Свет какого цвета имеет наименьшую скорость в веществе

11 класс
Колебания и волны

Максвелл показал, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме должна быть равна скорости света. На основании этого он предположил, что свет представляет собой электромагнитную волну. Кроме того, из теории Максвелла следовало, что электромагнитные волны являются поперечными.

После того как Герц экспериментально получил и исследовал электромагнитные волны, а также измерил их скорость, электромагнитная теория света нашла экспериментальное подтверждение. При этом оказалось, что электромагнитные волны при распространении обнаруживают те же свойства, что и световые: отражение, преломление, интерференцию, дифракцию, поляризацию и др. В этой главе будут рассмотрены физические явления, связанные с волновой природой света.

§ 48. Измерение скорости света. Дисперсия света

Измерение скорости света.

Сейчас нам известно, что скорость распространения света в вакууме приближённо равна 3 ∙ 10 8 м/с. Для определения её значения использовались различные методы. Рассмотрим лишь некоторые из них.

Скорость света впервые удалось измерить датскому астроному Олафу Рёмеру (1644—1710) в 1676 г. Он наблюдал затмения спутников Юпитера — самой большой планеты Солнечной системы. Юпитер, в отличие от Земли, имеет не менее 60 спутников. Ближайший его спутник — Ио — стал предметом наблюдений Рёмера. Рёмер видел, как спутник проходил перед планетой, а затем заходил в её тень и пропадал из поля зрения. Затем Ио опять появлялся, как мгновенно вспыхнувшая лампа. Промежуток времени между двумя вспышками оказался равным 42 ч 28 мин. Вначале измерения проводились в то время, когда Земля при своём движении вокруг Солнца ближе всего подошла к Юпитеру (рис. 8.1).

Такие же измерения, проведённые шесть месяцев спустя, когда Земля удалилась от Юпитера на диаметр своей орбиты, неожиданно показали, что спутник не успел появиться из тени на целых 22 мин по сравнению с моментом времени, который можно было рассчитать на основании знания периода обращения Ио.

Зная запаздывание появления Ио и расстояние, которым оно вызвано, можно определить скорость, разделив это расстояние (диаметр орбиты Земли) на время запаздывания. Скорость оказалась чрезвычайно большой, примерно 215 000 км/с. Пo этой причине крайне трудно измерить время распространения света между двумя удалёнными точками на Земле. Ведь за 1 с свет проходит расстояние, большее длины земного экватора в 7,5 раза.

Впервые скорость света лабораторным методом измерил французский физик Арман Ипполит Физо (1819—1896) в 1849 г. В опыте Физо свет от источника, пройдя через линзу, падал на полупрозрачную пластинку 1 (рис. 8.2).

После отражения от пластинки сфокусированный узкий пучок направлялся на периферию быстро вращающегося зубчатого колеса. Пройдя между зубцами, свет достигал зеркала 2, находившегося на расстоянии нескольких километров от колеса. Отразившись от зеркала, свет, прежде чем попасть в глаз наблюдателя, должен был опять пройти между зубцами. Когда колесо вращалось медленно, свет, отражённый от зеркала, был виден. При увеличении скорости вращения он постепенно исчезал.

В чём же здесь дело? Пока свет, прошедший между двумя зубцами, распространялся до зеркала и обратно, колесо успевало повернуться так, что на место прорези вставал зубец, и свет переставал быть видимым. При дальнейшем увеличении скорости вращения свет опять становился видимым. Очевидно, что за время распространения света до зеркала и обратно колесо успело повернуться настолько, что на место прежней прорези встала уже новая прорезь. Зная это время и расстояние между колесом и зеркалом, можно определить скорость света. В опыте Физо данное расстояние составляло 8,6 км, и для скорости света было получено значение 313 000 км/с.

Впоследствии было разработано ещё много других, более точных лабораторных методов измерения скорости света. Например, американский физик Альберт Майкельсон (1852—1931) определил скорость света с помощью вращающейся восьмигранной зеркальной призмы. Полученное значение оказалось равным 299 774 км/с. По современным данным скорость света в вакууме составляет 299 792 458 м/с 1 .

1 В 1983 г. на заседании Генеральной конференции мер и весов было принято новое определение метра: «Метр есть длина пути, пройденного светом в вакууме в течение временного интервала, равного 1/299 792 458 с». Из этого определения следует, что скорость света принимается равной 299 792 458 м/с. Это сделано для того, чтобы каждый раз не менять определение метра по мере увеличения точности измерения расстояний.

Ошибка в её измерении не превышает 0,3 м/с. Отметим, что наиболее точные измерения скорости основаны не на определении времени прохождения светом определённого расстояния, а на высокоточном измерении частоты и длины электромагнитной волны.

Дисперсия света. Опыты Ньютона.

Занимаясь усовершенствованием телескопов, Ньютон обратил внимание на то, что изображение, даваемое объективом, по краям окрашено. Он заинтересовался этим явлением и первым «исследовал разнообразие световых лучей и проистекающие отсюда особенности цветов, каких до того никто даже не подозревал» (слова из надписи на надгробном памятнике Ньютону). Конечно, радужную окраску изображения, даваемого линзой, наблюдали и до Ньютона. Было также замечено, что радужные края имеют предметы, рассматриваемые через призму. Пучок световых лучей, прошедших через призму, окрашивается по краям.

Рассмотрим опыты Ньютона по наблюдению и изучению прохождения белого (солнечного) света через стеклянные призмы. В одном из них он направил на призму световой пучок малого поперечного сечения. Пучок солнечного света проходил в затемнённую комнату через маленькое отверстие в ставне.

Падая на стеклянную призму, он преломлялся и давал на противоположной стене удлинённое изображение с радужным чередованием цветов (оно было названо спектром). Стилизованное изображение опыта Ньютона показано на рисунке 8.3.

В спектре белого света наблюдалось семь основных цветов: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий и фиолетовый.

Ньютон провёл серию опытов со скрещенными призмами. Полученные результаты позволили сделать вывод о том, что не призма окрашивает белый свет, как предполагалось раньше. Призма не изменяет свет, а лишь разлагает его на составные части. Белый свет имеет сложную структуру. Из него можно выделить пучки различных цветов, и лишь совместное их действие вызывает у нас впечатление белого цвета. Если с помощью второй призмы, повёрнутой на 180° относительно первой, собрать все пучки спектра, то опять получится белый свет. Выделив же какую-либо часть спектра, например зелёную, и заставив свет пройти ещё через одну призму, мы уже не получим дальнейшего изменения окраски. «Вид цвета, — писал Ньютон, — свойственный каждому отдельному сорту лучей, не изменяется ни преломлением, ни отражением от естественных тел, ни какой-либо другой причиной, которую я мог бы наблюдать».

Другой важный вывод, к которому пришёл Ньютон, был сформулирован им в трактате «Оптика» (1704). «Световые пучки, отличающиеся по цвету, отличаются по степени преломляемости» (для них стекло имеет различные показатели преломления). При этом наиболее сильно преломляются лучи фиолетового цвета, а лучи красного цвета испытывают наименьшее отклонение. Благодаря тому что угол преломления в призме различен для световых лучей разного цвета, из неё они выходят разделёнными. Это означает, что показатель преломления вещества зависит от цвета падающего на него светового луча.

Зависимость показателя преломления вещества от цвета светового луча называют дисперсией.

В дальнейшем Ньютон усовершенствовал свои наблюдения спектра, чтобы получить более чистые цвета. Вместо круглого отверстия использовалась узкая щель, освещённая ярким источником. За щелью располагалась линза, дающая на экране изображение в виде узкой белой полоски. Если на пути лучей поместить призму (рис. 8.4), то изображение щели будет растянуто в спектр.

Вам известно, что абсолютный показатель преломления n = c / υ. Луч красного цвета преломляется меньше из-за того, что он имеет в веществе наибольшую скорость, а луч фиолетового цвета — наименьшую скорость. Именно поэтому призма и разлагает свет. В вакууме скорости лучей разного цвета одинаковы.

Цвет света определяется длиной электромагнитной волны (или частотой колебаний), так как ѵ = c / λ. C учётом этого можно дать другое определение дисперсии света.

Дисперсией называют зависимость показателя преломления вещества от частоты света (или длины световой волны).

Вопросы:

1. В чём состоит астрономический метод измерения скорости света?

2. В чём заключался опыт Физо?

3. Чему равна скорость света по современным данным?

4. Опишите опыты Ньютона по наблюдению дисперсии света.

5. Лучи какого цвета преломляются в стеклянной треугольной призме наиболее сильно?

6. Чем обусловлено явление дисперсии света?

Вопросы для обсуждения:

1. Как объяснить, что при освещении солнечным светом мы видим траву зелёной, а розы — красными?

2. Какого цвета будет казаться нам зелёная трава и листья деревьев, если их рассматривать через красное стекло?

Спросите Итана: всегда ли свет движется с одной и той же скоростью?

На изображении центра галактики в нескольких диапазонах длин волн видно такие источники излучения, как звёзды, газ, чёрные дыры, и т.д. Но свет, исходящий от всех этих источников, от гамма-излучения до видимого и радиодиапазона, всегда движется через пустое пространство с одной и той же скоростью: скоростью света в вакууме

Неважно, насколько быстро вы двигаетесь, одну вещь вы никогда не сможете поймать: свет. Скорость света — не только максимальная скорость, с которой во Вселенной может что-либо перемещаться, она ещё считается универсальной постоянной. Включаем ли мы фонарик, смотрим ли на Луну или Солнце, или измеряем параметры галактики, находящейся в миллиардах световых лет от нас, скорость света — единственное, что остаётся неизменным. Но всегда ли это так? Именно это хочет узнать наш читатель:

Начнём с того, что собой представляет свет на фундаментальном уровне: кванты.

Колеблющиеся в одной фазе электрические и магнитные поля, распространяющиеся со скоростью света, определяют электромагнитное излучение. Мельчайшая единица электромагнитного излучения, квант, известна под названием фотон.

Свет может быть непохожим на частицы, если вы наблюдаете за таким источником света, как лампочка, фонарик, лазерная указка или Солнце — но это всё оттого, что мы не умеем видеть его отдельные частицы. Если мы вместо наших глаз будем использовать электронные фотодетекторы, мы обнаружим, что весь свет Вселенной состоит из одних и тех же частиц, или квантов — фотонов. У него есть несколько свойств, одинаковых для всех фотонов:

• масса, равная 0;
• скорость, всегда равная с, скорости света;
• спин, мера внутреннего углового момента, всегда равный 1;

Шкалы размера, длины волны и температуры/энергии, соответствующие различным частям электромагнитного спектра

Через вакуум космоса, вне зависимости от энергии, они всегда перемещаются со скоростью света. И неважно, как быстро вы будете пытаться двигаться вслед за светом, или по направлению к нему: наблюдаемая вами скорость фотонов всегда будет одной и той же. Вместо скорости изменяться будет их энергия. Двигайтесь по направлению к свету, и он будет казаться более синим, и его энергия будет больше. Двигайтесь от него, и он будет казаться красным, и его энергия будет меньше. Но вне зависимости от того, как двигаетесь вы, как двигается свет, как вы меняете энергию — скорость света не изменится. Фотон самой высокой или самой низкой из всех наблюдаемых энергий всегда будет двигаться с одной и той же скоростью.

Все безмассовые частицы движутся со скоростью света, включая фотоны, глюоны и гравитационные волны, переносящие соответственно электромагнитные, сильные ядерные и гравитационные взаимодействия

Но если вы захотите перейти от вакуума в некий материал, свет можно будет замедлить. Любой материал, прозрачный для света, позволит фотонам перемещаться внутри него — будь то вода, акриловая смола, кристаллы, стекло, и даже воздух. Но поскольку в этих материалах есть заряженные частицы — электроны — они будут взаимодействовать с фотонами, и таким образом замедлять их. Свет, хотя он и не имеет заряда, ведёт себя, как волна. Фотон, двигаясь в пространстве, вызывает колебания электрического и магнитного полей, из-за чего может взаимодействовать с заряженными частицами. Эти взаимодействия замедляют его, заставляя двигаться со скоростью, меньшей, чем скорость света, пока он движется в среде.

Поведение белого света, проходящего через призму, демонстрирует, как свет разных энергий движется с разными скоростями в среде — но не в вакууме

У разных фотонов будет разная энергия, а значит, их электрические и магнитные поля будут колебаться с разной частотой. В вакууме скорость разных видов света одинаковая, а в среде может отличаться. Просветите белым светом, состоящим из всех цветов, каплю воды или призму, и фотоны больших энергий замедлятся сильнее, чем фотоны меньших, что заставит свет разделиться на цвета.

Основная (яркая) и вторичные (тусклые) радуги появляются из-за взаимодействия солнечного света и капель воды, а дополнительные — из-за отражений в воде. Цвета разделяются из-за разной скорости фотонов разных энергий, движущихся в среде — в данном случае, в воде

Именно так свет, проходя через капли воды, создаёт радугу — фотоны разных энергий взаимодействуют с заряженными частицами среды, и замедляются по-разному.

Множественные отражения света в капле воды приводят к разделению света под разными углами, когда красный свет в водной среде движется быстрее, а фиолетовый — медленнее.

Важно помнить, что при этом никакие свойства света не меняются. Он не теряет энергию, не меняет присущих ему внутренних свойств, ни во что не превращается. Меняется только окружающее его пространство. Когда этот свет покидает среду и возвращается в вакуум, он вновь движется со скоростью света в вакууме: 299 792 458 метров в секунду. На самом деле сами определения расстояний и времени — метра и секунды — рассчитываются через скорость света. Атомы могут поглощать или испускать свет, в зависимости от переходов электронов внутри атомов.

Атомный переход с орбитали 6s, Δf₁, определяет метр, секунду и скорость света

У цезия, 55-й элемента таблицы Менделеева, есть 55 электронов в едином, стабильном, нейтральном атоме. Первые 54 электрона обычно существуют в состоянии с наименьшей энергией, но у 55-го есть два возможных уровня энергии, которые он может занимать, расположенные чрезвычайно близко друг к другу. Если он переходит с того, что чуть выше, на тот, что чуть ниже, то энергия перехода переходит фотону с совершенно определённой энергией. Если взять 9 192 631 770 циклов этого фотона, то получится 1 секунда. Если взять расстояние, которое он пройдёт за 30,663319 циклов (9 192 631 770 / 299 792 458), то получится 1 метр.

Из этого следует удивительно глубокая вещь: пока атомы по всей Вселенной совершенно одинаковы, наше определение времени, расстояния и скорости света не изменятся, вне зависимости от того, в какой точке Вселенной мы их применяем.

Неважно, как далеко мы заглянем во Вселенную, физика, управляющая атомами, и определяющая длину, время и скорость света, останется неизменной

Итак, что же мы узнали в итоге?

1. Свет, вне зависимости от того, высока или низка его энергия, всегда движется со скоростью света, пока он движется в вакууме пустого пространства.
2. Никакие изменения вашего движения или движения света не меняют эту скорость.
3. Отправляя свет в среду, отличную от вакуума, можно изменить его скорость, пока он движется в этой среде.
4. Свет разных энергий будет менять скорость по-разному, в зависимости от свойств среды.
5. Покинув среду и вернувшись в вакуум, свет снова начинает двигаться со скоростью света.
6. Согласно нашим познаниям и лучшим измерениям, скорость света сохраняется на отметке 299 792 458 м/с во всех местах и во все времена Вселенной.

Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].

Дисперсия света. Цветовой диск Ньютона

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».

I. Теоритическая часть

1.1. Открытие Исаака Ньютона

В 1665–1667 годах Исаак Ньютон – английский физик и математик занимаясь усовершенствованием телескопов, обратил внимание на то, что изображение, даваемое объективом, по краям окрашено, данное наблюдение его очень заинтересовало, и он решил разгадать природу возникновения цветных полос. В это время в Англии свирепствовала эпидемия чумы, и молодой Исаак Ньютон решил укрыться от неё в своём родном Вулсторпе. Перед отъездом в деревню он приобрёл стеклянные призмы, чтобы «произвести опыты со знаменитыми явлениями цветов». Исследуя природу цветов, Ньютон придумал и выполнил целый комплекс различных оптических экспериментов. Некоторые из них без существенных изменений в методике, используются в физических лабораториях до сих пор. Главный опыт был традиционным. Проделав небольшое отверстие в ставне окна затемнённой комнаты, Ньютон поставил на пути пучка лучей, проходивших через это отверстие, стеклянную призму. На противоположной стене он получил изображение в виде полоски чередующихся цветов (рис. 1).

Рисунок 1. Эксперимент И. Ньютона

1.2. Спектральный состав света

Полученную таким образом цветную полоску солнечного света Ньютон разделил на семь цветов радуги – красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый (рис. 2).

Рисунок 2. Разложение белого пучка света на спектр

Спектр – (от латинского «spectrum» – видение) непрерывный ряд цветных полос, получается путем разложения луча белого света на составные части (рис. 3).

Рисунок 3. Спектр

Если же рассматривать спектр без подобного предубеждения, то полоса спектра распадается на три главные части – красную, желто-зелёную и сине-фиолетовую. Остальные цвета занимают сравнительно узкие области между этими основными.

Все цвета спектра содержатся в самом солнечном свете, а стеклянная призма лишь разделяет их, так как различные цвета по-разному преломляются стеклом. Наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, слабее всего – красные.

1.3. Дисперсия света

Проходя через призму, луч солнечного света не только преломляется, но и разлагается на различные цвета.

Дисперсией называется явление разложения света на цвета при прохождении света через вещество.

Прежде чем разобраться в сути этого явления, необходимо рассмотреть преломлении световых волн. Изменение направления распространения волны при прохождении из одной среды в другую называется преломлением.

Положим на дно пустого не прозрачного стакана монету или другой небольшой предмет. Подвинем стакан так, чтобы центр монеты, край стакана и глаз находились на одной прямой. Не меняя положения головы, будем наливать в стакан воду. По мере повышения уровня воды дно стакана с монетой как бы приподнимается. Монета, которая ранее была видна лишь частично, теперь будет видна полностью. Эти явления объясняются изменением направления лучей на границе двух сред — преломлением света (рис. 4).

Рисунок 4. Преломление светового луча

Закон преломления света: падающий луч, луч преломленный и перпендикуляр, восставленный в точке падения, лежат в одной плоскости.

sin α	= n21
sin β

где n₂₁ – относительный показатель преломления второй среды относительно первой.

При изменении угла падения α меняется и угол преломления β , но при любом угле падения отношения синусов этих углов остается постоянным для данных двух сред.

sin α	= n.
sin β

Если луч переходит в какую-либо среду из вакуума, то

sin α	= n,
sin β

где n – абсолютный показатель преломления второй среды.

Абсолютный показатель преломления – физическая величина, равная отношению синуса угла падения луча к синусу угла преломления при переходе луча из вакуума в эту среду.

Чем больше у вещества показатель преломления, тем более оптически плотным считается это вещество. Например, рубин – среда оптически более плотная, чем лёд.

Преломление света при переходе из одной среды в другую вызвано различием в скоростях распространения света в той и другой среде. Это было доказано французским математиком Пьером Ферма и голландским физиком Христианом Гюйгенсом. Они доказали, что

Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред, равная отношению скоростей света в этих средах:

sin α	= n21 =	V1
sin β		V2

Скорость света в любом веществе меньше скорости света в вакууме. Причиной уменьшения скорости света в среде является взаимодействие световой волны с атомами и молекулами вещества. Чем сильнее взаимодействие, тем больше оптическая плотность среды, и тем меньше скорость света. Среду с меньшим абсолютным показателем преломления принято называть оптически менее плотной средой.

Абсолютный показатель преломления определяется скоростью распространения света в данной среде, которая зависит от физического состояния среды, т. е. от температуры вещества его плотности. Показатель преломления зависит также и от характеристик самого света. Для красного света он меньше, чем для зеленого, а для зеленого – меньше, чем для фиолетового.

Дисперсия света – зависимость показателя преломления и скорости света от частоты световой волны.

Абсолютный показатель преломления стекла n, из которого изготовлена призма, зависит не только от свойств стекла, но и от частоты (от цвета) проходящего через него света. В опыте Ньютона при разложении в спектр пучка белого света, лучи фиолетового цвета, имеющие большую частоту, чем красные, преломились сильнее красных, поэтому на экране можно наблюдать цветную полосу – спектр (рис. 5).

Рисунок 5. Преломление светового луча при прохождении через более оптически-плотную среду – стеклянную призму

1.4. Радуга

Дисперсией света объясняются многие явления природы, например Радуга. В результате преломления солнечных лучей в каплях воды во время дождя на небе появляется разноцветная дуга – радуга (рис. 6).

Рисунок 6. Природное явление радуга

Радуга — это оптическое явление, связанное с преломлением световых лучей на многочисленных капельках дождя.

Разноцветная дуга появляется оттого, что луч света преломляется в капельках воды, а затем, возвращаясь к наблюдателю под углом в 42 градуса, расщепляется на составные части от красного до фиолетового цвета (рис. 7).

Рисунок 7. Преломления света в капле дождя

Прежде всего, заметим, что радуга может наблюдаться только в стороне, противоположной Солнцу. Если встать лицом к радуге, то Солнце окажется сзади. Наблюдаемые в радуге цвета чередуются в такой же последовательности, как и в спектре, получаемом при пропускании пучка солнечных лучей через призму. При этом внутренняя (обращенная к поверхности Земли) крайняя область радуги окрашена в фиолетовый цвет, а внешняя крайняя область — в красный.

Яркость оттенков и ширина радуги зависят от размера капель дождя. Чем крупнее капли, тем уже и ярче радуга, тем в ней больше красного насыщенного цвета. Если идёт мелкий дождик, то радуга получается широкая, но с блёклыми оранжевыми и жёлтыми краями.

Чаще всего видим радугу в форме дуги, но дуга – это лишь часть радуги. Радуга имеет форму окружности, но мы наблюдаем лишь половину дуги, потому что её центр находится на одной прямой с нашими глазами и Солнцем (рис. 8).

Рисунок 8. Схема образования радуги относительно наблюдателя

Целиком радугу можно увидеть лишь на большой высоте, с борта самолёта или с высокой горы (рис. 9).

Рисунок 9. Радуга с борта самолета

II. Практическая часть

2.1. Демонстрация экспериментов по наблюдению дисперсии света

Изучив историю открытия дисперсии света, и процесс образования спектра, мы решили опытным путем пронаблюдать дисперсию света. Для этого подготовили и провели видео эксперименты, которые можно использовать на уроках физики при изучении темы Дисперсия света.

Эксперимент №1. Получение радужного спектра на мыльных пленках

Для проведения эксперимента понадобится: ёмкость с мыльным раствором, проволочная рамка.

Ход эксперимента: наливаем мыльный раствор в ёмкость, опускаем рамку в раствор, образуется мыльная плёнка. На плёнке появляется радужные полосы.

Эксперимент №2. Дисперсия света – разложение в радужный спектр пучка белого света при прохождении сквозь стеклянную призму

Для проведения эксперимента понадобится: призма, источник света (фонарик телефона), экран (лист белой бумаги).

Ход эксперимента: устанавливаем призму на экспериментальном столике. С одной стороны столика устанавливаем экран. Свет направляем на призму и на экране наблюдаем радужные полосы.

Эксперимент № 3. Дисперсия света – разложение в радужный спектр пучка белого света при прохождении через воду

Для проведения эксперимента понадобится: зеркало, источник света (фонарик телефона), экран (лист белой бумаги), ёмкость с водой.

Ход эксперимента: в ёмкость наливаем воду и кладем на дно зеркало. Направляем на зеркало свет, чтобы отраженный свет попадал на экран.

1.2. Цветовой диск Ньютона

Ньютон провел обычный опыт со стеклянной призмой и заметил разложение света на спектр. Направив луч дневного света на призму, он увидел на экране различные цвета радуги. После увиденного он выделил из них семь основных цветов. Это были такие цвета как: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый (каждый охотник желает знать где сидит фазан). Ньютон выбрал лишь семь цветов по той причине, что были наиболее яркие, он также говорил, что в музыке всего семь нот, но сочетание их, различные вариации позволяют получить совершенно различные мелодии. Проведя обратный опыт, т.е. полученный спектр он направил на грань другой призмы и в результате опыта Ньютон снова получил белый свет (рис.10).

Рисунок 10. Первая призма разлагает белый свет в спектр, вторая вновь собирает спектр в белый свет

На основе этих простых опытов Ньютону пришла в голову мысль о создании круга состоящего из семи секторов и закрашенных определенными цветами в результате вращения, которого произойдет их смешение и мы получим белую раскраску этого круга. В последствии этот круг стали называть Цветной диск Ньютона (рис. 11).

Рисунок 11. Цветной диск Ньютона

Попробуем повторить опыт Ньютона. Для этого создадим экспериментальную установку, которая состоит из компьютерного кулера и прикрепленного к нему цветового диска, также блока питания (рис. 12).

Рисунок 12. Экспериментальная установка по получению белого света из спектра

Кулер создает большой проток воздуха, и служит для того что бы привести во вращение цветной диск. Так как наша установка подключается в сеть с напряжением 220 В, а кулер рассчитан на 12 В, поэтому к кулеру подключили блок питания для понижения напряжения с 220 В на 12 В. Для безопасности установка изолирована в пластмассовом боксе.

В результате при включении установки в розетку сети питания цветной круг, закрепленный на кулере, начнет вращаться, и мы увидим желтовато-белую окраску круга (рис. 13).

Рисунок 13. Результат вращения цветового диск Ньютона

Окраска круга при вращении желтовато-белая по двум причинам:

1. Скорость вращения круга очень низкая по сравнению со скоростью света;
2. Круг окрашен с резкими цветовыми переходами, если сравнивать со спектром разложения белого света.

Таким образом, нам удалось повторить эксперименты Ньютона по разделению белого света на спектр и наоборот получение белого света из спектра.

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.

Дисперсия света

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Дисперсия света»

Проведём небольшой эксперимент. Возьмём три одинаковые трёхгранные призмы и пропустим через них пучки монохроматического света различных цветов, например, красного, зелёного и фиолетового. Как видим, лучи фиолетового цвета испытают большее преломление по сравнению с зелёными.

А лучи красного цвета преломляются меньше всего. Это говорит нам о том, что угол преломления красных лучей больше, чем для лучей зелёного и фиолетового цветов. Тогда, из закона преломления света следует, что красный свет в среде распространяется быстрее. Но поскольку цвет, воспринимаемый человеческим 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 (или зависимость показателя преломления среды) от частоты (или длины волны) света называют дисперсией света.

Впервые подробно исследовал дисперсию света сэр Исаак Ньютон. До Ньютона считалось, что цвет тела — это свойство самого тела. Например, Аристотель объяснял наличие различных цветов смешением белого света с определённым количеством темноты: немного темноты, добавленной к свету, даёт красный свет; большее количество темноты — и вот мы уже видим фиолетовый свет. И эта теория господствовала в плоть до середины XVII века.

В 1666 году Исаак Ньютон, занимаясь усовершенствованием телескопов, обратил внимание на интересный факт: изображение, получаемое с помощью объектива телескопа, по краям было окрашено. Предполагая, что это может быть как-то связано с явлением преломления света, он поставил небольшой эксперимент, который детально описал в трактате «Оптика»: «Я поместил в очень темной комнате у круглого отверстия около трети дюйма шириной в ставне окна стеклянную призму, благодаря чему пучок солнечного света, входившего в это отверстие, мог преломляться вверх к противоположной стене комнаты и образовывал там цветное изображение Солнца состоящее из ряда цветных полос плавно переходящих друг в друга».

Следуя многовековой традиции, согласно которой радуга считалась состоящей из семи основных цветов, Ньютон тоже выделил семь цветов: фиолетовый, синий, голубой, зелёный, жёлтый, оранжевый и красный. Саму же радужную полоску Ньютон назвал спектром.

Казалось бы, простейший опыт Ньютона показал, что белый свет является сложным: пройдя через призму, он разлагается на пучки различных цветов.

Однако не все приняли результаты опыта — слишком уж необычным казалось это предположение. Основные вопросы сводились к следующему: почему белый свет, входящий в призму, выходил из неё в виде цветной полосы, содержащей именно семь цветов; почему круглый в сечении пучок после преломления в призме оказался существенно растянутым в длину; и, может это вещество, из которого изготовлена призма, окрашивает белый свет?

Для решения всех этих вопросов Ньютон провёл ещё несколько простых, но в то же время гениальных экспериментов. В начале он на пути пучка, прошедшего через призму, поместил собирающую линзу. Пройдя через неё пучок разноцветных лучей в точке схождения вновь становился белым. Такой же результат давала и вторая призма, повёрнутая на 180 о относительно первой. Таким образом было доказано, что свет действительно имеет сложную структуру.

Следующие опыты Ньютона были посвящены изучению влияния вещества призмы на характер окрашивания светового пучка. Закрыв отверстие красным стеклом, Ньютон наблюдал на стене только красное пятно, закрыв синим стеклом — синее пятно и так далее. Это означало, что не призма окрашивает белый свет, так как она не может влиять на цвет светового пучка.

Отдельные цветные лучи, которые после прохождения призмы не разлагались на составляющие, были названы простыми или монохроматическими.

Опытным путём Ньютон нашёл ответ и на ещё один важный вопрос: почему пучки разных цветов по-разному отклоняются призмой? В своём фундаментальном трактате «Оптика» Ньютон так сформулировал полученный им вывод: «Световые пучки, отличающиеся по цвету, отличаются по степени преломляемости. В наибольшей степени преломляются фиолетовые пучки, в наименьшей красные».

Однако и эти опыты не смогли убедить некоторых сторонников Аристотеля. Например, выдающийся немецкий поэт и видный естествоиспытатель Иоганн Гёте писал: «Утверждение Ньютона — это чудовищное предположение. Не может быть, что самый прозрачный, самый чистый цвет — белый — оказался смесью цветных лучей». Поэт считал, что исследованный Ньютоном свет — это свет, «замученный всякого рода орудиями пытки — щелями, призмами и линзами».

Друзья, избегайте тёмной комнаты,

Где вам искажают свет

И самым жалким образом

Склоняются перед искажёнными образами.

Ранее мы с вами показали, что показатель преломления среды зависит от скорости света в веществе. Следовательно, пучок фиолетового цвета преломляется в большей степени потому, что фиолетовый цвет имеет в веществе наименьшую скорость. Красные же лучи преломляются меньше других потому, что их скорость в веществе наибольшая. Это означает, что показатель преломления вещества, из которого сделана призма, зависит не только от свойств самого вещества, но и от частоты проходящего через него света.

С помощью дисперсии света объясняются многие явления природы, например, радуга. Она является одним из самых красивых явлений природы и поэтому поэтизировалась многими народами:

Как неожиданно и ярко,

На влажной неба синеве,

Воздушная воздвиглась арка

В своём минутном торжестве!

Один конец в леса вонзила,

Другим за облака ушла — Она полнеба обхватила

И в высоте изнемогла.

Радуга возникает из-за того, что солнечный свет преломляется и отражается капельками воды, парящими в атмосфере. Эти капельки по-разному отклоняют свет разных цветов, в результате чего белый свет разлагается в спектр.

Наблюдатель, который стоит спиной к источнику света, видит разноцветное свечение, которое исходит из пространства по концентрическим окружностям (дугам). При этом радуга появляется только в том случае, если угловая высота Солнца над горизонтом не превышает 42 о .

Дисперсией света объясняется возникновение и такого явления, как гало. Его можно наблюдать зимой в виде кругов, столбов или крестов вокруг Солнца и Луны. Здесь дисперсия происходит в ледяных кристалликах на высоте около 10 км в верхних слоях тропосферы.

Дисперсия присуща всем средам, кроме вакуума. Её можно представить в виде зависимости показателя преломления вещества от частоты падающего света. Как показали различные опыты, для большинства веществ показатель преломления уменьшается с уменьшением частоты. Причём зависимость эта нелинейная. Дисперсию такого рода называют нормальной.

Однако в парах йода и в некоторых жидкостях учёные наблюдали и аномальную дисперсию. При такой дисперсии показатель преломления увеличивается с увеличением длины волны. Проще говоря, в них скорость распространения красных лучей меньше, чем фиолетовых.

В настоящее время, для получения хороших и ярких дисперсионных спектров используются специальные оптические приборы — спектроскопы и спектрографы. Первый спектроскоп был изобретён в 1815 году немецким физиком Йозефом Фраунгофером. Он состоял из окуляра, зрительной трубы, двух объективов, коллиматора и дифракционной щели.

В оригинальном дизайне спектроскопа свет, прошедший через щель, расположенную в фокальной плоскости коллиматорной линзы, преобразовывался в тонкий световой пучок и попадал на призму. Из призмы выходят уже параллельные пучки разного направления, которые, преломившись в линзе зрительной трубы, образуют в её фокальной плоскости изображение щели. Если исследуется белый свет, то изображения щели сливаются в одну цветную полосу всех основных цветов. Если же исследуемый свет является монохроматическим, то спектр получается в виде узких линий, разделённых широкими тёмными промежутками.

Таким образом, с помощью призмы, как и с помощью дифракционной решётки, можно получить спектр некоторого излучения. Однако в дисперсионном и дифракционном спектрах имеются различия:

1) для дифракционного спектра можно создать равномерную шкалу по λ. Для дисперсионного спектра этого сделать нельзя, так как зависимость показателя преломления от длины волны является нелинейной функцией.

2) в дисперсионном спектре большее отклонение от первоначального направления испытывают фиолетовые лучи, в дифракционном же — красные.

3) в дифракционном спектре наблюдается несколько порядков спектра, в дисперсионном — один.

Итак, мы уже выяснили, что окружающий нас мир является красочным именно потому, что солнечный свет является сложным. Но всё же пока не ясно, почему же окружающий нас мир пестрит различными красками. И почему различные предметы, освещённые одним и тем же солнечным светом, имеют разный цвет?

Чтобы разобраться в этом, получим на экране спектр белого света. Теперь возьмём цветную бумажную полоску (например, зелёного цвета) и закроем ей часть спектра. Обратите внимание на то, что цвет полоски остался зелёным только в той области спектра, где на неё падают зелёные лучи. В жёлтой области спектра наша бумажка изменила оттенок. А в остальных частях спектра она выглядит тёмной.

Это говорит нам о том, что тела, имеющие зелёную окраску, способны отражать в основном лучи зелёного цвета, а остальные поглощают. Аналогично тела, имеющие красную окраску, в основном отражают красные лучи. Белые тела, которые освещаются дневным светом, в равной степени отражают лучи всех цветов, поэтому мы их и видим белыми. Чёрные же тела, наоборот, поглощают практически все падающие на них лучи. Что касается прозрачных тел, то их цвет обусловлен составом того цвета, который прошёл через них.