Дисперсия света - Световые волны - Оптика

Цель: объяснить явление дисперсии света.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Изучение нового материала

1. Рассказ учителя.

Вопрос о причине различной окраски тел естественно занимал ум человека. Вплоть до 1666 г. в этом вопросе была полная неопределенность. Считалось, что цвет есть свойство самого тела. С незапамятных времен наблюдалось разделение цвета радуги, и даже было известно, что образование радуги связано с освещенностью дождевых капель.

Так, Декарт наблюдал искусственную радугу на водяной пыли фонтанов и производил опыты по получению радуги со стеклянными шарами, наполненными водой. Декарт мог объяснить форму и условные размеры радуги на небосклоне, но причины цветов радуги ему остались неясными.

Ньютон обратился к исследованию цветов, наблюдаемых при преломлении света, в связи с усовершенствованием телескопов. Ньютон хотел получить линзы хорошего качества, он обратил внимание на наличие окрашенных краев. Исследуя окрашенные при преломлении края, Ньютон сделал свои открытия в области оптики.

2. Эксперимент.

Демонстрация дисперсии света.

3. Продолжение изучения материала.

Ньютон направил на призму световой пучок малого поперечного сечения. Падая на стеклянную призму, он преломлялся и давал на противоположной стене изображение с радужным чередованием цветов. Саму полоску Ньютон назван спектром.

При закрытии отверстия цветными фильтрами на стене наблюдаются только те цвета, которыми закрыт пучок света. Отсюда вывод - призма не окрашивает белый цвет, а лишь разлагает его на составные части.

Зависимость показателя преломления света от частоты колебаний (или длины волны) называется дисперсией.

Скорость света в вакууме не зависит от d или λ волны и равна приблизительно 3 · 10⁸ м/с. Если поочередно пропускать через стеклянную призму пучки монохроматического света разной цветности под одним и тем же углом падения, то увидим, что фиолетовый луч преломляется больше, чем красный. Очевидно, n_ф > n_к. Абсолютный показатель преломления связан со скоростью распространения света в этой среде формулой:

Следовательно,

Отсюда следует:

Так как для одной и той же среды, то

Значит, в одном и том же веществе скорости света для различных частот (или длины волн) различны. Различны будут и показатели преломления. Следовательно, показатель преломления света зависит от его частоты.

Зная, что белый свет имеет сложную структуру, можно объяснить удивительное многообразие красок в природе. Если предмет отражает все падающие на него лучи различных цветов, то он будет казаться белым. Покрытая слоем красной краски бумага, отражает только красный лучи, остальные же поглотятся слоем краски. Трава и листья деревьев кажутся нам зелеными лишь потому, что из всех падающих на них солнечных лучей они отражают зеленые, поглощая остальные. Если посмотреть на траву через красное стекло, пропускающее лишь красные лучи, то она будет казаться почти черной.

Опытами Ньютона установлено, что белый цвет Солнца имеет сложный характер. Анализируя состав света при помощи призмы, можно убедиться, что свет большинства других источников (лампы накаливания, дуговой фонарь и т. д.) имеет сложный характер. Соответствующие участки спектров имеют различную яркость, т. е. энергия распределена различно.

Окраска различных предметов, освещенных одним и тем же источником света, бывает весьма разнообразна, несмотря на то, что все эти предметы освещены светом одного состава. Основную роль в таких эффектах играют явления отражения и пропускания света.

III. Закрепление изученного

- В чем состоит явление дисперсии?

- Как на опыте наблюдать явление дисперсии?

- Какие выводы сделал Ньютон в результате экспериментального изучения дисперсии?

- Какова причина разложения белого света в спектр при прохождении через призму?

- В чем причина возникновения радуги?

- Можно ли искусственно получить радугу?

- В какой среде свет распространяется криволинейно?

IV. Подведение итогов урока

Домашнее задание

п. 66.

Подготовить доклады по темам:

1. «Свет и цвета тел».

2. «Цветные тела, освещенные белым светом».

3. «Цветные тела, освещенные цветным светом».

4. «Насыщенность цветов».

5. «Радуга».

Дополнительный материал

Оптика Ньютона

Еще в 60-е гг. XVII в. Ньютон заинтересовался оптикой и сделал открытие, которое, как казалось сначала, говорило в пользу корпускулярной теории света. Этим открытием было явление дисперсии света и простых цветов.

Разложение белого света призмой в спектр было известно очень давно. Однако разобраться в этом явлении до Ньютона никто не смог.

Ученых, занимающихся оптикой, интересовал вопрос о природе цвета. Наиболее распространенным было мнение о том, что белый свет является простым. Цветные же лучи получаются в результате тех или иных его изменений. Существовали различные теории по этому вопросу, на которых мы останавливаться не будем.

Изучая явление разложения белого света в спектр, Ньютон пришел к заключению, что белый свет является сложным светом. Он представляет собой сумму простых цветных лучей.

Ньютон работал с простой установкой. В ставне окна затемненной комнаты было проделано маленькое отверстие. Через это отверстие проходил узкий пучок солнечного света. На пути светового луча ставилась призма, а за призмой экран. На экране Ньютон наблюдал спектр, т. е. удлиненное изображение круглого отверстия, как бы составленного из многих цветных кружков. При этом наибольшее отклонение имели фиолетовые лучи - один конец спектра, и наименьшее отклонение - красные - другой конец спектра.

Но этот опыт еще не являлся убедительным доказательством сложности белого света и существования простых лучей. Он был хорошо известен, и из него можно было сделать заключение, что, проходя призму, белый свет не разлагается на простые лучи, а изменяется, как многие думали до Ньютона.

Для того чтобы подтвердить вывод о том, что белый свет состоит из простых цветных лучей и разлагается на них при прохождении через призму, Ньютон проводил другой опыт.

В экране, на котором наблюдался спектр, делалось также малое отверстие. Через отверстие пропускали уже не белый свет, а свет, имеющий определенную окраску, говоря современным языком, монохроматический пучок света. На пути этого пучка Ньютон ставил новую призму, а за ней новый экран. Что будет наблюдаться на этом экране? Разложит он одноцветный пучок света в новый спектр или нет? Опыт показал, что этот пучок света отклоняется призмой как одно целое, под определенным углом. При этом свет не изменяет своей окраски. Поворачивая первую призму, Ньютон пропускал через отверстие экрана цветные лучи различных участков спектра. Во всех случаях они не разлагались второй призмой, а лишь отклонялись на определенный угол, разный для лучей различного цвета.

После этого Ньютон пришел к заключению, что белый свет разлагается на цветные лучи, которые являются простыми и призмой не разлагаются. Для каждого цвета показатель преломления имеет свое, определенное значение. Цветность этих лучей и их преломляемость не может измениться «ни преломлением, ни отражением от естественных тел, или какой-либо иной причиной», - писал Ньютон.

Это открытие произвело большое впечатление. В XVIII в. французский, поэт Дювард писал: «Но что это? Тонкая сущность этих лучей не может изменяться по своей природе! Никакое искусство не в состоянии его разрушить, и красный или синий луч имеет свою окраску, побеждая все усилия».

Таким образом, простые лучи являются неизменными. Они представляют, можно сказать, атомы света, подобно атомам вещества. Этот вывод казался в хорошем согласии с корпускулярной теорией света. Действительно, неизменные атомы света, простые лучи, являются потоком и однородных частиц, которые, попадая в наш глаз, вызывают ощущение определенного цвета. Смесь же разнородных световых частиц является белым светом. При прохождении через призму белый свет разлагается. Призма сортирует световые частицы, отклоняя их на разный угол в соответствии с их цветностью.

Открытие дисперсии было расценено Ньютоном и большинством его современников и последователей как факт, подтверждающий корпускулярную теорию света.

С точки зрения волновой теории трудно было объяснить открытие Ньютона, потому что теории распространения волн еще не было. Понимание того, что цвет определяется периодом световой волны, пришло значительно позже. Но даже если бы кто и догадался об этом, то все равно нелегко было представить себе, почему при отражении и преломлении период остается неизменным.

Таким образом, с точки зрения волновой теории понять открытие Ньютона в то время было почти невозможно. И не случайно Гюйгенс в своей работе, о которой мы говорили выше, совсем обошел вопрос о дисперсии света, хотя в 1690 г., когда была опубликована его книга, он уже знал о работах Ньютона по оптике.

Итак, Ньютон встал на точку зрения корпускулярной теории света, на основе которой было легко понять открытое им явление дисперсии света. Но ведь, спросите вы, к этому времени были уже известны явления из области волновой оптики - интерференция и дифракция. Занимаясь исследованиями по оптике, Ньютон не мог пройти мимо них и должен был столкнуться с задачей объяснения этих явлений на основе корпускулярной теории.

И действительно, Ньютон не забыл об этих явлениях и попытался дать им объяснение. Что касается явления дифракции, то он более или менее легко, как казалось, справился с указанной задачей. Когда свет проходит мимо экрана, то между частицами, из которых состоит экран, и световыми лучами (атомами света) действуют силы притяжения. Вследствие этого лучи заходят в область геометрической тени.

Приведенное объяснение было, конечно, неверным. Но в то время, когда явление дифракции было еще недостаточно изучено, такое объяснение казалось убедительным.

Труднее обстояло дело с объяснением явления интерференции. Его уже начали изучать. И сам Ньютон сделал важный шаг в исследовании интерференции света в тонких пленках.

Ученый собрал специальную установку для изучения этого явления. Он взял линзу, положил ее на стеклянную пластинку и наблюдал темные и светлые кольца, которые видны при освещении линзы и пластинки монохроматическим светом. Это так называемые кольца Ньютона.

Как можно объяснить появление этик колец с точки зрения корпускулярной теории света? Падая сверху на линзу, световые лучи на определенных расстояниях от центра либо отражаются, либо преломляются и проходят через установку. В результате чего мы видим систему светлых и темных колец.

Но почему же на одних расстояниях от центра линзы свет отражается, а на других преломляется? На этот вопрос Ньютон ответил, что в одних местах световые лучи (световые частицы) испытывают «приступы легкого отражения», а в других - «приступы легкого преломления». Но почему это происходит, ученый не мог сказать.

Объяснение кольцам Ньютона было дано в начале XIX в. на основе волновой теории света английским ученым Юнгом. Но об этом мы скажем позже. После Ньютона корпускулярная теория света становится общепризнанной. В течение всего XVIII в. ее придерживались почти все физики.