27.06.2023
Урок 94
Тема 1. Дисперсія світла.
Завдання:
- Опрацювати теоретичний матеріал
- Переглянути відео за 1 посиланням
- Записати коротко конспект в зошит
- Відповісти на запитання
- Виконати завдання за 2 посиланням
https://learningapps.org/view6456081
Ще в давнину помітили, що сонячний промінь, пройшовши крізь скляну призму, стає розбіжним кольоровим, а якщо за призмою поставити екран, то на ньому з'явиться райдужна смужка. Вважалося, що причина появи смужки криється у властивості призми забарвлювати білий колір. Чи так це насправді, з'ясував у 1665 р. І. Ньютон, провівши серію дослідів.
1. Досліди І. Ньютона з розкладання білого світла у спектр
Джерелом світла в дослідах Ньютона слугував невеликий отвір у віконниці, який освітлювався сонцем. Коли перед отвором встановлювали призму, на протилежній стіні замість круглої світлої плями з’являлася різнокольорова смужка, яку Ньютон назвав спектром. На смужці, як і у веселці, виділялося сім кольорів: червоний, оранжевий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий (рис. 29.1). Коли на шляху різнокольорових пучків, що вийшли з призми, Ньютон розмістив ще одну призму, на стіні з’явилася незабарвлена світла пляма.
Рис. 29.1. Розкладання білого світла у спектр при його проходженні крізь призму. Найбільше заломлюються фіолетові промені, найменше — червоні
За допомогою отвору вчений також виділяв із широкого різнокольорового пучка променів вузькі монохроматичні (одноколірні) пучки світла і спрямовував їх на іншу призму. Пучки відхилялися призмою, але вже не розкладалися у спектр (рис. 29.2).
Рис. 29.2. Монохроматичний промінь, виділений зі спектра, при проходженні крізь призму відхиляється, але не розкладається у спектр
Результати цих дослідів дозволили Ньютону дійти таких висновків: 1) призма не фарбує біле світло, а розкладає його у спектр; 2) пучок білого світла складається з багатьох різнокольорових пучків; 3) показник заломлення середовища для променів різного кольору є різним.
2. Що таке дисперсія світла
Згідно з хвильовою теорією світла колір світла визначається частотою електромагнітної хвилі, якою є світло. Найменшу частоту має червоне світло, найбільшу — фіолетове (див. таблицю). Аналізуючи досліди Ньютона та спираючись на хвильову теорію світла, доходимо висновку: показник заломлення світла залежить від частоти світлової хвилі. Для більшості середовищ абсолютний показник заломлення зростає зі збільшенням частоти світла.Явище розкладання світла у спектр, зумовлене залежністю абсолютного показника заломлення середовища від частоти світлової хвилі, називають дисперсією світла.
Зверніть увагу: при переході з одного середовища в інше швидкість v поширення світла змінюється, але частота ν світлової хвилі, а отже, і колір світла залишаються незмінними. Тому згідно з формулою хвилі (v = λν) змінюється довжина λ світлової хвилі. При переході в середовище з більшою оптичною густиною довжина хвилі, як і її швидкість, зменшується:
Чому небо блакитне
Багато вчених замислювались над тим, чому небо блакитне. Найкращу відповідь на це запитання дав у 1899 р. англійський фізик Джон Релей (1842-1919).
Сонце випромінює біле світло. Частина фотонів, що потрапляють від Сонця в атмосферу Землі, проходить між молекулами газу, не змінюючи свого напрямку, а частина розсіюється на флуктуаціях (неоднорідностях) повітря. Найкраще розсіюється короткохвильове світло (закон Релея).
Природне біле світло містить хвилі всього видимого спектра, короткохвильова частина якого відповідає синьо-блакитним кольорам, а довгохвильова — жовто-червоним. Отже, атмосфера краще розсіює синьо-блакитну частину спектра, а жовто-червону пропускає. Саме тому небо блакитне (атмосфера розсіює світло цієї частини спектра), а Сонце, що заходить, має жовто-червоний колір (атмосфера пропускає світло цієї частини спектра).
3. Для чого потрібні спектральні апарати і як вони побудовані
Випромінюване будь-яким джерелом світло, як правило, має складну будову. Сукупність частот світлових хвиль, що містяться у випромінюванні будь-якої речовини, називають спектром випромінювання цієї речовини. Для кожної речовини в газоподібному атомарному стані спектр випромінювання є унікальною характеристикою — він не збігається зі спектром випромінювання жодної іншої речовини. Саме на цій унікальності ґрунтується спектральний аналіз — метод визначення хімічного складу речовини за її спектром.
Спектральний склад світла вивчають за допомогою спектральних апаратів. Розглянемо будову одного з них, принцип дії якого заснований на дисперсії світла (рис. 29.3). Такий апарат складається з трьох основних частин: коліматора, призми, лінзи.
Рис. 29.3. Дисперсійний спектральний апарат: а — вигляд; б — будова та принцип дії
Коліматор (1) являє собою вузьку трубку, на одному кінці якої розташована ширма зі щілиною (2); щілина перебуває у фокальній площині збиральної лінзи (3). Вузький паралельний пучок світла від коліматора спрямовується на призму (4). Оскільки кожній частоті світла (кожному кольору) відповідає власний показник заломлення, після заломлення з призми виходять монохроматичні паралельні пучки, кожний з яких відхиляється на власний кут. Ці пучки потрапляють на іншу збиральну лінзу (5) і фокусуються на її фокальній площині.
• Чому промені після заломлення в лінзі (3) стають паралельними? Чому лінза (5) збирає в даній точці фокальної площини промені лише одного кольору?
Якщо у фокальній площині лінзи (5) розташовано фотопластину, екран тощо, такий прилад називають спектрографом; якщо замість лінзи (4) та екрана використовують зорову трубу, маємо справу зі спектроскопом (від латин. spectrum — уява, видіння, грец. grapho — пишу, зображую, грец. skopeo — спостерігаю).
Зрозуміло, що сучасні спектральні апарати є набагато складнішими: досліджувану речовину піддають випромінюванню, застосовують більш складні оптичні системи, для спостереження використовують вбудовані екрани із CCD-матрицею і різноманітні датчики; дані можуть передаватися мережею комунікацій і опрацьовуватися комп’ютером.
4. Чому навколишній світ є різнокольоровим
Колір того чи іншого тіла, яке ми спостерігаємо, визначається частотою хвиль, що потрапляють в око після взаємодії світла з матеріалом, із якого складається тіло, а саме після часткового поглинання і розсіювання світла.
Розсіювання світла — це явище перетворення світла матеріальним середовищем, яке супроводжується зміною напрямку поширення світла і виявляється як невласне світіння середовища.
Поглинання світла — зменшення інтенсивності світла, яке проходить через матеріальне середовище.
Колір тіла визначається його властивістю відбивати (розсіювати) світлові хвилі тієї чи іншої частоти (довжини). Якщо тіло освітлюється білим світлом і відбиває всі падаючі світлові хвилі, то тіло здаватиметься нам білим; якщо тіло відбиває хвилі переважно синього кольору, а інші поглинає, тіло здаватиметься синім. Якщо тіло майже повністю поглинає падаюче світло, тіло здаватиметься чорним. До того ж колір тіла залежить від характеристики світлової хвилі, що його освітлює. Наприклад, якщо тіло, яке має властивість відбивати переважно синє світло, освітлюється монохроматичним червоним світлом, тіло практично не відбиватиме світло і здаватиметься чорним. Таким чином, колір тіла залежить також від складу падаючого світла, а отже, поняття кольору в темряві позбавлене будь-якого сенсу.
Підбиваємо підсумки
• Дисперсія світла — явище розкладання світла у спектр, зумовлене залежністю абсолютного показника заломлення середовища (а отже, і швидкості поширення світла в цьому середовищі) від частоти світлової хвилі. Для більшості середовищ показник заломлення зростає зі збільшенням частоти світлової хвилі.
• Спектральний склад світла досліджується за допомогою спектральних апаратів — спектроскопів і спектрографів.
• Колір світлової хвилі визначається частотою хвилі. Біле сонячне світло містить увесь спектр частот електромагнітних хвиль видимого діапазону.
• Усе різноманіття кольорів, які мають тіла навколо нас, зумовлене спектральним складом світла, що падає на тіла, і здатністю цих тіл відбивати хвилі певної частини оптичного спектра.
Контрольні запитання
1. Опишіть досліди І. Ньютона з вивчення дисперсії світла. 2. Назвіть сім спектральних кольорів. 3. Світло якого кольору найменше заломлюється в речовині? найбільше заломлюється в речовині? 4. Дайте означення дисперсії. 5. Які характеристики світлової хвилі змінюються під час переходу з одного середовища в інше? 6. Опишіть будову та принцип дії дисперсійного спектрального апарата. 7. Чому навколишній світ ми бачимо різнокольоровим?
Немає коментарів:
Дописати коментар