Введение
Явление дисперсии – разложения белого света в
спектр (по цветам радуги) – было открыто
и исследовано И. Ньютоном. Это явление
говорит о сложном составе белого света.
Одним из проявлений явления дисперсии
является радуга.
Радуга – одно из красивейших
природных явлений, которое редко кого-то
оставляет равнодушным. Когда-то люди
считали радугу Божьим знамением. И это
неудивительно, ведь она появляется буквально
из ничего, и также таинственно исчезает.
В данной курсовой работе раскрыта тема
дисперсии света и цвета тела.
Работа в своей структуре содержит
следующие разделы: состояние вопроса
о цвете до исследований Ньютона,
основное открытие Ньютона в оптике,
дисперсия показателя преломления,
дополнительные цвета и спектральный
состав различных источников. Также
в курсовой раскрыта тема света и
цвета тела, охарактеризовано поглощение
и рассеивание света, представлено
описание цвета неба и зари, а
также освещение белым и цветным
светом.
Тема курсовой работы является актуальной,
Дисперсией объясняется факт появления радуги после
дождя (точнее тот факт, что радуга разноцветная,
а не белая). Дисперсия является причиной хроматических
аберраций — одних из аберраций
оптических систем, в том числе фотографических и видео-объективов.
Благодаря явлению дисперсии света, можно
наблюдать цветную «игру света» на гранях бриллианта и
других прозрачных гранёных предметах
или материалах.
В той или иной степени радужные
эффекты обнаруживаются достаточно
часто при прохождении света
через почти любые прозрачные
предметы. В искусстве они могут
специально усиливаться, подчеркиваться.
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:
- Изучить историю открытия И. Ньютоном явления Дисперсия света.
- Рассмотреть спектральный состав света.
- Дать понятие о дисперсии света.
- Подготовить эксперименты по наблюдению дисперсии света.
- Рассмотреть природное явление радуга.
- Изготовить экспериментальную установку «Цветовой диск Ньютона».
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:
- Призматический спектр располагается в диапазоне от красного цвета к фиолетовому (в порядке убывания длины волны). Красная часть более сжата, а фиолетовая — растянута.
- 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:
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.
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.
Закон преломления света
Преломление света – это изменение направления распространения светового луча на границе раздела двух сред.
Угол преломления – это угол между преломленным лучом и перпендикуляром к границе раздела двух сред.
\( \gamma \) – угол преломления
Законы преломления света
- Лучи падающий и преломленный лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восстановленным в точку падения луча к преломляющей поверхности.
- Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред и равная относительному показателю преломления двух сред:
где \( n_{21} \) – относительный показатель преломления.
Первой является среда, в которой распространяется падающий луч, второй является среда, в которой распространяется преломленный луч.
Относительный показатель преломления равен отношению абсолютного показателя преломления второй среды к абсолютному показателю преломления первой среды:
где \( n_1 \) – абсолютный показатель преломления первой среды; \( n_2 \) – абсолютный показатель преломления второй среды.
Абсолютный показатель преломления показывает, во сколько раз скорость света в вакууме больше, чем в данной среде:
где \( c \) – скорость света в вакууме, \( v \) – скорость распространения света в данной среде.
Относительный показатель преломления показывает, во сколько раз скорость распространения света в первой среде больше, чем во второй:
Среда, у которой абсолютный показатель преломления больше, является оптически более плотной средой.
Среда, у которой абсолютный показатель преломления меньше, является оптически менее плотной средой.
Следствия закона преломления света
Если свет падает из оптически менее плотной среды в оптически более плотную, то угол падения больше угла преломления:
Если свет падает из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, то угол падения меньше угла преломления:
Если луч падает на плоско параллельную пластину, изготовленную из оптически более плотного вещества, чем окружающая среда, то луч не изменяет своего направления, а лишь смещается на некоторое расстояние.
\( x \) – смещение луча от первоначального направления:
где \( d \) – толщина пластины.
Важно!
Если в условии задачи говорится, что «кажется, что луч падает под углом \( \varphi_1 \) к поверхности воды», то имеют в виду не кажущийся угол падения \( \alpha_1 \), а угол между кажущимся падающим лучом и поверхностью воды \( \varphi_1 \)
Что такое дисперсия света
Разложение белого света на цвета называют дисперсией света
.
Для знакомства с этим явлением проведём простой опыт. Направим узкий луч белого света на прозрачную трёхгранную призму из стекла, расположенную в тёмной комнате. Пройдя сквозь грани призмы, луч преломится дважды и отклонится. Кроме того за призмой вместо одного белого луча мы увидим семь разноцветных, окрашенных в те же цвета, что и радуга, лучей, расположенных в той же последовательности. Причём окажется, что сильнее всего преломился фиолетовый луч, а меньше всего красный. То есть, угол преломления зависит от цвета луча.
Если на пути цветового спектра поместить другую призму, повёрнутую на 180° относительно первой, то пройдя через неё, все цветовые лучи снова соберутся в луч белого света.
Опыт с прохождение белого света через призму первые провёл Исаак Ньютон. Он же объяснил, что цвет – это собственное свойство света.
Из своего опыта Нютон сделал 2 вывода:
- Белый свет имеет сложную структуру. Он состоит из потока частиц разного цвета.
- Все эти частицы движутся с разной скоростью, поэтому лучи разного цвета и преломляются на разный угол. Самая высокая скорость у частиц красного цвета. Он преломляется через призму меньше всех других цветов. Чем меньше скорость, тем больше показатель преломления.
Именно Ньютон разделил цветовой спектр на 7 цветов, потому что считал, что существует связь между цветами и музыкальными нотами, которых тоже 7, семью днями недели и семью объектами Солнечной системы (во времена Ньютона были известны только 7 планет: Меркурий, Венера, Земля, Луна, Марс, Сатурн, Юпитер), семью чудесами света. Правда, в спектре Ньютона синий цвет назывался индиго.
Чтобы легче было представить последовательность цветов в спектре, достаточно запомнить фразу, в которой заглавные буквы совпадают с первыми буквами наименований цветов: «Каждый
Охотник
Желает
Знать
, Где Сидит
Фазан
».
В общем смысле спектром в физике называют распределение значений физической величины (энергии, массы или частоты).
Дисперсия света в призме
Если монохроматический пучок света попадает на призму, показатель преломления вещества которой равен n, под углом (рис.1), то после двойного преломления луч отклоняется от первоначального направления на угол :
Если углы А, – маленькие, следовательно малыми являются все остальные углы в формуле (2). В таком случае закон преломления можно записать не через синусы этих углов, а непосредственно через величины самих углов в радианах:
Зная, что , имеем:
Следовательно, угол отклонения лучей при помощи призмы прямо пропорционален величине преломляющего угла призмы:
и зависит от величины . А нам известно, что показатель преломления – функция длины волны. Получается, что лучи, имеющие разные длины волн после того, как пройдут через призму, отклонятся на разные углы. Становится понятным, почему пучок белого света разложится в спектр.
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.
Техническое применение дисперсии света
Дисперсия света – это явление, которое широко применяется в различных технических областях. Ниже приведены некоторые из примеров технического использования дисперсии света:
Спектральный анализ
Дисперсионные элементы, такие как призмы или граты, могут использоваться для спектрального анализа света. С помощью дисперсии света можно разложить белый свет на спектральные составляющие и изучать их характеристики. Этот метод используется в научных исследованиях, фотометрии, спектроскопии и других областях.
Оптические приборы
Дисперсия света является ключевым аспектом работы многих оптических приборов. Она используется, например, в поляризационных призмах, которые разделяют свет на две взаимно перпендикулярные поляризации. Кроме того, дисперсионные элементы широко применяются в линзах и объективах для исправления хроматической аберрации и коррекции цветовых искажений.
Оптические волокна
Дисперсия света играет важную роль в оптических волокнах, которые используются для передачи информации световыми сигналами. Дисперсия может вызывать расплывание сигналов и искажение данных при их передаче на большие расстояния. Поэтому в разработке и проектировании оптических волокон активно применяются методы компенсации и коррекции дисперсии света.
Лазеры
Дисперсия света также играет роль в проектировании и настройке лазеров. Дисперсионные элементы могут использоваться для контроля и коррекции спектральных характеристик излучения лазера. Это позволяет усилить и стабилизировать лазерный сигнал, а также управлять его параметрами и частотой излучения.
Солнечные батареи
В фотоэлектрических солнечных батареях дисперсия света может использоваться для увеличения эффективности сбора солнечной энергии. Дисперсионные элементы помогают разделить свет на различные длины волн, что позволяет использовать полностью спектр солнечного излучения и собирать больше энергии.
Это лишь несколько примеров технического применения дисперсии света. Широкий спектр исполнений дисперсионных элементов позволяет использовать это явление в различных областях науки и техники.
4. Свет и цвета тел
Опыты показывают, что свет, вызывающий
в нашем глазу ощущение того или иного
цвета, обладает более или менее сложным
спектральным составом. При этом оказывается,
что глаз наш представляет собой довольно
несовершенный аппарат для анализа света,
так что лучи разнообразного спектрального
состава могут иногда производить почти
одинаковое цветовое впечатление. Тем
не менее именно при помощи глаза мы получаем
знание о всем многообразии цветов в окружающем
мире.
Случаи, когда свет от источника направляется
непосредственно в глаз наблюдателя, сравнительно
редки. Гораздо чаще свет предварительно
проходит через тела, преломляясь и частично
поглощаясь в них, либо в более или менее
полной степени отражаясь от их поверхности.
Таким образом, спектральный состав света,
дошедшего до нашего глаза, может оказаться
значительно измененным благодаря описанным
выше процессам отражения, поглощения
и т. д. В громадном большинстве случаев
все подобные процессы ведут только к
ослаблению тех или иных спектральных
участков и могут даже полностью устранить
некоторые из таких участков, но не добавляют
к свету, пришедшему от источника, излучения
тех длин волн, которых в нем не было. Однако
и такие процессы могут иметь место (например,
в явлениях флюоресценции).
Дисперсия света
Дисперсия света (разложение света) — это явление, обусловленное зависимостью
абсолютного показателя преломления вещества
от частоты (или длины волны) света (частотная дисперсия), или, то
же самое, зависимость фазовой скорости света
в веществе от длины волны (или частоты).
Экспериментально дисперсия была открыта Ньютоном около 1672 года, хотя теоретически достаточно хорошо
объяснена значительно позднее.
Пространственной
дисперсией называется зависимость тензора
диэлектрической проницаемости среды от волнового
вектора. Такая зависимость вызывает
ряд явлений, называемых эффектами пространственной
поляризации.
Обычно чем больше частота волны,
тем больше показатель преломления
среды и меньше ее скорость света
в ней:
- у красного цвета максимальная скорость в среде и минимальная степень преломления,
- у фиолетового цвета минимальная скорость света в среде и максимальная степень преломления.
Однако в некоторых веществах
(например в парах йода) наблюдается эффект аномальной дисперсии,
при котором синие лучи преломляются меньше,
чем красные, а другие лучи поглощаются
веществом и от наблюдения ускользают.
Говоря строже, аномальная дисперсия широко
распространена, например, она наблюдается
практически у всех газов на частотах
вблизи линий поглощения, однако у паров
йода она достаточно удобна для наблюдения
в оптическом диапазоне, где они очень
сильно поглощают свет.
Дисперсия света позволила впервые
вполне убедительно показать составную
природу белого света. Белый свет
разлагается на спектр и
в результате прохождения через дифракционную
решётку или отражения от нее (это не связано
с явлением дисперсии, а объясняется природой
дифракции). Дифракционный и призматический
спектры несколько отличаются: призматический
спектр сжат в красной части и растянут
в фиолетовой и располагается в порядке
убывания длины волны: от красного к фиолетовому;
нормальный (дифракционный) спектр — равномерный
во всех областях и располагается в порядке
возрастания длин волн: от фиолетового
к красному.
По аналогии с дисперсией света,
также дисперсией называются и сходные
явления зависимости распространения
волн любой другой природы от длины
волны (или частоты). По этой причине,
например, термин закон
дисперсии, применяемый как название количественного
соотношения, связывающего частоту и волновое
число, применяется не только к электромагнитной
волне, но к любому волновому процессу.
Коши пришел
к формуле, выражающей зависимость показателя
преломления среды от длины волны:
…,
где:
- — длина волны в вакууме;
- a, b, c, … — постоянные, значения которых для каждого вещества должны быть определены в опыте. В большинстве случаев можно ограничиться двумя первыми членами формулы Коши.
Дифракционная решетка
Дифракционная решетка – это оптический прибор, предназначенный для наблюдения дифракции света.
Дифракционная решетка представляет собой систему параллельных щелей равной ширины, лежащих в одной плоскости и разделенных равными по ширине непрозрачными промежутками.
Дифракционную решетку применяют для разложения света в спектр и измерения длин световых волн.
Период решетки – это величина, равная сумме ширины прозрачной и непрозрачной полос решетки.
Обозначение – \( d \), единица измерения в СИ – м.
где \( a \) – ширина прозрачной полосы; \( b \) – ширина непрозрачной полосы.
Если решетка регулярна, т. е. ее прозрачные и непрозрачные полосы имеют одинаковую ширину, то период решетки можно рассчитать, разделив ее длину на число штрихов:
где \( l \) – длина решетки, \( N \) – число штрихов.
Формула дифракционной решетки
где \( d \) – период решетки; \( \varphi \) – угол дифракции; \( k \) = 0; 1; 2… – порядок максимума, считая от центрального \( k \) = 0 и расположенного напротив центра решетки; \( \lambda \) – длина волны, падающей на решетку нормально к ней.
Если дифракционная решетка освещается белым светом, то при \( k \) ≠ 0 разным длинам волн будут соответствовать разные дифракционные углы. Поэтому положение главных максимумов ненулевого порядка будет различным. Центральный максимум (\( k \) = 0) остается белым, т. к. при \( k \) = 0 для всех длин волн \( \varphi \) = 0, т. е. положение главного максимума для всех длин волн одинаково. Все остальные максимумы имеют вид радужных полос, называемых дифракционными спектрами первого порядка (\( k \) = 1), второго порядка (\( k \) = 2) и т. д. Ближе к центральному максимуму находится фиолетовый край спектра, дальше всего – красный, т. к. \( \lambda_{фиол}<\lambda_{кр} \), то и \( \varphi_{фиол}<\varphi_{кр} \).
Важно!
Поскольку углы, под которыми наблюдаются максимумы первого и второго порядка, не превышают 5°, можно вместо синусов углов использовать их тангенсы
3.1. Основное открытие Ньютона в оптике
Занимаясь усовершенствованием
телескопов
Ньютон обратил внимание
на то, что изображение, даваемое объективом,
по краям окрашено. Он заинтересовался
этим и первый «исследовал разнообразие
световых лучей и проистекающие
отсюда особенности цветов, каких
до того никто даже не подозревал» (слова
из надписи на надгробном памятнике
Ньютону)
Радужную окраску изображения,
даваемого линзой, наблюдали, конечно,
и до него. Было замечено также, что
радужные края имеют предметы, рассматриваемые
через призму. Пучок световых лучей,
прошедший через призму, окрашивается
по краям.
Основной опыт Ньютона
был гениально прост. Ньютон догадался
направить на призму световой пучок
малого поперечного сечения. Пучок
солнечного света проходил в затемненную
комнату через маленькое отверстие
в ставне. Падая на стеклянную призму,
он преломлялся и давал на противоположной
стене удлиненное изображение с
радужным чередованием цветов. Стилизованное
изображение опыта Ньютона показано
на рисунке 01. Следуя многовековой традиции,
согласно которой радуга считалась
состоящей из семи основных цветов.
Ньютон тоже выделил семь цветов: фиолетовый,
синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый
и красный.
Радужную полоску Ньютон
назвал спектром (от лат. Spectrum – видение).
В количестве цветов Ньютон определился
не сразу. Сначала он увидел 5 цветов,
затем только 4 и 10, но увидев гармонию
между 7 нотами в октаве,7 днями недели
и других совпадений с числом 7, он
остановился на семи основных цветах.
На рисунке 1 представлено
разложение света через призму в
опыте Ньютона.
Закрыв отверстие красным
стеклом. Ньютон наблюдал на стене только
красное пятно, закрыв синим стеклом,
наблюдал синее пятно и т. д. Отсюда
следовало, что не призма окрашивает
белый свет, как предполагалось раньше.
Призма не изменяет свет, а лишь разлагает
его на составные части, как приведено
в приложении 1.
Белый свет имеет сложную
структуру. Из него можно выделить пучки
различных цветов, и лишь совместное
их действие вызывает у нас впечатление
белого цвета.
4.1. Освещение белым и цветным светом
Если сложить света
различных цветов, то можно получить
цветовую гамму от белого до любого
желаемого оттенка любого цвета.
Если же смешивать акварельные или
масляные краски, то белого никогда
не получится.
Кроющие краски – поглощают
свет в тонком слое. Лессировочные
краски – краски, действие которых
обусловлено участием многих слоев
зерен. При смешивании зерен красных
и зеленых получается темный тон,
т.к. красные зерна поглощают зеленый
цвет, а зеленые зерна поглощают
красный цвет и из слоя красок свет
вообще выходить не будет.
При дневном освещении
все цвета хорошо видны; красный,
желтый и зеленый кажутся особенно
яркими, т.к. в дневном свете лучей
такого цвета больше остальных; при
освещении шарфов монохроматическими
цветами будет виден только шарф,
цвет которого совпадает с цветом
светофильтра и белый, цвет которого
будет цвета падающего цвета:
фиолетовый и ярко фиолетовый; синий
и ярко синий; зеленый и ярко зеленый;
красный и ярко красный т.д. Остальные
будут не видны, т.к. будут казаться
черными, потому что цвет виден при
хорошем коэффициенте отражения
этого цвета.
Цвета нередко различают
по чистоте оттенка, т.е. по насыщенности
цвета. Таким качеством обладают
драпированные или бархатные
ткани, реющие знамена, т.к. при многократном
отражении света от неровной поверхности
и складок, доля преобладающего цвета
усиливается по сравнению с остальными,
что приводит к получению достаточной
насыщенности цвета.
Государственный флаг РФ представляет
собой прямоугольное полотнище
из трех равновеликих горизонтальных
полос: верхней – белого, средней
– синего и нижней – красного
цвета.
В настоящее время чаще
всего используется следующая трактовка
значений цветов флага России: белый
цвет означает мир, чистоту, непорочность,
совершенство; синий – цвет веры и верности,
постоянства; красный цвет символизирует
энергию и силу Отечества.
