Фізика. 9 клас. Головко

§ 16. Дисперсія світла

• Дисперсія світла

• Спектральний склад природного світла

• Кольори

ДИСПЕРСІЯ СВІТЛА. З попереднього параграфа вам відомо, що відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення, як і відношення швидкостей світла у двох середовищах, не залежить від кута падіння світла. Проте, як з’ясувалося, значення цього відношення залежить від кольору світла. Вперше такого висновку дійшов Ісак Ньютон. Удосконалюючи телескоп, І. Ньютон звернув увагу на те, що зображення, яке він одержував за допомогою об’єктива, має забарвлення. Зацікавившись цим явищем, учений уперше дослідив особливості розмаїття світлових променів. Райдужне забарвлення, що утворюється внаслідок проходження світла крізь призму чи лінзу, спостерігали, звичайно, і до Ньютона, проте детально хід світлових променів, які пройшли крізь скляну трикутну призму, вперше дослідив саме він.

Основний дослід Ньютона був геніально простим (рис. 16.1). Він здогадався спрямувати на призму світловий пучок малого поперечного перерізу тобто вузький пучок. Він проходив у затемнену кімнату крізь маленький отвір у ставні. Потрапляючи на скляну призму, пучок заломлювався і давав на протилежній стіні зображення, в якому, як у веселці, смуги плавно переходили одна в одну.

За аналогією з веселкою І. Ньютон виокремив сім основних кольорів: червоний, помаранчевий, жовтий, зелений, блакитний, синій та фіолетовий. Саму різнокольорову смугу на стіні Ньютон назвав спектром. А явище розкладання білого світла у спектр дістало назву дисперсії світла.

Рис. 16.1. Дослід Ньютона: а) розкладання білого світла скляною призмою; б) спектр світла

СПЕКТРАЛЬНИЙ СКЛАД ПРИРОДНОГО СВІТЛА. Коли на шляху поширення променя Ньютон розміщував скло червоного кольору, на стіні залишалася лише червона смуга, коли зелене — зелена смуга і так далі. Проаналізувавши результат експерименту, І. Ньютон дійшов висновку, що призма не фарбує світло, а лише розкладає його на складові. Учений зробив висновок про те, що біле світло має складну структуру і лише поєднання всіх компонентів разом створює в нас відчуття білого світла. Переконатися в цьому можна, спрямувавши світло на ще одну таку саму призму, обернену до першої на кут 180° (рис. 16.2).

Рис. 16.2. Поєднання всіх компонентів природного світла створює в нас відчуття білого світла

Інший важливий висновок, який зробив І. Ньютон, полягав у тому, що в повітрі всі компоненти білого світла поширюються разом з однаковою швидкістю. У речовині кожен компонент білого світла має свій ступінь заломлення, оскільки має свою швидкість.

Скажімо, під час перетину границі розподілу середовищ швидкість червоного світла змінюється найменше, тому в речовині червоне світло в речовині має найбільшу швидкість і менше за інші компоненти відхиляється від свого попереднього напрямку. Разом із тим у фіолетового світла швидкість зменшується найбільше, тому фіолетовий світловий пучок відхиляється найбільше від початкового напрямку.

Дисперсією світла називають залежність швидкості поширення світлового пучка в середовищі від кольору світла.

Таке природне явище, як веселка (рис. 16.3, а), також пояснюється фізичним явищем дисперсії світла, тільки роль призми відіграють маленькі краплинки води, що залишилися в повітрі після дощу. Мабуть, ви звертали увагу на те, що під час спостереження веселки Сонце завжди перебуває з протилежного боку. Промені світла, потрапляючи всередину краплинки, відбиваються від її внутрішньої поверхні, а потім заломлюються як у призмі й виходять назовні.

Рис. 16.3. Природне явище веселки

Чи звертали ви увагу на послідовність кольорів, розглядаючи веселку? Так, на зовнішньому боці, найвище над землею, розташована червона смуга, а на внутрішній частині, найближче до землі, — фіолетова. Інколи можна спостерігати дві веселки (рис. 16.3, а). Проте друга веселка буде значно менш виразною і матиме зворотний порядок розташування кольорів, оскільки світло всередині краплини відбивається не один, а два рази (рис. 16.3, в). Завдяки цьому кольори в ній розташовуються навпаки.

Повітря, хоча й здається нам прозорим, також розкладає світло на компоненти. Найпомітніше це під час сходу або заходу сонця. Проходячи крізь атмосферу Землі, компоненти білого світла відхиляються від початкового напрямку поширення, причому найменше відхиляється червоне світло. Саме тому, перебуваючи біля горизонту, Сонце набуває червоного відтінку, а інші компоненти ми просто не бачимо, оскільки вони розміщені нижче від лінії горизонту (рис. 16.4).

Рис. 16.4. Заломлення світлового пучка під час проходження атмосфери Землі

КОЛЬОРИ. Складною структурою білого світла можна пояснити існування розмаїття кольорів у природі. Скажімо, аркуш паперу здається нам білим тому, що він має здатність відбивати світлові пучки всіх кольорів, які на нього потрапляють. Чорний — навпаки, поглинає всі компоненти білого світла. Траву сприймаємо зеленою, оскільки вона поглинає всі компоненти білого світла, а зелений відбиває. Якщо траву розглядати крізь червоне скло, вона здаватиметься нам майже чорною, позаяк крізь червоне скло можуть проходити лише червоні промені, а решта поглинаються.

Червоні промені мають більшу швидкість у повітрі й тому розсіюються слабше, ніж промені іншого кольору. Як наслідок, промені червоного світла поширюються на більші відстані, ніж інші компоненти білого світла. Цим зумовлений вибір кольору сигналу про небезпеку у світлофорах. Найбільше розсіяння блакитного, синього та фіолетового компонентів зумовлює колір неба.

! Головне в цьому параграфі

Біле світло має складну структуру, і лише поєднання всіх компонентів разом створює в нас відчуття білого світла.

У повітрі всі компоненти білого світла поширюються разом з однаковою швидкістю. У речовині кожен із компонентів білого світла має свій ступінь заломлення, оскільки має свою швидкість. У результаті заломлення білого світла отримуємо спектр із семи основних кольорів (червоний, помаранчевий, жовтий, зелений, блакитний, синій та фіолетовий).

Навколишній світ ми бачимо різнокольоровим, оскільки різні тіла по-різному відбивають і заломлюють світло.

? Запитання для самоперевірки

1. У чому полягала суть досліду Ньютона з дослідження дисперсії світла?
2. Сформулюйте визначення явища дисперсії світла.
3. Поясніть причину явища дисперсії світла.
4. Які природні явища пояснюються дисперсією світла?
5. Промені якого кольору найбільше та найменше відхиляються від початкового напрямку поширення? Поясніть причину.
6. Порівняйте, для якого кольору — жовтого або блакитного — швидкість світла в середовищі має більше значення.
7. Поясніть, чому сигналом небезпеки у світлофорі є червоне світло.

Вправа до § 16

1 (п). Поясніть, чому ми бачимо листя на деревах зеленим.
2 (с). На білому папері в щоденнику вчитель написав учню зауваження. Через яке скло учень має показувати його батькам, щоб зауваження було невидимим? Якого кольору буде напис, якщо подивитися на нього крізь зелене скло?
3 (д). Поясніть, чому розглядаючи крізь призму білу стіну, аркуш паперу ми бачимо зафарбованими лише їх нижній і верхній краї. Поясніть, чому змінюється розташування кольорів, коли призму розвернути на кут 180°.
4 (в). Знаючи швидкість світла у вакуумі, обчисліть його швидкість у алмазі та склі. Показник заломлення для води 1,3, для скла 1,5.
5 (в). Показник заломлення води для червоного світла становить 1,33, а для фіолетового 1,34. Порівняйте швидкість світла у воді для цих променів.

Готуємося до виконання навчального проєкту

Завдання 1. Відомо, що одержати біле світло можна, спрямувавши промені семи основних компонентів у одну ділянку, проте зробити це самостійно доволі складно. Виконаємо інший дослід. Його ідея базується на інерційності людського зору. Ми не можемо розрізняти картинки, які змінюються дуже швидко, тому в нашій уяві вони зливаються в одне ціле.

Візьмемо аркуш білого паперу й намалюємо на ньому диск. Розфарбуємо цей диск як показано на рисунку. Під час швидкого обертання диска кольори в нашій уяві будуть зливатися і, врешті-решт, ми побачимо, як різнокольоровий диск стане білим (рис. 16.5). Швидко обертати диск можна різними способами, наприклад, насадивши його на вістря олівця чи ручки або прикріпивши до електричного двигуна для іграшок.

Спробуйте повторити дослід, розфарбувавши диск в основні кольори спектра: червоний, зелений та синій. Опишіть явище, яке спостерігаєте. Проаналізуйте та зробіть висновок.

Рис. 16.5. Зміна кольору диска в міру збільшення швидкості його обертання

Завдання 2. Над вивченням дисперсії світла та його використанням у науці й техніці працюють в усьому світі та в України. Використовуючи різні джерела підготуйте інформаційний навчальний проєкт про розробки вітчизняних учених у цьому напрямі.

Зміст