Дисперсiя свiтла

Зміст

Введення  
Глава I. Дисперсія світла

1. Заломлення світлового  променя в призмі

2. Відкриття явища  дисперсії

3. Перші досліди  з призмами. Уявлення про причини  виникнення квітів до Ньютона.

4. Досліди Ньютона  з призмами. Ньютонівська теорія  виникнення квітів

5. Відкриття аномальної  дисперсії світла. Досліди Кундта  
Глава II. Дисперсія в природі

2.1. Радуга  
Глава III. Експериментальна установка для спостереження змішування кольорів

3.1. Опис установки

3.2. Пристрій експериментальної  установки

Висновок

Література

Введення.

Дисперсія світла. Ми завжди стикаємося з цим явищем в  житті, але незавжди помічаємо цього. Але якщо бути уважним, то явище дисперсіїзавжди  нас оточує. Одне з таких явищ це звичайна веселка. Напевно,немає  людини, яка не милувався б веселкою. Існує старовиннеанглійське повір'я, згідно з яким у підніжжя веселки  можна знайти горщикіз золотом. На перший погляд веселка це щось просте, насправді  привиникненні веселки відбуваються складні фізичні процеси. Напевно,тому я вибрав тему дисперсія світла для  того, щоб глибше зрозумітифізичні процеси та явища, що відбуваються в  природі. Це дуже цікаватема і я постараюся у своїй роботі представити всі  моменти,що відбуваються в історії  розвитку науки про світло і показати досліди на своїйекспериментальної установки, розробленої спеціально для спостереженнядисперсії світла. При конструюванні даної установки  я спирався на такзваний коло Ньютона, який потрібно було приготувати до семінару пофізики і зрозуміти "принцип  роботи" цього пристрою. Також  необхідно було

1. вивчити літературу  по цій темі, вивчити різні  демонстраційні установки, які  використовуються на уроках фізики  та з огляду на умови теоретичної  та матеріальної бази,

2. була виготовлена  демонстраційна установка для  спостереження додавання квітів, яка згодом може бути використана  на уроках фізики при вивченні  дисперсії світла.

Глава I

Дисперсія світла

1.1. Заломлення світлового  променя в призмі

Проходячи через  призму, промінь сонячного світла не тільки поламаний, алеі розкладається  на різні кольори. Розглянемо заломлення променя в призмі.  
Строго кажучи, це означає, що світловий промінь передбачається тутодноколірним, або, як прийнято називати у фізиці, монохроматичним

 
(від грецьких «моно» - один і  «кульгаве» - колір). На мал.1 показаний  світло-

Рис.1

вої промінь, що проходить  через призму з заломлюючих кутом (і показникомзаломлення n; показник заломлення навколишнього середовища (повітря) приймеморівним одиниці. Зображений на малюнку промінь падає на ліву грань призмипід кутом (1.

1.2. Відкриття явища  дисперсії

Дисперсія світла. У  яскравий сонячний день закриємо вікно  в кімнаті щільноїшторою, в якій зробимо маленький отвір. Через  цей отвір будепроникати в  кімнату вузький сонячний промінь, який утворює на протилежнійстіні світла пляма. Якщо на шляху променя поставити

Рис. 2.

скляну призму, то пляма на стіні перетвориться  на різнокольорову смужку, вякій будуть представлені всі кольори веселки-від  фіолетового до червоного  
(рис. 2: Ф - фіолетовий, С - синій, Г - блакитний, 3 - зелений, Ж-жовтий, Про  
-Оранжевий, К - червоний).

Дисперсія світла - залежність показника заломлення n речовини відчастоти f (довжини хвилі () світла або залежність фазової  швидкості світловиххвиль від частоти. Слідство дисперсії світла - розкладання  в спектр пучкабілого світла при  проходженні крізь призму. Вивчення цього спектру призвело  
І. Ньютона (1672) до відкриття дисперсії світла. Для речовин, прозорих вданій області спектру, n збільшується зі збільшенням f (зменшенням (),чому і відповідає розподіл квітів у спектрі, така залежність n відf називається нормальною дисперсією світла. Разноцветная смужка на рис. 2є сонячний спектр.

1.3. Перші досліди  з призмами. Уявлення про причини  виникненняквітів до Ньютона

Описаний досвід є, по суті справи, древнім. Уже в I в. н. е.. буловідомо, що великі монокристали (шестикутні призми, виготовленісамою природою) мають здатність розкладати світло на кольори. Першідослідження дисперсії  світла в дослідах зі скляною трикутної  призмоювиконав англієць Харіот (1560-1621). Незалежно від нього аналогічнідосліди  виконав відомий чеський природознавець Марці (1595 - 1667),який встановив, що кожному  кольору відповідає свій кут заломлення.  
Проте до Ньютона такі спостереження не піддавалися досить серйозномуаналізу, а що робилися на їх основі висновки не перевірялисядодатковими експериментами. У результаті в науці тих часів довгопанували уявлення, неправильно пояснювали виникнення квітів.

Говорячи про  ці уявленнях, слід почати з теорії квітів  
Арістотеля (IV ст. До н. Е..). Аристотель стверджував, що різниця в кольорівизначається різницею в кількості темноти, «домішується» до сонячного  
(білого) світла. Фіолетовий колір, за Арістотелем, виникає при найбільшомудодаванні темноти до світла, а червоний - при найменшому. Таким чином,кольору веселки - це складні кольору, а основним є білий світ.  
Цікаво, що поява скляних призм і перші досліди зі спостереженнярозкладання світла призмами не породили сумнівів у правильності арістотелевойтеорії виникнення квітів. І Харіот, і Марці залишалися послідовникамицієї теорії. Цьому не варто дивуватися, тому що на перший поглядрозкладання світла призмою на різні кольори, здавалося б, підтверджувалоуявлення про виникнення кольору в результаті змішання світла і темряви.  
Райдужна смужка виникає якраз на переході від тіньової смуги доосвітленій, тобто на межі темряви і білого світла. З того факту, щофіолетовий промінь проходить усередині призми найбільший шлях у порівнянні зіншими кольоровими променями, не дивно зробити висновок, що фіолетовий колірвиникає при найбільшій втрати білим світлом своєї «білизни» припроходженні через призму. Інакше кажучи, на найбільшому шляху відбувається інайбільшу Примішування темряви до білого світу.

Хибність подібних висновків неважко було довести, поставившивідповідні досліди з  тими ж призмами. Проте до Ньютона  ніхто цього незробив.

1.4. Досліди Ньютона  з призмами. Ньютонівська теорія  виникненняквітів

Великий англійський  вчений Ісак Ньютон виконав цілий  комплексоптичних експериментів з  призмами, докладно описавши їх у «Оптиці», «Новійтеорії світла і квітів », а  також у« Лекціях з оптики ». Ньютон переконливодовів хибність уявлень  про виникнення квітів з змішання темряви ібілого світла. На підставі проведених дослідів він зміг заявити: «Ніякогокольори не виникає з  білизни і чорноти, змішаних разом, крімпроміжних темних; кількість  світла не змінює вигляду кольору  ». Ньютонпоказав, що біле світло не є  основним, його треба розглядати якскладовою (по Ньютону, «неоднорідний»; за сучасною термінологією,  
«Немонохроматіческій»); основними ж є різні кольори ( «однорідні»промені або, інакше, «монохроматичні» промені). Виникнення квітів у дослідах зпризмами є результат розкладання складного (білого) світла на основніскладові (на різні кольори). Це розкладання відбувається за тієюпричини, що кожному кольору відповідає свій ступінь преломляемості.  
Такі основні висновки, зроблені Ньютоном; вони чудово узгоджуються зсучасними науковими уявленнями.

Виконані Ньютоном оптичні дослідження становлять великийінтерес не тільки з точки  зору отриманих результатів, але  також і зметодичної точки  зору. Розроблена Ньютоном методика досліджень зпризмами (зокрема, метод схрещених  призм) пережила століття і увійшла  доарсенал сучасної фізики.

Приступаючи до оптичних досліджень, Ньютон ставив перед собою  завдання  
«Не пояснювати властивості світла гіпотезами, але викласти і довести їхміркуваннями і дослідами ». Перевіряючи те чи інше положення, вчений звичайновигадував і ставив кілька різних дослідів. Він підкреслював, щонеобхідно використовувати різні способи «перевірити те ж саме, бощо випробовує велику кількість не заважає ».

Розглянемо деякі  найбільш цікаві досліди Ньютона  з призмами і тівисновки, до яких прийшов учений на підставі отриманих  результатів.  
Велика група дослідів була присвячена перевірці відповідності між кольоромпроменів і ступенем їх преломляемості (інакше кажучи, між кольором і величиноюпоказника заломлення). Виділимо три таких досвіду.

Досвід 1. Проходження  світла через схрещені призми. Перед  отвором А,пропускає в затемнену  кімнату вузький пучок сонячних променів, поміщаютьпризму з горизонтально  орієнтованим заломлюючих ребром (мал. 4.3, а).

На екрані виникає  витягнута по вертикалі кольорова  смужка КФ, крайнянижня частина якої пофарбована в червоний колір, а  крайня верхня - вфіолетовий. Обведемо олівцем контури смужки на екрані. Потім помістимоміж розглянутої  призмою я екраном ще одну таку саму призму, але прице заломлюючої  ребро другу призми повинно бути орієнтованевертикально, тобто перпендикулярно  до заломлюючої ребру перше призми.  
Світловий пучок, що виходить з отвору А, проходить послідовно черездва схрещені призми. На екрані виникає смужка спектру К'Ф ', зміщенащодо контуру КФ по осі Х. При цьому фіолетовий кінець смужкивиявляється зміщеним в більшій мірі, ніж червоний, так що смужкаспектру виглядає нахиленою до вертикалі. Ньютон приходить до висновку: якщодосвід з одиночної призмою дозволяє стверджувати, що променям з різним ступенемпреломляемості відповідають різні кольори, то досвід зі схрещеними призмамидоводить також і зворотне положення - промені різного кольору володіють різнимступенем преломляемості. Дійсно, промінь, найбільш заломлює вперший призмі, є фіолетовий промінь; проходячи потім через призму друге, цейфіолетовий промінь випробовує найбільшу заломлення. Обговорюючи результати досвідузі схрещеними призмами, Ньютон відзначав: «З цього досвіду слід також, щозаломлення окремих променів протікають по тим же законам, чи перебувають вони всуміші з променями інших родів, як у білому світі, або переломлюються порізноабо попередньому зверненні світла в кольори ».

На рис. 4.4 представлений  ще один варіант досвіду зі схрещенимипризмами: через призми проходять два однакових  світлових пучка. Обидва пучкаформують  на екрані однакові смужки спектру, не дивлячись на те, що вперший призмі промені одного і того ж кольору (але з різних пучків) проходятьшляхи різної довжини.

Рис. 4.4.

Тим самим спростовувалося  зазначене вище припущення, що колірзалежить  від довжини шляху променя  усередині призми.

Досвід 3. Проходження  світла через систему, що складається  з двохпризм і відбиває дзеркала.

Рис. 4.5.

Пучок сонячних променів, виходячи з отвору А, проходить через  призму 1і потім потрапляє на дзеркало 2. Орієнтуємо дзеркало таким чином, щобпослати на призму 3 тільки ту частину  променів, які переломлюються внайбільшою  мірою. Переломилася в призмі 3, ці промені  потрапляють на екран урайоні  точки В. Потім наведіть дзеркало 2, помістивши його тепер так, щобвоно  посилало на призму 3 ті промені, які  переломлюються в найменшій мірі  
(див. штрихове зображення). Зазнавши переломлення в призмі 3, ці променіпотраплять на екран в районі точки С. Ясно видно, що ті промені, якіпереломлюються найбільшою мірою в першу призмі, будуть найбільш сильнопереломлюватися і в другій призмі.

Всі ці досліди дозволили  Ньютону зробити впевнене висновок: «Дослідамидоводиться, що промені, по-різному  поламаний, мають різні кольори;доводиться і зворотне, що промені, різно забарвлені, є промені, різноламаємо ».

Далі Ньютон ставить  питання:« Чи можливо змінити  колір променів якого -якого роду окремо заломленням? »Виконавши серію  ретельно продуманихдослідів, вчений приходить до негативної відповіді  на поставлене запитання.  
Розглянемо один з таких дослідів.

Досвід 4. Проходження  світла через призми та екрани зі щілинами

Рис. 4.6.

Пучок сонячних променів розкладається на кольори призмою 1. Через отвір  
В в екрані, поставленому за призмою, проходить частина променів деякогопевного кольору. Ці промені потім проходять через отвір З в другомуекрані, після чого потрапляють на призму 2. Повертаючи призму 1, можна придопомоги екранів з отворами виділяти із спектру промені того чи іншого кольоруі досліджувати їх переломлення в призмі 2. Досвід показав, що заломлення впризмі 2 не призводить до зміни кольору променів.

Остаточний висновок Ньютон сформулював так: «Вид кольоруі ступінь преломляемості, властиві кожному  окремому сорту променів, незмінюються ні заломленням, ні відображенням, ні будь-якою іншою причиною,яку я міг спостерігати. Якщо який-небудь сорт променів був  добре відокремлений відпроменів  іншого роду, то після цього він  уперто утримував своє забарвлення,незважаючи на мої крайні намагання змінити  її ».

1.5. Відкриття аномальної  дисперсії світла. Досліди Кундта

До другої половини XIX століття вважали, що цей висновок справедливий завжди.  
Але ось в 1860 р. французький фізик Леру, проводячи вимірювання показниказаломлення для ряду речовин, несподівано виявив, що пари йодузаломлюють сині промені в меншому ступені, ніж червоні. Леру назваввиявлене ним явище аномальної дисперсією світла. Якщо при звичайній  
(нормальної) дисперсії показник заломлення з ростом довжини хвилізменшується, то при аномальної (незвичайної) дисперсії показникзаломлення, навпаки, збільшується. Явище аномальної дисперсії булодетально досліджено німецьким фізиком Кундт в 1871-1872 рр.. При цьому  
Кундт скористався методом схрещених призм, який був запропонований в своєчас Ньютоном.

На рис. 4.10, а відтворена вже знайома картина: при проходженнічерез два схрещені скляні призми світло дає на екрані нахиленусмужку спектру. Тепер припустимо, що один зі скляних  призм заміненаполою призматичної кюветою, заповненої розчином органічногоз'єднання, званого ціаніном; саме таку призму використовував Кундт водному з  своїх дослідів. Схема досвіду  Кундта