Дисперсия объясняет явление. Дисперсия света

Окружающий мир наполнен миллионами разнообразных оттенков. Благодаря свойствам света каждый предмет и объект вокруг нас имеет определенный цвет, воспринимаемый человеческим зрением. Изучение световых волн и их характеристик позволило людям глубже взглянуть на природу света и явления, связанные с ним. Сегодня поговорим о дисперсии.

Природа света

С физической точки зрения свет представляет собой сочетание электромагнитных волн с разными значениями длины и частоты. Глаз человека воспринимает не любой свет, а только лишь тот, длина волн которого колеблется от 380 до 760 нм. Остальные разновидности остаются для нас невидимыми. К ним, например, относятся инфракрасное и ультрафиолетовое излучения. Знаменитый ученый Исаак Ньютон представлял свет как направленный поток самых мелких частиц. И лишь позже было доказано, что он по своей природе является волной. Однако Ньютон все же был отчасти прав. Дело в том, что свет обладает не только волновыми, но и корпускулярными свойствами. Это подтверждается всем известным явлением фотоэффекта. Выходит, что световой поток имеет двоякую природу.

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.

Каждый из нас когда-нибудь видел, как переливаются лучи на граненых изделиях из стекла или, например, на бриллиантах. Наблюдать это можно благодаря такому явлению, как дисперсия света. Это эффект, отражающий зависимость показателя преломления предмета (вещества, среды) от длины (частоты) световой волны, которая проходит через этот предмет. Следствием такой зависимости является разложение луча на цветовой спектр, например, при прохождении через призму. Дисперсия света выражается следующим равенством:

где n - показатель преломления, ƛ - частота, а ƒ - длина волны. Показатель преломления увеличивается с ростом частоты и уменьшением длины волны. Дисперсию мы нередко наблюдаем в природе. Самым красивым ее проявлением является радуга, которая образуется благодаря рассеиванию солнечных лучей при прохождении их через многочисленные капли дождя.

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.

Открытие Ньютона

Благодаря пытливому уму этого выдающегося ученого было доказано, что белый свет не является основным, и что остальные цвета возникают вовсе не в результате взаимодействия света и темноты в разных соотношениях. Ньютон опроверг эти убеждения и показал, что белый свет является составным по своей структуре, его образуют все цвета светового спектра, называемые монохроматическими. В результате прохождения светового пучка через призму разнообразие цветов образуется из-за разложения белого света на составляющие его волновые потоки. Такие волны с разной частотой и длиной преломляются в среде по-разному, образуя определенный цвет. Ньютон поставил опыты, которые до сих пор используются в физике. Например, эксперименты со скрещенными призмами, с использованием двух призм и зеркала, а также пропускание света через призмы и перфорированный экран. Теперь нам известно, что разложение света на цветовой спектр происходит вследствие различной скорости прохождения волн с разной длиной и частотой сквозь прозрачное вещество. В результате одни волны выходят из призмы раньше, другие - чуть позже, третьи - еще позже и так далее. Так и происходит разложение светового потока.

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.

МОУ Алексеевская средняя общеобразовательная школа

Тема работы

«Дисперсия света, цвет и человек»

Вид работы – проблемно-реферативная

Учитель физики 1 квалификационной категории

Стекольников Всилий Георгиевич

2010 год

Введение ………………………………………………………….. 3

1. Дисперсия света ……………………………………………………4

2. Немного из истории цвета ………………………………………….5

3. Влияние цвета на человека………………………………………….7

4. Какого цвета ваш характер? ..............................................................8

5. Цвет и звук …………………………………………………………..9

6. Лечебное воздействие цвета ………………………………………..11

7. Группа крови и цвет …………………………………………………12

8. Цвет автомобиля и ДТП на дороге………………………………… 13

учебных кабинетов ………………………………………………….14

10. Заключение …………………………………………………………15

11. Список использованной литературы …………………………….. 16

Введение

В данной работе поставлены следующие задачи:

Раскрыть интересные факты о том, как цвет влияет на характер человека, какое лечебное воздействие оказывает цвет, какова связь между цветом и звуком, фантастические на первый взгляд перспективы «цветного озвучивания» космоса, какова связь между группой крови человека и цветом, о том, какая интересная зависимость существует между человеком и цветом. Немного затрагиваются малоисследованные наукой факты существования биополя человека и любого предмета, их взаимовлияние друг на друга. Также факт умелого использования великих художников и композиторов влияния цветового оформления картин и произведений для их лучшего восприятия человеком на подсознательном уровне через цвет.

Показать влияние цветового оформления учебных кабинетов, школьных коридоров, спортзалов и мастерских на успешное обучение учащихся, на их психическое состояние, а в зависимости от этого и здоровье.

1. Дисперсия света

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 проистекавшие отсюда особенности цветов, каких до того никто даже не подозревал» (слова из надписи на надгробном памятнике Ньютону). Радужную окраску изображения, даваемое линзой, наблюдали, конечно, и до него. Было замечено, также, что радужные имеют предметы, рассматриваемые через призму, Пучок световых лучей, прошедших через призму, окрашивается по краям.

https://pandia.ru/text/78/320/images/image002_36.jpg" width="124" height="112">
И. Ньютон () Опыт Ньютона Дисперсия света

Основной опыт Ньютона был гениально прост. Он догадался направить на призму световой луч малого поперечного сечения. Пучок солнечного света проходил в затемненную комнату через маленькое отверстие в стене. Падая на стеклянную призму, он преломлялся и давал на противоположной стене удлиненное изображение с радужным чередованием цветов. Следуя многовековой традиции, согласно которой радуга считалась состоящей из 7 цветов, Ньютон тоже выделил 7 цветов: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый, красный. Саму радужную полоску Ньютон назвал спектром.

https://pandia.ru/text/78/320/images/image005_27.jpg" align="left" width="150" height="100 src=">

Виды спектров

Важный вывод, к которому пришел Ньютон, был сформулирован им в трактате по «Оптике» следующим образом: «Световые лучи, отличающие по цвету, отличаются по степени преломляемости». Наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, меньше других-красные. Зависимость показателя преломления света от его цвета Ньютон назвал дисперсией .

2. Немного из истории цвета

В Англии был такой случай. На своего соседа пожаловались в суд жители домов, расположенных напротив. Дело в том, что, ядрено-канареечный цвет, в который англичанин выкрасил фасад своего дома, и черные рамы вызывали у местных жителей головную боль. По предписанию суда владелец яркого особняка вынужден был его перекрасить.

Колл" href="/text/category/koll/" rel="bookmark">коллег российские текстильные фабрики в 90-х годах, производили в основном ткани трех мрачных цветов; серого, коричневого и черного. По мнению, психологов такая цветовая гамма построена на оттенках разрушения. Полюбившимся постперестроечным россиянам сложные цвета жухлой осени, прошлогодних листьев и увядания, психологи называют грязноватистыми, тухлыми и нездоровыми.

Развитие цвета связано со 100-летним циклом, утверждает кандидат наук, один из первых российских ученых-колористов, преподаватель столичной Текстильной академии Светлана Жученкова. Концу столетия, как правило соответствуют сложные цвета; сиреневый, болотно-зеленый, серо-синий, а также бледные и нежные цвета. Простые цвета; белый, черный, красный и желтый-более характерны для начала века.

В тоже время нельзя не считаться с национальной психологией. Так, например, если в Америке мужчина идет устраиваться на работу в коричневом костюме, то он вряд ли получит это место. Французы предпочитают острые тона и любят контрасты, итальянцы - более мягкие цвета. Азия тяготеет к желтому, голубому и немного вульгарному, рыжему, прибалты - к зеленому и коричневому. Москва отличается пестрой гаммой, а Санкт-Петербург - «эстетствующей».

https://pandia.ru/text/78/320/images/image009_25.jpg" width="109" height="150">

В свое время Сталин, последовав примеру Наполеона, создавшего вычурный и помпезный цветовой стиль для увековечивания в архитектуре и живописи пышности своих побед, требовал строить порталы и арки в величественном стиле Наполеона, демонстрируя обликом страны собственное величие. С цветовой гаммой вождь народов обошелся более сурово. Из 160 цветов, каждый из которых в царской Росси имел свое название, сохранилось лишь несколько десятков. Послереволюционные цвета в истории колористики России вообще отсутствуют как жанр. В сталинскую эпоху существовали ограниченные цвета. В 40-50-ые годы страну одели в серо-стальные и зеленые тона, в 60-ые использовались цвета повышения производительности труда. В 70-ые были разработаны флюоросцентные красители. По некоторым данным, почти все разработчики этих ядовитых цветов умерли от рака.

https://pandia.ru/text/78/320/images/image011_20.jpg" align="left" width="106" height="136 src=">

3. Влияние цвета на человека.

Между человеком и цветом существуют странные и непростые отношения. По мнению ученых, цвет это не просто элемент эстетики и культуры, а скорее сложная психическая субстанция, демонстрирующая настроение человека, состояние его психического здоровья и даже способная влиять на него.

https://pandia.ru/text/78/320/images/image014_16.jpg" width="276" height="360 src=">

Красный цвет активизирует мышечную силу. Психологи утверждают, что, если на тяжелоатлета надеть красные очки, он «возьмет» больший вес, чем без них. В то же время, находясь в окружении «красного», человек постарается быстрее из него выбраться. Красные телефонные будки были рассчитаны на большую проходимость. Почти также реагируют на этот цвет и дети. Ребенок, спящий лицом к стене с красными обоями, более раздражителен и неспокоен.

Фиолетовый цвет мог бы заменить наркоманам галлюциноген. Если человека посадить в комнату, где все: потолок, пол, стены, окна и двери будут выкрашены в фиолетовый цвет, то у него начнутся галлюцинации.

Синий цвет способствует размышлениям, успокаивает и снижает давление.

Голубой цвет настраивает на меланхолию.

Белый цвет создает ощущение нереальности.

Черный цвет самый сложный с одной стороны, мистический, символизирующий посвященность во что-то недоступное остальным, с другой стороны - официальный.

4. Какого цвета ваш характер?

Психологи утверждают, что характер человека можно определить по его цветовым вкусам. К таким выводам, кстати, пришел швейцарский ученый М. Люмар. Он считает, что если вам нравится красный цвет, то основные ваши черты-сильная воля, быстрое принятие решений. Предпочтение желтого цвета говорит о том, что вы оптимист и идеалист. Вам нравиться все новое, неожиданное, необычное и сенсационное.

Если вам нравиться оранжевый цвет, то вы склонны легко воспринимать удачи и неудачи, у вас достаточно воли для принятия решений. Вы сильны физически и психически.

Если вам нравиться зеленый цвет, то вы самоуверенны и критически настроенная личность. Вы основательны, консервативны, знаете себе цену. Вы почти идеальны в семейной жизни.

Если вас привлекает голубой или синий цвет, то вы человек несильного характера, эмоциональны и добродушны, с богатой внутренней жизнью.

Если же вам нравиться фиолетовый цвет, то вы скорее интуитивист, чем логик.

5. Цвет и звук

Связь между цветом и звуком наиболее ярко выражена в явлении цветомузыки. Цветомузыка была близка композитору, который предпочитал создавать свои произведения в определенной для данного цвета тональности. Музыка цвета была одним из основных элементов и во многих картинах художника. Масштабного осуществления цветомузыкального воздействия впервые удалось композитору в симфонической поэме «Прометей» («Поэма огня», 1910г.) Для усиления воздействия музыки он ввел в состав оркестра орган, колокола, использовал звучание хора без слов и специальное освещение («партии цвета»).

Картины Рериха:

https://pandia.ru/text/78/320/images/image016_19.jpg" width="128" height="128">

Восприятие человеком музыкальных произведений одновременно с определенной цветовой гаммой света существенно влияет на впечатление от использования этих произведений. В первую очередь потому, что чувствительности глаза и уха взаимосвязаны. Так, чувствительность глаза к зелено-голубым лучам видимого спектра под влиянием звуков и шумов заметно повышается, а к оранжево-красным понижается; чувствительность же нашего слухового аппарата с повышением интенсивности освещения уменьшается. Влияет и то, что быстрее всего человек воспринимает предметы красного цвета и медленнее всего, предметы фиолетовой окраски. И поскольку мир в красках всегда воспринимается человеком острее и глубже, чем серый фон, автор музыки имеет возможность использовать особенности цветового зрения человека для усиления воздействия на него музыки.

Медики давно уже установили, что мажорная музыка ускоряет выделение в организме пищеварительных соков, оказывает возбуждающее действие на человеческий организм, главным образом ускоряет ритмы дыхания и сердцебиения. Его воздействие усиливается, если использовать в окраске помещений и предметов, оранжево-красные тона. Мелодичная музыка вызывает у человека замедление дыхания; на восприятии тихих, невозбуждающих у человека тревоги звуков основана музыкальная терапия. Ее эффективность повышается, если она проводится в помещении, где преобладают сине-зеленые тона окраски.

Это не случайно. В психологическом плане красные цвета возбуждают и настораживают человека-это цвет огня и крови, и в исторически сложившихся у человека представлениях они служат предвестниками беды. Сине-зеленые тона - это цвета свежей растительности и ясного неба; они обычно не связаны с опасностью. Таким образом, цвет влияет на психофизиологическое состояние человека, на восприятие им различных явлений, в том числе и музыки.

Наблюдается и обратный процесс. У большинства любящих музыку людей при сопоставлении мажорных и минорных мелодий возникает ощущение светотени, ибо мажор отождествляется со «светлым» ладом, а минор - с «темным». Это имеет место например, при восприятии картины рассвета во вступлении к опере «Хованщина» и картины ночного неба во вступлении к опере «Ночь перед Рождеством» -Корсакова.

https://pandia.ru/text/78/320/images/image019_14.jpg" width="150" height="112">

Кроме «многоцветья», сопровождающего звучание музыки, ее диапазон воздействия может расширить и использование в оркестрах музыкальных инструментов с особым звуковым спектром –как старых, но не нашедших широкого применения (например, изобретенного терменвокса), так и новых.

https://pandia.ru/text/78/320/images/image021_13.jpg" width="143" height="107">

При этом возможен такой фантастический путь: создать особый музыкальный инструмент и музыку необычайного звучания, перекодировав излучение с их богатой и оригинальной цветовой гаммой в звуковой спектр. Несмотря на кажущуюся утопичность идеи, такую работу проделали сотрудники Парижской астрономической обсерватории, которые с помощью электроакустической техники перевели в звуковые частоты свет отдельных звезд. В результате небесный свод «заговорил» с людьми на языке звуков. О восприятии «музыки небесных сфер» мечтал еще Пифагор. Ныне его мечта осуществилась, но иным путем, чем он предполагал, (не за счет механического движения небесных тел по их орбитам).

6. Лечебное воздействие цвета

Давно доказано, что каждый человек имеет свое биополе . Но как подтвердили специальные научные исследования, наличие биополя характерна и для произведений искусств; картин, скульптур. Более того, в ходе эксперимента удалось доказать, что через это биополе они могут воздействовать на наше здоровье в некоторых случаях сильнее, чем лекарства. Подбором произведения и цветовой гаммы можно нормализовать давление, успокоить нервную систему, уменьшить боль, снять стресс. При регулярном лечении художественными произведениями отмечены хорошие результаты при неврозах, болезнях сердца, печени, щитовидной железы, желчного пузыря и кишечника. Кроме этого человек получает сильный психоэмоциональный импульс, который способствует общему оздоровлению организма.

https://pandia.ru/text/78/320/images/image024_11.jpg" width="92" height="180">

Лечебное воздействие цвета связано с влиянием колебаний волны определенной длины на наши органы и психические центры, причем действие разных цветов оказывает специфическое влияние при определенных заболеваниях.

Красный цвет помогает при вирусных заболеваниях, язвах желудка, анемии , гипотонии, стимулирует иммунитет, деятельность желез внутренней секреции и обмен веществ, укрепляет память, придает бодрость и энергию.

Розовый цвет оказывает седативное воздействие на нервную систему, улучшает настроение.

Оранжевый цвет улучшает процессы пищеварения, регенерации, помогает при заболеваниях селезенки и легких, усиливает кровообращение.

Желтый цвет эффективен при атонических запорах, бессоннице , кожных заболеваниях. Он возбуждает аппетит, оказывает очищающее действие на весь организм, стимулирует зрение и работу печени, тонизирует нервную систему. Его принято считать физиологически оптимальным цветом.

Зеленый цвет нормализует сердечную деятельность, стабилизирует артериальное давление, уменьшает головные боли, боли при заболеваниях позвоночника, помогает при острых простудных заболеваниях, улучшает обмен веществ и работоспособность.

Голубой цвет используют при заболеваниях глаз, печени, гортани, позвоночника. Он снижает аппетит и спазмы кишечника, нормализует сердечную деятельность.

Синий цвет влияет на щитовидную железу, помогает при заболеваниях почек и мочевого пузыря, легких, глаз, лечит бессонницу, психические болезни, желтуху, кожные заболевания.

Фиолетовый цвет -цвет духовности и творчества. Он оказывает успокаивающее действие на нервную систему, помогает при психических расстройствах, невралгии, сотрясениях мозга. Этот цвет рекомендуют при заболеваниях почек, печени, мочевого и желчного пузыря, при различных воспалительных процессах. Отмечено также его позитивное воздействие на сосудистую систему.

7. Группа крови и цвет

Ученые установили, что между группой крови человека и цветом, также существует тесная связь.

1-ая группа крови. Наиболее благоприятны красный, оранжевый и пурпурный тона.

3-яя группа. Более широкий выбор. Красный и оранжевый цвета стимулируют процессы жизнедеятельности и усиливают умственную деятельность. Голубой и зеленый тона успокоят нервы, а фиолетовый тон будет способствовать создания настроения для раздумий и воспоминаний.

4-ая группа. Люди с такой группой крови сходны по своим энергетическим характеристикам со второй, следует чаще соприкасаться чаще с голубым и зеленым цветом.

8. Цвет автомобиля и ДТП на дороге

По официальным данным, автомобили серебристого цвета на 50% реже попадают в серьезные ДТП, чем автомобили других цветов. Автомобили белого, желтого, серого, красного и синего цвета имеют примерно одинаковый уровень риска. Особенной опасности подвергаются те водители, которые садятся за руль черных, коричневых и зеленых автомобилей, потому что их риск попасть в аварию и получить серьезные травмы повышаются в 2 раза.

https://pandia.ru/text/78/320/images/image026_10.jpg" align="left" width="335" height="209 src=">Самый «опасный» автомобиль по вероятности попадания в ДТП.

Риск увеличивается в 2 раза.

Цветопсихологические исследования показали, что дети отдают предпочтение тому или иному цвету в зависимости от возраста.

В раннем возрасте они предпочитают красный или пурпурный цвет, причем девочки розовый цвет.

В возрасте 9-11 лет интерес к красному цвету постепенно заменяется интересом к оранжевому, затем к желтому, желто-зеленому, а затем к зеленому.

После 12 лет любимый цвет синий.

Классные доски необходимо окрашивать в темно-зеленый или в темно-синий цвет. Не следует на стене, где висит доска, создавать цветовой контраст, чтобы не утомлять зрение учащихся. Передняя стена во многих случаях может быть окрашена в цвет, более интенсивный по сравнению с задней и боковыми стенами.

В подготовительном и первом классе можно рекомендовать интенсивные чистые красные тона.

Для второклассников красный цвет можно постепенно заменять оранжево-красным или оранжевым, для 10-11 летних детей - желтым, желто-зеленым, а затем зеленым.

Для детей переходного возраста начинает играть определенную роль синий цвет, но обязательно в сочетании с оранжевым, так как класс с большим количеством синевого цвета создает «холодное» впечатление.

В классах, где занимаются ручным трудом, следует применять голубой цвет. Этим же цветом следует окрашивать музыкальный класс. В спортивном зале лучше применять голубой и светло-зеленые цвета.

Залы и коридоры могут быть окрашены в светло-синий и желтый цвета

10. Заключение

Данная работа призвана показать, какое большое значение имеет знания о влиянии цвета на человеческий организм, на здоровье, на психическое и физическое состояние, на эффективное восприятие художественных и музыкальных произведений. Да и жизнь и безопасность человека напрямую связана, например, с цветом автомобиля, что конечно необходимо учитывать. Вместе с тем, это направление в физике является малоизученной, например, биополе человека и предметов. Или «малоосвещенной» в научной и учебной литературе . Это направление в физике имеет большие перспективы для дальнейшего изучения.

12. Список использованной литературы

1. , Справочник по физике, 2005 год

1.Соросовский научно-образовательный журнал, 2005 год, 2006 год

2. Журнал «Физика в школе», 2005 год

Каждый охотник желает знать, где сидит фазан. Как мы помним, эта фраза означает последовательность цветов спектра: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Кто показал, что белый цвет это совокупность всех цветов, какое отношение имеет к этому радуга, красивые закаты и восходы солнца, блеск драгоценных камней? На все эти вопросы отвечает наш урок, тема которого: «Дисперсия света».

До второй половины XVII века не было полной ясности, что же такое цвет. Некоторые ученые говорили, что это свойство самого тела, некоторые заявляли, что это различные сочетания светлого и темного, тем самым путая понятия цвета и освещенности. Такой цветовой хаос царил до того времени, пока Исаак Ньютон не провел опыт по пропусканию света сквозь призму (рис. 1).

Рис. 1. Ход лучей в призме ()

Вспомним, что луч, проходящий через призму, терпит преломление при переходе из воздуха в стекло и потом еще одно преломление - из стекла в воздух. Траектория луча описывается законом преломления, а степень отклонения характеризуется показателем преломления. Формулы, описывающие эти явления:

Рис. 2. Опыт Ньютона ()

В темной комнате сквозь ставни проникает узкий пучок солнечного света, на его пути Ньютон разместил стеклянную трехгранную призму. Пучок света, проходя через призму, преломлялся в ней, и на экране, стоявшем за призмой, появлялась разноцветная полоса, которую Ньютон назвал спектром (от латинского «spectrum» - «видение»). Белый цвет превратился сразу во все цвета (рис. 2). Какие же выводы сделал Ньютон?

1. Свет имеет сложную структуру (говоря современным языком - белый свет содержит электромагнитные волны разных частот).

2. Свет различного цвета отличается степенью преломляемости (характеризуется разными показателями преломления в данной среде).

3. Скорость света зависит от среды.

Эти выводы Ньютон изложил в своем знаменитом трактате «Оптика». Какова же причина такого разложения света в спектр?

Как показывал опыт Ньютона, слабее всего преломлялся красный цвет, а сильнее всего - фиолетовый. Вспомним, что степень преломления световых лучей характеризует показатель преломления n. Красный цвет от фиолетового отличается частотой, у красного частота меньше, чем у фиолетового. Раз показатель преломления становится все больше при переходе от красного конца спектра к фиолетовому, можно сделать вывод: показатель преломления стекла увеличивается с возрастанием частоты света. В этом и состоит суть явления дисперсии.

Вспомним, как показатель преломления связан со скоростью света:

n ~ ν; V ~ => ν =

n - показатель преломления

С - скорость света в вакууме

V - скорость света в среде

ν - частота света

Значит, чем больше частота света, тем с меньшей скоростью свет распространяется в стекле, таким образом, наибольшую скорость внутри стеклянной призмы имеет красный цвет, а наименьшую скорость - фиолетовый.

Различие скоростей света для разных цветов осуществляется только при наличии среды, естественно, в вакууме любой луч света любого цвета распространяется с одной и той же скоростью м/с. Таким образом мы выяснили, что причиной разложения белого цвета в спектр является явление дисперсии.

Дисперсия - зависимость скорости распространения света в среде от его частоты.

Открытое и исследованное Ньютоном явление дисперсии ждало своего объяснения более 200 лет, лишь в XIX веке голландским ученым Лоренсом была предложена классическая теория дисперсии.

Причина этого явления - во взаимодействии внешнего электромагнитного излучения, то есть света со средой: чем больше частота этого излучения, тем сильнее взаимодействие, а значит, тем сильнее будет отклоняться луч.

Дисперсия, о которой мы говорили, называется нормальной, то есть показатель частоты растет, если частота электромагнитного излучения растет.

В некоторых редко встречающихся средах возможна аномальная дисперсия, то есть показатель преломления среды растет, если частота падает.

Мы увидели, что каждому цвету соответствует определенная длина волны и частота. Волна, соответствующая одному и тому же цвету, в разных средах имеет одну и ту же частоту, но разные длины волн. Чаще всего, говоря о длине волны, соответствующей определенному цвету, имеют в виду длину волны в вакууме или воздухе. Свет, соответствующий каждому цвету, является монохроматическим. «Моно» - один, «хромос» - цвет.

Рис. 3. Расположение цветов в спектре по длинам волн в воздухе ()

Самый длинноволновый - это красный цвет (длина волны - от 620 до 760 нм), самый коротковолновый - фиолетовый (от 380 до 450 нм) и соответствующие частоты (рис. 3). Как видите, белого цвета в таблице нет, белый цвет - это совокупность всех цветов, этому цвету не соответствует какая-то строго определенная длина волны.

Чем же объясняются цвета тел, которые нас окружают? Объясняются они способностью тела отражать, то есть рассеивать падающее на него излучение. Например, на какое-то тело падает белый цвет, который является совокупностью всех цветов, но это тело лучше всего отражает красный цвет, а остальные цвета поглощает, то оно нам будет казаться именно красного цвета. Тело, которое лучше всего отражает синий цвет, будет казаться синего цвета и так далее. Если же тело отражает все цвета, оно в итоге будет казаться белым.

Именно дисперсией света, то есть зависимостью показателя преломления от частоты волны, объясняется прекрасное явление природы - радуга (рис. 4).

Рис. 4. Явление радуги ()

Радуга возникает из-за того, что солнечный свет преломляется и отражается капельками воды, дождя или тумана, парящими в атмосфере. Эти капельки по-разному отклоняют свет разных цветов, в результате белый цвет разлагается в спектр, то есть происходит дисперсия, наблюдатель, который стоит спиной к источнику света, видит разноцветное свечение, которое исходит из пространства по концентрическим дугам.

Также дисперсией объясняется и замечательная игра цвета на гранях драгоценных камней.

1. Явление дисперсии - это разложение света в спектр, обусловленное зависимостью показателя преломления от частоты электромагнитного излучения, то есть частоты света. 2. Цвет тела определяется способностью тела отражать или рассеивать ту или иную частоту электромагнитного излучения.

Список литературы

1. Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) - М.: Мнемозина, 2012.
2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. - М.: Мнемозина, 2014.
3. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика - 9, Москва, Просвещение, 1990.

Домашнее задание

1. Какие выводы сделал Ньютон после опыта с призмой?
2. Дать определение дисперсии.
3. Чем определяется цвет тела?

1. Интернет-портал B -i-o-n.ru ().
2. Интернет-портал Sfiz.ru ().
3. Интернет-портал Femto.com.ua ().

Окружающий мир наполнен миллионами разнообразных оттенков. Благодаря свойствам света каждый предмет и объект вокруг нас имеет определенный цвет, воспринимаемый человеческим зрением. Изучение световых волн и их характеристик позволило людям глубже взглянуть на природу света и явления, связанные с ним. Сегодня поговорим о дисперсии.

Природа света

С физической точки зрения свет представляет собой сочетание электромагнитных волн с разными значениями длины и частоты. Глаз человека воспринимает не любой свет, а только лишь тот, длина волн которого колеблется от 380 до 760 нм. Остальные разновидности остаются для нас невидимыми. К ним, например, относятся инфракрасное и ультрафиолетовое излучения. Знаменитый ученый Исаак Ньютон представлял свет как направленный поток самых мелких частиц. И лишь позже было доказано, что он по своей природе является волной. Однако Ньютон все же был отчасти прав. Дело в том, что свет обладает не только волновыми, но и корпускулярными свойствами. Это подтверждается всем известным явлением фотоэффекта. Выходит, что световой поток имеет двоякую природу.

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.

Каждый из нас когда-нибудь видел, как переливаются лучи на граненых изделиях из стекла или, например, на бриллиантах. Наблюдать это можно благодаря такому явлению, как дисперсия света. Это эффект, отражающий зависимость показателя преломления предмета (вещества, среды) от длины (частоты) световой волны, которая проходит через этот предмет. Следствием такой зависимости является разложение луча на цветовой спектр, например, при прохождении через призму. Дисперсия света выражается следующим равенством:

где n - показатель преломления, ƛ - частота, а ƒ - длина волны. Показатель преломления увеличивается с ростом частоты и уменьшением длины волны. Дисперсию мы нередко наблюдаем в природе. Самым красивым ее проявлением является радуга, которая образуется благодаря рассеиванию солнечных лучей при прохождении их через многочисленные капли дождя.

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.

Открытие Ньютона

Благодаря пытливому уму этого выдающегося ученого было доказано, что белый свет не является основным, и что остальные цвета возникают вовсе не в результате взаимодействия света и темноты в разных соотношениях. Ньютон опроверг эти убеждения и показал, что белый свет является составным по своей структуре, его образуют все цвета светового спектра, называемые монохроматическими. В результате прохождения светового пучка через призму разнообразие цветов образуется из-за разложения белого света на составляющие его волновые потоки. Такие волны с разной частотой и длиной преломляются в среде по-разному, образуя определенный цвет. Ньютон поставил опыты, которые до сих пор используются в физике. Например, эксперименты со скрещенными призмами, с использованием двух призм и зеркала, а также пропускание света через призмы и перфорированный экран. Теперь нам известно, что разложение света на цветовой спектр происходит вследствие различной скорости прохождения волн с разной длиной и частотой сквозь прозрачное вещество. В результате одни волны выходят из призмы раньше, другие - чуть позже, третьи - еще позже и так далее. Так и происходит разложение светового потока.

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.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Дисперсией света называют зависимость показателя преломления вещества (n) от частоты () или длины волны () света в вакууме (часто индекс 0 опускают):

Иногда дисперсию определяют как зависимость фазовой скорости (v) волн света от частоты.

Всем известное следствие дисперсии - это разложение белого света в спектр при прохождении сквозь призму. Первым свои наблюдения дисперсии света зафиксировал И. Ньютон. Дисперсия является следствием зависимости поляризованности атомов от частоты.

Графическая зависимость показателя преломления от частоты (или длины волны) - дисперсионная кривая.

Дисперсия возникает в результате колебаний электронов и ионов.

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.

Дисперсия вещества

Величина (D), равная:

называется дисперсией вещества . Она показывает быстроту изменения показателя преломления в зависимости от длины волны.

Показатель преломления для прозрачных веществ при уменьшении длины волны монотонно увеличивается, значит, величина D по модулю растет с уменьшением длины волны. Данная дисперсия называется нормальной. Явление нормальной дисперсии положено в основу действия призменных спектрографов, которые могут использоваться для исследования спектрального состава света.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2