Descompunerea luminii în culori. Dispersia luminii în natură și artă

) este un ansamblu de fenomene cauzate de dependența indicelui absolut de refracție al unei substanțe de frecvența (sau lungimea de undă) luminii (dispersia de frecvență), sau, același lucru, de dependența vitezei de fază a luminii într-o substanță. pe frecvență (sau lungime de undă). Descoperit experimental de Newton în jurul anului 1672, deși teoretic destul de bine explicat mult mai târziu.

Dispersia spațială este dependența tensorului constantă dielectrică a unui mediu de vectorul de undă. Această dependență provoacă o serie de fenomene numite efecte de polarizare spațială.

Proprietăți și manifestări

Unul dintre cele mai evidente exemple de dispersie este descompunerea luminii albe la trecerea printr-o prismă (experimentul lui Newton). Esența fenomenului de dispersie este diferența dintre vitezele de fază de propagare a razelor de lumină de lungimi de undă diferite într-o substanță transparentă - un mediu optic (în timp ce în vid viteza luminii este întotdeauna aceeași, indiferent de lungimea de undă și, prin urmare, , culoare). De obicei, cu cât lungimea de undă a luminii este mai mică, cu atât este mai mare indicele de refracție al mediului pentru acesta și cu atât viteza de fază a undei în mediu este mai mică:

• lumina roșie are o viteză de fază maximă de propagare în mediu și un grad minim de refracție,
• Pentru lumina violetă, viteza de fază de propagare în mediu este minimă, iar gradul de refracție este maxim.

Cu toate acestea, în unele substanțe (de exemplu, în vapori de iod), se observă un efect de dispersie anormal, în care razele albastre sunt refractate mai puțin decât cele roșii, în timp ce alte raze sunt absorbite de substanță și elud observarea. Mai strict vorbind, dispersia anormală este larg răspândită, de exemplu, se observă în aproape toate gazele la frecvențe apropiate liniilor de absorbție, dar în vaporii de iod este destul de convenabil pentru observare în domeniul optic, unde absorb lumina foarte puternic.

Dispersia luminii a făcut posibil pentru prima dată să se demonstreze destul de convingător natura compozită a luminii albe.

Augustin Cauchy a propus o formulă empirică pentru aproximarea dependenței indicelui de refracție al unui mediu de lungimea de undă:

Unde λ (\displaystyle \lambda)- lungimea de unda in vid; A, b, c- constante ale căror valori pentru fiecare material trebuie determinate experimental. În cele mai multe cazuri, vă puteți limita la primii doi termeni ai formulei Cauchy. Ulterior, au fost propuse și alte formule de aproximare mai precise, dar în același timp mai complexe.

Dispersia luminii în natură și artă

• .Curcubeul, ale cărui culori se datorează dispersării, este una dintre imaginile cheie ale culturii și artei.
• Datorită dispersării luminii, este posibil să observați „jocul de lumină” colorat pe fațetele unui diamant și ale altor obiecte sau materiale fațetate transparente.
• Într-o măsură sau alta, efectele curcubeului se găsesc destul de des atunci când lumina trece prin aproape orice obiect transparent. În artă ele pot fi în mod specific îmbunătățite și/sau subliniate.
• Descompunerea luminii într-un spectru (datorită dispersiei) atunci când este refractă într-o prismă este un subiect destul de comun în artele vizuale. De exemplu, coperta albumului The Dark Side of the Moon de Pink Floyd descrie refracția luminii într-o prismă cu descompunere într-un spectru.

Fiecare vânător vrea să știe unde stă fazanul. După cum ne amintim, această expresie înseamnă succesiunea de culori a spectrului: roșu, portocaliu, galben, verde, albastru, indigo și violet. Cine a arătat că culoarea albă este suma tuturor culorilor, ce au de-a face cu asta un curcubeu, apusuri și răsărituri frumoase, strălucirea pietrelor prețioase? La toate aceste întrebări se răspunde lecția noastră, al cărei subiect este: „Dispersia luminii”.

Până în a doua jumătate a secolului al XVII-lea, nu era complet clar ce culoare este. Unii oameni de știință au spus că aceasta este o proprietate a corpului în sine, unii au afirmat că acestea sunt combinații diferite de lumină și întuneric, confundând astfel conceptele de culoare și iluminare. Un astfel de haos de culoare a domnit până când Isaac Newton a efectuat un experiment privind transmiterea luminii printr-o prismă (Fig. 1).

Orez. 1. Calea razelor într-o prismă ()

Să ne amintim că o rază care trece printr-o prismă suferă refracție atunci când trece din aer în sticlă și apoi o altă refracție - din sticlă în aer. Traiectoria razei este descrisă de legea refracției, iar gradul de abatere este caracterizat de indicele de refracție. Formule care descriu aceste fenomene:

Orez. 2. Experimentul lui Newton ()

Într-o cameră întunecată, un fascicul îngust de lumină solară pătrunde prin obloane; Newton a plasat o prismă triunghiulară de sticlă în calea ei. Un fascicul de lumină care trecea printr-o prismă a fost refractat în el, iar pe ecranul din spatele prismei a apărut o bandă multicoloră, pe care Newton a numit-o spectru (din latinescul „spectru” - „viziune”). Culoarea albă transformată în toate culorile simultan (Fig. 2). Ce concluzii a tras Newton?

1. Lumina are o structură complexă (în termeni moderni, lumina albă conține unde electromagnetice de diferite frecvențe).

2. Lumina de diferite culori diferă în gradul de refracție (caracterizat prin indici diferiți de refracție într-un mediu dat).

3. Viteza luminii depinde de mediu.

Newton a subliniat aceste concluzii în faimosul său tratat „Optică”. Care este motivul acestei descompunere a luminii într-un spectru?

După cum a arătat experimentul lui Newton, roșul a fost cea mai slabă culoare refractată, iar violetul a fost cea mai refractată. Amintim că gradul de refracție al razelor de lumină este caracterizat de indicele de refracție n. Culoarea roșie diferă de violet ca frecvență; roșul are o frecvență mai mică decât violetul. Deoarece indicele de refracție crește pe măsură ce trecem de la capătul roșu al spectrului la capătul violet, putem concluziona că indicele de refracție al sticlei crește pe măsură ce crește frecvența luminii. Aceasta este esența fenomenului de dispersie.

Să ne amintim cum este legat de indicele de refracție viteza luminii:

n ~ ν; V ~ => ν =

n - indicele de refracție

C - viteza luminii în vid

V - viteza luminii în mediu

ν - frecvența luminii

Aceasta înseamnă că, cu cât frecvența luminii este mai mare, cu atât viteza luminii de propagare în sticlă este mai mică, astfel, cea mai mare viteză în interiorul unei prisme de sticlă este roșie, iar cea mai mică viteză este violetă.

Diferența de viteză a luminii pentru diferite culori apare numai în prezența unui mediu; în mod natural, în vid, orice rază de lumină de orice culoare se propagă cu aceeași viteză m/s. Astfel, am aflat că motivul descompunerii culorii albe într-un spectru este fenomenul de dispersie.

Dispersia- dependenţa vitezei de propagare a luminii într-un mediu de frecvenţa acestuia.

Fenomenul dispersiei, descoperit și studiat de Newton, a așteptat explicația lui de mai bine de 200 de ani; abia în secolul al XIX-lea, omul de știință olandez Lawrence a propus teoria clasică a dispersiei.

Motivul acestui fenomen este interacțiunea radiației electromagnetice externe, adică lumina cu mediul: cu cât frecvența acestei radiații este mai mare, cu atât interacțiunea este mai puternică, ceea ce înseamnă cu atât fasciculul se va devia mai mult.

Dispersia despre care am vorbit se numește normală, adică indicatorul de frecvență crește dacă crește frecvența radiațiilor electromagnetice.

În unele medii rare, este posibilă dispersia anormală, adică indicele de refracție al mediului crește pe măsură ce frecvența scade.

Am văzut că fiecare culoare corespunde unei anumite lungimi de undă și frecvență. O undă care corespunde aceleiași culori în medii diferite are aceeași frecvență, dar lungimi de undă diferite. Cel mai adesea, când se vorbește despre lungimea de undă corespunzătoare unei anumite culori, se referă la lungimea de undă în vid sau în aer. Lumina corespunzătoare fiecărei culori este monocromatică. „Mono” înseamnă unul, „chromos” înseamnă culoare.

Orez. 3. Aranjarea culorilor în spectru în funcție de lungimile de undă din aer ()

Cea mai mare lungime de undă este roșie (lungime de undă - de la 620 la 760 nm), cea mai scurtă lungime de undă este violetă (de la 380 la 450 nm) și frecvențele corespunzătoare (Fig. 3). După cum puteți vedea, nu există o culoare albă în tabel, culoarea albă este suma tuturor culorilor, această culoare nu corespunde cu nicio lungime de undă strict definită.

Ce explică culorile corpurilor care ne înconjoară? Ele sunt explicate prin capacitatea corpului de a reflecta, adică de a împrăștia radiația incidentă asupra acestuia. De exemplu, o culoare albă, care este suma tuturor culorilor, cade pe un corp, dar acest corp reflectă cel mai bine culoarea roșie și absoarbe alte culori, atunci ni se va părea exact roșu. Corpul care reflectă cel mai bine albastrul va apărea albastru și așa mai departe. Dacă corpul reflectă toate culorile, va ajunge să pară alb.

Este dispersia luminii, adică dependența indicelui de refracție de frecvența undei, care explică fenomenul frumos al naturii - curcubeul (Fig. 4).

Orez. 4. Fenomenul curcubeului ()

Curcubeele apar atunci când lumina soarelui este refractată și reflectată de picăturile de apă, ploaie sau ceață care plutesc în atmosferă. Aceste picături deviază lumina de diferite culori în moduri diferite, ca urmare, culoarea albă este descompusă într-un spectru, adică are loc dispersia; un observator care stă cu spatele la sursa de lumină vede o strălucire multicoloră care emană din spațiu de-a lungul arcurilor concentrice.

Dispersia explică, de asemenea, jocul remarcabil de culoare pe fațetele pietrelor prețioase.

1. Fenomenul de dispersie este descompunerea luminii într-un spectru, datorită dependenței indicelui de refracție de frecvența radiației electromagnetice, adică de frecvența luminii. 2. Culoarea corpului este determinată de capacitatea corpului de a reflecta sau împrăștia o anumită frecvență a radiațiilor electromagnetice.

Bibliografie

1. Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fizica (nivel de bază) - M.: Mnemosyne, 2012.
2. Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Fizica clasa a X-a. - M.: Mnemosyne, 2014.
3. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizica - 9, Moscova, Educație, 1990.

Teme pentru acasă

1. Ce concluzii a tras Newton după experimentul cu o prismă?
2. Definiți dispersia.
3. Ce determină culoarea corpului?

1. Portalul de internet B -i-o-n.ru ().
2. Portalul de internet Sfiz.ru ().
3. Portalul de internet Femto.com.ua ().

Atenţie! Administrația site-ului nu este responsabilă pentru conținutul dezvoltărilor metodologice, precum și pentru conformitatea dezvoltării cu Standardul Educațional de Stat Federal.

• Participant: Danil Aleksandrovich Voroshnin
• Șef: Marina Aleksandrovna Bazylnikova

Introducere

Trăim într-o lume cu diverse fenomene luminoase - curcubee, aurore, cer albastru. Pentru cei care nu sunt familiarizați cu motivele apariției lor, aceste fenomene de lumină par neobișnuite și misterioase.

În viața de zi cu zi, întâlnim multe fenomene luminoase, dar de obicei nu ne gândim la ele - cât de familiare ne sunt, dar adesea ne este dificil să le explicăm. De exemplu, o linguriță picurată într-un pahar cu apă ni se pare crăpată sau spartă, în funcție de partea de unde privim lingura. Vedem obiectele din jurul nostru ca fiind multicolore atunci când sunt iluminate de Soare sau de o lampă strălucitoare, dar odată cu debutul amurgului sau când lumina slăbește, culoarea obiectelor se estompează.

Toate aceste fenomene sunt asociate cu conceptul „ ușoară". În vorbirea de zi cu zi, folosim „lumina” într-o varietate de sensuri: învățarea este lumină, iar ignoranța este întuneric, lumina mea, soarele, spune-mi... În fizică, termenul „lumină” are un sens mult mai specific. S-a stabilit experimental că lumina încălzește corpul pe care cade. Prin urmare, transferă energie acestor corpuri. De asemenea, știm că un tip de transfer de căldură este radiația, așadar Ușoară este radiația electromagnetică percepută de ochiul uman și care provoacă senzații vizuale. Lumina are mai multe proprietăți, o astfel de proprietate a luminii este: dispersie. Întotdeauna întâlnim acest fenomen în viață, dar nu îl observăm întotdeauna. Dar dacă ești atent, fenomenul de dispersie ne înconjoară mereu. Un astfel de fenomen este un curcubeu obișnuit. La prima vedere, un curcubeu este ceva simplu; de fapt, atunci când apare un curcubeu, apar procese fizice complexe. Prin urmare, am ales tema dispersiei luminii pentru a înțelege mai bine procesele și fenomenele fizice care au loc în natură. Acesta este un subiect foarte interesant și în proiectul nostru vom încerca să prezentăm toate momentele care au loc în istoria dezvoltării științei luminii și vom prezenta experimente pentru a demonstra dispersia luminii, precum și configurația noastră experimentală, dezvoltată special pentru observând dispersia luminii, care poate fi ulterior folosită în lecțiile fizicienilor atunci când studiază acest subiect.

Obiectivul proiectului– studierea conceptului de „Dispersie luminoasă” și realizarea unei configurații experimentale „Disc de culoare a lui Newton”.

Sarcini:

1. Studiați istoria descoperirii lui I. Newton a fenomenului Dispersia Luminii.
2. Luați în considerare compoziția spectrală a luminii.
3. Dați conceptul de dispersie a luminii.
4. Pregătiți experimente pentru a observa dispersia luminii.
5. Luați în considerare fenomenul natural al curcubeului.
6. Efectuați o configurație experimentală „Discul color al lui Newton”.

I. Partea teoretică

1.1. Descoperirea lui Isaac Newton

În 1665–1667, Isaac Newton, un fizician și matematician englez, în timp ce îmbunătăți telescoapele, a observat că imaginea produsă de lentilă era colorată la margini; această observație l-a interesat foarte mult și a decis să dezlege natura aspectului dungi colorate. În acest moment, o epidemie de ciumă facea ravagii în Anglia, iar tânărul Isaac Newton a decis să se refugieze în Woolsthorpe natal. Înainte de a pleca în sat, a cumpărat prisme de sticlă pentru a „face experimente cu faimoasele fenomene ale florilor”. În timp ce explora natura florilor, Newton a venit cu și a efectuat o gamă întreagă de experimente optice diferite. Unele dintre ele, fără modificări semnificative în metodologie, sunt încă folosite în laboratoarele de fizică. Experiența principală a fost tradițională. După ce a făcut o mică gaură în obloanele ferestrei unei camere întunecate, Newton a plasat o prismă de sticlă în calea fasciculului de raze care trecea prin această gaură. Pe peretele opus a primit o imagine sub forma unei benzi de culori alternante (Fig. 1).

1.2. Compoziția spectrală a luminii

Newton a împărțit banda colorată rezultată de lumină solară în șapte culori ale curcubeului - roșu, portocaliu, galben, verde, albastru, indigo, violet (Fig. 2).

Gamă– (din latinescul „spectru” - viziune) o serie continuă de dungi colorate, obținute prin descompunerea unui fascicul de lumină albă în părțile sale componente (Fig. 3).

Dacă luăm în considerare spectrul fără o astfel de prejudecată, atunci banda de spectru se împarte în trei părți principale - roșu, galben-verde și albastru-violet. Culorile rămase ocupă zone relativ înguste între aceste de bază.

Toate culorile spectrului sunt conținute chiar în lumina soarelui, iar o prismă de sticlă le separă doar, deoarece diferitele culori sunt refractate diferit de sticlă. Razele violete sunt refractate cel mai puternic, razele roșii se refractează cel mai slab.

1.3. Dispersia luminii

Trecând printr-o prismă, o rază de soare nu este doar refractată, ci și descompusă în diferite culori.

Dispersia este fenomenul de spargere a luminii în culori pe măsură ce lumina trece printr-o substanță.

Înainte de a înțelege esența acestui fenomen, este necesar să se ia în considerare refracția undelor luminoase. Se numește schimbarea direcției de propagare a undei la trecerea de la un mediu la altul refracţie.

Puneți o monedă sau un alt obiect mic în partea de jos a unui pahar gol, opac. Să mișcăm paharul astfel încât centrul monedei, marginea paharului și ochiul să fie pe aceeași linie dreaptă. Fără a schimba poziția capului, vom turna apă într-un pahar. Pe măsură ce nivelul apei crește, fundul paharului cu moneda pare să se ridice. O monedă care anterior era vizibilă doar parțial va fi acum complet vizibilă. Aceste fenomene sunt explicate printr-o schimbare a direcției razelor la limita a două medii - refracția luminii(Fig. 4).

Legea refracției luminii: raza incidentă, raza refractată și perpendiculara restaurată în punctul de incidență se află în același plan.

Dacă fasciculul trece în orice mediu din vid, atunci

Unde n – indicele absolut de refracție al celui de-al doilea mediu.

Indicele de refracție absolut– o mărime fizică egală cu raportul dintre sinusul unghiului de incidență al fasciculului și sinusul unghiului de refracție atunci când fasciculul trece din vid în acest mediu.

Cu cât indicele de refracție al unei substanțe este mai mare, cu atât substanța este considerată mai densă optic. De exemplu, rubinul este un mediu optic mai dens decât gheața.

Refracția luminii la trecerea dintr-un mediu în altul este cauzată de diferența de viteză de propagare a luminii într-un mediu și celălalt. Acest lucru a fost dovedit de matematicianul francez Pierre Fermat și de fizicianul olandez Christiaan Huygens. Au dovedit că

Raportul dintre sinusul unghiului de incidență și sinusul unghiului de refracție este o valoare constantă pentru aceste două medii, egală cu raportul vitezelor luminii în aceste medii:

sinα	= n 21 =	V 1
sinβ		V 2

Viteza luminii în orice substanță este mai mică decât viteza luminii în vid. Motivul scăderii vitezei luminii în mediu este interacțiunea undei luminoase cu atomii și moleculele substanței. Cu cât interacțiunea este mai puternică, cu atât densitatea optică a mediului este mai mare și viteza luminii este mai mică. Un mediu cu un indice de refracție absolut mai scăzut este de obicei numit mediu optic mai puțin dens.

Indicele de refracție absolut este determinat de viteza de propagare a luminii într-un mediu dat, care depinde de starea fizică a mediului, adică de temperatura substanței și densitatea acesteia. Indicele de refracție depinde și de caracteristicile luminii în sine. Pentru lumina roșie este mai puțin decât pentru verde, iar pentru verde este mai puțin decât pentru violet.

Prin urmare,

Dispersia luminii este dependența indicelui de refracție și a vitezei luminii de frecvența undei luminii.

Indicele absolut de refracție al sticlei n Tipul din care este realizată prisma depinde nu numai de proprietățile sticlei, ci și de frecvența (culoarea) luminii care trece prin ea. În experimentul lui Newton, când un fascicul de lumină albă a fost descompus într-un spectru, razele violete, care au o frecvență mai mare decât cele roșii, au fost refractate mai puternic decât cele roșii, astfel încât pe ecran se poate observa o dungă colorată - un spectru. (Fig. 5).

1.4. Curcubeu

Dispersia luminii explică multe fenomene naturale, cum ar fi curcubeul. Ca urmare a refracției luminii solare în picăturile de apă în timpul ploii, pe cer apare un arc multicolor - un curcubeu (Fig. 6).

Curcubeu este un fenomen optic asociat cu refracția razelor de lumină de către numeroase picături de ploaie.

Arcul multicolor apare deoarece o rază de lumină este refractată în picături de apă, iar apoi, revenind la observator la un unghi de 42 de grade, este împărțită în componente de la roșu la violet (Fig. 7).

În primul rând, observăm că un curcubeu poate fi observat doar în direcția opusă Soarelui. Dacă stai cu fața la curcubeu, Soarele va fi în spatele tău. Culorile observate într-un curcubeu alternează în aceeași succesiune ca și în spectrul obținut prin trecerea unui fascicul de lumină solară printr-o prismă. În acest caz, regiunea extremă interioară (cu fața la suprafața Pământului) a curcubeului este colorată în violet, iar regiunea extremă exterioară este roșie.

Luminozitatea culorilor și lățimea curcubeului depind de dimensiunea picăturilor de ploaie. Cu cât picăturile sunt mai mari, cu atât curcubeul este mai îngust și mai strălucitor, cu atât culoarea roșie este mai bogată. Dacă este ploaie slabă, curcubeul se dovedește a fi larg, dar cu margini portocalii și galbene decolorate.

Cel mai adesea vedem un curcubeu sub formă de arc, dar arcul este doar o parte a curcubeului. Curcubeul are forma de cerc, dar observăm doar jumătate din arc, deoarece centrul său se află pe aceeași linie dreaptă cu ochii noștri și cu Soarele (Fig. 8).

Întregul curcubeu poate fi văzut doar la mare altitudine, dintr-un avion sau de pe un munte înalt (Fig. 9).

II. Partea practică

2.1. Demonstrarea experimentelor privind observarea dispersiei luminii

După ce am studiat istoria descoperirii dispersiei luminii și procesul de formare a spectrului, am decis să observăm experimental dispersia luminii. În acest scop, am pregătit și realizat experimente video care pot fi folosite în lecțiile de fizică atunci când studiem tema Dispersia luminii.

Experimentul nr. 1. Obținerea unui spectru curcubeu pe filme de săpun

Pentru a efectua experimentul veți avea nevoie de: un recipient cu o soluție de săpun, un cadru de sârmă.

Progresul experimentului: turnați soluția de săpun în recipient, coborâți cadrul în soluție, se formează o peliculă de săpun. Pe film apar dungi curcubeu.

Experimentul nr. 2. Dispersia luminii - descompunerea într-un spectru curcubeu a unui fascicul de lumină albă atunci când trece printr-o prismă de sticlă

Pentru a efectua experimentul veți avea nevoie de: o prismă, o sursă de lumină (lanterna telefonului), un ecran (o foaie de hârtie albă).

Progresul experimentului: Instalăm prisma pe masa experimentală. Instalăm un ecran pe o parte a mesei. Îndreptăm lumina spre prismă și observăm dungi curcubeu pe ecran.

Experimentul nr. 3. Dispersia luminii - descompunerea într-un spectru curcubeu a unui fascicul de lumină albă la trecerea prin apă

Pentru a realiza experimentul veți avea nevoie de: o oglindă, o sursă de lumină (lanterna telefonului), un ecran (o foaie de hârtie albă), un recipient cu apă.

Progresul experimentului: Turnați apă în recipient și puneți o oglindă pe fund. Îndreptăm lumina către oglindă, astfel încât lumina reflectată să lovească ecranul.

1.2. discul color al lui Newton

Newton a efectuat un experiment comun cu o prismă de sticlă și a observat descompunerea luminii într-un spectru. Prin strălucirea unui fascicul de lumină naturală pe o prismă, el a văzut diferite culori ale curcubeului pe ecran. După ce a văzut, a identificat șapte culori primare din ele. Acestea erau culori precum: roșu, portocaliu, galben, verde, albastru, indigo și violet (fiecare vânător vrea să știe unde stă fazanul). Newton a ales doar șapte culori pentru că erau cele mai strălucitoare; el a mai spus că în muzică există doar șapte note, dar combinația lor, diferitele variații, fac posibilă obținerea de melodii complet diferite. După ce a efectuat experimentul invers, i.e. El a direcționat spectrul rezultat spre marginea altei prisme și, ca rezultat al experimentului, Newton a primit din nou lumină albă (Fig. 10).

Pe baza acestor experimente simple, Newton a venit cu ideea de a crea un cerc format din șapte sectoare și vopsit cu anumite culori ca urmare a rotației, care le va amesteca și vom obține o colorare albă a acestui cerc. Ulterior, acest cerc a început să fie numit discul color al lui Newton(Fig. 11).

Să încercăm să repetăm ​​experimentul lui Newton. Pentru a face acest lucru, vom crea o configurație experimentală, care constă dintr-un răcitor de computer și un disc color atașat la acesta, precum și o sursă de alimentare (Fig. 12).

Răcitorul creează un flux mare de aer și servește la rotirea discului colorat. Deoarece instalația noastră este conectată la o rețea cu o tensiune de 220 V, iar răcitorul este proiectat pentru 12 V, prin urmare, la răcitor a fost conectată o sursă de alimentare pentru a reduce tensiunea de la 220 V la 12 V. Pentru siguranță, instalația este izolat într-o cutie de plastic.

Ca urmare, atunci când unitatea este conectată la priza, cercul colorat atașat răcitorului va începe să se rotească și vom vedea o culoare alb-gălbuie a cercului (Fig. 13).

Culoarea cercului la rotire este alb-gălbui din două motive:

1. Viteza de rotație a cercului este foarte mică în comparație cu viteza luminii;
2. Cercul este vopsit cu tranziții clare de culoare în comparație cu spectrul de descompunere al luminii albe.

Astfel, am putut repeta experimentele lui Newton privind împărțirea luminii albe într-un spectru și invers, obținând lumină albă din spectru.

Concluzie

Lumea din jurul nostru se joacă cu culorile: suntem încântați și entuziasmați de albastrul cerului, verdele ierbii și copacilor, strălucirea roșie a apusului, arcul de șapte culori al curcubeului. În proiectul nostru, am încercat să răspundem la întrebarea - cum putem explica varietatea uimitoare de culori din natură. În general, obiectivul stabilit de a studia un astfel de fenomen precum dispersia luminii a fost în cele din urmă atins. Pentru a înțelege mai bine o astfel de proprietate a luminii precum dispersia, s-a studiat literatură suplimentară despre fenomenele luminoase, s-au efectuat experimente pentru observarea fenomenului și s-a realizat o instalație pentru a roti roata de culori a lui Newton la o anumită viteză.

Ca rezultat al experimentelor și experimentelor noastre, am făcut următoarele concluzii:

1. Dispersia este fenomenul de descompunere a luminii albe într-un spectru.
2. Culoarea albă are o structură complexă formată din mai multe culori.
3. Când lumina cade pe interfața dintre două medii transparente, razele de lumină de diferite culori sunt refractate diferit (cele mai puternic violete, cele mai puțin roșii).
4. Prisma nu schimbă culoarea, ci doar o descompune în părțile sale componente.

Astfel, prin studiul teoretic al acestei teme și confirmarea sa practică, scopul principal al proiectului a fost atins.

Dispersia luminii

Descompunerea luminii într-un spectru datorită dispersiei la trecerea printr-o prismă (experimentul lui Newton).

Dispersia luminii(descompunerea luminii) este un fenomen cauzat de dependența indicelui absolut de refracție al unei substanțe de frecvența (sau lungimea de undă) luminii (dispersia de frecvență) sau, același lucru, de dependența vitezei de fază a luminii într-un substanță pe lungimea de undă (sau frecvența). Descoperit experimental de Newton în jurul anului 1672, deși teoretic destul de bine explicat mult mai târziu.

• Dispersia spațială este dependența tensorului constantă dielectrică a unui mediu de vectorul de undă. Această dependență provoacă o serie de fenomene numite efecte de polarizare spațială.

Unul dintre cele mai evidente exemple de dispersie este descompunerea luminii albe la trecerea printr-o prismă (experimentul lui Newton). Esența fenomenului de dispersie este viteza inegală de propagare a razelor de lumină cu lungimi de undă diferite într-o substanță transparentă - un mediu optic (în timp ce în vid viteza luminii este întotdeauna aceeași, indiferent de lungimea de undă și deci de culoare). De obicei, cu cât frecvența undei este mai mare, cu atât este mai mare indicele de refracție al mediului și cu atât viteza luminii este mai mică în el:

• roșu are viteza maximă în mediu și gradul minim de refracție,
• Culoarea violetă are viteza minimă a luminii în mediu și gradul maxim de refracție.

Cu toate acestea, în unele substanțe (de exemplu, vaporii de iod), se observă un efect de dispersie anormal, în care razele albastre sunt refractate mai puțin decât cele roșii, în timp ce alte raze sunt absorbite de substanță și elud observarea. Mai strict vorbind, dispersia anormală este larg răspândită, de exemplu, se observă în aproape toate gazele la frecvențe apropiate liniilor de absorbție, dar în vaporii de iod este destul de convenabil pentru observare în domeniul optic, unde absorb lumina foarte puternic.

Dispersia luminii a făcut posibil pentru prima dată să se demonstreze destul de convingător natura compozită a luminii albe.

• Lumina albă este descompusă într-un spectru ca urmare a trecerii printr-un rețele de difracție sau a reflexiei din acesta (acest lucru nu are legătură cu fenomenul de dispersie, dar se explică prin natura difracției). Spectrele de difracție și prismatice sunt oarecum diferite: spectrul prismatic este comprimat în partea roșie și întins în violet și este aranjat în ordinea descrescătoare a lungimii de undă: de la roșu la violet; spectrul normal (difracție) este uniform în toate zonele și este aranjat în ordinea lungimii de undă crescătoare: de la violet la roșu.

Prin analogie cu dispersia luminii, fenomenele similare ale dependenței propagării undelor de orice altă natură de lungimea de undă (sau frecvența) sunt numite și dispersie. Din acest motiv, de exemplu, termenul de lege de dispersie, folosit ca denumirea unei relații cantitative care raportează frecvența și numărul de undă, se aplică nu numai unei unde electromagnetice, ci și oricărui proces de undă.

Dispersia explică faptul că după ploaie apare un curcubeu (mai precis, faptul că curcubeul este multicolor și nu alb).

Dispersia este cauza aberațiilor cromatice - una dintre aberațiile sistemelor optice, inclusiv a obiectivelor fotografice și video.

Cauchy a venit cu o formulă care exprimă dependența indicelui de refracție al unui mediu de lungimea de undă:

Dispersia luminii în natură și artă

Datorită dispersiei, pot fi observate culori diferite.

• Curcubeul, ale cărui culori se datorează dispersării, este una dintre imaginile cheie ale culturii și artei.
• Datorită dispersării luminii, este posibil să observați „jocul de lumină” colorat pe fațetele unui diamant și ale altor obiecte sau materiale fațetate transparente.
• Într-o măsură sau alta, efectele curcubeului se găsesc destul de des atunci când lumina trece prin aproape orice obiect transparent. În artă ele pot fi intensificate și accentuate în mod specific.
• Descompunerea luminii într-un spectru (datorită dispersiei) atunci când este refractă într-o prismă este un subiect destul de comun în artele vizuale. De exemplu, coperta albumului Dark Side Of The Moon de Pink Floyd descrie refracția luminii într-o prismă cu descompunere într-un spectru.

Vezi si

Literatură

• Yashtold-Govorko V. A. Fotografie și procesare. Fotografie, formule, termeni, rețete. - Ed. a 4-a, abr. - M.: Art, 1977.

Legături

Fundația Wikimedia. 2010.

• Concentrare principala
• Dispersia

Vedeți ce este „Dispersia luminii” în alte dicționare:

DISPERSIUNEA LUMINII- dependenţa indicelui de refracţie n în VA de frecvenţa n (lungimea de undă l) a luminii sau dependenţa vitezei de fază a undelor luminoase de frecvenţa lor. Consecință D. s. descompunerea într-un spectru de fascicul de lumină albă la trecerea printr-o prismă (vezi SPECTRE... ... Enciclopedie fizică

dispersia luminii- Fenomene cauzate de dependenţa vitezei de propagare a luminii de frecvenţa vibraţiilor luminii. [Culegere de termeni recomandați. Problema 79. Optica fizică. Academia de Științe a URSS. Comitetul de terminologie științifică și tehnică. 1970] Subiecte… … Ghidul tehnic al traducătorului

dispersia luminii- šviesos skaida statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: engl. dispersia luminii vok. Lichtdispersion, f; Zerteilung des Lichtes, f rus. dispersia luminii, f pranc. dispersie de lumină, f… Radioelektronikos terminų žodynas

dispersia luminii- šviesos dispersija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. dispersia luminii vok. Lichtdispersion, f; Zerlegung des Lichtes, f rus. dispersia luminii, f pranc. dispersion de la lumière, f … Fizikos terminų žodynas

Dispersia luminii- dependența indicelui de refracție n al unei substanțe de frecvența ν (lungimea de undă λ) a luminii sau dependența vitezei de fază (vezi Viteza de fază) a undelor luminoase de frecvență. Consecință D. s. descompunerea în spectrul unui fascicul de lumină albă la trecere... ... Marea Enciclopedie Sovietică

DISPERSIUNEA LUMINII- dependența indicelui de refracție n in va de frecvența luminii v. În regiunea frecvențele luminii, pentru care v este transparent, n crește odată cu creșterea v normală d.s. În regiunea frecvente corespunzatoare benzilor de absorbtie intensa a luminii in camp, n scade cu... ... Big Enciclopedic Polytechnic Dictionary

Dispersia luminii- dependența indicelui absolut de refracție al unei substanțe de lungimea de undă a luminii... Dicţionar astronomic

Dispersia anormală a luminii- Pentru a îmbunătăți acest articol, este de dorit?: Adăugați ilustrații. Găsiți și aranjați sub formă de note de subsol link-uri către surse autorizate care confirmă ceea ce este scris. Plasați un șablon de card care este... Wikipedia

DISPERSIUNEA UNDELOR- dependenţa vitezei de fază a undelor armonice în mediu de frecvenţa oscilaţiilor acestora. dispersia undelor se observă pentru unde de orice natură. Prezența dispersiei undelor duce la distorsiunea formei semnalului (de exemplu, un impuls audio) atunci când se propagă într-un mediu... Dicţionar enciclopedic mare

Obiectivele lecției:

• Educational:
  • introducerea conceptelor de spectru, dispersie a luminii;
  • Pentru a familiariza elevii cu istoria descoperirii acestui fenomen.
  • să demonstreze clar procesul de descompunere a unui fascicul de lumină îngust în componente de diferite nuanțe de culoare.
  • identificați diferențele dintre aceste elemente ale fasciculului luminos.
  • continuă să formeze viziunea științifică asupra lumii a studenților.
• De dezvoltare:
  • dezvoltarea atenției, gândirii imaginative și logice, memoriei atunci când studiați acest subiect.
  • stimularea motivaţiei cognitive a elevilor.
  • dezvoltarea gândirii critice.
• Educational:
  • stimularea interesului pentru subiect;
  • hrănind un sentiment de frumusețe, frumusețea lumii înconjurătoare.

Tip de lecție: o lectie de studiu si consolidare initiala a noilor cunostinte.

Metode de predare: conversație, poveste, explicație, experiment. (Informare și dezvoltare)

Cerințe pentru nivelul de bază de pregătire: să fie capabil să descrie și să explice fenomenul de dispersie.

Echipamente si materiale: computer, carduri color, plăci plan-paralele

Planul lecției:

Înainte de începerea lecției, în timpul pauzei, efectuați diagnosticul „Class Color Design”. Fiecare elev, intrând în clasă, alege un cartonaș cu o anumită culoare care se potrivește cu starea sa de spirit, iar la începutul lecției se întocmește o „Class Color Chart”.

• Culoarea galbenă este bună
• Portocaliu – foarte bun
• Roșu – vesel
• Verde – calm
• Albastru – trist
• Maro – alarmant
• Negru – rău
• Alb – indiferent

Epigraf pentru lecție:

Natura nu poate fi surprinsă neglijentă și pe jumătate goală; ea este întotdeauna frumoasă.

R. Emerson (filozof american al secolului al XIX-lea)

ÎN CURILE CURĂRILOR

1. Motivația

Lumina soarelui a fost întotdeauna și rămâne pentru o persoană un simbol al bucuriei, tinereții eterne, tot ce este bine, tot ce poate fi mai bun în viață:

„Să fie întotdeauna Soarele.
Fie să existe mereu raiul..." -

Astfel de cuvinte se află în celebra melodie scrisă de Lev Oshanin.
Chiar și un fizician. Obișnuit să se ocupe de fapte, cu înregistrarea exactă a fenomenelor, se simte uneori ciudat când spune că lumina sunt unde electromagnetice de o anumită lungime de undă și nimic mai mult.
Lungimea de undă a luminii este foarte scurtă. Imaginați-vă un val mediu de mare care ar crește atât de mult încât ar acoperi întreg Oceanul Atlantic - din America până la Lisabona în Europa. Lungimea de undă a luminii la aceeași mărire ar depăși doar puțin lățimea unei pagini de carte.
Întrebare:
– De unde provin aceste unde electromagnetice?
Răspuns:
– Sursa lor este Soarele.
Alături de radiațiile vizibile, Soarele ne trimite radiații termice, infraroșii și ultraviolete. Temperatura ridicată a soarelui este principalul motiv pentru nașterea acestor unde electromagnetice.

2. Moment organizatoric

Formularea temei și a obiectivelor lecției.

Tema lecției noastre este „Dispersia luminii”. Astăzi avem nevoie de:

• Introduceți conceptul de „spectru”, „dispersie de lumină”;
• Identificați caracteristicile acestui fenomen - dispersia luminii;
• Familiarizați-vă cu istoria descoperirii acestui fenomen.

Activarea activității mentale:

Un elev citește o poezie

Parfumul Soarelui

Mirosul soarelui? Ce nonsens!
Nu, nu prostii.
Sunete și vise în soare,
Parfumuri si flori,
Toți s-au contopit într-un cor de consoane,
Totul este țesut într-un singur model.
Soarele miroase a ierburi,
Băi proaspete,
În primăvara trezirii
Și pin rășinos,
Tesut delicat usor
Beat de crini,
Ceea ce a înflorit victorios
În mirosul înțepător al pământului.
Soarele strălucește cu clopote,
Frunze verzi
Respiră cântecul exterior al păsărilor,
Respirați cu râsul fețelor tinere.
Deci spuneți tuturor orbilor:
Va fi pentru tine!
Nu vei vedea porțile raiului,
Soarele are un parfum
Dulce inteligibil doar pentru noi,
Vizibil pentru păsări și flori!
A. Balmont

3. Învățarea de noi materiale

Puțină istorie

Vorbind despre aceste idei, ar trebui să începem cu teoria culorilor a lui Aristotel (secolul IV î.Hr.). Aristotel a susținut că diferența de culoare este determinată de diferența în cantitatea de întuneric „amestecat” cu lumina soarelui (albă). Culoarea violetă, conform lui Aristotel, apare atunci când întunericul este adăugat la cea mai mare cantitate de lumină, iar roșu - când întunericul este adăugat la cea mai mică cantitate. Astfel, culorile curcubeului sunt culori complexe, iar cea principală este lumina albă. Este interesant că apariția prismelor de sticlă și primele experimente de observare a descompunerii luminii prin prisme nu au dat naștere la îndoieli cu privire la corectitudinea teoriei lui Aristotel privind apariția culorilor. Atât Hariot, cât și Marzi au rămas adepți ai acestei teorii. Acest lucru nu ar trebui să fie surprinzător, deoarece la prima vedere descompunerea luminii de către o prismă în diferite culori părea să confirme ideea că culoarea apare ca urmare a amestecării luminii și întunericului. Dunga curcubeu apare tocmai la trecerea de la dunga de umbră la dunga iluminată, adică la granița întunericului și a luminii albe. Din faptul că raza violetă parcurge cea mai lungă cale în interiorul prismei în comparație cu alte raze colorate, nu este surprinzător să concluzionăm că culoarea violetă apare atunci când lumina albă își pierde cel mai mult „albul” la trecerea prin prismă. Cu alte cuvinte, pe calea cea mai lungă are loc cea mai mare amestecare a întunericului cu lumina albă. Nu a fost greu de demonstrat falsitatea unor astfel de concluzii prin efectuarea experimentelor corespunzătoare cu aceleași prisme. Cu toate acestea, nimeni nu făcuse asta înainte de Newton.

Lumina soarelui are multe secrete. Unul din ei - fenomen de dispersie. Marele fizician englez a fost primul care a descoperit-o Isaac Newton în 1666în timp ce îmbunătățim telescopul.

Dispersia luminii(descompunerea luminii) este un fenomen cauzat de dependența indicelui absolut de refracție al unei substanțe de frecvența (sau lungimea de undă) luminii (dispersia de frecvență) sau, același lucru, de dependența vitezei de fază a luminii într-un substanță pe lungimea de undă (sau frecvența).

Dispersia luminii a fost descoperită experimental de I. Newton în jurul anului 1672, deși teoretic a fost destul de bine explicată mult mai târziu.
Unul dintre cele mai evidente exemple de dispersie este descompunerea luminii albe pe măsură ce trece printr-o prismă (experimentul lui Newton). Esența fenomenului de dispersie este viteza inegală de propagare a razelor de lumină cu lungimi de undă diferite într-o substanță transparentă - un mediu optic (în timp ce în vid viteza luminii este întotdeauna aceeași, indiferent de lungimea de undă și deci de culoare). De obicei, cu cât frecvența undei este mai mare, cu atât este mai mare indicele de refracție al mediului și cu atât viteza luminii este mai mică în el:

• roșu are viteza maximă în mediu și gradul minim de refracție,
• Culoarea violetă are viteza minimă a luminii în mediu și gradul maxim de refracție.

Dispersia luminii a făcut posibil pentru prima dată să se demonstreze destul de convingător natura compozită a luminii albe.

Lumina albă este descompusă într-un spectru ca urmare a trecerii printr-un rețele de difracție sau a reflexiei din acesta (acest lucru nu are legătură cu fenomenul de dispersie, dar se explică prin natura difracției).

Spectrele de difracție și prismatice sunt oarecum diferite: spectrul prismatic este comprimat în partea roșie și întins în violet și este aranjat în ordinea descrescătoare a lungimii de undă: de la roșu la violet; spectrul normal (difracție) este uniform în toate zonele și este aranjat în ordinea lungimii de undă crescătoare: de la violet la roșu.

Știind că lumina albă are o structură complexă, putem explica varietatea uimitoare de culori din natură. Dacă un obiect, cum ar fi o bucată de hârtie, reflectă toate razele de diferite culori care cad pe el, va apărea alb. Acoperind hârtia cu un strat de vopsea roșie, nu creăm o nouă culoare de lumină, ci reținem o parte din lumina existentă pe foaie. Acum doar razele roșii vor fi reflectate, restul vor fi absorbite de stratul de vopsea. Iarba și frunzele copacilor ni se par verzi din cauza tuturor razelor soarelui care cad asupra lor, le reflectă doar pe cele verzi, absorbind restul. Dacă priviți iarba prin sticlă roșie, care transmite doar raze roșii, aceasta va apărea aproape neagră.

Fenomenul de dispersie, descoperit de Newton, este primul pas spre înțelegerea naturii culorii. Profunzimea înțelegerii dispersiei a venit după ce a fost clarificată dependența culorii de frecvența (sau lungimea de undă) a luminii.

Thomas Young (1773-1829) a fost primul care a măsurat lungimile de undă diferitelor culori în 1802.

După descoperirea dispersiei luminii, lungimea de undă a devenit principala mărime care determină culoarea luminii. Principalul receptor de culoare este retina ochiului.

Culoare- exista o senzatie care apare in retina ochiului cand este excitat de o unda luminoasa de o anumita lungime. Cunoscând lungimea de undă a luminii emise și condițiile de propagare a acesteia, este posibil să se prezică în prealabil cu un grad ridicat de precizie ce culoare va vedea ochiul.

Este posibil ca retina ochiului să perceapă prost una dintre culorile primare sau să nu reacționeze deloc la ea, atunci percepția culorilor acestei persoane este afectată. Această lipsă de vedere se numește daltonism.

O bună percepție a culorilor este foarte importantă pentru o serie de profesii: marinari, piloți, feroviari, chirurgi, artiști. Au fost create dispozitive speciale - anomaloscoape pentru studiul tulburărilor de vedere a culorilor.

Dispersia explică faptul că după ploaie apare un curcubeu (mai precis, faptul că curcubeul este multicolor și nu alb).
Prima încercare de a explica curcubeu ca fenomen natural a fost făcută în 1611 de arhiepiscopul Antonio Dominis.

1637– explicația științifică a curcubeului a fost dată pentru prima dată de Rene Descartes. El a explicat curcubeul pe baza legile refracției și reflectării luminii solare în picături de ploaie. Fenomenul de dispersie nu fusese încă descoperit, motiv pentru care curcubeul lui Descartes s-a dovedit a fi alb.

30 de ani mai târziu Isaac Newton a completat teoria lui Descartes și a explicat modul în care razele colorate sunt refractate în picăturile de ploaie.

„Descartes a atârnat curcubeul în locul potrivit pe cer, iar Newton l-a colorat cu toate culorile spectrului.”

Omul de știință american A. Fraser

Curcubeu este un fenomen optic asociat cu refracția razelor de lumină de către numeroase picături de ploaie. Cu toate acestea, nu toată lumea știe exact cum refracția luminii pe picăturile de ploaie duce la apariția unui arc multicolor gigant pe cer. Prin urmare, este util să ne oprim mai în detaliu asupra explicației fizice a acestui fenomen optic spectaculos.

Curcubeu prin ochii unui observator atent. În primul rând, un curcubeu poate fi observat doar în direcția opusă Soarelui. Dacă stai cu fața la curcubeu, Soarele va fi în spatele tău. Un curcubeu apare atunci când Soarele luminează o perdea de ploaie. Pe măsură ce ploaia scade și apoi se oprește, curcubeul se estompează și dispare treptat. Culorile observate într-un curcubeu alternează în aceeași succesiune ca și în spectrul obținut prin trecerea unui fascicul de lumină solară printr-o prismă. În acest caz, regiunea extremă interioară (cu fața la suprafața Pământului) a curcubeului este colorată în violet, iar regiunea extremă exterioară este roșie. Adesea, un alt curcubeu (secundar) apare deasupra curcubeului principal - mai larg și mai neclar. Culorile din curcubeul secundar alternează în ordine inversă: de la roșu (regiunea cea mai interioară a arcului) la violet (regiunea cea mai exterioară).

Pentru un observator situat pe o suprafață relativ plată a pământului, apare un curcubeu cu condiția ca altitudinea unghiulară a Soarelui deasupra orizontului să nu depășească aproximativ 42°. Cu cât Soarele este mai jos, cu atât este mai mare înălțimea unghiulară a vârfului curcubeului și, prin urmare, cu atât porțiunea observată a curcubeului este mai mare. Un curcubeu secundar poate fi observat dacă înălțimea Soarelui deasupra orizontului nu depășește aproximativ 52.

Curcubeul poate fi considerat ca o roată uriașă, care, asemenea unei axe, este montată pe o linie dreaptă imaginară care trece prin Soare și prin observator.

Dispersia este cauza aberațiilor cromatice - una dintre aberațiile sistemelor optice, inclusiv a obiectivelor fotografice și video.

Dispersia luminii în natură și artă

• Datorită dispersiei, pot fi observate diferite culori ale luminii.
• Curcubeul, ale cărui culori se datorează dispersării, este una dintre imaginile cheie ale culturii și artei.
• Datorită dispersării luminii, este posibil să observați „jocul de lumină” colorat pe fațetele unui diamant și ale altor obiecte sau materiale fațetate transparente.
• Într-o măsură sau alta, efectele curcubeului se găsesc destul de des atunci când lumina trece prin aproape orice obiect transparent. În artă ele pot fi intensificate și accentuate în mod specific.
• Descompunerea luminii într-un spectru (datorită dispersiei) atunci când este refractă într-o prismă este un subiect destul de comun în artele vizuale. De exemplu, coperta albumului Dark Side Of The Moon de Pink Floyd descrie refracția luminii într-o prismă cu descompunere într-un spectru.

Descoperirea dispersiei a fost foarte semnificativă în istoria științei. Pe piatra funerară a omului de știință se află o inscripție cu următoarele cuvinte: „Aici zace Sir Isaac Newton, nobilul care... a fost primul cu torța matematicii care a explicat mișcările planetelor, căile cometelor și mareele oceanele.

El a investigat diferența dintre razele de lumină și diferitele proprietăți ale culorilor care apar în acest proces, pe care nimeni nu le bănuise anterior. … Să se bucure muritorii că a existat o astfel de podoabă a rasei umane.”

4. Consolidarea

• Răspunde la întrebările pe tema studiată.
• Categoria „Gândește...”
• Întrebare: De ce este curcubeul rotund?
• Compilare de „Sinquain” pe tema „Varianță”

5. Rezumând lecția

La sfârșitul lecției, efectuați din nou diagnosticul „Colorarea clasei”. Aflați care era starea de spirit la sfârșitul lecției, pe baza căreia se întocmește o diagramă „Class Color Design” și se compară rezultatul, în ce dispoziție erau elevii la începutul și la sfârșitul lecției .

6. Tema pentru acasă:§66

Literatură:

1. Myakishev G.Ya., Buhovtsev B.B. Fizica: manual pentru clasa a XI-a de liceu. – M.: Educație, 2006.
2. Rymkevich A.P. Culegere de probleme de fizică pentru clasele 9-11 de liceu. – M.: Educație, 2006.
3. Cititor de Fizică: Manual pentru elevii din clasele 8-10 de gimnaziu / Ed. B.I. Spassky. – M.: Educație, 1987.
4. Revista „Fizica la școală” Nr.1/1998