу.

Низкодисперсные линзы

В фототехнике дисперсия света считается нежелательным явлением. Она становится причиной так называемой хроматической аберрации, при которой на изображениях появляется искажение цветов. Оттенки фотографии при этом не соответствуют оттенкам снимаемого объекта. Особенно неприятным такой эффект становится для фотографов-профессионалов. Из-за дисперсии на фотоснимках не только происходит искажение цветов, но и нередко наблюдается размытие краев или, наоборот, появление чересчур очерченной каймы. Мировые производители фототехники справляются с последствиями такого оптического явления с помощью специально разработанных низкодисперсных линз. Стекло, из которого они производятся, обладает великолепным свойством одинаково преломлять волны с разными значениями длины и частоты. Объективы, в которых устанавливаются низкодисперсные линзы, называются ахроматами.

Вариант 2

A1. Луч света падает на зеркало перпендикулярно. На ка­ кой угол отклонится отраженный луч относительно падающего луча, если зеркало повернуть на угол 16­°?

1) наложение волн, приводящее к установлению в каж­дой точке пространства постоянной амплитуды ко­лебания 2) огибание волнами препятствий, приводящее к откло­нению от прямолинейного распространения света 3) зависимость показателя преломления света от его цвета, обусловливающего разложение белого света на составляющие 4) разложение световых волн при прохождении через вещество

А3. Какие условия необходимы и достаточны для наблю­дения минимума интерференции электромагнитных волн от двух источников?

1) источники волн когерентны, разность хода любая 2) источники волн когерентны, разность хода Δd = (2k + 1)λ/2 3) разность хода Δd = (2k + 1)λ/2, источники могут быть любые 4) источники волн когерентны, разность хода Δd = kλ

А4. Какие явления объясняются дифракцией света?

а) радужная окраска тонких мыльных пленок б) кольца Ньютона в) появление светлого пятна в центре тени от малого непрозрачного диска г) отклонение световых лучей в область геометрической тени

B1. Вдоль главной оптической оси собирающей линзы с фокусным расстоянием F = 12 см расположен предмет ВА, конец которого находится на расстоянии d₁ = 17,9 см от линзы, а начало — на расстоянии d₂ = 18,1 см. Найдите линейное увеличение Г изображения В₁А₁ предмета.

C1. На дифракционную решетку нормально к ее поверх­ности падает параллельный пучок лучей с длиной волны λ = 0,5 мкм. Постоянная решетки d = 5,0 мкм. Определи­те число штрихов N на 1,0 см и максимальный порядок спектра k_m.

С2. С помощью тонкой собирающей линзы получает­ся действительное увеличенное изображение плоского предмета. Если предмет находится на расстоянии d = 6 см от линзы, то изображение получается увеличенным в 2 раза. На сколько надо сместить предмет, чтобы полу­чить изображение, увеличенное в 10 раз?

Ответы на тест по физике Световые явления 11 класс Вариант 1 А1-4 А2-1 А3-1 А4-2 В1. 0,72 м; 0,28 м В2. 125 нм С1. 6,75 ⋅ 10 −7 м С2. 0,008 с Вариант 2 А1-2 А2-2 А3-2 А4-4 В1. 4 В2. 6 мм С1. 2 ⋅ 10 3 см −1 ; 10 С2. на 1,6 см

Мнение эксперта
It-Technology, Cпециалист по электроэнергетике и электронике
Задавайте вопросы “Специалисту по модернизации систем энергогенерации”

Дисперсия света. Опыт Ньютона — материалы для подготовки к ЕГЭ по Физике С по мо щью яв ле ния интерференции уче ные в XIX веке до ка за ли, что свет имеет вол но вую при ро ду, а не кор пус ку ляр ную. Спрашивайте, я на связи!

Дифракция света

Прежде нужно напомнить о сопутствующем явлении — интерференции света, которая всегда наблюдается одновременно с дифракцией. При интерференции две когерентные (т.е. частоты которых совпадают, а разность фаз колебания постоянна) световые волны накладываются друг на друга, в результате чего усиливают или ослабляют одна другую.

Дифракция наблюдается при распространении света в среде с резкими неоднородностями. В таких условиях можем увидеть отклонение волн от прямого направления при прохождении рядом с преградой, проще — огибание препятствий световыми волнами. Это оптическое явление встречается с участием предметов любых размеров, но чем меньше объект, тем наблюдение проще.

Белый свет распадается в спектр, если проходит через дифракционную решетку или отражается от нее. Природа дифракционного и призматического спектров отличается, поэтому это явление нельзя объяснить дисперсией света.

Как их отличить:

1. Призматический спектр располагается в диапазоне от красного цвета к фиолетовому (в порядке убывания длины волны). Красная часть более сжата, а фиолетовая — растянута.
2. Дифракционный спектр располагается в диапазоне от фиолетового цвета к красному (в порядке возрастания длин волн). Все части равны между собой.

Дифракция проявляется не только для световых, но и для звуковых волн. Мы можем слышать музыку (речь или любые другие звуки) из здания за углом. Это значит, что волна распространяется не только в прямом направлении, но и может «огибать» препятствия. В нашем случае — здание, за которым мы стоим.

Для экспериментального наблюдения этого явления есть специальный прибор — дифракционная решетка. Это искусственная система препятствий в виде параллельных штрихов, выгравированных на поверхности пластины из металла или стекла. Расстояние между краями соседних щелей называется периодом решетки или ее постоянной.

Встречая препятствие в виде решетки, световая волна проходит через щели и препятствия, в результате чего разбивается на отдельные пучки когерентных волн — это дифракция. Затем они интерферируют друг с другом. Волны разных длин отклоняются на разные углы — так свет разлагается в спектр.

Формула дифракционной решетки:

Основные направления применения интерференции

Ин­тер­фе­рен­цию при­ме­ня­ют и в дру­гих об­ла­стях че­ло­ве­че­ской де­я­тель­но­сти (для оцен­ки ка­че­ства об­ра­бот­ки по­верх­но­сти, для про­свет­ле­ния оп­ти­ки, для по­лу­че­ния вы­со­ко­от­ра­жа­ю­щих по­кры­тий).

Два по­лу­про­зрач­ных зер­ка­ла рас­по­ло­же­ны па­рал­лель­но друг другу. На них пер­пен­ди­ку­ляр­но плос­ко­сти зер­кал па­да­ет све­то­вая волна ча­сто­той (см. Рис. 8). Чему долж­но быть равно ми­ни­маль­ное рас­сто­я­ние между зер­ка­ла­ми, чтобы на­блю­дал­ся пер­вый ми­ни­мум ин­тер­фе­рен­ции про­хо­дя­щих лучей?

Один луч прой­дет через зер­ка­ла, дру­гой от­ра­зит­ся сна­ча­ла от вто­ро­го зер­ка­ла, затем от пер­во­го. Раз­ность хода этих лучей со­ста­вит удво­ен­ное рас­сто­я­ние между зер­ка­ла­ми

Номер ми­ни­му­ма со­от­вет­ству­ет зна­че­нию це­ло­го числа .

Под­ста­вим в фор­му­лу раз­но­сти хода зна­че­ние и зна­че­ние длины волны:

Цветовой спектр

Белый свет, доступный для человеческого зрения, – это совокупность нескольких волн, любая из которых характеризуется определенной частотой и собственной энергией фотонов. В соответствии с этим его можно разложить на волны разного цвета. Каждая из них носит название монохроматической, а определенному цвету соответствует свой диапазон длины, частоты волн и энергии фотонов. Другими словами, энергия, излучаемая веществом (или поглощаемая), распределяется по вышеназванным показателям. Это объясняет существование светового спектра. Например, зеленый цвет спектра соответствует частоте, находящейся в диапазоне от 530 до 600 ТГц, а фиолетовый – от 680 до 790 ТГц.

Исследования предшественников Ньютона

Аристотелевскую теорию взаимодействия темноты и света не опровергли и ученые 16-17 веков. И чешский исследователь Марци, и английский физик Хариот независимо друг от друга проводили опыты с призмой и были твердо уверены в том, что причиной появления разных оттенков спектра является именно смешивание светового потока с темнотой при прохождении его через призму. На первый взгляд, выводы ученых можно было назвать логичными. Но их эксперименты были достаточно поверхностными, и они не смогли подкрепить их дополнительными исследованиями. Так было, пока за дело не взялся Исаак Ньютон.

Где встречается

Дисперсию можно увидеть намного чаще, чем кажется на первый взгляд

Нужно просто обращать внимание:

1. Радуга – самый известный пример дисперсии. Свет преломляется в капельках воды, в результате возникает радуга, которую специалисты называют первичной. Но иногда свет преломляется дважды и появляется редкое природное явление – двойная радуга. В этом случае внутри дуга более яркая и со стандартным порядком цветов, а снаружи – размытая и оттенки идут в обратном порядке.
2. Закаты солнца, которые могут быть красными, оранжевыми или даже многоцветными. В этом случае объектом, преломляющим лучи, является атмосфера Земли. Ввиду того, что воздух состоит из определенной смеси газов, эффект отличается и может быть разным.
3. Если внимательно посмотреть на дно аквариума или большого водоема с чистой прозрачной водой, то можно явно различить радужные блики. Это происходит из-за того, что солнечный диапазон вследствие диффузии раскладывается на весь цветовой спектр.
4. Драгоценные камни с ювелирной огранкой тоже переливаются. Если аккуратно вращать их, можно заметить, как каждая грань дает свой оттенок. Это явление заметно на бриллиантах, хрустале, фианитах и даже на изделиях из стекла с хорошим качеством огранки.
5. Стеклянные призмы и любые другие прозрачные элементы при прохождении через них света также дают эффект. Особенно, если есть перепад освещения.

Буйство красок на закате солнца – один из самых известных примеров преломления света.

Разложение света в спектр несложно сделать и с помощью фонарика смартфона. В этом случае понадобится стеклянная призма и лист белой бумаги. Призму нужно поставить на стол в темном помещении, с одной стороны направить на нее луч света, а с другой поставить листок бумаги, на нем будут цветные полосы. Такой простой опыт очень нравится детям.

Заключение

Окружающий нас мир играет красками: нас радует и волнует голубизна неба, зелень травы и деревьев, красное зарево заката, семицветная дуга радуги. В своем проекте мы попытались ответить на вопрос – как можно объяснить удивительное многообразие красок в природе. В целом поставленная цель об изучении такого явления как дисперсия света в итоге достигнута. Для того чтобы глубже понять такое свойство света как дисперсия, была изучена дополнительная литература по световым явлениям, были проведены эксперименты по наблюдению явления, была изготовлена установка для вращения цветового круга Ньютона с некоторой скоростью.

В результате проведенных опытов и экспериментов нами были сделаны следующие выводы:

1. Дисперсия – явление разложения белого света в спектр.
2. Белый цвет имеет сложную структуру, состоящий из нескольких цветов.
3. При падении света на границу раздела двух прозрачных сред световые лучи различной цветности преломляются по разному (наиболее сильно-фиолетовые лучи, менее других- красные).
4. Призма не изменяет цвет, а лишь разлагает его на составные части.

Таким образом, посредством теоретического изучения данной темы и ее практического подтверждения и была достигнута основная цель проекта.

История открытия и выводы Ньютона

История рассказывает о том, что ученый впервые обратил внимание на то, что края изображения в объективе цветные в период, когда занимался усовершенствованием конструкции телескопов. Это его сильно заинтересовала и он задался целью выявить природу появления цветных полос

В тот период в Великобритании была эпидемия чумы, поэтому Ньютон решил уехать в свою деревню Вулсторп, чтобы ограничить круг общения. И заодно проводить эксперименты, чтобы выяснить, откуда появляются разные оттенки. Для этого он захватил несколько стеклянных призм.

Примерно так выглядел опыт Ньютона, позволивший объяснить явление дисперсии света.

За период исследований он провел множество экспериментов, некоторые из которых проводятся в неизменном виде до сих пор. Основной выглядел так: ученый сделал небольшое отверстие в ставне темной комнаты и поместил на пути луча света призму из стекла. В результате на противоположной стене получилось отражение в виде цветных полосок.

Этот эксперимент можно повторить самостоятельно.

Ньютон выделил из отражения красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. То есть, спектр в его классическом понятии. Но если разобраться подробнее и выделить спектр современным оборудованием, то получается три основных зоны: красная, желто-зеленая и сине-фиолетовая. Остальные занимают незначительные участки между ними.

Вот так выглядит разложение белого света в спектр.