Презентация к уроку физики в 11 классе "Дисперсия света"

Дисперсия света

Федоров А.М. – учитель физики Кюкяйской СОШ Сунтарского улуса Республики Саха

Ньютон и телескоп

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 проистекающие отсюда особенности цветов, которых до того времени никто даже не подозревал» (слова из надписи на надгробном памятнике Ньютону). Радужную окраску изображения, получаемого с помощью линзы, наблюдали, конечно, и до него. Было замечено также, что радужные края имеют предметы, рассматриваемые через призму. Пучок световых лучей, прошедших через призму, окрашивается по краям.

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.

Опыт Ньютона

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.
Полученную таким образом цветную полоску солнечного света Ньютон разделил на семь цветов радуги – красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый

Спектр – (от латинского «spectrum» – видение) непрерывный ряд цветных полос, получается путем разложения луча белого света на составные части

Опыты Ньютона

Закрыв отверстие красным стеклом, Ньютон наблюдал на стене только красное пятно, закрыв синим стеклом — синее пятно и т. д. Это означало, что не призма окрашивает белый свет, как предполагалось раньше. Призма не изменяет свет, а лишь разлагает его на составные части (см. рис. I на цветной вклейке).

Белый свет имеет сложный состав. Из него можно выделить пучки различных цветов, и лишь совместное их действие вызывает у нас впечатление белого цвета. В самом деле, если с помощью второй призмы, повернутой на 180° относительно первой, собрать все пучки спектра, то опять получится белый свет (см. рис. II на цветной вклейке). Выделив какую-либо часть спектра, например зеленую, и заставив свет пройти еще через одну призму, мы уже не получим дальнейшего изменения окраски.

ДИСПЕРСИЯ

Другой важный вывод, к которому пришел Ньютон, был сформулирован им в трактате «Оптика» следующим образом: «Световые пучки, отличающиеся по цвету, отличаются по степени преломляемости» (для них стекло имеет различные показатели преломления). Наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, меньше других — красные. Зависимость показателя преломления света от его цвета Ньютон назвал дисперсией.

Показатель преломления зависит и от скорости света в веществе (см. § 61). Абсолютный показатель преломления Луч красного цвета преломляется меньше из-за того, что красный свет имеет в веществе наибольшую скорость, а луч фиолетового цвета преломляется больше, так как скорость для фиолетового света наименьшая. Именно поэтому призма и разлагает свет. В пустоте скорости света разного цвета одинаковы. Если бы это было не так, то, к примеру, спутник Юпитера Ио, который наблюдал Рёмер, казался бы красным в момент выхода спутника из тени. Но этого не наблюдается.

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.
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.
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.

Образование радуги

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.
Целиком радугу можно увидеть лишь на большой высоте, с борта самолёта или с высокой горы.

Дисперсия

Впоследствии была выяснена зависимость цвета от физической характеристики световой волны: ее частоты колебаний ν (или длины волны λ). Поэтому можно дать более глубокое определение дисперсии, чем то, к которому пришел Ньютон. Дисперсией называется зависимость показателя преломления среды от частоты световой волны.
Зная, что белый свет имеет сложный состав, можно объяснить удивительное многообразие красок в природе. Если предмет, например лист бумаги, отражает все падающие на него лучи различных цветов, то он будет казаться белым. Покрывая бумагу слоем красной краски, мы не создаем при этом свет нового цвета, но задерживаем на листе некоторую часть имеющегося. Отражаться теперь будут только красные лучи, остальные же поглотятся слоем краски. Трава и листья деревьев кажутся нам зелеными потому, что из всех падающих на них солнечных лучей они отражают лишь зеленые, поглощая остальные. Если посмотреть на траву через красное стекло, пропускающее только красные лучи, то она будет казаться почти черной.

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).

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.

Цветовой диск Ньютона

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.

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.
Таким образом, нам удалось повторить эксперименты Ньютона по разделению белого света на спектр и наоборот получение белого света из спектра.

Упражнения

Меняются ли длина волны и частота колебаний в световом излучении при переходе луча из вакуума в какую-либо другую среду?
На опыте было установлено, что показатель преломления воды для крайних красных лучей в спектре видимого света равен 1,329, а для крайних фиолетовых — 1,344. Определите скорости распространения красных и фиолетовых лучей в воде. Какая скорость больше и на сколько?
Совпадают ли фокусы стеклянной линзы для красных и голубых лучей? Сравните фокусные расстояния стеклянной линзы для таких лучей, если линза: а) собирающая. б) рассеивающая.
На белом фоне написано красными чернилами слово. Через стекло какого цвета нельзя прочесть написанное?
Почему сигналы опасности подаются красным светом в то время, как глаз наиболее чувствителен к желто-зеленому свету?
Если смотреть на разноцветную светящуюся ь рекламу (например, из газоразрядных трубок), то красные буквы всегда кажутся выступающими вперед по сравнению с синими или зелеными. Чем это можно объяснить?
Какими будут казаться красные буквы, если их рассматривать через зеленое стекло?

Использованные ссылки

https://ykl-res.azureedge.net/f1cb0b8a-b81f-4c74-9a2c-1636cf875a6c/3%20Asset%202.svg
https://forma-odezhda.com/image/data/1483512654_1.jpeg
https://rosuchebnik.ru/upload/medialibrary/791/791355ec5963e9bb515c8050a551e1dd.jpg
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/59/Optical-dispersion.png/640px-Optical-dispersion.png
https://thumbs.dreamstime.com/z/%D0%B1%D0%B5%D0%BB%D0%B0%D1%8F-%D0%B1%D1%83%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%B0-27985970.jpg
https://krasniykarandash.ru/upload/resize/480413/480413_619x479x70.jpg
https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcRXRKWyF8Rr3WcuWhj5GwcCl3TY8wufrNtWMA&usqp=CAU
https://rosuchebnik.ru/upload/medialibrary/17b/17b7fd67d28940b439152192baa6e4ca.jpg
https://rosuchebnik.ru/material/dispersiya-sveta-tsvetovoy-disk-nyutona-7587/