Что такое призма радуга
Дисперсия света. Цветовой диск Ньютона
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:
I. Теоритическая часть
1.1. Открытие Исаака Ньютона
В 1665–1667 годах Исаак Ньютон – английский физик и математик занимаясь усовершенствованием телескопов, обратил внимание на то, что изображение, даваемое объективом, по краям окрашено, данное наблюдение его очень заинтересовало, и он решил разгадать природу возникновения цветных полос. В это время в Англии свирепствовала эпидемия чумы, и молодой Исаак Ньютон решил укрыться от неё в своём родном Вулсторпе. Перед отъездом в деревню он приобрёл стеклянные призмы, чтобы «произвести опыты со знаменитыми явлениями цветов». Исследуя природу цветов, Ньютон придумал и выполнил целый комплекс различных оптических экспериментов. Некоторые из них без существенных изменений в методике, используются в физических лабораториях до сих пор. Главный опыт был традиционным. Проделав небольшое отверстие в ставне окна затемнённой комнаты, Ньютон поставил на пути пучка лучей, проходивших через это отверстие, стеклянную призму. На противоположной стене он получил изображение в виде полоски чередующихся цветов (рис. 1).
Рисунок 1. Эксперимент И. Ньютона
1.2. Спектральный состав света
Полученную таким образом цветную полоску солнечного света Ньютон разделил на семь цветов радуги – красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый (рис. 2).
Рисунок 2. Разложение белого пучка света на спектр
Спектр – (от латинского «spectrum» – видение) непрерывный ряд цветных полос, получается путем разложения луча белого света на составные части (рис. 3).
Если же рассматривать спектр без подобного предубеждения, то полоса спектра распадается на три главные части – красную, желто-зелёную и сине-фиолетовую. Остальные цвета занимают сравнительно узкие области между этими основными.
Все цвета спектра содержатся в самом солнечном свете, а стеклянная призма лишь разделяет их, так как различные цвета по-разному преломляются стеклом. Наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, слабее всего – красные.
1.3. Дисперсия света
Проходя через призму, луч солнечного света не только преломляется, но и разлагается на различные цвета.
Дисперсией называется явление разложения света на цвета при прохождении света через вещество.
Прежде чем разобраться в сути этого явления, необходимо рассмотреть преломлении световых волн. Изменение направления распространения волны при прохождении из одной среды в другую называется преломлением.
Положим на дно пустого не прозрачного стакана монету или другой небольшой предмет. Подвинем стакан так, чтобы центр монеты, край стакана и глаз находились на одной прямой. Не меняя положения головы, будем наливать в стакан воду. По мере повышения уровня воды дно стакана с монетой как бы приподнимается. Монета, которая ранее была видна лишь частично, теперь будет видна полностью. Эти явления объясняются изменением направления лучей на границе двух сред — преломлением света (рис. 4).
Рисунок 4. Преломление светового луча
Закон преломления света: падающий луч, луч преломленный и перпендикуляр, восставленный в точке падения, лежат в одной плоскости.
| sin α | = n21 |
| sin β |
где n21 – относительный показатель преломления второй среды относительно первой.
Если луч переходит в какую-либо среду из вакуума, то
где n – абсолютный показатель преломления второй среды.
Абсолютный показатель преломления – физическая величина, равная отношению синуса угла падения луча к синусу угла преломления при переходе луча из вакуума в эту среду.
Чем больше у вещества показатель преломления, тем более оптически плотным считается это вещество. Например, рубин – среда оптически более плотная, чем лёд.
Преломление света при переходе из одной среды в другую вызвано различием в скоростях распространения света в той и другой среде. Это было доказано французским математиком Пьером Ферма и голландским физиком Христианом Гюйгенсом. Они доказали, что
Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред, равная отношению скоростей света в этих средах:
| sin α | = n21 = | V1 |
| sin β | V2 |
Скорость света в любом веществе меньше скорости света в вакууме. Причиной уменьшения скорости света в среде является взаимодействие световой волны с атомами и молекулами вещества. Чем сильнее взаимодействие, тем больше оптическая плотность среды, и тем меньше скорость света. Среду с меньшим абсолютным показателем преломления принято называть оптически менее плотной средой.
Абсолютный показатель преломления определяется скоростью распространения света в данной среде, которая зависит от физического состояния среды, т. е. от температуры вещества его плотности. Показатель преломления зависит также и от характеристик самого света. Для красного света он меньше, чем для зеленого, а для зеленого – меньше, чем для фиолетового.
Дисперсия света – зависимость показателя преломления и скорости света от частоты световой волны.
Абсолютный показатель преломления стекла n, из которого изготовлена призма, зависит не только от свойств стекла, но и от частоты (от цвета) проходящего через него света. В опыте Ньютона при разложении в спектр пучка белого света, лучи фиолетового цвета, имеющие большую частоту, чем красные, преломились сильнее красных, поэтому на экране можно наблюдать цветную полосу – спектр (рис. 5).
Рисунок 5. Преломление светового луча при прохождении через более оптически-плотную среду – стеклянную призму
1.4. Радуга
Дисперсией света объясняются многие явления природы, например Радуга. В результате преломления солнечных лучей в каплях воды во время дождя на небе появляется разноцветная дуга – радуга (рис. 6).
Рисунок 6. Природное явление радуга
Радуга — это оптическое явление, связанное с преломлением световых лучей на многочисленных капельках дождя.
Разноцветная дуга появляется оттого, что луч света преломляется в капельках воды, а затем, возвращаясь к наблюдателю под углом в 42 градуса, расщепляется на составные части от красного до фиолетового цвета (рис. 7).
Рисунок 7. Преломления света в капле дождя
Прежде всего, заметим, что радуга может наблюдаться только в стороне, противоположной Солнцу. Если встать лицом к радуге, то Солнце окажется сзади. Наблюдаемые в радуге цвета чередуются в такой же последовательности, как и в спектре, получаемом при пропускании пучка солнечных лучей через призму. При этом внутренняя (обращенная к поверхности Земли) крайняя область радуги окрашена в фиолетовый цвет, а внешняя крайняя область — в красный.
Яркость оттенков и ширина радуги зависят от размера капель дождя. Чем крупнее капли, тем уже и ярче радуга, тем в ней больше красного насыщенного цвета. Если идёт мелкий дождик, то радуга получается широкая, но с блёклыми оранжевыми и жёлтыми краями.
Чаще всего видим радугу в форме дуги, но дуга – это лишь часть радуги. Радуга имеет форму окружности, но мы наблюдаем лишь половину дуги, потому что её центр находится на одной прямой с нашими глазами и Солнцем (рис. 8).
Рисунок 8. Схема образования радуги относительно наблюдателя
Целиком радугу можно увидеть лишь на большой высоте, с борта самолёта или с высокой горы (рис. 9).
Рисунок 9. Радуга с борта самолета
II. Практическая часть
2.1. Демонстрация экспериментов по наблюдению дисперсии света
Изучив историю открытия дисперсии света, и процесс образования спектра, мы решили опытным путем пронаблюдать дисперсию света. Для этого подготовили и провели видео эксперименты, которые можно использовать на уроках физики при изучении темы Дисперсия света.
Эксперимент №1. Получение радужного спектра на мыльных пленках
Для проведения эксперимента понадобится: ёмкость с мыльным раствором, проволочная рамка.
Ход эксперимента: наливаем мыльный раствор в ёмкость, опускаем рамку в раствор, образуется мыльная плёнка. На плёнке появляется радужные полосы.
Эксперимент №2. Дисперсия света – разложение в радужный спектр пучка белого света при прохождении сквозь стеклянную призму
Для проведения эксперимента понадобится: призма, источник света (фонарик телефона), экран (лист белой бумаги).
Ход эксперимента: устанавливаем призму на экспериментальном столике. С одной стороны столика устанавливаем экран. Свет направляем на призму и на экране наблюдаем радужные полосы.
Эксперимент № 3. Дисперсия света – разложение в радужный спектр пучка белого света при прохождении через воду
Для проведения эксперимента понадобится: зеркало, источник света (фонарик телефона), экран (лист белой бумаги), ёмкость с водой.
Ход эксперимента: в ёмкость наливаем воду и кладем на дно зеркало. Направляем на зеркало свет, чтобы отраженный свет попадал на экран.
1.2. Цветовой диск Ньютона
Ньютон провел обычный опыт со стеклянной призмой и заметил разложение света на спектр. Направив луч дневного света на призму, он увидел на экране различные цвета радуги. После увиденного он выделил из них семь основных цветов. Это были такие цвета как: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый (каждый охотник желает знать где сидит фазан). Ньютон выбрал лишь семь цветов по той причине, что были наиболее яркие, он также говорил, что в музыке всего семь нот, но сочетание их, различные вариации позволяют получить совершенно различные мелодии. Проведя обратный опыт, т.е. полученный спектр он направил на грань другой призмы и в результате опыта Ньютон снова получил белый свет (рис.10).
Рисунок 10. Первая призма разлагает белый свет в спектр, вторая вновь собирает спектр в белый свет
На основе этих простых опытов Ньютону пришла в голову мысль о создании круга состоящего из семи секторов и закрашенных определенными цветами в результате вращения, которого произойдет их смешение и мы получим белую раскраску этого круга. В последствии этот круг стали называть Цветной диск Ньютона (рис. 11).
Рисунок 11. Цветной диск Ньютона
Попробуем повторить опыт Ньютона. Для этого создадим экспериментальную установку, которая состоит из компьютерного кулера и прикрепленного к нему цветового диска, также блока питания (рис. 12).
Рисунок 12. Экспериментальная установка по получению белого света из спектра
Кулер создает большой проток воздуха, и служит для того что бы привести во вращение цветной диск. Так как наша установка подключается в сеть с напряжением 220 В, а кулер рассчитан на 12 В, поэтому к кулеру подключили блок питания для понижения напряжения с 220 В на 12 В. Для безопасности установка изолирована в пластмассовом боксе.
В результате при включении установки в розетку сети питания цветной круг, закрепленный на кулере, начнет вращаться, и мы увидим желтовато-белую окраску круга (рис. 13).
Рисунок 13. Результат вращения цветового диск Ньютона
Окраска круга при вращении желтовато-белая по двум причинам:
Таким образом, нам удалось повторить эксперименты Ньютона по разделению белого света на спектр и наоборот получение белого света из спектра.
Заключение
В результате проведенных опытов и экспериментов нами были сделаны следующие выводы:
Таким образом, посредством теоретического изучения данной темы и ее практического подтверждения и была достигнута основная цель проекта.
Как сделать радугу в домашних условиях?
Радуга нравится всем – и детям, и взрослым. Её красочные переливы так и притягивают взгляд, однако ценность её не ограничивается одной лишь эстетикой: это к тому же отличный способ заинтересовать ребёнка наукой и превратить познание мира в увлекательную игру! Для этого предлагаем родителям провести с детьми несколько экспериментов и получить настоящую радугу прямо у себя дома.
Радуга из зазеркалья
Эксперимент тоже можно проводить как в солнечную погоду, так и в пасмурную. Для его проведения требуются неглубокая миска с водой, небольшое зеркало, фонарик (если за окном нет солнца) и лист белой бумаги. Погрузите зеркальце в воду, а саму миску расположите так, чтобы на него попадали солнечные лучи (либо направьте на зеркало луч фонарика). При необходимости меняйте угол наклона предметов. В воде свет должен преломиться и разбиться на цвета, так что листом белой бумаги можно будет «поймать» небольшую радугу.
То же самое же происходит с бензином. Это вещество не смешивается с водой, поэтому оказываясь в луже на дороге, оно растекается по её поверхности и образует тончайшую плёнку, которая создаёт красивые радужные разводы. Этим чудом мы обязаны так называемой интерференции – или, проще говоря, эффекту преломления света.
Интерференция обусловливает радужные переливы и на поверхности компакт-дисков. Это, кстати, один из самых простых способов «добывания» радуги домашних условиях. При отсутствии солнца подойдет и настольная лампа, и фонарик, но в этом случае радуга получается менее яркой. Просто изменяя угол наклона CD-диска, можно получить и радужную полоску, и круговую радугу, и непоседливых радужных зайчиков на стене или любой другой поверхности.
Ещё один вариант «радуги без забот» (которой, правда, можно будет наслаждаться только в светлое время суток, и только в солнечную погоду) – так называемый радужный диск, изготовленный с применением современных лазерных технологий. Стеклянная призма размером 10 сантиметров в диаметре заключена а хромовый пластиковый корпус. Она крепится на окно с помощью присоски и, преобразуя солнечный свет, проецирует его на стены, пол и потолок комнаты. Всего 48 цветных линий: красных, оранжевых, жёлтых, зелёных, синих, цвета индиго, фиолетовых и всех промежуточных оттенков.
Флип-бук с 3D-эффектом
В последние несколько лет стали появляться книги с интересными и необычными эффектами – например, «флип-буки» с бегущими картинками. Многим из нас эта технология знакома из собственного детства: мы рисовали картинки на полях тетради, а потом оживляли их, быстро пролистывая странички. Книгу по принципу этой забавы создал японский дизайнер Масаши Кавамура (Masashi Kawamura). Если быстро перелистать её то можно увидеть объёмную радугу!
При желании похожую ручную радугу можно сделать и своими руками, а заодно наглядно продемонстрировать ребёнку эффект анимации. Для этого нужно распечатать на бумаге или нарисовать на каждой страничке блокнота квадратики цветов радуги. Всего нужно 30-40 листков. При этом важно учитывать, что с одной стороны каждой страницы нужно рисовать их в обычной последовательности, а с другой – в обратной, иначе радуга у вас не получится.
Радуга, которую можно потрогать
И ещё один забавный способ получения радуги, которая здорово украсит любой современный интерьер, не отнимая ни сантиметра пространства и наполняя его радужным сиянием. Для этого мексиканский дизайнер Габриэль Доу (Gabriel Dawe) предлагает использовать искусно натянутые швейные нитки. С такой инсталляцией, конечно, придётся часок-другой повозиться, однако результат того стоит. Не даром работы художника имели огромный успех во многих странах, в том числе в США, Бельгии, Канаде и Великобритании.
Дисперсия: радуги и призмы
Читайте, что такое дисперсия света – создание полного спектра длин волн. Изучите явление дисперсии света, создание радуги в дисперсии и отражении, преломление.
Дисперсия – разделение белого света на полный спектр длин волн.
Задача обучения
Основные пункты
Термин
В радуге проявляется 6 цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий и фиолетовый. Иногда также указывают индиго. Все они основываются на разных длинах волн света. Белый – однородная смесь всех видимых нами цветов. Солнечный свет можно воспринимать как белый, хотя и кажется желтоватым из-за перемешивания длин волн.
Последовательность цветов в радуге соответствует последовательности в длине волн. То есть, белый распространяется по длине волны в радуге. Дисперсия – процесс, в котором белый свет разбивается на полный спектр длин волн. Это явление дисперсии возникает для любого типа волны.
Радуга связана с семью цветами, но представляет собою непрерывное распределение цветов по длинам волн
За процесс дисперсии отвечает преломление. Угол основывается на показателе преломления, который зависит от среды (в данном случае и от длины волны). Стоит отметить, что здесь показатель увеличивается при сокращении длины волны и выступает наибольшим для фиолетового.
(а) – Чистая длина волны света падает на призму и преломляется на обеих поверхностях. (b) – Призма рассеивает белый свет. Показатель преломления меняется вместе с длиной волны. Отсюда и последовательность от красного к фиолетовому
Явление радуги формируется из-за рефракции и отражения. Просто отметьте, что видите радугу только, если смотрите от стороны Солнца. Свет попадает в каплю воды и отражается от ее задней части. Преломление осуществляется по мере вхождения. Показатель меняется с длиной волны, так что свет рассеивается, создавая радугу. Фактические цвета зависят от преломления множества лучей и отражения от глаз огромного числа водных капель. Дуга формируется из-за необходимости наблюдать за определенным углом по отношению к направлению Солнца.
Попадающая на каплю часть света входит и отражается от задней ее части. Свет преломляется и рассеивается
Дифракция и дисперсия света. Не путать!
Дисперсия света
Свет – электромагнитная волна. Видимый свет – это волны, имеющие длину в интервале от 380 до 770 нанометров.
Так вот, еще старина Ньютон заметил, что показатель преломления зависит от длины волны. Другими словами, красный свет, падая на поверхность и преломляясь, отклонится на другой угол, нежели желтый, зеленый и так далее. Эта зависимость и называется дисперсией.
Пропуская белый свет через призму, можно получить спектр, состоящий из всех цветов радуги. Это явление напрямую объясняется дисперсией света. Раз показатель преломления зависит от длины волны, значит, он зависит и от частоты. Соответственно, скорость света для разных длин волн в веществе также будет различна
Дисперсия света – зависимость скорости света в веществе от частоты.
Где применяется дисперсия света? Да повсюду! Это не только красивое слово, но и красивое явление. Дисперсия света в быту, природе, технике и искусстве. Вот, например, дисперсия красуется на обложке альбома группы Pink Floyd.
Дисперсия и Пинк Флойд
Дифракция света
Интерференция света – это когда две когерентные световые волны при наложении усиливают друг друга или наоборот ослабляют.
Интерференция волн
Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного направления при прохождении вблизи преграды.
Дифракция проявляется не только для света, но и для других волн. Например, для звуковых. Или для волн на море. Отличный пример дифракции – это то, как мы слышим песню группы Пинк Флойд из проезжающей мимо машины, когда сами стоим за углом. Если бы звуковая волна распространялась прямо, она бы просто не достигла наших ушей, и мы бы стояли в полной тишине. Согласитесь, скучно. Зато с дифракцией гораздо веселее.
Дифракция в природе. Паутина работает, как дифракционная решетка
Для наблюдения явления дифракции используется специальный прибор – дифракционная решетка. Дифракционная решетка представляет собой систему препятствий, которые по размеру сопоставимы с длиной волны. Это специальные параллельные штрихи, выгравированные на поверхности металлической или стеклянной пластины. Расстояние между краями соседних щелей решетки называется периодом решетки или ее постоянной.
Что происходит со светом при прохождении дифракционной решетки? Попадая на решетку и встречая препятствие, световая волна проходит через систему прозрачных и непрозрачных областей, в результате чего разбивается на отдельные пучки когерентного света, которые после дифракции интерферируют друг с другом. Каждая длина волны отклоняется при этом на определенный угол, и происходит разложение света в спектр. В результате мы наблюдаем дифракцию света на решетке
Работа дифракционной решетки
Формула дифракционной решетки:
Здесь d – период решетки, фи – угол отклонения света после прохождения решетки, k – порядок дифракционного максимума, лямбда – длина волны.
Сегодня мы узнали, в чем чем заключается явления дифракции и дисперсии света. В курсе оптики очень сильно распространены задачи по теме интерференция, дисперсия и дифракция света. Авторы учебников очень любят подобные задачи. Чего нельзя сказать о тех, кому приходится их решать. Если Вы хотите легко справиться с заданиями, разобраться в теме, а заодно и сэкономить время, обратитесь к нашим авторам. Они помогут Вам справиться с любой задачей!
Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.