Svaki lovac želi znati gdje fazan sjedi. Kao što se sjećamo, ovaj izraz označava slijed boja spektra: crvena, narančasta, žuta, zelena, plava, indigo i ljubičasta. Tko je pokazao da je bijela boja zbroj svih boja, kakve veze s tim imaju duga, prekrasni zalasci i svitanja sunca, sjaj dragog kamenja? Na sva ova pitanja odgovara naša lekcija čija je tema: “Raspršivanje svjetlosti”.
Sve do druge polovice 17. stoljeća nije bilo potpuno jasno što je to boja. Neki su znanstvenici govorili da je to svojstvo samog tijela, neki su tvrdili da se radi o različitim kombinacijama svjetla i tame, brkajući tako pojmove boje i osvjetljenja. Takav kaos boja vladao je sve dok Isaac Newton nije proveo eksperiment propuštanja svjetlosti kroz prizmu (slika 1).
Riža. 1. Put zraka u prizmi ()
Prisjetimo se da se zraka koja prolazi kroz prizmu lomi pri prelasku iz zraka u staklo, a zatim još jednom - sa stakla na zrak. Putanja zraka opisuje se zakonom loma, a stupanj odstupanja karakterizira indeks loma. Formule koje opisuju ove pojave:
Riža. 2. Newtonov pokus ()
U mračnoj prostoriji uski snop sunčeve svjetlosti prodire kroz kapke; Newton mu je na putu postavio staklenu trokutastu prizmu. Snop svjetlosti koji je prolazio kroz prizmu lomio se u njemu, a na ekranu iza prizme pojavila se višebojna traka koju je Newton nazvao spektrom (od latinskog "spektra" - "vizija"). Bijela se boja pretvorila u sve boje odjednom (slika 2). Koje je zaključke izveo Newton?
1. Svjetlost ima složenu strukturu (moderno rečeno, bijela svjetlost sadrži elektromagnetske valove različitih frekvencija).
2. Svjetlost različitih boja razlikuje se po stupnju loma (karakterizirana različitim indeksima loma u određenom mediju).
3. Brzina svjetlosti ovisi o sredstvu.
Newton je te zaključke iznio u svojoj poznatoj raspravi "Optika". Koji je razlog ovakvom razlaganju svjetlosti na spektar?
Kao što je pokazao Newtonov pokus, crvena se najslabije lomi, a ljubičasta se najviše lomi. Podsjetimo se da je stupanj loma svjetlosnih zraka karakteriziran indeksom loma n. Crvena boja se razlikuje od ljubičaste po učestalosti; crvena ima nižu učestalost od ljubičaste. Budući da indeks loma raste kako se krećemo od crvenog kraja spektra prema ljubičastom kraju, možemo zaključiti da se indeks loma stakla povećava kako se povećava frekvencija svjetlosti. To je bit fenomena disperzije.
Prisjetimo se kako je indeks loma povezan s brzinom svjetlosti:
n ~ ν; V ~ => ν =
n - indeks loma
C - brzina svjetlosti u vakuumu
V - brzina svjetlosti u sredstvu
ν - frekvencija svjetlosti
To znači da što je veća frekvencija svjetlosti, manja je brzina širenja svjetlosti u staklu, stoga je najveća brzina unutar staklene prizme crvena, a najmanja ljubičasta.
Razlika u brzinama svjetlosti za različite boje javlja se samo u prisutnosti medija, prirodno, u vakuumu se svaka zraka svjetlosti bilo koje boje širi istom brzinom m/s. Tako smo saznali da je razlog razgradnje bijele boje na spektar fenomen disperzije.
Disperzija- ovisnost brzine širenja svjetlosti u sredstvu o njegovoj frekvenciji.
Fenomen disperzije, koji je otkrio i proučavao Newton, čekao je svoje objašnjenje više od 200 godina, tek je u 19. stoljeću nizozemski znanstvenik Lawrence predložio klasičnu teoriju disperzije.
Razlog za ovu pojavu je međudjelovanje vanjskog elektromagnetskog zračenja, odnosno svjetlosti s medijem: što je veća frekvencija tog zračenja, to je međudjelovanje jače, što znači da će snop više skrenuti.
Disperzija o kojoj smo govorili naziva se normalnom, odnosno indikator frekvencije raste ako se povećava frekvencija elektromagnetskog zračenja.
U nekim rijetkim medijima moguća je anomalna disperzija, odnosno indeks loma medija raste s padom frekvencije.
Vidjeli smo da svaka boja odgovara određenoj valnoj duljini i frekvenciji. Val koji odgovara istoj boji u različitim medijima ima istu frekvenciju, ali različite valne duljine. Najčešće, kada se govori o valnoj duljini koja odgovara određenoj boji, misli se na valnu duljinu u vakuumu ili zraku. Svjetlo koje odgovara svakoj boji je monokromatsko. "Mono" znači jedan, "chromos" znači boja.
Riža. 3. Raspored boja u spektru prema valnim duljinama u zraku ()
Najveća valna duljina je crvena (valna duljina - od 620 do 760 nm), najkraća valna duljina je ljubičasta (od 380 do 450 nm) i pripadajuće frekvencije (sl. 3). Kao što vidite, u tablici nema bijele boje, bijela boja je zbroj svih boja, ova boja ne odgovara nijednoj strogo definiranoj valnoj duljini.
Što objašnjava boje tijela koja nas okružuju? Oni se objašnjavaju sposobnošću tijela da reflektira, odnosno raspršuje zračenje koje pada na njega. Na primjer, bijela boja, koja je zbroj svih boja, padne na neko tijelo, ali to tijelo najbolje odražava crvenu boju, a upija druge boje, tada će nam se činiti upravo crveno. Tijelo koje najbolje odražava plavo će izgledati plavo, i tako dalje. Ako tijelo reflektira sve boje, na kraju će izgledati bijelo.
Upravo disperzija svjetlosti, odnosno ovisnost indeksa loma o frekvenciji vala, objašnjava prekrasan fenomen prirode - dugu (slika 4).
Riža. 4. Fenomen duge ()
Duge nastaju kada se sunčeva svjetlost lomi i odbija od kapljica vode, kiše ili magle koje lebde u atmosferi. Ove kapljice odbijaju svjetlost različitih boja na različite načine, pa se bijela boja razlaže u spektar, odnosno dolazi do disperzije, promatrač koji stoji leđima okrenut izvoru svjetlosti vidi višebojni sjaj koji izvire iz svemira; duž koncentričnih lukova.
Disperzija također objašnjava nevjerojatnu igru boja na stranama dragog kamenja.
1. Fenomen disperzije je razlaganje svjetlosti na spektar, zbog ovisnosti indeksa loma o frekvenciji elektromagnetskog zračenja, odnosno frekvenciji svjetlosti. 2. Boja tijela određena je sposobnošću tijela da reflektira ili rasprši određenu frekvenciju elektromagnetskog zračenja.
Bibliografija
- Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fizika (osnovna razina) - M.: Mnemosyne, 2012.
- Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Fizika 10. razred. - M.: Mnemosyne, 2014.
- Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizika - 9, Moskva, Obrazovanje, 1990.
Domaća zadaća
- Koje je zaključke izveo Newton nakon svog pokusa s prizmom?
- Definirajte disperziju.
- Što određuje boju tijela?
- Internet portal B -i-o-n.ru ().
- Internet portal Sfiz.ru ().
- Internet portal Femto.com.ua ().
Difrakcija I disperzija- tako lijepe i slične riječi koje zvuče kao glazba za uši fizičara! Kao što su svi već pogodili, danas više ne govorimo o geometrijskoj optici, već o pojavama uzrokovanim upravo valna priroda svjetlosti.
Disperzija svjetla
Dakle, što je fenomen disperzije svjetlosti? U ispitivali smo zakon loma svjetlosti. Tada nismo razmišljali, odnosno nismo se sjetili da svjetlost (elektromagnetski val) ima određenu duljinu. Prisjetimo se:
Svjetlo– elektromagnetski val. Vidljivo svjetlo je valne duljine u rasponu od 380 do 770 nanometara.
Dakle, stari Newton primijetio je da indeks loma ovisi o valnoj duljini. Drugim riječima, crvena svjetlost, koja pada na površinu i lomi se, odstupat će pod drugačijim kutom od žute, zelene i tako dalje. Ta se ovisnost naziva disperzija.
Propuštanjem bijele svjetlosti kroz prizmu možete stvoriti spektar koji se sastoji od svih duginih boja. Ovaj fenomen se izravno objašnjava disperzijom svjetlosti. Budući da indeks loma ovisi o valnoj duljini, to znači da ovisi i o frekvenciji. Sukladno tome, brzina svjetlosti za različite valne duljine u materiji također će biti različita
Disperzija svjetla– ovisnost brzine svjetlosti u tvari o frekvenciji.
Gdje se koristi disperzija svjetla? Da posvuda! Ovo nije samo lijepa riječ, već i lijepa pojava. Disperzija svjetla u svakodnevnom životu, prirodi, tehnici i umjetnosti. Na primjer, disperzija se nalazi na naslovnici albuma Pink Floyd.
Difrakcija svjetlosti
Prije difrakcije morate reći o njenom "prijatelju" - smetnje. Uostalom, interferencija i difrakcija svjetlosti su pojave koje se promatraju istovremeno.
Interferencija svjetla- to je kada dva koherentna svjetlosna vala, kada se preklapaju, pojačavaju ili, naprotiv, slabe jedan drugog.
Valovi su koherentan, ako je njihova fazna razlika konstantna u vremenu, a kada se zbroje, dobije se val iste frekvencije. Hoće li nastali val biti pojačan (interferencijski maksimum) ili obrnuto oslabljen (interferencijski minimum) ovisi o razlici u fazama titranja. Maksimum i minimum tijekom interferencije se izmjenjuju, tvoreći interferencijski uzorak.
Difrakcija svjetlosti– još jedna manifestacija valnih svojstava. Čini se da bi zraka svjetlosti uvijek trebala putovati ravnom linijom. Ali ne! Pri susretu s preprekom svjetlo skreće od svog prvobitnog smjera, kao da obilazi prepreku. Koji su uvjeti potrebni za promatranje difrakcije svjetlosti? Zapravo, ovaj fenomen se opaža na objektima bilo koje veličine, ali na velikim objektima ga je teško i gotovo nemoguće uočiti. To se najbolje može učiniti na preprekama koje su veličine usporedive s valnom duljinom. U slučaju svjetlosti, to su vrlo male prepreke.
Difrakcija svjetlosti je pojava odstupanja svjetlosti od pravocrtnog smjera pri prolasku u blizini prepreke.
Difrakcija se ne pojavljuje samo kod svjetlosti, već i kod drugih valova. Na primjer, za zvuk. Ili za valove na moru. Sjajan primjer difrakcije je kako čujemo pjesmu Pink Floyda iz automobila u prolazu dok stojimo iza ugla. Kada bi se zvučni val širio izravno, on jednostavno ne bi došao do naših ušiju, a mi bismo stajali u potpunoj tišini. Slažem se, dosadno je. Ali difrakcija je puno zabavnija.
Za promatranje fenomena difrakcije koristi se poseban uređaj - difrakcijska rešetka. Difrakcijska rešetka je sustav prepreka koje su veličine usporedive s valnom duljinom. To su posebni paralelni potezi ugravirani na površini metalne ili staklene ploče. Razmak između rubova susjednih proreza rešetke naziva se period rešetke ili njegova konstanta.
Što se događa sa svjetlom kada prođe kroz difrakcijsku rešetku? Kada svjetlosni val udari u rešetku i naiđe na prepreku, prolazi kroz sustav prozirnih i neprozirnih područja, uslijed čega se dijeli na zasebne zrake koherentne svjetlosti, koje nakon difrakcije interferiraju jedna s drugom. Svaka valna duljina otklonjena je za određeni kut, a svjetlost se rastavlja u spektar. Kao rezultat toga, promatramo difrakciju svjetlosti na rešetki
Formula difrakcijske rešetke:
Ovdje d– period rešetke, fi– kut otklona svjetlosti nakon prolaska kroz rešetku, k– red difrakcijskog maksimuma, lambda– valna duljina.
Danas smo naučili što su pojave difrakcije i disperzije svjetlosti. U kolegiju optike vrlo su česti zadaci na temu interferencije, disperzije i difrakcije svjetlosti. Autori udžbenika jako vole takve probleme. Isto se ne može reći za one koji ih moraju riješiti. Ako se želite lako nositi sa zadacima, razumjeti temu, a istovremeno uštedjeti vrijeme, kontaktirajte. Oni će vam pomoći da se nosite s bilo kojim zadatkom!
Ponekad, kad sunce ponovno izađe nakon jakog pljuska, možete vidjeti dugu. To se događa jer je zrak zasićen sitnom vodenom prašinom. Svaka kap vode u zraku djeluje kao sićušna prizma, cijepajući svjetlost u različite boje.
Prije otprilike 300 godina I. Newton je sunčeve zrake propustio kroz prizmu. Otkrio je da je bijela svjetlost “prekrasna mješavina boja”.
Ovo je zanimljivo… Zašto postoji samo 7 boja u spektru bijele svjetlosti?
Na primjer, Aristotel je naveo samo tri dugine boje: crvenu, zelenu i ljubičastu. Newton je prvi identificirao pet duginih boja, a kasnije deset. Međutim, kasnije se odlučio za sedam boja. Izbor se najvjerojatnije objašnjava činjenicom da se broj sedam smatrao "magičnim" (sedam svjetskih čuda, sedam tjedana itd.).
Disperziju svjetlosti prvi je eksperimentalno otkrio Newton 1666. godine, kada je uski snop sunčeve svjetlosti prošao kroz staklenu prizmu. U spektru bijele svjetlosti koji je dobio identificirao je sedam boja: iz ovog eksperimenta Newton je zaključio da se "svjetlosne zrake koje se razlikuju po boji razlikuju po stupnju loma." Najviše se lome ljubičaste zrake, a najmanje crvene.
Bijela svjetlost je složena svjetlost sastavljena od različitih valnih duljina (frekvencija). Svaka boja ima svoju valnu duljinu i frekvenciju: crvena, narančasta, zelena, plava, indigo, ljubičasta - ovo razlaganje svjetlosti naziva se spektrom.
Valovi različitih boja različito se lome u prizmi: manje crvene, više ljubičaste. Prizma odbija valove različitih boja pod različitim kutovima. Ovo se ponašanje objašnjava činjenicom da kada svjetlosni valovi prolaze iz zraka u staklenu prizmu, brzina "crvenih" valova mijenja se manje od brzine "ljubičastih". Dakle, što je valna duljina kraća (što je veća frekvencija), to je veći indeks loma medija za takve valove.
Disperzija je ovisnost indeksa loma svjetlosti o frekvenciji (ili valnoj duljini) vibracije.
Za valove različitih boja, indeksi loma određene tvari su različiti; Kao rezultat toga, kada se skrene prizmom, bijela svjetlost se razlaže na domet.
Kada monokromatski svjetlosni val prelazi iz zraka u materiju, valna duljina svjetlosti se smanjuje, frekvencija titranja ostaje nepromijenjena. Boja ostaje nepromijenjena.
Kada se sve boje spektra superponiraju, nastaje bijela svjetlost.
Zašto vidimo predmete obojene? Boja ne stvara boju, selektivno apsorbira ili reflektira svjetlost.
Osnovni sažetak:
Pitanja za samokontrolu na temu "Disperzija svjetlosti"
- Kako se naziva disperzija svjetlosti?
- Nacrtajte dijagrame za dobivanje spektra bijele svjetlosti pomoću staklene prizme.
- Zašto bijela svjetlost stvara spektar kada prolazi kroz prizmu?
- Usporedite indekse loma crvene i ljubičaste svjetlosti.
- Koja svjetlost putuje brže u prizmi - crvena ili ljubičasta?
- Kako objasniti raznolikost boja u prirodi sa stajališta valne optike?
- Koje boje će okolni objekti biti vidljivi kroz crveni filter? Zašto?
Uvod
Poglavlje I. Disperzija svjetla
1.1. Lom snopa svjetlosti u prizmi
1.2. Otkriće fenomena disperzije
1.3. Prvi pokusi s prizmama. Ideje o uzrocima boja prije Newtona.
1.4. Newtonovi pokusi s prizmama. Newtonova teorija o podrijetlu boja
1.5. Otkriće anomalne disperzije svjetlosti. Kundtovi pokusi
G lava II. Disperzija u prirodi
2.1. Duga
poglavlje III. Eksperimentalna postavka za promatranje miješanja boja
3.1. Opis instalacije
3.2. Eksperimentalna postavka
Zaključak
Književnost
Uvod.
Disperzija svjetlosti. U životu se uvijek susrećemo s ovom pojavom, ali je ne primjećujemo uvijek. Ali ako smo oprezni, fenomen disperzije nas uvijek okružuje. Jedan takav fenomen je obična duga. Vjerojatno ne postoji osoba koja se ne divi dugi. Postoji staro englesko vjerovanje da se lonac sa zlatom nalazi u podnožju duge. Na prvi pogled, duga je nešto jednostavno; zapravo, kada se duga pojavi, događaju se složeni fizički procesi. Vjerojatno sam zato i odabrao temu disperzije svjetlosti kako bih bolje razumio fizikalne procese i pojave u prirodi. Ovo je vrlo zanimljiva tema iu svom kolegiju pokušat ću prikazati sve trenutke koji su se događali u povijesti razvoja znanosti o svjetlosti i prikazati eksperimente na mojoj eksperimentalnoj postavi, dizajniranoj posebno za promatranje disperzije svjetlosti. Prilikom izrade ove instalacije oslanjao sam se na tzv. Newtonov krug, koji mi je bio potreban da bih se pripremio za seminar iz fizike i shvatio “princip rada” ovog uređaja. Također je bilo potrebno
1. proučiti literaturu o ovoj temi, proučiti razne demonstracijske instalacije koje se koriste u nastavi fizike i uzimajući u obzir uvjete teorijske i materijalne baze,
2. Izrađena je pokazna instalacija za promatranje zbrajanja boja, koja se naknadno može koristiti u nastavi fizike pri proučavanju disperzije svjetlosti.
Disperzija svjetla
1.1. Lom snopa svjetlosti u prizmi
Prolazeći kroz prizmu, sunčeva zraka ne samo da se lomi, već se i razlaže na različite boje. Razmotrimo lom zrake u prizmi. Strogo govoreći, to znači da se ovdje pretpostavlja da je svjetlosni snop jednobojan ili, kako se to u fizici obično naziva, monokromatski
| N |
| M |
Disperzija svjetlosti je ovisnost indeksa loma n tvari o frekvenciji f (valnoj duljini ) svjetlosti ili ovisnost fazne brzine svjetlosnih valova o frekvenciji. Posljedica disperzije svjetlosti je razlaganje u spektar snopa bijele svjetlosti pri prolasku kroz prizmu. Proučavanje ovog spektra dovelo je I. Newtona (1672.) do otkrića disperzije svjetlosti. Za tvari koje su prozirne u određenom području spektra, n raste s povećanjem f (smanjuje se), što odgovara raspodjeli boja u spektru; ova ovisnost n o f naziva se normalnom disperzijom svjetlosti. Pokus razlaganja bijele svjetlosti na spektar: Newton je kroz malu rupu usmjerio zraku sunčeve svjetlosti na staklenu prizmu.
Pri udaru u prizmu zraka se lomila i na suprotnoj stijenci davala izduženu sliku s duginim izmjenjivanjem boja - spektrom.
Pokus prolaska monokromatske svjetlosti kroz prizmu: Newton je na putanju sunčeve zrake stavio crveno staklo iza kojeg je primio monokromatsku svjetlost (crveno), zatim prizmu i na ekranu promatrao samo crvenu mrlju od svjetlosne zrake. .
Iskustvo u sintezi (proizvodnji) bijele svjetlosti:
Prvo je Newton usmjerio zraku sunčeve svjetlosti na prizmu. Zatim, prikupivši obojene zrake koje izlaze iz prizme pomoću sabirne leće, Newton je umjesto obojene trake dobio bijelu sliku rupe na bijelom zidu.
Newtonovi zaključci:
Prizma ne mijenja svjetlost, već je samo rastavlja na komponente
Svjetlosne zrake koje se razlikuju po boji razlikuju se po stupnju loma; Najjače se lome ljubičaste zrake, slabije crvene
Crvena svjetlost, koja se manje lomi, ima najveću brzinu, a ljubičasta najmanju, pa prizma razlaže svjetlost.
Ovisnost indeksa loma svjetlosti o njezinoj boji naziva se disperzija.
Prizma razlaže svjetlost
Bijelo svjetlo je složeno
Ljubičaste zrake se lome jače od crvenih.
Boja svjetlosne zrake određena je frekvencijom vibracije.
Pri prelasku iz jednog medija u drugi mijenja se brzina svjetlosti i valna duljina, ali frekvencija koja određuje boju ostaje konstantna.
Kontinuirani spektri - daju tijela u krutom ili tekućem stanju, kao i visoko komprimirane plinove. (To uključuje solarni spektar ili spektar lučne svjetiljke).
Linijski spektri - daju sve tvari u plinovitom atomskom (ali ne i molekularnom) stanju. (Obično se za promatranje ovih spektara koristi sjaj pare tvari u plamenu ili sjaj plinskog pražnjenja u cijevi ispunjenoj plinom koji se proučava).
Trakasti spektri - sastoje se od pojedinačnih traka odvojenih tamnim razmacima. Oni nisu stvoreni od atoma, već od molekula koje nisu međusobno povezane ili su slabo povezane. (Za promatranje koristiti sjaj pare u plamenu ili sjaj plinskog izboja).
Apsorpcijski spektri – zajednički tvore tamne linije (apsorpcijske linije) na pozadini kontinuiranog spektra. Apsorpcija svjetlosti od tvari ovisi o valnoj duljini.
Lom svjetlosti u lećama
Leća je prozirno tijelo omeđeno dvjema zakrivljenim ili zakrivljenim i ravnim površinama.
U većini slučajeva koriste se leće čije su površine sferične. Leća se naziva tankom ako je njezina debljina d mala u usporedbi s polumjerima zakrivljenosti njezinih površina R1 i R2. Inače se leća naziva debelom. Glavna optička os leće je ravna crta koja prolazi kroz središta zakrivljenosti njezinih površina. Možemo pretpostaviti da se kod tanke leće sjecišne točke glavne optičke osi s obje plohe leće spajaju u jednu točku O, koja se naziva optičko središte leće. Tanka leća ima jednu glavnu ravninu, zajedničku objema površinama leće i koja prolazi kroz optičko središte leće okomito na njezinu glavnu optičku os. Sve ravne linije koje prolaze kroz optičko središte leće i ne podudaraju se s njezinom glavnom optičkom osi nazivaju se sekundarnim optičkim osima leće. Zrake koje putuju duž optičke osi leće (glavne i sporedne) ne doživljavaju lom.
Formula tankih leća:
gdje su n21 = n2/n1, n2 i n1 apsolutni indeksi loma za materijal leće i okolinu, R1 i R2 polumjeri zakrivljenosti prednje i stražnje (u odnosu na objekt) površine leće, a1 i a2 su udaljenosti do predmeta i njegove slike, mjerene od optičkog središta leće duž njene glavne optičke osi.
Vrijednost se naziva žarišna duljina leće. Točke koje leže na glavnoj optičkoj osi leće s obje strane optičkog središta na jednakim udaljenostima jednakim f nazivamo glavnim žarištima pravca. Ravnine koje prolaze kroz glavna žarišta F1 i F2 leće okomite na njezinu glavnu optičku os nazivaju se žarišne ravnine leće. Sjecišta sekundarnih optičkih osi sa žarišnim ravninama leće nazivaju se sekundarnim žarištima leće.
Leća se naziva konvergentna (pozitivna) ako joj je žarišna duljina f >0. Leća se naziva divergentnom (negativnom) ako joj je žarišna duljina f<0.
Za n2 >n1, sabirne leće su bikonveksne, plankonveksne i konkavno-konveksne (pozitivne meniskusne leće), postaju tanje od središta prema rubovima; divergentne leće su bikonkavne, ravno-konkavne i konveksno-konkavne leće (negativni meniskusi), zadebljavaju se od središta prema rubovima. Za p2
